eng
Выпуск #1/1999
М. Зыбин.
Быстроперестраиваемые магнетроны. Достижения, проблемы, перспективы
Быстроперестраиваемые магнетроны. Достижения, проблемы, перспективы
Просмотры: 3986
Лучшие современные быстроперестраиваемые магнетроны широко используются в РЛС гражданского назначения, позволяя успешно решать большинство стоящих перед ними задач. Но сегодня уже начинает ощущаться, что скорость перестройки частоты таких магнетронов недостаточна. По мере продвижения в область более высоких частот разработчики сталкиваются со все новыми проблемами. Автор статьи знакомит вас с основными проблемами, стоящими перед создателями быстроперестраиваемых магнетронов, и путями их решения.
По уровню выходного сигнала магнетрон не может конкурировать с устройствами на основе усилительных цепочек с внутриимпульсной перестройкой частоты, излучающих мощный когерентный сигнал большой длительности в квазинепрерывном режиме (скважность – 4–10). Сегодня известны ЛБВ, выходная мощность которых в квазинепрерывном режиме составляет несколько десятков киловатт даже в мм-диапазоне рабочих частот, необходимом для обеспечения высокого разрешения и точности сопровождения РЛС. Однако их напряжение (более 50 кВ) повышает опасность воздействия рентгеновского излучения на персонал, а сложные замедляющие системы, а также системы рекуперации и охлаждения существенно увеличивают габариты, массу и стоимость ЛБВ. Учитывая это и сложность выполнения системы сжатия импульсов, РЛС на основе усилительных цепочек с мощными выходными ЛБВ, в основном, используют в военных системах. Для гражданских систем более перспективны экономичные и экологичные быстроперестраиваемые магнетроны (БМ), обладающие к тому же меньшими массой и габаритами. Поскольку гражданские РЛС различны по назначению, проблемы, стоящие перед разработчиками, целесообразно рассматривать с точки зрения основных параметров БМ, в частности рабочей длины волны (центральная частота), диапазона и скорости перестройки частоты, напряжения анода, средней мощности, длительности импульса, стабильности частоты при воздействии дестабилизирующих факторов и, наконец, экономичности эксплуатации и производства.
Рабочая частота магнетрона. В реальных условиях кислород и водяной пар атмосферы существенно ослабляют коротковолновые сигналы, а оптимальная рабочая длина волны РЛС зависит от дальности и условий распространения сигнала. Анализ этой зависимости с использованием уравнения для отношения сигнал/шум [1] показал, что в условиях сильного тумана 8-мм РЛС имеют преимущество перед 3-см не только по разрешению и точности сопровождения цели, но и по мощности приниаемого сигнала при дальности до 5 км (рис.). Поскольку для большинства гражданских областей применения такая дальность вполне приемлема, 8-мм РЛС с их высоким разрешением и точностью определения угловых координат более предпочтительны, чем см-системы. С увеличением дальности требования к разрешению и точности определения координат, как правило, снижаются. Поэтому при необходимости обеспечить дальность обнаружения более 10 км в условиях сильного тумана и дождя целесообразно применять РЛС см-диапазона. Таким образом, с точки зрения рабочей длины волны совокупность БМ см- и 8-мм диапазонов полностью обеспечивает потребности гражданских РЛС. Работать в коротковолновой части мм-диапазона целесообразно только при отсутствии сильного тумана и дождя.
Диапазон и скорость перестройки частоты магнетрона. Сегодня известны десятки методов быстрой перестройки частоты. Оценивать их целесообразно по критерию обеспечения полной декорреляции сигнала, отраженного от цели. Для декорреляции сигнала от цели глубиной 0,5 м диапазон перестройки БМ должен составлять не менее 300 МГц, а для уменьшения спектральной плотности флуктуаций и повышения точности сопровождения цели – существенно больше. В магнетронах 3- и 2-см диапазонов до сих пор используется метод вращательной перестройки частоты [2]. Метод основан на вращении перестраивающего элемента с периодической структурой непосредственно над анодной замедляющей системой магнетрона. Чем меньше зазор между элементом и замедляющей системой, тем шире диапазон перестройки частоты. При продвижении в мм-диапазон длин волн зазор оказывается соизмеримым с торцевыми и радиальными биениями вращающегося перестраивающего элемента, а также с его тепловыми и вибрационными перемещениями относительно замедляющей системы. Вот почему создать надежный, быстроперестраиваемый в широком диапазоне мм-частот магнетрон с вращательной системой перестройки частоты практически невозможно.
С уменьшением длины волны крутизна перестройки частоты возрастает. Например, в коаксиальном БМ МИ-457 (табл.) она превышает 2000 МГц/мм, что позволяет использовать в лампах мм-диапазона аксиальное перемещение перестраивающего элемента. В классическом 8-мм БМ типа MG 5311 фирмы EEV (Великобритания) для перестройки частоты в диапазоне до 300 МГц таким способом использовано свойство пьезоэлектрических материалов изменять размеры под воздействием электрического поля. Важное достоинство этого метода – отсутствие внешнего мотора: перестройка осуществляется путем подачи напряжения на входные клеммы механизма перестройки магнетрона. Но пьезоэлектрические материалы чувствительны к изменению температуры, особенно при ее высоких значениях, и подвержены старению. Поэтому в отечественном БМ типа МИ-457 использован метод аксиального перемещения элемента с резонансной подвеской на плоских пружинах [3], что позволяет осуществлять эффективную и быструю перестройку с максимальным диапазоном 1000 МГц. Другие методы быстрой перестройки, в том числе электронной, не обеспечивают достаточный диапазон перестройки. К тому же из-за вносимых потерь ВЧ-энергии, искажения формы ВЧ-полей рабочего вида колебаний, а также недостаточно хорошего отвода тепла от элементов конструкции они могут привести к ухудшению таких важных характеристик магнетрона, как импульсная и средняя мощность, КПД, устойчивость работы и т.п. Поэтому сегодня в промышленных БМ для относительно дешевых и простых РЛС наиболее широко используются три рассмотренные метода.
Необходимая скорость перестройки частоты возрастает с ростом частоты посылок и требуемым диапазоном перестройки за один период следования импульсов. При длительности импульса 0,05 мкс (ширина спектра 40 МГц) и частоте посылок до 20000 Гц минимальная скорость перестройки частоты должна быть равна 0,8.106 МГц/с, чтобы частоты следующих друг за другом импульсов не перекрывались. Для полной декорреляции сигнала интегрирование следует проводить не менее чем по восьми импульсам. С увеличением частоты посылок и дальнейшим уменьшением длительности импульсов скорость перестройки должна увеличиваться (в некоторых случаях до 10.106 МГц/с). Для этого потребуется создать новые методы перестройки частоты, поскольку ни один из существующих не может обеспечить столь высокие скорости при сохранении необходимого диапазона перестройки.
Напряжение анода магнетрона не должно превышать 15 кВ, чтобы избежать воздействия рентгеновского излучения на персонал. В см- и 8-мм БМ выполнить такое требование сравнительно легко, хотя при этом возможно некоторое снижение предельного уровня импульсной мощности (до 400– 800 кВт для классических магнетронов 3-см диапазона против 1000–1500 кВт при напряжении на аноде 25–30 кВ). В 8-мм диапазоне импульсная мощность магнетрона при напряжении анода 15 кВ может составлять 100 кВт.
Cредняя мощность и длительность импульса. Средняя мощность классических и коаксиальных магнетронов в 3-см диапазоне достигает 500 Вт, в 8-мм – более 120 Вт. При средней мощности более 200 Вт энергия, необходимая для питания магнетрона с учетом его КПД и КПД импульсного модулятора, значительно увеличивает общие энергозатраты РЛС и, следовательно, стоимость ее эксплуатации. Правда, эта проблема пока не очень беспокоит разработчиков, поскольку средняя и импульсная мощность БМ отвечает требованиям современных РЛС см- и 8-мм диапазонов.
Длительность импульса зависит от задач, решаемых РЛС. Уменьшение длительности улучшает разрешение по дальности, но одновременно ухудшает отношение сигнал/шум и дальность обнаружения цели. Магнетрон МИ-457 прошел испытания при длительности импульсов до 0,5 мкс, что сегодня не предел для приборов этого типа. Верхняя граница длительности связана с импульсной мощностью магнетрона. Снизив импульсную мощность в два раза при неизменной средней мощности, длительность импульса можно увеличить в четыре раза. Однако пока наилучшее разрешение по дальности обеспечивает классический магнетрон, например MG5311 с минимальной длительностью импульса 0,025 мкс. Для сравнения, минимальная длительность импульса коаксиального магнетрона МИ-457 равна 0,1 мкс, но его средняя мощность в шесть раз выше. С учетом возможности реализации приемника с более узкой полосой пропускания этот магнетрон обеспечивает выигрыш по мощности примерно 14 дБ, что позволяет увеличить разрешение по дальности, за счет некоторого усложнения конструкции, сохранив все преимущества работы с большой длительностью и высокой средней мощностью импульса. Современные БМ, как правило, удовлетворяют требованиям гражданских РЛС по длительности импульса. Тем не менее уже сегодня необходимо вести работу по дальнейшему уменьшению длительности импульса промышленно выпускаемых коаксиальных магнетронов до менее 0,1 мкс при сохранении их основных достоинств.
Стабильность частоты при воздействии таких дестабилизирующих факторов, как затягивание частоты, вибрация, изменение температуры, выбег частоты и др., – серьезная проблема не только для магнетронов, работающих на фиксированной частоте, но и для магнетронов с перестройкой частоты. У БМ эту проблему можно частично решить, применив метод слежения за частотой в паузе между импульсами [2]. Еще более перспективен способ, основанный на применении стабильных, фиксированных по частоте местных гетеродинов, с высокой точностью обеспечивающих стабильность частоты БМ с непрерывной периодической перестройкой частоты резонансного контура независимо от наличия дестабилизирующих факторов [4].
Экономичность эксплуатации РЛС с точки зрения применяемого магнетрона в первую очередь зависит от его выходной мощности и КПД. Вместе с тем лучшее угловое разрешение и точность сопровождения 8-мм РЛС способствуют снижению эксплуатационных затрат благодаря уменьшению габаритов и массы антенны, а также упрощению конструкции приемника. Правда, стоимость БМ и других элементов этих РЛС сегодня значительно выше, чем устройств см-диапазона. Поэтому при выборе БМ необходим тщательный анализ конкретных требований к РЛС.
Проблемы и перспективы. Анализ характеристик БМ различного диапазона длин волн показал, что современные приборы пригодны для решения самых разных задач, стоящих перед РЛС гражданского назначения. Однако применение 2- и 3-мм магнетронов сдерживает их низкий уровень выходной мощности и КПД, узкий диапазон перестройки, а также высокий уровень поглощения сигнала в тумане и при дожде. Поэтому в большинстве типов РЛС целесообразно применять 8-мм БМ, а для РЛС взлетно-посадочных комплексов (кроме комплексов малой авиации), небольших морских и речных судов по-прежнему более приемлемы БМ см-диапазона благодаря их дешевизне и невысоким требованиям к разрешению по углу. Для обеспечения высоких значений таких показателей, как стабильность частоты, долговечность, рабочий диапазон токов и уровень импульсной мощности, более перспективны коаксиальные магнетроны, а для работы с импульсами очень малой длительности – классические лампы.
Дальнейшее развитие БМ потребует решения таких проблем, как увеличение скорости перестройки частоты; продвижение коаксиальных магнетронов в область более коротких импульсов; увеличение выходной мощности и КПД магнетронов, работающих в коротковолновой части мм-диапазона, и обеспечение широкого диапазона перестройки их частоты; улучшение стабильности частоты БМ и реализация многочастотной РЛС с заданием частоты при помощи высокостабильных фиксированных по частоте местных гетеродинов; управление частотой и фазой сигнала БМ путем обеспечения его работы в режиме синхронизированного генератора.
Каждый из трех упомянутых ранее способов быстрой перестройки частоты обладает конструктивным и технологическим потенциалом, но в то же время имеет существенные ограничения по скорости перестройки. Пожалуй, самые большие резервы присущи методу, используемому в магнетроне МИ-457. Увеличение скорости перестройки за счет дальнейшего расширения ее диапазона резко снижает долговечность плоских пружин, на которых подвешен перестраивающий элемент. Метод позволяет решать эту задачу путем увеличения числа циклов перестройки частоты в секунду. В МИ-457 этот параметр может быть увеличен с 600 до 1200 циклов/с, что подтверждено испытаниями. Но одновременно в 8–10 раз (до 8–20 Вт) выросла потребляемая мощность привода механизма перестройки. Дальнейшее увеличение скорости перестройки вызовет еще больший рост потребляемой мощности и ухудшение прочности крепления плоских пружин. Дополнительные резервы метода резонансной подвески перестаивающего элемента связаны, по-видимому, с повышением добротности резонансной подвески. Но для обеспечения скорости перестройки частоты более 2.106 МГц/с, вероятно, нужно искать новые методы. В частности, заслуживает внимания метод одновременного применения резонансной подвески перестраивающего элемента и пьезоэлектрических элементов его крепления. Представляют интерес и электронные способы перестройки частоты, особенно в мм-диапазоне, где с их помощью легче получить достаточный для полной декорреляции сигнала диапазон перестройки.
Продвижение коаксиальных магнетронов в область все более коротких импульсов уже несколько десятилетий продолжает оставаться одной из самых актуальных и труднорешаемых задач. Сегодня уже стало возможным получение импульса длительностью около 0,1 мкс при сохранении всех достоинств коаксильных магнетронов. Созданы отдельные образцы коаксиальных устройств с длительностью импульса 0,05 мкс и менее. И хотя пока рано говорить о высоконадежных промышленных магнетронах с такими параметрами, их появления можно ожидать в ближайшие годы.
В коротковолновой части мм-диапазона основная проблема – разработка технологии изготовления замедляющей системы с достаточно хорошей воспроизводимостью параметров, пригодной для промышленного выпуска БМ. Для выполнения этого требования часто используют работу магнетрона на видах колебаний, отличных от n=N/2, например n= N/4 (N – число ячеек замедляющей системы). Однако многолетний опыт разработки таких магнетронов показал, что они очень критичны к режиму работы и диапазону перестройки частоты, а их выходная мощность и КПД низки. Не дали пока положительных результатов и попытки создать коаксиальные магнетроны, в которых отличные от N/2 виды связаны с Н-видами колебаний коаксиального резонатора с азимутальной вариацией поля или с Н011-видом (через коаксиальный резонатор со специальным расположением щелей связи). Перспективной может быть работа коротковолнового магнетрона на плюс первой пространственной гармонике вида N/2. Эта гармоника хорошо связывается с Н011-видом колебаний коаксиального резонатора, что позволяет использовать для подавления конкурирующих видов колебаний те же способы, что и в обычных коаксиальных магнетронах. При этом конкуренция колебаний N/2-вида практически отсутствует, поскольку напряжение возбуждения рабочей гармоники в три раза ниже, чем у основного N/2-вида. По-видимому, в ближайшие годы импульсная мощность в коротковолновом диапазоне достигнет 50 кВт при КПД более 20% и диапазоне перестройки 1000 МГц. Главным ограничением применения в импульсных РЛС магнетронов, работающих в коротковолновой части мм-диапазона, остается большой коэффициент поглощения сигнала в условиях тумана и дождя и, следовательно, малая дальность.
При работе на фиксированной частоте в мм-диапазоне суммарный уход частоты даже при минимальном влиянии дестабилизирующих факторов, как правило, составляет 10–30 МГц, а у мощных магнетронов еще больше. Стабильность промежуточной частоты обычно обеспечивают подстройкой частоты магнетрона и ослаблением воздействия дестабилизирующих факторов на нее с помощью подстройки частоты местного гетеродина. Так как механизм перестройки довольно инерционен и подстроить частоту магнетрона в течение одного периода следования импульсов довольно сложно, этот метод компенсирует, в основном, только медленные, главным образом тепловые, уходы частоты. Причем это не спасает от уходов частоты, связанных с вибрацией, которая в мм-диапазоне может составлять несколько мегагерц за период следования импульсов. Более хорошие результаты можно получить за счет поддержания постоянной промежуточной частоты передатчика путем подстройки местного гетеродина при слежении за частотой магнетрона в паузе между импульсами [2]. Однако из-за необходимости непрерывной перестройки частоты гетеродина приходится отказаться от высокостабильных устройств, работающих на фиксированной частоте.
Лучшие на сегодня результаты дает метод, обеспечивающий получение последовательности импульсов БМ с заранее заданными с высокой точностью частотами [4]. Частота каждого импульса задается по любому предопределенному закону, в том числе путем случайного выбора из ряда частот или перехода от одной серии импульсов с постоянной частотой к серии с другой частотой. При этом частота каждого импульса задается только системой управления частотой РЛС и не зависит от дестабилизирующих факторов. По-видимому, в ближайшие годы этот метод найдет широкое применение при создании многочастотных РЛС как см-, так и мм-диапазонов. Дальнейшее увеличение точности задания частоты, а также управление фазой сигнала в широком диапазоне частот возможно при работе БМ в режиме синхронизированного генератора. В этом случае значения КПД и произведения полосы частот на коэффициент усиления значительно выше, чем можно ожидать от усилителей М-типа, работающих в том же диапазоне частот.
Таким образом, проведенный анализ показывает, что освоение новых методов управления частотой значительно расширит область применения быстроперестраиваемых магнетронов и ускорит их внедрение в современные РЛС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Современная радиолокация. Пер. с англ. под ред. Кобзырева Ю.В.– М.:Советское радио, 1969.
2. Б. Берквист. Перестройка частоты. Результаты 20-летних исследований проблемы. – Microwellen and Millitary Electronics, 1986, N6.
3. Зыбин М.Н. Магнетрон с быстрой перестройкой частоты. Патент РФ №2 046 443, приоритет от 09.11.1989.
4. Зыбин М.Н. Импульсная РЛС. Патент России, № 210 6654, приоритет от 15.10.1996; международная заявка №PCT/RU 97/ /00220 от 11.07.1997.
5. Зыбин М.Н. Коаксиальный магнетрон. Патент РФ №2 052 866, приоритет от 26.05.1986.
6. Зыбин М.Н. Коаксиальный магнетрон. Патент РФ №2 074 450, приоритет от 22.06.1994.
Представляем автора статьи
ЗЫБИН Михаил Николаевич. Главный специалист ОАО “Плутон”. Кандидат технических наук. Автор 12 изобретений и восьми патентов РФ. Работа автора отмечена золотой медалью и дипломом Всемирного салона изобретений “Брюссель-Эврика”-97.
Контактный телефон: (095) 916-8757
Рабочая частота магнетрона. В реальных условиях кислород и водяной пар атмосферы существенно ослабляют коротковолновые сигналы, а оптимальная рабочая длина волны РЛС зависит от дальности и условий распространения сигнала. Анализ этой зависимости с использованием уравнения для отношения сигнал/шум [1] показал, что в условиях сильного тумана 8-мм РЛС имеют преимущество перед 3-см не только по разрешению и точности сопровождения цели, но и по мощности приниаемого сигнала при дальности до 5 км (рис.). Поскольку для большинства гражданских областей применения такая дальность вполне приемлема, 8-мм РЛС с их высоким разрешением и точностью определения угловых координат более предпочтительны, чем см-системы. С увеличением дальности требования к разрешению и точности определения координат, как правило, снижаются. Поэтому при необходимости обеспечить дальность обнаружения более 10 км в условиях сильного тумана и дождя целесообразно применять РЛС см-диапазона. Таким образом, с точки зрения рабочей длины волны совокупность БМ см- и 8-мм диапазонов полностью обеспечивает потребности гражданских РЛС. Работать в коротковолновой части мм-диапазона целесообразно только при отсутствии сильного тумана и дождя.
Диапазон и скорость перестройки частоты магнетрона. Сегодня известны десятки методов быстрой перестройки частоты. Оценивать их целесообразно по критерию обеспечения полной декорреляции сигнала, отраженного от цели. Для декорреляции сигнала от цели глубиной 0,5 м диапазон перестройки БМ должен составлять не менее 300 МГц, а для уменьшения спектральной плотности флуктуаций и повышения точности сопровождения цели – существенно больше. В магнетронах 3- и 2-см диапазонов до сих пор используется метод вращательной перестройки частоты [2]. Метод основан на вращении перестраивающего элемента с периодической структурой непосредственно над анодной замедляющей системой магнетрона. Чем меньше зазор между элементом и замедляющей системой, тем шире диапазон перестройки частоты. При продвижении в мм-диапазон длин волн зазор оказывается соизмеримым с торцевыми и радиальными биениями вращающегося перестраивающего элемента, а также с его тепловыми и вибрационными перемещениями относительно замедляющей системы. Вот почему создать надежный, быстроперестраиваемый в широком диапазоне мм-частот магнетрон с вращательной системой перестройки частоты практически невозможно.
С уменьшением длины волны крутизна перестройки частоты возрастает. Например, в коаксиальном БМ МИ-457 (табл.) она превышает 2000 МГц/мм, что позволяет использовать в лампах мм-диапазона аксиальное перемещение перестраивающего элемента. В классическом 8-мм БМ типа MG 5311 фирмы EEV (Великобритания) для перестройки частоты в диапазоне до 300 МГц таким способом использовано свойство пьезоэлектрических материалов изменять размеры под воздействием электрического поля. Важное достоинство этого метода – отсутствие внешнего мотора: перестройка осуществляется путем подачи напряжения на входные клеммы механизма перестройки магнетрона. Но пьезоэлектрические материалы чувствительны к изменению температуры, особенно при ее высоких значениях, и подвержены старению. Поэтому в отечественном БМ типа МИ-457 использован метод аксиального перемещения элемента с резонансной подвеской на плоских пружинах [3], что позволяет осуществлять эффективную и быструю перестройку с максимальным диапазоном 1000 МГц. Другие методы быстрой перестройки, в том числе электронной, не обеспечивают достаточный диапазон перестройки. К тому же из-за вносимых потерь ВЧ-энергии, искажения формы ВЧ-полей рабочего вида колебаний, а также недостаточно хорошего отвода тепла от элементов конструкции они могут привести к ухудшению таких важных характеристик магнетрона, как импульсная и средняя мощность, КПД, устойчивость работы и т.п. Поэтому сегодня в промышленных БМ для относительно дешевых и простых РЛС наиболее широко используются три рассмотренные метода.
Необходимая скорость перестройки частоты возрастает с ростом частоты посылок и требуемым диапазоном перестройки за один период следования импульсов. При длительности импульса 0,05 мкс (ширина спектра 40 МГц) и частоте посылок до 20000 Гц минимальная скорость перестройки частоты должна быть равна 0,8.106 МГц/с, чтобы частоты следующих друг за другом импульсов не перекрывались. Для полной декорреляции сигнала интегрирование следует проводить не менее чем по восьми импульсам. С увеличением частоты посылок и дальнейшим уменьшением длительности импульсов скорость перестройки должна увеличиваться (в некоторых случаях до 10.106 МГц/с). Для этого потребуется создать новые методы перестройки частоты, поскольку ни один из существующих не может обеспечить столь высокие скорости при сохранении необходимого диапазона перестройки.
Напряжение анода магнетрона не должно превышать 15 кВ, чтобы избежать воздействия рентгеновского излучения на персонал. В см- и 8-мм БМ выполнить такое требование сравнительно легко, хотя при этом возможно некоторое снижение предельного уровня импульсной мощности (до 400– 800 кВт для классических магнетронов 3-см диапазона против 1000–1500 кВт при напряжении на аноде 25–30 кВ). В 8-мм диапазоне импульсная мощность магнетрона при напряжении анода 15 кВ может составлять 100 кВт.
Cредняя мощность и длительность импульса. Средняя мощность классических и коаксиальных магнетронов в 3-см диапазоне достигает 500 Вт, в 8-мм – более 120 Вт. При средней мощности более 200 Вт энергия, необходимая для питания магнетрона с учетом его КПД и КПД импульсного модулятора, значительно увеличивает общие энергозатраты РЛС и, следовательно, стоимость ее эксплуатации. Правда, эта проблема пока не очень беспокоит разработчиков, поскольку средняя и импульсная мощность БМ отвечает требованиям современных РЛС см- и 8-мм диапазонов.
Длительность импульса зависит от задач, решаемых РЛС. Уменьшение длительности улучшает разрешение по дальности, но одновременно ухудшает отношение сигнал/шум и дальность обнаружения цели. Магнетрон МИ-457 прошел испытания при длительности импульсов до 0,5 мкс, что сегодня не предел для приборов этого типа. Верхняя граница длительности связана с импульсной мощностью магнетрона. Снизив импульсную мощность в два раза при неизменной средней мощности, длительность импульса можно увеличить в четыре раза. Однако пока наилучшее разрешение по дальности обеспечивает классический магнетрон, например MG5311 с минимальной длительностью импульса 0,025 мкс. Для сравнения, минимальная длительность импульса коаксиального магнетрона МИ-457 равна 0,1 мкс, но его средняя мощность в шесть раз выше. С учетом возможности реализации приемника с более узкой полосой пропускания этот магнетрон обеспечивает выигрыш по мощности примерно 14 дБ, что позволяет увеличить разрешение по дальности, за счет некоторого усложнения конструкции, сохранив все преимущества работы с большой длительностью и высокой средней мощностью импульса. Современные БМ, как правило, удовлетворяют требованиям гражданских РЛС по длительности импульса. Тем не менее уже сегодня необходимо вести работу по дальнейшему уменьшению длительности импульса промышленно выпускаемых коаксиальных магнетронов до менее 0,1 мкс при сохранении их основных достоинств.
Стабильность частоты при воздействии таких дестабилизирующих факторов, как затягивание частоты, вибрация, изменение температуры, выбег частоты и др., – серьезная проблема не только для магнетронов, работающих на фиксированной частоте, но и для магнетронов с перестройкой частоты. У БМ эту проблему можно частично решить, применив метод слежения за частотой в паузе между импульсами [2]. Еще более перспективен способ, основанный на применении стабильных, фиксированных по частоте местных гетеродинов, с высокой точностью обеспечивающих стабильность частоты БМ с непрерывной периодической перестройкой частоты резонансного контура независимо от наличия дестабилизирующих факторов [4].
Экономичность эксплуатации РЛС с точки зрения применяемого магнетрона в первую очередь зависит от его выходной мощности и КПД. Вместе с тем лучшее угловое разрешение и точность сопровождения 8-мм РЛС способствуют снижению эксплуатационных затрат благодаря уменьшению габаритов и массы антенны, а также упрощению конструкции приемника. Правда, стоимость БМ и других элементов этих РЛС сегодня значительно выше, чем устройств см-диапазона. Поэтому при выборе БМ необходим тщательный анализ конкретных требований к РЛС.
Проблемы и перспективы. Анализ характеристик БМ различного диапазона длин волн показал, что современные приборы пригодны для решения самых разных задач, стоящих перед РЛС гражданского назначения. Однако применение 2- и 3-мм магнетронов сдерживает их низкий уровень выходной мощности и КПД, узкий диапазон перестройки, а также высокий уровень поглощения сигнала в тумане и при дожде. Поэтому в большинстве типов РЛС целесообразно применять 8-мм БМ, а для РЛС взлетно-посадочных комплексов (кроме комплексов малой авиации), небольших морских и речных судов по-прежнему более приемлемы БМ см-диапазона благодаря их дешевизне и невысоким требованиям к разрешению по углу. Для обеспечения высоких значений таких показателей, как стабильность частоты, долговечность, рабочий диапазон токов и уровень импульсной мощности, более перспективны коаксиальные магнетроны, а для работы с импульсами очень малой длительности – классические лампы.
Дальнейшее развитие БМ потребует решения таких проблем, как увеличение скорости перестройки частоты; продвижение коаксиальных магнетронов в область более коротких импульсов; увеличение выходной мощности и КПД магнетронов, работающих в коротковолновой части мм-диапазона, и обеспечение широкого диапазона перестройки их частоты; улучшение стабильности частоты БМ и реализация многочастотной РЛС с заданием частоты при помощи высокостабильных фиксированных по частоте местных гетеродинов; управление частотой и фазой сигнала БМ путем обеспечения его работы в режиме синхронизированного генератора.
Каждый из трех упомянутых ранее способов быстрой перестройки частоты обладает конструктивным и технологическим потенциалом, но в то же время имеет существенные ограничения по скорости перестройки. Пожалуй, самые большие резервы присущи методу, используемому в магнетроне МИ-457. Увеличение скорости перестройки за счет дальнейшего расширения ее диапазона резко снижает долговечность плоских пружин, на которых подвешен перестраивающий элемент. Метод позволяет решать эту задачу путем увеличения числа циклов перестройки частоты в секунду. В МИ-457 этот параметр может быть увеличен с 600 до 1200 циклов/с, что подтверждено испытаниями. Но одновременно в 8–10 раз (до 8–20 Вт) выросла потребляемая мощность привода механизма перестройки. Дальнейшее увеличение скорости перестройки вызовет еще больший рост потребляемой мощности и ухудшение прочности крепления плоских пружин. Дополнительные резервы метода резонансной подвески перестаивающего элемента связаны, по-видимому, с повышением добротности резонансной подвески. Но для обеспечения скорости перестройки частоты более 2.106 МГц/с, вероятно, нужно искать новые методы. В частности, заслуживает внимания метод одновременного применения резонансной подвески перестраивающего элемента и пьезоэлектрических элементов его крепления. Представляют интерес и электронные способы перестройки частоты, особенно в мм-диапазоне, где с их помощью легче получить достаточный для полной декорреляции сигнала диапазон перестройки.
Продвижение коаксиальных магнетронов в область все более коротких импульсов уже несколько десятилетий продолжает оставаться одной из самых актуальных и труднорешаемых задач. Сегодня уже стало возможным получение импульса длительностью около 0,1 мкс при сохранении всех достоинств коаксильных магнетронов. Созданы отдельные образцы коаксиальных устройств с длительностью импульса 0,05 мкс и менее. И хотя пока рано говорить о высоконадежных промышленных магнетронах с такими параметрами, их появления можно ожидать в ближайшие годы.
В коротковолновой части мм-диапазона основная проблема – разработка технологии изготовления замедляющей системы с достаточно хорошей воспроизводимостью параметров, пригодной для промышленного выпуска БМ. Для выполнения этого требования часто используют работу магнетрона на видах колебаний, отличных от n=N/2, например n= N/4 (N – число ячеек замедляющей системы). Однако многолетний опыт разработки таких магнетронов показал, что они очень критичны к режиму работы и диапазону перестройки частоты, а их выходная мощность и КПД низки. Не дали пока положительных результатов и попытки создать коаксиальные магнетроны, в которых отличные от N/2 виды связаны с Н-видами колебаний коаксиального резонатора с азимутальной вариацией поля или с Н011-видом (через коаксиальный резонатор со специальным расположением щелей связи). Перспективной может быть работа коротковолнового магнетрона на плюс первой пространственной гармонике вида N/2. Эта гармоника хорошо связывается с Н011-видом колебаний коаксиального резонатора, что позволяет использовать для подавления конкурирующих видов колебаний те же способы, что и в обычных коаксиальных магнетронах. При этом конкуренция колебаний N/2-вида практически отсутствует, поскольку напряжение возбуждения рабочей гармоники в три раза ниже, чем у основного N/2-вида. По-видимому, в ближайшие годы импульсная мощность в коротковолновом диапазоне достигнет 50 кВт при КПД более 20% и диапазоне перестройки 1000 МГц. Главным ограничением применения в импульсных РЛС магнетронов, работающих в коротковолновой части мм-диапазона, остается большой коэффициент поглощения сигнала в условиях тумана и дождя и, следовательно, малая дальность.
При работе на фиксированной частоте в мм-диапазоне суммарный уход частоты даже при минимальном влиянии дестабилизирующих факторов, как правило, составляет 10–30 МГц, а у мощных магнетронов еще больше. Стабильность промежуточной частоты обычно обеспечивают подстройкой частоты магнетрона и ослаблением воздействия дестабилизирующих факторов на нее с помощью подстройки частоты местного гетеродина. Так как механизм перестройки довольно инерционен и подстроить частоту магнетрона в течение одного периода следования импульсов довольно сложно, этот метод компенсирует, в основном, только медленные, главным образом тепловые, уходы частоты. Причем это не спасает от уходов частоты, связанных с вибрацией, которая в мм-диапазоне может составлять несколько мегагерц за период следования импульсов. Более хорошие результаты можно получить за счет поддержания постоянной промежуточной частоты передатчика путем подстройки местного гетеродина при слежении за частотой магнетрона в паузе между импульсами [2]. Однако из-за необходимости непрерывной перестройки частоты гетеродина приходится отказаться от высокостабильных устройств, работающих на фиксированной частоте.
Лучшие на сегодня результаты дает метод, обеспечивающий получение последовательности импульсов БМ с заранее заданными с высокой точностью частотами [4]. Частота каждого импульса задается по любому предопределенному закону, в том числе путем случайного выбора из ряда частот или перехода от одной серии импульсов с постоянной частотой к серии с другой частотой. При этом частота каждого импульса задается только системой управления частотой РЛС и не зависит от дестабилизирующих факторов. По-видимому, в ближайшие годы этот метод найдет широкое применение при создании многочастотных РЛС как см-, так и мм-диапазонов. Дальнейшее увеличение точности задания частоты, а также управление фазой сигнала в широком диапазоне частот возможно при работе БМ в режиме синхронизированного генератора. В этом случае значения КПД и произведения полосы частот на коэффициент усиления значительно выше, чем можно ожидать от усилителей М-типа, работающих в том же диапазоне частот.
Таким образом, проведенный анализ показывает, что освоение новых методов управления частотой значительно расширит область применения быстроперестраиваемых магнетронов и ускорит их внедрение в современные РЛС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Современная радиолокация. Пер. с англ. под ред. Кобзырева Ю.В.– М.:Советское радио, 1969.
2. Б. Берквист. Перестройка частоты. Результаты 20-летних исследований проблемы. – Microwellen and Millitary Electronics, 1986, N6.
3. Зыбин М.Н. Магнетрон с быстрой перестройкой частоты. Патент РФ №2 046 443, приоритет от 09.11.1989.
4. Зыбин М.Н. Импульсная РЛС. Патент России, № 210 6654, приоритет от 15.10.1996; международная заявка №PCT/RU 97/ /00220 от 11.07.1997.
5. Зыбин М.Н. Коаксиальный магнетрон. Патент РФ №2 052 866, приоритет от 26.05.1986.
6. Зыбин М.Н. Коаксиальный магнетрон. Патент РФ №2 074 450, приоритет от 22.06.1994.
Представляем автора статьи
ЗЫБИН Михаил Николаевич. Главный специалист ОАО “Плутон”. Кандидат технических наук. Автор 12 изобретений и восьми патентов РФ. Работа автора отмечена золотой медалью и дипломом Всемирного салона изобретений “Брюссель-Эврика”-97.
Контактный телефон: (095) 916-8757
Отзывы читателей
