ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ВЕРТОЛЕТНОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ
TRANSMITTING DEVICE OF HELICOPTER RADAR STATION

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано на вертолетах.
Из уровня техники известен передатчик СВЧ (патент RU №2208909, опубликован 2003.07.20, МПК Н04В 1/00, Н05K 7/20). Передатчик СВЧ содержит задающий генератор, p-i-n аттенюатор, развязывающий прибор, усилитель СВЧ, нагрузку, источник тока, дискриминатор, источник питания и модулятор, систему охлаждения с замкнутым жидкостным контуром. Данный передатчик СВЧ позволяет повысить эффективность работы за счет улучшения отвода тепла от блоков передатчика и улучшение массогабаритных характеристик, но не решает задачу обеспечения работоспособности в миллиметровом диапазоне волн.
Известен передатчик СВЧ (патент RU №2187880, опубликован 2002.08.20, МПК Н03В 9/06). В состав передатчика СВЧ между вторым выходом задающего генератора и управляющим входом p-i-n аттенюатора включены частотный дискриминатор и управляемый от дискриминатора источник тока. Источник тока обеспечивает стабилизацию постоянного тока через p-i-n аттенюатор и, как следствие, стабилизирует входную мощность и снижает уровень шумов усилителя СВЧ. Управление источником тока осуществляется от дискриминатора, который формирует частотно-зависимое напряжение управления током p-i-n аттенюатора. Управление оптимальной входной мощностью происходит автоматически и с достаточным быстродействием. К недостаткам данного передатчика СВЧ можно отнести то, что при получении оптимальной выходной мощности в диапазоне частот и снижении уровня амплитудных и фазовых шумов не удается обеспечить улучшение массогабаритных характеристик передатчика.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является усилитель импульсной СВЧ-мощности (свидетельство на полезную модель №16238, опубликовано 2000.12.10, МПК H03F 3/58), содержащий лампу бегущей волны (ЛБВ), коллекторный вывод которой подключен к положительной шине коллекторного источника питания, а отрицательная шина коллекторного источника питания подключена к катоду ЛБВ, анодный источник питания. При этом отрицательная шина анодного источника питания соединена с положительной шиной коллекторного источника питания. Положительная шина анодного источника питания соединена с положительным выводом регулирующего каскада высоковольтного стабилизатора, отрицательный вывод которого соединен с корпусом, а управляющий вход с регулирующим выходом делителя напряжения, один вывод которого соединен с катодом ЛБВ, а второй - с корпусом. Общий вывод источника питания модулятора соединен с катодом ЛБВ. Отрицательная шина источника питания модулятора соединена с выходом первого ключа, а положительная шина - с входами второго и третьего ключей. Вход первого ключа соединен с выходом третьего ключа, второй управляющей сеткой ЛБВ и через разделительный диод с первой управляющей сеткой ЛБВ, которая соединена с анодом разделительного диода, с выходом второго ключа н через разрядный резистор с выходом первого ключа. Управляющий вход первого ключа соединен с выходом первого пускового устройства, вход которого соединен с выходом коммутатора. Управляющий вход второго ключа соединен с выходом второго пускового устройства, вход которого соединен с первым входом коммутатора и разъемом "коротких" импульсов. Управляющий вход третьего ключа соединен с выходом третьего пускового устройства, вход которого соединен с выходом инвертора. Вход инвертора соединен с разъемом запуска "длинных" импульсов и вторым входом коммутатора. Данный усилитель импульсной СВЧ-мощности расширяет функциональные возможности усилителя, но не обеспечивает улучшение массогабаритных характеристик усилителя и повышения его, надежности.
Технический результат предлагаемого технического решения направлен на повышение надежности работы передающего устройства вертолетной радиолокационной станции (РЛС) в миллиметровом диапазоне длин волн, с возможностью обеспечения при этом незначительных массогабаритных характеристик.
Указанный технический результат достигается тем, что передающее устройство вертолетной радиолокационной станции содержит ЛБВ, высоковольтный выпрямитель, делитель напряжения, коллекторный источник питания, анодный источник питания, модулятор. При этом оно отличается от прототипа тем, что дополнительно содержит источник питания напряжения накала, трансформатор, выпрямитель, первое устройство коммутации, второе устройство коммутации, входной тракт, выходной тракт, волновод входного СВЧ сигнала W1, волновод выходного СВЧ сигнала W2, волноводное соединение W3, волноводное соединение W4, контакт разъема входного импульса запуска передатчика, контакт разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы А, контакт разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы В, контакт разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы С, контакт разъема для подачи входного постоянного напряжения питания, причем модулятор состоит из первого стабилизатора, схемы управления, второго стабилизатора, коммутатора.
При этом первый вход высоковольтного выпрямителя соединен с третьим входом первого устройства коммутации и контактом разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы С.
Второй вход высоковольтного выпрямителя соединен с первым выходом первого устройства коммутации. Третий вход высоковольтного выпрямителя соединен со вторым выходом первого устройства коммутации. Первый выход высоковольтного выпрямителя соединен с входом делителя напряжения. Второй выход высоковольтного выпрямителя соединен с третьим входом модулятора. Третий выход высоковольтного выпрямителя соединен с первым входом модулятора.
Первый выход делителя напряжения соединен с входом коллекторного источника питания. Выход коллекторного источника питания соединен с коллектором ЛБВ. Второй выход делителя напряжения соединен с входом анодного источника питания. Выход анодного источника питания соединен с катодом ЛБВ, с первым выходом источника питания напряжения накала, с четвертым входом модулятора. Контакт разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы А соединен с первым входом первого устройства коммутации, с первым входом источника питания напряжения накала, со вторым входом трансформатора. Контакт разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы В соединен со вторым входом первого устройства коммутации, со вторым входом источника питания напряжения накала, с первым входом трансформатора. Второй выход источника питания напряжения накала соединен с подогревателем ЛБВ. Первый выход трансформатора соединен с первым входом выпрямителя. Второй выход трансформатора соединен со вторым входом выпрямителя. Выход выпрямителя соединен с входом второго устройства коммутации. Выход второго устройства коммутации соединен с выходом модулятора и с управляющим электродом ЛБВ. Второй вход модулятора соединен с контактом разъема входного импульса запуска передатчика. Четвертый вход первого устройства коммутации соединен с контактом разъема для подачи входного постоянного напряжения питания. Волновод входного СВЧ сигнала W1 соединен с входом волноводного соединения W3. Выход волноводного соединения W3 соединен с входом входного тракта. Выход входного тракта соединен с входом ЛБВ. Выход ЛБВ соединен с входом волноводного соединения W4. Выход волноводного соединения W4 соединен с входом выходного тракта. Выход выходного тракта соединен с волноводом выходного сигнала W2. Анод ЛБВ соединен с корпусом. Первый вход модулятора соединен с первым входом первого стабилизатора. Второй вход модулятора соединен с входом схемы управления. Третий вход модулятора соединен с первым входом второго стабилизатора. Четвертый вход модулятора соединен со вторым входом первого стабилизатора и со вторым входом второго стабилизатора. Выход схемы управления соединен со вторым входом коммутатора. Выход первого стабилизатора соединен с первым входом коммутатора. Выход второго стабилизатора соединен с третьим входом коммутатора. Выход коммутатора соединен с выходом модулятора.
На чертеже приведена структурная схема предлагаемого передатчика, который включает: лампу бегущей волны (ЛБВ) 1, высоковольтный выпрямитель 2, делитель напряжения 3, коллекторный источник питания 4, анодный источник питания 5, модулятор 6, источник питания напряжения накала 7, трансформатор 8, выпрямитель 9, второе устройство коммутации 10, первое устройство коммутации 11, волноводное соединение W4 12, выходной тракт 13, входной тракт 14, волновод выходного СВЧ сигнала W2 15, волновод входного СВЧ сигнала W1 16, волноводное соединение W3 17, контакт разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы А 18, контакт разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы В 19, контакт разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы С 20, контакт передающего устройства вертолетной РЛС разъема для подачи входного постоянного напряжения питания 21, контакт разъема входного импульса запуска передатчика 22.
Модулятор 6 содержит: первый стабилизатор 23, второй стабилизатор 24, схему управления 25, коммутатор 26.
При этом первый вход высоковольтного выпрямителя 2 соединен с третьим входом первого устройства коммутации 11 и контактом разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы С 20. Второй вход высоковольтного выпрямителя 2 соединен с первым выходом первого устройства коммутации 11. Третий вход высоковольтного выпрямителя 2 соединен со вторым выходом первого устройства коммутации 11. Первый выход высоковольтного выпрямителя 2 соединен с входом делителя напряжения 3. Второй выход высоковольтного выпрямителя 2 соединен с третьим входом модулятора 6. Третий выход высоковольтного выпрямителя 2 соединен с первым входом модулятора 6. Первый выход делителя напряжения 3 соединен с входом коллекторного источника питания 4. Выход коллекторного источника питания 4 соединен с коллектором 4 ЛБВ 1. Второй выход делителя напряжения 3 соединен с входом анодного источника питания 5. Выход анодного источника питания 5 соединен с катодом 1 ЛБВ 1, с первым выходом источника питания напряжения накала 7, с четвертым входом модулятора 6. Контакт разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы А 18 соединен с первым входом первого устройства коммутации 11, с первым входом источника питания напряжения накала 7, со вторым входом трансформатора 8. Контакт разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы В 19 соединен со вторым входом первого устройства коммутации 11, со вторым входом источника питания напряжения накала 7, с первым входом трансформатора 8. Второй выход источника питания напряжения накала 7 соединен с подогревателем 3 ЛБВ 1. Первый выход трансформатора 8 соединен с первым входом выпрямителя 9. Второй выход трансформатора 8 соединен со вторым входом выпрямителя 9. Выход выпрямителя 9 соединен с входом второго устройства коммутации 10. Выход второго устройства коммутации 10 соединен с выходом модулятора 6 и с управляющим электродом 2 ЛБВ 1. Второй вход модулятора 6 соединен с контактом разъема входного импульса запуска передатчика (ИЗП) 22. Четвертый вход первого устройства коммутации 11 соединен с контактом разъема для подачи входного постоянного напряжения питания 21. Волновод входного СВЧ сигнала W1 16 соединен с входом волноводного соединения W3 17. Выход волноводного соединения W3 17 соединен с входом входного тракта 14. Выход входного тракта 14 соединен с входом ЛБВ 1. Выход ЛБВ 1 соединен с входом волноводного соединения W4 12. Выход волноводного соединения W4 12 соединен с входом выходного тракта 13. Выход выходного тракта 13 соединен с волноводом выходного сигнала W2 15. Анод 5 ЛБВ 1 соединен с корпусом. Первый вход модулятора 6 соединен с первым входом первого стабилизатора 23. Второй вход модулятора 6 соединен с входом схемы управления 25. Третий вход модулятора 6 соединен с первым входом второго стабилизатора 24. Четвертый вход модулятора 6 соединен со вторым входом первого стабилизатора 23 и со вторым входом второго стабилизатора 24.
Выход схемы управления 25 соединен со вторым входом коммутатора 26. Выход первого стабилизатора 23 соединен с первым входом коммутатора 26. Выход второго стабилизатора 24 соединен с третьим входом коммутатора 26. Выход коммутатора 26 соединен с выходом модулятора 6.
C
Вертолетной РЛС требуется высокая разрешающая способность и незначительные массогабаритные характеристики. Поэтому вертолетные РЛС работают в восьмимиллиметровом диапазоне длин волн. Применение восьмимиллиметрового диапазона длин волн на вертолетных РЛС позволяет в режиме маловысотного полета обнаружить провода электропередачи и опасные для полета метеообразования. Вертолетные РЛС имеют большой уровень вибрационных нагрузок, поэтому передатчик должен быть устойчивым к воздействию механических и климатических факторов группы 2У ГОСТ РВ 20.39.414.1-97. Данный передатчик обеспечивает усиление СВЧ сигнала в восьмимиллиметровом диапазоне длин волн с полосой рабочих частот порядка 2 ГГц, низким уровнем собственных шумов. Соизмеримость геометрических размеров элементов и узлов передатчика с длинами волн СВЧ диапазона приводит к существенным изменениям в происходящих физических явлениях и к значительным количественным и качественным изменениям электрических свойств используемых элементов. (Под редакцией A.M.Чернушенко Конструкция СВЧ устройств и экранов. М.: Радио и связь, 1983 г., с.4-8.)
На СВЧ время пролета электронов между электродами становится сравнимым с периодом усиливаемых колебаний. За время пролета переменное напряжение на электродах успевает заметно измениться. Это приводит к ослаблению плотности электронного потока, резкому падению полезной мощности, коэффициента усиления и КПД. На СВЧ очень сильно проявляется влияние индуктивности выводов, межэлектродных емкостей, потерь в материале электродов. (Федоров Н.Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы. - М.: АТОМИЗДАТ, 1979 г., с.5-9; Вамберский М.В. Передающие устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1984 г., с.14-111.)
С
ЛБВ по совокупности важнейших параметров, включая полосу пропускания рабочих частот, коэффициент усиления, среднюю мощность, КПД, высокую стабильность частоты и фазы, низкий уровень шумов, значительное ослабление уровня выходного сигнала в паузе между импульсами, прочность и компактность конструкции, превосходят другие виды усилительных устройств СВЧ. Главным преимуществом ЛБВ является возможность получать усиление в широкой полосе рабочих частот. (Кукарин С.В. Электронные СВЧ приборы. - М.: Радио и связь, 1981 г., с.64-100; Кацман Ю.А. Приборы СВЧ. - М.: Высшая школа, 1983 г., с.196-264; Под редакцией Скольника М. Справочник по радиолокации. Т.3. М.: Советское радио, 1979 г., с.7-127.) Поэтому в качестве выходного усилительного каскада передатчика использована малогабаритная импульсная ЛБВ типа О восьмимиллиметрового диапазона длин волн с динамическим управлением электронным потоком, низким уровнем шума, со спиральной замедляющей системой для получения широкой полосы рабочих частот, устойчивой к воздействию механических и климатических факторов группы 2У ГОСТ РВ 20.39.414.1-97. В ЛБВ значительно увеличена жесткость конструкции. Габаритные размеры ЛБВ не более 205×65,5×37 мм, масса не более 660 г, выходная мощность не менее 18 Вт.
Для усиления входного СВЧ сигнала в ЛБВ необходимо, чтобы электронный поток в ЛБВ, созданный электронной пушкой, длительно взаимодействовал с входным электромагнитным полем СВЧ сигнала. Для длительного взаимодействия электронов с электромагнитным полем необходимо соблюдать условие синхронизма:
о
ф
v>v, на 5-10%,
где
ф
v - фазовая скорость волны,
o
v - начальная скорость электронов.
Это приводит к очень жестким требованиям при эксплуатации импульсных ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн (Вамберский М.В. Передающие устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1984 г., с.14-111).
Надежность работы передатчика в сильной степени зависит от надежной работы ЛБВ. Одними из главных требований обеспечения надежной работы ЛБВ являются: введение схем защиты ЛБВ, обеспечение порядка включения ЛБВ. Несоблюдение вышеуказанных условий приводит к нарушению условий фокусировки электронного пучка и выходу ЛБВ из строя (ОСТ 110348-86; Федоров Н.Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы.- М.: АТОМИЗДАТ, 1979 г., с.62-78; Минаев М.И. Радиопередающие устройства сверхвысоких частот. - Минск, ВЫШЭЙШАЯ ШКОЛА, 1978 г., с.40-93).
Передающее устройство вертолетной РЛС работает следующим образом. С волноводного входа W1 16 через волноводное соединение W3 17 СВЧ сигнал поступает на вход входного тракта 14. С выхода входного тракта 14 СВЧ сигнал поступает на вход 1 ЛБВ 1, с выхода 1 ЛБВ 1 усиленный СВЧ сигнал через волноводное соединение W4 12, выходной тракт 13, волновод W2 15 поступает на выход передатчика (Вамберский М.В. Передающие устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1984 г., с.406-430; под редакцией А.М.Чернушенко Конструкция СВЧ устройств и экранов. М.: Радио и связь, 1983 г., с.78-207; Под редакцией Скольника М. Справочник по радиолокации. Т.3. М.: Советское радио, 1979 г., с.400-442). Для стабильной работы ЛБВ требуется, чтобы на управляющем электроде величина постоянной времени нарастания запирающего напряжения была меньше, чем постоянная времени нарастания на замедляющей системе (ОСТ 11 0348-86). Необходимо обеспечить задержку включения напряжения на аноде по отношению к запирающему напряжению на управляющем электроде ЛБВ 1. Это требование в передающих устройствах выполняется применением двух высоковольтных трансформаторов, которые включаются и выключаются не одновременно. Но высоковольтные трансформаторы имеют большой вес и габариты, а вертолетная РЛС требует незначительных массогабаритных характеристик передатчика. Для обеспечения этого режима предлагается использовать один высоковольтный трансформатор и предлагаемое схемное решение.
з.1
При включении РЛС на вход передатчика подается трехфазное напряжение 200 В, 400 Гц и 27 В. Первоначально две фазы напряжения 200 В, 400 Гц ФА 18 и 200 В, 400 Гц ФВ 19 подаются на источник питания напряжения накала 7 и трансформатор 8, а напряжение 200 В, 400 Гц ФС 20 - на первый вход высоковольтного выпрямителя 2. С помощью источника питания напряжения накала 7 формируется напряжение накала, которое поступает на катод ЛБВ 1. На трансформаторе 8 и выпрямителе 9 формируется напряжение запирания по управляющему электроду - Uупр, которое через второе устройство коммутации 10 подается на управляющий электрод 2 ЛБВ 1 до подачи анодного напряжения и предварительно закрывает ЛБВ 1.
Напряжение 27 В подается на первое устройство коммутации 11, которое разрешает прохождение двух фаз напряжения 200 В, 400 Гц ФА и 200 В, 400 Гц ФВ через первое устройство коммутации 11 на высоковольтный выпрямитель 2 и он начинает работать.
Затем в передатчик с источника питания РЛС подается напряжение 27 В (с задержкой относительно напряжения 200 В, 400 Гц) на первое устройство коммутации 11, которое разрешает прохождение двух фаз напряжения 200 В, 400 Гц ФА и 200 В, 400 Гц ФВ через первое устройство коммутации 11 на высоковольтный выпрямитель 2 и он начинает работать.
Высоковольтный выпрямитель 2 через делитель напряжения 3, коллекторный источник питания 4, анодный источник питания 5 выдает необходимую величину анодного, коллекторного напряжения на ЛБВ 1, при этом коллекторный источник питания 4 через делитель напряжения 3 и высоковольтный выпрямитель 2 включен последовательно с анодным источником питания. Это позволяет обеспечить работу коллекторного источника питания 4 с рекуперацией энергии (Кацман Ю.А. Приборы СВЧ. - М.: Высшая школа, 1983 г., с 165, 196-264).
На катод 1 ЛБВ 1 поступает стабилизированное высокое напряжение относительно анода 5 ЛБВ 1, соединенной конструктивно с корпусом передатчика.
з.2,
з.2
з.1
з.2
з.2
з.2
С высоковольтного выпрямителя 2 также поступают напряжения питания для первого 23 и второго 24 стабилизаторов модулятора 6. Первый стабилизатор 23 формирует стабилизированное напряжение управляющего электрода - Uупр, которое открывает ЛБВ 1. Второй стабилизатор 24 формирует паспортное значение напряжения запирания по управляющему электроду - Uупр при этом Uупр>Uупр. Напряжения Uупр и Uупр поступают на коммутатор 26. На вход схемы управления 25 подается с контакта разъема входного импульса запуска передатчика (ИЗП) 22 импульс ИЗП для управления коммутатором 26. Коммутатор 26 в зависимости от импульса ИЗП подает на выход модулятора 6 напряжение Uупр или Uупр (при наличии ИЗП - открывает ЛБВ 1, при отсутствии ИЗП - запирает ЛБВ 1). При отсутствии ИЗП напряжение Uупр с выхода модулятора 6 закрывает второе устройство коммутации 10 и поступает на управляющий электрод 2 ЛБВ 1, закрывая ЛБВ 1. Импульс ИЗП подается на вход передатчика с задержкой относительно времени подачи напряжения 27 В. В результате обеспечивается задержка включения напряжения на аноде по отношению к запирающему напряжению на управляющем электроде ЛБВ 1 (Костиков В.Г. Источники электропитания высокого напряжения РЭА. - М.: Радио и связь, 1986 г., с.1-95; Найвельт Г.С. Источники электропитания РЭА. - М.: Радио и связь, 1986 г., с.121-208, Дж. Кар. Проектирование и изготовление электронной аппаратуры. М.: Мир, 1980 г., с.299-319).
з.2
з.1
В случае выхода из строя высоковольтного выпрямителя 2 пропадает напряжение Uупр, поэтому открывается второе устройство коммутации 10 и подает на управляющий электрод 2 ЛБВ 1 напряжение Uупр, для запирания ЛБВ 1, предотвращая ее отказ (Кацман Ю.А. Приборы СВЧ. - М.: Высшая школа, 1983 г., с.196-264). В противном случае, из-за отсутствия запирающего напряжения на управляющем электроде 2 ЛБВ 1 может перейти в непрерывный режим и выйти из строя.
Высоковольтный выпрямитель 2 состоит из высоковольтного трансформатора, нескольких выпрямителей на полупроводниковых диодах, осуществляющих выпрямление переменного напряжения и сглаживающих фильтров, уменьшающих пульсации выпрямленных напряжений. Делитель состоит из набора резисторов и конденсаторов. (Найвельт Г.С. Источники электропитания РЭА. - М.: Радио и связь, 1986 г., с 121-208; Под редакцией Скольника М. Справочник по радиолокации. Т.3. М.: Советское радио, 1979 г., с.118-127; В.Н.Гаевич. Радиотехника. М.: Военное издательство Министерства обороны союза ССР, с.204-218).
Схема управления 25 обеспечивает управление коммутатором 26 и передачу ИЗП с общего провода модулятора на потенциал напряжения анода, обеспечивая развязку по потенциалу. Коммутатор 26 состоит из двух электронных ключей. В первом устройстве коммутации 11 коммутация осуществляется с помощью реле, а во втором устройстве коммутации 10 - с помощью диода (Вамберский М.В. Передающие устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1984 г., с.384-390; Дж. Кар. Проектирование и изготовление электронной аппаратуры. М.: Мир, 1980 г., с.82-103, 258-270).
з.1
Улучшение технических параметров осуществляется за счет применения низковольтного трансформатора 8, выпрямителя 9, второго устройства коммутации 10 для формирования напряжения запирания ЛБВ 1 - Uупр в первоначальный момент подачи трехфазного напряжения 200 В, 400 Гц на передатчик и при отказе высоковольтного выпрямителя.
Это позволяет в момент включения передатчика обеспечить задержку включения напряжения на аноде по отношению к запирающему напряжению на управляющем электроде ЛБВ 1, а также предотвратить отказ дорогостоящей ЛБВ в случае отказа высоковольтного выпрямителя. Улучшение технических параметров осуществляется за счет:
- применения восьмимиллиметрового диапазона длин волн для передатчика, что позволяет на вертолетных РЛС в режиме маловысотного полета обнаружить провода электропередачи и опасные для полета метеообразования;
- защиты дорогостоящей ЛБВ при отказе высоковольтного выпрямителя в передатчике;
з.1
- применения низковольтного трансформатора 8, выпрямителя 9, второго устройства коммутации 10 для формирования напряжения запирания ЛБВ 1 - Uупр в первоначальный момент подачи трехфазного напряжения 200 В, 400 Гц на передающее устройство вертолетной РЛС, то есть до подачи напряжения на анод, что повышает надежность работы ЛБВ, сохраняя при этом незначительные массогабаритные характеристики.