TOR NADAWCZY STACJI RADIOLOKACYJNEJ (wybrane zagadnienia) Opracowanie : dr inż. Adam Konrad Rutkowski

Transkrypt

1 TOR NADAWCZY STACJI RADIOLOKACYJNEJ (wybrane zagadnienia) Opracowanie : dr inż. Adam Konrad Rutkowski 1

2 Budowa toru nadawczego stacji radiolokacyjnej Strukturę toru nadawczego stacji radiolokacyjnej przedstawiono na rysunku 1. Głównymi ogniwami toru nadawczego są: blok syntezy sygnału złożonego, wzmacniacz średniej mocy, wyjściowy wzmacniacz dużej mocy. Blok syntezy zwiera cyfrowe układy kształtowania pierwowzoru sygnału kodowanego fazowo lub częstotliwościowo w pasmie p.cz. (około 70 MHz). W bloku tym znajdują się również układy przesunięcia widma ukształtowanego sygnału z pasma p.cz. w zakres mikrofalowy. Moc sygnału wyjściowego bloku syntezy wynosi około 10 mw, a jego częstotliwość leży w pasmie mikrofalowym (na przykład C lub X). Moc tego sygnału jest zwiększana do poziomu około 30 W w sterowanym wzmacniaczu tranzystorowym. Elementy oznaczone symbolem SP są mikrofalowymi sprzęgaczami kierunkowymi umożliwiającymi automatyczne monitorowanie parametrów generowanego i emitowanego sygnału. Elementy IC są izolatorami lub cyrkulatorami ferrytowymi i służą do redukcji wpływu niedopasowania poszczególnych układów mikrofalowych. 2

3 Bloki syntezy sygnału złożonego SP1 IC1 UR1 Układ regulacji mocy SP2 IC2 Wzmacniacz tranzystorowy średniej mocy IC3 KF1 Zo Zo Zo Synchronizator SP3 Układy kontroli Układy sterowania Zo IC4 Do systemu antenowego N/O A/E SP5 Filtr wyjściowy IC5 SP4 LFB Końcowy wzmacniacz mocy Układy zabezpieczenia odbiornika Do odbiornika Ekwiwalent anteny Zo Rys. 1. Schemat blokowy toru nadawczego stacji radiolokacyjnej 3

4 Wyjściowy wzmacniacz mocy może być wykonany w oparciu o lampę z falą postępującą typu "O". Lampa o fali bieżącej LFB jest jednym z głównych podzespołów decydujących o wierności zachowania wewnętrznej struktury fazowej (lub częstotliwościowej) emitowanego sygnału. Filtr wyjściowy F1 ma za zadanie wycinać szkodliwe składowe wnoszone do sygnału użytecznego w trakcie wzmacniania przez LFB oraz we wzmacniaczu tranzystorowym, a także w końcowych stopniach bloku syntezy sygnału złożonego. Efekt filtrowania oraz pozostałe parametry impulsów na końcu toru nadawczego można kontrolować poprzez sprzęgacz SP5. Przełącznik antena ekwiwalent A/E pozwala odłączyć sygnał od anteny i skierować go do sztucznego obciążenia (ekwiwalentu) na przykład w czasie kontroli stanu technicznego radaru w sytuacji gdy nie jest wskazane emitowanie energii mikrofalowej w przestrzeń. Za przełącznikiem A/E jest umieszczony przełącznik nadawanie odbiór N/O pozwalający na współpracę nadajnika i odbiornika ze wspólną anteną. 4

5 Umieszczenie przełącznika N/O za przełącznikiem A/E umożliwia prowadzenie przez stację radiolokacyjną kontroli czy w pasmie jej pracy nie funkcjonują inne źródła fal elektromagnetycznych. Układ A/E jest wykonywany w postaci mechanicznego przełącznika falowodowego sterowanego elektrycznie. Przełącznik N/O może być zrealizowany w oparciu o czterowrotowy cyrkulator ferrytowy lub może być zbudowany z dwóch oddzielnych cyrkulatorów trójwrotowych. Rozwiązania takie powinny zapewnić izolację kanału nadawczego i odbiorczego na poziomie około 60 db. Dalsze zwiększenie izolacji toru nadawczego i odbiorczego zapewniają układy zabezpieczenia odbiornika. Innym wariantem przełącznika N/O jest układ składający się z magicznego T w wersji falowodowej i odpowiednio połączonych przesuwników fazy oraz sprzęgacza kierunkowego. W celu zabezpieczenia stopni wejściowych odbiornika należałoby dodatkowo zastosować przed nimi układy zabezpieczające zawierające na przykład diody PIN. 5

6 Parametry podzespołów mikrofalowych toru nadawczego Lampy z falą bieżącą Przykładem lampy z falą bieżącą jest lampa TWT-C55 produkowana w Polsce przez PIT Oddział Wrocławski. Podstawowe parametry lampy TWT-C55: - zakres częstotliwości pracy... pasmo C (4-8 GHz) - maksymalna moc w impulsie kw - maksymalna moc średnia W - maksymalny współczynnik impulsowania... 5% - czas trwania impulsu μs - wzmocnienie db - czas podgrzewania... 3 min - maksymalne napięcie katody kv - maksymalne napięcie kolektora kv - prąd wiązki w impulsie A - WFS we wrotach wejściowych

7 Lampa TWT-C55 jest lampą impulsową z modulacją siatkową. Przeznaczona jest do pracy w stopniach sterujących lub wyjściowych nadajników. Moc wejściowa potrzebna do właściwego wysterowania lampy wynosi około 10W. Lampa TWT- C55 jest chłodzona cieczą. Lampy z falą bieżącą produkuje również na przykłąd firma THOMSON (TH3637, TH3833 oraz lampa dużej mocy TL5080). Podstawowe parametry wybranych lamp z falą bieżącą firmy THOMSON: Typ Pasmo pracy [GHz] TH TH TL P imax Gp Współczynnik t imax Chłodzenie [kw] impulsowania [μs] [%] Powietrze Powietrze Ciecz 7

8 Podstawowe parametry wybranych lamp firmy HUGHES: Typ Pasmo pracy [GHz] P imax Gp Współczynni Chłodzenie [kw ] k impulsow ania [% ] 679H Powietrze 657H Ciecz 680H Ciecz 683H Ciecz 686H Ciecz 686H Ciecz 621H Ciecz 676H Powietrze 622H Ciecz Lampy powyższe posiadają odpowiednio duży współczynnik impulsow ania, pozw alają na pracę z długimi impulsami zło ż onymi i stosunkowo krótkimi okresami powtarzania. Pozwala to na pracę stacji radiolokacyjnej z dużą gę stością impulsów na małych zakresach. 8

9 Przełączniki antena/ekwiwalent Elementem końcowego odcinka toru nadawczego jest tzw. przełącznik antena/ekwiwalent. Musi on spełniać szczególnie ostre wymagania gdyż przez jego odpowiednie wrota propaguje się cała moc generowana w nadajniku. Nawet stosunkowo niewielkie niedopasowania powodują, że bezwzględny poziom mocy odbitych sygnałów będzie duży co prowadzi do zniekształceń emitowanego sygnału. Może również powodować uszkodzenie stopni końcowych nadajnika lub przedwczesnego ich zużycia. Dobrej jakości przełączniki falowodowe charakteryzują się współczynnikami fali stojącej WFS nie większymi niż 1.1 i stratami nie przekraczającymi 0.5dB oraz izolacją na poziomie kilkudziesięciu decybeli. 9

10 Przykładem mogą być przełączniki falowodowe firmy Waveline, których parametry zestawiono poniżej. Podstawowe parametry wybranych przełączników firmy W aveline: Typ Pasmo pracy [GHz] WFS Izolacja Czas przełączania [ms] 379E E E E E db. Straty wewnętrzne wymienionych wyżej przełączników nie przekraczają 10

11 Sztuczne obciążenia (ekwiwalenty) W czasie pracy stacji radiolokacyjnej na tzw. ekwiwalent cała wytworzona w nadajniku energia powinna być pochłaniana przez sztuczne obciążenie. Jakkolwiek w tym czasie przestrzeń nie jest obserwowana to w razie wystąpienia odbić od sztucznego obciążenia mogą ulec uszkodzeniu ostatnie mikrofalowe stopnie nadajnika oraz będzie utrudniony bądź całkiem niemożliwy pomiar parametrów kształtowanego impulsu sondującego. Parametry wybranych sztucznych obciążeń firmy Waveline: Typ Pasmo pracy [GHz] WFS Moc maksymalna [kw ]

12 Parametry sztucznych obciążeń róż nych firm są bardzo do siebie zbliż one co obrazuje poniż sza tabela. Firma Typ Pasmo pracy [G H z] WFS Moc ś zrednia maksymaln a [W ] QUASAR QFL HQH M ICROTECH M ICROTECH PENN ENGINEERING PENN ENGINEERING Channel M icrowave Corp. 620RH

13 Cyrkulatory ferrytowe Cyrkulatory (lub izolatory) ferrytowe stosowane w początkowych stopniach toru nadawczego powinny charakteryzować się możliwie małymi stratami i dobrą izolacją. Wymogi takie spełniają na przykład produkty firmy UTE Microwave Inc. Straty oferowanych przez tę firmę elementów, w pasmie C wynoszą około 0.3 db, a wartość WFS jest nie gorsza niż 1.2. Izolacja wynosi około 22 db. Stosowane w izolatorach ferrytowych obciążenia są przygotowane do pracy z sygnałami o mocy 1 W. Izolatory wielostopniowe firmy UTE w pasmie 4-8 GHz posiadają izolację db, a tłumienie na tych samych częstotliwościach zawiera się w granicach db. Standardowe wersje izolatorów wielostopniowych mogą pracować z mocami sygnałów nie większych niż 1W. Wersje dla większych mocy dopuszczalnych mogą być dostarczone na specjalne zamówienie. 13

14 Izolator (cyrkulator) włączony po wzmacniaczu tranzystorowym powinien charakteryzować się mocą maksymalną nie mniejszą niż 30 W. Mogą to więc być na przykład cyrkulatory CH320 i CXH320 firmy CHANNEL MICROWAVE Inc. Pokrywają one łącznie przedział częstotliwości GHz, a dopuszczalna moc maksymalna wynosi 400 W. Tłumienie sygnału użytecznego dochodzi do 0.2 db przy izolacji około 23 db i współczynniku fali stojącej około Nieco lepsze parametry posiadają izolatory średniej mocy firmy CHANNEL MICROWAVE Inc. Modele C120 C124 oraz CX120 są podzespołami o podwyższonej jakości. Tłumienie sygnału odbitego tej grupy izolatorów jest nie gorsze niż 25 db, a straty mocy sygnału użytecznego nie przekraczają 0.15 db. Współczynnik fali stojącej we wrotach wejściowych nie przekracza Wbudowane obciążenie dopasowane pozwala na poprawną pracę przy mocach sygnału mikrofalowego na poziomie do 35 W. Wyjątkiem jest izolator CX120 pracujący w pasmie GHz przy dopuszczalnej mocy maksymalnej około 25 W. 14

15 Przejścia linia koncentryczna falowód Sygnał z wyjścia wzmacniacza tranzystorowego średniej mocy jest wyprowadzany przez złącze koncentryczne. Ponieważ LFB ma wejście falowodowe więc przejście KF1 (rys.1.) zapewnia prawidłowe połączenie tych prowadnic mikrofalowych. Rodzina przejść linia koncentryczna falowód (KF) firmy QUASAR MICROWAVE pozwala na połączenie falowodu i linii koncentrycznej w całym pasmie GHz. Dostępne są przejścia ze złączami typu N jak i SMA. Współczynnik WFS przejść tej firmy wynosi około 1.1. Przy przejściu przez złącze KF sygnał tłumiony jest około 0.1 db. Przejścia KF firmy CHANNEL MICROWAVE CORPORATION pracują w podpasmach o względnej szerokości około 30%. Cała rodzina tych przejść pokrywa z zapasem pasmo C ( GHz). W tym przedziale częstotliwości dopasowanie jest podobne jak złącz innych firm (WFS 1.15), a straty wewnętrzne są rzędu 0.1 db. Przy wyborze konkretnego modelu przejścia tej i innych firm należy zwracać uwagę nie tylko na straty wewnętrzne i dopasowanie, ale również na wymiary fizyczne, które determinują charakterystyki fazowe tych podzespołów. Na przykład długości przejść B620P i J620P pracujących w podobnych podpasmach (obszar wspólny to GHz) różnią się o 6.35mm. Z punktu widzenia relacji fazowych daje to przesunięcie o około

16 Regulowane tłumiki mikrofalowe małej mocy Tłumiki mikrofalowe małej mocy można podzielić na dwie grupy: odbiciowe i bezodbiciowe (absorpcyjne). W tłumikach odbiciowych zmniejszenie mocy sygnału wyjściowego uzyskuje się poprzez zwiększenie współczynnika odbicia we wrotach wejściowych. Jakkolwiek realizacja takiego tłumika jest stosunkowo prosta to jednak jego zastosowanie nie jest wskazane. Wynika to z faktu, iż sygnał odbity od wrót wejściowych będzie interferował z sygnałem wyjściowym bloku syntezy co będzie prowadziło do zaburzeń struktury ukształtowanego sygnału złożonego. Trzeba dodatkowo pamiętać, iż poziom sygnału odbitego byłby w przypadku tłumików odbiciowych zależny od wielkości ustawionego tłumienia. 16

17 CF Tłumik odbiciowy Zo Rys. 2. Sposób ograniczenia współczynnika odbicia tłumika odbiciowego. W przypadku konieczności stosowania tłumika odbiciowego trzeba będzie włączać przed nim izolator lub cyrkulator ferrytowy (Rys. 2). Rozwiązanie takie skutecznie poprawia charakterystyki tłumika, ale niestety rozbudowuje układ. Tłumiki bezodbiciowe (absorpcyjne) są tak skonstruowane, że różnica między mocą sygnału wejściowego i wyjściowego wydzielana jest wewnątrz tłumika. Dzięki temu dopasowanie wrót wejściowych i wyjściowych tłumika mikrofalowego jest odpowiednie i nie zależy od tłumienia. 17

18 Najczęściej zmianom tłumienia wnoszonego przez tłumik towarzyszy zmiana przesunięcia fazowego. Dlatego tłumik mikrofalowy, obok tranzystorowego wzmacniacza średniej mocy i końcowego wzmacniacza mocy zbudowanego na LFB, jest jednym z głównych źródeł niepożądanych zmian fazy sygnału wyjściowego toru nadawczego stacji radiolokacyjnej. Parametry tłumików regulowanych napięciem firmy GENERAL MICROWAVE Typ Straty wewnętrzne Maksymal ne tłumienie WFS Średnia nierównomierność tłumienia w pasmie M186C M189C M190C LM186C LM189C LM190C

19 Przedstawione wyżej tłumiki są układami sterowanymi napięciowo. Czułość regulacji tłumienia wynosi około 10dB/V. Nierównomierność tłumienia w pasmie pracy zależy od ustawionej wartości tłumienia i waha się w granicach db. Maksymalna moc przenoszona przez tłumiki wynosi około 2W przy czym parametry tłumika nie ulegają pogorszeniu przy mocy sygnałów wejściowych nie przekraczających 100mW. Wraz ze zmianami tłumienia zmieniają się również charakterystyki fazowe tłumików. Przebiegi fazy w funkcji częstotliwości w pasmie 4 8 GHz są, w przypadku omawianych tłumików, liniami prostymi. Nachylenie tych linii zwiększa się wraz ze wzrostem ustawionego tłumienia. Na przykład na częstotliwości 6 GHz przy zmianach tłumienia od 0 do wartości maksymalnej przesunięcie fazy zmienia się o około

20 Seria D195 firmy GENERAL MICROWAVE obejmuje tłumiki na diodach PIN z wbudowanymi sterownikami. Parametry tłumików mikrofalowych serii D195 firmy GENERAL MICROWAVE Typ Zakres częstotliwości [GHz] Straty wewnętrzn e WFS Średnia nierównomierność tłumienia w pasmie D D D D Podobnie jak wcześniej przedstawione tłumiki, elementy powyższe pracują bez pogorszenia parametrów przy sygnałach o mocy do 100 mw. Układy te wymagają zasilania napięciem stałym ±12V. 20

21 Parametry tłumików serii 2694 firmy M/A COM Typ XY XY Zakres Straty WFS przy WFS przy częstotliwoś wewnętrzn tłumieniu = tłumieniu ci [GHz] e 0 0 Maksymaln e tłumienie Regulowane elektronicznie tłumiki mikrofalowe oferuje również firma M/A COM. Na przykład absorpcyjne tłumiki serii 2694 wykonane są przy użyciu diod PIN i w technologii niesymetrycznych linii paskowych. Sterowniki tych tłumików są tak skonstruowane, aby tłumienie sygnału mikrofalowego było liniową funkcją napięcia sterującego. Moc wejściowa wymienionych wyżej elementów, przy której nie tracą one nominalnych wartości parametrów wynosi około 100mW. Ustalanie nowej wartości tłumienia zajmuje około 1μs. Dewiacja przesunięcia fazowego przy zmianach tłumienia w całym zakresie dynamicznym osiąga wartość około

22 Sprzęgacze kierunkowe ze złączami koncentrycznymi Sprzężenia stosowanych w torze nadajnika sprzęgaczy kierunkowych powinny być możliwie małe. Powinny one zapewniać monitorowanie kształtowanego sygnału bez wprowadzania zniekształceń amplitudowych i fazowych. Parametry sprzęgaczy kierunkowych firmy M/A COM Typ Pasmo pracy [GHz] Sprzężeni e Nierównomierność sprzężenia Kierunkowość WFS we wrotach bezpośrednich / sprzężonych / / / /

23 Falowodowe sprzęgacze kierunkowe Podobnie jak na odcinku linii koncentrycznych tak i w części falowodowej toru nadawczego należy umieszczać sprzęgacze kierunkowe pozwalające prowadzić monitorowanie jakości kształtowanego sygnału jak również pozwalające wykonywać czynności serwisowe. Wśród sprzęgaczy falowodowych wyróżnia się dwie grupy różniące się wzajemnym położeniem sprzężonych falowodów. Pierwsza grupa to sprzęgacze z falowodami połączonymi wzdłuż swoich osi, a druga - to sprzęgacze z falowodami skrzyżowanymi. Parametry sprzęgaczy falowodowych firmy QUASAR MICROWAVE Typ Pasmo pracy [GHz] Kierunkowość Straty odbiciowe QDC12 - AQB QDC13 - AQB QDC14 - AQB QDC12 - BQB QDC13 - BQB QDC14 - DQB

24 Falowodowe izolatory i cyrkulatory ferrytowe Izolatory i cyrkulatory ferrytowe pracujące w odcinku falowodowym toru nadajnika muszą spełniać szczególnie ostre wymagania. Jest tak dlatego, że znajdują się one w miejscach gdzie poziom sygnału mikrofalowego jest bardzo duży. Izolatory i cyrkulatory średniej mocy firmy CHANNEL MICROWAVE CORPORATION mogą pracować z sygnałami o mocy około 1 kw w impulsie lub około 10 W fali ciągłej. Pasmo 4-8 GHz pokrywają modele G350, B350, J350 i H350. Straty wewnętrzne tej grupy elementów są nieco większe od 0.2 db, izolacja jest lepsza niż 23 db, a WFS jest nie gorszy niż Wymienione wyżej modele zależnie od wymagań mogą być dostarczane jako cyrkulatory lub jako izolatory. Wśród izolatorów ferrytowych dużej mocy tej firmy znajdują się modele: LG380, LJ380, LH380, których maksymalna dopuszczalna moc wynosi w impulsie odpowiednio: 750 kw, 500 kw, 325 kw. WFS tych izolatorów nie przekracza 1.2, straty wewnętrzne wynoszą około 0.5 db, ale izolacja osiąga tylko 10 db. 24

25 Falowody i akcesoria falowodowe Istotnymi elementami toru nadawczego stacji radiolokacyjnej są falowody i akcesoria falowodowe. Do tych ostatnich można zaliczyć: zagięcia falowodowe, przejścia skrętne, przedłużenia falowodowe, przejścia łączące falowody o różnych standardach (transformatory), przesłonki kwarcowe itp. Każdy z tych elementów (nawet najdrobniejszy) wnosi określone straty, przesunięcia fazy i jest źródłem odbić wewnątrz toru. Skala tych zjawisk jest najczęściej funkcją częstotliwości. Wpływ tych czynników jest szczególnie uciążliwy w przypadku pracy stacji z sygnałem złożonym lub w przypadku stacji pracującej ze skokową zmianą częstotliwości nośnej dokonywaną w szerokim pasmie. Zależnie od potrzeb poszczególne podzespoły nadajnika mogą być łączone przy pomocy falowodów sztywnych lub giętkich. 25

26 Parametry falowodów firmy MICROTECH Rozmiar Pasmo pracy [GHz] WFS Tłumienie [db/m] Uwagi Falowód sztywny Falowód sztywny Falowód sztywny Falowód giętki Falowód giętki Falowód giętki Moc maks. CW [W] Moc maks. w impulsie [kw]

27 Odcinki falowodów o wyjściach skręconych wokół osi podłużnej mają długości około 20 cm (firma PENN ENGINEERING), a ich WFS zbliżony jest do Odcinki falowodów skręconych firmy QUASAR MICROWAVE mają taki sam WFS, ale są nieco dłuższe ( cm) i ich maksymalna dopuszczalna moc sięga kw. W takim samym stopniu jak falowody skręcone wzdłuż osi, dopasowane są zagięcia falowodowe. Kilka różnych firm podaje dla produkowanych przez siebie zagięć wartość WFS W niektórych przypadkach tor nadawczy należy uzupełnić standardowymi przedłużeniami falowodowymi. One również będą wnosiły określone odbicia (WFS 1.02) oraz tłumienie sygnału użytecznego ( db/m). Przytoczone dane dotyczą odcinków falowodów firmy QUASAR MICROWAVE przeznaczonych do pracy w trzech podpasmach pasma C. Stosując w razie potrzeby zmiany standardu falowodu należy uwzględnić wpływ zastosowanych odpowiednich przejść falowodowych. Na przykład przejścia firmy QUASAR MICROWAVE (modele QTT11A-SQB, QTT12-SQB, QTT13-SQB, QTT14-SQB) charakteryzują się wartością WFS równą 1.05, a ich długość fizyczna wynosi około cm. W związku z tym należy liczyć się z dodatkowymi odbiciami i przesunięciami fazowymi wnoszonymi do sygnału emitowanego przez stację radiolokacyjną. 27