На передних рубежах радиолокации - Виктор Млечин

Моя изобретательская практика достигла уже пятидесятилетнего рубежа. За это время приходилось решать много разных задач, сложных и не очень, порой неожиданно возникающих, но всегда интересных. Задачи охватывали практически все разделы радиотехники, но часто вторгались в смежные области, такие как автоматическое управление, электронная техника, СВЧ приборостроение, механика. Совершено очевидно, что я не смог бы рассказать даже о части своих изобретений, ибо это потребовало возможно целой книги, а не нескольких страниц текста. Кроме того, определённая часть моих новаций касалась оборонной тематики, до сих пор находится в закрытом фонде, и я как законопослушный гражданин не имею никаких прав раскрывать эти некогда с большим трудом добытые факты. Вместе с тем есть вопросы, которые когда-то давным-давно были предметом изобретательских усилий, а потом вошли в литературу открытого пользования, в учебники, стали вроде бы общепринятыми, но с пониманием которых нет полной ясности, в связи с чем появляется потребность в разъяснении их сущности. Я выбрал три таких вопроса. Первый относится к общей радиотехнике, второй к радиоприёмным устройствам, третий – к радиолокационной тематике.

Начнём с первого вопроса, который касается частотной и фазовой модуляции радиосигналов. Постараюсь излагать материал без применения формул и схем, чтобы он был доступен более широким кругам читателей. История частотной модуляции (ЧМ) восходит к 20-м годам прошлого века и прошла периоды спада и повышенного интереса. При синусоидальной модуляции несущей по частоте ЧМ-колебание характеризуется двумя параметрами: девиацией частоты, т. е. наибольшим отклонением частоты от несущей и индексом модуляции, равным отношению девиации частоты к частоте модуляции. При индексах, меньших единицы, спектр ЧМ колебания по ширине близок к спектру колебания, модулированного по амплитуде (АМ колебания). Если индекс модуляции существенно превышает единицу (например, 100), ЧМ-колебание становится широкополосным и ширина его спектра достигает величины, близкой к удвоенной девиации частоты. Так вот, теория показывает, что широкополосная ЧМ, используемая, скажем, в диапазоне УКВ, представляет эффективное средство в борьбе с помехами и позволяет повысить качество воспроизведения как в радиовещании, так и в телевидении. Для получения ЧМ издавна используют специальные реактивные каскады (транзисторные или в старое время ламповые), которые создают реактивную проводимость (емкостную или индуктивную), подключённую параллельно контуру задающего генератора. Меняя ток через реактивный каскад, меняют частоту задающего генератора. Но для потребителя важна стабильность несущей частоты задающего генератора. Потребитель не может, сидя у своего приёмника, всё время подстраиваться под изменяющуюся частоту генератора. Для повышения стабильности частоты используются кварцованные схемы генераторов или системы автоматической подстройки частоты (АПЧ). Во всех случаях включение реактивного каскада понижает стабильность частоты генератора. Возникает техническое противоречие между стабильностью частоты генератора и преимуществами использования ЧМ. Как разрешить это противоречие? Стали думать и пришли к выводу, что наиболее простой путь состоит в следующем. Сохранить стабильный задающий генератор, подсоединить к нему буферный каскад, на выходе которого применить фазовую модуляцию (ФМ). Буферный каскад при этом играет роль развязывающего элемента. Частота колебания, как известно, связана с его фазой дифференциальной зависимостью. На простейшем математическом языке это означает, что, меняя фазу по синусоиде, вы изменяете частоту того же колебания по косинусоидальному закону. Иными словами, с учётом известной зависимости частоты и фазы вы можете смело применять ФМ. Вот почему в течение примерно 10–15 лет, начиная с 40-х годов прошлого века, исследователи широким фронтом стали разрабатывать схемы фазовых модуляторов. Простейшими примерами ФМ-модуляторов являются цепочки RC, CR, LCR. Меняя ёмкость или сопротивление по заданному закону, вы изменяете фазу высокочастотного колебания, подаваемого на вход цепочки. Но фазовой модуляции соответствовали паразитная амплитудная модуляция и сильные нелинейные искажения, и всё это при достаточно малом индексе ФМ. Другой метод ФМ, получивший более широкое применение, состоял в суммировании колебаний задающего генератора, промодулированного с помощью балансной однополосной модуляции, и того же колебания, сдвинутого по фазе на угол близкий к 90°. В варианте, предложенном Г. А. Зейтленком и Б. И. Каменским ещё в 30-х годах, два напряжения высокой частоты, сдвинутые по фазе на 90°, противотактно модулируются по амплитуде. Почти те же недостатки были присущи и этим схемам. Далее пошли всевозможные технические хитрости, сильно усложняющие схемы модуляторов. К ним относятся многокаскадное включение модуляторов, многоступенчатые умножители частоты (для увеличения девиации), устройства многократного повышения индекса модуляции путём разделения спектра модулирующих частот и т. д. Вот почему видный советский радиоспециалист С. И. Евтянов завершил в своей книге раздел, посвящённый фазовым модуляторам, словами: «Изложенные расчёты объясняют, почему передатчики с ФМ не находят широкого применения».

В самом начале 60-х годов 20 в. я стал заниматься ретрансляционными линиями передачи. Ретрансляторы принимают СВЧ сигнал в заданном секторе пространства, усиливают его и передают усиленное колебание в том же или другом угловом секторе пространства. Ретрансляционные линии передачи находили тогда и находят до сего времени широкое применение в системах связи, устройствах радионавигации, станциях ответных помех и т. п. В ретрансляторах могут использоваться усилители разных типов в зависимости от диапазона передаваемых частот. В диапазоне СВЧ чаще других в тракт ретрансляции включают лампы бегущей волны (ЛБВ). В ЛБВ электронный поток взаимодействует с электрическим полем замедленной электромагнитной волны. В качестве замедляющей системы используется спираль, внутри которой и происходит длительное взаимодействие потока электронов с полем бегущей волны. Основная фокусировка электронного потока производится внешним продольным магнитным полем. Для создания такого магнитного поля ещё в 50-х годах 20 в. применялись соленоиды, и потребителю приходилось возиться в поисках источников тока для запитки соленоида. В конце 50-х и начале 60-х годов, в т. ч. по инициативе А. И. Берга, разработчикам удалось для маломощных ЛБВ создать пакетированные конструкции с постоянными магнитами в сравнительно небольших габаритах. Кроме своей основной функции усиления СВЧ сигнала подобные ЛБВ позволяли менять фазу выходного колебания в небольших пределах путём изменения напряжения спирали относительно катода лампы. Область взаимодействия была невелика, но обеспечивала в более или менее линейном режиме разнос фаз до 360° (2π). Были разработаны также варианты ЛБВ с большей областью взаимодействия (4π и более). Тем самым возникла основа для получения ФМ колебаний в диапазоне СВЧ.

В эти же годы к моим работам примкнул В. В. Шишляков, большой любитель качественного звука (музыки в том числе) и телевизионного изображения на базе использования ЧМ в передающих станциях. Нужно сказать, что В. В. Шишляков работал в 40-х и 50-х годах в лаборатории И. С. Гоноровского в 108 институте, а затем прошёл школу И. С. Гоноровского на его кафедре в МАИ. Если же говорить об Иосифе Семёновиче, то известно, что именно он одним из первых раскрыл механизм действия ЧМ на строгом теоретическом уровне в своей книге «Частотная модуляция и ее применение», 1948 г.

Мы оба, В. В. Шишляков и я, знали о долгой истории развития ЧМ и о трудностях, возникших в этой области, и решили провести эксперимент с новым средством получения ФМ-ЛБВ. Сначала нам пришлось создать небольшую установку, состоящую из генератора высокочастотных сигналов, выпрямительных устройств для запитки ЛБВ и прибора, регистрирующего результат модуляции. На первом этапе в качестве такого прибора использовался простейший преобразователь частоты, на входы которого поступали промодулированный сигнал и колебания входного генератора. Затем мы этот прибор усовершенствовали и проводили измерения на фиксированной промежуточной частоте. Так вот, подведя к спирали ЛБВ синусоидальное напряжение низкой частоты от звукового генератора, мы получили ФМ колебание на СВЧ с малым индексом примерно до 6 радиан. Этого и следовало ожидать. Ставить ЛБВ в многокаскадную цепь и увеличивать индекс модуляции таким путём – в этом никакого смысла не было. Задумались и вспомнили, что при линейном изменении фазы согласно дифференциальной зависимости происходит скачок частоты. Но линейной вариации фазы в широких пределах мы осуществить не могли из-за ограниченной области взаимодействия в ЛБВ. А что такое линейный перепад фазы для периодических функций, с которыми мы имели дело? Ведь перепад функций 2π, 4π и т. д. не меняет значения периодической функции. Следовательно, когда фаза достигает 2π, её можно вернуть к нулевому значению, к тому же значению можно вернуть фазу, если она проходит через рубеж 4π и т. д. С помощью таких рассуждений мы пришли к замене линейного изменения фазы на пилообразное с размахом 2π и обратным ходом каждой «пилы», по длительности близким к нулю. Разработав схему формирователя пилообразного напряжения, мы подвели его к спирали ЛБВ. Полученный на выходе модулятора спектр состоял из гармоник частоты модуляции, причём первая гармоника существенно превышала остальные, другие гармоники, как и остаток несущей, уменьшались с повышением линейности пилы, сокращением обратного хода, а также путём точной подстройки амплитуды пилы. Поменяв наклон пилы на противоположный, мы получили основную гармонику, лежащую по другую сторону от несущей. Отсюда мы заключили, что с помощью пилообразного модулирующего напряжения можно не только увеличивать частоту, но и уменьшать её. Изменения несущей частоты можно таким образом добиться, если менять частоту пилообразных колебаний. Создав схему, где частота пил периодически менялась по линейному закону, мы получили возможность наблюдать, как сдвинутая по частоте несущая медленно «ползёт» от минимального значения до максимального. Естественно, что это проходило при очень низкой частоте вторичной модуляции. Таким образом удавалось «увести» несущую примерно от 100 гц до величины 5–10 кгц. Увеличить максимальный предел при перепаде частоты мы могли, а вот уменьшить нижний предел, скажем, до 5 или 10 гц было невозможно, ибо период вторичной модуляции был ограничен. Отсюда следовало, что «пройти» через нулевое значение сдвиговой частоты с помощью подобных схем не удастся. Тогда и родилось то, что на радиотехническом языке называлось поднесущей. Мы знали синусоидальную поднесущую с амплитудной модуляцией. В отличие от этого мы предложили ввести пилообразную поднесущую с частотной модуляцией. Например, если закон изменения частоты описывается синусоидальной функцией, то это означает, что имеется среднее значение частоты, около которого частота пилообразной поднесущей меняется по синусоиде. Если же нам требуется выполнить частотную модуляцию по тому же закону самой несущей, то для этого надо произвести дополнительно возвратную фазовую модуляцию пилообразным колебанием с частотой, равной среднему значению частоты поднесущей. Возвратная модуляция осуществлялась пилообразным колебанием фиксированной частоты с противоположным наклоном пилы, что могло быть реализовано с помощью парафазного усилителя. Иногда возвратной модуляции вообще не требовалось, а к несущей частоте добавлялось приращение, равное среднему значению частоты поднесущей. Основное преимущество системы ЧМ на базе фазовой модуляции с поднесущей – возможность получения повышенных индексов модуляции. Имелись ограничения, связанные с выбором поднесущей частоты, которая должна существенно превышать двойную девиацию частоты.