Виктор Млечин - На передних рубежах радиолокации

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.