magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

Radartechnika lid kepA radar ötlete csaknem egyidős az elektromágnesség szilárd elméleti alapjainak lerakásával. Pályafutásának nagy részét végigkísérte az elektronikus hadviselés, ám ma már a polgári repülés és a kereskedelmi hajózás sem tudná napjaink megnövekedett forgalmát lebonyolítani nélküle. Számos ipari méréstechnikai módszer is a radar elvén alapul. A radar most új alkalmazás küszöbén áll: a közúti járművek biztonságának fokozásában is nélkülözhetetlen szerep vár rá, és ezzel szinte személyes kapcsolatba kerülünk vele. Sorozatunkban a radartechnológia alapjait foglaljuk össze.

 

Nincs egyetlen személy, sem nemzet, amely a radartechnológia felfedezését és tökéletesítését saját nevéhez köthetné. A gyakorlatban is használható radar megalkotásához szükséges ismeretek számos fejlesztés és javítás összegzett eredményei, amelyeket több nemzet számos kutatója – jelentős mértékben párhuzamosan – ért el. A tudomány- és technikatörténetnek azonban vannak olyan mérföldkövei, amelyek értékes hozzájárulásnak nevezhetők a radartechnológia kialakulásához és tökéletesítéséhez. Ezek a következők:

  • 1865. James Clark Maxwell skót fizikus „Theory of the Electromagnetic Field” (Az elektromágneses tér elmélete) című munkájában leírja az elektromágneses hullámokat és terjedésük törvényszerűségeit. Megállapítja, hogy az elektromos és a mágneses tér változásai állandó sebességgel (a fény terjedési sebességével) hullámszerűen terjednek a térben. 

  • 1886. Heinrich Hertz német fizikus kimutatja az elektromágneses hullámok létezését, ezzel kísérleti bizonyítékkal támasztja alá Maxwell elméletét.

  • 1897. Guglielmo Marconi olasz feltaláló létrehozza az első nagy távolságú jelátvitelt elektromágneses hullámok segítségével. Első kísérleteihez egy faoszlophoz rögzített vezetéket használ. Az olasz nyelvben a sátorkaró neve „l’antenna centrale”, Ebből rövidült le és került be számos számos nyelvbe az „antenna” szó az elektromágneses hullámok kisugárzására és érzékelésére szolgáló eszközök megnevezéseként. Ma Marconit a rádiókommunikáció egyik úttörőjének tekintjük.

  • 1900. Nicola Tesla felveti, hogy a rádióhullámok visszaverődésével fémtárgyak mozgását lehet követni.

Marconi? Tesla?

Guglielmo Marconi sokak és sok nemzet tudatában jelenik meg a rádiókommunikáció feltalálójaként, amelyet az 1909-ben megkapott fizikai Nobel-díja is megerősíteni látszik. Tény azonban, hogy Marconi Nikola Tesla asszisztenseként dolgozott, akinek eredményeihez is hozzáférhetett. Tesla ezért pert is indított és nyert, amelynek végén – már Tesla halála után – az Amerikai Egyesült Államok Legfelsőbb Bíróságának 1943-ban hozott döntése a rádiókommunikáció feltalálásának érdemét hivatalosan is Teslának tulajdonítja az 1896-ban bejegyzett szabadalma alapján. Ugyanebben a témakörben az orosz Alekszandr Popov 1895-ben demonstrálta a rádióhullámok használatát egyszerű kommunikációs célra. Az elsőség kérdése mellett nem mellékes tény azonban, hogy a gyakorlatban is használható, „drótnélküli távíró” néven közismertté vált találmány Marconi nevéhez fűződik.

 

  • 1904. Christian Hülsmeyer német mérnök feltalálja a „telemobiloszkóp” fantázianevű berendezést, amellyel rossz látási viszonyok között is lehet követni vízi járművek forgalmát. Ez az első, gyakorlatilag is használható radaralkalmazás. Hülsmeyer Németországban, Franciaországban és Nagy-Britanniában jegyeztet be szabadalmat találmányára.

  • 1924. Albert Wallace Hull fizikus, Amerikai Egyesült Államok), feltalálja a magnetront, egy elektroncsövet, amely hatékonyan képes nagy teljesítményű, nagyfrekvenciás jelet előállítani.

  • 1922. Albert H. Taylor és Leo C. Young, az USA haditengerészeti kutatóintézetének (Naval Research Laboratory) mérnökei első ízben detektálják egy fából épített hajó jelenlétét rádióhullámok reflexiója segítségével.

  • 1930. Lawrence A. Hyland (ugyancsak az USA Naval Research Laboratory munkatársa) elsőként végez sikeres kísérletet egy repülőgép rádióreflexiós felderítésére.

  • 1931. Nagy-Britanniában William A.S Butement és P.E. Pollard tesz javaslatot rádióreflexiós felderítőberendezés építésére. Ezt egy hajóra telepítik. Parabolikus reflektorral felszerelt antennát használnak, amelybe körsugárzóval csatolják be az adóból kilépő RF-energiát. Bár a kísérletek sikerrel kecsegtetnek, a fejlesztés kormánytámogatás híján abbamarad.

  • 1933. Saját akusztikus, reflexiós felderítőkészülékének ötletét továbbfejlesztve a német Robert Kühnhold bemutat egy „Funkmessgerät” elnevezésű rádióreflexiós felderítőberendezést. Ez 48 cm-es hullámhosszú jellel működik kb. 40 W adóteljesítménnyel. Ennek továbbfejlesztéseként készül el Németországban az 1938-tól sorozatban gyártott Freya távolfelderítő radarberendezés, valamint annak haditengerészeti változata, a Seetakt.

  • 1935. Robert Watson-Watt javaslatot tesz egy repülőgépek távoli felderítésére alkalmas rendszer felépítésére, és körvonalazza ennek lehetséges megvalósítási módját is. Ennek nyomán intenzív fejlesztés indul egy légvédelmi radarlánc megvalósítására, amelynek eredményeként 1939-ben működésbe lép a szigorúan titkos Radio Direction Finding (RDF – Rádióiránymérő) állomások rendszere.

  • 1936. George F. Metcalf és William C. Hahn, a General Electric mérnökei feltalálják a klisztron elnevezésű mikrohullámú elektroncsövet, amely erősítőként és oszcillátorként a radarrendszerek fontos alkatrészévé válik.

  • 1939. A birminghami egyetemen dolgozó két mérnök, John Turton Randall és Henry Albert Howard Boot egy kisméretű, de nagy teljesítményű radart épít egy soküreges magnetroncső felhasználásával. A készüléket B-17-es bombázógépekbe építik be. Ennek segítségével a szövetséges légierő sikerrel veszi fel a harcot a német tengeralattjárókkal, amelyeket ezáltal éjszaka és ködben is fel tudnak deríteni.

  • 1940. Az USA, a Szovjetunió, Németország, Franciaország és Japán különféle radarberendezéseket használ a hadműveletei során. A hadi alkalmazások sikere nyomán a radar a légierők legfontosabb szolgálatainak egyikévé válik. A II. világháború és az azt követő hidegháború során földi telepítésű, légvédelmi felderítő radarrendszereket helyeznek üzembe.

  • 1944. Az Egyesült Izzó (Tungsram) laboratóriumában a Bay Zoltán fizikus által vezetett fejlesztőcsoport berendezésével légvédelmi célra alkalmas radarberendezést állít elő.

  • 1946. A Bay-féle kutatócsoport (a világon másodikként) 55 cm-es hullámhosszon (540 MHz) radarvisszhangot észlel a Hold felületéről, amellyel annak távolságát a jelismétlés és -összegzés módszerével nagy pontossággal képes meghatározni. A II. világháború után az USA-ba emigrált Bay ott is megismétli a Hold radaros távolságmérését, ezúttal azonban már a centiméteres hullámhossz-tartományban működő, magnetronos adóval. 

 

A magnetron története

A magnetron olyan lényeges hozzájárulás a radar létrehozásához, hogy érdemes áttekinteni kialakulásának történetét.

ME 2016 1-2 Magnetron horiz

  • 1921. Heinrich Greinacher svájci fizikus megpróbál egy hengerszimmetrikus vákuumdiódát a forgástengellyel párhuzamos erővonalakkal rendelkező mágneses térbe helyezni abból a célból, hogy megmérhesse az elektron töltésének és tömegének arányát. A kísérlet meghiúsul, mert a csőben nem sikerül elegendően nagy vákuumot létrehozni. Greinacher azonban olyan matematikai modellt dolgoz ki, amely alapján vizsgálható az elektronok mozgása mágneses térben.

  • 1921. Albert W. Hull (General Electric) Greinacher kísérleti elrendezését használva vizsgálja az elektron mozgását homogén mágneses térben. Felismeri, hogy az elektronáram a mágneses tér változtatásával is vezérelhető. Hull célja az, hogy cége számára egy mágneses térrel vezérelhető relét vagy erősítőt dolgozzon ki a rácselektródával vezérelt trióda helyettesítésére, és felveti az RF-energia generálásának lehetőségét is. Elrendezését magnetronnak nevezi el.

  • 1924. A magnetron nagyfrekvenciás oszcillátorként való felhasználásával Hull-tól függetlenül a német Erich Habann és a cseh Napsal August Zázek is foglalkozik. Munkájuk nyomán kiderül, hogy pontosan definiálható körülmények között a magnetron karakterisztikájában negatív ellenállású szakasz mutatkozik, amely képes kiegyenlíteni egy passzív rezonáns rendszer veszteségeit. Habann – a mai magnetronokhoz hasonlóan – időben állandó mágneses teret alkalmaz. Osztott anódos elrendezésével 100 MHz-es, Zázek osztatlan anódú változatával közel 1 GHz frekvenciájú rezgéseket képes előállítani.

  • 1929. A centiméteres hullámhosszúságú tartomány felé az áttörést a Tohoku Egyetem (Sendai, Japán) kutatója, Kinjiro Okabe éri el egy hasított anódú elrendezéssel, amellyel 5,35 GHz-es oszcillációt állít elő.

  • 1935. Hans Erich Hollmann szabadalmat jegyeztet be soküreges magnetronra Németországban, majd 1938-ban az USA-ban is, jóval megelőzve ezzel John Randall és Henry Boot 1940-ben elért eredményét.

  • 1940. A birmingham-i egyetem két kutatója, John Randall és Henry Boot soküreges magnetront fejleszt, amely fontos szerephez jut a németekkel 1940 közepén vívott tengeralattjáró-háborúban. A két mérnök nem tesz mást, mint az 1935-ös Hollman-féle négyüreges magnetronnál több üreget alakít ki az anódban az RF-rezgéskeltés hatékonyságának fokozására. Az angolok sikeresen valósítanak meg több vízhűtéses magnetron-modellt, (egyikük nyolc üreget tartalmaz). Az új eszközökkel aránylag kisméretű adóberendezést fejlesztenek, amely 3 GHz-es impulzusokat képes előállítani 15 kW csúcsteljesítménnyel. Az ezzel felszerelt B-17-es bombázókkal lényegesen nő a német tengeralattjárók elleni elhárítótevékenység hatékonysága. A 3 GHz-es frekvencia aránylag kicsiny, mégis hatékony antennák alkalmazását is lehetővé teszi, mivel az antennanyereség fordítottan arányos az alkalmazott jel hullámhosszának négyzetével. A kisugárzott jel sugárszélessége fordítottan arányos a hullámhosszal, ezért ez a radar már meglehetősen nagy pontosságú és felbontású eszköz. Henry Gutton eredménye a báriumoxid-katódok alkalmazása, amelynek ötletét a vezetékmentes távíró-alkalmazásokkal foglalkozó tudományos társaság tagja, Maurice Ponte hozta Nagy Britanniába röviddel Franciaország német megszállása előtt. A báriumoxid-katódokat a magnetronokban Randall és Boot vette használatba. A bárium-oxid ugyanis a korábban használt wolframkatódnál lényegesen alacsonyabb üzemi hőmérsékleten emittálja a működéshoz szükséges elektronmennyiséget. Ez hosszabb élettartamot tesz lehetővé. Henry Tizard vezeti azt a tudományos küldöttséget, amely az angol fejlesztési eredményeket az USA rendelkezésére bocsátja, ahol megkezdik a magnetronok tömeggyártását.

  • 1942. A sorozatgyártott német radarokban a magnetronok helyett a nagyobb frekvenciastabilitású klisztroncsöveket használják. A német radarfejlesztők csak a II. világháború vége felé, a zsákmányul ejtett készülékek elemzésekor ismerik fel a magnetronok előnyeit a mikrohullámú tartományban. Ekkor azonban már túl késő ahhoz, hogy a magnetront az iparilag gyártott radarokban is tömeges használatba vegyék.

Ma a magnetron szinte minden konyhában megtalálható.

 

A következő folytatásban a radar elméleti alapjait és működési elvét mutatjuk be.

 

Készítette: Tóth Ferenc a www.radartutorial.eu weblap (szerző: Christian Wolff) fordításával és átdolgozásával, a GNU Free Documentation License és a Creative Commons „Nevezd meg – Így add tovább 4.0” licence alapján.

 

Címkék: Radartechnika | radar | magnetron | klisztron