Zadaniem nadajnika radarowego jest formowanie i emisja impulsów sondujących. Dawne radary nadawały falę ciągłą. Taka technika jest jeszcze stosowana w radiowysokościomierzach dla małych wysokości. Dzisiejsze stacje radiolokacyjne pracują impulsowo - wysyłają krótkie paczki mikrofal. Trwający kilka mikrosekund impuls, nazywany impulsem sondującym, jest wysyłany przez nadajnik 30 do 100 razy na sekundę.
Radary obserwacji okrężnej wypromieniowują moc rzędu 1.5 MW w impulsie. Brzmi imponująco, ale tak naprawdę to taki impuls jest wysyłany co około 10 milisekund, a trwa tylko np. 3 mikrosekundy. Czyli energia jest zbierana prawie 10 milisekund aby przez 0.003 milisekundy osiągać półtora megawata.
Technicznie rzecz biorąc, impulsowy nadajnik radaru jest zwykłym nadajnikiem radiowym. Jednak technika impulsowa oraz częstotliwości i moce którymi operują, sprawiają że nawet bardzo zaawansowany miłośnik radia długo nie może znaleźć w nich niczego znajomego.

Do wypromieniowania fal o takiej mocy i częstotliwości rzędu gigaherców używa się specjalnych mikrofalowych lamp elektronowych; dawniej najpowszechniejsze były magnetrony wnękowe. Magnetrony są właściwie nie wzmacniaczami lecz generatorami mikrofal dużej mocy. Na zdjęciu magnetron radaru precyzyjnego na pasmo 3 cm, moc 500 kW w impulsie (a za nim fenomenalny bajzel na moim stole). Widoczne falowodowe wyjście mocy - prostokątny otwór - stąd impulsy sondujące biegły falowodami do anteny.

Nadajnik radaru AVIA A o konstrukcji lampowej. Pod panelami elektroniki widać magnetron z charakterystycznymi magnesami o szerokości około 30 cm. AVIA A została zbudowana w warszawskim Przemysłowym Instytucie Telekomunikacji w roku 1959. Zainstalowana na Okęciu była pierwszym radarem, jaki pracował dla polskiej kontroli ruchu lotniczego. (Foto: PIT) Fotka w pełnej rozdzielczości

Obecnie nadajniki radarowe konstruuje się jako obcowzbudne. Są one droższe i trudniejsze w produkcji, ale za to zadanie wytworzenia fali o zadanych parametrach spada na osobny generator, zwany wzbudnikiem. Taki wzbudnik nie musi dostarczać dużej mocy, może zatem dowolnie długo utrzymać zadaną częstotliwość.
Ponadto nadajnik obcowzbudny pozwala dokładnie kontrolować fazę impulsu sondującego. Porównanie fazy odebranego echa z fazą impulsu sondującego pozwala polepszyć rozróżnialność i lepiej odfiltrować zakłócenia. Radar w którym można porównać fazę w torze nadawczym i odbiorczym nazywa się radarem koherentnym.

W radarach obserwacyjnych powszechnie używa się klistronów, które są mikrofalowymi lampami wzmacniającymi. Klistron działa na zasadzie grupowania elektronów we wnęce rezonatora, jak w dziurze, i przyspieszania ich kiedy się z niej wyrwą. A wyrwą się wtedy, gdy ich predkość bedzie wystarczająca do pokonania siatki z potencjałem dodatnim, zamykajacej dziurę. Z kolei czas, w którym uzyskają tę prędkość i dziura się opróżni na przyjęcie nowych, zależy od rozmiarów dziury. Juz widzę zjeżone włosy specjalistów, ale niech spróbują prościej.

Na zdjęciu po lewej wnętrze nadajnika radaru ASR-9 z klistronem liniowym (w czerwonym termostacie). Po prawej bloki sterowania z ekranem analizatora widma emitowanego sygnału i (jakżeby inaczej) komputerem.

Właściwie klistron, skonstruowany w USA przez braci Varian, jest starszy od magnetronu. Naukowcy poszukujący w 1939 roku lampy elektronowej zdolnej do pracy z falami o długości rzędu 10 cm doszli do wniosku że z klistronu nigdy nie uzyska się sensownej mocy i zwrócili uwagę na magnetron, instrument działający na zasadzie oscylacji elektronów przyspieszanych w silnym polu magnetycznym.
Magnetron był wówczas laboratoryjną ciekawostką, nieprzydatną do praktycznych zastosowań ponieważ chciał pracować tylko na niektórych częstotliwościach, a i to niestabilnie. Przyczyna była znana: elektrony własciwie nie oscylowały, tylko pętały się jak mokre sznurowadła. Inżynierowie Randall i Boot wpadli na pomysł zastosowania w magnetronie rezonatorów wnękowych, zwanych wówczas rumbatronami (greckie rhumba oznacza rytmiczne drgania, jakby kto pytał). W zakresie mikrofal położone wzdłuż toru fali metalowe wnęki działają jak obwody rezonansowe, zestrojone na częstotliwość zależną od wymiarów wnęk. Pomysł zadziałał i przez długie lata sercem każdego radaru był nadal niechętnie trzymający częstotliwość magnetron wnękowy, z nieodłącznymi dwoma podkowiastymi magnesami stałymi (ciężkimi zresztą jak życie w wielkich czasach). Biedny mały klistron pokutował w jego cieniu, napędzając heterodyny radarowych odbiorników.
Aha, jescze jedno. Klistrony o mocy 2 megawatów i więcej stosowane w ASR-8, ASR-9 i wielu innych radarach wyższej klasy produkuje firma Varian. Mityczna Klytia została zamieniona w heliotrop, kwiat podążający za Słońcem, ale nazwa klistronu ma inne korzenie. Szkoda, mogło być takie wzruszające...

Do magnetronów i klistronów należy dodać "najdziwniejsze z dziwnych", czyli lampy z falą bieżącą (LFB, albo TWT - travelling wave tube). Używa się ich jako mikrofalowych lamp nadawczych niewielkiej mocy (średnio 20 kW w impulsie), głównie w radarach specjalnego przeznaczenia i nadajnikach radioliniowych. Na zdjęciu: mała LFB o mocy 1 kW z kontaktami w postaci linii koncentrycznych.

LFB jest długą, hermetyczną rurą, z katodą i anodą na przeciwległych końcach. Trzecia elektroda oplata śrubowo tor elektronów wzdłuż całej jego długości. Fala elektromagnetyczna w przewodzie pokonuje dystans między katodą a anodą po linii śrubowej - wolniej niż strumień elektronów, wyemitowanych z katody. Strumień ten jest niejako "cięty na kawałki" polem elektrycznym, wytworzonym przez falę sterującą.

Obecnie praktycznie wszystkie nowe konstrukcje radarów pierwotnych pracują z tzw kompresją impulsu p stronie odbiorczej. Nadajnik takiego radaru musi być zdolny do formowania dłuższych niż zwykłe impilsów sondujących z liniową modulacją częstotliwości (LFM) - w obrębie każdego impulsu częstotliwość rośnie liniowo. Taką modulację gwarowo nazywa się "chirp", czyli ćwierkanie. I faktycznie, zastosowana w zakresie akustycznym brzmi poobnie.
Odbite od celu i odebrane impulsy echa, także mające modulację LFM, są poddawane kompresji w torze odbiorczym radaru. Skrócenie impulsu pozwala jednocześnie zwiększając jego amplitudę, zatem całą operacja znacząco poprawia rozróźnialność w odległości i pozwala zmniejszyć moc nadajnika. Półprzewodnikowe nadajniki takich radarów mają moc zaledwie od 2,5 do 200 kW w impulsie, zależnie od zastosowania.

W technice mikrofalowej rolę linii przesyłowych między anteną a nadajnikiem i odbiornikiem pełnią falowody, czyli metalowe rury o wymiarach skorelowanych z długością fali. Sens ich stosowania jest tylko pozornie zagadkowy. Mianowicie straty w przewodach zasilających antenę rosną ze wzrostem częstotliwości i mocy. Należy więc zredukować ich długość do naprawdę niezbędnego minimum. Falowód możemy potraktować jako kawałek swobodnej przestrzeni ograniczony metalowymi ściankami, tak aby fala nie rozłaziła się na boki, tylko płynnie podążała gdzie trzeba.
Wzmacniacz, czyli magnetron albo klistron, jest zakończony rodzajem "mikroanteny", poprzez którą wypromieniowuje energię wysokiej częstotliwości do falowodu. Rura falowodu kończy się rożkiem promieniującym z lustrem parabolicznym albo innym układem do formowania wiązki sondującej radaru.
W fazie odbioru impulsy odbite od celu są ogniskowane na wlocie rury, a z tamtąd już lecą sobie prosto do innej "mikroantenki" na wejściu odbiornika. Przeważnie jest ona od razu detektorem - diodą półprzewodnikową o specyficznym kształcie.

Zdjęcie przedstawia fragment systemu falowodowego radaru. System falowodowy przewodzi impulsy sondujące z nadajników dwóch (niekiedy trzech) zestawów nadawczo odbiorczych do anteny. Te same linie falowodowe przewodzą odbite impulsy do odbiorników, więc w skład toru falowodowego wchodzą elementy zabezpieczające odbiornik przed bezpośrednim oddziaływaniem impulsu sondującego. Specjalne przełączniki falowodowe umożliwiają połączenia dowolnego zestawu z anteną.

Dwa albo trzy zestawy nadawczo - odbiorcze mogą być jednocześnie połączone z anteną. Pracują wtedy przemiennie w reżimie diversity, co zwiększa prawdopodobieństwo wykrycia obiektu w trudnych warunkach pogodowych. Przy pracy diversity jeden z zestawów pracuje jako master - narzuca pozostałym tempo wysyłania impulsów.

Tory falowodowe muszą być wykonane niezwykle precyzyjnie. Najmniejsza szczelina na połączeniu powoduje straty sygnału - działa po prostu jak opornik. W falowodzie nadawczym oznacza to wydzielenie pokaźnej ilości ciepła.
Pomyślcie sobie co takie 2 MW w impulsie może zdziałać. Kiedyś obluzowało się złącze obrotowe anteny radaru kontroli obszaru. Parukilogramowy element złącza zamienił się w fajny mosiężny sopel a cały radar został na parę dni wyłączony z eksploatacji. Antena i jej system falowodowy są jedynymi częściami bez "gorącej rezerwy".
Dla utrzymania kontroli nad stanem toru falowodowego utrzymuje się w nim podwyższone ciśnienie. Gdy ciśnienie gazu (najczęściej powietrza) w falowodzie spada, dokonuje się żmudnego przeglądu. Na szczęście zdarza się to bardzo rzadko.

Anteny cywilnych radarów obserwacji okrężnej są z reguły parabolicznymi antenami reflektorowymi. Oto charakterystyczna antena stacji radiolokacyjnej kontroli obszaru AVIA o rozpiętości około 6m. Antena była zbudowana z dość ciężkich rurek stalowych, dzięki czemu przy jej obrotach kiwał sie cały budynek. (Foto: PIT) Fotka w pełnej rozdzielczości

Na zdjęciu widać system antenowy radaru Westinghouse ASR 9 (ta większa na dole; na jej szczycie zainstalowano antenę radaru wtórnego).

Zakończenia falowodów z rożkami promieniującymi są umieszczone na wysięgniku przed reflektorem. Sam reflektor jest pokryty drobną metalową siatką. Dla mikrofal siatka stanowi jednolitą powierzchnię odbijającą. Chodzi tu o odporność na silne wiatry; antena radaru obserwacji okrężnej ma dość dużą powierzchnię. Poniżej: Anteny radarów kontroli lotniska pracują z niewielką mocą na falach rzędu 3 cm, zatem można je konstruować jako lżejsze i mniejsze anteny szczelinowe. Na zdjęciu anrena radaru lotniskowego Terma wewnątrz kulistej osłony.