Блок-схема СВЧ устройства радиолокационного приемника

В супергетеродинном приемнике основное усиление принимаемого сигнала до необходимого уровня производится в УПЧ. Поэтому наиболее важная задача СВЧУ сводится, в сущности, к тому, чтобы преобразовать принятый СВЧ сигнал в сигнал промежуточной частоты. Однако поскольку СВЧУ является входным устройством приемника (первым каскадом), то его коэффициент шума почти полностью определяет общий коэффициент шума и тем самым чувствительность приемника. При этом предполагается, что полоса пропускания Df_пч выбрана на основе исходных данных и, следовательно, однозначно определена. Поэтому для достижения максимальной чувствительности указанный процесс преобразования частоты сигнала должен происходить с минимальным ухудшением отношения сигнал/шум на выходе преобразователя по сравнению с его величиной на входе приемника, т. е. схема СВЧУ должна обеспечивать минимальный коэффициент шума.

 Рассмотрим назначение отдельных элементов СВЧУ (рис. 1). В импульсных РЛС для излучения мощных импульсов передатчика и приема слабых отраженных от цели сигналов используется одна и та же антенна. Для осуществления такого режима работы используется антенный переключатель (АП) с устройством защиты приемника. На время излучения импульса передатчика АП подключает антенну к фидерному тракту передатчика и запирает вход приемника, при этом мощный СВЧ импульс поступает в антенну без значительного ослабления, а затухание между антенным трактом и входом приемника (в данном случае – вход малошумящего усилителя) становится очень большим.

 

Тем не менее часть мощности передатчика просачивается из передающего тракта (тракта высокого уровня мощности) на вход приемника, а устройство защиты приемника ослабляет эту мощность до безопасного для приемника уровня. Такая защита особенно важна тогда, когда входным каскадом приемника является малошумящий усилитель (МШУ). В зависимости от выбранной схемы АП функции устройства защиты выполняются либо элементами самого АП, либо от него не зависящими специальными элементами. После окончания импульса передатчика АП автоматически и с минимальной задержкой (порядка единиц микросекунд) переключает антенну с передачи на прием, т. е. обеспечивает прохождение принятого антенной слабого сигнала без значительного ослабления на вход приемника и исключает потери мощности этого сигнала на ответвление в тракт передатчика. Поочередное подключение антенны к передающему и приемному трактам производится антенным переключателем синхронно с импульсной работой передатчика.

Принятый импульсный сигнал Р_с, отраженный от цели, поступает в МШУ, предназначенный для предварительного усиления Р_с, и через устройство подавления зеркального канала приема (назначение которого будет рассмотрено ниже) попадает в смеситель, в котором и происходит преобразование СВЧ сигнала Р_с в импульсный сигнал промежуточной частоты Р_спч. Для получения такого преобразования к смесителю подводится часть мощности непрерывных колебаний гетеродина, частота которых f_г отличается от f_с на величину промежуточной частоты f_пч, т. е. f_г=f_с±f_пч. Уровень подводимой мощности гетеродина во много раз (на 5—10 порядков) превосходит мощность преобразуемого сигнала Р_с (отличие уровней мощности сигналов в различных элементах СВЧУ качественно показано на рис. 1 разной толщиной соединительных стрелок и разной высотой условных изображений импульсных радиоколебаний и шумов).

Делитель и регулятор мощности гетеродина предназначены для установления необходимого уровня мощности Р_г на каждом смесителе.

Из всего изложенного видно, что по уровням СВЧ мощности, действующим в различных элементах, схему СВЧУ можно разделить на две части: тракт высокого уровня мощности (делитель мощности, АП и устройство защиты приемника) и тракт низкого уровня мощности (остальные элементы). В элементах первого импульсная мощность имеет величину от единиц до сотен киловатт, в элементах второго – не превосходит, как правило, 100 мВт как импульсной, так и непрерывной (в цепи гетеродина) мощности. Функционально тракт низкого уровня мощности удобно подразделять на канал сигнала, канал АПЧ и канал гетеродина.

Передатчик формирует мощные СВЧ-импульсы (частота которых от импульса к импульсу может меняться случайным образом). Этот сигнал через делитель мощности (без изменения уровня) и антен переключатель поступают на антенну. Отраженный сигнал, имеющий низкий уровень мощности (амплитуда не более 100мВ) через антенну и ант переключатель поступает на вход приемника. К приемнику предъявляются высокие требования по чувствительности, т.к. этот параметр влияет на max дальность обнаружения, в связи с этим приемник РЛС построен по супергетеродинной схеме, имеющей преимущество по чувствительности от др. схем( прямого усиления и т.д).

На входе приемника используется малошумящий усилитель (МШУ), который и определяет чувствительность всего приемника. Устройство подавления зеркального канала представляет собой режекторный фильтр, выполненный в виде объемного резонатора. Смеситель преобразует сигнал несущей частоты в промежуточную 30МГц, в приемнике реализована система АПЧ, которая измеряет частотное рассогласование текущего излучаемого импульса, поступающего на вход смесителя АПЧ от передатчика через делитель мощности ( с изменением уровня сигнала). Сигнал разностной частоты преобразуется схемой АПЧ в управляющее воздействие для гетеродина, перестраивая его, если разностная частота будет равна нулю, то управляющее воздействие на гетеродин будет отсутствовать и на выходе смесителя сигнала установится постоянная промежуточная частота 30 МГц.

Смеситель перемножает два сигнала, на выходе частоты суммируются. Гетеродин постоянно перестраивается под вх импульс в данной схеме.

От магнитрона( в передатчике) большой разброс, магнитрон нестабильный, поэтому используется АПЧ. Основные помехи в каскадах приемника, поэтому применяется МШУ, чтобы не создавать свои собственные шумы. Если разные частоты, то промежуточная частота постоянная.

Помехи по зеркальному каналу- зеркальный канал приёма — второй входной частоты, дающей такую же разность с частотой гетеродина, что и рабочая частота. Сигнал, передаваемый на этой частоте, может проходить через фильтры ПЧ вместе с рабочим сигналом.

Помехи от зеркального канала уменьшают двумя путями. Во-первых, применяют более сложные и эффективные входные полосовые фильтры, состоящие из нескольких колебательных контуров. Это усложняет и удорожает конструкцию, так как входной фильтр нужно ещё и перестраивать по частоте, притом согласованно с перестройкой гетеродина. Во-вторых, промежуточную частоту выбирают достаточно высокой по сравнению с частотой приёма. В этом случае зеркальный канал приёма оказывается относительно далеко по частоте от основного, и входной фильтр приёмника может более эффективно его подавить. Иногда ПЧ даже делают намного выше частот приёма (так называемое «преобразование вверх»), и при этом ради упрощения приёмника вообще отказываются от входного полосового фильтра, заменяя его неперестраиваемым фильтром нижних частот. В высококачественных приёмниках часто применяют метод двойного (иногда и тройного) преобразования частоты, причём, если первую ПЧ выбирают высокой по описанным выше соображениям, то вторую делают низкой (сотни, иногда даже десятки килогерц[1]), что позволяет более эффективно подавлять помехи от близких по частоте станций, то есть повысить избирательность приёмника по соседнему каналу.

Кроме того, в супергетеродине возможен паразитный приём станций, работающих на промежуточной частоте. Его предотвращают экранированием отдельных узлов и приёмника в целом, а также применением на входе фильтра-пробки, настроенного на промежуточную частоту.

Режекторный фильтр - Полосно-заграждающий фильтр (проф. жаргон — режекторный фильтр, фильтр-пробка) — электронный или любой другой фильтр, не пропускающий колебания некоторой определённой полосы частот, и пропускающий колебания с частотами, выходящими за пределы этой полосы. Эта полоса подавления характеризуется шириной полосы заграждения и расположена приблизительно вокруг центральной частоты ω 0 (рад/с) подавления, или fо=ω 0/2•3, 14 (Гц). Для реальной амплитудно-частотной характеристики частоты ω L и ω U представляют собой нижнюю и верхнюю частоты полосы подавления. Заграждающий фильтр, предназначенный для подавления одной определённой частоты, называется узкополосным заграждающим фильтром или фильтром-пробкой.

Супергетеродинный приемник –

высокая чувствительность. Супергетеродин позволяет получить большее усиление по сравнению с приёмником прямого усиления за счёт дополнительного усиления на промежуточной частоте, не приводящего к паразитной генерации: положительная обратная связь не возникает из-за того, что в каскадах ВЧ и ПЧ усиливаются разные частоты;

высокая избирательность, обусловленная фильтрацией сигнала в канале ПЧ. Фильтр ПЧ можно изготовить со значительно более высокими параметрами, так как его не нужно перестраивать по частоте. Например, широко используют кварцевые, пьезокерамические и электромеханические фильтры сосредоточенной селекции. Они позволяют получить сколь угодно узкую полосу пропускания с очень большим подавлением сигналов за ее пределами;

возможность принимать сигналы с модуляцией любого вида, в том числе с амплитудной манипуляцией (радиотелеграф) и однополосной модуляцией.

МШУ – Малошумящий усилитель — усилитель, в котором приняты специальные меры для снижения уровня собственных шумов, способных вуалировать усиливаемый слабый сигнал.

Система АПЧ –предназначена для уменьшения отклонений разностной частоты между частотами гетеродина и принимаемого сигнала от промежуточной частоты приемника. Система анализирует отклонение текущего значения fг от требуемого, в результате вырабатывается управляющий сигнал, величина которого несет инфо о величине отклонения частоты, а знак- о направлении отклонения. Автоматическая подстройка частоты (АПЧ) — устройство или метод автоматического изменения и удержания необходимой частоты электрических колебаний генератора[1]. Метод заключается в автоматической дополнительной регулировке частоты генератора, по информации о рассогласовании частоты из цепи обратной связи. Тем самым осуществляется отрицательная обратная связь по частоте. Сигнал рассогласования по частоте может вырабатываться дискриминатором по различным характеристикам сигнала, получаемого в радиотехническом устройстве с использованием текущей частоты генератора заданной частоты и сравнения её с опорной частотой, например, несущей частотой сигнала. Частота генератора может отличаться от необходимой из-за температурного дрейфа номиналов электронных компонентов, входящих в устройство; из-за неточной (например, дискретной) установки частоты генератора; или из-за доплеровского сдвига частот (в системах приёма сигналов со спутников и космических аппаратов).

Гетеродин - маломощный генератор электрических колебаний, применяемый для преобразования частот сигнала в супергетеродинных радиоприёмниках, приёмниках прямого преобразования, волномерах и пр.

Изначально гетеродином называли радиоприёмник, в котором имелся дополнительный генератор высокой частоты, настроенный на частоту, близкую к частоте принимаемого сигнала, что повышало чувствительность радиоприёмника. В дальнейшем, после изобретения супергетеродина, гетеродином стали называть этот генератор.

Гетеродин создаёт колебания вспомогательной частоты, которые в блоке смесителя смешиваются с поступающими извне колебаниями высокой частоты. В результате смешения двух частот, входной и гетеродина, образуются ещё две частоты (суммарная и разностная). Разностная частота (при амплитудной модуляции постоянная) используется как промежуточная частота, на которой происходит основное усиление сигнала.

К гетеродинам устанавливаются высокие требования по стабильности частоты и амплитуды, а также спектральной чистоте гармонических колебаний. Чем выше эти требования, тем сложнее конструктивное исполнение гетеродина: стабилизируют напряжение питания, применяют сложные схемы, исключающие влияние внешних факторов на частоту генератора, компоненты со специальными свойствами, гетеродин помещают в термостат, используют системы автоматической подстройки частоты и т. д. Если гетеродин работает на фиксированной частоте, применяют стабилизацию с помощью кварцевого резонатора. В современной радиоаппаратуре в качестве перестраиваемых гетеродинов всё чаще применяют цифровые синтезаторы частоты, которые обладают рядом важных преимуществ.

Преселектор( ВЦ + УРЧ ) – для уменьшения помех по зеркальному каналу, помех прямого прохождения. f пр отклоняется от своего значения из-за температуры, меняется режим работы гетеродина, давления. )))))))

Общие требования к СВЧ устройствам радиолокационных приемников

1. Минимальный коэффициент шума СВЧУ.

Это требование является наиболее важным, поскольку F_свчу почти полностью определяет коэффициент шума приемника и его чувствительность. Повышение же последней позволяет увеличить максимальную дальность действия РЛС. Даже в тех случаях, когда необходимая дальность действия ограничена, обеспечение высокой чувствительности приемника оказывается тем не менее целесообразным, т. к. позволяет (согласно основному уравнению радиолокации) снизить мощность передатчика, а вместе с нею рабочие напряжения, габариты и вес последнего. При этом повышается надежность и долговечность передатчика и, как правило, уменьшается общий вес РЛС. Обеспечение минимального коэффициента шума СВЧУ означает, очевидно, одновременное требование минимальных потерь в тракте принимаемого сигнала СВЧУ.

2. Минимальные изменения амплитуды сигнала разностной частоты на выходе смесителя АПЧ и минимальный уровень гармоник этой частоты.

Выполнение этого требования является одним из важных условий обеспечения стабильной работы системы АПЧ гетеродина. Как известно, нарушения в работе системы АПЧ ухудшают характеристики РЛС либо вообще могут вывести ее из строя.

В процессе работы РЛС в реальных условиях изменяются в значительных пределах частота и мощность, передатчика и гетеродина, уровень гармоник частот f_с и f_г на входе смесителя АПЧ, уровень мощности передатчика, просачивающейся в смеситель АПЧ по паразитным каналам связи (уровень «наводок»). Схема, режим работы и конструкция канала АПЧ СВЧ устройства должны быть выбраны такими, чтобы в указанных условиях работы изменения амплитуды сигнала разностной частоты, на выходе смесителя и уровень гармоник этого выходного сигнала были бы малы по сравнению с амплитудой основного сигнала.

3. Широкополосность элементов СВЧУ и устройства в целом.

Широкополосные СВЧУ, обладающие широкой полосой рабочих частот, позволяют работать с перестройкой частоты передатчика РЛС и обеспечивают относительную неизменность характеристик приемника при изменении частоты сигнала (передатчика). Практически всегда, желательно иметь полосу пропускания СВЧУ и его элементов больше минимально необходимой величины, определяемой диапазоном изменения частоты f_с и величинами f_пч и Df_пч, т. к. при этом уменьшается влияние изменений условий окружающей среды на характеристики СВЧУ, упрощается его настройка и эксплуатация.

В частности, упрощается и сводится к минимуму подстройка элементов СВЧУ при замене входящих в него электровакуумных и полупроводниковых приборов СВЧ. Даже в тех случаях, когда для обеспечения помехозащищенности или для подавления f_з оказывается необходимым использовать относительно узкополосные преселекторы (фильтры), остальные элементы СВЧУ целесообразно иметь широкополосными.

4. Надежная защита малошумящего усилителя или (при отсутствии МШУ) смесителя сигнала от повреждения просачивающейся мощностью передатчика или мощными сигналами помех, принимаемыми антенной извне.

О необходимости защиты от просачивающейся мощности передатчика уже говорилось. Наряду с этим в паузе между импульсами передатчика, т. е. в режиме приема отраженных сигналов, а также в условиях выключенной РЛС в ее антенну (через основной или боковые лепестки диаграммы направленности) и далее в приемный канал могут попадать достаточно мощные сигналы помех от других близко расположенных РЛС, которые в состоянии повредить чувствительные к перегрузкам входные элементы тракта сигнала СВЧУ. Надежная защита этих элементов от всевозможных опасных по уровню мощности сигналов должна обеспечиваться устройством защиты приемника.

5. Малое время восстановления коэффициента усиления (потерь) тракта сигнала СВЧУ после окончания импульса передатчика или мощного сигнала помехи, принятого извне.

После окончания действия мощного импульса передатчика (или помехи) в элементах АП, устройствах защиты приемника и МШУ начинаются переходные процессы восстановления исходных электрических состояний (полных сопротивлений и связанных с ними потерь, некоторых напряжений), существовавших до воздействия мощного СВЧ импульса. Время восстановления электрических характеристик СВЧУ после перегрузки влияет на способность приемника принимать сигналы, отраженные от близко расположенных объектов; чем меньше это время, тем меньше минимальная дальность приема.

6. Достаточно большой динамический диапазон входных сигналов, определяемый линейным участком амплитудной характеристики СВЧУ.

В ряде РЛС отношение мощностей максимального и минимального принимаемых сигналов, отраженных от цели, может быть очень большим (80—100 дБ или более), при этом необходимо, чтобы амплитудные искажения принимаемых сигналов (возникающие при работе на нелинейном участке амплитудной характеристики СВЧУ) отсутствовали. В противном случае происходит искажение или потеря принимаемой информации.-

7. Помехоустойчивость СВЧУ, определяемая его избирательностью (т. е. уменьшением коэффициента передачи на заданной соседней и зеркальной частотах) и устойчивостью к воздействию мощных сигналов помех. Обеспечение помехоустойчивости расширяет возможность работы РЛС в условиях случайных и умышленных помех.

8. Надежность, обеспечивающая безотказную работу в течение определенного промежутка времени.

Надежность является одной из важнейших эксплуатационных характеристик аппаратуры и количественно оценивается вероятностью безотказной работы в течение заданного промежутка времени. Следует учитывать, что, как показывают расчеты, надежность радиолокационных приемников определяется в значительной степени (а в ряде случаев почти полностью) надежностью СВЧУ. Это обусловлено тем, что надежность электровакуумных и полупроводниковых приборов, входящих в состав СВЧУ, ниже (в некоторых случаях - значительно) надежности других электрорадиоэлементов, входящих в состав приемника.

9. Простота обслуживания, удобство регулировок и контроля.

Выполнение этого требования способствует сохранению характеристик СВЧУ в течение всего срока службы. Схема и конструкция СВЧУ должны предусматривать возможность замены электровакуумных и полупроводниковых приборов СВЧ с минимальной последующей подстройкой элементов СВЧУ.

10. Малые габариты и вес.

Выполнение этого требования особенно важно для нестационарных РЛС (судовых, самолетных, ракетных и др.).

Заметим, что некоторые из перечисленных требований противоречивы и одновременное полное их выполнение невозможно. Поэтому практически принимают компромиссные решения. Кроме того, в ряде случаев нет необходимости одновременно удовлетворить все требования. Например, для стационарных РЛС малые габариты и вес не имеют существенного значения, в РЛС дальнего обнаружения не требуется малого времени восстановления, во многих РЛС не требуется стабильности фазовых характеристик и т. д.

Роль РЛС в обеспечении безопасности полетов:

Радиолокационные системы (РЛС) воздушных судов (ВС) играют важную роль в безопасности полетов, поскольку они являются основным источником оперативной информации о метеорологической обстановке при полете по маршруту, средством предупреждения столкновений с препятствиями, автономным средством получения навигационной информации в полете, а также (в комплексе с наземными вторичными радиолокаторами) обеспечивают получение необходимой для УВД оперативной информации о местоположении ВС в любой момент времени независимо от метеорологических условий. Поэтому РЛС должны соответствовать требованиям ICAO, чтобы выполнять полеты без угрозы для жизни и здоровья людей.

 

 

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться: