Материал: РНП Конспект Демиденко 2010

41

помощью колебательного контура, настроенного на эту частоту и включенного в цепь диода. Размещается диод в волноводе таким образом, чтобы его внутренний

проводник был расположен вдоль силовых линий электрического поля подводимых к волноводу колебаний.

Смеситель на одном диоде. В таком смесителе (рис.6.2) диод, конструктивно оформленный в виде небольшого патрончика цилиндрической формы, устанавливается внутри волновода посредине его широкой стенки.

Гнездо, в которое устанавливается диод, обеспечивает контакт с обоими выводами

диода. В данной схеме один вывод соединен с волноводом, то есть, с корпусом, другой — с внутренней жилой коаксиального кабеля.

Колебания гетеродина и отраженные импульсы СВЧ из антенны поступают в волновод с

разных его концов или с одной стороны. Регулировку уровня колебаний гетеродина

нему тока разностной (промежуточной) частоты fпч, выделяет напряжение промежуточной частоты Uпч, которое за счет индуктивной связи поступает на вход

первого каскада УПЧ.

Недостатком рассмотренного смесителя является сравнительно большой уровень шумов на его выходе из-за детектирования диодом колебаний гетеродина, которые имеют не постоянную, а хаотически изменяющуюся амплитуду. Изменение амплитуды происходит с частотой, попадающей в полосу частот контура УПЧ, поэтому на нем выделяется переменное (непрерывно действующее) напряжение шумов Uш, которое мешает выделению слабых импульсов промежуточной частоты. Для уменьшения влияния шумов гетеродина и ослабления влияния эхо-сигналов на

частоту гетеродина в судовых РЛС используется балансная схема преобразователя

(см. рис.6.3). Основой этой схемы является двойной волноводный тройник, через широкую стенку которого поступают отраженные импульсы, а через узкую

подводятся колебания от гетеродина. В симметричных точках обеих плеч

располагаются кристаллические детекторы-смесители (VD1,VD2).

С выхода этих детекторов снимаются импульсы ПЧ,

которые затем поступают в УПЧ.

Двойной волноводный тройник характерен тем,

что сигналы достигают детекторов, расположенных на одинаковом расстоянии от входа, со сдвигом по

фазе, равным 180°, а колебания гетеродина

поступают на оба детектора в фазе. Возникающий в результате преобразования ток промежуточной частоты,

например, через диод VD1 имеет фазу ϕпр1 = ϕс −ϕг ,

преобразователя Благодаря этому токи промежуточной частоты в контуре будут складываться. Тогда, токи шумов гетеродина, проходя через контур во встречном направлении, будут вычитаться. Следовательно,

токи шумов гетеродина при надлежащей симметрии плеч схемы не создают

напряжения шумов на входе УПЧ приемника, сохранив при этом полезный сигнал.

42

В настоящее время в судовых РЛС широко применяется балансная схема преобразования.

6.2. Усилитель промежуточной частоты

Усиление импульсов промежуточной частоты, поступающих из смесителя,

производится многокаскадным транзисторным УПЧ, контуры которого настроены на фиксированную частоту 60 МГц и имеют полосу пропускания до 4…18 МГц.

Импульсы на входе приемника в зависимости от расстояния до объекта и его отражающей поверхности изменяются по мощности в 1010.. . 1012 раз (на 100 . . . 120 дБ) или по амплитуде напряжения в

105. . . 106 раз. Равномерное усиление приемника в таком диапазоне входных напряжений иметь не обязательно, так как в индикаторе РЛС используют ЭЛТ, у

которых управляющий сигнал, превышающий шум в 3 ... 5 раз, вызывает насыщение яркости луча на экране.

В настоящее время в приемниках РЛС применяют линейные и

логарифмические УПЧ, отличающиеся друг от друга характером амплитудных зависимостей выходного напряжения от входного.

Приемник РЛС должен осуществлять усиление импульсных сигналов при минимальных искажениях формы импульсов, поступающих на его вход. Это требует

правильного выбора промежуточной частоты и полосы пропускания тракта УПЧ. Широкополосность радиолокационных приемников снижает их чувствительность изза возрастания уровня шумов, маскирующих слабые полезные сигналы, а также не позволяет получить высокий коэффициент усиления в каждом каскаде. Это требует

увеличения числа каскадов УПЧ.

УПЧ характеризуются:

значением промежуточной частоты; коэффициентом усиления на рабочей частоте; шириной полосы пропускания;

избирательностью, показывающей, во сколько раз уменьшается

усиление при заданной расстройке.

Для сохранения формы огибающей усиливаемых импульсов ПЧ обычно

выбирается равной 60 МГц. Такое значение обеспечивает также необходимую

избирательность приемника, облегчает выделение видеосигналов при детектировании, позволяет получить требуемое усиление в каждом каскаде УПЧ.

В подавляющем большинстве случаев ширина полосы пропускания радиолокационного приемника по ПЧ выбирается из соотношения

fпч = (0,8 ÷1,4) / τи ,

где значение коэффициента в числителе зависит, главным образом, от формы амплитудно-частотной характеристики приемника, влияющей на искажения формы

импульса.

Для обеспечения требуемого усиления в УПЧ применяется большое число каскадов (около 10). Обычно, при переключении шкал дальности, в НРЛС изменяется длительность излучаемых СВЧ импульсов. На малых шкалах, при малой

длительности излучаемых СВЧ импульсов, полоса пропускания каскадов УПЧ должна расширяться. Достигается это путем подключения параллельно контурам сопротивлений. Этим самым уменьшается добротность колебательных контуров, а

значит – расширяется полоса пропускания.

В приемниках судовых РЛС обычно применяют двухконтурные каскады, обеспечивающие более высокую эффективность при длительностях импульсов менее 1 мкс.

43

6.2.1. Выбор полосы пропускания приемника

Полоса пропускания приемника определяет:

искажения формы импульсов, влияющие на точность измерения координат и разрешающие способности РЛС;

величину отношения сигнал/шум на выходе приемника (реальную

чувствительность), влияющую на дальность действия.

Линейные искажения формы импульсов (огибающей) происходят в результате

ограничения пропускаемого приемником спектра импульсов, что является неизбежным результатом частотно-избирательных свойств приемника. Они проявляются в растягивании фронтов импульсов и уменьшении его амплитуды на

выходе.

По мере расширения полосы пропускания длительность фронта и спада

импульсов уменьшается, а, следовательно, сокращается общая длительность, а форма приближается к исходной — прямоугольной, однако при этом возрастает уровень шума.

Оптимальной полосой пропускания приемника называется такое ее значение, при котором отношение сигнал/шум на выходе приемника становится максимальным. Теоретические и практические исследования показали, что оптимальная полоса пропускания определяется отношением

При этом форма импульса на выходе приемника близка к колоколообразной, а амплитуда не достигает максимума входного импульса на 10 — 20%.

Под отношением сигнал/шум понимается отношение амплитуды импульса к эффективному напряжению шумов, то есть при выполнении соотношения (48)

достигается максимум отношения мощности сигнала к мощности шумов на выходе

приемника. Поэтому для станций дальнего обнаружения полоса пропускания приемника близка к оптимальной. Если же к РЛС предъявляются требования высокой точности и подробности воспроизведения информации, то полоса пропускания приемника в несколько раз расширяется и может достигать значения

fпч = (3 ÷5) / τи .

Такая широкая полоса пропускания используется в береговых РЛС для

проводки судов в порты.

6.2.2. Детекторы и видеоусилители

Детектирование — преобразование колебания ПЧ в огибающую, соответствующую полезному сигналу, то есть процесс, обратный модуляции. В

морских РЛС в передатчике используется амплитудная модуляция и,

соответственно, в приемнике - амплитудный детектор. Амплитудное детектирование обеспечивает:

получение огибающей модулированного колебания (видеоимпульса) из радиоимпульса ПЧ;

отделение полезного видеосигнала от колебаний ПЧ.

Амплитудный детектор включает три основных элемента:

нелинейный элемент (диод); сопротивление нагрузки; фильтр (емкость нагрузки).

При воздействии на нелинейный элемент радиоимпульса ПЧ на сопротивлении нагрузки выделяется положительный видеоимпульс с пульсациями, которые

44

сглаживаются фильтром, находящимся между детектором и видеоусилителем. Получаемый видеоимпульс является основой получаемой в РЛС полезной

информации.

Видеоусилители применяются в РЛС для усиления сигналов, поступающих с

выхода детектора приемника, до уровня, обеспечивающего нормальную работу оконечных устройств РЛС, в частности электронно-лучевых индикаторов. Для того чтобы при воспроизведении сигналов терялось как можно меньше полезной

информации, необходимо, чтобы в видеоусилителе обеспечивалось равномерное усиление во всей полосе частот, соответствующей видеоимпульсу.

Лекция №12

6.3. Автоматическая подстройка частоты

При отклонении промежуточной частоты от своего номинального значения резко понижается усиление приемника и уменьшается дальность действия РЛС.

Отклонения ПЧ от номинала вызываются нестабильностью частоты генератора СВЧ (магнетрона) передатчика и гетеродина приемника. Эта нестабильность

обусловлена изменением питающих напряжений, параметров резонансных систем,

нагрузки магнетрона из-за асимметрии вращающихся соединений волноводного тракта антенны, изменении температурных режимов и других дестабилизирующих

факторов.

Для поддержания постоянной ПЧ необходимо поддерживать постоянной разность частот гетеродина и передатчика. Обычно этого добиваются путем подстройки гетеродина. Подстройка частоты осуществляется автоматически с помощью блока автоматической подстройки частоты (АПЧ). Часто предусматривается и ручная регулировка частоты (РРЧ), но действие ее замедленно, поэтому она используется как резервная.

Наибольшее распространение в навигационных РЛС получила двухканальная

схема АПЧ. В этой схеме (см. рис. 6.1) для подстройки частоты используется

небольшая часть мощности зондирующих импульсов, подаваемая непосредственно от магнетронного генератора через делитель мощности – аттенюатор. Эта схема

имеет отдельный смеситель и УПЧ для канала АПЧ.

В результате преобразования на выходе смесителя АПЧ возникают колебания

разностной частоты. Если частота магнетрона или гетеродина отклонится от

номинала, то разностные частоты на входе блока АПЧ и на входе УПЧ приемника будут отличаться от номинального значения ПЧ. При этом на выходе блока АПЧ

появляется напряжение Uупр., которое будет увеличивать или уменьшать напряжение на управляющем элементе гетеродина (отражателе клистрона или

варикапе – при использовании диода Ганна) в зависимости от того, в какую сторону отклонилась разностная частота. Это изменение напряжения вызывает изменение частоты гетеродина таким образом, чтобы уменьшилось отклонение разностной

частоты от значения ПЧ, то есть от резонансной частоты УПЧ.

Блок АПЧ, кроме смесителя АПЧ и УПЧ, содержит частотный дискриминатор и

управляющее устройство. Частотный дискриминатор служит для получения напряжения рассогласования с полярностью, зависящей от знака расстройки и величины, пропорциональной величине расстройки,

f = fпр − fпр.н. ,

где fпр.н. — номинальное значение промежуточной частоты приемника.

В качестве дискриминаторов или частотных различителей применяют

частотные детекторы.

45

Зависимость выходного напряжения Uвых дискриминатора от расстройки f,

называемая статической характеристикой дискриминатора Uвых=f ( f), показана на рис.6.4.

На участке а, b, который является рабочим, характеристику принято считать прямолинейной. При больших отклонениях частоты от номинального значения

характеристика искривляется и имеет падающие участки. Это происходит из-за уменьшения напряжения на

контурах вследствие значительного ухода частоты от резонансной.

В приемниках судовых РЛС применяют двухтактные

Управляющее устройство изменяет частоту гетеродина в зависимости от напряжения рассогласования, вырабатываемого

дискриминатором.

Если в качестве гетеродина используется отражательный клистрон, то

управляющее устройство АПЧ должно обеспечить изменение напряжения Uупр. на

управляющем элементе гетеродина в зависимости от значения и знака отклонения промежуточной частоты от номинального значения так, чтобы она приближалась к

номинальной, а напряжение рассогласования стремилось к нулю.

Схемы управляющих устройств разделяются на следящие, или беспоисковые, и ищущие, или поисковые.

Следящие схемы осуществляют автоподстройку в более широких пределах только тогда, когда скорость изменения промежуточной частоты меньше скорости

срабатывания АПЧ. Поэтому следящие системы применяются в тех НРЛС, где не

ожидается быстрых изменений частоты магнетрона или клистронного гетеродина. В качестве управляющих устройств следящих схем применяют усилители

постоянного тока или видеоусилители с пиковым детектором на выходе. Усилитель служит для повышения чувствительности канала АПЧ к изменениям частоты, то есть увеличения крутизны характеристики дискриминатора. Для получения постоянного

управляющего напряжения постоянная времени выходной цепи дискриминатора

должны быть больше периода Tи следования импульсов.

6.4. Временная автоматическая регулировка усиления

Эффективным средством борьбы с помехами, возникающие от морского волнения, а также от близкорасположенных объектов, является временная автоматическая регулировка усиления (ВАРУ). (Уровень „автоматической”

регулировки определяется вручную самим оператором).

ВАРУ необходима для выравнивания интенсивности сигналов от объектов,

расположенных на разных расстояниях от антенны НРЛС, тем самым, обеспечивая одинаковое (равномерное) воспроизведение на экране индикатора целей, находящихся на различных дистанциях.

Дело в том, что энергия, отраженная от объектов, расположенных на небольшом расстоянии от НРЛС, на несколько порядков больше, чем от удаленных объектов. Поэтому чувствительный приемник НРЛС будет перегружен сигналами от близких объектов, в частности - от морских волн, в то время как эхо-сигналы от малоразмерных целей (например - буи, малые суда, катера, шлюпки) могут быть

подавлены и своевременно не обнаружены.

ВАРУ формирует управляющее напряжение (напряжение смещения в каскадах