Приемные системы РЛС

Литература:

1. Дружинин В.В. Справочник по основам радиолокационной техники. Стр. 344-352, 353-367, 368-375.

2. Карпекин В.Е. Радиолокационная станция обнаружения воздушных объектов. Стр. 30-47.

3. Карпекин В.Е., Рябцев И.Ф., Тюнин Н.Г., Хмель Н.Н. Проверка коэффициента шума приёмных систем. Стр. 3-26.

Вопросы:

1. Технические характеристики приёмных устройств РЛС.

2. Структурная схема приёмного устройства РЛС.

1. Технические характеристики приёмных устройств РЛС.

Приемная система радиолокационной станции обнаружения решает следующие основные задачи:

- выделение сигналов, отраженных от воздушных объектов, из множества других сигналов (частотная селекция);

- усиление отраженных сигналов и их преобразование по частоте;

- детектирование высокочастотных сигналов и преобразование их к виду, удобному для отображения на экране индикаторного устройства;

- обработка сигналов с целью подавления помех.

Качество выполнения приемной системой данных задач определяется ее характеристиками.

К основным из них относятся следующие:

- чувствительность приемника;

- коэффициент шума;

- динамический диапазон;

- коэффициент усиления;

- полоса пропускания;

- диапазон рабочих частот;

- помехоустойчивость.

Чувствительность приемника характеризует его способность выполнять свои функции при слабых входных сигналах. Она оценивается минимальной величиной сигнала на входе приемника, которая необходима для получения достаточной мощности на его выходе при заданном превышении над собственными шумами приемника. Количественно определяется величинами предельной и реальной чувствительности.

Предельной чувствительностью приемника P^’_пp.min называют такую минимальную мощность сигнала на входе приемника, которая обеспечивает на выходе его линейной части (входе детектора) отношение по мощности сигнала к шуму, равное единице.

Реальной чувствительностью приемника P_пp.min называют такую мощность сигнала на его входе, которая обеспечивает на выходе линейной части приемника отношение сигнал/шум, равное коэффициенту различимости q.

Реальная и предельная чувствительность связаны зависимостью:

P_пp.min = P^’_пp.min*q.

Коэффициент различимости численно равен минимально допустимому отношению сигнал/шум на выходе линейной части приемника, при котором сигнал на выходе приемника может быть уверенно обнаружен.

Чувствительность приемника тем выше, чем меньше величина P_пp.min. В современных приемниках РЛС P_пp.min = 10^-13 – 10^-14 Вт.

Чувствительность приемника РЛС ограничивается его собственными шумами. Они возникают в антенно-волноводном тракте, сопротивлениях, электронных лампах и полупроводниковых приборах.

Причинами шумов являются беспорядочное тепловое движение электронов и проводниках, неравномерное излучение электронов катодами в электронных лампах и т.д. С увеличением температуры уровень собственных шумов возрастает. Интенсивность шумов весьма мала. Однако проходя через приемник с большим усилением, они создают на его выходе напряжение, способное привести в действие оконечное устройство. На экране индикатора они наблюдаются в виде шумовой дорожки.

Количественная оценка шумов линейной части приемника осуществляется с помощью коэффициента шума. Коэффициентом шума приемника N называют величину, показывающую, во сколько раз отношение сигнал/шум на входе приемника больше отношения сигнал/шум на выходе его линейной части, т.е.

Для идеального приемника, у которою собственные шумы отсутствуют, коэффициент шума ранен единице. Реальные приемники имеют коэффициент шума от 2 до 10. Выполнение требования высокой чувствительности приемника достигается применением малошумящих усилителей высокой частоты и всемерным снижением потерь в антенно-волноводном тракте.

Наряду с высокой чувствительностью приемник должен иметь большой динамический диапазон. Это связано с наличием на его входе помех и большого разброса амплитуд полезных сигналов. Динамическим диапазоном приемника называется величина наибольшего перепада входных сигналов, в пределах которого он еще обеспечивает нормальную работу. Количественно динамический диапазон оценивается отношением максимального входного сигнала, обработка которого приемником производится еще с допустимыми искажениями, к чувствительности приемника, выраженном в децибелах:

Д=10 lg (Р_пр.max /Р _пр.min)

Динамический диапазон приемных систем современных РЛС должен быть не менее 70 - 80 Дб. Его расширение достигается за счет повышения чувствительности приемника, применения схем регулирования усиления и использования специальных усилительных приборов.

Усилительные свойства приемника характеризуются коэффициентом усиления. Различают коэффициент усиления по мощности К_р и коэффициент усиления по напряжению К _U.

Коэффициент усиления по мощности - это отношение мощности сигнала на выходе приемника Рвых. к мощности на его входе Р_вх.:

К_р=Р_вых/Р_вх

Коэффициент усиления по напряжению определяется аналогично:

К_U=U_вых/ U_вх

Коэффициент усиления определяется в относительных единицах или децибелах, причем

К_дб=20 lg К

К_рдб=10 lg К_р

В современных приемниках общее усиление может достигать

К_р = (0,1-10)*10¹³ или соответственно К_р = 120 - 140 д6.

Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты называют амплитудно-частотной характеристикой (рис.3.70).

Рис. 3.70. Амплитудно-частотная характеристика приемника.

Амплитудно-частотная характеристика приемника определяет его частотную избирательность, т.е. способность выделять полезный сигнал из совокупности колебаний с различными несущими частотами. Количественно частотная избирательность приемника характеризуется его полосой пропускания Df. Полоса пропускания определяется как разность частот f2 и f1, для которых К уменьшается в , а К_р - в два раза от своего максимального значения. Избирательность приемника тем выше, чем ближе форма его амплитудно-частотной характеристики к П-образной.

Предельная чувствительность, полоса пропускания и коэффициент шума связаны зависимостью:

Р’_пр.min = к*Т_о *N* Df,

где: Р’_пр.min - в Вт,

к - постоянная Больцмана,

Т_о = 300°К, к*Т_о = 4*10^-21 Вт/с,

Df - полоса пропускания (Мгц),

N - коэффициент шума.

Диапазон рабочих частот определяется значением крайних частот, обрабатываемых приемником. Он определяется следующими требованиями:

- приемник должен допускать настройку на любую частоту диапазона;

- характеристики приемника в этом диапазоне должны изменяться в заданных пределах.

Зачастую диапазон рабочих частот называют по длине волн, обрабатываемых приемником. В диапазоне СВЧ, например, различают приемники сантиметрового, дециметрового и метрового диапазонов.

Помехоустойчивостью приемника называют его способность обеспечивать достоверное выделение полезного сигнала при действии различного рода помех.

Вывод: Качество выполнения приемной системой задач в составе РЛС определяется её техническими характеристиками, основными из которых являются: чувствительность, коэффициент шума, динамический диапазон, коэффициент усиления, полоса пропускания, диапазон рабочих частот, помехоустойчивость.

2. Структурная схема приёмного устройства РЛС.

Приемная система радиолокационной станции обнаружения воздушных объектов выполняется, как правило, по схеме супергетеродинного приемника с однократным преобразованием частоты. Структурная схема супергетеродинного приемника приведена на рисунке 3.71.

Рис. 3.71. Структурная схема супергетеродинного приемника.

Слабый сигнал электромагнитной энергии, принятый антенно-волноводной системой, поступает на вход усилителя высокой частоты (УВЧ). Далее усиленный по мощности сигнал подается на высокочастотный фильтр.

Высокочастотный фильтр представляет собой колебательный контур с распределенными емкостью и индуктивностью. Его резонансная частота соответствует частоте принимаемого сигнала. Фильтр предназначен для частотной селекции полезных сигналов, а также для подавления помех по зеркальному каналу.

Основное усиление в супергетеродинном приемнике осуществляется не на частоте принимаемого сигнала, а на промежуточной частоте, более низкой по сравнению с принимаемой (в сотни раз). Перенос радиолокационной информации на промежуточную частоту осуществляет преобразователь частоты. Он состоит из смесителя, маломощного генератора незатухающих колебаний (стабильного гетеродина) и фильтра промежуточной частоты (входной фильтр усилителя промежуточной частоты).

Частота колебаний стабильного гетеродина fcг отличается от несущей частоты сигнала fc на величину промежуточной частоты fпч, т.е. fпч = fcг - fc или fпч = fc - fcг.

На смеситель одновременно воздействуют два напряжения: напряжение преобразуемого сигнала на высокой несущей частоте fc и напряжение стабильного гетеродина, изменяющееся по гармоническому закону с частотой fcг.

Для того чтобы получить колебание, имеющее ту же форму, что и поступающий сигнал, необходимо выделить колебание только одной комбинационной частоты. На входном фильтре усилителя промежуточной частоты (УПЧ) выделяют сигнал разностной частоты fпч = fcг - fc или fпч = fc - fcг.

УПЧ обеспечивает основное усиление и определяет полосу пропускания приемника.

В супергетеродинном приемнике при настройке на другую частоту одновременно изменяется настройка высокочастотного фильтра и стабильного гетеродина таким образом, что промежуточная частота остается неизменной. Это позволяет иметь в приемнике многокаскадный усилитель промежуточной частоты с постоянной настройкой.

Детектор преобразует модулированное высокочастотное колебание в напряжение, соответствующее модулирующему сигналу передающей системы. Например, при воздействии на его вход радиоимпульса промежуточной частоты на выходе детектора формируется видеоимпульс.

После детектора сигнал дополнительно усиливается усилителем низкой частоты (видеоусилителем) до величины, необходимой для нормальной работы индикаторного устройства.

Конструктивно вместе с усилителем низкой частоты (УНЧ) выполняются и схемы защиты РЛС от помех.

Особый интерес представляют детекторы. В детекторе осуществляется выделение сообщения из сигнала и устранение несущего высокочастотного колебания, являющегося переносчиком сообщения. В соответствии с видом модуляции различают детектирование сигналов, модулированных по амплитуде, фазе или частоте. Эти функции выполняют соответственно амплитудные, фазовые и частотные детекторы.