Расчет радиолокационного приемника

     При прекращении импульса E_A(t) имеет место переходный процесс, характер и длительность протекания которого могут отличаться от процессов формирования фронта, поэтому вводится понятие времени спада t_c как время уменьшения U_Вых(t) от 0,9 до 0,1 U₀. Переходные процессы приводят, например, к появлению многоконтурности изображения в телевизорах, повышению вероятности ошибки при приеме цифровых сигналов. В РПрУ с угловыми видами модуляции (манипуляции) существенны искажения при скачках не амплитуды, а частоты или фазы сигнала.

     К характеристикам частотной настройки  РПрУ относят: диапазон рабочих частот f_0min .... f_{0 max}, в пределах которого приемник может плавно или дискретно перестраиваться; набор рабочих частот приемника, предназначенного для приема сигналов на фиксированных частотах. В обоих случаях на всех частотах настройки должны обеспечиваться все другие электрические характеристики РПрУ. Диапазон рабочих частот характеризуется коэффициентом

перекрытия  диапазона k_Д=f_0max / f_0min .Для повышения k_Д при сохранении заданного качества приема диапазон рабочих частот разбивают на поддиапазоны с равными коэффициентами перекрытия или равными частотными интервалами. К характеристикам частотной настройки относят также погрешность настройки и ее отсчета, плотность настройки, шаг перестройки по частоте.

     Среди других электрических характеристик РПрУ — параметры ручных и автоматических регулировок усиления, полосы пропускания, автоматической подстройки частоты и фазы гетеродина, мощность и другие параметры системы питания.

     К основным конструктивно-эксплуатационным характеристикам РПрУ относят надежность работы, массогабаритные показатели, стабильность и устойчивость работы, экономичность питания, ремонтоспособность и эргономические показатели.

     Основными производственно-экономическими характеристиками являются: стоимость, степень интеграции, степень унификации, соответствие мировым стандартам, сроки разработки, серийноспособность, вид технологического процесса.

     Следует особо подчеркнуть, что перечисленные  выше основные показатели и характеристики РПрУ не просто представляют собой набор отдельных свойств, а образуют сложную систему взаимосвязанных и взаимозависимых качеств приемника. Так, его стоимость чаще всего находится в противоречии с другими характеристиками и для ее снижения без существенного ухудшения электрических параметров приходится, в частности, повышать степень интеграции приемника, что, в свою очередь, требует новых схемотехнических решений и перехода к новым технологиям. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.4. Структурные схемы и показатели радиотракта приемника 

     Простейшая структурная схема УТ и ИТ, реализующих описанные в § 1.1.2 основные функции РПрУ, представлена на рисунке 5. Принятый антенной радиосигнал с частотой f_c поступает в тракт высокой частоты (ТВЧ), в котором осуществляются частотная избирательность и усиление, возможно преобразование частоты, амплитудная и временная избирательность. Детектор (Д) преобразует

Рисунок 5. 

Рисунок 6. 

принимаемые модулированные сигналы в напряжение, соответствующее передаваемому сообщению. В тракте частоты модуляции F_М (ТЧМ) реализуется последеткторная обработка сигналов: усиление, дополнительные преобразования для ослабления действия помех, декодирование и разделение сообщений (в многоканальных системах).

     Структурные схемы РПрУ различаются прежде всего  построением ТВЧ. Наиболее простым является принцип построения приемника пряного детектирования (детекторного), структурная схема которого представлена на рисунке 6, а.

     Входная цепь (ВЦ) в виде резонансной системы  или фильтра обеспечивает частотную  избирательность РПрУ, настройка на частоту принимаемого сигнала осуществляется перестройкой или переключением ВЦ. Принципиальным является отсутствие усиления сигнала до детектора, ведущее к серьезному упрощению устройства приемника, но одновременно обусловливающее его низкую чувствительность и избирательность. Указанные недостатки такой схемы не устраняются наличием усилителя частоты модуляции (УЧМ). Вследствие этого в настоящее время РПрУ прямого детектирования применяются практически лишь в миллиметровом, децимиллиметровом и оптическом диапазонах волн.

     Схема приемника прямого усиления представлена на рисунке 6, б. От описанного выше этот приемник отличается наличием усилителя радиочастоты (УРЧ) и, как следствие, значительно большими чувствительностью и избирательностью. Входная цепь и избирательные цепи УРЧ настроены на частоту принимаемого радиосигнала, на которой и осуществляется усиление, причем ВЦ обеспечивает предварительную, а УРЧ основную частотную избирательность и значительное (до 10⁶...10⁷ по напряжению) усиление сигнала. В диапазонах, в которых определяющую роль в чувствительности РПрУ играют его собственные шумы, в качестве УРЧ используют малошумящий усилитель (МШУ). Перестройка такого приемника по частоте требует согласованной перестройки всех резонансных систем ВЦ и УРЧ.

     При необходимости получения большого усиления УРЧ может содержать несколько каскадов, что сопряжено со снижением его устойчивости и общей избирательности приемника, затрудняет техническую реализацию перестройки по частоте. Трудности, связанные с многокаскадностью УРЧ, позволяет устранить в принципе использование регенеративных и сверхрегенеративных усилителей, обеспечивающих большее усиление на каскад. Однако такие усилители обладают повышенными искажениями, относительно низкой устойчивостью по отношению к дестабилизирующим факторам, повышенной вероятностью паразитного излучения. По этой причине они применяются редко, в частности в портативных приемниках СВЧ. При любых типах используемых УРЧ полностью преодолеть присущие схеме прямого усиления недостатки не удается, поэтому в настоящее время РПрУ с фиксированной настройкой применяются практически лишь в микроволновом и оптическом диапазонах.

     Существенное  улучшение большинства показателей  РПрУ Достигается на основе принципа преобразования частоты принимаемого сигнала — переноса его в частотную область, где он может быть обработан с наибольшей эффективностью. Самое широкое распространение во всех радиодиапазонах получила построенная на этом принципе схема супергетеродинного приемника (рисунок 6, в). В таком приемнике сигналы частоты f_с преобразуются в преобразователе частоты (ПЧ), состоящем из смесителя (См) и генератора вспомогательных колебаний - гетеродина (Г), в колебания фиксированной, так называемой промежуточной частотыf_пр, на которой и осуществляются основное усиление и частотная избирательность. Смеситель содержит нелинейный элемент или элемент с переменным параметром, поэтому в результате воздействия сигнала и колебаний гетеродина с частотой f_г на его выходе возникают колебания с комбинационными частотами f = │mf_Г ± nf_c│, где т, п — целые числа. Одна из этих комбинационных составляющих выделяется фильтром (резонансной системой) на выходе смесителя и используется в качестве новой несущей частоты выходного сигнала, усиливаемого затем усилителем промежуточной частоты (УПЧ). Обычно используется наиболее интенсивная комбинационная составляющая с m =1, п=1 (простое преобразование), но иногда и с т ≠ 1, п = 1 (сложное или комбинационное преобразование). При этом можно использовать как разность частот f_Г и f_C (разностное преобразование), так и их сумму (суммарное преобразование). При наиболее широко применяемом простом разностном преобразовании обычно f_ПР = f_Г - f_C («верхняя» настройка гетеродина), но возможна и «нижняя» настройка с f_ПР=f_С - f_Г . В обоих случаях/г выбирается так, чтобы f_ПР была ниже границы диапазона рабочих частот (f_ПР < f_{C MIN} ).

     Для того чтобы f_np оставалась постоянной при перестройке приемника в некотором диапазоне частот f_C, осуществляется сопряженная перестройка ВЦ, резонансных цепей УРЧ и гетеродина. Поскольку сигнал несет в себе полезную информацию, которая в процессе преобразования должна сохраняться, ПЧ должен быть линейным по отношению к сигналу, несмотря на принципиально нелинейный характер происходящих в нем процессов. Другими словами, при преобразовании частоты происходит перенос спектра сигнала в область промежуточной частоты без нарушения амплитудных и фазовых соотношений его составляющих.

     Поскольку радиочастотные цепи обладают в большинстве  случаев относительно широкой полосой пропускания, они обеспечивают лишь предварительную частотную избирательность (селекцию), вследствие чего ВЦ и УРЧ называют преселектором. Основная же избирательность приемника реализуется в тракте промежуточной частоты.

     Чем выше частота принимаемого сигнала, тем сложнее в принципе достигнуть устойчивого малошумящего усиления в УРЧ. Поэтому на коротких сантиметровых  и особенно на миллиметровых и оптических волнах приемники чаще всего не имеют УРЧ, при этом функция предварительной избирательности ложится полностью на ВЦ, а к характеристикам преобразователя частоты, в частности шумовым, предъявляются повышенные требования.

     Перенос сигнала на более низкую фиксированную  частоту имеет следующие преимущества: возможность реализации высокого устойчивого усиления за счет ослабления роли паразитных обратных связей (ОС); сужение полосы пропускания без усложнения фильтрующих (резонансных) цепей; упрощение реализации УПЧ вследствие отсутствия необходимости перестройки. Однако преобразование частоты обусловливает и ряд особенностей супергетеродинного приема, требующих принятия специальных мер для нейтрализации их отрицательного влияния на показатели и характеристики РПрУ. К таким особенностям относят: образование побочных каналов приема, по которым в тракт РПрУ проникают различные помехи; влияние нестабильности частоты гетеродина на настройку приемника; возможность излучения колебаний гетеродина через приемную антенну.

     При высоких требованиях к избирательности  по побочным каналам приема приходится применять двух- или трехкратное последовательное преобразование частоты, понижая ее до основной промежуточной, на которой и достигаются обычно необходимая избирательность по соседнему каналу и усиление.

     Как при суммарном, так и при разностном преобразовании возможно такое преобразование частоты, когда f_nр>f_cmax. Такой супергетеродинный приемник называется инфрадином (рисунок 6, г) и отличается тем, что при его работе в диапазоне частот перестраивается только гетеродин, а преселектор может либо не перестраиваться вообще (широкополосные преселекторы), либо перестраиваться переключением входных фильтров (фильтровые преселекторы). Высокую промежуточную частоту приходится затем понижать с помощью другого преобразователя. Достоинствами инфрадина являются возможность существенного подавления побочных каналов за счет высокой избирательности более сложных и совершенных неперестраиваемых ВЦ, а также упрощение настройки. Недостатки — опасность перегрузки усилительных элементов широкополосных входных каскадов посторонними мешающими сигналами и повышенные требования к стабильности частоты высокочастотного гетеродина. Применяются инфрадины в системах подвижной связи и в других системах с беспоисковой настройкой приемника.

     Если  выбрать f_Г = f_C, то при разностном преобразовании f_ПР = 0 и реализуется принцип построения РПрУ с прямым преобразованием частоты сигнала (с преобразованием в «нулевую частоту»). В качестве смесителя используется перемножитель (рисунок 6, г), на который поступают сигнал с преселектора и колебания гетеродина СГ, синхронизированные относительно колебаний сигнала с точностью до фазы с помощью цепи синхронизации (ЦС). На выходе перемножителя, играющего в данном случае роль синхронного детектора, получается сигнал с частотой модуляции F_M, выделяемый фильтром нижних частот (ФНЧ) с полосой пропускания F_{М max}, соответствующей максимальной частоте модуляции сигнала. Фильтр подавляет все составляющие, отстоящие отf_C на частоту более F_Mmax, чем достигается частотная избирательность приема. Такой приемник называется синхродином. К его достоинствам относятся простота и отсутствие ряда побочных каналов приема к недостаткам - низкая помехоустойчивость цепи синхронизации, содержащей систему ФАПЧ, и повышенные требования к линейности тракта. На основе двухканальных синхродинов с использованием квадратурных колебаний от общего гетеродина реализуется асинхронный приемник прямого преобразования частоты, в котором не требуется синхронизация колебаний гетеродина и сигнала с точностью до фазы.

     Поскольку супергетеродинная схема построения РПрУ в настоящее время наиболее совершенная и распространенная, рассмотрим ее основные особенности более подробно. Многие из этих особенностей обусловлены образованием ложных сигналов, называемых соседними и побочными каналами приема, по которым в тракт РПрУ проникают различные помехи с частотамиf_п. Основной канал приема образуется полосой пропускания приемника, в которой находится спектр сигнала. Соседний канал приема - это канал на частоте f_CK, примыкающей к основному каналу на частоте f_C. Вследствие недостаточной избирательности приема он не отфильтровывается преселектором и образует в преобразователе частоты сигнал c f '_ПР = │f_Г  - f_СK │≈ f_ПР попадающий в полосу пропускания УПЧ и поэтому усиливаемый и обрабатываемый наравне с полезным сигналом. Основная мера борьбы с помехами по соседнему каналу -  повышение избирательности УПЧ.