РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ПРИЕМНИКИ

8.1. ОСОБЕННОСТИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ПРИЁМНИКОВ

Приёмники судовых навигационных РЛС должны иметь высокую чувствительность и широкую полосу пропускания для неискаженного приёма как сильных, так и слабых импульсных сигналов; должны обладать достаточным усилением, чтобы обеспечить хорошую наблюдаемость на экране индикатора и надежную работу устройства автоматического сопровождения объектов. Для обнаружения близко расположенных надводных объектов с малой поверхностью отражения (рассеяния) приёмник должен обладать малым временем восстановления чувствительности, т.е. усиление приёмника должно быстро восстанавливаться до нормальной величины после окончания воздействия на него энергии мощных зондирующих импульсов передатчика.

Радиолокационные приёмники имеют фиксированную настройку на одну несущую частоту и в процессе работы не перестраиваются, поэтому для устранения возможной расстройки приёмника относительно частоты передатчика приёмник должен иметь схему автоматической подстройки частоты.

Радиолокационные приёмники должны обладать высокой помехоустойчивостью; должны быть снабжены автоматической системой регулировки усиления. Параметры приёмника должны быть стабильными, т.е. не должны изменяться под действием различных дестабилизирующих факторов. Помимо указанных, приёмник должен удовлетворять ряду других требований, которые определяются эксплуатационными особенностями судовых навигационных РЛС (надёжность работы, экономичность и пр.).

В отличие от приёмников радиосвязи к радиолокационным приёмникам не предъявляется высоких требований к избирательности по каналу; вместе с тем сохраняется требование достаточной избирательности по зеркальному каналу.

Для обеспечения заданной чувствительности, усиления и избирательности радиолокационные приёмники импульсных РЛС выполняются обычно по супергетеродинной схеме, с однократным преобразованием частоты и применением автоматической подстройки частоты (АПЧ). Типовая функциональная схема приемника РЛС представлена на рис. 8.1.

Сигналы с выхода антенного переключателя АП, через разрядник Р защиты приемника поступают на вход смесителя усилителя промежуточной частоты См. УПЧ, куда одновременно подаются колебания из гетеродина Г. В результате преобразования на выходе смесителя выделяются колебания промежуточной частоты (обычно 60 МГц), которые усиливаются каскадами УПЧ, детектируются детектором Д, усиливаются видеоусилителем ВУ и поступают в индикатор.

Через аттенюатор АТ колебания частоты магнетрона f_М и гетеродина f_Г подаются на смеситель блока автоматической подстройки частоты См. АПЧ. Полученная в результате преобразования разностная частота f_P = f_Г – f_M усиливается каскадами УПЧ, поступает на частотный детектор – дискриминатор ДСК.

Если разностная частота f_P гетеродина и магнетрона (сигнала) равна промежуточной, на выходе дискриминатора напряжение равно нулю. При отклонении разностной частоты от промежуточной на выходе дискриминатора возникает напряжение рассогласования, которое через управляющую схему УС изменяет частоту гетеродина до тех пор, пока разностная частота не достигнет величины промежуточной.

Кроме перечисленных элементов, схема приемника РЛС содержит блок временной регулировки усиления ВРУ для уменьшения помех, создаваемых взволнованной морской поверхностью, и дифференциатор ДФ, ослабляющий помехи, создаваемые протяженными объектами определенного типа (дождевые облака, местные предметы и пр.).

Для повышения чувствительности приёмника следует уменьшать его коэффициент шума (см. подраздел 4.2.4. главы 4). В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн основными источниками внутренних шумов в приёмнике являются: смеситель, гетеродин, каскады усиления промежуточной частоты и волноводные линии, связывающие смеситель с антенной и гетеродином.

Снижать общий уровень шумов приёмника РЛС практически целесообразно, как показывает опыт, лишь до некоторого минимума, при котором внутренние шумы приёмника становятся соизмеримыми с шумами, поступающими на вход приёмника из антенны. Дальнейшее снижение шумов лишь усложняет схему и конструкцию приёмника и не даёт заметного увеличения реальной чувствительности. Величина коэффициента шума радиолокационных приёмников, не содержащих усиления высокой (принимаемой) частоты в 3-см диапазоне волн, равна примерно 50 (17 дб); в 10-см диапазоне – приблизительно 30 (15дб).

Как видно из схемы, изображенной на рис. 8.1, усиление высокой частоты в приёмниках судовых навигационных РЛС не применяется. Первым (входным) каскадом приёмника является преобразователь частоты. В стационарных береговых РЛС может применяться усиление сигналов на принимаемой частоте.

8.2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ И УСИЛЕНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ

Преобразователь частоты состоит из смесителя и гетеродина. В качестве нелинейного элемента смесителя применяются полупроводниковые диоды. Конструктивно смесительный диод помещают в специальную камеру в виде отрезка волновода, к которой подводятся принимаемые сигналы частоты f_С и колебания от гетеродина с частотой f_Г . Выход смесителя нагружается на входной контур УПЧ.

Протекающий через диод ток при работе преобразователя состоит из постоянной составляющей I₀ и промежуточной частоты (разностной частоты) f_ПР = f_Г – f_C , выделяемой на настроенной нагрузке (контуре). По току I₀ осуществляется эффективный контроль режима работы преобразователя частоты.

Для повышения чувствительности приемника РЛС широко используется балансная схема (БС) преобразователя со щелевым мостом, однотактным выходом и последовательным включением диодов (рис. 8.2).

Благодаря свойствам щелевого моста (равное деление входных мощностей между диодами с относительным фазовым сдвигом, равным 90°) и разнополярному включению диодов во входной цепи УПЧ будет выделяться только полезный сигнал. Шумы, создаваемые гетеродином, оказываются подавленными. В качестве гетеродинов применяют маломощные генераторы непрерывных колебаний СВЧ. Например, полупроводниковые генераторы (диоды Ганна и др.).

Колебания промежуточной частоты, полученные в результате преобразования, многократно усиливаются и подаются на детектор. Полоса пропускания УПЧ не должна быть слишком узкой, чтобы не вызвать искажения импульсных сигналов. С другой стороны, слишком широкая полоса пропускания увеличивает шумы и тем самым уменьшает чувствительность приемника. Практически полоса частот выбирается

.

Учитывая, что на разных шкалах дальности длительность импульсов не одинакова, а изменяется в пределах 0,05 – 0,8 мкс, в схемах УПЧ предусматривается возможность переключения полосы в пределах 25 – 4 МГц.

В УПЧ приемников РЛС, кроме ручной регулировки усиления, широко применяется временная регулировка усиления (ВРУ), которая предотвращает перегрузку каскадов, работающих в режиме линейного усиления, сильными сигналами и подавляет помехи, имеющие монотонно убывающую амплитуду. Важное достоинство ВРУ – возможность устранения помех, создаваемых отражением от взволнованной морской поверхности, которые однородны для различных направлений и постепенно убывают с расстоянием.

Принцип работы ВРУ заключается в том, что одновременно с излучением зондирующих импульсов на базу или затвор транзисторов схемы УПЧ подается экспоненциально изменяющееся напряжение, которое плавно увеличивает усиление приёмника во времени (дальности) до номинального значения.

Отражения от дождевых облаков, местных предметов большой протяженности создают помехи, запирающие видеоусилитель для прохождения полезных сигналов, а сама помеха засвечивает экран ЭЛТ индикатора. Для устранения этого недостатка между детектором и видеоусилителем включается схема малой постоянной времени (МПВ), представляющая собой дифференцирующую цепочку – дифференциатор (ДФ). Кроме устранения помех, дифференциатор способствует также некоторому повышению разрешающей способности по дальности. Схема МПВ включается после детектора приёмника, и её постоянная времени выбирается примерно равной длительности импульса. Поэтому схема МПВ практически не влияет на прохождение полезных сигналов, но одновременно ослабляет действие импульсных помех, имеющих бóльшую длительность.

Обычно усилитель промежуточной частоты состоит из двух частей: предварительного и основного или главного. Предварительный усилитель (ПУПЧ) работает в линейном режиме. В нем осуществляется ручная и временная регулировка усиления, переключение полосы пропускания. Поэтому ПУПЧ часто называют регулируемым УПЧ (РУПЧ).

Основной или главный УПЧ работает в режиме логарифмического усиления (имеет логарифмический характер амплитудной характеристики), которая повышает помехозащиту приёмника. В УПЧ широко применяются интегральные схемы, используются биполярные транзисторы.

От качества работы УПЧ зависят дальность радиолокационного наблюдения, разрешающая способность и другие параметры РЛС.

К основным качественным показателям УПЧ импульсного радиолокационного приёмника относятся: величина промежуточной частоты, полоса пропускания, коэффициент усиления, эффективность, время восстановления чувствительности, стабильность основных параметров, устойчивость и надёжность работы и пр.

Некоторые качественные показатели, играющие важную роль в связных и радиовещательных приёмниках, не имеют существенного значения для радиолокационных приёмников. Например, высокая избирательность по соседнему каналу является одним из основных требований для радиовещательных и связных приёмников. Для радиолокационных приёмников этот параметр особой роли не играет, так как в диапазоне сверхвысоких частот основным видом помех являются шумы, обладающие, как правило, равномерным энергетическим спектром. Избирательность по отношению к таким помехам определяется эффективной шириной полосы пропускания, а не степенью прямоугольности резонансной кривой.

При выборе значения промежуточной частоты руководствуются тем, что с увеличением её легче обеспечивается симметрия резонансных кривых колебательных контуров, снижаются шумы, вносимые гетеродином, облегчается разделение частотных составляющих видеосигналов и промежуточной частоты на выходе детектора, улучшается работа системы автоматической подстройки частоты.

При уменьшении промежуточной частоты повышается устойчивость работы усилителя, уменьшается критичность к разбросу параметров схемы и пр. Исходя из этих предпосылок, промежуточная частота радиолокационных приёмников выбирается в пределах 15 – 90 МГц. Судовые радиолокационные приёмники навигационных РЛС имеют промежуточную частоту 60 МГц.

Полоса пропускания УПЧ не должна быть очень узкой, чтобы не вызвать искажений импульсных сигналов. Однако слишком широкая полоса пропускания увеличивает собственные шумы и тем самым уменьшает чувствительность приёмника. Полоса пропускания обычно отсчитывается на уровне 3 дБ (на уровне 0,7 по напряжению).