Дисциплина: Основы радиолокации и построения

Дисциплина: Основы радиолокации и построения ЗРК (ЗРС)

Тема № 7 Приёмные системы РЛС

ЗАНЯТИЕ № 1 Структурная схема приёмника РЛС. Усилители и приобразователи частоты.

Учебные цели: 1. Изучить принцип построения и функционирования приёмного устройства РЛС. 2. Воспитывать у студентов дисциплинированность и организованность в ходе занятия.

Литература: 1. Дружинин В. В. «Справочник по основам радиолокационной техники» . Воениздат, Москва, 1967 (стр. 344 -352, 353 -367, 368 -375). 2. Карпекин В. Е. «Радиолокационная станция обнаружения воздушных объектов» . - МАТИ, Москва, 1998 (стр. 30 -47). 3. Карпекин В. Е. , Рябцев И. Ф. , Тюнин Н. Г. , Хмель Н. Н. «Проверка коэффициента шума приёмных систем» (стр. 3 -26).

Учебные вопросы занятия : 1. Назначение, технические характеристики приёмных устройств РЛС. 2. Структурная схема приёмного устройства РЛС. 3. Усилители и преобразователи частоты.

Назначение, технические характеристики приёмных устройств РЛС. Приемная система радиолокационной станции обнаружения решает следующие основные задачи: 1. Выделение сигналов, отраженных от воздушных объектов, из множества других сигналов (частотная селекция); 2. Усиление отраженных сигналов и их преобразование по частоте; 3. Детектирование высокочастотных сигналов и преобразование их к виду, удобному для отображения на экране индикаторного устройства; 4. Обработка сигналов с целью подавления помех.

К основным характеристикам, по которым формируются технические требования к РПр. У, относятся: чувствительность приемника; коэффициент шума; динамический диапазон; коэффициент усиления; полоса пропускания; диапазон рабочих частот; помехоустойчивость; избирательность. 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 Р’ пр. 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 п p. 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: Pпp. 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 Pпp. min. В современных приемниках РЛС Pпp. 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 в проводниках, неравномерное излучение электронов катодами в электронных лампах и т. д.

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 которого собственные шумы отсутствуют, коэффициент шума ранен 1. 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.

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: 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 Кр и коэффициент усиления по напряжению К. Коэффициент усиления по мощности - это отношение мощности сигнала на выходе приемника Рвых. к мощности на его входе Рвх : Коэффициент усиления по напряжению определяется аналогично: Амплитудно-частотная характеристика приемника определяет его частотную избирательность, т. е. способность выделять полезный сигнал из совокупности колебаний с различными несущими частотами, и ослаблять действие мешающих сигналов (помех).

Имеются различные способы избирательности: - частотная, Избирательность приемника тем - амплитудная, выше, чем ближе форма его - временная, амплитудно-частотной - пространственная, характеристики к П-образной. - поляризационная. У радиолокационных устройств полоса пропускания зависит от длины радиоимпульса. Предельная чувствительность, полоса пропускания и коэффициент шума связаны зависимостью: Р’пр. min = к*То*N* f к - постоянная Больцмана, То = 300 К, к*То = 4*10 -21 Вт/с, f - полоса пропускания (Мгц), N - коэффициент шума.

Частотная избирательность, реализуемая с помощью резонансных цепей и фильтров, характеризуется нормированной амплитудно- частотной характеристикой трактов радио и промежуточных частот. Количественно частотная избирательность приемника характеризуется его полосой пропускания f. Полоса пропускания определяется как разность частот f 2 и f 1, для которых К уменьшается в 2 , а Кр - в два раза от своего максимального значения. Временная избирательность применяется в основном приеме импульсных сигналов, когда момент их появления известен. При этом применяется метод стробирования, когда приемник открывается только на время прихода импульсного сигнала. Амплитудная избирательность основана на различии в амплитуде полезного сигнала и помехи в месте приема. Пространственная избирательность осуществляется с помощью остронаправленных антенн. Она эффективна, если направления прихода полезного сигнала и помехи различна.

Диапазон рабочих частот это область частот настройки, в пределах которой обеспечиваются все другие электрические характеристики приёмника. Диапазон приемника определяется требованиями: • приемник должен допускать настройку на любую частоту диапазона; • характеристики приемника в нем должны изменяться в заданных пределах. Диапазон рабочих частот называют по длине волн, обрабатываемых приемником. В диапазоне СВЧ различают приемники сантиметрового, дециметрового и метрового диапазонов. Помехоустойчивостью приемника называют его способность обеспечивать достоверное выделение полезного сигнала при действии различного рода помех.

К основным конструктивно-эксплуатационным характеристикам РПр. У относятся: - надёжность, - стабильность и устойчивость работы, - габариты и масса приёмника, - ремонтоспособность и др. К основным производственно-экономическим характеристикам РПр. У относятся: - стоимость, - сроки разработки, - серийноспособность, - сроки морального износа, - степень унификации и др.

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.

Структурная схема приёмного устройства РЛС. Усилитель fc Высоко- fc fcг высокой частотный Смеситель Стабильный частоты фильтр гетеродин Усилитель На индика- низкой fпч Усилитель торное частоты Детектор промежуточной устройство частоты Схемы защиты от помех Фильтр предназначен для частотной селекции полезных сигналов, а также для подавления помех по зеркальному каналу. 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).

Усилитель fc Высоко- fc fcг высокой частотный Смеситель Стабильный частоты фильтр гетеродин Усилитель низкой На индика- fпч Усилитель частоты торное Детектор промежуточной устройство частоты Схемы защиты от помех 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. После детектора сигнал дополнительно усиливается усилителем низкой частоты (видеоусилителем) до величины, необходимой для нормальной работы индикаторного устройства.

Вывод: Приемная система радиолокационной станции выполненная по схеме супергетеродинного приемника обладает высокими характеристиками и широко используется в радиолокационных станциях ЗРК (ЗРС).

Усилители и преобразователи частоты. Усилитель высокой частоты (УВЧ) предназначен для усиления мощности полезного сигнала, принятого антенной и выделенного во входном устройстве приемника. УВЧ характеризуются: - коэффициент шума - полосой пропускания ( ) - коэффициент усиления (Кр и Ки) - избирательностью по зеркальному каналу - диапазоном рабочих частот и т. д. В зависимости от диапазона усиливаемых частот схема усилителя может быть выполнена: - на электронных лампах или транзисторах, - на лампах бегущей волны, - параметрического типа, - на туннельных диодах, -квантовые усилители (или молекулярные).

Усилители на электронных лампах применяются в метровом и длинноволновом участке дециметрового диапазона. В сантиметровом и коротковолновом участке дециметрового диапазона широкое применение имеют УВЧ и ЛБВ, параметрические, квантовые и на туннельных диодах.

Преобразователи частоты. Преобразователем частоты называется устройство осуществляющее перенос спектра принимаемого сигнала из одной области частот в другую без изменения вида и параметров модуляции. Преобразователь частоты в общем случае состоит из следующих элементов: Источники сигналов (ИС) на частоте Гетеродина – генератора напряжения вспомогательной частоты Фильтра (ФПЧ), выделяющего напряжение необходимой частоты из всего спектра частот, образующегов смесителе. Смесителя (СМ) – умножительного устройства, в котором собственно и происходит преобразование частоты (СМ).

В зависимости от типа, применяемого прибора, смесители на линейном элементе могут быть следующих типов: на электронных лампах: а) односеточные смесители (преобразователи) на триоде (или пентоде), в которых напряжение сигнала и гетеродина подается на управляющую сетку, а напряжение промежуточной частоты выделяется в ФПЧ, включенном в анодную цепь; б) многосеточные смесители (преобразователи) на специальных многосеточных лампах (пентодах или пентогридах), в которых напряжения сигнала и гетеродина подаются на разные сетки лампы; в) диодные, в которых напряжения сигнала и гетеродина подаются на один из электронов диода. на полупроводниковых приборах: а) транзисторные, подобные односеточным ламповым смесителям; б) диодные и кристаллические, подобные ламповым диодным смесителям.

В приёмниках применяются следующие разновидности схем УПЧ: 1. Одноконтурные усилители с настроенными каскадами. 2. Одноконтурные усилители с парами взаимно расстроенных каскадов. Эти усилители содержат четное число каскадов, при этом нечётные каскады настраиваются на частоту f 1=fпч+ f, а чётные – на f 2=fпч- f. В результате каждая соседняя пара каскадов оказывается взаимно расстроенной. 3. Одноконтурные усилители с тройками взаимно расстроенных каскадов. В усилителях такого типа число каскадов кратно трём. В каждой тройке один из каскадов настраивается на номинальную промежуточную частоту f 2= f пч, а в двух других – на частоты, расположенные симметрично относительно промежуточной f 1=fпч+ f и f 3=fпч – f.

Вывод: Изученные свойства усилителей и преобразователей позволили широко использовать их в современных РЛС для реализации усиления принимаемого сигнала, преобразования его в более низкую частоту, так называемую промежуточную. А также для подавления помех по зеркальному каналу.