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Verstärkungsregelungen

An einem in einer Radarstation eingesetzten Verstärker wird eine hohe Anforderung gestellt. Er muss sehr kleine Signale verarbeiten können und darf gleichzeitig durch sehr große Signale nicht übersteuert werden. Deswegen werden spezielle Verstärkungsregelungen eingesetzt.

  englisch russisch deutsch
STC sensitivity
time
control
Временная
Автоматическая
Регулировка
Усиления
entfernungs- (also: zeit-) abhängige
automatische Verstärkungsregelung
(Siemens- Neudeutsch: GTC: Gain Time Control)
AGC automatic
gain
control
Шумовая
Автоматическая
Регулировка
Усиления
rauschabhängige
Automatische
Verstärkungs-
Regelung
MGC main
gain
control
Ручная
Регулировка
Усиления
Handregelung
log amp logarithmic
amplifier
  logarithmischer Verstärker

Tabelle 1: Verstärkungsregelungen

STC - Verstärker

Bild 1: STC-Diagramm (rot): Die Verstärkung als Funktion der Zeit kompensiert die entfernungsabhängige Amplitude der Echosignale (grün)

Bild 1: STC-Diagramm: Die Verstärkung als Funktion der Zeit

Echos, die zu Beginn der Empfangszeit einer PRT am Empfänger eintreffen, stammen aus dem Nahbereich und haben daher eine große Amplitude. Echosignale, die am Ende einer Empfangszeit empfangen werden, haben eine kleine Amplitude, da sie von weiter entfernten Zielen stammen.

Beim STC- Verstärker (Sensitivity Time Control) wird die Verstärkung im Verlauf der Empfangszeit kontinuierlich erhöht. Der Verstärkungsfaktor ist also zeitabhängig. Die nebenstehende Abbildung (Bild 1) zeigt den prinzipiellen Verlauf der Verstärkung im Abhängigkeit von der Zeit bzw. von der Entfernung. Idealerweise ist der Verstärkungsfaktor V proportional zu R4. In der Praxis wird dieser Verlauf häufig durch die entstehende e- Funktion beim Laden eines Kondensators angenähert.

In einigen Radargeräten kann es durchaus vorkommen, dass statt der zeitabhängigen Verstärkung eine zeitabhängige Dämpfung eingesetzt wird. Man spricht in diesem Zusammenhang dann von Nahechodämpfung.

Automatische Verstärkungsregelung
Signalweg
Regelspannung
ZF
ZF
CL
IGes
Ra
Ua

Bild 2: Blockschaltbild AGC- Schaltung

Signalweg
Regelspannung
ZF
ZF
CL
IGes
Ra
Ua

Bild 2: Blockschaltbild AGC- Schaltung

Blockschaltbild: aus dem Verstärkerausgang wird eine Spannung ausgekoppelt und über eine Gleichrichtung als Spannung zur Regelung der Verstärkung verwendet.
Signalweg
Regelspannung
ZF
ZF
CL
IGes
Ra
Ua

Bild 2: Blockschaltbild AGC- Schaltung

In dieser Variante der Verstärkungsregelung wird aus dem Nutzsignal eine Regelspannung gewonnen, die die Verstärkung einer oder mehrerer Verstärkerstufen regelt. Damit diese Regelspannung nicht zu einer Gegenkopplung wird, muss sie durch eine Diode und einen Ladekondensator gleichgerichtet werden. Damit wird diese Schaltung aber sehr träge und kann nur eine über mehrere PRP' s konstante Regelspannung liefern.

In der Praxis werden solche Schaltungen genutzt, um die Wirkung von Rauschstörungen auf den Empfänger zu mildern, die sonst zu einer Übersteuerung führen würden.

Main Gain Control

Oft ist dies nur ein Potenziometer, welches bestenfalls eine Regelspannung einstellt. Ebenso oft wird diese Einstellung unterschätzt und falsch genutzt.

Denn es hilft nicht, die Empfängerempfindlichkeit bis zum Anschlag hochzudrehen. Deswegen sieht man nicht mehr Ziele auf dem Bildschirm! Und die, die man dann sieht, sind fast alle übersteuert bzw. schwächere Zielsignale gehen im Rauschen unter. Noch höhere Verstärkung, und auf dem PPI- Scope werden die übersteuerten Bereiche sogar dunkelgetastet.

Natürlich sollte die Verstärkung des Empfängers so hoch wie möglich sein,
aber: nur so hoch, dass das ebenfalls verstärkte Grundrauschen nicht stört!

Anleitung für eine optimale Verstärkungseinstellung:

  1. Die Regler Video und Helligkeit am Sichtgerät auf Linksanschlag drehen
  2. Den Regler Helligkeit so weit nach rechts drehen, bis der Auslenkstrahl gerade noch erahnt werden kann.
  3. Den Regler Video (Verstärkung) so weit nach rechts drehen, bis die ersten Rauschspitzen zu sehen sind
  4. Den Vorgang 1-3 nach einer halben Stunde wiederholen, wenn sich die Augen an die Dunkelheit gewöhnt haben.
Logarithmischer Verstärker

Eine weitere Möglichkeit zur Verringerung der Echodynamik ist der Einsatz eines sogenannten logarithmischen Verstärkers. Sein Name kommt daher, weil seine Kennlinie einen logarithmischen Verlauf hat. Charakteristisch für einen logarithmischen Verstärker ist, dass er kleine Signale stark, große Signale hingegen weniger stark verstärkt. Dadurch ist es möglich, bei hoher Empfindlichkeit auch noch sehr starke Echos verzerrungsfrei zu verarbeiten.

ZF-Filter
ZF
ZF-Verstärker
Schwellwertschaltungen
Video
Ua
Iges
Ra
Ua
I1
I2
I3
I4
I5

Bild 3: Blockschaltbild eines logarithmischen Verstärkers

ZF-Filter
ZF
ZF-Verstärker
Schwellwertschaltungen
Video
Ua
Iges
Ra
Ua
I1
I2
I3
I4
I5

Bild 3: Blockschaltbild eines logarithmischen Verstärkers

Blockschaltbild: hier sind hinter einem Filter fünf ZF-Verstärkerstufen in Reihe geschaltet. Jede Stufe hat einen zweiten Ausgang zu je einer Schwellwertschaltung, deren Ausgänge parallel auf eine Sammelleitung geschaltet sind. Die Ausgangsströme werden alle über einen Arbeitswiderstand geleitet, an dem dann die logarithmisch verstärkte Ausgangsspannung abgegeriffen wird.
ZF-Filter
ZF
ZF-Verstärker
Schwellwertschaltungen
Video
Ua
Iges
Ra
Ua
I1
I2
I3
I4
I5

Bild 3: Blockschaltbild eines logarithmischen Verstärkers

Der Logarithmische Verstärker besteht aus mehreren hintereinandergeschalteten Verstärkern. Die Anzahl der Verstärkerstufen bestimmt die Dynamik des Verstärkers. Der Gesamtverstärker hat eine annähernd logarithmische Kennlinie. Dadurch ergibt sich ein Verstärkungsfaktor, der von der Eingangsamplitude abhängt.

Sobald eine Verstärkerstufe übersteuert, entsteht auf Grund der Signalverzerrung eine Gleichspannung am unteren Ausgang der Verstärkerstufe. Ab einer bestimmten Höhe der Gleichspannung schaltet die Schwellwertschaltung durch und ein Strom fließt über Ra. Alle nachfolgenden Stufen übersteuern ebenfalls und liefern daher keinen Verstärkungsbeitrag, allerdings jeweils einen Strom- Betrag. Die Ströme addieren sich über Ra zum Strom Iges.

In der Praxis ist es durchaus üblich, sowohl logarithmische als auch STC- Verstärker in einem Empfänger zu verwenden.

Dynamische STC-Kurve
Gain
Range
Azimuth
Region of high clutter

Bild 4: Diagramm von dynamischen STC-Kurven

Diagramm von dynamischen STC-Kurven
Gain
Range
Azimuth
Region of high clutter

Bild 4: Diagramm von dynamischen STC-Kurven

Die Größe der Festzielechos, die abhängig vom aktuellen Seitenwinkel der Antenne variieren, diktiert die Bezugsgröße der STC-Kurve. Deswegen messen moderne Radarempfänger den Pegel der Festzielechos für jede Range-Cell und setzen die STC-Dämpfung dann abhängig vom Seitenwinkel und der Entfernung. In den meisten Fällen wird jedoch nur eine von mehreren Standardkurven mit verschiedener Steigung verwendet.

Das hat den Vorteil, dass die sonst an den Flanken auftretenden und die Effektivität des MTI-Systems negativ beeinflussenden abrupten Verstärkungsveränderungen vermieden werden. Im Falle von langen Sendeimpulsen wie sie bei der Pulskompression verwendet werden, würden sich solche Amplitudenveränderungen innerhalb des Impulses fatal auswirken.

Dynamische STC-Kurven werden prinzipiell durch PIN-Dioden - Schaltungen erzeugt, welche durch die gewählten Vorspannungen eine annähernd lineare Dämpfungscharakteristik gewährleisten.