www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основы радиолокации

Супергетеродинный приемник

Для получения желаемой информации принятые радиолокатором высокочастотные (иногда употребляют термин «радиочастотные») эхо-сигналы должны быть преобразованы в видеосигналы. Такое преобразование выполняется в приемнике радиолокатора. Радиолокационный приемник может быть реализован по разным схемам. Наиболее распространенной схемой является схема супергетеродинного приемника. Основные компоненты типовой схемы супергетеродинного приемника приведены на Рисунке 1.

RF
IF
Video
LO

Рисунок 1. Структурная схема супергетеродинного приемника

RF
IF
Video
LO

Рисунок 1. Структурная схема супергетеродинного приемника

Структурная схема супергетеродинного приемника
RF
IF
Video
LO

Рисунок 1. Структурная схема супергетеродинного приемника

Особенностью супергетеродинного приемника является то, что в нем сигналы высокой частоты вначале преобразуются в сигналы промежуточной частоты, обработка сигналов на которой более проста. Затем сигналы промежуточной частоты усиливаются и детектируются для получения видеосигналов.

На Рисунке 1 приведена типовая структурная схема супергетеродинного приемника. Сигнал несущей частоты с антенны поступает в приемник и попадает в полосовой фильтр. Параметры фильтра подбираются таким образом, чтобы на его выход проходили бы только спектральные составляющие, соответствующие полосе частот ожидаемых сигналов. Часто после фильтра помещают малошумящий усилитель высокой частоты, предназначенный для усиления слабых эхо-сигналов. По причине низкой мощности высокочастотных эхо-сигналов такой усилитель должен иметь низкий уровень собственных шумов, отчего его и называют малошумящим. Далее сигнал высокой частоты поступает на смеситель, на второй вход которого подается сигнал местного гетеродина. В смесителе возникают биения колебаний этих двух частот и выделяется сигнал промежуточной частоты (ПЧ, англ. Intermedia Frequency, IF). Данный процесс называют гетеродинированием. Разница между несущей частотой и частотой местного гетеродина поддерживается постоянной путем подстройки частоты последнего. Эта разница и является промежуточной частотой. Сигнал промежуточной частоты поступает на фильтр и с него на усилитель промежуточной частоты. После усиления сигнал подается на детектор. На выходе детектора наблюдается видеосигнал, представляющий собой огибающую исходного высокочастотного сигнала.

Фильтр зеркальной частоты

Малошумящий усилитель, который располагается на входе приемного тракта до цепей (устройств) преобразования частоты, обеспечивает низкий уровень шума и определяет, в основном, чувствительность всего приемника. Однако это не единственная его функция. Кроме этого, он выполняет функцию подавления сигналов на зеркальных частотах. Граничные частоты полосы пропускания этого усилителя подбираются так, чтобы в нее не попадали мешающие сигналы на зеркальных частотах.

Во многих устаревших радиолокаторах в приемниках отсутствуют малошумящие предварительные усилители (на несущей частоте) и принятый эхо-сигнал поступает сразу на смеситель. Недостатком такой схемы является то, что такой приемник, будучи настроен на определенную частоту, будет принимать сигналы, кроме нее еще и на совершенно другой частоте, которую называют зеркальной.

Наличие же фильтра зеркальных частот приводит к тому, что ширина полосы частот приемника не может быть существенно больше, чем его промежуточная частота. Для устранения данного недостатка приемник строят по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты. Такой приемник имеет два каскада преобразования частоты и, соответственно, две промежуточные частоты.

Смеситель

Смеситель используется для переноса принятого эхо-сигнала с несущей частоты на промежуточную. Для этого на второй вход смесителя подается сигнал местного гетеродина. В смесителе возникают биения колебаний этих двух частот и на его выходе наблюдается сумма двух сигналов: на разностной частоте и на суммарной. Чтобы в этом убедиться, достаточно вспомнить формулу произведения двух тригонометрических функций (например, синусов), имеющих разные частоты. Разностная частота, то есть разница несущей частоты и частоты местного гетеродина, является промежуточной частотой. При этом, сигнал на прмежуточной частоте будет возникать как в случае, когда несущая частота выше частоты местного гетеродина, так и в противоположном случае, то есть: fIF = | flocal oscillatorfRF | Этим объясняется эффект возникновения зеркального канала приема — канала приема на «зеркальной» частоте.

Предположим, что промежуточная частота приемника равна 60 МГц, а местный гетеродин генерирует колебания на частоте, более высокой, чем несущая частота эхо-сигнала. Например, приемник настроен на несущую частоту сигнала 1030 МГц. Тогда частота сигнала местного гетеродина 1090 МГц. Данные сигналы перемножаются в смесителе и одна из частот, воникающих в результате этого, а именно, разностная частота 1090 - 1030 = 60 МГц, является промежуточной частотой. Для этого примера «зеркальная» частота имеет значение 1150 МГц, поскольку разница между ней и частотой гетеродина составляет также 60 МГц. То есть входной каскад приемника в нашем случае должен отфильтровывать (подавлять) сигналы на частоте 1150 МГц.

После преобразования частоты и выделения промежуточной частоты сигнал подается на усилитель промежуточной частоты, затем на детектор и далее на видеоусилитель.

Фильтр промежуточной частоты (ПЧ)

Этот фильтр настраивается на требуемое значение промежуточной частоты и, таким образом, отфильтровывает сигнал на этой частоте от сигналов на других частотах, возникающих в смесителе. Он выполняется в виде одного или нескольких полосовых фильтров.

Обычно полосу пропускания фильтра ПЧ делают как можно более узкой, но такой, чтобы она не влияла на фактическую энергию сигнала. Это значит, что полоса пропускания фильтра должна охватывать почти всю полосу частот спектра ожидаемого сигнала. При использовании в радиолокаторе зондирующих сигналов разной длительности (например, короткого и длинного) полоса пропускания фильтра ПЧ должна соответствовать спектрам обоих сигналов.

Усилитель ПЧ

Основное усиление сигнала в приемнике выполняется в усилителе промежуточной частоты. Он же определяет полосу пропускания приемника. Усилитель ПЧ может содержать несколько каскадов усиления, а также может иметь изменяемый коэффициент усиления. Благодаря последнему обеспечивается одинаковый уровень сигналов на выходе усилителя при разных уровнях сигналов на его входе. Тем самым обеспечивается требуемый динамический диапазон приемника.

Детектор
Огибающая
ВЧ-заполнение

Рисунок 2. Вид радиоимпульса на экране осциллографа

Scan from a screen of an oszilloscope. 
(нажмите для увеличения: 640·480 пиксель = 22 килобайт)
Огибающая
ВЧ-заполнение

Рисунок 2. Вид радиоимпульса на экране осциллографа

Детектор радиолокационного приемника служит для преобразования сигналов промежуточной частоты в видеосигналы (Рисунок 2).

Рисунок 3. Простейший детектор

A simple detector with a diode

Рисунок 3. Простейший детектор

Простейшей формой детектора является диодный детектор (Рисунок 3). Он выделяет огибающую сигнала. Конденсатор здесь выполняет функцию фильтра нижних частот и подавляет остатки колебаний на промежуточной частоте.

Кроме показанной на рисунках амплитудной модуляции могут использоваться и другие виды модуляции сигналов.

Видеоусилитель

Видеоусилитель усиливает поступающие на него с детектора видеосигналы. Усиленные видеосигналы поступают на устройство индикации. Обычно видеоусилитель строится по схеме усилителя с RC-цепью, в котором используются транзисторы с высоким коэффициентом усиления. При этом видеоусилитель должен обладать достаточно широкой частотной характеристикой. Выходной каскад видеоусилителя, как правило, представляет собой эммитерный повторитель. Обладая низким импедансом, эммитерный повторитель служит для согласования с сопротивлением кабеля (фидера). По кабелю усиленные видеоимпульсы поступают на устройство отображения.

Местный гетеродин

В местном гетеродине генерируется колебание, которое подается на смеситель для получения сигнала на промежуточной частоте.

В большинстве радиолокационных приемников значение промежуточной частоты находится в интервале от 30 до 75 МГц. Исходя из предназначения, местный гетеродин должен быть перестраиваемым и высокостабильным. Например, если частота сигнала гетеродина составляет 3 000 МГц, то нестабильность частоты на уровне всего лишь 0,1% соответствует сдвигу частоты сигнала на 3 МГц. Это примерно соответствует ширине полосы пропускания многих приемников. Следовательно такое смещение частоты приведет к ухудшению усилительных свойств приемника.

Требуемая выходная мощность местного гетеродина обычно мала и для большинства гетеродинов составляет от 20 до 50 мВт. Поэтому в схемах гетеродинов используются кварцевые смесители, имеющие низкое энергопотребление.

Местный гетеродин должен имет достаточно широкий диапазон перестройки частоты (до 1000 МГц!). Перестройка частоты местного гетеродина должна выполняться синхронно с перестройкой частоты передатчика радиолокатора. Благодаря этому поддерживается постоянная разница частот между принятым эхо-сигналом и сигналом местного гетеродина, равная промежуточной частоте приемника. Наиболее распространенной схемой перестройки частоты гетеродина является генератор, управляемый напряжением.

Частота сигнала местного гетеродина может быть как выше несущей частоты зондирующего сигнала, так и ниже ее.


Sponsors: