www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основи радіолокації

Супергетеродинний приймач

Для отримання необхідної інформації прийняті радіолокатором високочастотні (іноді використовують термін „радіочастотні“) сигнали відлуння мають бути перетворені у відеосигнали. Таке перетворення виконується в приймачі радіолокатора. Радіолокаційний приймач може бути реалізований за різними схемами. Найбільш розповсюдженою схемою в радіолокаційних системах є схема супергетеродинного приймача. Основні компоненти типової схеми супергетеродинного приймача наведені на Рисунку 1.

н
ПЧ
відео
МГ

Рисунок 1. Структурна схема супергетеродинного приймача

н
ПЧ
відео
МГ

Рисунок 1. Структурна схема супергетеродинного приймача

н
ПЧ
відео
МГ

Рисунок 1. Структурна схема супергетеродинного приймача

Особливістю супергетеродинного приймача є те, що в ньому сигнали високої частоти спочатку перетворюються в сигнали проміжної частоти, обробка сигналів на якій реалізується простіше. Потім сигнали проміжної частоти підсилюються та детектуються для отримання відеосигналів.

На Рисунку 1 наведена типова структурна схема супергетеродинного приймача. Сигнал несівної частоти з антени надходить в приймач і потрапляє у смуговий фільтр. Параметри фільтру підбираються таким чином, щоби на його вихід проходили тільки спектральні складові, що відповідають смузі частот очікуваних сигналів. Часто після фільтру поміщають малошумний підсилювач високої частоти, призначений для підсилювання слабких сигналів відлуння. Через низьку потужність високочастотних сигналів відлуння такий підсилювач повинен мати низький рівень власних шумів, через що його й називають малошумним. Далі сигнал високої частоти надходить на змішувач, на другий вхід якого подається сигнал місцевого гетеродину. В змішувачі виникають биття коливань цих двох частот та виділяється сигнал проміжної частоти (ПЧ, англ. Intermedia Frequency, IF). Цей процес називають гетеродинуванням. Різниця між несівною частотою та частотою місцевого гетеродину підтримується постійною шляхом підлаштування частоти останнього. Ця різниця і є проміжною частотою. Сигнал проміжної частоти надходить у фільтр, а з нього – на підсилювач проміжної частоти. Після підсилювання сигнал подається на детектор. На виході детектора спостерігається відеосигнал, який являє собою обвідну вихідного високочастотного сигналу.

Фільтр дзеркальної частоти

Малошумний підсилювач, що розташований на вході приймального тракту до кіл (пристроїв) перетворення частоти, забезпечує низький рівень шуму та визначає, в основному, чутливість усього приймача. Однак це не єдина його функція. Крім цього, він виконує функцію придушення сигналів на дзеркальних частотах. Граничні частоти смуги пропускання цього підсилювача підбираються так, щоби в неї не потрапляли сигнали перешкод на дзеркальних частотах.

У багатьох застарілих радіолокаторах в приймачах відсутні малошумні попередні підсилювачі (на несівній частоті) і прийнятий сигнал відлуння потрапляє одразу на змішувач. Недоліком такої схеми є те, що такий приймач, коли налаштований на певну частоту, буде приймати сигнали, крім цього ще й сигнали на зовсім іншій частоті, яку називають дзеркальною.

Наявність фільтру дзеркальних частот призводить до того, що ширина смуги частот приймача не може бути суттєво більшою, ніж його проміжна частота. Для усунення цього недоліку приймач будують за супергетеродинною схемою із подвійним перетворенням частоти. Такий приймач має два каскади перетворення частоти та, відповідно, дві проміжні частоти.

Змішувач

Змішувач використовується для перенесення спектру прийнятого сигналу з несівної частоти на проміжну. Для цього на другий вхід змішувача подається сигнал місцевого гетеродину. В змішувачі виникають биття коливань цих двох частот, а на його виході спостерігається сума двох сигналів: на різницевій частоті та на сумарній. Щоби в цьому переконатися, достатньо пригадати формулу добутку двох тригонометричних функцій (наприклад, синусів), які мають різні частоти. Різницева частота, тобто різниця несівної частоти і частоти місцевого гетеродину, є проміжною частотою. При цьому сигнал на проміжній частоті буде виникати як у випадку, коли несівна частота вище частоти місцевого гетеродину, так і протилежному випадку, тобто:

fПЧ = |fМГ – fн| (1)

Цим пояснюється ефект виникнення дзеркального каналу приймання – каналу приймання на “дзеркальній” частоті.

Припустимо, що проміжна частота приймача дорівнює 60 МГц, а місцевий гетеродин генерує коливання на частоті, вищій, ніж несівна частота сигналу відлуння. Наприклад, приймач налаштований на несівну частоту сигналу 1030 МГц. Тоді частота сигналу місцевого гетеродину 1090 МГц. Ці сигнали перемножуються в змішувачі і одна з частот, що виникають в результате цього, а саме, різницева частота (1090 + 60 = 1150) МГц, є проміжною частотою. Для цього прикладу «дзеркальна» частота має значення 1150 МГц, оскільки різниця між нею та частотою гетеродину складає також 60 МГц. Тобто вхідний каскад приймача в такому випадку має відфільтровувати (придушувати) сигнали на частоті 1150 МГц.

Після перетворення частоти та виділення проміжної частоти сигнал подається на підсилювач проміжної частоти, потім на детектор і далі на відеопідсилювач.

Фільтр проміжної частоти (ПЧ)

Цей фільтр налаштовується на потрібне значення проміжної частоти і, таким чином, відфільтровує сигнал на цій частоті від сигналів на інших частотах, які виникають у змішувачі. Він виконується у вигляді одного або декількох смугових фільтрів.

Зазвичай смугу пропускання фільтру ПЧ роблять якомога більш вузькою, але такою, щоби вона не впливала на фактичну енергію сигналу. Це означає, що смуга пропускання фільтру має охоплювати майже всю смугу частот спектра очікуваного сигналу. У разі використання в радіолокаторі зондувальних сигналів різної тривалості (наприклад, короткого та довгого) смуга пропускання фільтру ПЧ має відповідати спектрам обох сигналів.

Підсилювач ПЧ

Основне підсилення сигналу в приймачі виконується в підсилювачі проміжної частоти. Він же визначає смугу пропускання приймача. Підсилювач ПЧ може містити кілька каскадів підсилення, а також може мати змінний коефіцієнт підсилювання. Завдяки останньому забезпечується однаковий рівень сигналів на виході підсилювача при різних рівнях сигналів на його вході. Тим самим забезпечується потрібний динамічний діапазон приймача.

Детектор
Обвідна
ВЧ-заповнення

Рисунок 2. Вигляд радіоімпульсу на екрані осцилографа

Вигляд радіоімпульсу на екрані осцилографа
(Натисніть для збільшення:640·480 піксель = 22 кiлобайт)
Обвідна
ВЧ-заповнення

Рисунок 2. Вигляд радіоімпульсу на екрані осцилографа

Детектор (демодулятор) радіолокаційного приймача слугує для перетворення сигналів проміжної частоти у відеосигнали (Рисунок 2).

Рисунок 3. Найпростіший детектор

Рисунок 3. Найпростіший детектор

Найпростішою формою детектора є діодний детектор (Рисунок 3). Він виділяє обвідну сигналу. Конденсатор тут виконує функцію фільтру нижніх частот та придушує залишки коливань на проміжній частоті.

Крім показаної на рисунках амплітудної модуляції можуть використовуватися й інші види модуляції сигналів.

Відеопідсилювач

Відеопідсилювач підсилює відеосигнали, що надходять з детектора. Підсилені відеосигнали поступають на пристрій індикації. Зазвичай відеопідсилювач будують за схемою підсилювача з RC-колом, в якій використовуються транзистори з високим коефіцієнтом підсилювання. При цьому відеопідсилювач повинен мати достатньо широку частотну характеристику. Вихідний каскад відеопідсилювача, як правило, являє собою емітерний повторювач. Маючи низький імпеданс, емітерний повторювач слугує для узгодження із опором кабелю (фідера). По кабелю підсилені відеосигнали поступають на пристрій відображення.

Місцевий гетеродин

В місцевому гетеродині генерується коливання, яке подається на змішувач для отримання сигналу на проміжній частоті.

В більшості радіолокаційних приймачів значення проміжної частоти знаходиться в інтервалі від 30 до 75 МГц. Виходячи з призначення, місцевий гетеродин має переналаштовуватися та бути високостабільним. Наприклад, якщо частота сигналу гетеродину складає 3000 МГц, то нестабільність частоти на рівні лише 0,1% відповідає зсуву частоти сигналу на 3 МГц. Це приблизно відповідає ширині смуги пропускання багатьох приймачів. Отже таке зміщення частоти призведе до погіршення підсилювальних характеристик приймача.

Потрібна вихідна потужність місцевого гетеродину зазвичай мала і для більшості гетеродинів складає від 20 до 50 мВт. Тому в схемах гетеродинів використовуються кварцові змішувачі, які мають низьке енергоспоживання.

Місцевий гетеродин повинен мати достатньо широкий діапазон переналаштування частоти (до 1000 МГц!). Переналаштування частоти місцевого гетеродину має виконуватися синхронно із переналаштуванням частоти передавача радіолокатора. Завдяки цьому підтримується постійна різниця частот між прийнятим сигналом відлуння і сигналом місцевого гетеродину, яка дорівнює проміжній частоті приймача. Найбільш розповсюдженою схемою переналаштування частоти гетеродину є генератор, керований напругою.

Частота сигналу місцевого гетеродину може бути як вищою за несівну частоту зондувального сигналу, так і нижче неї.