Слаботочка Книги

0 1 [2] 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

шума как следует из § В.2, почти полностью определяет общий коэффициент шума и тем самым чувствительность приемника. При этом предполагается, что полоса пропускания Д/пч выбрана на основе исходных данных [5, 6, 10] и, следовательно, однозначно определена. Поэтому для достижения максимальной чувствительности указанный процесс преобразования частоты сигнала должен происходить с мини41альным ухудшением отношения сигнал/шум на выходе преобразователя по сравнению с его величиной на входе приемника, т. е. схема СВЧУ должна обеспечивать минимальный коэффициент шума.

Рассмотрим назначение отдельных" элементов СВЧУ (рис. В.1). В импульсных РЛС для излучения мощных импульсов передатчика и приема слабых отраженных от цели сигналов используется одна и та же антенна*). Для осуществления такого режима работы используется антенный переключатель (АП) с устройством защиты приемника. На время излучения импульса передатчика АП подключает антенну к фидерному тракту передатчика и запирает вход приемника, при этом мощный СВЧ р;мпульс Рпер поступает в антенну без значительного ослабления, а затухание между антенным трактом и входом приемника (в данном случае -вход малошумящего усилителя) становится очень большим. Тем не менее часть мощности передатчика просачивается из передающего тракта (тракта высокого уровня мощности) на вход приемника, а устройство защиты приемника ослабляет эту мощность до безопасного для приемника уровня. Такая защита особенно важна тогда, когда входным каскадом приемника является малошумящий усилитель (МШУ) или смеситель на полупроводниковых диодах, поскольку последние могут ухудшить свои параметры или даже полностью выгореть под воздействием импульсной мощности в несколько сот М1илливатт. В зависимости от выбранной схемы АП функции устройства защиты выполняются либо элементами самого АП, либо от него ае зависящими специальными элементами (гл. I). После окончания импульса передачтика АП автоматически и с минимальной задержкой (порядка единиц микросекунд) переключает антенну с передачи на прием, т. е. обеспечивает прохождение принятого антенной слабого

В некоторых типах РЛС, например, догаплеровоких с непрерывным излучением, применяют раздельные антенны на прием и передачу [1].

Сигнала Рс без значительного ослабления на вхоД прием-кика и исключает потери мощности этого сигнала на ответвление в тракт передатчика. Поочередное подклю-чение антенны к передающему и приемному трактам производится антенным переключателем синхронное импульсной работой передатчика.

Принятый импульсный сигнал Рс, отраженный от цели, поступает в МШУ, предназначенный для нредвари-~: тельного усиления Рс, и через устройство подавления зеркального канала приема (назначение которого будет рассмотрено ниже) попадает в смеситель, в котором и происходит преобразование СВЧ сигнала Рс в импульсный сигнал промежуточной частоты Ргпч. Для получения такого преобразования к смесителю подводится часть мощности непрерывных колебаний гетеродина, частота которых fr отличается 0t fc на величину промежуточной частоты /пч, т. е. fr=fc+fn4. Уровень подводимой мощности гетеродина во много раз (на 5-10 порядков) превосходит мощность преобразуемого сигнала Рс (отличие уровней мощности сигналов в различных элементах СВЧУ качественно показано на рис. В.1 разной толщиной соединительных стрелок и разной высотой условных изображений импульсных радиоколебаний и шумов).

Коэффициент шума смесителей см и мм волн имеет довольно значпельную величину и возрастает по мере укорочения рабочей длины волны (от 5-7 дб на длинных см волнах и до 20 дб на коротких мм волнах). Для снижения .коэффициента шума СВЧУ и, следовательно, всего приемника используется МШУ, коэффициент шума которого, как правило, существенно ниже, чем у смесителя, а коэффициент усиления достаточно большой (порядка 15-20 дб). На рис. В.1 условно показано, как в результате усиления уровни сигнала и шума на выходе МШУ возрастают (при этом отношеме Рс/Рш на выходе, как это следует из (В.1), становится меньше, чем на входе МШУ, из-за добавления собственных шумов

усилителя Рш выхсоб).

Рассмотрим назначение устройства подавления зер «ального канала приема *. Напомним, что зеркальный канал приема супергетеродинного приемника находится

* Для краткости будем пользоваться термином «подавление /э». В тех случаях, когда в качестве устройства подавления используется СВЧ фильтр (в простейшем варианте объемный резонатор), его часто называют прссслсктором.

йа tiactore /3 (и в ее окрестнбсти), расположенной на ОСИ частот симметрично /о по отношению к /г, т. е. являющейся зеркальным отображением /с (рис. В.1). В радиолокационном приемнике зеркальный канал является побочным и вредным каналом приема. Его появление обусловлено тем, что /пч=/с-/г=/г-fa, Т. е. сигнал промежуточной частоты, равной разности частот гетеродина и преобразуемого сигнала, выделяется на выходе смесителя независимо от того, будет ли частота выше или ниже /г. Вследствие этого по каналу /з в приемник может проникать сильный сигнал случайной или умышленной помехи от внешних радиосредств и этот же канал /з может стать причиной ухудшения коэффициента шума СВЧУ. Устройство подавления /з должно предотвратить или существенно уменьшить влияние того и другого вредного воздействия. Для обеспечения помехозащиты по каналу /з устройство его подавления должно иметь затухание на частоте /з порядка 25-30 дб или более.

Рассмотрим влияние зеркального канала на коэффициент шума. Современные СВЧУ радиолокационных приемников являются, как правило, широкополосными устройствами, приблизительно одинаково пропускающими как /с, так и /з, т. е. полоса пропускания СВЧУ A/cB4y>ifc-/з=2[пч. Следовательно, шумы источника сигнала (антенны, ГСС) и МШУ поступают в смеситель (с последующим преобразованием в промежуточную частоту) по двум частотным каналам /с и /з, а полезный сигнал Рс принимается только на одной частоте /с (рис. В.1). Это приводит к возрастанию коэффициента шума.

Действительно, мощность шумов источника сигнала pmbxh=kToAfn4, учитываемая формулой (В.1), остается неизменной, несмотря на шумы, поступающие на частоте /з. Последние же, будучи статистически независимыми от шумов частоты /о (некоррелированные шумы), после преобразования в промежуточную частоту арифметически складываются по мощности с шумами частоты /с. Это эквивалентно возрастанию выходной мощности МШУ (Ршвыхн) на частоте /с. Если предположить, что коэффициент усиления и спектральная плотность мощности собственных шумов МШУ на частотах /с и /з одинаковы, то номинальная выходная мощность шумов МШУ в полосе Д/цч на каждой из частот /с и fa равна

(Гш вых н) с,з= (ГоА/пч + Гш вхэ) Ка,

а суммарная выходная мощность шумов на обеих частотах вдвое больше, т. е.

(Рт вых н) с+з = 2 (kToAfnn + Рт вх э) н-

Следовательно, коэффициент шума МШУ при наличии зеркального канала в режиме радиолокационного приема равен

= (Яш вых н) с+з/Яш вх н/Сн = 2Я, (В. 18)

где Я -коэффициент шума усилителя при отсутствии зеркального канала, определяемый формулой (В.4). Таким образом, наличие зеркального канала приема в су-пергетеродиннем приемнике увеличивает коэффициент шума широкополосного МШУ в два раза (на 3 дб) по сравнению с его величиной при отсутствии канала /з.

Аналогичным рассуждением нетрудно показать, что в случае неравенства коэффициентов усиления МШУ на частотах fc и fa коэффициент шума усилителя равен [12]

Яс-Ьз = Я(1 +Каз/Кнс),

(В.19)

где Кнс и <нз -номинальные коэффициенты усиления на частотах /с и fs соответственно. Следовательно, если Кнз<.Кнс, то Fc+3~P, т. е. реализуется минимальный коэффициент шума усилителя и приемника в целом. Задачу обеспечения условия

КизКао (В.20)

в схеме СВЧУ выполняет устройство подавления /з (рис. В. 1). Это устройство должно быть выполнено таким образом, чтобы в рабочей полосе частот принимаемых сигналов на fc его коэффициент передачи был близок к единице, а в соответствующей полосе частот зеркального канала-значительно меньше единицы (например, затухание больше 15 дб). Разумеется, если используемый МШУ является узкополосным и его амплитудно-частотная характеристика удовлетворяет условию (В.20), то никакого дополнительного устройства подавления fa не требуется.

Заметим, что если в схеме СВЧУ отсутствует МШУ, т. е. после АП и устройства защиты следует смеситель, то снижение коэффициента шума при использовании устройства подавления f3 на входе смесителя будет уже не 3 дб, как с широкополосным МШУ, а заметно меньше (до 1 - 1,5 дб). ЕСли же смесительные диоды недостдточ-

но высококачественны, то эффект снижения коэффициента шума может быть весьма малым (десятые доли дб) или вообще отсутствует. Это обусловлено рядом причин, указанных в § 2. 5.

С другой стороны, применение устройства подавления /з влечет за собой определенное усложнение конструкции л настройки СВЧУ и уменьшение, как правило, широкополосности последнего (§ 2.5, 3.6).По указанным причинам, а также из-за отсутствия до недавних пор достаточно высококачественных смесительных диодов устройства подавления /з в радиолокационных приемниках, «е содержавших МШУ, до настоящего времени не применялись, если это не требовалось по соображениям обеспечения помехозащиты. Теперь же, когда появились высококачественные смесительные диоды с барьером Шоттки (§ 2.2), подавление /з для снижения коэффициента шума в ряде случаев может оказаться целесообразным даже при отсутствии МШУ.

Продолжим рассмотрение блок-схемы рис. В.1. Преобразованный ПО частоте сигнал Рспч поступает из смесителя в УПЧ для основного усиления. Для получения максимальной чувствительности приемника в соответствии с (В.17) полоса пропускания УПЧ выбирается возможно меньшей, в основно.м исходя из условия удовлетворительного воспроизведения спектра сигнала [4-6, 10]. Следовательно, несущая частота преобразованного сигнала Рспч должна достаточно хорошо совпадать со средней частотой полосы пропускания УПЧ (/пч). Это означает, что во всех условиях эксплуатации РЛС разность частот гетеродина и передатчика (отраженного сигнала) должна быть приблизительно равна /пч, т. е.

/с-/г-/п

(В.21)

Выполнение этого условия обеспечивается применением системы автоматической подстройки частоты (АПЧ) гетеродина под частоту передатчика Необходимость системы АПЧ обусловлена тем, что в процессе эксплуатации РЛС частоты гетеродина и передатчика по разному изменяются (по величине и знаку) под воздействием из-

* В некоторых типах РЛС [1], например в РЛС с внутренней когерентностью, где частоты передатчика и гетеродина жестко связаны с частотой одного и того же стабильного задающего генератора, необходимость в системе АПЧ отпадает.

менения питающих напряжений, условий окружающей среды (температуры, высоты, механических воздействий и др.) и полного сопротивления СВЧ нагрузки [13]. Помимо этого, в РЛС с перестройкой рабочей частоты ча-: стота передатчика специально изменяется в определенных пределах, а частота гетеродина с помощью системы АПЧ следует за всеми изменениями /с, так чтобы выполнялось условие (В.21).

В радиолокационных приемниках с автономным гете-. родином обычно используется автономная система АПЧ (рис. В.1), в состав которой входят элемент связи с передающим трактом (делитель мощности), смеситель АПЧ и электронная схема АПЧ, содержащая цепи промежуточной и низкой частоты. Сущность работы системы АПЧ сводится к следующему. В момент излучения импульса передатчика небольшая часть его мощности (от единиц до десятков мет в импульсе) ответвляется через делитель мощности в качестве входного сигнала Рсапч на смеситель АПЧ, к которому подводятся также непрерывные колебания гетеродина Рг. Импульсный сигнал разностной частоты с выхода смесителя Рраз управляет работой схемы АПЧ, которая в свою очередь электрически или механически может изменять частоту гетеродина. Если /раз отличается от /пч, схема АПЧ начинает перестраивать частоту гетеродина в направлении сближения /раз к /пч. Эта перестройка происходит до тех пор, пока не будет достигнуто /раз~/пч [4, 5, 6]. Таким образом обеспечивается стабилизация частоты преобразованного отраженного сигнала Рспч.

Делитель и регулятор мощности гетеродина предназначены для установления необходимого уровня мощности Рг на каждом смесителе.

Из всего изложенного видно, что по уровням СВЧ мощности, действующим в различных элементах, схему СВЧУ можно разделить на две части; тракт высокого уровня мощности (делитель мощности, АП и устройство защиты приемника) и тракт низкого уровня мощности (остальные элементы). В элементах первого импульсная мощность имеет величину от единиц до сотен киловатт, в элементах второго - не превосходит, как правило, 100 мет как импульсной, так и непрерывной (в цепи гетеродина) мощности. Функционально тракт низкого уровня мощности удобно подразделять на канал сигнала, канал АПЧ и канал гетеродина.

0 1 [2] 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51