ПАССИВНЫЙ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИК Российский патент 2001 года по МПК G01S13/74 

Изобретение относится к радиолокации и предназначено для передачи сигналов опознавания и идентификации объектов наблюдения РЛС. Оно может быть использовано в системах управления воздушным движением, в системах идентификации удаленных объектов и в других областях.

Из патента США N 5247305 по фиг. 1 известен пассивный приемопередатчик, предназначенный для приема запросных сигналов и передачи ответных сигналов в системе опознавания подвижных объектов. Он содержит антенну, выпрямитель, модулятор и идентификационный кодогенератор. В пассивном приемопередатчике запросный сигнал от запросчика (активной РЛС) принимается антенной и подается на вход выпрямителя и на выход модулятора. Часть запросного сигнала поглощается выпрямителем и преобразуется им в постоянное напряжение. Постоянное напряжение с выхода выпрямителя подводится ко входу идентификационного кодогенератора. Идентификационный кодогенератор имеет память, в которой хранится идентификационная информация. При подаче на вход кодогенератора постоянного напряжения питания из его памяти считывается идентификационный код. Идентификационный код с выхода кодогенератора поступает на вход модулятора. Одновременно с идентификационным кодом на выход модулятора поступает другая часть запросного сигнала. В нем она модулируется идентификационным кодом так, что запросный сигнал преобразуется в ответный. Модулятор отражает сигнал и возвращает его в антенну. Антенна излучает ответный сигнал в сторону запросчика.

Недостатком пассивного приемопередатчика является то, что его питания осуществляется за счет преобразования выпрямителем части электромагнитной энергии запросного сигнала. Это приводит к нарушению работоспособности приеопередатчика при приеме сигналов малой мощности.

Из известных пассивных приемопередатчиков наиболее близким к заявляемому по технической сущности является пассивный приемопередатчик для приема запросных сигналов и передачи ответных сигналов в системе опознавания подвижных объектов, приведенный в патенте США N 5247305 на фиг. 14 и описанный на с. 13. Он содержит: последовательно соединенные антенну 1, детектор 2, решающее устройство 3, идентификационный кодогенератор 4 и модулятор 5; источник питания 6. Источник питания 6 подключен первым выходом ко второму входу решающего устройства 3, а вторым выходом соединен со вторым входом идентификационного кодогенератора 4. Выход модулятора 5 подключен ко входу антенны 1 и ко входу детектора 2.

Пассивный приемопередатчик работает следующим образом.

Запросный сигнал от запросчика (активной РЛС) принимается антенной 1 и подается на вход детектора 2 и выход модулятора 5. Часть запросного сигнала, поступившая на детектор 2, поглощается и детектируется им. В результате на выходе детектора 2 формируется напряжение огибающей запросного сигнала, которое подается на первый вход решающего устройства 3. Ко второму входу решающего устройства 3 подводится напряжение питания с первого выхода источника питания 6. Решающее устройство 3 осуществляет сравнение напряжения огибающей запросного сигнала с пороговым напряжением и на его основе вырабатывает сигналы управления идентификационным кодогенератором 4. С выхода решающего устройства 3 сигналы управления подаются на первый вход идентификационного кодогенератора 4. Ко второму входу идентификационного кодогенератора 4 подводится напряжение питания со второго выхода источника питания 6. Идентификационной кодогенератор 4 содержит память для хранения идентификационной информации. При поступлении на первый вход идентификационного кодогенератора сигналов управления с выхода решающего устройства 3, кодогенератор включает и генерирует идентификационный цифровой код на основе информации, считываемой из памяти. Цифровой код с выхода идентификационного кодогенератора 4 поступает на вход модулятора 5. Одновременно с идентификационным кодом к выходу модулятора 5 подводится вторая часть запросного сигнала. Под действием идентификационного кода модулятор 5 изменяет выходной импеданс так, что в результате амплитудной модуляции запросный сигнал преобразуется в ответный. Ответный сигнал, содержащий идентификационную информацию, отражается модулятором 5 и возвращается в антенну 1. Антенна 1 излучает ответный сигнал в сторону запросчика (активной РЛС).

Таким образом, в приведенном пассивном приемопередатчике осуществляется амплитудная модуляция запросного сигнала и, следовательно, передача ответных сигналов ведется на несущей частоте запросного.

Недостатком пассивного приемопередатчика, приведенного в патенте США N 5247305 на фиг. 14 является то, что он обеспечивает передачу ответных сигналов только на несущей частоте запросного сигнала. Это существенно снижает помехозащищенность идентификационной информации в условиях интенсивных отражений от подстилающей поверхности Земли и активных помех.

Целью изобретения является повышение помехозащищенности идентификационной информации за счет передачи ответных сигналов на несущей частоте, отличающейся от несущей частоты запросного сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в известном пассивном приемопередатчике, содержащем: антенну 1; последовательно соединенные детектор 2, решающее устройство 3 и идентификационный кодогенератор 4, подключенный вторым входом ко второму выходу источника питания 6, соединенного первым выходом со вторым входом решающего устройства 3; модулятор 5, подключенный выходом ко входу детектора 2, модулятор 5 соединен первой группой входов с группой выходов идентификационного кодогенератора 4, а вторым совмещенным входом - выходом - со входом антенны 1.

На фиг. 1 представлена структурная схема пассивного приемопередатчика.

На фиг. 2 показаны принципиальные электрические схемы детектора, модулятора и схема их подключения к антенне.

На фиг. 3 приведена схема идентификационного кодогенератора.

На фиг. 4 представлены эпюры сигналов, поясняющие принцип действия пассивного приемопередатчика.

Антенна 1 пассивного приемопередатчика представляет собой, например, прямоугольную микрополосковую приемопередающую антенну (см. фиг. 2). Ее конструкция и принцип действия описаны в [2, с.81-89]. Вход антенны 1 соединен со вторым совмещенным входом - выходом модулятора 5 (см. фиг. 1, 2). Модулятор 5 выполнен по схеме, например, отражательного p-i-n диодного фазовращателя на микрополосковой линии передачи. Он содержит: разделительные конденсатор C2, C3, ..., C(K+1); p-i-n диоды VD2, VD3, ..., VD(K+1); ограничительные резисторы R2, R3, ..., R(K+1). Схемотехнические особенности построения отражательного p-i-n диодного фазовращателя изложены в [3, с. 349-350] , а схема его подключения к антенне 1 показана на фиг. 2. Выход модулятора соединен со входом детектора 2 микрополосковой линией передачи. В качестве детектора 2 в пассивном приемопередатчике используется, например, амплитудный детектор. Он содержит: СВЧ диод VD1; конденсатор C1; резистор R1; распределенную индуктивность L (см. в [4, с.59-60]). Особенности согласования амплитудного детектора 2 с модулятором 5 иллюстрирует фиг. 2. Выход детектора 2 подключен к первому входу решающего устройства 3 (см. фиг. 1), которое выполнено по двухпороговой схеме, например, по схеме триггера Шмитта на компараторе. Устройство и принцип действия триггера Шмитта на компараторе рассмотрены в [5, с. 223]. Второй вход решающего устройства 3 подклчюен к первому выходу источника питания 6. Источником питания 6 пассивного приемопередатчика является, например, аккумуляторная батарея. Выход решающего устройства 3 соединен с первым входом идентификационного кодогенератора 4 (см. фиг. 1). Идентификационный кодогенератор 4 представляет собой цифровой автомат с памятью. Он содержит (см. фиг. 3): двоичный счетчик DD1; постоянное запоминающее устройство DD2; логический элемент "И" DD3; многоотводную линию задержки; логические элементы исключающее "ИЛИ" DD4.1 - DD4.K; логические элементы "И" DD5.1 - DD5. K. В качестве названных логических элементов, счетчика и постоянного запоминающего устройства в пассивном приемопередатчике применяются микросхемы, например, серии 1533 и микросхемы КМ 1608 РТ1. Первый вход идентификационного кодогенератора 4 подключен к счетному входу C счетчика DD1 и первому входу логического элемента DD3. Выходы счетчика DD1 Q0 - QN соединены с одноименными адресными входами A0 - AN постоянного запоминающего устройства DD2. Выход DD2 подключен ко второму входу логического элемента DD3. Выход элемента DD3 соединен со входом многоотводной задержки, первым входом DD4.1 и первыми входами логических элементов DD5.1 - DD5.K. Выходы многоотводной линии задержки F, где F = 1, 2, ..., K, подключены ко входам логических элементов DD4.1 - DD4.K по правилу: выход линии задержки под номером F соединяются со вторым входом элемента DD4.F и с первым входом элемента DD4. (F+1). Выходы DD4.1 - DD4.K соединены со вторыми входами одноименных логических элементов DD5.1 - DD5.K. Выходы логических элементов DD5.1 - DD5.K образуют группу выходов 1, 2, 3, ..., K идентификационного кодогенератора 4, которая соединяется с одноименной группой входов модулятора 5. Второй вход идентификационного кодогенератора 4 подключен ко второму выходу источника питания 6 (на фиг.3 подключение микросхем по питанию не показано).

Пассивный приемопередатчик работает следующим образом.

Антенная 1 пассивного приемопередатчика принимает запросный сигнал от запросчика. Запросный сигнал имеет вид, как показано на фиг. 4,а. В момент поступления запросного сигнала, например, t₁ все p-i-n диоды модулятора 5 находятся в выключенном состоянии. По этой причине большая часть мощности радиоимпульса запросного сигнала проходит через модулятор 5 и поглощается детектором 2 (согласованная нагрузка), а ее меньшая (незначительная) часть отражается антенной 1 в сторону запросчика. Детектор 2 выделяет огибающую радиоимпульса запросного сигнала и подводит напряжение огибающей к первому входу решающего устройства 3. Форма напряжения огибающей на первом входе решающего устройства 3 зависит от информации в разряде ответного сигнала. В случае передачи логического нуля все p-i-n диоды модулятора 5 находятся в выключенном состоянии на всем интервале τ_и, например от t₂ до t₂+ τ_и (см. фиг. 4,a), т.е. практически вся мощность запросного сигнала поглощается детектором 2. Это приводит к тому, что огибающая запросного сигнала на первом входе решающего устройства 3 имеет вид прямоугольного импульса (см. фиг. 4, б). В случае передачи единицы в разряде ответного сигнала, амплитуда напряжения огибающей на первом входе решающего устройства 3 изменяется по сложному закону, т. е. через малый промежуток времени, обусловленный инерционностью схемы пассивного приемопередатчика, вначале p-i-n диод VD2, а затем, поочередно, и диоды VD3, VD4, ..., VD4(K+1) переводятся во включенное состояние. Это приводит к резкому уменьшению мощности запросного сигнала, поступающей на вход детектора 2, и, следовательно, к уменьшению амплитуды напряжения огибающей на первом входе решающего устройства 3 (см. на фиг. 4,б участки 1, 2). Чтобы избежать в данной ситуации потери запросного сигнала, рещающее устройство 3 выполнено по двухпороговой схеме на триггере Шмитта. При превышении напряжения огибающей величины U_пор.1 триггер Шмитта переводится из состояния логического нуля в состояние единицы по своему выходу (см. фиг. 4, в). Состояние логической единицы на выходе триггера Шмитта и, следовательно, на выходе решающего устройства 3, сохраняется до тех пор, пока напряжение огибающей запросного сигнала превышает напряжение U_пор.2. С выхода решающего устройства 3 логические сигналы поступают на первый вход идентификационного кодогенератора 4 и далее на счетный вход C двоичного счетчика DD1 и первый вход логического элемента DD3 (см. фиг. 3). Счетчик DD1 из последовательности логических сигналов осуществляет формирование двоичного кода, который, в свою очередь, передается с его выходов Q0 - QN на одноименные адресные входы A0 - AN постоянного запоминающего устройства DD2. В DD2 двоичный код преобразуется в идентификационный код. Идентификационный код с выхода DD2 подводится ко второму входу логического элемента DD3 (см. фиг. 4,г). Элемент DD3 осуществляет логическое умножение сигналов, поступивших с выходов решающего устройства 3 и постоянного запоминающего устройства DD2 (см. фиг. 4,д). В результате этого на выходе DD3 формируется синхронный с запросным сигналом идентификационный код. Синхронный код с выхода DD3 подается на вход многоотводной линии задержки, первый вход логического элемента исключающее "ИЛИ" DD4.1 и первые входы логических элементов DD5.1 - DD5.K. На выходах 1, 2, .. . , K многоотводной линии задержки вырабатываются задержанные на время FΔt₁= FΔt/K, где Δt₁ - время задержки сигнала между выводами F и F+1 линии задержки, сигналы логической единицы синхронного идентификационного кода (см. фиг. 4, е-з). С выходов F, ult F = 1,2,... K, они подаются на вторые входы элементов DD4. F и первые входы элементов DD4.(F+1). В результате преобразования элементами исключающее "ИЛИ" сигнала логической единицы с выхода DD3 и задержанных сигналов с выходов линии задержки, на выходах DD4.1 - DD4. K последовательно формируется импульсные сигналы несовпадения (см. в [6, с.56-62]). Импульсные сигналы несовпадения с выходов DD4.1 - DD4.K поступают на вторые входы одноименных элементов DD5.1 - DD5.K, которые осуществляют селекцию импульсов синхронным идентификационным кодом с выхода DD3. Отселектированные элементами DD5.1 - DD5.K импульсные сигналы с амплитудами логической единицы и длительностями Δt₁ (см. фиг. 4,и-л) последовательно подаются на выводы 1, 2, ... K группы выходов идентификационного кодогенератора 4. Эти сигналы поступают на одноименные выводы первой группы входов модулятора 5. В модуляторе 5 импульсные сигналы задают последовательность переключения p-i-n диодов фазовращателя, и, следовательно, определяют фазу отраженного от модулятора запросного сигнала в пределах дискрета Δt₁ Величина сдвига фазы p-i-n диодом фазовращателя определяется как (см. [3, с.349-350] ).

где l_F - расстояние от места соединения антенны 1 с микрополосковой линии передачи до места подключения VD(F+1) p-i-n диода; λ_в - длина волны в микрополосковой линии передачи. Поэтому для обеспечения модулятором 5 линейного дискретного сдвига фазы от 0 до 2π расстояния l между соседними p-i-n диодами выбираются одинаковыми, а диод VD2 размещается в месте подключения антенны 1 к микрополосковой линии передачи (см. фиг. 2).

Из [7, с.73-76] известно, что изменение фазы запросного сигнала Q-раз от 0 до 2π за время T, где Q - целое число, большее единицы, в пределах длительности логической единицы идентификационного кода τ_u = QT) с шагом
(см. фиг. 4,м) приводит к изменению несущей частоты ответного сигнала на величину т.е. частота ответного сигнала

где f₀ - несущая частота запросного сигнала. Тогда, задаваясь требуемым для РЛС значением несущей частоты f, нетрудно определить параметры элементов схем идентификационного кодогенератора 4 и модулятора 5.

Современные РЛС, как правило, содержат в своем составе несколько приемных каналов. В данной ситуации реализация передачи запросного сигнала на одной несущей частоте, а прием ответного сигнала на другой несущей частоте не представляет технической сложности и не требует доработки трактов типовых РЛС. При этом наличие в известные моменты времени ответного сигнала на известной частоте может рассматриваться как передача логической единицы в разряде ответного сигнала (кода), а его отсутствие - эквивалентно передаче нуля.

Таким образом, использование в заявляемом пассивном приемопередатчике принципа передачи запросного и ответного сигналов на разных несущих частотах приводит к разносу спектров ответного сигнала, пассивных и активных помех. Это позволяет существенно повысить помехозащищенность идентификационной информации в канале опознавания и идентификации объектов наблюдения РЛС.

Источники информации
1. Патент США N 5247305 МКИ⁵ G 01 S 13/74.

2. Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосные антенны. - М.: Радио и связь, 1986.

3. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: Учебное пособие для ВУЗов/ В.С.Филиппов, Л.Н.Пономарев, А.Ю.Гринев и др. ; Под ред. Д.И. Воскресенского - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Радио и связь, 1994.

4. Малорацкий Л.Г.Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. - М.: Советское радио, 1976.

5. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988.

6. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник - 2-е изд. исправленное. - М.: Радио и связь, 1989.

7. Максимов Е.Р. Спектр сигнала на выходе дискретного фазовращателя. - Радиотехника, 1990, N 2, с.73-76.

Изобретение относится к радиолокации и предназначено для передачи сигналов опознавания и идентификации объектов наблюдения РЛС. Оно может быть использовано в системах управления воздушным движением, в системах идентификации удаленных объектов и в других областях. Достигаемым техническим результатом является повышение помехозащищенности идентификационной информации за счет передачи ответных сигналов на несущей частоте, отличающейся от частоты запросного сигнала. Технический результат достигается тем, что в пассивном приемопередатчике, содержащем антенну, последовательно соединенные детектор, решающее устройство и идентификационный кодогенератор, подключенный вторым входом ко второму выходу источника питания, соединенного первым выходом со вторым входом решающего устройства, модулятор, подключенный выходом ко входу детектора, модулятор соединен первой группой входов с группой выходов идентификационного кодогенератора, а вторым совмещенным входом-выходом - со входом антенны. 4 ил.

Пассивный приемопередатчик, содержащий антенну, последовательно соединенные детектор, решающее устройство и идентификационный кодогенератор, подключенный вторым входом ко второму выходу источника питания, соединенного первым выходом со вторым входом решающего устройства, и модулятор, подключенный выходом ко входу детектора, отличающийся тем, что модулятор соединен первой группой входов с группой выходов идентификационного кодогенератора, а вторым совмещенным входом-выходом - со входом антенны.