РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ПРИЕМНИК С БОЛЬШИМ ДИНАМИЧЕСКИМ ДИАПАЗОНОМ ПО ИНТЕРМОДУЛЯЦИИ ТРЕТЬЕГО ПОРЯДКА Российский патент 2005 года по МПК G01S7/285 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС) в качестве радиолокационного приемника (РП).

За последнее время резко осложнилась электромагнитная обстановка (ЭМО), что связанно с появлением огромного количества разнообразных источников электромагнитных излучений, которые создают реальные помехи для РЛС, такие как:

- помехи соседних каналов (в частности, телевидение);

- интермодуляционные и блокирующие помехи;

- активные шумовые помехи.

Данное обстоятельство ставит под угрозу работоспособность РЛС и ухудшает их тактико-технические характеристики. Современный парк РЛС нуждается в обеспечении необходимой электромагнитной совместимости (ЭМС) с другими радиоэлектронными устройствами.

В связи с существующим осложнением ЭМО на современном этапе возросли требования к динамическому диапазону (ДД) радиолокационного приемника.

Динамический диапазон, как важнейшая характеристика радиоприемного устройства (РПУ), связан, с одной стороны, с чувствительностью тракта, с другой стороны, с проявлением его нелинейных свойств. Так как ДД входных воздействий может составлять 90-100 дБ, а при работе радиосредств в условиях экстремальной ЭМО-140-160 дБ и более, то в таких условиях прием сигналов с заданным качеством не всегда возможен.

Поэтому актуальнейшей задачей радиоприемной техники является расширение ДД РПУ и приведение его в соответствие с ДД входных воздействий в условиях реальной ЭМО.

Применение понятия динамического диапазона к многокаскадным устройствам с различной избирательностью в каждом из каскадов имеет некоторую специфику. Нелинейные искажения полезного сигнала в таких устройствах могут иметь место либо при больших уровнях полезного сигнала, находящегося в полосе пропускания радиоприемника, либо при большом уровне помехи в соседних каналах.

В связи с этим необходимо различать два вида динамического диапазона приемного тракта - по основному и по соседним каналам. Динамический диапазон по основному каналу (линейный динамический диапазон) - это отношение максимальной амплитуды полезного радиосигнала, при которой нелинейные искажения полезного сигнала равны допустимому значению, к его минимальной амплитуде, при которой отношение сигнал/шум (с/ш) на выходе равно заданному значению. Динамический диапазон по соседним каналам - отношение максимальной амплитуды помехи в соседнем канале, при которой нелинейные искажения полезного сигнала равны допустимому значению, к чувствительности радиоприемника по основному каналу.

Верхняя граница динамического диапазона по соседним каналам может быть определена исходя из допустимых значений нелинейных искажений полезного сигнала, появляющихся под действием внеполосных помех [1], a именно:

- уровня составляющих взаимной модуляции двух внеполосных сигналов d_1,2;

- коэффициента перекрестных искажений k_пер;

- коэффициента блокирования k_бл.

Сравнительный анализ различных критериев определения верхней границы динамического диапазона [1] показывает, что наиболее жесткими из них являются основанные на оценке продуктов взаимной модуляции (интермодуляции) третьего порядка.

Интермодуляционные искажения проявляются во взаимной модуляции в нелинейном тракте двух или более сигналов (помех), вызывающих появление в полосе пропускания тракта, новых спектральных составляющих, с частотами, равными сумме или разности частот входных сигналов или их гармоник.

Опасность образования на выходе приемника интермодуляционных помех третьего порядка объясняется их непосредственной близостью к основному каналу приема f₀.

Если на вход приемника приходят полезный сигнал с частотой f₀ и две помехи с частотами f₁ и f₂, интермодуляционные помехи 3-го порядка, совпадающие с основным каналом усиления на радиочастоте, образуются при расположении внешних помех на частотах, размещенных через интервал Δ, т.е. f₁=f₀+Δ, f₂=f₀+2Δ. Тогда 2f₁-f₂=2(f₀+Δ)-(f₀+2Δ)=f₀.

Формула для расчета динамического диапазона по интермодуляции третьего порядка многокаскадного тракта имеет вид:

где (1)

D_(2,1)Σ - суммарный динамический диапазон по интермодуляции третьего порядка многокаскадного тракта;

Е_а - уровень чувствительности РПУ;

D_(2,1)i - динамические диапазоны по интермодуляции 3-го порядка каскадов, отсчитываемые от уровней, соответствующих чувствительности каждого каскада (определяемой его собственными шумами);

Е_i - эффективные напряжения шумов соответствующих каскадов;

K_j- коэффициенты передачи напряжения входной цепи и каждого из каскадов устройства на частоте настройки;

Y_j- коэффициенты избирательности каждого из каскадов на частотах f₁ и f₂.

Уровень чувствительности РПУ, пересчитанный к его входу, будет:

где (2)

h - отношение сигнал/шум;

E_Σ - эффективное напряжение шума РПУ в полосе Δf;

E₀, E_i - эффективные значения напряжения шума входной цепи и i-го каскада в полосе Δf.

Коэффициент шума многокаскадного устройства записывается в виде:

где (3)

F_Σ - коэффициент шума многокаскадного устройства;

F_n - коэффициент шума n-го каскада;

Δ_fnp - полоса пропускания всех каскадов, начиная с номера n и до выхода приемной системы;

Δ_fp - результирующая полоса пропускания всей приемной системы;

ξ_(n,n-1) - коэффициент согласования n-го каскада с предыдущим;

К_n - коэффициент передачи n-го каскада по мощности. Коэффициент шума связан с эффективным напряжением шума по формуле:

где(4)

E_i - эффективное напряжение шума i-го каскада;

k - постоянная Больцмана (1.38·10²³ Дж/К);

Т - абсолютная температура (обычно 290К);

R_вх - входное сопротивление приемника;

Δf - полоса пропускания приемника (Гц)

F_i - коэффициент шума i-го каскада.

Одним из важнейших вопросов проектирования РПУ является оптимизация распределения коэффициентов усиления между каскадами приемного тракта. В качестве критерия оптимизации выберем максимум динамического диапазона по интермодуляции третьего порядка РПУ относительно уровня чувствительности Е_а. Динамический диапазон по интермодуляции третьего порядка РПУ зависит от коэффициентов усиления K_i, динамического диапазона по интермодуляции 3-го порядка, D_(2,1)i каждого каскада, эффективного напряжения шума E_i каскадов приемного тракта и избирательности межкаскадных цепей.

Известно [1], что выбор максимальных значений К_i в каждом каскаде приемного тракта обеспечивает минимизацию уровня эффективности напряжения шума приемного тракта E_Σ в полосе Δf (т.е. наивысшую чувствительность РП). Требования к K_i с точки зрения увеличения динамического диапазона противоположны: чем меньше K_i, тем больше динамический диапазон.

На практике чаще оперируют не чувствительностью приемного устройства, а его коэффициентом шума. Таким образом, задача оптимизации РП будет заключаться в нахождении максимума динамического диапазона по интермодуляции третьего порядка (т.е. максимума функции (1) в n-мерном пространстве) при условии, что коэффициент шума (функция (3)) не превышает некоторого заданного значения.

Характерной особенностью многокаскадного устройства является то, что каждый следующий каскад уменьшает динамический диапазон по интермодуляции третьего порядка и увеличивает коэффициент шума всей системы, что определяется степенью согласованности каскадов как по динамическому диапазону, так и по коэффициенту шума.

Сущность оптимизации состоит в максимизации динамического диапазона по интермодуляции третьего порядка и минимизации коэффициента шума радиоприемного устройства.

Алгоритм оптимизации следующий.

1. Рассматриваем параметр D_(2,1)Σ как функцию переменных

E_a, E_i и K_i, т.е. D_(2,1)Σ=D_(2,1)Σ(E_a,E_i,K_i)

2. Запишем F_Σ как функцию переменных F_i и К_i, т.е.

F_Σ=F_Σ(F_i,К_i)

3. Параметр Е_a является функцией переменных Е_i и К_i, т.е. Е_a=Е_a(E_iK_i)

4. Параметр Е_i представляет собой функцию переменных F_i, т.е.

Е_i=E_i(F_i)

5. Записанные в такой форме 4 функции сводим в систему с заданными начальными условиями, которые определяются требованиями на разрабатываемую РЛС:

Решаем систему относительно коэффициентов К_i с помощью средств компьютерной математики - программы Mathcad-2000.

6. В результате решения получаем оптимальные значения коэффициентов передачи отдельных каскадов К_{i опт} радиоприемного устройства, удовлетворяющих условию (5).

С помощью выше приведенного алгоритма осуществляется оптимальный выбор всех входящих в РП коэффициентов передачи каскадов. В результате решения (в системе Mathcad-2000) такой многомерной оптимизационной задачи был создан РП с улучшенным динамическим диапазоном по интермодуляции третьего порядка.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является радиолокационный приемник (СГКА.468917.001 РЭ2) с серийно выпускаемой РЛС П-18М [4], предназначенный для усиления, частотной селекции сигналов, принятых антенной, их частотного преобразования на промежуточную и видеочастоту и далее аналого-цифрового преобразования в двоичный код.

Структурная схема приемного устройства-прототипа (фиг.1) состоит

из усилителя высокой частоты 1, высокочастотного фильтра 2, второго усилителя высокой частоты 3, второго высокочастотного фильтра 4, третьего усилителя высокой частоты 5, смесителя среднего уровня 6, фильтра промежуточной частоты 8, усилителя промежуточной частоты 9, фазового детектора 10, аналого-цифрового преобразователя 11, соединенных последовательно, и усилителя напряжения гетеродина 7, выход которого соединен со вторым входом смесителя 6.

Недостатком данного устройства является неоптимальное распределение коэффициента усиления по тракту ввиду несогласованности каскадов по ДД, что приводит к перегрузке отдельных каскадов тракта и нелинейным искажениям высокочастотного (ВЧ) сигнала, которые порождают интермодуляционные помехи, снижающие динамический диапазон по интермодуляции.

Технический результат предлагаемого изобретения - расширение динамического диапазона по интермодуляции третьего порядка приемного тракта.

Это достигается тем, что в структурную схему радиолокационного приемника, взятого в качестве прототипа, состоящего из усилителя высокой частоты, высокочастотного фильтра, второго усилителя высокой частоты и второго высокочастотного фильтра, соединенных последовательно, смесителя, а также фильтра промежуточной частоты, усилителя промежуточной частоты, фазового детектора, аналого-цифрового преобразователя, соединенных последовательно, и усилителя напряжения гетеродина, выход которого соединен со вторым входом смесителя, введены последовательно со вторым высокочастотным фильтром аттенюатор, выход которого соединен с первым входом смесителя, диплексерный фильтр и предварительный малошумящий усилитель, причем вход диплексерного фильтра соединен с выходом смесителя, а выход - с входом предварительного малошумящего усилителя, соединенного последовательно с фильтром промежуточной частоты, и фильтр сигнала гетеродина, включенный между выходом усилителя напряжения гетеродина и вторым входом смесителя. Смеситель выполнен как смеситель высокого уровня, усилитель промежуточной частоты выполнен малошумящим.

На фиг.2 представлена структурная схема радиолокационного приемника с большим динамическим диапазоном по интермодуляции третьего порядка, где приняты следующие обозначения:

1, 3 - усилитель высокой частоты;

2, 4 - высокочастотный фильтр;

6 - смеситель высокого уровня;

7 - усилитель напряжения гетеродина;

8 - фильтр промежуточной частоты;

9 - малошумящий усилитель промежуточной частоты;

10 - фазовый детектор;

11 - аналого-цифровой преобразователь;

12 - аттенюатор;

13 - фильтр сигнала гетеродина;

14 - диплексерный фильтр;

15 - предварительный малошумящий усилитель промежуточной частоты.

Радиолокационный приемник с большим динамическим диапазоном по интермодуляции третьего порядка состоит из усилителя высокой частоты 1, высокочастотного фильтра 2, второго усилителя высокой частоты 3, второго высокочастотного фильтра 4, аттенюатора 12, смесителя высокого уровня 6, диплексерного фильтра 14, предварительного малошумящего усилителя промежуточной частоты 15, фильтра промежуточной частоты 8, выполненного на поверхностных акустических волнах (ПАВ), второго малошумящего усилителя промежуточной частоты 9, фазового детектора 10, аналого-цифрового преобразователя 11, соединенных последовательно, фильтра сигнала гетеродина 13, выход которого соединен со вторым входом смесителя высокого уровня (6), а вход - с усилителем напряжения гетеродина 7.

Устройство работает следующим образом.

Сигналы, принятые антенной, поступают на вход радиолокационного приемника, где осуществляется: усиление слабого входного эхосигнала усилителями высокой частоты 1,3; фильтрация сигналов побочных и зеркального каналов приема высокочастотными фильтрами 2,4; ослабление сигнала аттенюатором 12 до величины, оптимальной для смесителя высокого уровня 6; преобразование смесителем 6 сигнала несущей частоты на промежуточную (при помощи сигнала, поступающего с выхода фильтра сигнала гетеродина 13) с оптимальной по динамическому диапазону нагрузкой, реализованной в виде диплексерного фильтра 14, дополнительно обеспечивающего фильтрацию сигнала с выхода смесителя высокого уровня 6; усиление сигнала промежуточной частоты предварительным малошумящим усилителем 15, предназначенным для компенсации потерь мощности сигнала в фильтре промежуточной частоты на ПАВ 8 и улучшения коэффициента шума приемной системы; фильтрация сигнала промежуточной частоты фильтром промежуточной частоты 8 для обеспечения основной частотной селекции; усиление сигнала промежуточной частоты малошумящим усилителем 9 для получения требуемого для аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 11 уровня собственного шума; преобразование сигнала с промежуточной частоты на видеочастоту фазовым детектором 10, а затем в цифровой код с помощью АЦП 11.

Таким образом, на основе данных, полученных в результате оптимизации, была синтезирована структура радиолокационного приемника с большим динамическим диапазоном по интермодуляции третьего порядка с максимальной согласованностью каскадов. Так, применение аттенюатора 12 в приемном тракте радиолокационного приемника позволяет согласовать максимальные уровни полезных сигналов и ожидаемых помех с верхней границей динамических диапазонов (линейного и по интермодуляции третьего порядка) смесителя высокого уровня 6, и, как следствие, увеличить суммарный динамический диапазон приемника. Иллюстрация оптимального выбора коэффициента передачи (К₅) аттенюатора 12 представлена на фиг.3,4.

Фильтр сигнала 13 осуществляет частотную селекцию сигнала гетеродина и позволяет

- уменьшить мощность шумов в сигнале гетеродина, за счет чего улучшается общий коэффициент шума РП;

- ослабить уровень внеполосных излучений в сигнале гетеродина, что улучшит спектральную чистоту его сигнала и соответственно уменьшит уровень помех, приходящих по побочным каналам приема.

Диплексерный фильтр 14 обеспечивает оптимальную нагрузку смесителя высокого уровня 6, уменьшая нелинейные эффекты типа взаимной модуляции и соответственно, увеличивая ДД по интермодуляции третьего порядка. Кроме того, диплексерный фильтр 14 не имеет потерь и не увеличивает коэффициент шума РП, обладая избирательными свойствами, подавляет напряжение гетеродина и напряжение входного сигнала на выходе смесителя 6, что уменьшает мощность помех, приходящих по побочным каналам приема.

Предварительный малошумящий усилитель 15 позволяет перекрыть потери фильтра промежуточной частоты 8 и уменьшить коэффициент шума приемной системы. Благодаря усилителю 15 осуществляется оптимальное перераспределение усиления с высокой частоты на промежуточную. Это позволяет увеличить и линейный ДД, и ДД по интермодуляции третьего порядка без увеличения коэффициента шума (малошумящий (резонансный) усилитель промежуточной частоты обеспечивает улучшение коэффициента шума радиолокационного приемника за счет более узкой полосы пропускания).

В целях обеспечения идентичности приемных каналов специально разработан субблок активного ПАВ-фильтра, состоящий из фильтра промежуточной частоты на поверхностных акустических волнах 8, нагруженного с обеих сторон малошумящими ВЧ-усилителями 15 и 9 с повышенным ДД по интермодуляции третьего порядка, что облегчает процесс регулировки в составе модуля преобразователя сигнала с несущей частоты на промежуточную и, как следствие, улучшает повторяемость амплитудных и фазовых характеристик как самого модуля, так и каналов приемной системы в целом. Это обстоятельство позволяет повысить защиту РЛС от постановщиков активных шумовых помех.

Таким образом, данный радиолокационный приемник с большим динамическим диапазоном по интермодуляции третьего порядка позволяет не только повысить ДД, но и

- увеличить подавление активных шумовых помех;

- расширить динамический диапазон, свободный от комбинационных и гармонических составляющих;

- улучшить подавление помех по побочным каналам приема.

На фиг.3 представлена зависимость динамического диапазона по интермодуляции третьего порядка радиолокационного приемника от коэффициента передачи (К₅) аттенюатора при разных значениях коэффициента передачи (K_i) первого усилителя.

На фиг.4 представлена зависимость коэффициента шума от коэффициента передачи (К₅) аттенюатора при разных значениях коэффициента передачи (K_i) первого усилителя.

Литература

1. Голубев В.Н. Оптимизация главного тракта приема радиоприемного устройства. М.: Радио и связь, 1982. 144 с., ил.

2. Э.Ред. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике М.: Мир, 1990 г.

3. Айнбиндер И.М. Шумы радиоприемников (Основы обобщенной теории и инженерного расчета). М.: Связь, 1974 г. 328 с.

4. РЛС П-18М. Руководство по эксплуатации, СГКА. 468917.001 РЭ, Н.Новгород. 1999 г.

Радиолокационный приемник с большим динамическим диапазоном по интермодуляции третьего порядка относится к области радиолокации и может быть использован в радиолокационных станциях в качестве радиолокационного приемника. Технический результат - расширение динамического диапазона приемного тракта по интермодуляции третьего порядка. Радиолокационный приемник с большим динамическим диапазоном по интермодуляции третьего порядка состоит из усилителя высокой частоты, высокочастотного фильтра, второго усилителя высокой частоты и второго высокочастотного фильтра, аттенюатора, смесителя, диплексерного фильтра, предварительного малошумящего усилителя промежуточной частоты, фильтра промежуточной частоты на поверхностных акустических волнах, второго малошумящего усилителя промежуточной частоты, фазового детектора, аналого-цифрового преобразователя, соединенных последовательно, и фильтра сигнала гетеродина, включенного между выходом усилителя напряжения гетеродина и вторым входом смесителя, кроме того, смеситель выполнен как смеситель высокого уровня. 4 ил.

Радиолокационный приемник с большим динамическим диапазоном по интермодуляции третьего порядка, состоящий из усилителя высокой частоты, высокочастотного фильтра, второго усилителя высокой частоты, второго высокочастотного фильтра, аттенюатора, смесителя, диплексерного фильтра, предварительного малошумящего усилителя промежуточной частоты, фильтра промежуточной частоты на поверхностных акустических волнах, второго малошумящего усилителя промежуточной частоты, фазового детектора, аналого-цифрового преобразователя, соединенных последовательно, и фильтра сигнала гетеродина, включенного между выходом усилителя напряжения гетеродина и вторым входом смесителя, кроме того, смеситель выполнен как смеситель высокого уровня.