Структурная схема радиоприемного устройства, назначение, состав и взаимодействие элементов

Структурная схема радиолокационного супергетеродинного приемника представлена на рис. 1.3 (слайд № 6).

Она состоит из двух каналов:

- канала сигналов;

- канала автоматической подстройки частоты (АПЧ), который будет рассмотрен в занятии 3.

Рассмотрим назначение, состав и взаимодействие элементов супергетеродинного приемника.

Входная цепь является переходным звеном между приемной антенной и входом первого усилительного каскада приемника и предназначена:

- осуществлять предварительную частотную избирательность высокочастотных колебаний;

- обеспечивать передачу сигнала от антенны на вход первого усилительного каскада приемника с минимальными потерями.

Усилитель высокой частоты (УВЧ) предназначен для:

- улучшения чувствительности приемника;

- усиления по мощности принятых сигналов;

- осуществления предварительной избирательности (селекции) вместе с входной цепью.

Совокупность входной цепи и УВЧ в любом супергетеродинном приемнике называется преселектором.В приемнике, где в качестве УВЧ используется лампа бегущей волны (ЛБВ), устанавливается специальный фильтр (контур), который выполняет функции преселектора.

Преобразователь частоты осуществляет преобразование сигналов высокой частоты в сигналы промежуточной; оно необходимо для получения большего коэффициента усиления при заданном числе каскадов усиления. С увеличением частоты коэффициент усиления усилителя падает, поэтому для получения необходимой амплитуды сигнала требуется увеличивать число каскадов, а это может привести к самовозбуждению усилительного тракта , то есть усилитель может работать в автоколебательном режиме.

Преобразователь состоит из:

- гетеродина;

- смесителя.

Гетеродин представляет собой автогенератор непрерывных высокочастотных колебаний малой мощности, частота которых несколько отличается от несущей частоты принимаемого сигнала. Колебания гетеродина поступают на смеситель каналов сигнала и АПЧ.

Смеситель – это нелинейный элемент, на который подаются колебания и сигналы. В результате смешивания двух колебаний разных частот образуются биения. Частота биений, равная разности частот сигнала и гетеродина, называется промежуточной

f_пр = f_с - f_г

На практике встречаются приемники, в которых

f_пр = f_г - f_с

Нагрузкой смесителя является контур, настроенный на промежуточную (разностную) частоту.

Пример. Определить промежуточную частоту приемника, если f_с = 3000 МГц, f_г = 2970 МГц

f_пр = f_с - f_г = 3000 МГц – 2970 МГц = 30 МГц.

Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) – это многокаскадный резонансный усилитель, который обеспечивает основное усиление и избирательность. Он выполняется на электронно-вакуумных или полупроводниковых приборах с постоянной настройкой их контуров, которые настраиваются на заводе-изготовителе и в процессе эксплуатации не перестраиваются. Число каскадов УПЧ может быть до 12.

УПЧ обеспечивает :

- необходимый коэффициент усиления (к) при заданной полосе пропускания (2 Δf);

- основную избирательность по соседнему каналу.

Детектор осуществляет преобразование радиоимпульсов промежуточной частоты в видеоимпульсы.

Видеоусилитель (ВУС) предназначен для усиления видеосигналов до величины (амплитуды), обеспечивающей работу оконечного устройства (индикатора).

Катодный повторитель предназначен для согласования большого выходного сопротивления видеоусилителя с малым волновым сопротивлением высокочастотного коаксиального кабеля, соединяющего приемник с индикатором.

С Д Ц – аппаратура селекции движущихся целей предназначена для защиты РЛС от пассивных помех.

Свойства радиоприемных устройств оцениваются по техническим параметрам, которые в значительной степени определяют тактические характеристики РЛС.

Третий учебный вопрос.

Параметры приемных устройств и принцип

Их измерения

Радиоприемные устройства характеризуются следующими параметрами:

- чувствительность (коэффициент шума), Р_{пр мин} (к_ш);

- избирательность (σ);

- полоса пропускания (2Δƒ);

- диапазон принимаемых частот;

- выходное напряжение (U_вых);

- коэффициент усиления (к);

- динамический диапазон (Д).

Чувствительность Р_{пр мин} (к_ш) – это способность приемника принимать слабые сигналы, которые можно надежно регистрировать оконечным устройством. Чем слабее сигнал, нормально принимаемый приемником, тем он чувствительнее.

Количественно чувствительность оценивается минимальным уровнем сигнала в антенне, при котором обеспечивается заданное качество обработки информации в приемнике и оконечном устройстве.

Минимально необходимое отношение амплитуды сигнала к амплитуде шума на выходе приемника, при котором на экране индикатора уверенно наблюдается сигнал, называют коэффициентом различимости ( γ_р). Требуемая величина γ_р зависит от типа индикатора и других факторов. Обычно γ = 1,5 – 9.

Различают чувствительность приемника предельную и реальную.

Предельной чувствительностью приемника называют такую минимальную мощность (ЭДС) сигнала в антенне, которая обеспечивает на выходе его линейной части отношение сигнала к шуму, равное единице (U_{с вых} /U_{ш вых} = 1), то есть γ_р = 1.

Если это отношение больше единицы, то чувствительность приемника называют реальной.

В приемниках РЛС метрового диапазона волн чувствительность обычно определяется минимальной ЭДС сигнала в антенне (Е_{с мин}) и измеряется в единицах напряжения ( В , мВ, мкВ). При длинах волн λ ≤ 50 см чувствительность определяется минимальной мощностью сигнала в антенне (Р_{пр мин}) и измеряется в единицах мощности. Это объясняется тем, что в этом диапазоне техника измерения малых напряжений не удовлетворяет точности измерения и ограничена возможностями приборной техники.

Чувствительность может измеряться в децибеллах относительно условного опорного уровня мощности. Приборы, с помощью которых измеряется чувствительность в децибеллах, обычно имеют опорный уровень мощности: Р_оп = 1 Вт, 1 мВт. 10 мкВт.

Для преподавателя. Беллы и децибеллы – логарифмические едицины измерения, в которых принято выражать перепады мощности или напряжения. Число белл S определяется как S = lg · Р₂/Р₁ . При Р₂ > Р₁ S – величина положительная, при Р₂ < Р₁ S – величина отрицательная.

Децибелл в 10 раз меньше белла. Перепад мощности в децибеллах S = 10 lg Р₂ / Р₁, перепад через напряжение при условии равенства сопротивлений, на которых эти мощности выделяются, определяют S = 20 lg U₂ / U₁.

Р_{пр мин} (дб) =.

Пример. Определить Р_{пр мин} (дБ) если Р_{с мин} = 10^-14 Вт, Р_оп = 10 мкВт.

Р_{пр мин} = 10 lg Р_оп / Р_{с мин} = 10 lg ·10^-5 / 5 ·10^-14 = 83 дБ.

Это значит, что реальная чувствительность приемника выше уровня 10 мкВт в 3 ·10⁸ или на 83 дБ. Современные приемники имеют чувствительность 10^-14 – 10^-19 Вт.

Чувствительность измеряется с помощью генераторов стандартных сигналов (ГСС), подключаемых ко входу испытуемого приемника и осциллографа, на который подаются сигналы с его выхода (рис. 1.4, слайд № 9). ГСС должен работать в режиме импульсной модуляции (внутренней или внешней) с помощью специального генератора видеоимпульсов и вырабатывать радиоимпульсы, длительность и частота которых должна соответствовать значениям зондирующих импульсов РЛС. Несущая частота ГСС должна соответствовать частоте, на которую настроен приемник. В начале измерений ГСС отключают от приемника и регулировкой усиления приемника устанавливают по осциллографу заданный уровень шума (высоту шумовой дорожки). Если этот уровень специально те оговорен, то вводят максимальное усиление. Подключая ГСС к приемнику, подстраивают его по максимуму амплитуды изображения импульса. С помощью аттенюатора уменьшают его выходную мощность до получения заданного превышения амплитуды импульсов сигнала над шумами на экране осциллографа или до тех пор, пока импульсы еще уверенно различают на фоне шумов. При этом выходная мощность ГСС будет равняться чувствительности приемника.

Рис.1.4. Схема измерения чувствительности приемника

В диапазоне СВЧ чувствительность ограничивается внутренними шумами приемника. На входе приемника отношение сигнала к шумам (U_{с вх} / U_{ш вх}) является наибольшим. По мере прохождения сигнала к выходу приемника это отношение уменьшается, так как к входным шумам прибавляются внутренние шумы приемника. Поэтому чувствительность приемника оценивается коэффициентом шума.

Коэффициентом шума к_ш называется число, показывающее во сколько раз отношение сигнала к мощности шума на входе приемника больше, чем на выходе:

.

Понятие коэффициента шума применено не только к многокаскадному, но и к любому его каскаду. Для многокаскадного приемника коэффициент шума определяется по формуле:

,

где к_ш1, к _ш2, к _ш3 – коэффициент шума 1, 2, 3 каскадов приемника;

к₁, к₂ - коэффициенты усиления 1, 2 каскадов приемника.

Из формулы видно, что , к _ш многокаскадного приемника определяется в основном шумами первых каскадов.

Зависимость между чувствительностью, полосой пропускания и коэффициентом шума определяется следующим выражением:

Р_{пр мин} = кТ₀ · к_ш · 2Δf ,

где Р_{пр мин} – предельная чувствительность, Вт;

к - постоянная Больцмана, 1,38 ·10^-23 Дж/град;

Т₀ =300 К – температура по Кельвину; (кТ₀ = 4 ·10^-21 Вт/МГц);

2Δf - полоса пропускания, Мгц.

Современные радиолокационные приемники имеют коэффициент шума к_ш = 1 ÷ 10.

Одним из способов измерения коэффициента шума приемника основан на использовании генератора стандартного шума (ГСШ), подключаемого ко входу испытуемого приемника, и индикатора относительной мощности шума (ИМШ), подключаемого к его выходу (рис. 1.5, слайд № 9).

Рис.1.5. Схема измерения коэффициента шума приемника

Источником шума в ГСШ является шумовой диод, который вырабатывает сигнал со спектром, близким к реальному шуму. Изменяя величину накала диода («УСТ.УРОВНЯ ШУМА»), можно изменять мощность шума на входе приемника. Индикатором мощности шума может служить прибор постоянного тока (ИП-2), включенный после детектора приемника. Для измерения коэффициента шума вначале производят отсчет этого прибора при включенном ГСШ, при этом «шумит» только приемник (прибор измеряет напряжение, пропорциональное величине внутренних шумов приемника), затем включают ГСШ и регулировкой УСТ. УРОВНЯ ШУМА устанавливают такое значение мощности шумов, при котором величина шумов на выходе приемника удваивается; это соответствует увеличению показания прибора ИП-2 в два раза, если характеристика детектора квадратична. По показанию прибора ИП-1 производится отсчет величины коэффициента шума.

Избирательность (σ) приемника характеризует его способность отделять полезный высокочастотный сигнал от всех мешающих сигналов. На практике наиболее опасными являются помехи от соседних станций и зеркальные помехи.