5.11. Радиоприемные устройства (РПрУ) РЛС

5.11.1. Назначение и характеристики радиоприемных устройств РЛС

Радиоприемное устройство (РПрУ) радиолокационной станции решает следующие основные задачи:

• выделение сигналов, отраженных от воздушных объектов, из множества других сигналов (частотная селекция);
• усиление отраженных сигналов и их преобразование по частоте;
• детектирование высокочастотных сигналов и преобразование их к виду, удобному для отображения на экране индикаторного устройства;
• обработка сигналов с целью подавления помех.

Основные технические характеристики РПрУ :

Чувствительность приемника Pпр min это минимальная мощность сигнала на его входе, при которой еще возможен устойчивый прием и обнаружение  отраженных сигналов с заданной вероятностью.

Различают предельную и реальную чувствительность.

Предельной чувствительностью приемника Pпр. min называют такую минимальную мощность сигнала на входе приемника, которая обеспечивает на выходе его линейной части (входе детектора) отношение по мощности сигнала к шуму, равное единице.

,

где: - эффективная шумовая температура антенны;

П эф - эффективная (шумовая) полоса пропускания РПрУ;

Кш пр -     коэффициент шума РПрУ;

n    -     коэффициент различимости;

Т0 = 293 К - стандартная шумовая температура;

k=1,38 10-23 Дж/С - постоянная Больцмана.

Коэффициент различимости численно равен минимально допустимому отношению сигнал/шум на выходе линейной части приемника, при котором сигнал на выходе приемника может быть уверенно обнаружен.

Коэффициент шума каскада Кш показывает, во сколько раз ухудшится отношение сигнал/шум (Рс/Рш) при прохождении этого каскада:

Коэффициент шума РПрУ Кш пр, состоящего из n каскадов (рис.), определяется через коэффициенты усиления и шума каждого каскада

Рис. Принцип определения коэффициента шума многокаскадного РПрУ

Реальной чувствительностью приемника Pp.min называют такую мощность сигнала на его входе, которая обеспечивает на выходе линейной части приемника отношение сигнал/шум, равное коэффициенту различимости q .

Реальная и предельная чувствительность связаны зависимостью:

Pp . min = P п p . min ´ q .

Чувствительность приемника тем выше, чем меньше величина Pпp.min. В современных приемниках РЛС Pпp.min = 10-13 – 10-18 Вт.

Чувствительность приемника РЛС ограничивается его собственными шумами. Они возникают в антенно-волноводном тракте, сопротивлениях, электронных лампах и полупроводниковых приборах.

Причинами шумов являются беспорядочное тепловое движение электронов в проводниках, неравномерное излучение электронов катодами в электронных лампах и т.д. С увеличением температуры уровень собственных шумов возрастает. Интенсивность шумов весьма мала. Однако проходя через приемник с большим усилением, они создают на его выходе напряжение, способное привести в действие оконечное устройство. На экране индикатора они наблюдаются в виде шумовой дорожки.

Динамический диапазон приемника показывает отношение максимального и минимального входных сигналов, в пределах которого он еще обеспечивает нормальную работу. Важность динамического диапазона связана с наличием на его входе помех и большого разброса амплитуд полезных сигналов. Количественно динамический диапазон оценивается выраженным в децибелах отношением максимального входного сигнала, обработка которого приемником производится еще с допустимыми искажениями, к чувствительности приемника,:

Д=10 ´ lg (Рпр.max /Р пр.min) .

Динамический диапазон приемных систем современных РЛС должен быть не менее 70 - 80 дБ. Его расширение достигается за счет повышения чувствительности приемника, применения схем регулирования усиления и использования специальных усилительных приборов.

Усилительные свойства приемника характеризуются коэффициентом усиления . Различают коэффициент усиления по мощности КР и коэффициент усиления по напряжению КU.

Коэффициент усиления по мощности – это отношение мощности сигнала на выходе приемника Рвых. к мощности на его входе Рвх.:

КР=Рвых/Рвх .

Коэффициент усиления по напряжению определяется аналогично:

КU=Uвых/ Uвх .

Коэффициент усиления определяется в относительных единицах или децибелах:

К U дб =20 lg К U .

КРдб=10 lg КР .

В современных приемниках общее усиление может достигать

КР = (0,1-10)´1013 или соответственно КР = 120 - 140 дБ.

Избирательность показывает возможность устойчивого приема полезного сигнала в условиях наличия других сигналов. (Избирательность может быть пространственная, частотная, временная и т. п.).

Количественно частотная избирательность приемника характеризуется его полосой пропускания D f . Избирательность приемника тем выше, чем ближе форма его амплитудно-частотной характеристики к П-образной.

Диапазон рабочих частот определяется значением крайних частот, обрабатываемых приемником. Он определяется следующими требованиями:

• приемник должен допускать настройку на любую частоту диапазона;
• характеристики приемника в этом диапазоне должны изменяться в заданных пределах.

Зачастую диапазон рабочих частот называют по длине волн, обрабатываемых приемником. В диапазоне СВЧ, например, различают приемники сантиметрового, дециметрового и метрового диапазонов.

Помехоустойчивостью приемника называют его способность обеспечивать достоверное выделение полезного сигнала при действии различного рода помех.

К основным эксплуатационным характеристикам радиоприемников относятся:

Электромагнитная совместимость (ЭМС ) - это возможность совместной работы радиоэлектронной аппаратуры с другой аппаратурой, которая создает мешающее радиоизлучение.

Надежность работы, которая оценивается средним временем или вероятностью безотказной работы. Эта характеристика зависит как от выбранной структурно-функциональной схемы приемника, так и от надежности отдельных элементов схемы, их количества, облегченных режимов работы наиболее важных элементов, в особенности электронных приборов. Главным направлением повышения надежности является использование интегральной техники, а также дублирование и резервирование наименее надежных элементов или целых узлов приемника.

Габариты и масса приемника. Линейные размеры, занимаемый объем, а также масса часто являются одними из основных характеристик приемников, устанавливаемых на вооружении и военной технике.

Ремонтопригодность , определяющая характер устранения неисправностей, т.е. возможность замены элементов, целых блоков или  приемника в целом.

К основным производственно - экономические характеристикам радиоприемников относятся: стоимость приемника, сроки морального износа, соответствие мировым стандартам, степень унификации.

5.11.2. Супергетеродинный приемник

Приемная система радиолокационной станции обнаружения воздушных объектов выполняется, как правило, по схеме супергетеродинного приемника (рис. 1).

Рис.1. Структурная схема типового супергетеродинного приемника

Отличительной особенностью супергетеродинного приема является перенос спектра принимаемого сигнала из области высокой частоты (единицы - десятки гигагерц) в область промежуточной частоты (единицы - десятки мегагерц) с помощью местного маломощного генератора (гетеродина).

Достоинства:

- основная оптимальная обработка принятого сигнала - усиление и частотная селекция в супергетеродинном приемнике вынесена из области высоких частот в область промежуточных и осуществляются в усилителе промежуточной частоты (УПЧ). На промежуточных частотах (единицы - десятки МГц) обработка сигнала технически проще и существенно дешевле, чем на высоких (единицы - десятки ГГц).

- при изменении несущей частоты сигнала нет необходимости менять параметры настройки оптимального приемника, достаточно изменить частоту гетеродина.

Это дает возможность строить приемники радиосигналов на различных несущих частотах с хорошими показателями чувствительности и избирательности, так как основная обработка сигнала осуществляется в диапазоне промежуточных частот.

На вход усилителя высокой частоты (УВЧ) поступает смесь сигналов и помех от антенны. УВЧ выполняет предварительную селекцию по частоте, тем самым, обеспечивая защиту приемника от зеркальных каналов приема (рис. 2).

Рис. 2. Принцип частотной селекции в супергетеродинном РПрУ.

Усиление сигналов в УВЧ обеспечивает высокую чувствительность приемника в целом за счет снижения коэффициента шума.

Преобразователем частоты называют устройство, с помощью которого спектр принимаемого сигнала переносится, из области высокой частоты, в область промежуточной частоты. Если преобразование сигнала выполнено без искажений, то сохраняется вся информация, заложенная в параметрах модуляции принимаемого сигнала, а значение промежуточной частоты fПЧ будет равно

fПЧ = |fГ - fС|,

где fС и fГ - частоты, соответственно, сигнала и гетеродина.

УПЧ обеспечивает основное усиление и частотную избирательность приемника.

Детектор (Д) выделяет закон модуляции сигнала, т.е. извлекает полезную информацию.

5.11.3. Радиоприемное устройство РЛС с непрерывным ЗС

Используется в РЛС обнаружения на малых высотах на дальности прямой видимости в условиях постановки противником помех. Диапазон длин волн – сантиметровый.

Основные требования, предъявляемые к  радиоприемному устройству (РПрУ):

- оптимальная обработка и измерение параметров ЗС двух видов: немодулированный непрерывный сигнал и непрерывный сигнал с линейной частотной модуляцией;

- высокая чувствительность;

- возможность быстрой перестройки частоты.

Приемное устройство такой станции имеет вид, показанный на

рисунке.

Основными элементами приемника являются усилитель высоких частот, преобразователь частоты принятого сигнала и линейка частотных фильтров.

Задача усилителя высоких частот – усиление принятого сигнала до величины, необходимой для дальнейшей уверенной его обработки (извлечения полезной информации).

Преобразователь частоты позволяет понизить частоту принятого сигнала до некоторого промежуточного значения, на котором могут работать последующие каскады приемника. Полезная информация при этом сохраняется.

Линейка частотных фильтров представляет собой набор фильтровых каналов, настроенных на различные резонансные частоты. Количество таких фильтров зависит от того, какие пределы разрешения воздушных объектов по тем или иным координатам заложены в технические характеристики станции.

Получив на выходе приемного устройства необходимый полезный сигнал можно отобразить его на экране контрольного индикатора. При этом станция может не только определить наличие воздушного объекта, но и оценить некоторые его характеристики. Например, скорость полета и направление движения относительно РЛС.

5.11.4. Радиоприемное устройство РЛС с импульсным ЗС

Используется в РЛС обнаружения на средних и больших высотах, для работы на максимально возможных дальностях в условиях постановки противником помех.  Диапазон длин волн – дециметровый.

Основные требования, предъявляемые к радиоприемному устройству (РПрУ):

- оптимальная обработка и измерение параметров импульсного ЗС двух видов: простой прямоугольный радиоимпульс и радиоимпульс с линейной частотной модуляцией;

-  высокая чувствительность;

- возможность быстрой перестройки частоты.

Построено по схеме супергетеродинного приемника. Реализует обработку обоих видов зондирующих сигналов с помощью оптимальных фильтров. Приемник способен обнаруживать цели в автоматическом режиме, для чего в состав приемника включены пороговые устройства (факт превышения принятым сигналом порога воспринимается как обнаружение цели). Для повышения качества обнаружения сигналов в РПрУ применяется последетекторное (некогерентное) накопление сигналов и повторная проверка на превышение порога.

Особенностью данной РЛС является отсутствие собственных вычислительных средств, поэтому для дальнейшей обработки РЛИ применяются вычислительные мощности командного пункта ЗРС.

5.11.5. Радиоприемное устройство многофункциональной РЛС

Используется в качестве многофункциональной РЛС управления стрельбой в условиях постановки противником помех.  Диапазон длин волн – сантиметровый.

Основные требования, предъявляемые к радиоприемному устройству (РПрУ):

- оптимальная обработка и измерение параметров различных видов сигналов:

при поиске цели КППРИ;

при визировании цели КППРИ;

при захвате и визировании ракеты пачка ответных импульсов;

при приеме бортовой информации ракеты - ее импульсный код;

- высокая чувствительность;

- возможность быстрой перестройки частоты.

Радиоприемное устройствомногофункционального локатора представляет собой совокупность нескольких специализированных приемников:

• для параллельного обзора пространства по координатам дальность-скорость при поиске целей используется многоканальный корреляционно-фильтровой приемник;
• для измерения координат целей используется корреляционно-фильтровой приемник, реализующий дискриминаторы для всех измеряемых координат;
• для захвата ракет, измерения их координат, приема бортовой информации по линии связи ракета-РЛС используется широкополосный приемник с некогерентным накоплением сигналов.

Рис.  Структура РПрУ

Перестройка частоты всех приемников осуществляется синхронно с изменением несущей частоты ЗС.

Для защиты от АШП, действующих по боковым лепесткам ДН, в высокочастотной части РПрУ реализован многоканальный квадратурный автокомпенсатор помех. В случае воздействия АШП по главному лепестку ДН, приемник, совместно с вычислительными средствами УУиС, обеспечивает определение направления на помехопостановщик (определяет пеленг постановщика помехи).

Для защиты от пассивных помех (ПП) в состав всех каналов целевых приемников включены частотно-временные селекторы.

Во всех приемниках используются цепи автоматической регулировки усиления (АРУ) и автоматической регулировки фазы (АРФ):

• в измерительных приемниках для устранения аппаратных (т.е. вносимых некорректными настройками аппаратуры) ошибок в измерении координат;
• в обзорном приемнике (используется только АРУ по шумам) для стабилизации уровня ложных тревог при автоматическом принятии решения о наличии или отсутствии цели.