Приёмопередатчик радара непрерывного излучения с расширенным динамическим диапазоном

Изобретение относится к области активной радиолокации и может быть использовано при проектировании и создании цифровых широкополосных речных, морских и охранных радиолокационных систем. Достигаемый технический результат - расширение динамического диапазона приемо-передающего тракта РЛС, снижение ее чувствительности к перегрузкам сигналами, отраженными близко расположенными к РЛС рассеивателями, и, как следствие, повышение ее энергетического потенциала. Устройство содержит определенным образом соединенные между собой передающую и приемную антенну, усилитель мощности, два управляемых аттенюатора, малошумящий усилитель, направленный ответвитель, четыре полосовых фильтра, умножитель частоты, делитель мощности на два, два усилителя промежуточной частоты, два смесителя СВЧ, выполненных по технологии А₃В₅ (например, из арсенида галлия), один смеситель СВЧ, выполненный по технологии кремний или Si-Ge, корректирующий фильтр и видеоусилитель. 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области активной радиолокации и может быть использовано при проектировании и создании цифровых широкополосных речных и морских, а также охранных радиолокационных систем.

Уровень техники

Известен приемно-передатчик тракт морского цифрового широкополосного радиолокатора фирмы «Lowrance» (www.lowrance.com), предназначенный для ближнего обзора пространства с высоким разрешением по дальности.

Известен приемно-передатчик тракт радиодальномера (Бакулев П.А \\ Радиолокационные системы. \\ Учебник для вузов. \\ М.: Радиотехника. 2004 г., 320 с, ил., 233-234 с).

Принцип действия известных аналогов, основан на использовании непрерывного ЛЧМ зондирующего сигнала в качестве сигнала опорного гетеродина при гомодинной обработке отраженных от радиолокационных объектов сигналов. При этом принятый сигнал радиолокационного отклика преобразуется в сигнала биений, который формируется как разность «мгновенных» частот излученного и отраженного от РЛ объектов сигналов, и поэтому в спектре которого содержится информация о дальности до отражающего объекта и его отражательной способности. Приемо-передатчики тракты аналогов имеют сигнальные вход и выход, причем в качестве входного сигнала для формирования сигнала излучения используют сигнал ЛЧМ, сформированный цифровым формирователем радиосигнала, а в качестве выходного сигнала выступает относительно низкочастотный сигнал биений, обрабатываемым цифровым вычислительным анализатором спектра.

Недостатком известных технических решений является ограничение на динамический диапазон принимаемых сигналов радиолокационного отклика, вызванного особенностями работы гомодинного приемного тракта. Ограничение динамического диапазона проявляется в жестком ограничении принимаемого непрерывного сигнала СВЧ и, в конечном итоге, сигнала биений, в спектре которого появляется широкополосный шум, вызванный перегрузкой приемного тракта, работающего в при перегрузке в нелинейном режиме. Такое ограничение динамического диапазона сверху, вынуждает снижать мощность излучения, что снижает энергетический потенциал РЛС, а следовательно, и область применения этих устройств при решении задачи обнаружения слабо отражающих объектов.

Известен приемо-передатчик навигационной радиолокационной выбранный нами за прототип (Руководство по эксплуатации http://www.micran.ru/sites/micran_ru/data/UserFile/File/reka/UM_REKA_rus_1%2003_WEB.pdf), который имеет выход и вход сигналов СВЧ, к которым подключают передающую и приемную антенны РЛС, усилитель мощности, аттенюатор, направленный ответвитель, полосовой фильтр, умножитель частоты на n, малошумящий усилитель, полосовой фильтр, аттенюатор, СВЧ смеситель, корректирующий фильтр и видеоусилитель, вход и выход сигналов промежуточной частоты, к которым подключают устройство цифровых формирования сигнала излучения и обработки отраженного РЛ объектами сигнала, а также цифровой вход управления для регулировки коэффициентов усиления приемной и передающей частей приемо-передающего тракта.

Принцип действия РЛС указанного типа основан на использовании непрерывного ЛЧМ зондирующего сигнала в качестве сигнала опорного гетеродина при гомодинной обработке отраженных от радиолокационных объектов сигналов. При этом принятый сигнал радиолокационного отклика преобразуется в сигнала биений, который формируется как разность «мгновенных» частот излученного и отраженного от РЛ объектов сигналов. Поэтому информация о дальности до отражающего объекта и его отражательной способности содержится в спектре сигнала биений. Приемо-передатчик прототипа имеет сигнальные вход и выход промежуточной частоты, причем в качестве входного сигнала для формирования сигнала излучения используют сигнал ЛЧМ, сформированный цифровым формирователем радиосигнала, а в качестве выходного сигнала выступает относительно низкочастотный сигнал биений, обрабатываемым цифровым вычислительным анализатором спектра. Входы управления приемо-передатчика служат для управления усилением его приемной и передающей части посредством аттенюаторов с цифровым управлением. К СВЧ входу и выходу ППТ подключают приемную и передающую антенны, соответственно.

Недостатком известного технического решения является ограничение на динамический диапазон принимаемых сигналов радиолокационного отклика, вызванного особенностями работы гомодинного приемного тракта. Ограничение динамического диапазона проявляется в жестком ограничении принимаемого непрерывного сигнала СВЧ, отраженного близко расположенными к РЛС отражающими объектами, и, в конечном итоге, ограничению сигнала биений, в спектре которого появляется широкополосный шум, вызванный перегрузкой приемного тракта, работающего в при перегрузке в нелинейном режиме. Такое ограничение динамического диапазона сверху, вынуждает снижать мощность излучения, что снижает энергетический потенциал РЛС, а следовательно, и область применения этих устройств при решении задачи обнаружения слабо отражающих объектов.

Сущность изобретения

Основная техническая задача, решаемая предложенным решением, направлена на расширение динамического диапазона амплитуд, принимаемых усовершенствованным приемо-передатчиком, при которой не нарушается работа РЛС из-за перегрузки приемного канала. Расширение динамического диапазона происходит вверх (т.е. в области больших сигналов), что позволяет поднять мощность излучения, а значит, повысить энергетический потенциал РЛС.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в приемо-передатчике радара непрерывного излучения с расширенным динамическим диапазоном, включающем передающую и приемную антенны, усилитель мощности, первый аттенюатор, направленный ответвитель, первый полосовой фильтр, умножитель частоты на n, малошумящий усилитель, второй полосовой фильтр, второй аттенюатор, первый СВЧ смеситель, корректирующий фильтр и видеоусилитель, вход умножителя частоты на n является сигнальным входом промежуточной частоты приемо-передатчика, а выход умножителя частоты на n соединен со входом полосового фильтра, выход которого соединен со входом направленного ответвителя, выход которого соединен со входом первого аттенюатора, выход которого соединен со входом усилителя мощности, выход усилителя мощности является выходом СВЧ приемо-передатчика, входом СВЧ приемо-передатчика является вход малошумящего усилителя, выход которого соединен со входом второго полосового фильтра, выход которого соединен со входом второго аттенюатора, выход которого соединен с сигнальным входом первого СВЧ смесителя, интерфейсные входы управления первого и второго аттенюаторов на объединены в единый вход управления приемо-передатчика, согласно предложенному решению, дополнительно введены СВЧ гетеродин, делитель мощности СВЧ, второй СВЧ смеситель, третий и четвертый полосовые фильтры, два усилителя промежуточной частоты, и третий ВЧ смеситель, причем входы третьего и четвертого полосовых фильтров, соединены с выходами второго и первого смесителей СВЧ, соответственно, гетеродинные входы первого и второго смесителей СВЧ соединены с выходами СВЧ делителя мощности, второй выход направленного ответвителя соединен с сигнальным входом второго СВЧ смесителя, вход делителя мощности СВЧ соединен с выходом СВЧ гетеродина, выходы третьего и четвертого полосовых фильтров соединены с входами первого и второго усилителей промежуточной частоты, соответственно, выходы первого и второго усилителей промежуточной частоты соединены с гетеродинным и сигнальным входами третьего СВЧ смесителя, соответственно, выход третьего СВЧ смесителя соединен со входом корректирующего фильтра, выход корректирующего фильтра соединен со входом видеоусилителя, выход которого является сигнальным выходом промежуточной частоты приемо-передатчика, при этом первый и второй СВЧ смесители выполнены на основе материала типа А₃В₅, а третий СВЧ смеситель выполнен на основе кремния или Si-Ge.

Таким образом, основную техническую задачу в предложенном решении достигают путем оптимизации формирования низкочастотного сигнала биений в процессе обработки принимаемого отраженного ЛЧМ широкополосного сигнала за счет изменения построения приемо-передатчика. При этом арсенид-галлиевые СВЧ смесители, имеющие повышенный уровень шума в спектральной области сигнала биений, но обладающие наилучшими частотными свойствами (коэффициент преобразования и коэффициент шума), используется для переноса спектра принимаемого и излученного сигналов не непосредственно на "нулевую", а на высокую промежуточную частоту, из сигналов которой с помощью кремниевого СВЧ смесителя осуществляется формирование сигнала биений, при этом шумовые свойства кремниевого СВЧ смесителя в частотной области оптимальны, кроме того кремниевые СВЧ смесители способны работать с сигналами заметно большей амплитуды, чем арсенид-галлиевые.

Изобретение поясняется рисунком, на котором изображена функциональная схема предложенного приемо-передающего модуля РЛС с СВЧ соединен с выходом СВЧ гетеродина 16, выходы третьего 12 и четвертого 13 полосовых фильтров соединены с входами первого 14 и второго 15 усилителей промежуточной частоты, соответственно, выходы первого 14 и второго 15 усилителей промежуточной частоты соединены с гетеродинным и сигнальным входами третьего СВЧ смесителя 17, соответственно, выход третьего СВЧ смесителя 17 соединен со входом корректирующего фильтра 18, выход которого соединен с входом видеоусилителя 19, выход которого является сигнальным выходом промежуточной частоты приемо-передатчика, при этом первый и второй СВЧ 9 и 11 смесители должны быть выполнены на основе материала типа А₃В₅ (например, на арсениде галлия), а СВЧ смеситель 17 обязательно должен быть на основе кремния или Si-Ge.

Работа заявляемого приемо-передатчика РЛС с широкополосным непрерывным ЛЧМ излучением осуществляется следующим образом. На сигнальный вход промежуточной частоты приемо-передатчика поступает непрерывный периодически повторяющийся ЛЧМ радиосигнал на несущей частоте Ω₀ c шириной полосы ΔΩ. Этот сигнал умножается в n раз по частоте в умножителе частоты и фильтруется первым полосовым фильтром. При умножении ЛЧМ сигнала в n раз его спектр расширяется в n раз и равен:

ΔF=n⋅ΔΩ',

поэтому полоса пропускания первого полосового фильтра должна быть равна ΔF_ПФ1,2=ΔF, а центральная частота его полосы пропускания F_0ПФ1,2=n⋅Ω₀ должна быть равна СВЧ несущей F_0ПФ1,2=F₀. Выходной сигнал с первого полосового фильтра 4 поступает на вход направленного ответвителя 3, с первого выхода которого поступает на вход первого аттенюатора 2, где регулируется по мощности в соответствии с управляющим кодом, загруженным по цифровому интерфейсу, и усиливается усилителем мощности 1 и поступает на выход СВЧ приемо-передатчика, к которому подключается передающая антенна, с помощью которой он излучается в пространство. Со второго выхода направленного ответвителя 3 ЛЧМ сигнал на СВЧ несущей поступает на сигнальный вход второго СВЧ смесителя 11.

Отраженный РЛ от объектов, находящихся в главном лепестке ДН передающей антенны, ЛЧМ сигнал принимается приемной антенной, выход которой подключен к сигнальному СВЧ входу приемно-передатчика. Входной сигнал СВЧ усиливается малошумящим усилителем (МШУ) 6, фильтруется вторым полосовым фильтром 7, с шириной полосы пропускания ΔF_ПФ1,2:

ΔF_ПФ1,2=n⋅ΔΩ

и ее центральной частотой F₀ поступает на сигнальный вход первого СВЧ смесителя 9. На гетеродинный вход первого СВЧ смесителя 9 поступает сигнал с первого выхода делителя мощности СВЧ 10. Входным сигналом делителя мощности СВЧ 10 является сигнал с первого выхода СВЧ гетеродина 16, формирующего непрерывное колебание фиксированной частоты F_LO=F₀-IF, где несущая промежуточной частоты IF<<ΔΩ. Сигнал СВЧ гетеродина 16 со второго выхода делителя мощности СВЧ 10 поступает на гетеродинный вход второго СВЧ смесителя 11. Выходные сигналы первого и второго СВЧ смесителей 9 и 11 после обработки полосовыми фильтрами 12 и 13, полоса пропускания которых равна ширине спектра ЛЧМ модуляции ΔF_ПФ3,4=ΔΩ, а центральная частота равна несущей ПЧ IF=F₀-F_LO, имеют идентичную частотно-временную структуру, а именно, являются ЛЧМ сигналами с прямоугольной огибающей, и взаимный временной сдвиг, определяемый дальностью до объекта, от которого пришел отраженный сигнал. После усиления в усилителях промежуточной частоты 14 и 15 два сигнала ЛЧМ сигнала на несущей ПЧ поступают на входы СВЧ смесителя 17, причем сигнал излучения - на его гетеродинный вход, сигнал РЛ отклика - на сигнальный вход. На выходе СВЧ смесителя 17 формируется видеосигнал (сигнал биений), спектр которого однозначно отображает дальность до объектов и их эффективную поверхность рассеяния (ЭПР). Этот сигнал является положительным свойством заявляемой схемы приемо-передатчика и позволяет заметно снизить его стоимость.

Построение приемо-передатчика по указанной схеме позволяет использовать аналоговую гомодинную предварительную обработку ЛЧМ сигнала с характеристиками обычного супергетеродина по чувствительности и/или динамическому диапазону, что недостижимо при построении РЛС с непрерывным ЛЧМ сигналом, имеющей гомодинный приемник с единственным смесителем в диапазоне длин волн 3 см, поскольку обладающие хорошими шумовыми свойствами в области нулевых "частот" (спектра биений) кремниевые смесители работают на частотах до 6-8 ГГц, а применение ареснид-галлиевого смесителя не обеспечивает ожидаемых шумовых характеристик, что вынуждает для сохранения приемлемого коэффициента шума приемника повышать коэффициент усиления МШУ, что снижает динамический диапазон на 20-30 дБ. Эта особенность принимает принципиальное значение при повышении рабочей частоты РЛС, например, с 9430 МГц до частоты 35 ГГц или 76 ГГц (диапазоны работы РЛС охранных систем), и расширении полосы излученного сигнала до 2 ГГц и более в миллиметровых диапазонах длин волн.

Предлагаемый СВЧ тракт полностью работоспособен и сохраняет расширенный динамический диапазон.

Приемопередатчик радара непрерывного излучения с расширенным динамическим диапазоном, включающий передающую и приемную антенны, усилитель мощности, первый аттенюатор, направленный ответвитель, первый полосовой фильтр, умножитель частоты на n, малошумящий усилитель, второй полосовой фильтр, второй аттенюатор, первый СВЧ смеситель, корректирующий фильтр и видеоусилитель, вход умножителя частоты на n является сигнальным входом промежуточной частоты приемопередатчика, а выход умножителя частоты на n соединен со входом первого полосового фильтра, выход которого соединен со входом направленного ответвителя, выход которого соединен со входом первого аттенюатора, выход которого соединен со входом усилителя мощности, выход усилителя мощности является выходом СВЧ приемопередатчика, входом СВЧ приемопередатчика является вход малошумящего усилителя, выход которого соединен со входом второго полосового фильтра, выход которого соединен со входом второго аттенюатора, выход которого соединен с сигнальным входом первого СВЧ смесителя, интерфейсные входы управления первого и второго аттенюаторов объединены в единый вход управления приемопередатчика, отличающийся тем, что дополнительно введены СВЧ гетеродин, делитель мощности СВЧ, второй СВЧ смеситель, третий и четвертый полосовые фильтры, два усилителя промежуточной частоты и третий СВЧ смеситель, причем входы третьего и четвертого полосовых фильтров соединены с выходами второго и первого смесителей СВЧ соответственно, гетеродинные входы первого и второго смесителей СВЧ соединены с выходами СВЧ делителя мощности, второй выход направленного ответвителя соединен с сигнальным входом второго СВЧ смесителя, вход делителя мощности СВЧ соединен с выходом СВЧ гетеродина, выходы третьего и четвертого полосовых фильтров соединены с входами первого и второго усилителей промежуточной частоты соответственно, выходы первого и второго усилителей промежуточной частоты соединены с гетеродинным и сигнальным входами третьего СВЧ смесителя соответственно, выход третьего СВЧ смесителя соединен со входом корректирующего фильтра, выход корректирующего фильтра соединен со входом видеоусилителя, выход которого является сигнальным выходом промежуточной частоты приемопередатчика, при этом первый и второй СВЧ смесители выполнены на основе материала типа А₃В₅, а третий СВЧ смеситель выполнен на основе кремния или Si-Ge.