УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ РАДИОЛОКАЦИОННОГО МАЯКА-ОТВЕТЧИКА
SIGNAL PROCESSING DEVICE FOR RADAR TRANSPONDER BEACON

Предлагаемое изобретение относится к устройствам обработки импульсных радиосигналов и может быть использовано в аппаратуре радиолокационных и навигационных ответчиков, а также станций пассивной разведки.
В ряде радиотехнических устройств, в частности в маяках- ответчиках навигационных и радиолокационных систем с активным ответом, а также в станциях пассивной разведки и локации, необходимо определение временных и амплитудных характеристик импульсных сигналов, принимаемых в широком диапазоне частот (с перекрытием по частоте до 1,5÷1,8), следующих со случайными временными интервалами и имеющих большой разброс амплитуд последовательно принимаемых импульсов (до 40-60 дБ и более). Обеспечение высоких точностных показателей измерений амплитудно-временных характеристик каждого импульса в этих условиях является сложной технической задачей. Известные технические решения пригодны лишь для частных сочетаний отдельных требований и не удовлетворяют всему комплексу условий работы и требований.
Известные устройства для определения амплитуды и временного положения импульсных сигналов, изменяющихся по амплитуде случайным образом в большом динамическом диапазоне, выполняются в виде многокаскадных усилителей (например, на промежуточной частоте) с определенным усилением на каждый каскад и имеющих отводы от последовательных каскадов. К этим отводам подключаются детекторы с пороговыми устройствами, выходы которых соединены со схемой совместной обработки. Такое устройство описано, например, в статье Б.Н. Митяшева, А.С. Терентьева, В.Н. Губарчука "Временная фиксация импульсов с большим динамическим диапазоном амплитуд" ("Радиотехника", т.30, №1, 1975, стр.61-66).
Многокаскадное устройство приема и обработки сигналов в виде нескольких последовательно соединенных усилителей промежуточной частоты с промежуточными отводами применено в ответчике навигационной системы "Такан" по патенту США №3713857 (343-6.8 LC, G01S 7/28). Недостатком этих устройств является невозможность обеспечения одновременного приема сигналов в диапазоне частот с требуемым перекрытием 1,5÷1,8 (т.е. для сантиметрового диапазона в полосе частот порядка тысяч и более мГц). Кроме того, точность и стабильность результатов измерений в таких устройствах зависит от стабильности коэффициентов усиления последовательных каскадов, при увеличении полосы пропускания (т.е. перекрытия по частоте) возрастают трудности обеспечения идентичности и постоянства усиления отдельных каскадов, что приводит к изменениям величин отдельных градаций по уровню и точности.
Известен другой вариант построения устройства определения амплитуды импульсного сигнала, в котором на выходе радиолокационного приемника включается пиковый детектор с многопороговым устройством кодирования (патент США №3392386, 345-5, H03к - многопороговый цифровой амплитудный дискриминатор). Такое устройство с пиковым детектором обеспечивает измерение только амплитудных характеристик и не дает возможности определения временных параметров импульсов (длительностей, положения фронтов). Кроме того, при таком построении достижимая точность измерения ограничивается нелинейностью амплитудной характеристики усилительного тракта в динамическом диапазоне, остаются в силе ограничения по частотному диапазону. При использовании дискриминатора по патенту США №3392386 по прямому назначению - в радиолокационном приемнике - эти недостатки не имеют существенного значения, но в рассматриваемом случае указанный дискриминатор не обеспечивает требуемых точностей определения амплитудно-временных характеристик сигналов.
В качестве прототипа заявляемого устройства обработки сигналов для радиолокационного маяка-ответчика принят ответчик навигационной системы "Такан" по патенту США №3716857 как наиболее близкий по составу и назначению. В этом ответчике для точного определения амплитудно-временных характеристик принимаемых сигналов применен многокаскадный (по приведенной в патенте иллюстрации - 5-каскадный) усилитель промежуточной частоты с отводами от каскадов. К выходу усилителя и ко всем отводам подключены детекторы, нагруженные на пороговые устройства, которые в прототипе выполняют роль определителей половинной амплитуды импульсов. Выходы пороговых устройств подключены к схеме совместной обработки, состоящей из совокупности логических элементов (схем И, ИЛИ, декодирующих цепей) и обеспечивающей определение и кодирование измеряемых характеристик сигнала и выдачу их в последующие устройства для формирования сигнала ответа. Схема прототипа содержит ряд других устройств, общих для наземных маяков-ответчиков (приемная и передающая системы, формирователь сигнала ответа и др.) и несущественных для заявляемого устройства обработки. Недостатком примененного в прототипе построения устройства обработки принимаемых сигналов является невозможность обеспечения точного измерения параметров сигналов в широкой полосе частот, т.к. возможности расширения полосы УПЧ ограничены, а выполнение многокаскадной схемы с отводами на широкополосных усилителях высокой частоты сантиметрового диапазона (на лампах бегущей волны) не дает возможности реализовать требуемую точность и стабильность ввиду большой величины усиления одного каскада на ЛБВ (20-30 дБ) и значительного разброса усиления для разных экземпляров ЛБВ (порядка 4-7 дБ и более в зависимости от величины усиления).
Целью предложения является повышение точности и надежности (стабильности) определения амплитудно-временных характеристик сигналов в широкой полосе частот (при перекрытии по частоте до 1,5-1,8 и более в сантиметровом диапазоне волн).
Указанная цель достигается тем, что дополнительно к используемым элементам схемы прототипа (или их эквивалентам) - усилителю сигналов с подключенным к его выходу детектором, совокупности нескольких (N) пороговых схем, выходы которых подключены к схеме совместной обработки, в состав устройства введена резистивная матрица на N выходов с заданным коэффициентом деления, выходы резистивной матрицы через N идентичных видеоусилителей подключены к входам пороговых схем, вход резистивной матрицы подключен к выходу детектора, при этом усилитель сигналов выполнен в виде усилителя высокой частоты, например, на лампах бегущей волны.
Такое построение устройства обработки дает возможность в максимальной степени совместить выполнение требований широкополосности и точности моноимпульсного определения амплитудно-временных характеристик сигналов со случайно изменяющимися в широких пределах параметрами (амплитудами, несущими частотами, длительностями и междуимпульсными интервалами).
Блок-схема устройства обработки представлена на фиг.1.
Предлагаемое устройство обработки содержит: усилитель сигналов 1 (УС), детектор 2 (Д), резистивную матрицу 3 (РМ), видеоусилители 4 (ВУ), пороговые схемы 5 (ПС) и схему совместной обработки 6 (ССО).
Принятый антенной СВЧ сигнал усиливается в малошумящем двухкаскадном усилителе 1, собранном на лампах бегущей волны, которые обеспечивают суммарный коэффициент усиления более 40 дБ и линейность амплитудной характеристики в динамическом диапазоне входных сигналов более 40 дБ. Затем сигнал детектируется на детекторе 2 и подается на резистивную матрицу 3, выполняющую роль делителя сигналов и собранную в виде совокупности параллельно-последовательных резистивных цепочек (например, на микросхемах серии "Ладога"). Элементы цепочки делителя представляют собой высокоточные и стабильные резисторы. С выходов резистивной матрицы 3 сигнал поступает в видеоусилители 4, где усиливаются до величины, достаточной для устойчивого срабатывания пороговой схемы 5. Идентичные высокостабильные видеоусилители в предлагаемом устройстве могут быть выполнены на операционных усилителях (например, по типу интегральных схем серии 140 с глубокой отрицательной обратной связью). При этом стабильность определяется в основном резистивными элементами. Возможность такого построения ВУ обусловлена тем, что в данной схеме необходимое усиление полностью обеспечивается в усилителе высокой частоты с линейностью во всем динамическом диапазоне амплитудной характеристики. В качестве пороговой схемы 5 могут быть использованы триггеры Шмитта. В схеме совместной обработки 6 производится определение временных характеристик (длительностей, периода следования и т.д.) сигналов, а также кодирование измеряемых характеристик сигнала и выдача их в последующие устройства для формирования сигнала ответа.
Преимуществом предлагаемого устройства с параллельным построением измерительной цепочки является также меньшая вероятность полного отказа (пропуска сигнала) при выходе из строя элементов в каком-либо отводе, чем в известной схеме с последовательным включением каскадов, где отказ первых каскадов исключает возможность приема сигнала или существенно снижает вероятность приема. Количественные показатели выигрыша в надежности (или снижение вероятности пропуска) зависят от числа градаций и характера распределения принимаемых сигналов по уровню (амплитудам). Для конкретного случая применения шести отводов (как в прототипе) и при равномерном распределении сигналов по уровню во всем динамическом диапазоне выигрыш по надежности приема составляет около 1,3-1,4 раз (30-40%) в предположении, что надежность ВУ равна надежности одного каскада УПЧ.
По предложенному устройству разработан технический проект, ведется рабочее проектирование. Разработаны электрические схемы всех составных частей устройства, экспериментально приведено макетирование резистивной матрицы, видеоусилителя, пороговой схемы.
Основной положительный эффект заключается в повышении точности и надежности определения амплитудно-временных характеристик сигналов, имеющих большой разброс по амплитудам, в широком частотном диапазоне при унификации построения устройства за счет максимального использования серийных интегральных микросхем.