Приёмо-передающий модуль радиотехнических сигналов
TRANCEIVER MODULE OF RADIO-TECHNICAL SIGNALS

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к приемо-передающим элементам антенн, и может быть использовано в цифровых антенных решетках.
Известен "Приемо-передающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона" [RU №2454763 от 27.06.2012], содержащий, по меньшей мере, один переключатель "прием/передача" на 2 положения, контакт "вход-выход" которого является входом-выходом модуля, контакт "выход" в положении переключателя "передача" подключен ко входу передающего канала, включающего последовательно соединенные, по меньшей мере, один управляемый n-разрядный ступенчатый фазовращатель, предварительный усилитель мощности, выходной усилитель мощности, выход передающего канала, который является выходом модуля, и, по меньшей мере, один контакт "вход" в положении переключателя "прием", который подключен к выходу приемного канала, содержащего последовательно соединенные, по меньшей мере, один управляемый n-разрядный ступенчатый фазовращатель, по меньшей мере, один управляемый n-разрядный ступенчатый аттенюатор, по меньшей мере, один малошумящий усилитель, защитное устройство и вход приемного канала, который является входом модуля, переключатель имеет второй контакт "вход", к которому подключен коммутатор, передающий канал содержит дополнительный n-разрядный ступенчатый фазовращатель и два согласующих усилителя, при этом вход одного из усилителей соединен с контактом "выход" переключателя, а выход усилителя со входом дополнительного n-разрядного ступенчатого фазовращателя, вход второго усилителя соединен с выходом дополнительного n-разрядного ступенчатого фазовращателя, а выход усилителя со входом n-разрядного ступенчатого фазовращателя, причем оба фазовращателя подключены к одной схеме управления, приемный канал содержит дополнительный n-разрядный ступенчатый аттенюатор, выход которого соединен со входом n-разрядного ступенчатого аттенюатора, причем аттенюаторы подключены к одной схеме управления, дополнительный n-разрядный ступенчатый фазовращатель, выход которого соединен со входом первого n-разрядного ступенчатого фазовращателя, причем фазовращатели подключены к одной схеме управления, два согласующих усилителя, вход одного из которых соединен с выходом n-разрядного ступенчатого аттенюатора, а выход усилителя со входом дополнительного n-разрядного ступенчатого фазовращателя, вход второго усилителя соединен с выходом n-разрядного ступенчатого фазовращателя, а выход второго усилителя с контактом "вход" переключателя, и делитель мощности СВЧ-сигнала, вход которого соединен с выходом малошумящего усилителя, первый выход делителя соединен со входом дополнительного n-разрядного ступенчатого аттенюатора, а ко второму выходу делителя подключен второй приемный канал, содержащий последовательно соединенные дополнительный n-разрядный и n-разрядный ступенчатые фазовращатели, имеющие одну схему управления, дополнительный n-разрядный и n-разрядный ступенчатые аттенюаторы, имеющие одну схему управления, и два согласующих усилителя, вход одного из которых соединен с выходом n-разрядного ступенчатого фазовращателя, а выход усилителя со входом дополнительного n-разрядного ступенчатого аттенюатора, вход второго усилителя соединен с выходом n-разрядного ступенчатого аттенюатора, а выход второго усилителя соединен с выходом второго приемного канала, который является выходом модуля, при этом в каждом канале каждая схема управления фазовращателями или аттенюаторами содержит преобразователь последовательного кода управления в параллельный код и преобразователь уровней сигналов управления.
Недостатком данного модуля является то, что он имеет невысокий КПД, в режиме передачи работает в одном диапазоне частот, а также имеет сложную структуру передающего и приемных каналов.
Наиболее близким к заявляемому решению является "Приемо-передающий модуль активной фазированной антенной решетки" [RU №2362268 от 20.07.2009], содержащий излучатель, соединенный со вторым контактом первого переключателя, управляющий вход которого соединен с блоком коммутации "прием-передача", последовательно соединенные предварительный усилитель и усилитель мощности, связанный с первым контактом первого переключателя, третий контакт первого переключателя подключен ко входу малошумящего усилителя-ограничителя, а также усилитель, управляемый фазовращатель и управляемый аттенюатор, второй, третий и четвертый переключатели, управляющие входы которых соединены с управляющим входом первого переключателя, вторые контакты второго и третьего переключателей связаны между собой через последовательно соединенные управляемый аттенюатор и управляемый фазовращатель, первые контакты второго и четвертого переключателей соединены между собой непосредственно, а третьи контакты третьего и четвертого переключателей соединены через усилитель, третий контакт второго переключателя соединен с выходом малошумящего усилителя-ограничителя, а первый контакт третьего переключателя соединен с входом предварительного усилителя, при этом второй контакт четвертого переключателя является входом-выходом приемопередающего модуля.
Недостатком данного модуля является то, что он может использоваться только в бортовых радиолокационных станциях (РЛС), устанавливаемых на самолетах и истребителях.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей за счет возможности его использования в цифровых антенных решетках.
Технический результат достигается тем, что в приемо-передающий модуль радиотехнических сигналов (ППМ), содержащий, усилитель мощности, фазовращатель и блок коммутации прием-передача дополнительно введены два преобразователя частоты, цифро-аналоговый преобразователь, сумматор, два блока умножения, два фазовращателя, блок цифрового генератора гармоник, блок банка сигналов, широкополосный усилитель высокой частоты, широкополосный усилитель промежуточной частоты, квадратурный аналого-цифровой преобразователь, два цифровых полосовых фильтра, два канальных оптимальных фильтра, четыре буфера, два блока быстрого преобразования Фурье, выходы которых соединены, соответственно, с первым и вторым выходами модуля, антенные элементы которого соединены с первым входом блока коммутации прием-передача, второй вход которого соединен с широкополосным усилителем мощности, вход которого соединен с выходом первого преобразователя частоты, первый вход которого соединен с выходом цифро-аналогового преобразователя, первый вход которого соединен с выходом сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого блока умножения, первый вход которого соединен с выходом первого фазовращателя, первый вход которого соединен с первым выходом блока цифрового генератора гармоник, второй выход которого соединен с первым входом второго фазовращателя, выход которого соединен с первым входом второго блока умножения, выход которого соединен с вторым входом сумматора, выход блока коммутации прием-передача соединен с входом широкополосного усилителя высокой частоты, выход которого соединен с первым входом второго преобразователя частоты, выход которого соединен с входом широкополосного усилителя промежуточной частоты, выход которого соединен с первым входом квадратурного аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с объединенными входами первого и второго цифровых полосовых фильтров, выход второго цифрового полосового фильтра соединен с первым входом второго канального оптимального фильтра, выход которого соединен с входом третьего буфера, выход которого соединен с входом четвертого буфера, выход которого соединен с входом второго блока быстрого преобразования Фурье, выход первого цифрового полосового фильтра соединен с первым входом первого канального оптимального фильтра, выход которого соединен с входом первого буфера, выход которого соединен с входом второго буфера, выход которого соединен с входом первого блока быстрого преобразования Фурье, вход первого блока умножения соединен с вторым выходом блока банка сигналов, первый выход которого соединен с входом второго блока умножения, второй вход первого канального оптимального фильтра соединен с третьим выходом блока банка сигналов, четвертый выход которого соединен с вторым входом второго канального оптимального фильтра, объединенные вторые входы первого и второго преобразователей частоты соединены с десятым входом модуля, одиннадцатый вход которого соединен с объединенными вторыми входами цифро-аналогового преобразователя и квадратурного аналого-цифрового преобразователя, второй вход первого цифрового полосового фильтра соединен с восьмым входом модуля, девятый вход которого соединен с вторым входом второго цифрового полосового фильтра, второй вход первого фазовращателя соединен с шестым входом модуля, седьмой вход которого соединен с вторым входом второго фазовращателя, первый и второй входы блока банка сигналов, соединены соответственно с четвертым и пятым входами модуля, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока цифрового генератора гармоник.
На фиг. 1 представлена блок-схема приемо-передающего модуля радиотехнических сигналов.
Приемо-передающий модуль радиотехнических сигналов (фиг. 1) содержит блок коммутации прием-передача 1, широкополосный усилитель мощности 2, два преобразователя частоты 3 и 13, цифро-аналоговый преобразователь 4, сумматор 5, два блока умножения 6 и 8, два фазовращателя 7 и 9, блок цифрового генератора гармоник 10, блок банка сигналов 11, широкополосный усилитель высокой частоты 12, широкополосный усилитель промежуточной частоты 14, квадратурный аналого-цифровой преобразователь 15, два цифровых полосовых фильтра 16 и 21, два канальных оптимальных фильтра 17 и 22, четыре буфера 18, 19, 23 и 24, два блока быстрого преобразования Фурье 20 и 25.
Приемо-передающий модуль радиотехнических сигналов (фиг. 1) содержит блок коммутации прием-передача 1, широкополосный усилитель мощности 2, два преобразователя частоты 3 и 13, цифро-аналоговый преобразователь 4, сумматор 5, два блока умножения 6 и 8, два фазовращателя 7 и 9, блок цифрового генератора гармоник 10, блок банка сигналов 11, широкополосный усилитель высокой частоты 12, широкополосный усилитель промежуточной частоты 14, квадратурный аналого-цифровой преобразователь 15, два цифровых полосовых фильтра 16 и 21, два канальных оптимальных фильтра 17 и 22, четыре буфера 18, 19, 23 и 24, два блока быстрого преобразования Фурье 20 и 25, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами модуля, антенные элементы которого соединены с первым входом блока коммутации прием-передача 1, второй вход которого соединен с широкополосным усилителем мощности 2, вход которого соединен с выходом первого преобразователя частоты 3, первый вход которого соединен с выходом цифро-аналогового преобразователя 4, первый вход которого соединен с выходом сумматора 5, первый вход которого соединен с выходом первого блока умножения 6, первый вход которого соединен с выходом первого фазовращателя 7, первый вход которого соединен с первым выходом блока цифрового генератора гармоник 10, второй выход которого соединен с первым входом второго фазовращателя 9, выход которого соединен с первым входом второго блока умножения 8, выход которого соединен с вторым входом сумматора 5, выход блока коммутации прием-передача 1 соединен с входом широкополосного усилителя высокой частоты 12, выход которого соединен с первым входом второго преобразователя частоты 13, выход которого соединен с входом широкополосного усилителя промежуточной частоты 14, выход которого соединен с первым входом квадратурного аналого-цифрового преобразователя 15, выход которого соединен с объединенными входами первого 16 и второго цифровых полосовых фильтров 21, выход второго цифрового полосового фильтра 21 соединен с первым входом второго канального оптимального фильтра 22, выход которого соединен с входом третьего буфера 23, выход которого соединен с входом четвертого буфера 24, выход которого соединен с входом второго блока быстрого преобразования Фурье 25, выход первого цифрового полосового фильтра 16 соединен с первым входом первого канального оптимального фильтра 17, выход которого соединен с входом первого буфера 18, выход которого соединен с входом второго буфера 19, выход которого соединен с входом первого блока быстрого преобразования Фурье 20, вход первого блока умножения 6 соединен с вторым выходом блока банка сигналов 11, первый выход которого соединен с входом второго блока умножения 8, второй вход первого канального оптимального фильтра 17 соединен с третьим выходом блока банка сигналов 11, четвертый выход которого соединен с вторым входом второго канального оптимального фильтра 22, объединенные вторые входы первого 3 и второго 13 преобразователей частоты соединены с десятым входом модуля, одиннадцатый вход которого соединен с объединенными вторыми входами цифро-аналогового преобразователя 4 и квадратурного аналого-цифрового преобразователя 15, второй вход первого цифрового полосового фильтра 16 соединен с восьмым входом модуля, девятый вход которого соединен с вторым входом второго цифрового полосового фильтра 21, второй вход первого фазовращателя 7 соединен с шестым входом модуля, седьмой вход которого соединен с вторым входом второго фазовращателя 9, первый и второй входы блока банка сигналов 11, соединены соответственно с четвертым и пятым входами модуля, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока цифрового генератора гармоник 10.
Работа приемо-передающего модуля радиотехнических сигналов (фиг. 1) заключается в следующем.
Приемо-передающий модуль радиотехнических сигналов построен по двухканальной схеме, так как один и тот же приемо-передающий модуль (ППМ) обеспечивает формирование сразу двух пространственных каналов, разнесенных в пространстве и по частоте.
При работе на передачу под воздействием команд от блока управления РЛС на апертуре антенной решетки на ее антенные элементы ППМ формируется фазовое и амплитудное распределение поля, обеспечивающее формирование в пространстве четырех остронаправленных лучей, разнесенных по азимуту через 90° и по частоте на ширину спектра зондирующего сигнала. Заданное распределение сохраняется 43 мс, в течение которых в каждом пространственном канале излучается пачка сложных зондирующих сигналов с кодовой фазовой модуляцией (КФМ) длительностью 16,7 мкс длиной 69 импульсов с периодом 600 мкс.
При работе на прием отраженные от различных объектов сигналы в виде плоских электромагнитных волн падают на антенную решетку, возбуждая в ее антенных элементах высокочастотные колебания тока. Причем, на один и тот же элемент могут воздействовать электромагнитные волны разных частотных каналов. Но в ППМ выделяются только два частотных канала, соответствующих тем пространственным каналам, в формировании которых принимает участие данный модуль.
На входы передающей части ППМ от блока управления поступает команды на выбор номеров каналов, по которым в блоке цифрового генератора гармоник (ЦГГ) 10 с момента поступления синхроимпульса начинают формироваться цифровые отсчеты гармонического сигнала с частотами, равными промежуточным частотам зондирующих сигналов. Период формирования отсчетов гармоник определяется периодом тактовой частоты fт, поступающей на второй вход ППМ с синтезатора сигналов (на схеме не указан), превышающей 8Δf для обеспечения частотного разделения четырех пространственных каналов. Затем цифровым гармоникам фазовращателями 7 и 9 навязываются начальные фазы, определяемыми номером ППМ в кольце и требуемым направлением излучения θK1, θK2, поступающими на шестой и седьмой входы ППМ.
Цифровыми гармониками с заданными фазами, поступающими с выходов фазовращателями 7 и 9 на первые входы соответствующих блоков умножения 6 и 8, и поступающими, на их вторые входы, с выходов блока банка сигналов 11, модулируются копии зондирующих сигналов, имеющие свой код для каждого канала. Копии зондирующих сигналов с выходов блоков умножения 6 и 8 на своих промежуточных частотах поступают на соответствующие входы сумматора 5. Зондирующие сигналы каналов суммируются в сумматора 5, а затем в цифро-аналоговом преобразователе 4 преобразуются в аналоговую форму.
Банк сигналов содержит все использующиеся в РЛС коды зондирующих сигналов, которые выбираются по мере необходимости по командам блока управления (в схеме не указан), поступающими на четвертый и пятый входы ППМ.
Полоса пропускания цифро-аналогового преобразователя 4 обеспечивает формирование четырех не перекрывающихся по частоте сигналов с шириной спектра 11,6 МГц. Таким требованиям удовлетворяет цифро-аналоговый преобразователь с полосой пропускания 100 МГц. После преобразования в аналоговую форму сигнал, представляющий собой аддитивную сумму двух зондирующих сигналов на своих промежуточных частотах, поступает на первый преобразователь частоты 3, где спектр сигналов переносится на несущую частоту, и, после усиления в широкополосном усилителе мощности 2, через блок коммутации прием-передача 1 подается на антенный элемент.
Смесь отраженных сигналов нескольких пространственных каналов после отражения от объектов локации воспринимается антенной модуля и преобразуется в высокочастотные колебания. В режиме приема блок коммутации прием-передача 1 модуля отключает антенну от передающей части и подключает антенну к приемной части ППМ согласно командам управления циклами работы ППМ, поступающим от вычислительного комплекса (на схеме не показан). Принятый сигнал усиливается в широкополосном усилителе высокой частоты 12. Ширина его полосы пропускания достаточна для усиления всех четырех используемых в РЛС частотных точек, из которых для обработки сигналов в конкретном ППМ используются только две, на которых сигнал был излучен. Принятый сигнал во втором преобразователе частоты 13 преобразуется в промежуточную частоту и усиливается в широкополосном усилителе промежуточной частоты 14.
1
2
Затем сигнал оцифровывается квадратурным аналого-цифровым преобразователем 15. Частота квантования преобразователя перекрывает возможный диапазон частот принимаемых сигналов. Аналогично цифро-аналоговому преобразователю 4 полоса пропускания квадратурного аналого-цифрового преобразователя 15 составляет 100 МГц. Комплексные отсчеты сигнала разделяются в двух цифровых полосовых фильтрах 16 и 21, настроенных на выделение сигналов каналов K и K, заданных блоком управления, поступающим с соответственно с восьмого и девятого входов ППМ. Полосовые фильтры 16 и 21 одновременно обеспечивают накопление и прореживание отсчетов, снижая период следования отсчетов до длительности одного дискрета кодовой фазовой модуляции сигнала. С выходов полосовых фильтров 16 и 21 сигналы пространственных каналов, разделенные по частоте, подаются на первые входы соответствующих канальных оптимальных фильтров 17 и 22, в которых осуществляется свертка принятых сигналов с копиями зондирующих сигналов своих каналов, поступающих с соответствующих выходов блока банка сигналов 11. Оптимальные фильтры 17 и 22 представляют собой набор цифровых линий задержки с весовым сумматором.
д
Оптимально обработанные входные сигналы накапливаются в течение одного периода следования импульсов в соответствующих первом и втором буферах 18 и 23 длиной, равной отношению длительности периода следования импульсов и длительности одного дискрета (N×l) сигнала с кодовой фазовой модуляцией. Каждый такой набор отсчетов сигналов  в виде вектора также накапливается в соответствующих третьем и четвертом буферах 19 и 24 в течение всей пачки импульсов, в результате чего формируется матрица комплексных отсчетов сигналов  размером (Nд×Nи), где Nи - количество импульсов в пачке. Последней операцией, выполняемой в ППМ является формирование частотных фильтров посредством операции быстрого преобразования Фурье, осуществляемой в соответствующих блоках быстрого преобразования Фурье 20 и 25, в которых подвергаются столбцы матрицы отсчетов данных. В результате чего обеспечивается частотная селекция сигналов по частоте Доплера и когерентное накопление пачки принятых сигналов.
На выходе ППМ выдаются два набора данных в виде матриц комплексных отсчетов сигналов для каждого дискрета дальности и скоростного фильтра двух пространственных каналов  и  (где nФ - номер скоростного фильтра, размером (Nд×Nф), которые поступают на выход ППМ и далее на вход блока пространственной обработки радиотехнических сигналов и могут быть впоследствии использованы в системе отображения информации, а также в системах вторичной обработки и классификации целей РЛС.
На вторые объединенные входы первого 3 и второго 13 преобразователей частоты с десятого и одиннадцатого, а также отдельно на вторые объединенные входы цифро-аналогового преобразователя 4 и квадратурного аналого-цифрового преобразователя 15 поступает тактовая частота fт.Частота гетеродина поступает раздельно с первого и третьего входов ППМ и поступает на одноименные входы блока цифрового генератора гармоник 10.
Таким образом, в приемо-передающем модуле радиотехнических сигналов осуществляется расширение функциональных возможностей за счет возможности его использования в цифровых антенных решетках.