УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ДЛЯ РЛС С ЧАСТОТНО-СКАНИРУЮЩЕЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ
DEVICE TO SHAPE AND PROCESS SIGNALS FOR RADAR WITH FREQUENCY-SWEEP ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к устройствам формирования и обработки сигналов для радиолокационных станций (РЛС), и может быть использовано, в частности, для формирования и обработки сигналов в РЛС с частотно-сканирующей антенной решеткой.
Известно устройство для распознавания импульсных сигналов с внутриимпульсной модуляцией, содержащее усилитель высокой частоты, генератор пилообразного напряжения, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, измерители ширины спектра, блок сравнения, делители частоты, генератор развертки, делители частоты, амплитудные детекторы (патент РФ №2013002, кл. H04B 1/06, 1990 г.).
Известен супергетеродинный приемник, содержащий малошумящий усилитель, полосовой фильтр, смесители, усилители промежуточной частоты, управляемый гетеродин, преобразователи, демодулятор (патент РФ №2014734, кл. H04B 1/06, 1991 г.).
Известно также устройство для обработки сложного сигнала, содержащее генератор тактовых импульсов, генератор высокочастотных тактовых импульсов, блок формирования опорного сигнала, блок формирования сигналов синхронизации, блок импульсной задержки, гетеродин, перемножитель, мультиплексор, регистр сдвига со счетчиком (полезная модель РФ №44833, кл. G05S 7/28, 2004 г.).
Наиболее близким аналогом (прототипом) является устройство формирования и обработки сигналов для РЛС с частотно-сканирующей антенной решеткой (Справочник по радиолокации под ред. М.Сколника. Пер. с англ. под ред. Трофимова К.Н., М.: Сов. Радио, 1977, том 2, стр.292). Устройство-прототип имеет фиксированный набор гетеродинов, частота настройки которых определяет угломестное положение лучей диаграммы направленности антенны (ДНА), и многоканальный тракт промежуточной частоты (ПЧ). На представленном рисунке многолучевого частотного сканирования схематично представлен антенный переключатель, передатчик, генератор частот, широкополосный приемник, на который поступает сигнал гетеродина, ряд узкополосных усилителей с видеосигналами угловых каналов. Указанное устройство формирования и обработки сигналов для РЛС с частотно-сканирующей антенной решеткой можно охарактеризовать следующим образом. Для обеспечения функционирования на современном научно-техническом уровне оно содержит усилитель мощности СВЧ (сверхвысокой частоты), антенный переключатель, синхронизатор, блок генератора частот, состоящий из генератора сетки частот с частотными каналами, мультиплексора, балансного модулятора, СВЧ-гетеродина. Также оно содержит блок широкополосного приемника, состоящий из малошумящего усилителя, балансного смесителя. Каждый выход частотных каналов генератора сетки частот соединен с каждым входом мультиплексора, выход мультиплексора соединен с первым входом балансного модулятора, выход СВЧ-гетеродина соединен с вторым входом балансного модулятора и с первым входом балансного смесителя, выход балансного модулятора соединен с входом усилителя мощности СВЧ, выход усилителя мощности СВЧ соединен с первым входом антенного переключателя, первый выход синхронизатора соединен с управляющим входом антенного переключателя, а второй выход синхронизатора соединен с управляющим входом мультиплексора. Выход антенного переключателя соединен с входом малошумящего усилителя СВЧ, выход малошумящего усилителя СВЧ соединен с вторым входом балансного смесителя, выход балансного смесителя соединен с входами полосовых фильтров каждого канала многоканального тракта ПЧ, которые соответствуют угловым положениям лучей диаграммы направленности антенны (ДНА). Его недостатки заключаются в следующем.
Техническое решение, выбранное в качестве прототипа, имеет ограничения, непосредственно связанные с указанной схемой многоканальной обработки сигналов на нескольких частотах, соответствующих угломестному положению луча ДНА. Во-первых, индивидуальная настройка каждого фильтра на свою промежуточную частоту не позволяет оперативно изменять взаимное расположение лучей ДНА, а это необходимо для повышения точности измерения угла места цели в режиме сопровождения. Во-вторых, технические сложности точного управления частотой высокостабильного СВЧ-гетеродина не позволяют реализовать плавное смещение всего веера лучей ДНА в целом, что необходимо для обеспечения электронной стабилизации положения ДНА при наклонах и вертикальных перемещениях платформы носителя РЛС, например при килевой качке.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание устройства формирования и обработки сигналов для РЛС с частотно-сканирующей антенной решеткой, которое позволяет повысить точность измерения угла места цели при взаимном сближении лучей ДНА и обеспечить возможность электронной стабилизации веера лучей ДНА за счет реализации плавного изменения центральной частоты формируемых сигналов с высокой точностью и введения широкополосного тракта ПЧ приемника, обеспечивающего усиление принимаемых сигналов до необходимого уровня по всей полосе частот.
Техническими результатами при реализации изобретения являются обеспечение непрерывного диапазона установки центральной частоты сигнала с высокой точностью, то есть непрерывного диапазона сканирования угла места каждого луча, и независимая установка угла места каждого луча или общее управление угловым положением всего веера лучей в целом. При этом возможна реализация равносигнального метода для повышения точности измерения угла места цели, а также обеспечивается возможность электронной стабилизации углового положения веера лучей ДНА при качке платформы носителя РЛС.
Влияние на достижение указанных технических результатов оказывают следующие существенные признаки.
Устройство формирования и обработки сигналов для РЛС с частотно-сканирующей антенной решеткой, включающее в себя усилитель мощности СВЧ, антенный переключатель, синхронизатор, блок генератора частот, состоящий из генератора сетки частот, мультиплексора, балансного модулятора, СВЧ-гетеродина, блок широкополосного приемника, содержащий малошумящий усилитель СВЧ и балансный смеситель. Причем каждый выход частотных каналов генератора сетки частот соединен с каждым входом мультиплексора, выход мультиплексора соединен с первым входом балансного модулятора, выход СВЧ-гетеродина соединен с вторым входом балансного модулятора и с первым входом балансного смесителя, выход балансного модулятора соединен с входом усилителя мощности СВЧ, выход усилителя мощности СВЧ соединен с первым входом антенного переключателя, первый выход синхронизатора соединен с управляющим входом антенного переключателя, а второй выход синхронизатора соединен с управляющим входом мультиплексора, выход антенного переключателя соединен с входом малошумящего усилителя СВЧ, выход малошумящего усилителя СВЧ соединен с вторым входом балансного смесителя. Также устройство имеет блок квадратурных детекторов, содержащий квадратурные детекторы для каждого частотного канала сетки частот, блок видеоусилителей, содержащий фильтры нижних частот и видеоусилители. При этом блок широкополосного приемника снабжен широкополосным усилителем промежуточной частоты (УПЧ), причем выход балансного смесителя соединен с входом широкополосного усилителя промежуточной частоты, выход широкополосного усилителя промежуточной частоты соединен с первыми входами каждого квадратурного детектора, каждый выход частотных каналов генератора сетки частот дополнительно соединен с вторым входом каждого квадратурного детектора, выход каждого квадратурного детектора соединен с входом соответствующего фильтра нижних частот, а выход каждого фильтра нижних частот соединен с соответствующим входом каждого видеоусилителя.
Отличительными признаками от прототипа в предлагаемом устройстве являются наличие блока квадратурных детекторов, содержащего квадратурные детекторы для каждого частотного канала сетки частот, блока видеоусилителей, содержащего фильтры низких частот и видеоусилители. Блок широкополосного приемника снабжен широкополосным усилителем промежуточной частоты, причем выход балансного смесителя соединен с входом широкополосного усилителя промежуточной частоты, выход широкополосного усилителя промежуточной частоты соединен с первыми входами каждого квадратурного детектора, каждый выход частотных каналов генератора сетки частот дополнительно соединен с вторым входом каждого квадратурного детектора, выход каждого квадратурного детектора соединен с входом соответствующего фильтра нижних частот, а выход каждого фильтра нижних частот для передачи сигнала углового луча, соответствующего каждому частотному каналу генератора сетки частот, соединен с соответствующим входом каждого видеоусилителя.
На фиг.1 представлена функциональная схема предложенного устройства.
На фиг.2 приведены временные диаграммы для пояснения функционирования устройства формирования и обработки сигналов для РЛС с частотно-сканирующей антенной решеткой.
k
Устройство формирования и обработки сигналов для РЛС с частотно-сканирующей антенной решеткой включает в себя усилитель мощности СВЧ 1, антенный переключатель 2, синхронизатор 3, а также блок генератора частот 4, состоящий из генератора сетки частот 5, мультиплексора 6, балансного модулятора 7, СВЧ-гетеродина 8. Кроме того, в устройство входит блок широкополосного приемника 9, включающий в себя малошумящий усилитель СВЧ 10 и балансный смеситель 11. При этом блок квадратурных детекторов 12 состоит из N однотипных квадратурных детекторов 13-1-13-K-13-N для каждого из N частотных каналов f сетки частот. Блок видеоусилителей 14 состоит из N однотипных фильтров нижних частот 15-1-15-K-15-N с соответствующими видеоусилителями 16-1-16-K-16-N для каждого частотного канала сетки частот. Блок широкополосного приемника 9 дополнен широкополосным усилителем промежуточной частоты (УПЧ) 17.
k
Каждый выход частотных каналов генератора сетки частот 5 соединен с соответствующим входом мультиплексора 6, выход мультиплексора 6 соединен с первым входом балансного модулятора 7, выход СВЧ-гетеродина 8 соединен с вторым входом балансного модулятора 7 и с первым входом балансного смесителя 11, выход балансного модулятора 7 соединен с входом усилителя мощности СВЧ 1, выход усилителя мощности СВЧ 1 соединен с первым входом антенного переключателя 2, первый выход синхронизатора 3 соединен с управляющим входом антенного переключателя 2, а второй выход синхронизатора 3 соединен с управляющим входом мультиплексора 6, выход антенного переключателя 2 соединен с входом малошумящего усилителя СВЧ 10, выход малошумящего усилителя СВЧ 10 соединен с вторым входом балансного смесителя 11, причем выход балансного смесителя 11 соединен с входом широкополосного усилителя промежуточной частоты 17. Выход широкополосного усилителя промежуточной частоты 17 соединен с блоком квадратурных детекторов 12 таким образом, что соответствующая ветвь разветвленного выхода широкополосного усилителя промежуточной частоты 17 соединена с первыми входами каждого из N квадратурных детекторов с 13-1 по 13-N. Выход каждого частотного канала f генератора сетки частот 5 дополнительно соединен с соответствующим вторым входом каждого квадратурного детектора с 13-1 по 13-N. Выходы каждого квадратурного детектора с 13-1 по 13-N соединены с входами соответствующих фильтров нижних частот с 15-1 по 15-N и с видеоусилителями 16-1-16-N для каждого канала сетки частот блока видеоусилителей 14.
Устройство формирования и обработки сигналов для РЛС с частотно-сканирующей антенной решеткой работает следующим образом.
Синхронизатор 3 формирует импульс запуска передатчика (ИЗП), который поступает на управляющий вход антенного переключателя 2 и через него подключает выход усилителя мощности СВЧ 1 к антенне РЛС через первый вход антенного переключателя 2. В течение длительности импульса запуска передатчика синхронизатор 3 формирует сигналы переключения частоты излучаемых импульсов, которые поступают на управляющий вход мультиплексора 6 и поочередно подключают выходы генератора сетки частот 5 к первому входу балансного модулятора 7. На второй вход балансного модулятора 7 подается сигнал СВЧ-гетеродина 8, что приводит к формированию выходного сигнала балансного модулятора 7 на суммарной (разностной) частоте, который подается на усилитель мощности СВЧ 1 и излучается в пространство. Специфической чертой частотно-сканирующей антенной решетки является зависимость угломестного положения луча ДНА от частоты сигнала. Вследствие этого поочередное подключение выходов генератора сетки частот 5 приводит к формированию многолучевой ДНА в угломестной плоскости во время излучения импульса. Функционирование устройства-прототипа и предлагаемого поясняется временными диаграммами (фиг.2). В режиме излучения импульсов функционирование предлагаемого устройства не отличается от прототипа.
Необходимо отметить, что во время приема отраженных сигналов излучение не производится, так как антенный переключатель 2 под управлением импульса синхронизатора 3 подключает антенну к малошумящему усилителю СВЧ 10 блока широкополосного приемника 9. В режиме приема принимаемые сигналы проходят малошумящий усилитель СВЧ 10 и балансный смеситель 11, образуя на его выходе совокупность сигналов с центральными частотами, соответствующими выходным сигналам генератора сетки частот 5. Доступная в настоящее время технология прямого цифрового синтеза частоты обеспечивает необходимый диапазон, точность и скорость перестройки, которые требуются для технической реализации генератора сетки частот 5. Она описана в литературе (1. Стариков О. Прямой цифровой синтез частоты и его применение. // Chip-news. 2002. №3. стр.56-64; 2. Белов Л.А. Синтезаторы частот и сигналов: Учебное пособие. Сайнс-Пресс. - 2002, 80 с.; 3. A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis. Analog Devices Inc. - 1999, 122 р.). Указанная смесь сигналов поступает на первый вход каждого из квадратурных детекторов с 13-1 по 13-N, на второй вход каждого из которых поступает соответствующий сигнал с выхода генератора сетки частот 5. На выходе каждого из N квадратурных детекторов с 13-1 по 13-N формируется синфазная и квадратурная компонента видеосигнала, который соответствует радиосигналу с центральной частотой, равной частоте сигнала, поступающего от соответствующего выхода генератора сетки частот 5. После фильтрации квадратурных компонент в каждом фильтре нижних частот 15-1-15-N с полосой прозрачности, согласованной с шириной спектра сигнала в каждом луче ДНА, они проходят через каждый соответствующий видеоусилитель 16-1-16-N в блоке видеоусилителей 14 и далее поступают на выход.
Таким образом, за счет введения блока квадратурных детекторов 12, широкополосного усилителя промежуточной частоты 17 и блока видеоусилителей 14 с фильтрами нижних частот 15-1-15-N принятые радиосигналы с различными частотами преобразуются на выходе в квадратурные видеосигналы независимо от смещения частоты излучаемых сигналов относительно СВЧ-гетеродина 8, устанавливаемого генератором сетки частот 5. Это позволяет осуществлять точную оперативную перестройку значений сетки частот и, соответственно, управлять взаимным расположением лучей ДНА или смещать весь веер лучей частотно-сканирующей антенной решетки в целом.