ФАЗОВЫЙ ПЕЛЕНГАТОР
PHASE BEARING FINDER

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах наблюдения за радиотехнической обстановкой в составе комплекса или как автономное устройство обнаружения сигналов и измерения направления на источник излучения этого сигнала.
Известно построение фазоизмерительного устройства, в котором при подключении к его двум входам фазового канала двух разнесенных на величину базы d антенн и к входу канала частотной селекции третьей антенны образуется фазовый пеленгатор, способный измерять угловое положение объекта излучения плоской электромагнитной волны (В.Н.Смирнов, А.А.Ткач. Сравнительный анализ вариантов построения приемного устройства с преобразованием частоты. Вопросы радиотехники, серия общетехническая, выпуск 1, Москва, 2002 г., стр.39-50). В нем реализован фазовый метод пеленгации и супергетеродинный приемник с одним преобразованием по частоте. Недостатком такого пеленгатора является низкая помехозащищенность в динамическом и частотном диапазонах сигналов.
Целью изобретения является повышение помехозащищенности устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в фазометрическое устройство, содержащее четыре смесителя, усилитель высокой частоты (УВЧ), полосно-пропускающий фильтр высокой частоты (ППФВЧ), перестраиваемый гетеродин, квадратурный делитель, четыре предварительных усилителя промежуточной частоты (ПУПЧ), шесть полосно-пропускающих фильтров промежуточной частоты (ППФПЧ), два усилителя промежуточной частоты с логарифмическим видеовыходом (УПЧЛ), аналоговый сумматор, два квадратурных фазовых детектора (ФД), формирователь сигнала частотной селекции (ФСЧС), причем выход первого смесителя через первый ПУПЧ соединен с входом первого ППФПЧ, выход второго смесителя через второй ПУПЧ соединен с входом второго ППФПЧ, выход УВЧ соединен с входом ППФВЧ, выход ППФВЧ соединен с первыми входами третьего и четвертого смесителей, выход перестраиваемого гетеродина соединен со вторыми входами первого и второго смесителей и входом квадратурного делителя, выходы квадратурного делителя соединены с вторыми входами третьего и четвертого смесителей, выход третьего смесителя через третий ПУПЧ и третий ППФПЧ соединен с входом первого УПЧЛ, выход четвертого смесителя через четвертый ПУПЧ и четвертый ППФПЧ соединен с входом второго УПЧЛ, первый выход первого УПЧЛ через пятый ППФПЧ соединен с первым входом первого квадратурного ФД, первый выход второго УПЧЛ через шестой ППФПЧ соединен с вторым входом первого квадратурного ФД, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами ФСЧС, вторые выходы первого и второго УПЧЛ соединены соответственно с двумя входами первого аналогового сумматора, введены три антенны, третий и четвертый УПЧЛ, второй и третий аналоговые сумматоры, вычислитель разности фаз, два пороговых устройства, формирователь напряжения смещения, компаратор и четырехвходовая схема совпадения, при этом выход первой и второй антенн соединен соответственно с первыми входами первого и второго смесителей, выход третьей антенны соединен с входом УВЧ, выход первого ППФПЧ соединен с входом третьего УПЧЛ, первый выход которого соединен с первым входом второго квадратурного ФД, второй выход соединен с первым входом второго аналогового сумматора, выход второго ППФПЧ соединен с входом четвертого УПЧЛ, первый выход которого соединен с вторым входом второго квадратурного ФД, второй выход соединен с вторым входом второго аналогового сумматора, выход формирователя напряжения смещения соединен с первым входом третьего аналогового сумматора, выход второго аналогового сумматора соединен с вторым входом третьего аналогового сумматора и с входом первого порогового устройства, выход третьего аналогового сумматора соединен с первым входом компаратора, выход первого аналогового сумматора соединен с входом второго порогового устройства и со вторым входом компаратора, первый выход ФСЧС, выходы компаратора, первого и второго пороговых устройств соединены соответственно с четырьмя входами схемы совпадения, выход которой и второй выход ФСЧС соединены соответственно с третьим и четвертым входами вычислителя разности фаз, первый и второй выходы второго квадратурного ФД соединены соответственно с первым и вторым входами вычислителя разности фаз, выход которого является выходом устройства.
На фиг.1 приведена структурная схема пеленгатора, на фиг.2, 3, 4 - диаграммы, поясняющие его работу.
Фазовый пеленгатор содержит три антенны 1, 2, 3, две из которых разнесены на величину базы d пеленгатора, четыре смесителя 4, 5, 13, 15, перестраиваемый гетеродин 6, УВЧ 7, ППФВЧ 10, квадратурный делитель 14, четыре ПУПЧ 8, 9, 18, 19, шесть ППФПЧ 11, 12, 21, 22, 29, 30, четыре УПЧЛ 16, 17, 24, 25, три аналоговых сумматора 20, 28, 32, два квадратурных ФД 23, 34, вычислитель разности фаз 26, два пороговых устройства 27, 33, формирователь сигнала частотной селекции 37, формирователь напряжения смещения 31, компаратор 35, схему совпадения 36.
Выход каждой антенны 1, 2 соединен соответственно с первыми входами первого 4 и второго 5 смесителей, выход антенны 3 через УВЧ 7 и ППФВЧ 10 соединен с первыми входами третьего 13 и четвертого 15 смесителей, выход первого смесителя 4 через первый ПУПЧ 8 и первый ППФПЧ 11 соединен с входом третьего УПЧЛ 16, выход второго смесителя 5 соединен через вторые ПУПЧ 9 и ППФПЧ 12 с входом четвертого УПЧЛ 17, первые выходы УПЧЛ 16 и УПЧЛ 17 соединены соответственно с входами второго квадратурного ФД 23, вторые выходы соединены соответственно с входами второго аналогового сумматора 20, выход которого соединен с входом первого ПУ 27 и вторым входом третьего аналогового сумматора 32, выход формирователя напряжения смещения 31 соединен с первым входом третьего аналогового сумматора 32, выход которого соединен с первым входом компаратора 35, выход перестраиваемого гетеродина 6 соединен со вторыми входами первого 4, второго 5 смесителей и с входом квадратурного делителя 14, выходы которого соединены соответственно с вторыми входами третьего 13 и четвертого 15 смесителей, выход третьего смесителя 13 через третий ПУПЧ 18 и третий ППФПЧ 21 соединен с входом первого УПЧЛ 24, выход четвертого смесителя 15 через четвертый ПУПЧ 19 и четвертый ППФПЧ 22 соединен с входом второго УПЧЛ 25, первые выходы первого УПЧЛ 24 и второго УПЧЛ 25 соединены соответственно с входами пятого 29 и шестого 30 ППФПЧ, выходы которых соединены соответственно с входами первого квадратурного ФД 34, вторые выходы первого УПЧЛ 24 и второго УПЧЛ 25 соединены соответственно с входами первого аналогового сумматора 28, выход которого соединен с входом второго ПУ 33 и с вторым входом компаратора 35, первый и второй выходы первого квадратурного ФД 34 соединены соответственно с первым и вторым входами ФСЧС 37, первый выход ФСЧС 37, выходы компаратора 35, первого ПУ 27 и второго ПУ 33 соединены соответственно с четырьмя входами схемы совпадения 36, первый и второй выходы второго квадратурного ФД 23 соединены соответственно с первым и вторым входами вычислителя разности фаз 26, выход схемы совпадения 36 и второй выход ФСЧС 37 соединены соответственно с третьим и четвертым входами вычислителя разности фаз 26, выход которого является выходом пеленгатора.
В основе работы пеленгатора заложен фазовый метод пеленгации, когда плоско падающая радиоволна образует на выходах антенн когерентные сигналы, разность фаз Δφ между которыми зависит от направления α на пеленгационный источник излучения:
где d - расстояние между антеннами (база);
λ - длина волны.
В качестве приемного устройства в составе фазового пеленгатора (ФП) используется супергетеродинный приемник (СП) с одним преобразованием по частоте и перестраиваемым гетеродином. Для измерения разности фаз используется фазоизмерительный канал. Так как в СП при приеме на основной или зеркальной частоте пеленгационная характеристика ФП изменяет свой знак, то в его составе используется канал частотной селекции, выполняющий также функции обнаружения сигнала и определяющий помехоустойчивость ФП.
Фазовый пеленгатор работает следующим образом. Электромагнитная волна преобразуется входными антеннами 1, 2 в гармонические колебания одинаковой несущей частоты с разностью фаз Δφ, определяемой выражением (1). На выходе антенны 3 образуется сигнал той же частоты и с любой фазой. В фазовом канале (устройства 1, 2, 4, 5, 8, 9, 11, 12, 16, 17, 20, 23, 26 на фиг.1) с выходов антенны 1, 2 сигналы поступают на сигнальные входы смесителей 4, 5, на гетеродинные входы которых поступает сигнал гетеродина 6. На выходе смесителей 4, 5 образуются сигналы промежуточной частоты (ПЧ), которые усиливаются ПУПЧ, фильтруются ППФПЧ и усиливаются УПЧЛ в каждом тракте ПЧ канала. Каждый УПЧЛ имеет два выхода: один (радиовыход) на ПЧ с ограничением сигнала по амплитуде, второй (видеовыход) с логарифмической амплитудной характеристикой (ЛАХ) в динамическом диапазоне входных сигналов. Все элементы фазового канала имеют попарно амплитудную и фазовую идентичность, поэтому фазовые соотношения между сигналами сохраняются в частотном и динамическом диапазонах входных сигналов. Радиосигналы с первых выходов УПЧЛ 16 и УПЧЛ 17 поступают на входы квадратурного ФД 23, с выходов которого сигналы KSinΔφ и KCosΔφ (где К - коэффициент передачи ФД) поступают соответственно на первый и второй входы вычислителя разности фаз 26.
Сигнал с выхода третьей антенны 3 усиливается УВЧ 7, фильтруется на несущей частоте ППФВЧ 10 и поступает на сигнальные входы третьего 13 и четвертого 15 смесителей. В канале частотной селекции (КЧС) реализуется фазовый метод определения основной или зеркальной частот приема. Определение приема на основной или зеркальной частотах необходимо потому, что разность фаз сигналов на основной и зеркальной частотах изменяется на 180°. Следовательно, изменяет свой знак пеленгационная характеристика, определяемая выражением (1).
Сигнал с выхода гетеродина 6 поступает также на вход квадратурного делителя 14, с выходов которого сигналы, смещенные между собой по фазе на 90°, поступают на гетеродинные входы третьего 13 и четвертого 15 смесителей. В результате сигналы ПЧ на выходах смесителей сдвинуты на +90° на основной частоте и на -90° на зеркальной. Далее сдвинутые по фазе сигналы усиливаются ПУПЧ 18, 19, фильтруются ППФПЧ 21, 22, усиливаются с ограничением амплитуды сигнала по радиовыходу и с ЛАХ по видеовыходу УПЧЛ 24, 25 с сохранением фазовых соотношений между сигналами в КЧС. Радиосигналы с выхода каждого УПЧЛ 24, 25 поступают соответственно на вход пятого 29 и шестого 30 ППФПЧ и с выхода каждого на входы квадратурного ФД 34. Образующийся на его выходе сигнал соответствует положительной величине при приеме на основной частоте и отрицательной при приеме на зеркальной частоте (фиг.2). Сравнение их в составе ФСЧС с положительными и отрицательными порогами позволяет четко различать прием сигналов на основной или зеркальной частоте, если ПЧ его соответствует полосе пропускания ППФПЧ. Для обнаружения сигнала в составе ФСЧС используется схема «ИЛИ» по сигналам, обнаруженным по отрицательному и положительному порогам (фиг.2). Для формирования признака приема на основной или зеркальной частоте на втором выходе ФСЧС 37 используется логический выход одного из пороговых устройств (по положительному или отрицательному порогу) в составе ФСЧС.
Необходимо отметить, что для формирования признака приема на основной или зеркальной частоте достаточно применять в качестве ФД синусный фазовый детектор. Практически же в трактах ПЧ существует фазовая неидентичность. Поэтому в КЧС, так же как и в фазовом канале, применен квадратурный ФД, что позволяет в составе ФСЧС ввести при настройке пеленгатора фазовую коррекцию ПЧ ошибок методом весового суммирования квадратур. Это осуществляется, при необходимости, в составе ФСЧС перед сравнением видеосигналов с порогом (фиг.2).
Вычисление разности фаз осуществляется в цифровом виде следующим образом.
Аналоговые сигналы, пропорциональные SinΔφ и CosΔφ, с выходов квадратурного ФД 23 поступают на входы АЦП в составе вычислителя 26 и преобразуются в двоичные параллельные цифровые коды. На тактовые выходы АЦП поступает сигнал обнаружения с выхода схемы совпадения 36.
Для формирования однозначного цифрового кода в диапазоне разностей фаз ±180° осуществляется следующая процедура. Цифровой код, пропорциональный KSinΔφ, сравнивается с нулем и формируется так называемый знаковый разряд ПХ. Если KSinΔφ≥0, то ПХ имеет знак «+». Если KSinΔφ<0, то ПХ имеет знак «-». Далее сравнивается с нулем цифровой код, пропорциональный KCosΔφ, и формируется следующий разряд ПХ. Затем сравниваются между собой модули |KSinΔφ| и |KCosΔφ| и формируется следующий разряд так называемой октантной логики. Младшие разряды формируются как результат вычисления функции
и присоединяются к старшим разрядам октантной логики.
Описанная выше процедура может быть реализована постоянным запоминающим устройством (ПЗУ), на адресные входы которого приходят цифровые коды с выходов АЦП. Для инвертирования знака ПХ на основной или зеркальной частоте достаточно на один из адресных входов ПЗУ подать логический сигнал со второго выхода ФСЧС 37, на котором формируется признак основной или зеркальной частоты.
Со вторых выходов УПЧЛ 16 и 17 видеосигналы поступают на соответствующие входы второго аналогового сумматора 20, с выхода которого сигнал поступает на вход первого ПУ 27 и на второй вход третьего аналогового сумматора 32. Регулируемое при настройке напряжение с выхода формирователя напряжения смещения 31 поступает на первый вход третьего аналогового сумматора 32, с выхода которого смещенный на это напряжение сигнал поступает на первый вход компаратора 35. На другой вход компаратора 35 и на вход ПУ 33 поступает сигнал с выхода первого аналогового сумматора 28. Логические сигналы с первого выхода ФСЧС 37 с выходов компаратора 35, первого ПУ 27 и второго ПУ 33 поступают на четыре входа схемы совпадения 36, с выхода которой логический сигнал обнаружения поступает на четвертый вход вычислителя разности фаз 26 для синхронизации (стробирования) его работы.
Обнаружение полезного сигнала и защита от помех на частотах, кратных частоте гетеродина, осуществляется следующим образом.
г
c
пч
В случае если на выходах антенн образуются полезные сигналы, частота которых находится в полосе пропускания ППФВЧ, частота гетеродина соответствует приему на основной или зеркальной частоте (f=f±f, преобразование 1-1 на фиг.3), амплитуды сигналов на выходах первого и второго аналогового сумматора при этом равны, каждый из сигналов превышает порог обнаружения в ПУ 27, 33. Поэтому на выходах ПУ 27, 33, ФСЧС 37 и компаратора 37 образуются логические единицы, и происходит обнаружение полезного сигнала.
п
г
пч
п
г
В случае образования помехи на частотах, близких к кратной частоте гетеродина (f=mf±f), что свойственно супергетеродинному приемнику, в смесителях фазового канала образуется дополнительная помеха на частоте =f-f и частота эта соответствует полосе пропускания входного ППФПЧ КЧС. Образующаяся в смесителях на этой частоте  помеха проходит через антенны фазового канала на вход антенны КЧС, и так как частота ее совпадает с частотой полезного сигнала и входит в полосу пропускания ППФВЧ, то по этой помехе при достаточно большой мощности происходит срабатывание ПУ 27 в фазовом канале и ПУ 33 в КЧС, но компаратор 35 находится в состоянии логического нуля, так как амплитуда помехи на выходе КЧС существенно меньше амплитуды помехи на выходе фазового канала (выходы аналоговых сумматоров 28 и 20 соответственно). Таким образом, компаратор 26 запрещает формирование сигнала обнаружения на частотах, близких к гармоникам гетеродина.
Возможность образования помехи подтверждена расчетами и экспериментально.
пч
г
п
Промежуточная частота при помехе возле второй гармоники гетеродина f=2f-f, отсюда .
п
г.
г
г
пч
г
пч
c
п
г
пч
г
г
г
г
г
г
г
В смесителе образуется другая помеховая частота =f-fПодставляя сюда выражение (2), получим =2f-f-f=f-f=f, что подтверждает вышеизложенное. Аналогичные результаты можно получить для зеркальной помеховой частоты (f=2f+f) и для частот 3f, 4f и т.д (см. фиг.4). Экспериментально получено, что помехи образуются на частотах 2f, 3f, 4f, 5f и 6f, а мощность их на 30-40 дБ меньше, чем мощность полезного сигнала.
Таким образом, если выбрать напряжение смещения в формирователе напряжения смещения 31, соответствующее уровню 15 дБ, то в устройстве будет происходить обнаружение полезного сигнала во всем динамическом диапазоне (фиг.3) без потерь чувствительности и надежная защита от комбинационных помех на частотах, кратных частоте гетеродина. Это подтверждено экспериментально и является достигаемым техническим результатом: повышением помехоустойчивости в частотном и динамическом диапазонах сигналов.