Приемник дециметрового диапазона
DECIMETER RANGE RECEIVER

Приемник дециметрового диапазона относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и предназначен для работы в составе комплекса системы активной радиолокации в качестве приемного звена для приема запросных сигналов на несущих частотах.
Из уровня техники известен СВЧ-приемник с цифровой автоподстройкой частоты (Патент РФ №44213, МПК: H03J 7/18, H04B 1/06, опубликовано 27.02.2005), содержащий входной канал, частотный канал и информационный канал. Входной канал содержит приемную антенну, малошумящий усилитель, первый и второй смесители, первый и второй гетеродины и первый усилитель промежуточной частоты. Информационный канал содержит второй усилитель промежуточной частоты, полосовой фильтр, частотный детектор и линейный видеоусилитель с автоматической регулировкой усиления. Частотный канал содержит первый и второй синтезатор, микроконтроллер, третий смеситель, третий гетеродин, третий усилитель промежуточной частоты, аналого-цифровой преобразователь, PLD (программируемое логическое устройство) и схему внешнего управления.
К недостаткам данного устройства можно отнести значительные массогабаритные характеристики устройства из-за наличия большого количества входящих блоков, недостаточную стабильность параметров приемного канала при температурных нагрузках, а также наличие нескольких (трех) различных промежуточных частот.
Известен СВЧ-приемник с двойным преобразованием частоты (Патент РФ №2369962, МПК: H04B 1/06, опубликовано 10.10.2009), содержащий делитель мощности, схему управления и n приемных каналов, каждый из которых включает: малошумящий усилитель, вентиль, первый смеситель частот, первый и второй полосно-пропускающие фильтры, усилитель первой промежуточной частоты, второй смеситель частот, усилитель второй промежуточной частоты. Кроме этого СВЧ-приемник содержит умножитель частоты, а каждый приемный канал - циклотронное защитное устройство, первый, второй и третий аттенюаторы, второй, третий и четвертый усилители первой промежуточной частоты, направленный ответвитель, третий полосно-пропускающий фильтр, первый и второй переключатели.
К недостаткам данного СВЧ-приемника можно отнести низкую стабильность параметров приемного канала при температурных нагрузках, проникновение в полосу сигнала на первой промежуточной частоте сигнала второго гетеродина, а также значительные массогабаритные характеристики из-за большого количества входящих блоков.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является многоканальный СВЧ-приемник с двойным преобразованием частоты (Патент РФ №2452089, МПК: H04B 1/06, опубликовано 27.05.2012), содержащий делитель мощности, схему управления, умножитель частоты, коммутатор и n приемных каналов, каждый из которых содержит циклотронное защитное устройство, малошумящий усилитель, вентиль, два смесителя частот, первый полосно-пропускающий фильтр, первый усилитель первой промежуточной частоты, первый переключатель, второй полосно-пропускающий фильтр, первый аттенюатор, второй переключатель, второй усилитель первой промежуточной частоты, второй аттенюатор, третий аттенюатор, третий усилитель первой промежуточной частоты, каскад термостабилизации, четвертый аттенюатор, третий, четвертый и пятый переключатели, четвертый усилитель первой промежуточной частоты, третий полосно-пропускающий фильтр, усилитель второй промежуточной частоты, пятый аттенюатор.
Техническая проблема, решаемая созданием данного изобретения, заключается в отсутствии в вышеуказанных устройствах функций встроенного контроля работоспособности приемных каналов и калибровки их амплитудных характеристик, а также в необходимости неоднократного (двойного, тройного) преобразования частоты, что предполагает использование нескольких различных промежуточных частот.
Технический результат направлен на создание приемника дециметрового диапазона с однократным преобразованием частоты, с функциями встроенного контроля работоспособности приемных каналов и калибровки их амплитудных характеристик, обеспечивающего обработку сигналов, принимаемых на трех различных несущих частотах.
Технический результат достигается тем, что приемник дециметрового диапазона включает в себя идентичные первый приемный канал, содержащий первые усилитель и смеситель, второй приемный канал, содержащий вторые усилитель и смеситель, третий приемный канал, содержащий третьи усилитель и смеситель, и четвертый приемный канал, содержащий четвертые усилитель и смеситель. При этом он отличается от прототипа тем, что первый и третий приемные каналы предназначены для частотной селекции, усиления и детектирования сигналов на первой несущей частоте, а второй и четвертый приемные каналы - на второй несущей частоте. Первый приемный канал дополнительно содержит первые фильтр высоких частот, термоаттенюатор и тракт промежуточной частоты, при этом вход первого фильтра высоких частот является входом канала, а его выход соединен с входом первого усилителя, выход которого подключен к входу первого термоаттенюатора, соединенного своим выходом с первым входом первого смесителя, выход которого подключен к первому входу первого тракта промежуточной частоты, первый выход которого является первым выходом приемника. Второй приемный канал дополнительно содержит вторые фильтр высоких частот, термоаттенюатор и тракт промежуточной частоты, при этом вход второго фильтра высоких частот является входом канала, а его выход соединен с входом второго усилителя, выход которого подключен к входу второго термоаттенюатора, соединенного своим выходом с первым входом второго смесителя, выход которого подключен к первому входу второго тракта промежуточной частоты, выход которого является вторым выходом приемника. Третий приемный канал дополнительно содержит третьи фильтр высоких частот, термоаттенюатор и тракт промежуточной частоты, при этом вход третьего фильтра высоких частот является входом канала, а его выход соединен с входом третьего усилителя, выход которого подключен к входу третьего термоаттенюатора, соединенного своим выходом с первым входом третьего смесителя, выход которого подключен к первому входу третьего тракта промежуточной частоты, первый выход которого является третьим выходом приемника. Четвертый приемный канал дополнительно содержит четвертые фильтр высоких частот, термоаттенюатор и тракт промежуточной частоты, при этом вход четвертого фильтра высоких частот является входом канала, а его выход соединен с входом четвертого усилителя, выход которого подключен к входу четвертого термоаттенюатора, соединенного своим выходом с первым входом четвертого смесителя, выход которого подключен к первому входу четвертого тракта промежуточной частоты, выход которого является четвертым выходом приемника. Кроме этого приемник включает в себя пятые фильтр высоких частот и усилитель, которые при работе совместно с первыми смесителем и трактом промежуточной частоты первого приемного канала образуют дополнительный приемный канал, предназначенный для частотной селекции, усиления и детектирования сигналов на третьей несущей частоте, при этом вход пятого фильтра высоких частот является первым входом приемника, а его выход соединен с входом пятого усилителя, выход которого подключен к третьему входу первого смесителя. Также приемник содержит первый коммутатор, первый вход которого является вторым входом приемника, а его выход подключен к входам первого и второго приемных каналов, второй коммутатор, первый вход которого является третьим входом приемника, а его выход подключен к входам третьего и четвертого приемных каналов, третий коммутатор, входы которого соединены со вторыми выходами первого и третьего трактов промежуточной частоты, декодер, вход которого соединен с выходом третьего коммутатора, а выход является выходом сигнала относительной фазовой модуляции, первую схему шумовой авторегулировки усиления, выходы которой подключены ко вторым входам первого и третьего трактов промежуточной частоты, вторую схему шумовой авторегулировки усиления, выходы которой соединены со вторыми входами второго и четвертого трактов промежуточной частоты, гетеродин и систему встроенного контроля, предназначенную для обеспечения контроля работоспособности приемных каналов и калибровки их амплитудных характеристик. Гетеродин приемника содержит кварцевый генератор, подключенный к входам первого генератора, второго генератора и генератора опорного сигнала, при этом выход первого генератора является первым выходом гетеродина, соединенным со вторыми входами первого и третьего смесителей, выход второго генератора является вторым выходом гетеродина, соединенным со вторыми входами второго и четвертого смесителей, выход кварцевого генератора является третьим выходом, а выход генератора опорного сигнала четвертым его выходом, являющимся выходом опорного сигнала. Система встроенного контроля приемника содержит пятый смеситель, шестой смеситель, сумматор-распределитель, генератор промежуточной частоты, делитель промежуточной частоты, модулятор промежуточной частоты, усилитель промежуточной частоты, семиразрядный ступенчатый аттенюатор и цифровую микросхему шумовой авторегулировки усиления. Первые входы пятого и шестого смесителей являются первым и вторым входами системы встроенного контроля, соединенными соответственно с первым и вторым выходами гетеродина, при этом их вторые входы объединены и подключены к выходу усилителя промежуточной частоты, а их выходы соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора-распределителя, первый и второй выходы которого являются первым и вторым выходами тестовых сигналов системы встроенного контроля, соединенными соответственно со вторыми входами первого и второго коммутаторов, вход генератора промежуточной частоты является третьим входом системы встроенного контроля, подключенным к третьему выходу гетеродина, а его выход соединен с входом делителя промежуточной частоты, выход которого подключен к входу модулятора промежуточной частоты, соединенного своим выходом с входом семиразрядного ступенчатого аттенюатора, входы разрядов которого соединены с соответствующими выходами цифровой микросхемы шумовой авторегулировки усиления.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, на которых представлены:
Фиг. 1 - функциональная схема приемника дециметрового диапазона;
Фиг. 2 - функциональная схема системы встроенного контроля и гетеродина.
Приемник дециметрового диапазона (фиг. 1) включает в себя идентичные первый приемный канал (ПК1) 1, второй приемный канал (ПК2) 2, третий приемный канал (ПКЗ) 3 и четвертый приемный канал (ПК4) 4. Приемные каналы работают независимо друг от друга, при этом ПК1 1 и ПК3 3 предназначены для частотной селекции, усиления и детектирования сигналов на первой несущей частоте, а ПК2 2 и ПК4 4 - для частотной селекции, усиления и детектирования сигналов на второй несущей частоте.
ПК1 1 содержит первые фильтр высоких частот (ФВЧ1) 5, усилитель (У1) 6, термоаттенюатор (ТА1) 7, смеситель (С1) 8 и тракт промежуточной частоты (ТПЧ1) 9. При этом вход ФВЧ1 5 является входом канала, а его выход соединен с входом У1 6, выход которого подключен к входу ТА1 7. Выход ТА1 7 соединен с первым входом С1 8, выход которого подключен к первому входу ТПЧ1 9. Первый выход ТПЧ1 9 является первым выходом приемника.
ПК2 2 содержит вторые фильтр высоких частот (ФВЧ2) 10, усилитель (У2) 11, термоаттенюатор (ТА2) 12, смеситель (С2) 13 и тракт промежуточной частоты (ТПЧ2) 14. При этом вход ФВЧ2 10 является входом канала, а его выход соединен с входом У2 11, выход которого подключен к входу ТА2 12. Выход ТА2 12 соединен с первым входом С2 13, выход которого подключен к первому входу ТПЧ2 14. Выход ТПЧ2 14 является вторым выходом приемника.
ПК3 3 содержит третьи фильтр высоких частот (ФВЧ3) 15, усилитель (УЗ) 16, термоаттенюатор (ТА3) 17, смеситель (С3) 18 и тракт промежуточной частоты (ТПЧ3) 19. При этом вход ФВЧ3 15 является входом канала, а его выход соединен с входом У3 16, выход которого подключен к входу ТА3 17. Выход ТА3 17 соединен с первым входом С3 18, выход которого подключен к первому входу ТПЧ3 19. Первый выход ТПЧ3 19 является третьим выходом приемника.
ПК4 4 содержит четвертые фильтр высоких частот (ФВЧ4) 20, усилитель (У4) 21, термоаттенюатор (ТА4) 22, смеситель (С4) 23 и тракт промежуточной частоты (ТПЧ4) 24. При этом вход ФВЧ4 20 является входом канала, а его выход соединен с входом У4 21, выход которого подключен к входу ТА4 22. Выход ТА4 22 соединен с первым входом С4 23, выход которого подключен к первому входу ТПЧ4 24. Выход ТПЧ4 24 является четвертым выходом приемника.
Кроме этого приемник содержит пятый фильтр высоких частот (ФВЧ5) 25 и пятый усилитель (У5) 26, которые при работе совместно с С1 8 и ТПЧ1 9 образуют дополнительный приемный канал для частотной селекции, усиления и детектирования сигналов на третьей несущей частоте. При этом вход ФВЧ5 25 является первым входом приемника, а его выход соединен с входом У5 26, выход которого подключен к третьему входу С1 8.
Также приемник содержит первый коммутатор (К1) 27, первый вход которого является вторым входом приемника, а его выход подключен к входам ПК1 1 и ПК2 2, второй коммутатор (К2) 28, первый вход которого является третьим входом приемника, а его выход подключен к входам ПК3 3 и ПК4 4, третий коммутатор (К3) 29, входы которого соединены со вторыми выходами ТПЧ1 9 и ТПЧ3 19, и декодер (Д) 30 сигнала относительной фазовой модуляции (ОФМ) для демодуляции информационной части запросного сигнала S режима (стандартный режим адресного запроса) на первой несущей частоте, с которой работают ПК1 1 и ПК3 3. Вход Д 30 соединен с выходом К3 29, а его выход является выходом сигнала ОФМ. Для шумовой автоматической регулировки усиления (ШАРУ) приемник имеет первую схему ШАРУ 31, выходы которой подключены ко вторым входам ТПЧ1 9 и ТПЧ3 19, и вторую схему ШАРУ 32, выходы которой соединены со вторыми входами ТПЧ2 14 и ТПЧ4 24. Для формирования частот гетеродина для ПК1 1, ПК2 2, ПК3 3 и ПК4 4, а также для формирования частоты опорного сигнала для внешнего устройства приемник имеет гетеродин 33. Для обеспечения контроля работоспособности приемных каналов и калибровки их амплитудных характеристик в состав приемника входит система встроенного контроля (СВК) 34, связанная с гетеродином 33.
Гетеродин 33 (фиг. 2) включает в себя кварцевый генератор (КГ) 35, подключенный к входам первого генератора (Г1) 36, второго генератора (Г2) 37 и генератора опорного сигнала (ГОС) 38. При этом выход Г1 36 является первым выходом гетеродина 33, соединенным со вторыми входами С1 8 и С3 18, выход Г2 37 - вторым выходом, соединенным со вторыми входами С2 13 и С4 23, выход КГ 35 - третьим выходом, а выход ГОС 38 - четвертым его выходом, на котором формируется опорный сигнал.
СВК 34 (фиг. 2), в свою очередь, содержит пятый смеситель (С5) 39, шестой смеситель (С6) 40, сумматор-распределитель (CP) 41, генератор промежуточной частоты (1114) 42, делитель промежуточной частоты (ДПЧ) 43, модулятор промежуточной частоты (МПЧ) 44, усилитель промежуточной частоты (УПЧ) 45, семиразрядный ступенчатый аттенюатор 46 и цифровую микросхему ШАРУ 47. При этом первые входы С5 39 и С6 40 являются первым и вторым входами СВК 34, соединенными с первым и вторым выходами гетеродина 33 соответственно, при этом их вторые входы объединены и подключены к выходу УПЧ 45, а их выходы соединены соответственно с первым и вторым входами CP 41. Первый и второй выходы CP 41 являются первым и вторым выходами тестовых сигналов СВК 34, соединенными соответственно со вторыми входами К1 27 и К2 28. Вход ГПЧ 42 является третьим входом СВК 34, подключенным к третьему выходу гетеродина 33, а его выход соединен с входом ДПЧ 43, выход которого подключен к входу МПЧ 44. Выход МПЧ 44 соединен с входом семиразрядного ступенчатого аттенюатора 46, входы разрядов которого соединены с соответствующими выходами цифровой микросхемы ШАРУ 47.
Приемник дециметрового диапазона работает следующим образом.
На входы приемника поступают СВЧ сигналы на приемной частоте, при этом через К1 27 и К2 28 они поступают на входы ПК1 1, ПК2 2, ПК3 3 и ПК4 4. В каналах с помощью ФВЧ1 5, ФВЧ2 10, ФВЧ3 15, ФВЧ4 20 и ФВЧ5 25 осуществляется фильтрация, а именно выделение «своих» сигналов на несущей частоте (первой, или второй, или третьей), с помощью У1 6, У2 11, У3 16, У4 21 и У5 26 усиление сигналов, а также при помощи ТА1 7, ТА2 12, ТА3 17, ТА4 22 термокомпенсация. Термокомпенсация обеспечивает стабильность работы устройства в широком диапазоне температур, которая достигается за счет использования термоаттенюаторов, например, марки TVA0300N09W3S, которые под воздействием температуры изменяют вносимое затухание в канал, что позволяет добиться незначительного отклонения электропараметров относительно нормальных условий. С помощью C1 8, С2 13, С3 18 и С4 23 осуществляется преобразование сигналов, а именно перенос сигналов на промежуточную частоту с помощью сигналов гетеродина fг1 и fг2, поступающих на вторые входы данных смесителей с первого и второго выходов гетеродина 33 соответственно. После преобразования сигналов с выходов смесителей на первые входы ТПЧ1 9, ТПЧ2 14, ТПЧ3 19 и ТПЧ4 24 поступают сигналы промежуточной частоты, при этом осуществляется демодуляция импульсного сигнала. В трактах промежуточной частоты сигнал преобразуется нужным образом с помощью входящих в тракты ступенчатых аттенюаторов, управляемых схемами ШАРУ, фильтров промежуточной частоты, усилителей-детекторов промежуточной частоты и сдвоенных усилителей. При этом с выходов первой схемы ШАРУ 31 управляющие сигналы поступают на вторые входы 11141 9 и ТПЧ3 19, а с выходов второй схемы ШАРУ 32 - на вторые входы ТПЧ2 14 и ТПЧ4 24. ПК1 1, ПК2 2, ПК3 3 и ПК4 4 приемника работают идентично, при этом на выходах приемника формируются аналоговые сигналы для дальнейшей обработки в цифровом вычислительном устройстве (ЦВУ). Дополнительный приемный канал образуется при совместной работе ФВЧ5 25 и У5 26 с С1 8 и 11141 9, при этом данный канал осуществляет обработку сигнала на третьей несущей частоте подобным образом за исключением термокомпенсации.
На входе Д 30 относительной фазовой модуляции S режима применен К3 29, который по команде от внешнего ЦВУ подключает последний к 11141 9 либо к ТПЧ3 19, в зависимости от того, какой из каналов (ПК1 1 или ПК3 3) принял больший по амплитуде запросный сигнал S режима.
В данном приемнике дециметрового диапазона во всех приемных каналах используется одинаковая промежуточная частота, что позволяет унифицировать схемотехнику трактов промежуточной частоты приемных каналов. При этом преобразование частоты в приемных каналах осуществляется однократно. Выбранное значение промежуточной частоты позволяет для обработки сигналов на третьей несущей частоте использовать 11141 9 ПК1 1, а также его С1 8, и тем самым реализовать дополнительный приемный канал.
В состав как первой схемы ШАРУ 31, так и второй схемы ШАРУ 32 входят семиразрядный ступенчатый аттенюатор, цифровая микросхема ШАРУ и два пороговых устройства. Схемы ШАРУ обеспечивают стабилизацию частоты срабатывания пороговых устройств от выбросов шума на выходах приемных каналов. Ступенчатый аттенюатор позволяет дискретно изменять параметры затухания в диапазоне от 0 дБ до 63,5 дБ. При этом нулю затухания соответствует управляющий код «0000000», а затуханию 63,5 дБ соответствует управляющий код «1111111». Одно из пороговых устройств каждой из схем ШАРУ предназначено для преобразования шума на выходе приемного канала в хаотическую импульсную последовательность, а другое пороговое устройство предназначено для выделения импульсов из состава потока импульсных помех типа ХИП (хаотические импульсные помехи). Уровень напряжения порога его срабатывания близок к уровню порога обнаружения импульсного сигнала в ЦВУ. Цифровая микросхема ШАРУ - это специализированный процессор, основной функцией которого является подсчет в течение фиксированного интервала времени количества импульсов на выходе пороговых устройств.
СВК 34 формирует тестовые сигналы, которые с ее первого и второго выходов поступают на входы приемных каналов через К1 27 и К2 28. При этом тестовые сигналы в процессе работы СВК 34 последовательно с шагом 1 дБ изменяют свою мощность. Это дает возможность выполнить калибровку ПК1 1, ПК2 2, ПК3 3 и ПК4 4 для надежного обеспечения выполнения требований, предъявляемых к алгоритму направленного ответа. Также это дает возможность не предъявлять жестких требований к идентичности амплитудных характеристик приемных каналов.
Калибровка амплитудных характеристик осуществляется следующим образом.
Ступенчатый аттенюатор 46 в исходном состоянии устанавливается в режим нулевого затухания. В МПЧ 44 от внешнего ЦВУ подается сигнал запуска. При этом значение нужной частоты достигается за счет деления сигнала в ДПЧ 43, на который поступает двойное значение частоты с ГПЧ 42, соединенного с КГ 35 гетеродина 33. При этом с выхода МПЧ 44 сигнал поступает на вход ступенчатого аттенюатора 46. Затем радиоимпульс на промежуточной частоте со ступенчатого аттенюатора 46 через УПЧ 45 поступает на вторые входы смесителей С5 39 и С6 40, где осуществляется перенос сигнала на рабочие частоты. На первые входы С5 39 и С6 40 при этом поступают сигналы гетеродина 33. Радиоимпульсы на несущих частотах калибруемых приемных каналов суммируются в CP 41, после чего на первом и втором выходах СВК 34 формируются тестовые сигналы, содержащие радиоимпульсы на рабочих частотах, которые поступают на входы соответствующих приемных каналов. ФВЧ1 5, ФВЧ2 10, ФВЧ3 15, ФВЧ4 20 приемных каналов выделяют «свой» тестовый радиоимпульс, который обрабатывается в соответствующем приемном канале и на выходе канала появляется видеоимпульс положительной полярности, амплитуда которого соответствует мощности тестового радиоимпульса.
n
n-1
Далее ЦВУ передает код, значение которого на единицу больше предыдущего. Ступенчатый аттенюатор 46 уменьшит в этом случае мощность тестового сигнала на 1 дБ. После этого следует импульс запуска и в память ЦВУ заносится код амплитуды следующей точки. Последующие точки амплитудной характеристики калибруемых приемных каналов определяются через каждые 1 дБ подачей соответствующего кода на цифровую микросхему ШАРУ 47 и следующим после этого запуском цепей формирования тестового сигнала. Ступенчатый аттенюатор 46 позволяет прокалибровать 64 точки амплитудных характеристик. Далее в процессе калибровки ЦВУ проверяет выполнение условия A<A (текущее значение амплитуды тестового импульса меньше значения амплитуды предыдущего тестового импульса). Если это условие нарушается в точке находящейся выше точки соответствующей уровню исправности, то ЦВУ фиксирует отказ устройства. Таким образом проверяется исправность приемных каналов.
Для преобразования частоты входного сигнала в промежуточную при помощи гетеродина 33 в приемнике формируются сигналы с частотами гетеродина для каждого диапазона. При этом ГОС 38, входящий в состав гетеродина 33, вырабатывает стабильный непрерывный синусоидальный сигнал, предназначенный для работы внешнего устройства (опорный сигнал).
Таким образом, предлагаемый приемник дециметрового диапазона обеспечивает одновременный и независимый прием запросных сигналов в дециметровом диапазоне на трех различных несущих частотах в условиях воздействия температур в диапазоне от минус 60°C до плюс 70°C. Наличие приемных каналов, работающих попарно на двух (первой и второй) различных несущих частотах, с возможностью калибровки их амплитудных характеристик, позволяет обеспечить реализацию алгоритма направленного ответа, при этом каждый из этих каналов связан со своей широкополосной антенной и не теряет информации об амплитуде принятого сигнала. Кроме этого однократное преобразование частоты с использованием одинаковой промежуточной частоты для всех приемных каналов позволяет унифицировать схемотехнику трактов промежуточной частоты данного приемника, а также реализовать дополнительный приемный канал для обработки сигналов на третьей несущей частоте.
Для подтверждения возможности реализации технического решения был изготовлен опытный образец приемника дециметрового диапазона, при этом конструктивно все его узлы реализованы из элементов, выпускаемых промышленностью, и выполнены в соответствии с конкретными техническими требованиями.