ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
TRANSCEIVER

Изобретение относится к радиолокационным устройствам ближнего радиуса действия и может быть использовано в качестве приемопередающего устройства (ППУ) для радиодальномера когерентно-импульсного (импульсно-доплеровского) типа, принцип действия которого рассмотрен в [1, стр. 120-121].
Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству является «Приемопередающее устройство» [2].
Прототип [2] содержит антенну передающую 1, усилитель мощности (УМ 2), выход которого соединен с входом антенны передающей 1, первое устройство управления амплитудой (УУА 3), выход которого соединен с входом УМ 2, фазовращатель (ФВ 4), выход которого соединен с первым входом первого УУА 3, вентиль 5, выход которого соединен с первым входом ФВ 4, первый направленный ответвитель (НО 6), второй выход которого соединен с входом вентиля 5, первый смеситель (См 7), первый вход которого соединен с первым выходом первого НО 6, первый усилитель промежуточной частоты (УПЧ 8), вход которого соединен с выходом первого См 7, второй См 9, второй вход которого соединен с выходом первого УПЧ 8, фильтр нижних частот (ФНЧ 10), вход которого соединен с выходом второго См 9, усилитель широкополосный импульсный (УШИ 11), вход которого соединен с выходом ФНЧ 10, а выход соединен с выходом ППУ, блок управления (БУ 12), вход которого соединен с первым входом ППУ, первый выход соединен со вторым входом первого УУА 3, а третий выход соединен со вторым входом ФВ 4, первый автогенератор, управляемый напряжением (АГУН 13), вход которого соединен со вторым входом ППУ, а выход соединен с входом первого НО 6, первый полосовой фильтр (ПФ 14), выход которого соединен со вторым входом первого См 7, второй АГУН 15, вход которого соединен с третьим входом ППУ, второй НО 16, вход которого соединен с выходом второго АГУН 15, а первый выход соединен с входом первого ПФ 14, второй ПФ 17, вход которого соединен со вторым выходом второго НО 16, антенну приемную 18, третий ПФ 19, вход которого соединен с выходом антенны приемной 18, защитное устройство (ЗУ 20), вход которого соединен с выходом третьего ПФ 19, первый аттенюатор (Ат 21), первый вход которого соединен с выходом ЗУ 20, а второй вход соединен с четвертым входом ППУ, малошумящий усилитель (МШУ 22), вход которого соединен с выходом первого Ат 21, второй УУА 23, первый вход которого соединен с выходом МШУ 22, а второй вход соединен со вторым выходом БУ 12, четвертый ПФ 24, вход которого соединен с выходом второго УУА 23, третий См 25, первый вход которого соединен выходом четвертого ПФ 24, а второй вход соединен с выходом второго ПФ 17, пятый ПФ 26, вход которого соединен с выходом третьего См 25, второй УПЧ 27, вход которого соединен с выходом пятого ПФ 26, второй Ат 28, первый вход которого соединен с выходом второго УПЧ 27, второй вход соединен с пятым входом ППУ, а выход соединен с первым входом второго См 9.
Прототип [2] когерентно-импульсного типа работает с двойным преобразованием частоты в приемнике. Первый АГУН 13 работает на несущей частоте в качестве возбудителя в передающем канале для формирования излученного радиосигнала. Второй АГУН 15 работает в приемном канале для формирования опорного сигнала третьего См 25 на частоте, превышающей частоту излученного радиосигнала на величину первой промежуточной частоты. После первого преобразования радиоимпульсы на выходе третьего См 25 переносятся на первую промежуточную частоту. Опорный сигнал для второго См 9 на первой промежуточной частоте формируется после преобразования сигналов первого АГУН 13 и второго АГУН 15 на выходе первого См 7. После второго преобразования радиоимпульсы на первой промежуточной частоте преобразуются на выходе второго См 9 в видеоимпульсы, которые поступают на вход УШИ 11 и далее на выход приемопередающего устройства. Принцип формирования фазы опорного сигнала второго См 9 как разницу фаз второго АГУН 15 и первого АГУН 13 при их синхронной перестройке позволяет сохранять первую промежуточную частоту преобразованных радиоимпульсов постоянной и обеспечивает когерентную обработку принятого радиосигнала. Помехозащищенность от прицельных по частоте помех обеспечивается в результате синхронной перестройки частоты первого и второго АГУН таким образом, чтобы сигнал помехи выводился за пределы полосы пропускания пятого ПФ 26 на выходе третьего См 25 и ФНЧ 10 на выходе второго См 9.
К недостатку вышеприведенного устройства следует отнести возможность только дискретной перестройки частоты на фиксированные частоты подбором управляющих напряжений в заводских условиях и сложность обеспечения стабильности первой промежуточной частоты при воздействии дестабилизирующих факторов. В случае необходимости плавной перестройки частоты на объекте стабильность первой промежуточной частоты при воздействии дестабилизирующих факторов обеспечить достаточно сложно.
Целью предлагаемого изобретения является возможность обеспечения как дискретной так и плавной перестройки частоты на объекте в зависимости от помеховой обстановки и обеспечения стабильности первой промежуточной частоты при воздействии дестабилизирующих факторов.
Указанная цель достигается тем, что в ППУ, содержащее антенну передающую 1, УМ 2, выход которого соединен с входом антенны передающей 1, УУА 3, выход которого соединен с входом УМ 2, ФВ 4, выход которого соединен с первым входом первого УУА 3, вентиль 5, выход которого соединен с первым входом ФВ 4, первый НО 6, второй выход которого соединен с входом вентиля 5, первый См 7, первый вход которого соединен с первым выходом первого НО 6, первый УПЧ 8, вход которого соединен с выходом первого См 7, второй См 9, ФНЧ 10, вход которого соединен с выходом второго См 9, УШИ 11, вход которого соединен с выходом ФНЧ 10, а выход соединен с выходом ППУ, БУ 12, вход которого соединен с первым входом ППУ, первый выход соединен со вторым входом первого УУА 3, а третий выход соединен со вторым входом ФВ 4, первый АГУН 13, вход которого соединен со вторым входом ППУ, а выход соединен с входом первого НО 6, первый ПФ 14, выход которого соединен со вторым входом первого См 7, второй АГУН 15, второй НО 16, вход которого соединен с выходом второго АГУН 15, а первый выход соединен с входом первого ПФ 14, второй ПФ 17, вход которого соединен со вторым выходом второго НО 16, антенну приемную 18, третий ПФ 19, вход которого соединен с выходом антенны приемной 18, ЗУ 20, вход которого соединен с выходом третьего ПФ 19, первый Ат 21, первый вход которого соединен с выходом ЗУ 20, МШУ 22, вход которого соединен с выходом первого Ат 21, второй УУА 23, первый вход которого соединен с выходом МШУ 22, а второй вход соединен со вторым выходом БУ 12, четвертый ПФ 24, вход которого соединен с выходом второго УУА 23, третий См 25, первый вход которого соединен выходом четвертого ПФ 24, а второй вход соединен с выходом второго ПФ 17, пятый ПФ 26, вход которого соединен с выходом третьего См 25, второй УПЧ 27, вход которого соединен с выходом пятого ПФ 26, второй Ат 28, первый вход которого соединен с выходом второго УПЧ 27, а выход соединен с первым входом второго См 9, отличающееся тем, что вторые входы первого Ат 21 и второго Ат 28 соединены соответственно с третьим и четвертым входами приемопередающего устройства, дополнительно введена поисковая система автоматической подстройки частоты (АПЧ 29) второго АГУН 15, первый вход которой соединен с выходом первого УПЧ 8, второй вход соединен со вторым входом ППУ, первый выход соединен со вторым входом второго См 9, второй выход соединен с входом второго АГУН 15, причем система АПЧ 29 содержит делитель мощности (ДМ 30), вход которого соединен с первым входом, а первый выход соединен с первым выходом системы АПЧ 29, резонатор 31, вход которого соединен со вторым выходом ДМ 30, амплитудный детектор (АД 32), вход которого соединен с выходом резонатора 31, генератор пилообразного напряжения (ГПН 33), вход которого соединен с выходом АД 32, сумматор 34, первый вход которого соединен с выходом ГПН 33, второй вход соединен со вторым входом, а выход соединен со вторым выходом системы АПЧ 29. Предлагаемое ППУ когерентно-импульсного типа по аналогии с прототипом работает с двойным преобразованием частоты в приемном канале. Первый АГУН 13 работает на несущей частоте в качестве возбудителя в передающем канале для формирования излученного радиосигнала. Второй АГУН 15 работает в приемном канале для формирования опорного сигнала третьего См 25 на частоте, превышающей частоту излученного радиосигнала на величину первой промежуточной частоты. После первого преобразования радиоимпульсы на выходе третьего См 25 переносятся на первую промежуточную частоту. Опорный сигнал для второго См 9 на первой промежуточной частоте формируется после преобразования сигналов первого АГУН 13 и второго АГУН 15 на выходе первого См 7. После второго преобразования радиоимпульсы на первой промежуточной частоте преобразуются на выходе второго См 9 в видеоимпульсы. Принцип формирования фазы опорного сигнала второго См 9 как разницу фаз второго АГУН 15 и первого АГУН 13 при их синхронной перестройке позволяет сохранять первую промежуточную частоту преобразованных радиоимпульсов постоянной и обеспечивает когерентную обработку принятого радиосигнала. Возможность как дискретной так и плавной перестройки частоты с сохранением стабильности первой промежуточной частоты при воздействии дестабилизирующих факторов обеспечивается за счет введения в состав ППУ системы АПЧ второго АГУН 15.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков, связями между блоками. Таким образом, можно сделать вывод, что заявляемое устройство соответствует критериям «новизна» и «существенные отличия».
На фиг. 1 приведена блок-схема ППУ. На фиг. 2 приведена блок-схема системы АПЧ. На фиг. 3 - эпюры, поясняющие работу ППУ. На фиг. 4 - эпюры, поясняющие работу системы АПЧ.
ППУ содержит антенну передающую 1, УМ 2, выход которого соединен с входом антенны передающей 1, первое УУА 3, выход которого соединен с входом УМ 2, ФВ 4, выход которого соединен с первым входом первого УУА 3, вентиль 5, выход которого соединен с первым входом ФВ 4, первый НО 6, второй выход которого соединен с входом вентиля 5, первый См 7, первый вход которого соединен со вторым выходом первого НО 6, первый УПЧ 8, вход которого соединен с выходом первого См 7, второй См 9, ФНЧ 10, вход которого соединен с выходом второго См 9, УШИ 11, вход которого соединен с выходом ФНЧ 10, а выход соединен с выходом ППУ, БУ 12, вход которого соединен с первым входом ППУ, первый выход соединен со вторым входом первого УУА 3, а третий выход соединен со вторым входом ФВ 4, первый АГУН 13, вход которого соединен со вторым входом ППУ, а выход соединен с входом первого НО 6, первый ПФ 14, выход которого соединен со вторым входом первого См 7, второй АГУН 15, второй НО 16, вход которого соединен с выходом второго АГУН 15, второй ПФ 17, вход которого соединен со вторым выходом второго НО 16, антенну приемную 18, третий ПФ 19, вход которого соединен с выходом антенны приемной 18, ЗУ 20, вход которого соединен с выходом третьего ПФ 19, первый Ат 21, первый вход которого соединен с выходом ЗУ 20, а второй вход соединен с третьим входом ППУ, МШУ 22, вход которого соединен с выходом первого Ат 21, второй УУА 23, первый вход которого соединен с выходом МШУ 22, а второй вход соединен со вторым выходом БУ 12, четвертый ПФ 24, вход которого соединен выходом второго УУА 23, третий См 25, первый вход которого соединен выходом четвертого ПФ 24, а второй вход соединен с выходом второго ПФ 17, пятый ПФ 26, вход которого соединен с выходом третьего См 25, второй УПЧ 27, вход которого соединен с выходом пятого ПФ 26, второй Ат 28, первый вход которого соединен с выходом второго УПЧ 27, второй вход соединен с четвертым входом ППУ, а выход соединен с первым входом второго См 9, поисковую систему АПЧ 29, первый вход которой соединен с выходом первого УПЧ 8, а первый выход соединен со вторым входом второго См 9, второй вход соединен со вторым входом ППУ, второй выход соединен с входом второго АГУН 15, причем система АПЧ 29 содержит ДМ 30, вход которого соединен с первым входом системы АПЧ 29, а первый выход соединен с первым выходом системы АПЧ 29, резонатор 31, вход которого соединен со вторым выходом ДМ 30, АД 32, вход которого соединен с выходом резонатора 31, ГПН 33, вход которого соединен с выходом ДМ 32, сумматор 34, первый вход которого соединен с выходом ГПН 33, второй вход соединен со вторым входом системы АПЧ 29, а выход соединен со вторым выходом системы АПЧ 29.
ППУ работает следующим образом. Первый АГУН 13 с перестройкой частоты варикапом [3, стр. 335] управляется внешним напряжением, поступающим со второго входа ППУ от блока обработки (БО) радиодальномера. Фазу сигнала на выходе АГУН 13 запишем в виде:
где π=180°;
Н
f - нижнее значение частоты первого АГУН 13;
k=0, 1, 2, … - номер литеры, число литер определяется полосой и дискретом перестройки частоты АГУН 13;
1
Δf - дискрет перестройки частоты первого АГУН 13;
t - время;
01
Ф - начальная фаза сигнала первого АГУН 13.
В дальнейшем для простоты изложения постоянным набегом фазы в элементах передающего и приемного трактов будем пренебрегать и учитывать только начальные фазы сигналов первого АГУН 13 и второго АГУН 15. Синусоидальный сигнал с выхода первого АГУН 13 поступает на вход первого НО 6 [4, стр. 130-137] и далее со второго выхода НО 6 через вентиль 5 [3, стр. 277] на первый вход дискретного ФВ 4 [5, стр. 128]. На вход БУ 12 с первого выхода ППУ поступает периодическая последовательность прямоугольных импульсов (фиг. 3,а). Под действием управляющего напряжения (фиг. 3,б), поступающего с третьего выхода БУ 12, фаза сигнала на выходе ФВ 4 переключается от периода к периоду в пределах (0 - π/12). Фазу сигнала на выходе дискретного ФВ 4 запишем в виде:
где
m - номер периода повторения прямоугольных импульсов;
П
Т - период повторения прямоугольных импульсов;
И
Т - длительность прямоугольных импульсов.
Фазоманипулированный сигнал с выхода ФВ 4 поступает на первый вход первого УУА 3 [4, стр. 148-157]. БУ 12 формирует управляющий сигнал требуемой амплитуды и длительности (фиг. 3,в), который с первого выхода БУ 12 поступает на второй вход первого УУА 3. На выходе первого УУА 3 формируется периодическая последовательность радиоимпульсов требуемой длительности и мощности. Радиоимпульсы с выхода первого УУА 3 поступают на вход УМ 2 с внешним возбуждением [3, стр. 339-346]. С выхода УМ 2 радиоимпульсы требуемой мощности поступают на вход антенны передающей 1 и излучаются в пространство. Радиосигнал на выходе антенны передающей 1 запишем в виде:
C
где U - амплитуда радиосигнала;
В дальнейшем для простоты изложения будем полагать коэффициенты передачи элементов приемного тракта равными 1. Радиоимпульсы, отраженные от цели, с выхода антенны приемной 18 через третий ПФ 19, предназначенный для защиты приемника от мощных внеполосных помех, поступают на вход ЗУ 20 [4, стр. 165-169]. С выхода ЗУ 20 радиоимпульсы поступают на первый вход первого Ат 21 [4, стр. 158-164] и далее на вход МШУ 22. ЗУ 20 предназначено для защиты МШУ 22 от мощных помех в диапазоне рабочих частот, а первый АТ 21 предназначен для предотвращения перегрузки МШУ 22 ограниченным сигналом помехи с выхода ЗУ 20. На второй вход первого Ат 21 поступает управляющее напряжение с третьего входа ППУ, под действием которого осуществляется плавная регулировка мощности радиоимпульсов и помехи на выходе Ат 21. Радиоимпульсы с выхода первого Ат 21 поступают на первый вход второго УУА 23, на второй вход которого поступают импульсы бланка (фиг. 2,г) со второго выхода БУ 12 по времени совпадающие с импульсами управления (фиг. 3,в) первого УУА 3. В моменты поступления импульсов бланка второе УУА 23 запирается, при этом предотвращается перегрузка приемного тракта излученными радиоимпульсами, которые поступают в приемный тракт из-за конечной развязки между передающей 1 и приемной 18 антеннами. Радиоимпульсы с выхода второго УУА 23 через четвертый ПФ 24, предназначенный для устранения влияния на чувствительность приемного тракта шумов МШУ 22 в диапазоне зеркальных частот, поступают на первый вход третьего См 25. Радиосигнал на первом входе третьего См 25 запишем в виде:
где
R - дальность до цели;
V - скорость сближения (-) или удаления (+) цели;
с - скорость света.
Сигнал первой промежуточной частоты на выходе первого См 7 формируется в результате смешения гетеродинного сигнала, поступающего на второй вход См 7 с выхода второго АГУН 15 через второй НО 16 и первый ПФ 14, а также сигнала с выхода первого АГУН 13, поступающего на первый вход второго См 7 с первого выхода первого НО 6.
Рассмотрим работу поисковой системы АПЧ 29 второго АГУН 15, принцип действия которой рассмотрен в [3, стр. 361]. В момент подачи питания напряжение на выходе порогового устройства (ПУ) из состава ГПН 33, принцип действия которого рассмотрен в [3, стр. 754, рис. 25.3], принимает отрицательное значение (фиг. 4, а). При этом напряжение на выходе интегратора из состава ГПН 33 возрастает до положительных значений с большой скоростью (фиг. 4, б). После принятия напряжения на выходе ПУ положительного значения напряжение на выходе интегратора ГПН 33 уменьшается до отрицательных значений с малой скоростью. Напряжение с выхода ГПН 33 поступает на инвертирующий вход сумматора 34, принцип действия которого рассмотрен в [3, стр. 660, рис. 24.1, в]. На не инвертирующий вход сумматора 34 поступает положительное управляющее напряжение со второго входа ППУ. Суммарное напряжение (фиг. 4, в) с выхода системы АПЧ 29 поступает на управляющий вход второго АГУН 15. С выхода второго АГУН 15 через второй НО 16 и первый ПФ 14 на второй вход первого См 7 в качестве гетеродинного поступает сигнал с частотой, определяемой соотношением:
2
где Δf - дискрет перестройки частоты второго АГУН 15;
ПЧ 1
f - первая промежуточная частота;
f
V - скорость изменения частоты второго АГУН 15 под действием пилообразного напряжения в режиме поиска;
На выходе первого См 7 формируется сигнал с промежуточной частотой, определяемой соотношением:
3
ПЧ 1
f
Сигнал промежуточной частоты усиливается первым УПЧ 8 и поступает на первый вход системы АПЧ 29 и далее на вход ДМ 30. С выхода ДМ 30 сигнал поступает на вход резонатора 31, параметры которого для примера приведены в [6] и далее на вход АД 32. Отрицательное напряжение с выхода АД 32 (фиг. 4, г) через дополнительный резистор поступает на инвертирующий вход интегратора ГПН 33. В момент равенства разнополярных токов через дополнительный резистор и резистор R из состава ГПН 33 напряжение на выходе ГПН 33 перестает изменяться, устанавливается процесс автоподстройки частоты второго АГУН 15. При этом частота сигнала на выходе первого См 7 становится равной f. Из соотношения (9) нетрудно определить, что дополнительная перестройка частоты V Δt второго АГУН 15 при дискретной или плавной перестройке частоты должна удовлетворять соотношению:
где Δt - интервал времени (фиг. 4,в) перестройки частоты второго АГУН 15 до начала автоподстройки.
С выхода второго АГУН 15 в режиме автоподстройки через второй НО 16 и второй ПФ 17 на второй вход третьего См 25 в качестве гетеродинного поступает сигнал с фазой, определяемой соотношением:
02
где Ф - начальная фаза второго АГУН 15.
Первый ПФ 14 и второй ПФ 17 настраиваются в диапазоне рабочих частот второго АГУН 15 и предназначены для ослабления до необходимого минимального уровня просачивающегося сигнала первого АГУН 13 с первого входа первого См 7 на второй вход третьего См 25. Используя соотношения (2, 6, 11) преобразованный сигнал на выходе третьего См 25 запишем в виде:
Радиоимпульсы на первой промежуточной частоте через пятый ПФ 26 и второй УПЧ 27 поступают на первый вход второго регулируемого Ат 28, на второй вход которого поступает управляющее напряжение с четвертого входа ППУ, под действием которого осуществляется плавная регулировка мощности радиоимпульсов на выходе второго Ат 28. Пятый ПФ 26 предназначен для ослабления сигнала помехи при перестройке частоты второго АГУН 15 до уровня, исключающего перегрузку второго УПЧ 27. Под действием внешнего управляющего напряжения аттенюаторы Ат 21 и Ат 28, которые входят в контур автоматической регулировки усиления, осуществляют плавную регулировку уровня мощности принятых радиоимпульсов таким образом, чтобы поддерживать амплитуду сигнала на выходе УШИ 11 постоянной во всем диапазоне измеряемых дальностей. С выхода второго Ат 28 радиоимпульсы на первой промежуточной частоте поступают на первый вход второго См 9, на второй вход которого в качестве гетеродинного поступает сигнал со второго выхода системы АПЧ 29. Используя соотношения (1), (8), фазу гетеродинного сигнала, поступающего на второй вход второго См 9, запишем в виде:
Используя соотношения (12), (13), преобразованный сигнал на выходе второго См 9 запишем в виде:
Используя соотношения (7), (14), сигнал на выходе второго См 9 после преобразований запишем в виде:
где
П
На выходе второго См 9 принятый сигнал можно рассматривать как две периодические последовательности видеоимпульсов с периодом повторения 2 Т, огибающая которых изменяется соответственно по косинусоидальному (фиг. 3,д) закону для не четных периодов и синусоидальному (фиг. 3,е) закону для четных периодов. Наличие двух последовательностей видеоимпульсов, огибающая которых находится в квадратуре, позволяет при обработке сигнала не терять контакт с медленно перемещающейся целью, когда частота Доплера близка к нулевому значению. Результирующий сигнал (фиг. 3,ж) с выхода второго См 9 через ФНЧ 10 и УШИ 11 поступает на выход ППУ и далее в БО радиодальномера. ФНЧ 10 предназначен для ослабления мощности отстроенного по частоте сигнала помехи до уровня, не превышающего собственные шумы на выходе УШИ 11.
Таким образом, в предлагаемом ППУ по сравнению с прототипом обеспечивается возможность как дискретной, так и плавной перестройки частоты на объекте с сохранением стабильности первой промежуточной частоты при воздействии дестабилизирующих факторов.
Список литературы
1. «Справочник по радиоэлектронным системам». Т.2./Под ред. к.т.н. Б.Х. Кривицкого. М., «Энергия», 1979.
2. G01S 7/285, «Приемопередающее устройство» (патент РФ №2547444, заявка РФ №2014100197 от 09.01.2014).
3. «Радиотехника». «Энциклопедия»./Под ред. Ю.Л. Мазора, Е.А. Мачусского, В.И. Правды. М., Издательский дом «Додэка XXI», 2002.
4. А.В. Морозов, П.Н. Наумов, А.Н. Нырцов. «Устройства сверхвысоких частот и антенны», ч.1. М., издательство «Радиотехника»,  2009.
5. Н.Т. Бова, П.А. Стукало, В.А. Храмов. «Управляющие устройства СВЧ». Киев, издательство «Техника», 1973.
6. Фильтр А053-1070М1 ЦАПР. ТУ 433561.053.