Многоканальный приемник - преобразователь СВЧ - сигналов беспилотного летательного аппарата

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к приемникам-преобразователям СВЧ-сигналов, и может быть использована для аппаратуры приемного тракта СВЧ-сигналов в системах связи и навигации бортовых радиолокационных станций (РЛС) беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
8
За прототип принят многоканальный СВЧ-приемник с двойным преобразованием частоты по патенту РФ №2452089, 2011 г., МПК Н04В 1/06, опубл. в бюл. №15, 2012 г.
Устройство-прототип содержит делитель мощности, схему управления (блок управления и контроля с выходами сигналов управления* (* - название в заявляемом устройстве, здесь и далее), n приемных каналов, каждый из которых включает малошумящий усилитель, смеситель частот (смеситель частот сигналов*), полосно-пропускающие фильтры, усилители первой промежуточной частоты (усилители сигналов* и усилитель промежуточной частоты*), коммутатор и аттенюатор (управляемый аттенюатор*).
Недостатками устройства-прототипа являются недостаточные дальность обнаружения целей, разрешающая способность и чувствительность при эквивалентных условиях прохождения сигнала и установленных энергозатратах по следующим причинам:
- невозможность использования фазоманипулированных сигналов с длинной базой и невозможность когерентной обработки таких сигналов;
- отсутствие компенсации смещения несущей частоты приемного сигнала при использовании движущихся носителей вследствие эффекта Доплера;
- малый динамический диапазон приемного СВЧ-тракта, а следовательно, невозможность наблюдения относительно малых целей на фоне больших объектов, т.е. малая избирательная селективность (разрешающая способность и чувствительность).
Решаемыми задачами являются повышение дальности обнаружения целей, разрешающей способности и чувствительности, путем обеспечения возможности использования фазоманипулированных сигналов с длинной базой, когерентной обработки таких сигналов и компенсации смещения несущей частоты приемного сигнала вследствие эффекта Доплера, а также увеличение динамического диапазона приемного СВЧ-тракта путем расширения полосы сигнала с целью выделения слабого полезного сигнала на фоне шума, т.е. повышение селективности.
Для повышения дальности работы, разрешающей способности и чувствительности в современных РЛС используют фазоманипулированные сигналы с длинной базой и короткими дискретами, причем чем короче дискрет, тем больше разрешающая способность по дальности. При приеме фазоманипулированного сигнала когерентным приемником, т.е. приемником, который принимает сигнал с известной начальной фазой, появляется возможность фазовой обработки в устройстве первичной обработки информации РЛС, а также создание систем селекции движущихся целей и когерентное накопление, при котором отношение сигнал / шум возрастает в  (в отличие от некогерентного накопления), где n - число накоплений. Для согласованной фильтрации фазоманипулированных сигналов необходимо удаление частоты Доплера из принятого сигнала, поскольку отклик согласованного фильтра вычислителя (ВЧ) БПЛА чрезвычайно чувствителен к изменению этой частоты. Когерентность приемного СВЧ-тракта обеспечивается введением синтезатора СВЧ-сигналов (СС) предназначенного для формирования из сигнала гетеродина (СГ) от устройства формирования сигнала (УФС) ВЧ БПЛА когерентных независимых сигналов опорной частоты 100 МГц для каждого приемного канала (ПК) с возможностью установки начальной фазы и смещения по частоте для компенсации эффекта Доплера, с тремя независимыми выходами для каждого ПК, и смесителя частот сигналов (СЧС), предназначенного для смешивания частот фазированного сигнала от СС с частотами СГ от УФС ВЧ БПЛА.
Для обеспечения работы такого приемного СВЧ-тракта используется также квадратурный демодулятор (КД), предназначенный для переноса сигнала с промежуточной на нулевую частоту, а также для формирования I - синфазной и Q - квадратурной составляющих сигнала с целью дополнительного повышения разрешающей способности и чувствительности путем совместной обработки (оцифровывания и сжатия) двух составляющих IQ в ВЧ БПЛА.
В свою очередь, расширение динамического диапазона, т.е. диапазона уровней сигналов, в пределах которого приемник должен сохранять заданные характеристики достигается введением в каждый приемный канал блока шумовой автоматической регулировки усиления сигналов (БШАРУ), на схеме выделен штрихпунктирной линией, но не обозначен, состоящего из последовательно соединенных первого коммутатора, первого малошумящего усилителя (МШУ), управляемого аттенюатора, второго МШУ и второго коммутатора, при использовании направленного ответвителя, логарифмического детектора, усилителя сигнала, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а также снабжением блока управления и контроля (БУК) микроконтроллером (МК), контрольными входами для осуществления обратной связи с УС через АЦП и входом-выходом для согласования работы с УФС ВЧ БПЛА, при этом БШАРУ поддерживает постоянный высокий уровень сигнала на выходе приемного СВЧ-тракта и, соответственно, на входе АЦП устройства первичной обработки информации ВЧ РЛС, что, в свою очередь, позволяет работать с сигналами при отношении сигнал / шум меньше единицы.
Нормальное функционирование указанных составных частей заявляемого устройства СС, СЧС и КД во многом зависит от стабильности уровня СГ УФС ВЧ БПЛА, нестабильность уровня СГ может привести к некорректной работе заявляемого устройства, и, как следствие, выдаче недостоверных данных, что повлияет на работу БПЛА в целом. Поэтому при использовании для работы СГ от УФС ВЧ БПЛА необходимо контролировать его уровень, и при необходимости, согласовывать (корректировать). Для этого целесообразно применить параллельную основной контрольную цепь обработки СГ в виде направленного ответвителя сигнала (НОС), для направления части мощности СГ в контрольную цепь, детектора сигнала гетеродина (ДСГ) и компаратора (КП), а также упомянутый контрольный вход сигнала обратной связи (СОС) БУК со встроенным МК и упомянутый вход-выход СОС с УФС ВЧ БПЛА. При этом часть мощности СГ от УФС ВЧ БПЛА через НОС поступает в ДСГ, где определяется наличие СГ, а затем в КП, где происходит сравнение уровня полученного СГ с уровнем эталонного СГ, установленного в КП и далее в БУК, при несоответствии уровней, МК БУК через вход-выход передает СУ в УФС ВЧ БПЛА для согласования работы (корректировки уровня СГ), а при соответствии осуществляет дальнейшую работу с СГ.
Сущность полезной модели состоит в том, что в многоканальном приемнике-преобразователе СВЧ-сигналов БПЛА, содержащим блок управления и контроля (БУК) с выходами сигналов управления (СУ), делитель мощности (ДМ) и, по меньшей мере, первый, второй и третий приемные каналы (ПК), каждый из которых состоит из первого малошумящего усилителя (МШУ), смесителя частот сигналов (СЧС), первого, второго и третьего полосно-пропускающих фильтров (ППФ), первого, второго, третьего и четвертого усилителей сигнала (УС) и усилителя промежуточной частоты (УПЧ), а также первого управляемого аттенюатора (УА) и первого коммутатора (КТ), БУК снабжен микроконтроллером (МК), контрольными входами и входом-выходом сигналов обратной связи (СОС), а в состав введены синтезатор СВЧ-сигналов (СС), направленный ответвитель сигнала (НОС), усилитель сигнала гетеродина (УСГ), полосовой фильтр (ПФ), формирователь синхросигналов (ФСС), детектор сигнала гетеродина (ДСГ), компаратор (КП) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), кроме того, каждый ПК дополнительно снабжен вторым, третьим, четвертым и пятым МШУ, вторым УА, направленным ответвителем (НО), логарифмическим детектором (ЛД), дифференциальным фильтром (ДФ), четвертым и пятым ППФ, квадратурным демодулятором (КД) и вторым КТ, причем последовательно соединенные упомянутые первые КТ, третьи МШУ, вторые УА, четвертые МШУ и вторые КТ являются блоком шумовой автоматической регулировки усиления (БШАРУ) сигналов каждого ПК.
Сущность заявляемого устройства поясняется также функциональными схемами приемника-преобразователя СВЧ-сигналов и первого приемного канала, показанными соответственно на фиг. 1 и 2, где приняты следующие обозначения:
1 - блок управления и контроля (БУК) со встроенным микроконтроллером (МК), фирма Altera EPCS4SI8N,
2 - первый приемный канал (ПК, суммарный),
3 - второй ПК (разностный по азимуту),
4 - третий ПК (разностный по углу),
1
5 - первый полосно-пропускающий фильтр (ППФ) первого ПК, конструктивный элемент,
1
6 - первый малошумящий усилитель (МШУ) первого ПК, фирма Analog Devices ADL5521,
1
7 - второй ППФ первого ПК, конструктивный элемент,
1
8 - первый управляемый аттенюатор (УА), фирма Hittite HMC306MS,
1
9 - второй МШУ первого ПК, фирма Analog Devices ADL5521,
1
10 - третий ППФ первого ПК, конструктивный элемент,
1
11 - первый коммутатор (КТ), фирма Hittite HMC427LP3,
1
12 - третий МШУ первого ПК, фирма Analog Devices ADL5521,
1
13 - второй управляемый аттенюатор (УА), фирма Honeywell HRF-AT4510,
1
14 - четвертый МШУ первого ПК, фирма Analog Devices ADL5521,
1
15 - второй коммутатор (КТ), фирма Hittite HMC427LP3,
1
16 - пятый МШУ первого ПК, фирма Analog Devices ADL5521,
1
17 - направленный ответвитель (НО) первого ПК, фирма Mini-Circuits DBTC-17-5L+,
1
18 - логарифмический детектор (ЛД) первого ПК, фирма Analog Devices, AD8314,
1
19 - первый усилитель сигнала (УС) первого ПК, фирма Analog Devices, ADA4930-1,
1
20 - второй УС первого ПК, фирма Analog Devices ADL5521,
1
21 - дифференциальный фильтр (ДФ), конструктивный элемент,
1
22 - третий УС первого ПК, фирма Analog Devices ADL8351,
1
23 - смеситель частот сигналов (СЧС) первого ПК, фирма Analog Devices ADL5365,
1
24 - четвертый УС первого ПК, фирма Analog Devices ADL5521,
1
25 - четвертый ППФ первого ПК, конструктивный элемент,
1
26 - квадратурный демодулятор (КД) первого ПК, фирма Skyworks SKY73009,
1
27 - пятый ППФ первого ПК, конструктивный элемент,
1
28 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ) первого ПК, фирма Analog Devices ADA4927,
29 - синтезатор СВЧ-сигналов (СС), фирма Analog Devices AD9959,
30 - направленный ответвитель сигнала (НОС), фирма Mini-Circuits D19G,
31 - усилитель сигнала гетеродина (УСГ), фирма Analog Devices ADL5521,
32 - полосовой фильтр (ПФ), фирма Kyosera FP-663,
33 - делитель мощности (ДМ), фирма Mini-Circuits WP4G+,
34 - формирователь синхросигналов (ФСС), фирма Analog Devices AD9915,
35 - детектор сигнала гетеродина (ДСГ), фирма Analog Devices AD8314ARM,
36 - компаратор (КП), фирма Maxim MAX999EUK, AD9212-40,
37 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), фирма Analog Devices.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Многоканальный приемник-преобразователь СВЧ-сигналов БПЛА содержит блок управления и контроля (БУК) 1 с микроконтроллером (МК, на схеме не обозначен), первый приемный канал (ПК, суммарный) 2, второй ПК (разностный по азимуту) 3, третий ПК (разностный по углу) 4, полосно-пропускающие фильтры (ППФ) 5, 5, 5, 7, 7, 7, 10, 10, 10, 25, 25, 25 27, 27, 27, соответственно первого, второго и третьего ПК, малошумящие усилители (МШУ) 6, 6, 6, 9, 9, 9, 12, 12, 12, 14, 14, 14, 16, 16, 16, соответственно первого, второго и третьего ПК, управляемые аттенюаторы (УА) 8, 8, 8, 13, 13, 13, соответственно первого, второго и третьего ПК, коммутаторы (КТ) 11, 11, 11, 15, 15, 15, соответственно первого, второго и третьего ПК, направленные ответвители (НО) 17, 17, 17, соответственно первого, второго и третьего ПК, логарифмические детекторы (ЛД) 18, 18, 18, соответственно первого, второго и третьего ПК, усилители сигнала (УС) 19, 19, 19, 20, 20, 20, 22, 22, 22, 24, 24, 24, соответственно первого, второго и третьего ПК, дифференциальные фильтры (ДФ) 21, 21, 21, соответственно первого, второго и третьего ПК, смесители частот сигналов (СЧС) 23, 23, 23, соответственно первого, второго и третьего ПК, квадратурные демодуляторы (КД) 26, 26, 26, соответственно первого, второго и третьего ПК, усилители промежуточной частоты (УПЧ) 28, 28, 28, соответственно первого, второго и третьего ПК, синтезатор СВЧ-сигналов (СС) 29, направленный ответвитель сигнала (НОС) 30, усилитель сигнала гетеродина (УСГ) 31, полосовой фильтр (ПФ) 32, делитель мощности (ДМ) 33, формирователь синхросигналов (ФСС) 34, детектор сигнала гетеродина (ДСГ) 35, компаратор (КП) 36 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 37.
В заявляемом устройстве используются три приемных канала (ПК): суммарный ПК 2, разностный по азимуту ПК 3 и разностный по углу ПК 4 идентичные по составу.
Использования трех каналов обусловлено применением в антенной системе БПЛА соответственно трех каналов: суммарного, разностного по азимуту и разностного по углу, что позволяет получить на одной антенне три диаграммы направленности одновременно, а следовательно, повысить точность определения цели.
В составе каждого ПК 2, 3 и 4 имеется блок шумовой автоматической регулировки усиления сигналов (БШАРУ, на схеме выделен штрихпунктирной линией, но не обозначен), состоящий из последовательно включенных первого (входного, по отношению к БШАРУ сигналов) коммутатора (КТ) 11, третьего малошумящего усилителя (МШУ) 12, второго управляемого аттенюатора (УА) 13, четвертого МШУ 14 и второго (выходного) КТ 15.
**
Все составные части заявляемого приемника -преобразователя сигналов установлены в металлическом корпусе** ( - на схемах не показан, здесь и далее) и находятся в конструктивном единстве и функциональной взаимосвязи, внутренний электромонтаж осуществляется через разъемы** составных частей, а также монтажными жгутами** и перемычками**, т.е. технический результат обеспечивается совокупностью признаков всех элементов конструкции, при этом исключение одного из элементов конструкции исключает и возможность качественного функционирования СВЧ-тракта в соответствии с решаемыми задачами.
Блок управления и контроля (БУК) 1, в конкретном случае может представлять собой программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) EPCS4SI8N фирмы «Altera» с памятью конфигурации, при этом интерфейс с остальными устройствами БПЛА может осуществляться микроконтроллером (МК, на схеме не обозначен) фирмы «SiliconLab» в составе БУК 1. Описание ПЛИС EPCS4SI8N приведено на сайте https://www.altera.com.
БУК 1 предназначен для выдачи посредством МК сигналов управления (СУ) для регулировки работы УА 8 и 13, для переключения КТ 11 и 15, для загрузки синтезатора СВЧ-сигналов (СС) 29, для формирования бланкирующих сигналов в УПРП ВЧ БПЛА, для согласования работы УФС ВЧ БПЛА (корректировки, при необходимости, сигнала гетеродина), а также для приема через АЦП 37 контрольных оцифрованных сигналов обратной связи (СОС) от УС 19 и 20 и для приема СОС от КП о наличии и уровне сигнала гетеродина.
Функции БУК 1 и назначение его входов, входа-выхода и выходов:
1
2
3
- первый, второй и третий входы используют для получения сигналов от первых усилителей сигнала (УС) 19 19, 19 через вторые выходы первого, второго и третьего приемных каналов (ПК) 2, 3 и 4, первый, второй и третий входы и первый, второй и третий выходы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 37 при контроле уровня выходных сигналов от каждого ПК 2, 3 и 4;
1
2
3
- четвертый, пятый и шестой входы используют для получения сигналов от вторых УС 20, 20, 20 через первые выходы первого, второго и третьего ПК 2, 3 и 4, четвертый, пятый и шестой входы и четвертый, пятый и шестой выходы АЦП 37 при контроле уровня огибающих СВЧ-сигнала (ОГС) от УПРП ВЧ БПЛА;
- седьмой вход используют для получения информации от компаратора (КП) 36 при определении наличия сигнала гетеродина (СГ) УФС ВЧ БПЛА необходимого уровня, путем сравнения уровня сигнала полученного КП 36, с уровнем, установленного в КП 36 эталонного сигнала посредством МК в составе БУК 1;
- вход-выход используют для согласования работы (корректировки уровня СГ) УФС ВЧ БПЛА с заявляемым устройством;
1
2
3
- первый выход используют для загрузки синтезатора СВЧ-сигналов (СС) 29 через его второй вход с целью формирования совместно с сигналами от формирователя синхросигналов (ФСС) 34 когерентных независимых сигналов опорной частоты, установки начальной фазы и смещения по частоте для компенсации эффекта Доплера при движении (полете) БПЛА для смесителей частот сигналов (СЧС) 23, 23, 23 каждого ПК 2, 3 и 4;
1
2
3
- второй, третий и четвертый выходы используют для регулировки работы первых управляемых аттенюаторов (УА) 8, 8, 8 через их вторые входы и шестые входы, соответственно первого, второго и третьего ПК 2, 3 и 4 таким образом, чтобы уровень был наибольшим, но не был избыточным, т.е. в перегрузке;
1
2
3
- пятый, шестой и седьмой выходы используют для переключения первых коммутаторов (КТ) 11, 11, 11 через их вторые входы и пятые входы, соответственно первого, второго и третьего ПК 2, 3 и 4, при включении или выключении блока шумовой автоматической регулировки усиления (БШАРУ) в виде последовательно соединенных первых КТ, третьих малошумящих усилителей (МШУ), вторых УА, четвертых МШУ и вторых КТ каждого ПК 2, 3 и 4, включение БШАРУ производят в том случае если первые УА 8 полностью открыты, а уровня сигнала не достаточно для нормального функционирования заявляемого устройства;
1
2
3
- восьмой, девятый и десятый выходы используют для регулировки работы вторых УА 13, 13, 13 через их вторые входы и пятые входы, соответственно первого, второго и третьего ПК 2, 3 и 4, таким образом, чтобы уровень был наибольшим, но не был в перегрузке;
1
2
3
- одиннадцатый, двенадцатый и тринадцатый выходы используют для переключения вторых КТ 15, 15, 15 (включения или выключения БШАРУ) через их третьи входы и пятые входы, соответственно первого, второго и третьего ПК 2, 3 и 4;
- четырнадцатый, пятнадцатый и шестнадцатый выходы используют для передачи сигналов УПРП ВЧ БПЛА с целью формирования бланкирующих (блокирующих) сигналов, предохраняющих УПРП от выхода из строя в момент передачи сигналов из БПЛА.
Алгоритм работы БУК 1:
1
2
3
- на первый, второй и третий входы поступают сигналы от первых УС 19, 19, 19 через вторые выходы, соответственно первого, второго и третьего ПК 2, 3 и 4, первый, второй и третий входы и первый, второй и третий выходы АЦП 37 (для преобразования аналоговых сигналов в цифровой код, поскольку УС являются аналоговыми элементами, а БУ 1 - цифровым), для осуществления контроля уровня выходных сигналов от каждого ПК 2, 3 и 4 посредством МК в составе БУК 1;
1
2
3
- на четвертый, пятый и шестой входы поступают сигналы от вторых УС 20, 20, 20 через первые выходы соответственно первого, второго и третьего ПК 2, 3 и 4, четвертый, пятый и шестой входы и четвертый, пятый и шестой выходы АЦП 37, для осуществления контроля уровня огибающих СВЧ-сигнала (ОГС) от УПРП ВЧ БПЛА посредством МК в составе БУК 1;
- на седьмой вход поступает сигнал от КП 36 при определении наличия сигнала гетеродина (СГ) УФС ВЧ БПЛА необходимого уровня, путем сравнения уровня СГ, полученного КП 36, с уровнем, установленного в КП 36 эталонного СГ;
- на вход-выход поступают сигналы от УФС ВЧ БПЛА и после соответствующей обработки посредством МК в составе БУК 1 - обратно в УФС ВЧ БПЛА для согласования его работы (корректировки, при необходимости, уровня СГ) с заявляемым устройством;
1
2
3
- с первого выхода осуществляют загрузку синтезатора СВЧ-сигналов (СС) 29 через его второй вход с целью формирования совместно с сигналами формирователя синхросигналов (ФСС) 34 когерентных независимых сигналов опорной частоты, установки начальной фазы и смещения по частоте для компенсации эффекта Доплера при движении (полете) БПЛА для смесителей частот сигналов (СЧС) 23, 23, 23 каждого ПК 2, 3 и 4;
1
2
3
1
2
3
- со второго, третьего и четвертого выходов осуществляют регулировку работы первых управляемых аттенюаторов (УА) 8, 8, 8 через их вторые входы и шестые входы, соответственно первого, второго и третьего ПК 2, 3 и 4, таким образом, чтобы уровень был наибольшим, но не был избыточным, т.е. в перегрузке, контроль уровня сигнала производят через УС 19, 19, 19 МК в составе БУК 1;
1
2
3
1
2
3
- с пятого, шестого и седьмого выходов осуществляют переключения первых КТ 11, 11, 11 через их вторые входы и пятые входы, соответственно первого, второго и третьего ПК 2, 3 и 4, при включении или выключении БШАРУ каждого ПК 2, 3 и 4, включение БШАРУ производят в том случае если первые УА 8 полностью открыты, а уровня сигнала не достаточно для нормального функционирования заявляемого устройства, контроль уровня сигнала производят через УС 19, 19, 19 МК в составе БУК 1;
1
2
3
1
2
3
- с восьмого, девятого и десятого выходов осуществляют регулировку работы вторых УА 13, 13, 13 через их вторые входы и пятые входы, соответственно первого, второго и третьего ПК 2, 3 и 4, при включении БШАРУ каждого ПК 2, 3 и 4, таким образом, чтобы уровень был наибольшим, но не был в перегрузке, контроль уровня сигнала производят через УС 19, 19, 19 МК в составе БУК 1;
1
2
3
- с одиннадцатого, двенадцатого и тринадцатого выходов осуществляют переключения вторых КТ 15, 15, 15 через их третьи входы и пятые входы, соответственно первого, второго и третьего ПК 2, 3 и 4, при включении или выключении БШАРУ каждого ПК 2, 3 и 4;
- с четырнадцатого, пятнадцатого и шестнадцатого выходов осуществляют передачу сигналов УПРП ВЧ БПЛА с целью формирования бланкирующих (блокирующих) сигналов, предохраняющих УПРП от выхода из строя в момент передачи сигналов из БПЛА.
При этом интерфейс с УПРП и УФС ВЧ БПЛА осуществляется посредством МК в составе БУК 1.
Приемные каналы (ПК) - суммарный ПК 2, разностный по азимуту ПК 3 и разностный по углу ПК 4 являются идентичными по составу и предназначены для приема и обработки соответствующих сигналов от антенного устройства БПЛА и передачи обработанных сигналов через АЦП 37 БУК 1, а также передачи сигнала IQ ВЧ БПЛА.
Полосно-пропускающие фильтры (ППФ) 5, 7, 10, 25, 27, дифференциальный фильтр (ДФ) 21 и полосовой фильтр (ПФ) 32 предназначены для фильтрации сигналов от боковых составляющих после смешивания сигналов и подавления возбуждения после усиления.
Малошумящие усилители (МШУ) 6, 9, 12, 14, 16, усилители сигналов (УС) 19, 20, 22, 24, усилитель промежуточной частоты (УПЧ) 28 и усилитель сигнала гетеродина (УСГ) 31 предназначены для ступенчатого усиления сигналов до необходимого уровня, а именно для обеспечения необходимой чувствительности приемного СВЧ-тракта.
Управляемые аттенюаторы (УА) 8 и 13 предназначены для регулировки чувствительности приемного СВЧ-тракта, а также для обеспечения необходимого динамического диапазона.
Коммутаторы (КТ) 11 и 15 предназначены для включения и выключения блока шумовой автоматической регулировки усиления (БШАРУ, на схеме выделен штрихпунктирной линией, но не обозначен) сигналов.
Направленный ответвитель (НО) 17 и направленный ответвите ль сигнала (НОС) 30 предназначены для разделения мощности сигнала и направления частей мощности по различным направлениям.
Логарифмический детектор (ЛД) 18 предназначен для обеспечения работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 37 путем преобразования сигнала сверхвысокой частоты в сигнал низкой частоты.
Смеситель частот сигналов (СЧС) 23 предназначен для формирования сигнала для квадратурного демодулятора (КД) 26, а именно для смешивания фазированного сигнала 100 Мгц от синтезатора сигналов (СС) 29 с сигналом гетеродина (СГ) от УФС ВЧ БПЛА.
Квадратурный демодулятор (КД) 26 предназначен для переноса сигнала с промежуточной на нулевую частоту, а также для формирования сигнала IQ, с последующим оцифровыванием и сжатием в ВЧ БПЛА.
Синтезатор СВЧ-сигналов (СС) 29 предназначен для формирования из сигнала гетеродина (СГ) когерентных независимых сигналов опорной частоты 100 МГц для каждого приемного канала (ПК) 2, 3 и 4 с возможностью установки начальной фазы и смещения по частоте для компенсации эффекта Доплера.
Делитель мощности (ДМ) 33 предназначен для разделения входного СГ и передачи частей сигнала СЧС 23 каждого ПК 2, 3 и 4, а также ФСС 34.
Формирователь синхросигналов (ФСС) 34 предназначен для деления сигнала от ДМ 33 на четыре и формирования сигналов для СС 29.
Детектор сигнала гетеродина (ДСГ) 35 предназначен для обеспечения работы компаратора (КП) 36 путем преобразования сигнала гетеродина сверхвысокой частоты в сигнал низкой частоты.
Компаратор (КП) 36 предназначен для диагностики наличия и необходимого уровня сигнала гетеродина (СГ).
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 37 предназначен для преобразования аналоговых сигналов от первого и второго УС 19 и 20 в цифровой код для обеспечения работы БУК 1, поскольку выпускаемые промышленностью упомянутые УС 19 и 20 являются аналоговым элементами, а БУК 1 - цифровым.
Заявляемый многоканальный приемник-преобразователь СВЧ-сигналов БПЛА работает следующим образом.
Сигналы промежуточной частоты (СПЧ) от УПРП ВЧ БПЛА поступают на первые входы каждого ПК 2, 3 и 4 и, соответственно, на входы первых ППФ 5 (-3 дБ) и далее с выходов первых ППФ 5 - на входы первых МШУ 6 (+15 дБ), с выходов первых МШУ 6 - на входы вторых ППФ 7 (-3 дБ), с выходов вторых ППФ 7 - на первые входы первых УА 8 (от -0,5 до -15,5 дБ), с выходов первых УА 8 - на входы вторых МШУ 9 (+30 дБ), с выходов вторых МШУ 9 - на входы третьих ППФ 10 (-3 дБ), с выходов третьих ППФ 10 - на БШАРУ сигналов (на схеме выделен штрихпунктирной линией, но не обозначен), а именно на первые входы первых КТ 11, со вторых выходов которых СПЧ поступают на входы третьих МШУ 12 (+15 дБ), с выходов третьих МШУ 12 - на первые входы вторых УА 13 (от -0,5 до -15,5 дБ), с выходов вторых УА 13 - на входы четвертых МШУ 14 (+30 дБ), а с выходов четвертых МШУ 14 - на первые входы вторых КТ 15 (-1,2 / -40 дБ), одновременно с первых выходов первых КТ 11 сигналы синхронизации работы поступают на вторые входы вторых КТ 15, такая схема позволяет включать второй УА 13 с третьим и четвертым МШУ 12 и 14, обеспечивая усиление до 42 дБ или, при необходимости, обойти БШАРУ сигналов, с выходов вторых КТ 15 СПЧ поступают на входы пятых МШУ 16 (+15 дБ) и далее с выходов пятых МШУ 16 - на входы НО 17 (-0,5 дБ), с первых выходов НО 17 - на вторые входы RF (от англ. radio frequency - радиочастота) КД 26, со вторых выходов НО 17 СПЧ поступают на входы ЛД 18, с выходов ЛД 18 - на входы первых УС 19, а с выходов УС 19 через вторые выходы каждого ПК 2, 3 и 4 сигналы обратной связи (СОС) соответственно - на первый, второй и третий входы АЦП 37, где происходит преобразование аналоговых сигналов в цифровой код для обеспечения работы БУК 1 и МК в его составе, и далее с первого, второго и третьего выходов АЦП 37, соответственно на первый, второй и третий входы БУК 1, огибающие СВЧ-сигналы (ОГС), от УПРП ВЧ БПЛА поступают на вторые входы каждого ПК 2, 3 и 4 и, соответственно, на входы вторых УС 20, с выходов УС 20 через первые выходы каждого ПК 2, 3 и 4 СОС поступают соответственно на четвертый, пятый и шестой входы АЦП 37, где происходит преобразование аналоговых сигналов в цифровой код для обеспечения работы БУК 1 и МК в его составе, и далее с четвертого, пятого и шестого выходов АЦП 37 соответственно на четвертый, пятый и шестой входы БУК 1, при этом МК БУК 1 контролирует уровень сигналов от первого и второго УС 19 и 20, а затем при необходимости через второй, третий и четвертый выходы БУК 1 и шестые входы каждого ПК 2, 3 и 4 регулирует работу первого УА 8 таким образом, чтобы уровень был достаточным, но не был избыточным, т.е. в перегрузке, причем если первый УА 8 полностью открыт, а уровня сигнала не достаточно, то посредством первого и второго КТ 11 и 15 включает БШАРУ и регулируют работу второго УА 13 таким образом, чтобы уровень был наибольшим, но не был в перегрузке, сигнал гетеродина (СГ) от устройства формирования сигнала (УФС) ВЧ БПЛА поступает на вход НОС 30 (-1 дБ), со второго выхода которого СГ поступает на вход ДСГ 35, с выхода ДСГ 35 - на вход КП 36, где происходит сравнение уровня полученного СГ с уровнем эталонного СГ, установленного в КП 36, с выхода КП 36 сигнал поступает на седьмой вход БУК 1, при несоответствии уровней, что может привести к некорректной работе заявляемого устройства и недостоверности выдаваемых данных, МК БУК 1 через вход-выход передает управляющий сигнал в УФС ВЧ БПЛА для согласования работы (корректировки уровня СГ), а при соответствии - осуществляет дальнейшую работу с СГ, с первого выхода НОС 30 СГ поступает на вход УСГ 31 (+15 дБ), и далее с выхода УСГ 31 - на вход ПФ 32 (-3 дБ), с выхода ПФ 32 - на вход ДМ 33 (-7 дБ), с первого, второго и третьего выходов которого части мощности СГ через четвертые входы каждого ПК 2, 3 и 4 поступают соответственно на вторые входы СЧС 23, а с четвертого выхода ДМ 33 часть мощности сигнала поступает на вход ФСС 34, а с выхода ФСС 34 - на первый вход СС 29, одновременно сигналы управления с первого выхода БУК 1 поступают на второй вход СС 29, где совместно с сигналами от ФСС 34 формируют когерентные независимые сигналы опорной частоты каждого ПК 2, 3 и 4 и устанавливают для каждого сигнала начальную фазу, а также смещение от центральной частоты 100 МГц в большую сторону для компенсации смещения несущей входного сигнала по частоте из-за эффекта Доплера при движении БПЛА, необходимость установки начальной фазы обуславливается изменением фазы прохождения сигнала из-за изменения температуры, напряжения питания, изменения параметров УА 8 и 13 и дрейфа усиления МШУ 6, 9, 12, 14 и 16, с первого, второго и третьего выходов СС 29 независимые друг от друга сигналы (100 МГц) через третьи входы каждого ПК 2, 3 и 4 поступают соответственно на входы ДФ 21, с выходов которых - на входы третьих УС 22 и далее с выходов УС 22 - на первые входы СЧС 23, где происходит смешивание частот фазированных сигналов 100 МГц от СС 29 с частотами СГ, далее с выходов СЧС 23 сигналы со смешанными частотами (СГ -100 МГц и СГ +100 МГц) поступают на входы четвертых УС 24, с выходов которых - на входы четвертых ППФ 25 (-3 дБ), а с выходов четвертых ППФ 25 - на первые входы КД 26 в качестве опорных сигналов LO (от англ. local oscillator - гетеродин), в которых осуществляется перенос на нулевую частоту (ПЧ - СГ + 100 МГц), на выходах КД 26 формируются синфазные составляющие (I) и квадратурные составляющие (Q) сигналов, которые поступают на входы пятых ППФ 27 (-3 дБ) и далее с выходов пятых ППФ 27 через УПЧ 28 (+1 дБ) и соответственно третий и четвертый выходы каждого ПК 2, 3 и 4 - к ВЧ БПЛА для последующей обработки (оцифровывания и сжатия), со второго, третьего и четвертого выходов БУК 1 через шестые входы каждого ПК 2, 3 и 4 СУ поступают на вторые входы первых УА 8, с пятого, шестого и седьмого выходов БУК 1 через пятые входы каждого ПК 2, 3 и 4 - на вторые входы первых КТ 11, с восьмого, девятого и десятого выходов БУК 1 через пятые входы каждого ПК 2, 3 и 4 - на вторые входы вторых УА 13, с одиннадцатого, двенадцатого и тринадцатого выходов БУК 1 через пятые входы каждого ПК 2, 3 и 4 - на третьи входы вторых КТ 15, а с четырнадцатого, пятнадцатого и шестнадцатого выходов БУК 1 - в УПРП ВЧ БПЛА, кроме того, с входа-выхода БУК 1 осуществляют согласование работы (уровня сигнала гетеродина) УФС ВЧ БПЛА.
Технические данные при реализации заявляемого многоканального приемника-преобразователя СВЧ-сигналов БПЛА:
- напряжение питания 6 В;
- потребляемый ток не более 3 А;
- максимальный входной уровень сигналов ПЧ - 36 дБм;
- коэффициент усиления 51 дБ;
- максимальный коэффициент усиления БШАРУ 42 дБ;
- полоса пропускания ПЧ 75 МГц;
- уровень сигнала гетеродина СГ 10 дБм;
- регулировка усиления на ПЧ - 15 дБ;
- частота сигнала гетеродина СГ 1,6 ГГц;
- частота ПЧ 1,7 ГГц.
Технический результат заключается в повышении дальности обнаружения целей, разрешающей способности и чувствительности.
Указанный технический результат достигается совокупностью отличительных признаков, а именно снабжением БУК микроконтроллером, контрольными входами и входом-выходом сигналов обратной связи, введением синтезатора СВЧ-сигналов, направленного ответвителя сигнала, усилителя сигнала гетеродина, полосового фильтра, формирователя синхросигналов, детектора сигнала гетеродина, компаратора и аналого-цифрового преобразователя, а также дополнительным снабжением каждого приемного канала вторым, третьим, четвертым и пятым малошумящими усилителями, вторым управляемым аттенюатором, направленным ответвителем, логарифмическим детектором, дифференциальным фильтром, четвертым и пятым полосно-пропускающими фильтрами, квадратурным демодулятором и вторым коммутатором.
Представленные описание и функциональные схемы заявляемого устройства позволяют, применяя известные в приборостроении материалы, технологии и покупные радиоэлектронные изделия изготовить его промышленным способом и использовать в системах связи и навигации бортовых радиолокационных станций беспилотных летательных аппаратов.
На схемах приняты следующие обозначения:
1 - блок управления и контроля (БУК) с микроконтроллером (МК),
2 - первый приемный канал (ПК, суммарный),
3 - второй ПК (разностный по азимуту),
4 - третий ПК (разностный по углу),
1
5 - первый полосно-пропускающий фильтр (ППФ) первого ПК,
1
6 - первый малошумящий усилитель (МШУ) первого ПК,
1
7 - второй ППФ первого ПК,
1
8 - первый управляемый аттенюатор (УА),
1
9 - второй МШУ первого ПК,
1
10 - третий ППФ первого ПК,
1
11 - первый коммутатор (КТ),
1
12 - третий МШУ первого ПК,
1
13 - второй управляемый аттенюатор (УА),
1
14 - четвертый МШУ первого ПК,
1
15 - второй коммутатор (KT),
1
16 - пятый МШУ первого ПК,
1
17 - направленный ответвитель (НО) первого ПК,
1
18 - логарифмический детектор (ЛД) первого ПК,
1
19 - первый усилитель сигнала (УС) первого ПК,
1
20 - второй УС первого ПК,
1
21 - дифференциальный фильтр (ДФ),
1
22 - третий УС первого ПК,
1
23 - смеситель частот сигналов (СЧС) первого ПК,
1
24 - четвертый УС первого ПК,
1
25 - четвертый ППФ первого ПК,
1
26 - квадратурный демодулятор (КД) первого ПК,
1
27 - пятый ППФ первого ПК,
1
28 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ) первого ПК,
29 - синтезатор СВЧ-сигналов (СС),
30 - направленный ответвитель сигнала (НОС),
31 - усилитель сигнала гетеродина (УСГ),
32 - полосовой фильтр (ПФ),
33 - делитель мощности (ДМ),
34 - формирователь синхросигналов (ФСС),
35 - детектор сигнала гетеродина (ДСГ),
36 - компаратор (КП),
37 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП).