РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ЦИФРОВОЙ АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
RADIO RECEIVER FOR DIGITAL ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к радиоприемным устройствам многоэлементных активных фазированных антенных решеток (АФАР).
Известно радиоприемное устройство (РПУ) [1 - Справочник по радиолокации. Редактор М. Сколник. Том 3. "Радиолокационные устройства и системы". М.: "Советское Радио". 1979 г., стр. 136], содержащее усилитель высокой частоты, гетеродин и когерентный приемник, включающий квадратурный преобразователь частоты с гетеродинированием на нулевую частоту, фильтр низкой частоты (ФНЧ), аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и фазовращатель.
К недостаткам известного устройства следует отнести:
- излишнюю сложность, поскольку используется квадратурное преобразование частоты с помощью двух смесителей для преобразования принимаемого сигнала на нулевую частоту, при этом для дискретизации принимаемого сигнала должны использоваться два АЦП, что значительно удорожает аппаратуру многоэлементных цифровых АФАР, поскольку число АЦП соответствует числу каналов РПУ.
Известно радиоприемное устройство когерентной радиолокационной станции [3 - Патент РФ №2189054, «Радиоприемное устройство когерентной РЛС», опубликован 2002.09.10], наиболее близкое к заявляемому устройству и принятое за прототип, содержащее гетеродин, два цифровых сумматора, N каналов приема, состоящих каждый из аналогового сумматора, когерентного приемника и фазовращателя. При этом когерентный приемник содержит усилитель высокой частоты, выход которого соединен со входом квадратурного преобразователя частоты, каждое плечо которого содержит смеситель, фильтр низкой частоты (ФНЧ), и аналого-цифровой преобразователь, выход которого является выходом приемника. К недостаткам прототипа следует отнести:
- излишнюю сложность, поскольку используется квадратурное преобразование частоты с помощью двух смесителей для преобразования принимаемого сигнала на нулевую частоту, при этом для дискретизации принимаемого сигнала должны использоваться два АЦП, что значительно удорожает аппаратуру многоэлементных цифровых АФАР, поскольку число АЦП соответствует числу каналов РПУ;
- высокие требования к идентичности фазовых и амплитудных характеристик элементов используемой в прототипе схемы квадратурного преобразования частоты на нулевую частоту. Так неидентичность амплитудных характеристик плеч квадратурного преобразователя частоты, каждое из которых содержит смеситель, ФНЧ и усилитель, к выходу которых подключается АЦП (усилитель на схеме прототипа не показаны, но он необходим для усиления принимаемого сигнала до уровня, необходимого для работы АЦП), в 1 дБ вызывает появление в спектре цифрового сигнала паразитных составляющих с уровнем минус 40 дБ относительно основного сигнала [2 - Литюк В.И., Литюк Л.В. Методы цифровой многопроцессорной обработки ансамблей радиосигналов. - М.: Солон-пресс. 2007, стр. 41];
- отсутствие возможности регулировки сигнала гетеродина на входе радиоприемного устройства, что делает невозможным использование схемы прототипа в цифровых многоэлементных АФАР с разнесением составных частей в пространстве.
Задачей, на которую направлено предлагаемое изобретение, является упрощение настройки радиоприемного устройства и обеспечение возможности его использования в цифровых многоэлементных АФАР с разнесением составных частей в пространстве.
Для достижения поставленной задачи предлагается радиоприемное устройство цифровой АФАР, включающее N каналов, каждый из которых включает последовательно соединенные усилитель высокой частоты (УВЧ) и смеситель, второй вход которого является гетеродинным входом канала.
Согласно изобретению, к выходу смесителя подключен усилитель промежуточной частоты (УПЧ), выход которого является выходом канала и выполнен дифференциальным, а его управляющий вход является управляющим входом канала, к гетеродинному входу канала подключен один из N выходов делителя мощности, вход которого подключен к первому выходу направленного ответвителя, при этом вход направленного ответвителя подключен к выходу усилителя, первый вход которого является гетеродинном входом устройства, а второй выход направленного ответвителя подключен через амплитудный детектор ко входу АЦП, выход которого подключен ко входу данных блока управления, двунаправленный управляющий вход которого является управляющим входом устройства, первый выход блока управления подключен к управляющему входу усилителя, а остальные управляющие выходы подключены к управляющим входам каналов устройства.
Проведенный сравнительный анализ заявленного устройства и прототипа показывает, что заявленное устройство отличается тем, что:
- в прототипе производится квадратурное преобразование несущей частоты входного сигнала на нулевую частоту с помощью двух смесителей, что требует подключения к такому радиоприемному устройству двух АЦП, что усложняет схему приемной части АФАР и удорожает АФАР в целом, в то время как в предлагаемом устройстве производится преобразование несущей частоты принимаемого сигнала в полосу ПЧ, с дальнейшей дискретизацией сигнала ПЧ с помощью одного АЦП вместо двух. Для многоэлементных цифровых АФАР экономия достигает, в зависимости от числа приемных каналов, нескольких сотен штук микросхем АЦП;
- используемая в прототипе схема квадратурного преобразования частоты на нулевую частоту требует высокой идентичности фазовых и амплитудных характеристик ФНЧ, смесителей и усилителей. В то время как в предлагаемом устройстве использование одного УПЧ с дальнейшим подключением одного АЦП исключает эти требования и упрощает настройку радиоприемного устройства;
- в прототипе для соединения с АЦП используется одиночная линия, в то время как в предлагаемом устройстве используются дифференциальные выходы, что обеспечивает значительное снижение уровня наводимых помех на вход АЦП;
- в прототипе отсутствует регулировка уровня сигнала гетеродина, в то время как в предлагаемом устройстве уровень сигнала гетеродина регулируется.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого устройства из литературы не известно, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого радиоприемного устройства.
На фиг. 2 представлена структурная схема усилителя высокой частоты.
На фиг. 3 представлена конструкция предлагаемого устройства.
Радиоприемное устройство (фиг. 1) состоит из N каналов 1, каждый канал содержит последовательно соединенные УВЧ 2, вход которого является входом канала, смеситель 3, второй вход которого является гетеродинным входом канала, и усилитель промежуточной частоты (УПЧ) 5, управляющий вход которого является управляющим входом канала, а выход является выходом канала и выполнен дифференциальным.
Выход усилителя 6, первый вход которого является гетеродинным входом устройства, соединен с последовательно соединенными направленным ответвителем (НО) 7 и делителем мощности 8, вход которого подключен к первому выходу НО 7, а N выходов соединены с гетеродинными входами каналов устройства.
Вход амплитудного детектора (АД) 9 соединен со вторым выходом НО 7, а выход АД 9 - со входом АЦП 10, выход которого подключен к входу данных блока управления (БУ) 11.
Двунаправленный управляющий вход БУ 11 является управляющим входом устройства, первый его выход подключен к управляющему входу усилителя 6, а остальные управляющие выходы подключены к управляющим входам каналов устройства.
УПЧ 5 (фиг. 2) состоит из последовательно соединенных полосового фильтра 12, ограничителя 13 и малошумящего усилителя (МШУ) 14.
Делитель мощности 8 выполнен на одном из слоев печатной платы 15 (на фиг. 3 не показан). Построение делителя мощности 8 соответствует описанию построения делителей, приведенному в [4 - Бова Н.Т., Ефремов В.В. и др. Микроэлектронные устройства СВЧ. М.: Киев. «Техника». 1984. 184 с.].
Блок управления 11 предназначен для приема управляющих команд, поступающих на управляющий вход устройства, приема данных измерения уровня входного сигнала от АЦП 10, установки коэффициентов передачи усилителя 6 и УПЧ 5 и может быть выполнен на основе микропроцессора, структура аналогична приведенной в [5 - Цифровые фильтры и устройства обработки сигналов на интегральных микросхемах/ Ф.Б. Высоцкий, В.И. Алексеев и др. М.: Радио и связь. 1987. - Стр. 126], на основе микропроцессорной структуры, описанной в [6 - Угрюмов Е. Цифровая схемотехника. Санкт-Петербург: БХВ-Петербург. 2004,  рис. 5.1] или на микросхеме ПЛИС.
АЦП 10 предназначен для преобразования принимаемого сигнала в цифровые отсчеты. Для его реализации можно использовать, например, микросхему типа AD7276 производства Analog Devices [сайт www.analog.com].
АД 9 предназначен для выделения огибающей сигнала гетеродина. Для его реализации можно использовать, например, микросхему типа AD8319 производства Analog Devices [сайт www.analog.com].
С целью защиты от электромагнитных наводок при передаче выходного сигнала УПЧ 5 для дальнейшей обработки линия передачи выполнена дифференциальной. Преобразование в дифференциальный вид можно выполнить, например, с помощью установки в УПЧ 5 трансформатора типа JTX-2-10T производства Mini-circuits [сайт www.minicircuits.com].
c
ПЧ
c
гет
ПЧ
гет
c
Предлагаемое радиоприемное устройство работает следующим образом. Принимаемый сигнал поступает на вход УВЧ 2, где он фильтруется в полосовом фильтре 12, ограничивается по уровню в ограничителе 13 и усиливается в МШУ 14, потом поступает на смеситель 3, где его частота f преобразуется в диапазон ПЧ по формуле f=f-f при нижней настройке гетеродина или по формуле f=f-f при верхней настройке гетеродина. Далее сигнал усиливается и фильтруется в УПЧ 5. Усиление и фильтрация производятся в дифференциальном виде, что значительно снижает помехи, при дальнейшей передаче сигнала на вход внешнего АЦП (на фиг. 1 не показан), который будет подключен к этому каналу радиоприемного устройства.
Уровень сигнала гетеродина Fгет, поступающий на гетеродинный вход радиоприемного устройства, усиливается в усилителе 6 с регулируемым коэффициентом передачи, проходит через НО 7 и поступает на делитель мощности 8, где делится на N выходов и поступает на гетеродинные входы смесителей 3 всех каналов устройства.
Поскольку смесители 3 рассчитаны на работу при определенном уровне сигнала гетеродина, то в предлагаемом устройстве выполняется регулировка сигнала гетеродина с целью сохранения его уровня в заданных пределах. Для этого производится измерение уровня приходящего сигнала гетеродина на втором выходе НО 7 с помощью АД 9, который выделяет огибающую сигнала гетеродина и АЦП 10, формирующего отсчеты огибающей. Результаты измерения поступают на вход данных БУ 11, который сравнивает их с нижним и верхним пороговыми значениями допустимого изменения уровня сигнала гетеродина. При переходе измеренного значения через верхнее или нижнее пороговое значение производится регулировка коэффициента передачи усилителя 6 через его управляющий вход для сохранения уровня сигнала гетеродина в заданных пределах.
БУ 11 может также устанавливать коэффициент передачи УПЧ 5 по внешней команде, приходящей на управляющий вход устройства.
Конструкция радиоприемного устройства (фиг. 3) представляет собой многослойную печатную плату 15 прямоугольной формы, на верхней стороне которой выполнен поверхностный монтаж элементов устройства. Группы элементов 16, относящиеся к i-му каналу, разделены между собой корпусными печатными проводниками 17 и расположены вдоль длинной стороны прямоугольной печатной платы.
Элементы, относящиеся к измерению уровня входного сигнала и регулировки его уровня - усилитель 6, НО 7, АД 9 и АЦП 10, сгруппированы вместе на участке 18 печатной платы 15. Участок 18 и БУ 11 отделены корпусными печатными проводниками 17. Сверху на печатную плату 15 устанавливается экран (на фиг. 3 не показан), нижняя поверхность стенок которого прижимается к корпусным печатным проводникам 17 печатной платы 15 с помощью винтов (на фиг. 3 не показаны) через отверстия 19. Для соединения с внешними устройствами используются врубные разъемы 20.
Предлагаемое радиоприемное устройство обеспечивает построение на его основе цифровых многоэлементных АФАР для когерентных РЛС.
По сравнению с прототипом предлагаемое радиоприемное устройство обеспечивает упрощение настройки радиоприемного устройства за счет исключения квадратурного преобразования частоты на нулевую частоту, которое требует высокой идентичности фазовых и амплитудных характеристик ФНЧ, смесителей и усилителей в квадратурных каналах, а также обеспечивает возможность его использования в многоэлементных АФАР с разнесением составных частей в пространстве за счет возможности регулировки уровня сигнала гетеродина. Кроме того, обеспечивается снижение стоимости радиоприемной части АФАР за счет уменьшения количества микросхем АЦП.
Работоспособность предлагаемого устройства была проверена на макете цифровой АФАР. Испытания показали совпадение полученных характеристик с расчетными.