РАДИОДАТЧИК
RADIO TRANSDUCER

Предлагаемое изобретение относится к радиолокационным устройствам ближнего радиуса действия, использующим непрерывный излученный радиосигнал с линейной частотной модуляцией по пилообразному закону и модуляцией фазы в пределах (0÷ΔФ) периодической последовательностью модулирующих импульсов типа «меандр», и может быть использовано в качестве неконтактного датчика цели для подрыва боевой части средства поражения.
Наиболее близким к предлагаемому устройству из выявленных аналогов является «Радар с частотной модуляцией», приведенный в (1, стр.38). Радар содержит антенну передающую, первый выключатель, выход которого соединен с входом антенны передающей, направленный ответвитель (НО), первый выход которого соединен с первым входом первого выключателя, соединенные последовательно генератор пилообразного напряжения (ГПН), генератор, управляемый напряжением (ГУН), выход которого соединен с входом НО, антенну приемную, второй выключатель, первый вход которого соединен с выходом антенны приемной, первый смеситель, первый вход которого соединен с выходом второго выключателя, а второй вход соединен со вторым выходом НО, второй смеситель, первый вход которого соединен с выходом первого смесителя, блок обработки (БО), вход которого соединен с выходом второго смесителя, блок управляющих сигналов (БУС), первый выход которого соединен со вторым входом второго смесителя, второй выход соединен со вторым входом первого выключателя, а третий выход соединен со вторым входом второго выключателя. Радар излучает в пространство через антенну передающую и первый выключатель импульсно модулированный радиосигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) по пилообразному закону. С выхода антенны приемной отраженный от цели (объекта) радиосигнал поступает на первый вход второго выключателя, который открывается на время прихода отраженного радиосигнала и закрывается на время отпирания первого выключателя. Противофазная работа выключателей обеспечивает требуемую развязку режимов передача - прием. С выхода второго выключателя радиосигнал поступает на первый вход первого смесителя, на второй вход которого поступает радиосигнал с ЛЧМ по пилообразному закону со второго выхода НО. В результате преобразования на выходе первого смесителя выделяются видеоимпульсы без постоянной составляющей с частотой повторения модулирующих импульсов и с амплитудной модуляцией синусоидальным сигналом с разностной частотой. Форма и спектр преобразованного сигнала аналогичны форме и спектру сигнала на рис.2.25в (2, стр.136) с той разницей, что огибающая импульсов определяется не частотой Доплера, а разностной частотой, пропорциональной дальности до цели. Спектр преобразованного сигнала содержит компоненту с частотой сигнала биений и компоненты, отстоящие слева и справа на частоту сигнала биений от частот, кратных частоте повторения модулирующих импульсов. На малых дальностях частота сигнала биений находится в области сигнала паразитной амплитудной модуляции (ПАМ) высокой интенсивности с частотами, кратными частоте повторения ЛЧМ. При этом невозможно обеспечить требуемую чувствительность радара и, значит, выделить объект с заданной вероятностью правильного обнаружения. Для того чтобы исключить влияние внутри приемных помех, обусловленных сигналом ПАМ, частоту повторения модулирующих импульсов выбирают намного выше области частот, где сигнал ПАМ имеет недопустимо высокую интенсивность. После смешивания во втором смесителе опорного импульсного сигнала с выходным сигналом первого смесителя на выходе второго смесителя выделяется полезный сигнал с разностной частотой, пропорциональной дальности до цели. К недостатку приведенного устройства следует отнести низкую помехозащищенность от радиосигнала помехи с амплитудной модуляцией частотой, при которой на выходе второго смесителя выделяется сигнал помехи с частотой настройки частотного детектора (ЧД) в БО. Радиосигнал помехи на выходе антенны приемной запишем в виде:
С
где Е - амплитуда сигнала помехи;
М - коэффициент амплитудной модуляции помехи;
С
Ω - угловая частота (3, стр.41) амплитудной модуляции помехи, в дальнейшем частота;
t - время.
Радиосигнал помехи на выходе второго выключателя приобретает дополнительную импульсную модуляцию в соответствии с периодической последовательностью модулирующих импульсов η(t), и его запишем в виде:
где
n - номер периода повторения модулирующих импульсов;
M
T - период повторения модулирующих импульсов.
Используя соотношение (2.IX), приведенное в (3, стр.48), для простоты изложения представим последовательность модулирующих импульсов η(t) первой и третьей гармониками ряда Фурье:
М
M
где Ω=2π/T - частота первой гармоники модулирующих импульсов;
π=3,14.
С учетом соотношения (4) сигнал помехи на выходе второго выключателя запишем в виде:
Согласно выражению (13.42), приведенному в (3, стр.482), в токе смесительного диода содержится компонента, которую запишем в виде:
Проведя преобразования с учетом фильтрации высокочастотных составляющих, напряжение на сопротивлении нагрузки R на выходе первого смесителя запишем в виде:
М
C
М
C
Из полученного выражения видно, что на выходе смесителя присутствуют компоненты с частотами kΩ, kΩ, k(Ω±Ω), где k=1, 2…. Сигнал с выхода первого смесителя поступает на первый вход второго смесителя, на второй вход которого в качестве опорного сигнала поступает периодическая последовательность импульсов без постоянной составляющей, представленная гармониками ряда Фурье (4). Переменное напряжение преобразованного сигнала помехи на выходе второго смесителя с учетом фильтрации побочных составляющих после преобразований запишем в виде:
C
C
Из полученного выражения видно, что если частота помехи Ω или 2Ω совпадает с частотой настройки ЧД в БО, то произойдет ложное срабатывание исполнительного устройства. На выходе двойного балансного преобразователя частоты, схема которого приведена на рис.13.34 в (3, стр.490), в значительно большей степени ослаблены компоненты от входного радиосигнала с амплитудной модуляцией, но на практике из-за разброса параметров смесительных диодов невозможно полностью ослабить сигнал помехи, а значит, исключить ложное срабатывание радиодатчика, что по условиям применения недопустимо.
M
M
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение помехозащищенности радиодатчика от радиосигнала помехи с амплитудной модуляцией. Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее антенну передающую, антенну приемную, первый смеситель, второй смеситель, ГПН, ГУН, вход которого соединен с первым выходом ГПН, НО, вход которого соединен с выходом ГУН, а второй выход соединен со вторым входом первого смесителя, БУС, первый выход которого соединен с вторым входом второго смесителя, БО, вход которого соединен с выходом второго смесителя, дополнительно введены фазовый модулятор (ФМ), первый вход которого соединен с первым выходом НО, второй вход соединен с первым выходом БУС, а выход соединен с входом антенны передающей, полосовой фильтр (ПФ), вход которого соединен с выходом антенны приемной, а выход соединен с первым входом первого смесителя, блок фильтров (БФ), первый вход которого соединен с выходом первого смесителя, второй вход соединен со вторым выходом БУС, а выход соединен с первым входом второго смесителя, причем БУС содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ), первый делитель частоты (ДЧ), первый вход которого соединен с выходом ГТИ, второй ДЧ, вход которого соединен с выходом первого ДЧ, а выход соединен с первым выходом БУС, элемент совпадения, первый вход которого соединен с первым входом, а второй вход со вторым входом БУС, счетчик, вход которого соединен с выходом элемента совпадения, а выход соединен со вторым входом первого ДЧ и вторым выходом БУС, БО содержит соединенные последовательно усилитель, вход которого соединен с первым входом БО, ограничитель, ЧД, первый амплитудный компаратор (АК), выход которого соединен с первым выходом БО, соединенные последовательно фильтр нижних частот (ФНЧ), вход которого соединен с выходом ЧД, второй АК, выход которого соединен с вторым выходом БО, БФ содержит дешифратор, вход которого соединен со вторым входом БФ, первый, второй, третий и четвертый ключи, первые входы которых соединены с первым входом БФ, а вторые входы соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами дешифратора, первый, второй, третий и четвертый полосовые фильтры (ПФ), входы которых соединены соответственно с выходами первого, второго, третьего и четвертого ключей, сумматор, первый, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с выходами первого, второго, третьего и четвертого ПФ, а выход соединен с выходом БФ. В предлагаемом устройстве излучается радиосигнал с ЛЧМ по пилообразному закону и фазовой модуляцией с дискретным изменением фазы в пределах (0÷ΔФ) с периодом повторения T и длительностью модулирующих импульсов T/2 с последующим преобразованием в первом смесителе принятого радиосигнала и выделением на его выходе синусоидального сигнала с частотой фазовой модуляции, модулированного по амплитуде синусоидальным сигналом с частотой, пропорциональной дальности до цели, выделении на выходе БФ сигнала суммарной частоты с последующим преобразованием во втором смесителе и выделении в блоке обработки синусоидального сигнала с частотой, пропорциональной дальности до цели, с последующим частотным детектированием и выдачи исполнительной команды (ИК). Помехозащищенность радиодатчика обеспечивается за счет переключения частоты фазовой модуляции от периода к периоду ЛЧМ, подключения соответствующего ПФ в БФ, отстройки частоты сигнала помехи на выходе второго смесителя за пределы полосы селекции ЧД.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков, связями между блоками, а также исполнением БУС и БО. Таким образом, можно сделать вывод, что заявляемое устройство соответствует критериям «новизна» и «существенные отличия».
На фиг.1 приведена блок-схема радиодатчика; на фиг.2 - эпюры, поясняющие работу радиодатчика; на фиг.3а - нормированная амплитудно - частотная характеристика (АЧХ) усилителя и БФ при нижней и верхней настройках; на фиг.3б - зависимость от частоты напряжения на выходе ЧД.
Радиодатчик содержит ГПН 10, ГУН 8, вход которого соединен с первым выходом ГПН10, НО 6, вход которого соединен с выходом ГУН8, ФМ5, первый вход которого соединен с первым выходом НО6, антенну передающую 1, вход которой соединен с выходом ФМ5, антенну приемную 2, полосовой фильтр 4, вход которого соединен с выходом антенны приемной 2, первый смеситель 7, первый вход которого соединен с выходом ПФ4, а второй вход соединен с вторым выходом НО6, второй смеситель 11, БУС3, первый выход которого соединен с вторым входом ФМ5 и вторым входом второго смесителя 11, а второй вход соединен с вторым выходом ГПН 10, БФ 9, первый вход которого соединен с выходом первого смесителя 7, второй вход соединен со вторым выходом БУС 3, а выход соединен с первым входом второго смесителя 11, БО 12, вход которого соединен с выходом второго смесителя 11, первый выход соединен с первым входом БУС 3, причем БУС3 содержит ГТИ13, первый ДЧ15, первый вход которого соединен с выходом ГТИ13, второй ДЧ14, вход которого соединен с выходом первого ДЧ15, а выход соединен с первым выходом БУС3, счетчик 16, выход которого соединен с вторым входом первого ДЧ 15 и вторым выходом БУС 3, элемент совпадения 17, первый вход которого соединен с первым входом, второй вход со вторым входом БУС3, а выход соединен с входом счетчика 16, БО12 содержит соединенные последовательно усилитель 33, вход которого соединен с входом БО12, ограничитель 32, ЧД31, первый АК28, выход которого соединен с первым выходом БО12, соединенные последовательно ФНЧ 29, вход которого соединен с выходом ЧД 31, второй АК 30, выход которого соединен со вторым выходом БО12.
Радиодатчик работает в следующей последовательности. Пилообразное напряжение (фиг.2а) с первого выхода ГПН 10 в качестве модулирующего сигнала поступает на вход ГУН8. Фазу ЛЧМ радиосигнала на выходе ГУН8 в пределах линейного изменения частоты запишем в виде:
Н
где ω - нижнее значение частоты радиосигнала;
Δω - девиация частоты радиосигнала;
Т - длительность линейного участка пилообразного напряжения;
0
Ф - начальная фаза радиосигнала.
С выхода ГУН8 радиосигнал с ЛЧМ поступает на вход НО6, с первого выхода которого радиосигнал поступает на первый вход ФМ5, аналогичный приведенному в (4, стр.128). На второй вход ФМ5 с первого выхода БУС3 поступает периодическая последовательность модулирующих импульсов, описываемая выражением (3), при этом осуществляется дискретное изменение фазы радиосигнала в пределах (0÷ΔФ). С выхода ФМ5 радиосигнал поступает на вход антенны передающей 1. Фазу излученного радиосигнала запишем в виде:
где ΔФ - изменение фазы.
В дальнейшем для простоты изложения будем полагать коэффициенты передачи ПФ 4, первого смесителя 7, БФ 9, второго смесителя 11, усилителя 33 равными 1. Радиосигнал с выхода антенны приемной 2 через ПФ 4 поступает на первый вход первого смесителя 7. ПФ 4 предназначен для защиты приемного тракта радиодатчика от мощных внеполосных радиопомех. Фазу радиосигнала на входе первого смесителя 7 запишем в виде:
где τ - задержка принятого радиосигнала.
На второй вход первого смесителя 7 поступает гетеродинный радиосигнал со второго выхода НО 6 с фазой, определяемой соотношением (9). Фазу преобразованного сигнала на выходе первого смесителя 7 запишем в виде:
Используя соотношения (4, 12), напряжение сигнала на выходе первого смесителя 7 запишем в виде:
0
где А - амплитуда сигнала на выходе первого смесителя 7;
на выходе первого смесителя 7, определяемая задержкой радиосигнала;
R
M
Используя соотношения 3.37, 3.38 (3, стр.101, 102) и ограничиваясь компонентами с частотами не более (Ω±2Ω), напряжение сигнала на выходе первого смесителя 7 запишем в виде:
0
1
2
R
M
где I, I, I - функции Бесселя соответственно нулевого, первого и второго порядка. Сигнал с выхода первого смесителя 7 поступает на первый вход БФ 9, на второй вход которого поступает двухразрядный цифровой код со второго выхода БУС3. В зависимости от цифрового кода дешифратор 18, выполненный на микросхеме, аналогичной К 155 ИД4 (5, стр.132), формирует управляющие напряжения, при воздействии которых открывается один из ключей 19, 20, 21, 22, аналогичный ключу, приведенному на рис.4.9 в (8, стр.175). Сигнал с первого входа БФ 9 через открытый ключ поступает на вход соответствующего ПФ 23, 24, 25, 26. Сигнал с частотой (Ω+Ω) с выхода соответствующего ПФ через сумматор 27, выполненный по схеме, приведенной на рис.6.37 в (8, стр.316), поступает на выход БФ 9. С учетом соотношения (18) и фильтрующих свойств ПФ 23, 24, 25, 26 напряжение сигнала на выходе БФ 9 запишем в виде:
1
1
1
Из соотношения (19) следует, что максимальную амплитуду сигнала можно получить, когда функция I(m) принимает максимальное значение, это соответствует индексу фазовой модуляции m≈2, а ΔФ≈π. Сигнал с выхода БФ 9 поступает на первый вход второго смесителя 11, на второй вход которого поступают модулирующие импульсы с первого выхода БУС3. В результате перемножения опорного сигнала, определяемого выражением (4) без постоянной составляющей, с сигналом, определяемым выражением (19), и фильтрации высокочастотных составляющих, напряжение преобразованного сигнала на выходе второго смесителя 11 запишем в виде:
Сигнал с выхода второго смесителя 11 поступает на вход БО12 и далее на вход усилителя 33, настроенного на дальномерную частоту, соответствующую заданной дальности срабатывания. Сигнал с выхода усилителя 33 через ограничитель 32 поступает на вход ЧД31, аналогичный приведенному на рис.7.37 в (9, стр.148) с выходным напряжением, представленным на фиг.3б. Напряжение с выхода ЧД31 поступает на вход первого АК28 и на вход ФНЧ 29. На дальности выдачи ИК напряжение высокого уровня с выхода первого АК28 (фиг.2д) через первый выход БО12 и первый вход БУС 3 поступает на первый вход элемента совпадения 17, на второй вход которого через второй вход БУС 3 со второго выхода ГПН 10 поступает импульс обратного хода (фиг.2б) пилообразного напряжения. С выхода элемента совпадения 17 импульс обратного хода (фиг.2е) поступает на вход счетчика 16. При этом значение цифрового кода на выходе счетчика 16 (фиг.2ж) изменится на единицу. Цифровой код с выхода счетчика 16 поступает на второй выход БУС3 и на второй вход первого ДЧ15, на второй вход которого поступают тактовые импульсы с выхода ГТИ13. Первый ДЧ15 - программируемый и выполнен на двоичном счетчике 533ИЕ7 (10, стр.65) и на четырехразрядном полном двоичном сумматоре 533ИМ6 (10, стр.75) по схеме, приведенной на фиг.4. Первый ДЧ15 работает в следующей последовательности. Тактовые импульсы с выхода ГТИ13 поступают на счетный вход С2 (фиг.5а), при этом счетчик работает на вычитание. После установки в счетчике 533ИЕ7 нулевого кода по положительному перепаду напряжения на входе, а затем в момент отрицательного перепада напряжения на входе С2 на выходе заема В появляется отрицательный перепад напряжения (фиг.5б), который поступает на вход разрешения записи информации V. При этом в счетчик записывается число (1+N), где N - число с выхода счетчика 16, а на выходе заема В формируется положительный импульс (фиг.5б). На фиг.5б показаны варианты, когда на информационные входы счетчика поступает цифровой код 1000 или 0100. Таким образом, частота повторения импульсов с выхода заема В определяется формулой:
ГТИ
где Ω - частота повторения импульсов с выхода ГТИ13;
N=(0÷3) - число с выхода двухразрядного счетчика 16.
Импульсы с выхода первого ДЧ15 поступают на вход второго ДЧ14 с коэффициентом деления входной частоты на 2. Периодическая последовательность импульсов с выхода ДЧ14 поступает на первый выход БУС 3, при этом частоту повторения модулирующих импульсов запишем в виде:
R
M
С
R
M
В соответствии с цифровым кодом счетчика 16 дешифратор 18 формирует управляющие напряжения, под действием которых открывается один из ключей 19, 20, 21, 22, при этом осуществляется подключение одного из ПФ 23, 24, 25, 26, частота настройки которого равна (Ω+Ω). В конце периода ЛЧМ снова срабатывает первый АК 28 в БО12 и весь выше описанный цикл повторяется. Постоянная времени ФНЧ 29 выбирается такой, чтобы за (5÷10) периодов ЛЧМ напряжение на его выходе (фиг.2з) превысило порог срабатывания второго АК 30, при этом второй АК 30 срабатывает и напряжение высокого уровня (фиг.2и) через второй выход БО12 в качестве исполнительной команды (ИК) выдается на исполнительное устройство средства поражения. Если на вход антенны приемной 2 поступает радиосигнал помехи с частотой амплитудной модуляции Ω=(Ω+Ω), то на выходе ЧД 31 (фиг.2г) появляется напряжение, при котором срабатывает первый АК28, счетчик 16 в БУС 3 изменит цифровой код на единицу, изменится в соответствии с формулой (22) частота повторения модулирующих импульсов, а также подключится соответствующий полосовой фильтр в БФ 9, при этом за счет изменения частоты преобразованного сигнала на выходе второго смесителя 11 сигнал помехи выйдет за пределы линейного участка ЧД31 и напряжение на его выходе спадет до нулевого значения (фиг.2г), первый АК 28 вернется в исходное состояние (фиг.2д), импульс обратного хода ЛЧМ не пройдет на вход счетчика 16, его цифровой код не изменится, а значит, не изменятся частота повторения модулирующих импульсов и частота настройки БФ9. Чтобы вновь произошло ложное срабатывание первого АК 28, противник должен также синхронно изменить частоту амплитудной модуляции, но для этого необходимо знать порядок изменения частоты повторения модулирующих импульсов, что не всегда представляется возможным. Наличие сигнала помехи в одном или даже в двух следующих друг за другом периодах ЛЧМ гарантированно не вызовет срабатывание второго АК30, а значит, не произойдет ложной выдачи ИК.
Приведем пример выбора частоты ГТИ13 и выигрыш в чувствительности радиодатчика с фазовой модуляцией. Будем полагать, что средство поражения сближается с целью, тогда задержку принятого радиосигнала запишем в виде:
где R - дальность до цели;
V - скорость сближения средства поражения с целью;
с - скорость света.
Используя соотношения (15, 23), частоту Доплера запишем в виде:
Выберем дальномерную частоту, при которой напряжение на выходе ЧД31 превышает пороги срабатывания первого АК28 и второго АК30 с учетом ошибки за счет частоты Доплера, не превышающей 10% ошибки по дальности, из соотношения:
Выберем ширину линейного участка ЧД31 из соотношения:
ГТИ
Минимальное значение частоты фазовой модуляции равно Ω/8 и должно удовлетворять соотношению:
R
ЧД
Используя выражение, приведенное в Таблице 1, строка 2 (6, стр.36) для спектральной плотности напряжения ПАМ, изменяющегося по линейному закону, а также формулу 121, приведенную в (6, стр.73), и проводя интегрирование в пределах от Ω до (ΩR+ΔΩ), энергию сигнала ПАМ на выходе первого смесителя 7 запишем в виде:
где К - скорость нарастания пилообразного напряжения.
Используя формулу для куба суммы (7, стр.27), исключая члены второго и третьего порядка, энергию сигнала ПАМ на выходе первого смесителя 7 запишем в виде:
Отношение энергии принятого сигнала к энергии сигнала ПАМ на выходе первого смесителя 7 без фазовой модуляции излученного радиосигнала запишем в виде:
M
R
M
R
ЧД
Используя вышеприведенную методику и проводя интегрирование в пределах от (Ω+Ω) до (Ω+Ω+ΔΩ), энергию сигнала ПАМ на выходе БФ 9 запишем в виде:
Используя соотношения (20, 31), отношение энергии принятого сигнала к энергии сигнала ПАМ на выходе второго смесителя 11 с фазовой модуляцией излученного радиосигнала запишем в виде:
Выигрыш в чувствительности радиодатчика с фазовой модуляцией по отношению к радиодатчику без фазовой модуляции запишем в виде:
1
1
0
2
С учетом соотношений (26, 27) и, полагая I(m)=0,55 I(m)=0,7 (3, стр.100), определим выигрыш в чувствительности радиодатчика в виде:
Таким образом, в рассмотренном радиодатчике с ЛЧМ и дополнительной фазовой модуляцией излученного радиосигнала обеспечивается помехозащищенность от радиосигнала помехи с амплитудной модуляцией, а также на малых дальностях при прочих равных условиях увеличение чувствительности на 21 дБ.
Источники информации
1. «Изобретение стран мира» №24 - 2004, стр.38 «Радар с частотной модуляцией» (заявка США №313149 от 6.12.2002).
2. П.А.Бакулев «Радиолокация движущихся целей», издательство «Советское радио», Москва. - 1964.
3. И.С.Гоноровский «Радиотехнические цепи и сигналы», издательство «Советское радио», Москва. - 1964.
4. Н.Т.Бова и др. «Управляющие устройства СВЧ», издательство «Техника», Киев - 1973.
5. В.Л.Шило «Популярные цифровые микросхемы», издательство «Металлургия», Москва. - 1988.
6. А.Л.Зиновьев, Л.И.Филиппов «Методы аналитического выражения радиосигналов», издательство «Высшая школа», Москва. - 1966.
7. «Справочник по математике, механике и физике», издание двенадцатое, издательство «Наука и техника», Минск. - 1973.
8. «Справочник по телеметрии» под редакцией Э.Л.Грюнберга, издательство «Машиностроение», Москва. - 1971.
9. «Радиоприемные устройства» под редакцией проф. А.П.Жуковского, издательство «Высшая школа», Москва. - 1989.
10. Справочник «Цифровые интегральные микросхемы». Авторы: П.П.Мальцев, Н.С.Долидзе, М.И.Критенко и др., издательство «Радио и связь», Москва. - 1994.
11. «Радиотехника». «Энциклопедия». Под редакцией Ю.Л.Мазора, Е.А.Мачусского, В.И.Правды, Москва, Издательский дом «Додэка XXI», 2002.
12. «Справочник по радиоэлектронным системам», том 2, под редакцией к.т.н. Б.Х.Кривицкого, Москва, «Энергия», 1979.