книги из ГПНТБ / Смогилев К.А. Радиоприемники сверхвысоких частот

годнее узкополосная ЧМ или AM. На рис. 5.24 приведены экспериментальные кривые, иллюстрирующие сказанное. По оси абсцисс отложено в децибелах отношение сигнал/шум на выходе приемника AM сигналов, по оси ординат отложено такое же отношение в случае ЧМ сигналов. Кривые 1 относятся к случаю воздействия флюктуационных помех, кривые 2 — к случаю импульсных помех. Из графика видно, что для полу­

2 2 0

Г л а в а VI

Приемники импульсных сигналов

§ 6.1. Особенности приемников импульсных сигналов

Среди приемников СВЧ особое место.занимают приемники импульсных сигналов, получившие наиболее широкое распро­ странение в радиолокации, радионавигации, телеуправлении, в импульсной радиосвязи и т. \ц. Рассмотрим некоторые осо­ бенности импульсных приемников.

Импульсные приемники рассчитаны на прием кратковре­ менных сигналов, продолжительность которых составляет еди­ ницы микросекунд, а также десятые, сотые и даже тысячные доли микросекунды.

Очень часто импульсные сигналы следуют с большой скважностью, так что их воздействие на приемник можно рас­ сматривать как воздействие одиночных импульсов. Параметры импульсного сигнала изображены на' рис. 6 .1 .

Приемники импульсных сигналов обладают весьма широ­ кой полосой пропускания, которая измеряется мегагерцами. Это объясняется тем, что реальная ширина спектра импульс­ ного сигнала оказывается весьма большой. Действительно,' спектр прямоугольного импульсного сигнала описывается из­ вестным соотношением:

которое графически'представлено на рис. 6 .2 .

Ширина спектра прямоугольного импульса, на уровне 0,1 * составляет величину, примерно равную:

221

с бесконечным спектром, изображенным на рис. 6 .2 , в идеаль­ ном случае требуется частотная и фазовая характеристики приемника, показанные на рис. 6.3. Частотная характеристика должна быть равномернойво всем диапазоне частот от 0 досо, а фазовая характеристика линейна в этом же диапазоне. Реальные системы имеют ограниченную полосу пропускания.

Рис. 6.1.

Поэтому всегда наблюдаются искажения формы импульса при прохождении его в тракте приемного устройства. Если по­ лоса пропускания равна реальной ширине спектра' сигнала (на уровне 0 ,1 ), искажения формы импульса оказываются не­ значительными. При этом длительность фронта импульса тф составляет незначительную часть от тц, колебания нарастают почти мгновенно (рис. 6.4,а и б). Однако полоса пропускания приемника в этом случае оказывается весьма широкой, что невыгодно с точки зрения отношения сигнал,/шум на выходе приемника.

222

С уменьшением полосы пропускания приемника время установления колебаний до максимальной амплитуды увели­ чивается, длительность фронта импульса возрастает. Эффек­ тивное напряжение шумов, пропорциональное корню квадрат­ ному из полосы пропускания, при этом будет уменьшаться.

В то же время максимальное напряжение сигнала до некото­ рого значения полосы. пропускания, которое называется опти­ мальным, остается постоянным. Поэтому с уменьшением по­

лосы пропускания отношение сигнал/шум растет, при опти­ мальной полосе становится максимальным, а затем падает. Длительность фронта импульса при оптимальной полосе A/nont близка к длительности самого импульса, поэтому оптимальная

223

полоса пропускания выражается Ш через длительность им­ пульса

д f - 1 Ж .

‘-‘ упопт—

1

и

- т и - \

Рис. 6.4.

В случае, когда полоса пропускания меньше оптимальной, колебания в контурах не успевают возрасти до максимальной амплитуды, напряжение выходного сигнала уменьшается.

Эффективное напряжение шумов также уменьшается, но мед­ леннее, чем напряжение сигнала. Поэтому отношение сигнал/шум при полосе пропускания меньше оптимальной уменьшается.

Форма импульса на выходе приемника при выборе опти­ мальной полосы пропускания оказывается практически тре­ угольной (рис. 6.5) в то время, как на вход поступает импульс прямоугольной формы.

224

В зависимости от требований, которые предъявляются ко всему устройству, полосу пропускания импульсного приемника выбирают в пределах:

Вслучае, когда сохранение формы импульса не является важным и когда главное значение имеет минимальное отно­ шение сигнал|/шум, полосу пропускания выбирают вблизи нижнего предела. Причем следует заметить, что некоторое расширение полосы пропускания (даже в 2 раза) вблизи ее оптимального значения не вызывает заметного уменьшения отношения сигнал/шум на выходе приемника.

Вслучае, когда сохранение формы импульса играет перво­ степенное значение, идут на уменьшение чувствительности приемника и расширяют полосу пропускания вплоть до зна­ чения, равного реальной ширине спектра сигнала.

При выборе полосы пропускания приемника, принимая во .

внимание искажение формы сигнала, необходимо также учи­ тывать нестабильность частоты передатчика и гетеродина приемника. Учет указанных нестабильностей приводит 'к до­ полнительному расширению полосы пропускания, которое в (6.1) учитывается соответствующим выбором величины коэффициента.

Чувствительность импульсных приемников, как приемников, работающих в диапазоне СВЧ и обладающих широкой поло­ сой пропускания, определяется уровнем собственных шумов и находится в соответствии со следующей формулой:

PmiD^ k T N A f wkB,

где &в — коэффициент видимости или коэффициент различи­ мости.

§ 6.2. Блок-схемы приемников импульсных сигналов

Импульсные приемники собираются по супергетеродинной схеме, которая представляет наибольшие возможности для по­ лучения высокой чувствительности, избирательности и стабиль­ ности параметров и характеристик.

Блок-схемы супергетеродинных импульсных приемников, работающих в различных частотных диапазонах могут отли-

чаться друг от друга. На частотах свыше 1000 Мгц применение усилителя высокой частоты на обычных лампах становится нецелесообразным. Усилитель высокой частоты на ЛБВ не всегда может найти применение из-за большого веса и габа­ ритов. В этом случае первым каскадом приемника оказывается смеситель.

На рис. 6.6 представлена блок-схема импульсного прием­ ника, в котором первым каскадом является смеситель.

Если все элементы приемника по конструктивным сообра­ жениям нельзя поместить в высокочастотном блоке, то в этот блок помещают часть элементов приемника — разрядник, смеситель и предваоительный УПЧ. Это делается для того, чтобы указанные элементы расположить поближе к антенне и исключить длинный фидер, который ослабляет сигнал и вно­ сит собственные шумы, уменьшая тем самым реальную чувст­ вительность приемника.

В схеме рис. 6.6 передача сигнала кабелем осуществляется после усиления в предварительном УПЧ, коэффициент усиле­ ния которого выбирается так, чтобы последующие элементы приемника не влияли на общий коэффициент шума.

Выходное устройство часто бывает отнесено на значитель­ ное расстояние от самого приемника. Поэтому выходной, продетектированный и усиленный в видеоусилителе сигнал необ­ ходимо передавать по кабелю. Входное сопротивление стан­ дартных кабелей, работающих на согласованную нагрузку, составляет (70 ^ 150) ом. Применение усилителей с общим катодом при такой низкоомной нагрузке нецелесообразно. Короткий несогласованный кабель представляет большую ем­ кость, что создает значительные трудности при. усилении ви­ деоимпульсов. Поэтому в качестве выходного каскада прием­ ника применяется катодный повторитель, обладающий высоким входным и низким выходным сопротивлением.

Блок-схема приемника с усилителем высокой частоты' при­ ведена на рис, 6.7. Здесь нет необходимости разрывать УПЧ на два блока, так как сигнал усиливается в усилителе высо­ кой частоты и последующие каскады практически не влияют на коэффициент шума. В остальном блок-схемы не отличаются друг от друга.

В импульсных приемниках, как правило, предусматривает­ ся автоматическая подстройка частоты, так как стабильность частоты генераторов и гетеродинов в большинстве случаев оказывается недостаточно высокой.

226

к передАгчику

Рис. 6.6.

к передАТчику

ю

N3 Рис. 6.7.

-а

§i 6.3. Антенный переключатель

В целом ряде случаев приемник и передатчик работают на одну антенну. В частности' радиолокационные приемники, как правило, работают на одну антенну с передатчиком. Автома­ тическое переключение антенны с приема на передачу и обрат­ но осуществляется с помощью антенного переключателя.

Антенный переключатель состоит из волноводной системы и двух или более разрядников.

Основные требования, предъявляемые к антенному пере­ ключателю, заключаются в следующем.

Мощность, просачивающаяся в приемник во время работы передатчика, должна быть достаточно мала, чтобы не повре­ дить входные элементы приемника (в частности, смеситель). Кремниевые кристаллические диоды в течение короткого вре­ мени выдерживают мощности до 5^10 вт, но уже при мощ­ ности ISO4-200 мет смеситель снижает свои качества (растет коэффициент шума). Практически необходимо обеспечить просачивающуюся мощность порядка 1 мет.

Время зажигания разрядника не должно превышать сотых долей микросекунды, а энергия, просачивающаяся за это вре­ мя, не должна превышать 0,1 эрга.

На рис. 6.8 показано изменение напряжения на разрядном промежутке во время действия импульса передатчика. В на­ чальный момент ясно виден так называемый «просачивающий­ ся пик». Длительность пика составляет сотые доли микросе­ кунды и может колебаться в небольших пределах в зависимо­ сти от изменения состояния разрядника.

Разрядники антенного переключателя не должны вносить существенных потерь.

228 •

Время восстановления разрядника должно быть минималь­

ным.

Имеются две основные схемы включения разрядников в антенном переключателе — последовательная и параллельная.

На рис. 6.9 приведена принципиальная схема антенного переключателя с параллельным включением разрядников. На некотором, удобном в конструктивном отношении, расстоянии от антенны к фидерной линии подключается разрядник защи­ ты приемника (РЗП). Схематически РЗП изображен в виде разрядного промежутка, расположенного на расстоянии чет­ верти волны от фидерной линии. В качестве четвертьволно­ вого трансформатора служит либо отрезок линии, либо объемный резонатор.

Рис. 6.9.

На расстоянии четверти волны от места подключения РЗП включается, также с помощью четвертьволнового трансформа­ тора или объемного резонатора, разрядник блокировки пере­

датчика (РБП).

' Работа антенного переключателя заключается в следую­ щем.

На первом этапе работает передатчик. Он генерирует мощ­ ные вьюокочастотные колебания, которые должны проходить в антенну, но не должны просочиться в приемник. В самом начале работы генератора (через 10-8 сек) разрядники про­ биваются и входное сопротивление закороченных на конце четвертьволновых отрезков становится бесконечно большим. Это значит, что в приемник ответвляется бесконечно малая мощность.

229