3.4.2 Принципи побудови систем формування зондуючих сигналів з лінійною частотною модуляцією

Формування ЛЧМ імпульсів можливе активним і пасивним методами.

Активний метод формування ЛЧМ сигналу.

Найбільше розповсюдження знайшов активний спосіб формування ЛЧМ сигналу - електронний спосіб, заснований на застосуванні автогенератора з електронною перебудовою частоти. Спрощена схема збудника, що реалізовує такий спосіб, приведена на рис.3.20.

Рис.3.20. Спрощена схема збудника, що реалізовує активний метод формування ЛЧМ сигналу.

Найбільше розповсюдження знайшов активний спосіб формування ЛЧМ сигналу - електронний спосіб, заснований на застосуванні автогенератора з електронною перебудовою частоти. Як перебудовуваний генератор використовується генератор СВЧ з електронною перебудовою частоти, наприклад, клістронний і т.д. На генератор одночасно впливають дві імпульсні напруги: одне - з імпульсного модулятора, що забезпечує формування необхідної тривалості зондуючого сигналу; інше - з генератора пилкоподібної напруги (ГПН), що здійснює частотну модуляцію протягом імпульсу. Для забезпечення необхідної стабільності частоти в схемі звичайно використовується система АПЧ середньої частоти ЛЧМ сигналу і система автоматичного підстроювання закону модуляції.

Принцип роботи системи АПЧ закону ЛЧМ заснований на порівнянні закону модуляції вихідного сигналу задаючого генератора з еталонним. У разі невідповідності виробляється сигнал помилки, який подається на генератор пилкоподібної напруги. При цьому змінюється амплітуда пилкоподібної напруги, а значить, і закон зміни частоти задаючого генератора - у бік зменшення помилки.

Гідністю розглянутого способу формування ЛЧМ сигналу є наступне. Він дозволяє здійснити частотну модуляцію на порівняно великому рівні потужності і безпосередньо на несучій частоті.

Розглянутий пристрій дозволяє одержати вельми велику девіацію частоти Df = (0,3-0,4)·fо.

До недоліків способу слід віднести порівняно невисоку стабільність параметрів формованого сигналу і технічні складнощі, пов’язані із забезпеченням лінійності закону зміни частоти. Тому даний метод формування ЛЧМ сигналу застосовується тільки за наявності системи АПЧ.

Пасивний метод формування ЛЧМ сигналу.

До складу пристрою формування ЛЧМ сигналу повинен входити лінійний фільтр, який з d-функції формував би сигнал в околиці частоти fо в смузі частот П = Df.

Далі необхідний пристрій, який розставив би частотні складові сигналу в часі так, щоб закон зміни частоти в часі був би лінійним і відповідав тому, що вимагається (лінійно-наростаючий або лінійно-убуваючий).

Таким пристроєм на практиці є дисперсійна лінія затримки (ДЛЗ). Під дисперсією в даному випадку розуміється явище, що полягає в залежності часу запізнювання частотних складових сигналу від частоти. ДЛЗ є центральним елементом збудника ЛЧМ сигналу (рис.3.21,а).

ДЛЗ діляться на дві групи: з природною і штучною дисперсією.

Серед пристроїв з штучною дисперсією, використовуваних як ДЛЗ, широко застосовуються п'єзоелектричні багатовідвідні лінії затримки на поверхневих акустичних хвилях (ЛІГШИ). Як звукопровода таких ліній використовуються природні або синтетичні п'єзокристалічні матеріали: кварц, ніобат літію і т.д.

На поверхню кристала методами фотолітографії наносять металеві електроди (рис.3.21,б).

Необхідна розстановка частотних складових формованого ЛЧМ сигналу забезпечується шляхом розстановки електродів на інтервалах di, пропорційним змінному періоду Тi/2 ЛЧМ сигналу (рис.3.21,б).

Кожна сусідня пара однополярних електродів утворює резонансну систему, налаштовану на певну довжину хвилі li ультразвукових коливань.

Рис.3.21. Пасивний метод формування ЛЧМ сигналу.

Наприклад, на рис.3.21б перша пара електродів налаштована на довжину хвилі l2, відповідну початковій частоті fmin формованого коливання, а остання пара - на довжину хвилі l1, відповідну кінцевій частоті fmax цих коливань. Різниця затримки коливань між крайніми парами електродів рівна необхідній тривалості tи формованого ЛЧМ сигналу.

Багатовідвідні лінії затримки даного типу дозволяють реалізувати формувачі ЛЧМ сигналів, розраховані на імпульси тривалістю від одиниць до сотень мікросекунд, з девіаціями частот від одиниць до сотень мегагерц і коефіцієнтом широкосмугової від десятків до тисяч одиниць.

Слід помітити, що еквідістантне розташування електродів в лінії затримки на ПАВ може забезпечити формування ФКМ сигналу. Для цього електроди повинні встановлюватися в строгій відповідності із законом зміни фази необхідної послідовності ФКМ сигналу.

Дисперсійні лінії затримки з природною дисперсією хвилеводного типу є металевими смужками (стрічки), товщина яких співвимірна з довжиною акустичної хвилі в системі (рис.3.22,а).

Вхідний і вихідний п’єзоелементи забезпечують збудження і знімання акустичних хвиль. Для зниження рівня паразитних віддзеркалень бічні торці такого акустичного хвилеводу покривають спеціальним поглиначем.

Зразковий вид залежності часу запізнювання групи близько розташованих частот від частоти fгр(t) (дисперсійної характеристики) для ДЛЗ з природною дисперсією представлений на рис.3.22,б. Для формування ЛЧМ сигналу, очевидно, використовується лінійна ділянка дисперсійної характеристики.

ДЛЗ з природною дисперсією хвилеводного типу у принципі простіша за багатовідвідні лінії на ПАВ, але при реалізовуваних значеннях товщини металевих смуг h порівняльно вузькосмугова, їх параметри в експлуатації підтримуються менш жорстко, ніж параметри багатовідвідних ліній (потрібне термостатування і т.д.).

Рис.3.22. Дисперсійна лінія затримки з природною дисперсією хвилеводного типу.

ДЛЗ з природною дисперсією забезпечують формування ЛЧМ сигналу від десятків до тисяч мікросекунд, з робочою частотою до сотень МГЦ і девіацією до (0,5-0,8) fо при базі сигналу n = 300-900.

На рис.3.23 показаний варіант структурної схеми застосування пасивного методу формування ЛЧМ сигналу. При формуванні ЛЧМ сигналу використовують збудження дисперсійної лінії затримки (ДЛЗ) коротким радіоімпульсом, що виробляється генератором імпульсів на частоті fо. Вихідний ЛЧМ сигнал ДЛЗ перетвориться в змішувачі на високу частоту і через смуговий фільтр поступає на підсилювач потужності.

Рис.3.23. Структурна схема застосування пасивного методу формування ЛЧМ сигналу.

Достоїнствами пасивного методу є висока стабільність параметрів формованого сигналу, хороше узгодження його характеристик з аналогічним по параметрах оптимальним фільтром. До недоліків даного методу відноситься відносно невисокий коефіцієнт стиснення такого сигналу в оптимальному фільтрі (Ксж < 300...400).

В ув'язненні помітимо, що сигнал збудження (d-функція), що подається на вхід розглянутого вище формувача, на практиці повинен відповідати наступним вимогам. По-перше, він повинен володіти АЧС, перекриваючим ширину спектру формованого сигналу. По-друге, АЧС сигналу збудження повинен бути по можливості рівномірним в заданій смузі частот. І, нарешті, енергія сигналу збудження повинна бути достатньою для нормальної роботи пристрою формування широкосмугового сигналу.

Цифрові способи формування широкосмугових сигналів. Широке застосування електронної обчислювальної техніки в сучасних РЛС привело до можливості і необхідності формування зондуючих сигналів цифровими методами.

Розглянемо як приклад структурну схему пристрою формування ЛЧМ сигналу цифровим методом (рис.3.24,а).

На пристрій управління від ЕОМ поступає код управління. Пристрій управління задає параметри формованого ЛЧМ сигналу (tи, Df), закон зміни частоти, початкову фазу. Обчислювач кодів у момент приходу команд від пристрою управління і тактових імпульсів від пристрою синхронізації обчислює числові коди. У останніх міститься інформація про миттєві значення напруги формованого сигналу у фіксовані моменти часу, віддалені на Dt. Перетворювач кодів з цифро-аналоговими перетворювачами (ЦАП) забезпечують перетворення числових кодів в ступінчасту напругу, що дискретно апроксимує формований ЛЧМ сигнал (рис.3.24,б). Ступінчастий сигнал, впливаючи на смуговий фільтр, викликає на виході останнього відгук у вигляді аналогового ЛЧМ сигналу із заданими параметрами.

а) б)

Рис.3.24. Структурна схема пристрою формування ЛЧМ сигналу цифровим методом.

Достоїнства цифрового методу формування ЛЧМ сигналу полягають в наступному. Обмеження по максимальній тривалості формованого ЛЧМ сигналу практично відсутнє; існує можливість гнучкої зміни параметрів ЛЧМ сигналу в широких межах по командах від ЕОМ; забезпечується достатньо висока стабільність частоти і параметрів частотної модуляції.

До недоліків цифрових способів формування слід віднести наявні обмеження по максимальній величині девіації частоти і несучій частоті, трудності реалізації способу при малій тривалості формованих сигналів.

Області застосування цифрових формувачів ЛЧМ сигналів приблизно такі ж, як і пасивних способів формування.

Слід помітити, що описаний цифровий спосіб формування ЛЧМ сигналу може бути встановлений в основу побудови цифрового формувача фазо-модульованого сигналу.