Многокаскадное радиопередающее устройство с ЛЧМ - зондирующим сигналом

В практике построения радиопередающих устройств с ЛЧМ-зондирующим сигналом получили распространение комбинированные методы: аналоговые пассивно-активные (с использованием дисперсионных ультразвуковых линий задержки ДУЛЗ) и аналогово-цифровые.

Структурная схема устройства при комбинированном методе формирования ЛЧМ сигнала с использованием фазовой синхронизации автоколебаний управляемого генератора (УГ) изображена на рис.3.54.

Рис.3.54. Структурная схема РПУ для формирования ЛЧМ сигнала комбинированным методом

При комбинированном аналоговом пассивно-активном методе используется пассивный формирователь ЛЧМ сигнала (ДУЛЗ) на промежуточной частоте , а при комбинированном аналогово-цифровом методе – соответствующий цифровой формирователь (цифровые формирователи в последнее время получили наибольшее предпочтение). Генератор опорного напряжения формирует высокостабильный монохроматический непрерывный сигнал на частоте (эти же колебания на практике используются в качестве гетеродинных в радиоприемном устройстве).

Полосовой фильтр (ПФ) выделяет синхронизирующий ЛЧМ сигнал с начальной частотой или , равной начальной частоте выходного ЛЧМ сигнала управляемого генератора. Как известно, при синхронизации автоколебаний мощность сигнала, подаваемого на вход устройства связи с колебательной системой УГ, может быть на 10…20 дБ меньше мощности колебаний синхронизируемого ЧГ. Предмодулятор частоты повышает устойчивость работы УГ, увеличивает полосу синхронизации и предельную ширину спектра формируемых ЛЧМ сигналов.

Таким образом, при комбинированных методах формирования ЛЧМ сигналов с использованием амплитудной модуляции монохроматического СВЧ колебания частоты импульсными ЛЧМ сигналами промежуточной частоты , сформированными аналоговым пассивным или цифровым методами, достигается значительная ширина спектра формируемого сигнала. При этом наибольшая эффективность достигается при реализации данных видов модуляции за счет пространственно-временной модуляции электронных потоков в усилителях и автогенераторах на СВЧ – приборах с электродинамическим управлением электронным потоком.

Известно, что при модуляции монохроматического СВЧ колебания частоты непрерывным гармоническим сигналом вида имеем следующее.

Рис.3.55. а) Структурная схема амплитудного модулятора; б) Амплитудно-частотный спектр амплитудно-модулированного сигнала

В случае амплитудной модуляции (рис.3.55,а.) выходной сигнал

(3.30)

где и - амплитуды выходного и модулирующего напряжений;

- коэффициент передачи модулятора по напряжению;

- коэффициент амплитудной модуляции;

- крутизна амплитудной настроечной характеристики модулятора.

Амплитудно-частотный спектр такого сигнала показан на рис.3.55,б. Он содержит монохроматические основную составляющую на частоте и две боковые составляющие на частотах ().

В случае частотной модуляции (рис.3.56,а.), выходной сигнал

(3.31)

где - индекс частотной модуляции;

- крутизна частотной настроечной характеристики модулятора;

- функции Бесселя первого рода -го порядка от аргумента (находятся по таблицам или графикам).

Рис.3.56 а) Структурная схема частотного модулятора; б) Амплитудно-частотный спектр частотного модулированного сигнала

Амплитудно-частотный спектр такого сигнала показан на рис.3.56,б. Он содержит монохроматических составляющих на частотах и с амплитудами, распределенными по функциям Бесселя , где . Однако уже при амплитуды боковых составляющих спектра пренебрежимо малы.

По аналогии с приведенным выше можно показать, что при использовании в качестве модулирующих импульсных ЛЧМ напряжений промежуточной частоты вида

(3.32)

где - девиация частоты ЛЧМ сигнала, будем иметь следующее.

В случае амплитудной модуляции (рис.3.55,а.) напряжения вида (3.32) выходной сигнал описывается выражением

(3.33)

Амплитудно-частотный спектр сигнала (3.33) показан на рис.3.57,а.

Рис.3.57. а) Амплитудно-частотный спектр при амплитудной модуляции ЛЧМ сигналом, б) Амплитудно-частотный спектр при частотной модуляции ЛЧМ сигналом

Он содержит основную монохроматическую составляющую на частоте и две боковых импульсных ЛЧМ составляющих на частотах .

В случае частотной модуляции ЛЧМ сигналом вида (3.32) выходной сигнал описывается выражением

(3.34)

где - индекс частотной модуляции при ЛЧМ модулирующем напряжении, особенностью которого является зависимость от времени . В данном случае амплитудно-частотный спектр содержит основную монохроматическую составляющую на частоте и импульсных ЛЧМ боковых составляющих на частотах с амплитудами, распределенными по функциям Бесселя, которые так же при пренебрежимо малы.

При условии , где - ширина спектра формируемого выходного ЛЧМ сигнала с частоты , с помощью амплитудного или частотного модуляторов указанные сигналы, создаваемые цифровыми или пассивными формирователями на промежуточной частоте , можно одновременно перенести в диапазон СВЧ и усилить по мощности, а так же умножить девиацию частоты в раз. Данный способ по сравнению с преобразованием частоты в смесителях имеет существенный выигрыш в коэффициенте передачи по мощности (до 10…30 дБ и более) и значительно меньший уровень комбинационных частотных шумов.

В качестве модуляторов могут использоваться усилительные многорезонаторные пролетные клистроны, усилительные ЛБВ, различные типы автогенераторов с электронной либо электрической перестройкой частоты.

В качестве примера рассмотрим устройство на ЛБВ «О»-типа и пролетном клистроне. Поскольку широкополосность пролетного клистрона ограничена полосой пропускания резонаторов, в них чаще применяется амплитудная модуляция. В силу большей широкополосности ЛБВ в них чаще используется частотная (фазовая) модуляция для формирования ЛЧМ (и ФКМ) сигнала. Частотная модуляция позволяет, как отмечалось, одновременно получать умножение в n раз девиации частоты исходного модулирующего ЛЧМ сигнала.

Функциональная схема устройства на ЛБВ «О»-типа при комбинированном методу формирования ЛЧМ сигнала приведена на рис.3.58.

Рис.3.58. Функциональная схема радиопередающего устройства ЛЧМ сигнала на ЛБВ «О»-типа

В схеме (рис.3.58.) ЛЧМ напряжением вида (3.32.) промежуточной частоты (20…150) МГц, подаваемым между катодом и вторым анодом (коллектором), осуществляется частотная модуляция входного монохроматического СВЧ сигнала за счет дополнительной пространственно-временной модуляции скорости сгруппированного электронного потока. При этом в спектре конвекционного тока ЛБВ и выходного сигнала, описываемого выражением (3.34), появляются составляющие с частотами и , любую из которых принципиально можно выделить с помощью полосового фильтра (ПФ), если . Практически данный метод целесообразно использовать при , поскольку энергия колебаний существенно убывает с ростом (см.рис.3.57,б.).

Рис.3.59. Функциональная схема радиопередающего устройства ЛЧМ сигнала на пролетном клистроне

В схеме радиопередающего устройства (рис.3.59.) с пролетным клистроном входной СВЧ сигнал частоты возбуждает колебание в первом резонаторе. Модулирующее ЛЧМ напряжение вида (3.32) промежуточной частоты (5…50 МГц) подается на первый анод (или фокусирующий электрод), потенциал которого определяет силу тока пучка электронов. В результате конвекционный ток на входе в зазор первого резонатора оказывается дополнительно модулированным по амплитуде с частотой и на выходе резонатора после пространственно-временной модуляции с частотой в его спектре появляются составляющие с частотами и . Промежуточные и выходные резонаторы клистрона настраивают на одну из боковых составляющих сигнала (3.33). На выходе клистрона получаем ЛЧМ сигнал.

Стабильность параметров выходных сигналов в схемах рис.3.58. и 3.59. определяется, в основном, стабильностью параметров входного и модулирующего сигналов, а мощность коэффициентами усиления ЛБВ и клистрона в режиме преобразования соответственно и . Для формирования высокостабильных входных сигналов задающие генераторы (ЗГ) могут выполняться на основе синтезаторов частоты.

Один из перспективных принципов построение унифицированных устройств формирования ансамбля простых и сложных сигналов, необходимых для адаптации режима зондирования РЛС к радиоэлектронной обстановке и решаемым задачам, основан на использовании угловой модуляции гармонического СВЧ колебания частоты простыми или сложными радиосигналами промежуточной частоты . При этом наиболее эффективно комбинированные аналогово-цифровое построение унифицированных устройств. Обобщенная структурная схема таких устройств, обеспечивающих формирование ансамбля различных видов сигналов как в одном, так и в существенно отличающихся в диапазонах частот, представлена на рис.3.60.

По командам от спец вычислителя или ЭВМ РЛС с помощью формирователя кодов управления задается режим работы цифрового формирователя, обеспечивающий на его выходе, например, простой, ЛЧМ, ФКМ радиоимпульсы с начальной частотой и требуемыми параметрами , .

Рис.3.60. Устройство формирования ансамбля радиосигналов

Если на выходе цифрового формирователя простой радиоимпульс длительностью , то на выходе модулятора в интервале сигнал имеет вид (3.31). Тогда при настройки полосовых фильтров 1,2,3 соответственно на 1-ю, ( -1)-ю и ()-ю составляющие выходного сигнала модулятора получим ансамбль простых радиоимпульсов: на выходе 1 – с частотой ; на выходе 2 – с частотой ; на выходе 4 – с частотой ; на выходе 3 – с частотой (при величина ).

Если на выходе цифрового формирователя ЛЧМ радиоимпульс вида (3.32) с девиацией частоты и длительностью , то на выходе модулятора сигнал имеет вид (3.34). Тогда при той же настройки полосовых фильтров 1, 2 и 3 получим ансамбль ЛЧМ радиоимпульсов с различными девиациями частоты: на выходе 1 – с частотой и девиацией ; на выходе 2 – с частотой и девиацией ; на выходе 4 – с частотой и девиацией при обратном законе частотной модуляции; на выходе 3 – с более низкой частотой и девиацией .

Если на выходе цифрового формирователя ФКМ сигнал, то на выходе фазового модулятора будет ФКМ сигнал с широким спектром частот. На выходе полосовых фильтров аналогично получим ФКМ сигналы на различных несущих частотах.

Возможны и другие комбинации сигналов на выходах 1, 2, 3, 4 в зависимости от режимов работы цифрового формирователя и настройки полосовых фильтров.

Изложенное достаточно иллюстрирует принципиальные возможности создания на серийной элементной базе унифицированных формирователей ансамблей различных видов простых и сложных сигналов с изменяемыми параметрами в зависимости от режима работы цифрового формирователя модулирующих радиоимпульсов.