Вопрос № 1. 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.).

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.

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

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.