ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ С СУПЕРГЕТЕРОДИННЫМ ПРИЕМНИКОМ

Первушин Р.В.

Доцент, кандидат технических наук, Муромский институт (филиал) Владимирского государственного университета

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ С СУПЕРГЕТЕРОДИННЫМ ПРИЕМНИКОМ

Аннотация

Изложены оценки влияния сверхширокополосных сигналов на характеристики апертурных антенн. Сделан вывод об улучшении параметров диаграммы направленности антенны - сужение главного лепестка, снижение уровня боковых лепестков. Рассмотрено влияние режимов радиометрических супергетеродинных приемников на показатели измерительной системы. Показана неоднозначность влияния различных характеристик приемника на параметры диаграммы направленности антенны. Приведены рекомендации по разработке и эксплуатации сверхширокополосных систем с учетом указанных выше проблем.

Ключевые слова: сверхширокополосный сигнал, апертурная антенна, супергетеродинный приемник.

Pervushin R.V.

Associate professor, PhD in Engineering, Murom Institute (branch) Vladimir State University

FEATURES WORK RADIOMETRIC SYSTEMS WITH SUPERHETERODYNE RECEIVER

Abstract

The effects of superbroadband signals of characteristics of aperture antennas are expounded. The conclusion on the improvement of the parameters of the radiation pattern of the antenna - narrowed main lobe, the side lobe level is reduced is mode. The influence of modes of radiometric superheterodyne receivers on the performance measurement systems is measured. The ambiguity of the influence of individual characteristics of the receiver on the parameters of the antenna pattern is shown. The recommendations on the development and operation of superbroadban systems with regard to the above problems are given.

Keywords: superbroadband signals, aperture antennas, superheterodyne receivers.

В последнее время для изучения и контроля окружающей среды все чаще применяют методы дистанционного исследования атмосферы - радиолокационный, лазерный и акустический. Одним из элементов информационно-измерительных систем мониторинга окружающей среды является пассивные радиолокаторы или радиометры. Последние характеризуются, прежде всего, применением широкополосных и сверхширокополосных сигналов (ШПС).

Качество измерения радиометрическими системами, как показано в [1], определяется параметрами антенной системы измерительного комплекса и особенностями построения приемника. Особенности формирования ДН наиболее часто используемых апертурных антенн при приеме ШПС рассмотрены в большом количестве публикаций, но в них не учитываются особенности построения приемного тракта радиометра.

Аналитическое выражение, описывающее диаграмму направленности (ДН) аппретурной антенны при приеме ШПС имеет вид [2].

  (1)

где G - нормировочный множитель; f₀ - центральная частота приема; Δf - полоса приема;  - ДН антенны при приеме узкополосного сигнал с частотой f₀;  - функция Бесселя первого порядка.

Основными изменениями в диаграмме направленности за счет широкополосности принимаемого сигнала являются сужение главного лепестка, снижение уровней боковых лепестков, смещение и размытие нулей ДН.

Соотношение сигнал/шум на выходе радиометрических приемников описывается известным выражением

 (2)

где α - коэффициент, характеризующий схему радиометра; G₁, G₂ - спектральные плотности шумов сигнала и внутренних шумов радиометра соответственно; Δf - полоса приема; ΔF - полоса пропускания выходного фильтра НЧ.

Как видно из выражения одним из путей улучшения соотношения сигнал/шум является увеличения радиометрического выигрыша - . В приемниках супергетеродинного типа эквивалентная полоса пропускания определяется, как правило, полосой пропускания усилителя промежуточной частоты (УПЧ).

Особенности супергетеродинного приема

Традиционное преобразование в смесителе супергетеродинного приемника принимаемого сигнала осуществляется с целью последующего извлечения информации. Поэтому используются гетеродины с единственной частотой, а прием ведется по одному из каналов «прямому» или «зеркальному».

В радиометрических приемниках перенос мощности шумового сигнала из полосы принимаемых СВЧ частот в полосу пропускания УПЧ осуществляется как по «прямому», так и по «зеркальному» каналам. При постоянной спектральной плотности шумов в принимаемом диапазоне, такой равноценный прием по двум каналам обеспечивает расширение эквивалентной полосы принимаемых частот в два раза [3]. Это обстоятельство позволяет рассматривать преобразование шума в радиометрических приемниках супергетеродинного типа с точки зрения дальнейшего повышения радиометрического выигрыша.

Анализ ДН системы в этом случае удобно провести через преобразование выражения (1) путем разделения интеграла на два и введения новых переменных Δf₁ (нижняя частота полосы пропускания тракта ПЧ приемника) и Δf₂ (полосы пропускания тракта ПЧ приемника). Результирующее выражение принимает вид аналогичный (1), но с внутренней полосой режекции равной 2Δf₁

 (3)

На рисунке 1 представлены графики, отображающий ДН антенны при приеме сигналов для следующих случаев:

; ; .

Анализ графиков показыает, что наличие приема по зеркальному каналу, при одинаковой эквивалентной полосе пропускания (), приводит к изменению соотношений между уровнями боковых лепестков, к смещению и размытию «нулей» в ДН антенной системы.

На практике СВЧ тракт радиометра может вносить частотные искажения в основной и зеркальный каналы, изменяя их полосы пропускания неравномерно.

Рис.1 - Влияние на ДН апертурной антенны полосы режекции

Рис.2 - Влияние на ДН апертурной антенны соотношение полос пропускания основного и зеркального каналов

 

На рисунке 2 представлены графики, отображающие ДН антенны при приеме сигналов с неравными полосами пропускания (Δf₂ - полоса пропускания основного канала, Δf3 - полоса пропускания зеркального канала) для следующих случаев:

Как следует из анализа графиков, изменения, при этом, происходят как в главном лепестке ДН так и в ее боковых лепестках, а также происходит смещение «нулей».

Особенности супергетеродинного приемника с бигармонической накачкой

Основной информационной характеристикой шумового сигнала, используемого в радиометрах, является уровень мощности или спектральная плотность. Поэтому, в случае постоянной спектральной плотности принимаемого в достаточно широком диапазоне частот сигнала, появляется возможность использовать в смесителе многочастотную гармоническую накачку с целью расширения эквивалентной полосы принимаемых частот и, тем самым, повысить чувствительность радиометра.

Выбирая частоты гармонических колебаний таким образом, чтобы  (бигармоническая накачка) можно исключить попадание гармонических компонент с разностной частотой в полосу пропускания УПЧ. При этом прием сигнала будет осуществляться по двум «прямым» и двум «зеркальным каналам», что эквивалентно увеличению суммарной полосы пропускания по тракту ВЧ в два раза.

При переходе к приемнику с двухчастотной накачкой гетеродина выражение, описывающее диаграмму направленности радиометрической системы (3), принимает вид

где  - центральная частота приемного тракта.

При этом возможны два варианта формирования полоснопропускающих фильтров. В первом, когда , с полосой пропускания  и двумя внутренними полосами режекции  и центральными полосами f₁ и f₂, соответствующим частотам гетеродина. Во втором, когда , с полосой пропускания  к двум ранее описанным полосам режекции добавляется третья с центральной частотой Δf₀ и шириной .

На рисунке 3 представлены графики, отображающий ДН антенны, для первого случая соотношения двух частот накачки гетеродина, и следующих случаев:

На рисунке 4 представлены графики, отображающие ДН антенны, для второго случая соотношения двух частот накачки гетеродина, и следующих случаев:

Как следует из анализа графиков, изменения, происходят как в главном лепестке ДН, так и в ее боковых лепестках (происходит уменьшение уровней, вплоть до подавления отдельных лепестков и смещение «нулей»).

Рис.3 - Влияние на ДН апертурной антенны для 

Рис.4 - Влияние на ДН апертурной антенны для 

 

Анализ осуществлялся для систем с идеальными частотными характеристиками, имеющими прямоугольную форму. В реальности АЧХ как устройств в диапазоне СВЧ, так и устройств широкополосных УПЧ имеют более сложный характер и, следовательно, реальные диаграммообразующие характеристики антенных систем будут иметь еще более сложные зависимости.

Таким образом, вид приемного устройства радиометрической системы влияет на формирование диаграммы направленности апертурной системы. Это необходимо учитывать при выборе принципов калибровки измерительных систем с апретурными антеннами и работающими со сверхширокополосными сигналами, а на этапе изготовления осуществлять контроль сквозной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) системы. На этапе эксплуатации выбирать калибровочный сигнал, спектр которого согласован с АЧХ измерительной системы или гарантированно его превышает, и осуществлять регулярный контроль этой характеристики и спектра калибровочного сигнала.

Литература

1. Первушин Р.В. Особенности формирования диаграмм направленнсти апретурными антеннами. // Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике [Электронный ресурс]: Всероссийские радиофизические научные чтения-конференции памяти Н.А. Арманда. Сб. докладов III Всероссийской научной конференции (Муром, 28 июня – 1 июля 2010 г.). – Муром: МИ ВлГУ, 2010. –– С.100-103.
2. Первушин Р.В., Костров В.В., Булкин В.В. Особенности пеленгции источников шумовых сигналов // Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике. Тр. Всерос. научн. конф. (1-4 июля 2003, Муром). Муром: МИ ВлГУ, 2003. – С. 400-404.
3. Первушин Р.В. Пассивно-активные радиотехнические средства контроля метеорологических параметров: Дис. канд. тех. наук. -Владимир: 2007. -151 с.

References

1. Pervushin R.V. Osobennosti formirovanija diagramm napravlennosti apreturnymi antennami. // Sverhshirokopolosnye signaly v radiolokacii, svjazi i akustike [Jelektronnyj resurs]: Vserossijskie radiofizicheskie nauchnye chtenija-konferencii pamjati N.A. Armanda. Sb. dokladov III Vserossijskoj nauchnoj konferencii (Murom, 28 ijunja – 1 ijulja 2010 g.). – Murom: MI VlGU, 2010. –– S.100-103.
2. Pervushin R.V., Kostrov V.V., Bulkin V.V. Osobennosti pelengacii istochnikov shumovyh signalov // Sverhshirokopolosnye signaly v radiolokacii, svjazi i akustike. Tr. Vseros. nauchn. konf. (1-4 ijulja 2003, Murom). Murom: MI VlGU, 2003. – S. 400-404.
3. Pervushin R.V. Passivno-aktivnye radiotehnicheskie sredstva kontrolja meteorologicheskih parametrov: Dis. kand. teh. nauk. -Vladimir: 2007. -151 s.