CC BY
31Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - «Муром 2021»
Обоснование характеристик радиопередающего и радиоприемного трактов малогабаритной РЛC
А.В. Леньшин, В.В. Лебедев
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени
профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)
394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54а
E-mail: andrey-lenshin@yandex. ru
Рассмотрены особенности построения радиопередающего и радиоприемного трактов малогабаритной РЛС с непрерывным излучением. Проанализированы требования к параметрам зондирующих сигналов и к уровню фазовых шумов радиопередающего тракта, к динамическому диапазону радиоприемного тракта. Приведены возможности интерактивной программы ADIsimRF по проектированию трактов и анализу параметров интегральных микросхем радиоприемного и радиопередающего трактов малогабаритной РЛС L-диапазона. Ключевые слова: малогабаритная РЛС, радиопередающий тракт, радиоприемный тракт, зондирующий сигнал.
Justification of the characteristics of the radio transmitting and receiving paths of a small-sized radar
A.V. Lenshin, V.V. Lebedev
Military Training and Research Center of the Air Force «Air Force Academy named after Professor
N. E. Zhukovsky and Yu. A. Gagarin» (Voronezh)
The features of constructing the radio transmission and radio reception paths of a small-sized radar with continuous radiation are considered. The requirements to the parameters of probing signals and to the level ofphase noise of the radio transmission path, to the dynamic range of the radio receiving path are analyzed. The possibilities of the ADIsimRF interactive program for designing paths and analyzing the parameters of integrated circuits of the radio receiving and radio transmitting paths of a small-sized L-band radar are presented.
Keywords: small-sized radar, radio transmitting path, radio receiving path, probing signal
Введение
В вооруженном конфликте в Карабахе наблюдалось массовое целевое применение комплексов с беспилотными летательными аппаратами (БПЛА),которые продемонстрировали оперативное решение задачи формирования и выдачи данных для целееуказания и наведения, обеспечивающих эффективное нанесение ударов. В данном локальном конфликте подтверждается ожидаемая высокая боевая эффективность разведки, целеуказания и объективного контроля результатов ударов в реальном времени с использованием бортовых оптических и радиоэлектронных информационных систем. В ходе военного конфликта в Сирии ВС РФ применяли несколько моделей БПЛА российского и израильского производства для поиска объектов/отрядов боевиков и контроля результатов боевого применения средств поражения. Российская авиагруппа использовала БПЛА «Форпост» и «Застава», которые по лицензии и из комплектов израильской компании IAI собирает АО «Уральский завод гражданской авиации», «0рлан-10», «Гранат», «Элерон» и др. [1]. Оснащение БПЛА радиолокационными средствами высокого разрешения превращает их в системы, не утрачивающие свою функциональность в сложных условиях.
Особенности малогабаритных РЛС с непрерывным излучением
Малогабаритные РЛС, как правило, используют непрерывные линейно-частотно-модулированные (ЛЧМ) зондирующие сигналы [2, 3]. Синтезирование апертуры позволяет существенно повысить поперечную линейную разрешающую способность РЛС относительно направления диаграммы направленности антенны (ДНА) и улучшить детальность радиолокационного изображения (РЛИ) местности. В РЛС обзора земной поверхности (ОЗП) с синтезированием апертуры (РЛС СА) обеспечивается весьма малая величина линейной разрешающей способности 51 как минимального значения вдоль путевого расстояния между наземными объектами А и В, при котором объекты А и В еще воспринимаются РЛС раздельно [4, 5].
По данным Министерства обороны США именно малые БПЛА, в силу их относительно невысокой стоимости, составят до 70 % численности всего парка БПЛА. Разработка малогабаритных РЛС и оснащение ими тактических БПЛА (массой 25...30 кг) обеспечит расширение круга решаемых задач для военно-воздушных сил и сухопутных войск, среди которых следует перечислить следующие:
1) ведение воздушной видовой радиолокационной разведки наземных и надводных целей, скоплений войск и техники, замаскированных командных пунктов, ракетных комплексов, селекция наземных (надводных) движущихся целей;
2) обеспечение действий бомбардировочной, штурмовой и армейской авиации, систем целеуказания;
3) контроль выполнения боевых задач, результатов нанесения ударов и оценка эффективности применения оружия;
4) оценка маскировки своих подразделений и командных пунктов, аэродромов, авиационной техники, позиции своих зенитных ракетных комплексов;
5) выявление демаскирующих в радиолокационном диапазоне признаков объектов;
6) определение направлений возможного продвижения подразделений противника, поиск экипажей, терпящих бедствие, оценка метеообстановки;
7) информационное обеспечение маловысотного полета;
8) картографирование местности в интересах составления базы данных цифровых карт в районе боевых действий [2, 6].
БПЛА тем самым могут оказывать существенную помощь пилотируемой авиации, в ряде случаев успешно заменять ее, а также решать задачи, которые не возлагались на пилотируемую авиацию, когда наращивание возможностей авиации принципиально невозможно, экономически нецелесообразно или из-за необеспечения условий безопасности экипажа пилотируемого летательного аппарата.
Малогабаритные РЛС с непрерывным излучением (НИ) обычно строятся по супергетеродинной схеме. На рисунке 1 представлена схема малогабаритной РЛС с непрерывным излучением.
На рисунке 1 обозначено: ИП - источники питания; ФС - формирователь зондирующего сигнала; НО - направленный ответвитель; УМ - усилитель мощности; РПрдУ, РПрмУ - радиопередающее и радиоприемное устройство; АС - антенная система; ФНЧ - фильтр нижних частот; ВУ - видеоусилитель с автоматической регулировкой усиления; СМ - смеситель; МШУ - малошумящий усилитель; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ЦОС - система цифровой обработки сигналов; ЦВМ - цифровая вычислительная машина; НК - накопитель; ИНС - инерциальная навигационная система; СЧ - синтезатор частот; ОГ - опорный генератор; РМ - радиомодем [2].
Рис. 1. Схема малогабаритной РЛС с НИ
Основным достоинством зондирующих сигналов с ЛЧМ-модуляцией является простота их формирования и демодуляции, при этом ширина спектра может достигать сотен мегагерц и даже единиц гигагерц, а после демодуляции - не превышает десятков мегагерц. На практике нашли применение сигналы с симметричной и несимметричной ЛЧМ-модуляцией, характеризуемые периодом модуляции TM, начальной частотой /0 и
шириной спектра (девиацией) A/с .
Обоснование параметров и формирование зондирующих сигналов РЛС
Несмотря на накопленный значительный опыт разработки и применения РЛС НИ, актуальной является обоснование параметров и формирование зондирующих сигналов при работе РЛС в различных режимах и соответствующих требований к характеристикам ее отдельных функциональных подсистем и устройств. При использовании сигналов с ЛЧМ-модуляцией дальность до цели связана с разностной частотой /Р ее эхосигнала соотношением
R, = f = (1)
где гЗ - время задержки эхосигнала; / = A/C /TM .
Максимальная разностная частота /Р max, определяющая требования по частоте дискретизации к АЦП, пропорциональна максимальной дальности действия РЛС Rmax
fP max = 2//Rmax/C . (2)
Разрешающая способность РЛС по наклонной дальности SR определяет ширину спектра зондирующего сигнала
A/C = с/25R. (3)
Период повторения ТП определяется из условия обеспечения однозначности измерения доплеровских частот в пределах зоны обзора
T = Т + Т =_1_=_-_=_-__(4)
П М ПП 2/д max 4Vr max 4^(0,5 • 0Дз + ^) ' ^
где ТПП - время переходных процессов; /Д max- максимальный доплеровский сдвиг эхосигнала отражателя с угловым смещением, равным половине ширины диаграммы направленности антенны (ДНА) по азимуту 0АЗ; VR max - максимальная радиальная
скорость; VH - скорость полета носителя; ^дН - азимутальное смещение оси ДНА
относительно перпендикуляра к вектору скорости носителя [2].
345
Учитывая, что путевая дальность Ян связана с наклонной дальностью по траверзе Я1 соотношением Ян = КТ ■ tg^,время синтезирования апертуры ТС зависит от условий применения РЛС (Ун и Лц ) и требуемого разрешения по путевой дальности SL как
Ш
ТС =--. (5)
2Ун5Ь соб^
При расчете мощности излучаемого сигнала следует учитывать требуемое отношение сигнал/шум дТР на выходе системы обработки
2E
Чтр = -ыс' (6)
"о
где Ес = ТМЫПРС /2 - энергия принятого сигнала; ЫП = ТС /ТМ - число периодов
п РПРД ОПРДОПРМШ ^Ц л
зондирования; РС =-(4 )3 цл ь— - мощность принятого сигнала; рпрд - средняя
мощность зондирующего сигнала; Опрд , ОПРМ- коэффициенты усиления передающей и приемной антенн; Стц- эффективная площадь рассеяния цели; Ь - суммарные потери в антенно-фидерном тракте и на трассе распространения радиоволн; Ы0- спектральная плотность шума [2].
Обоснование параметров радиоприемного тракта РЛС
Спектральная плотность шума в приемном канале определяется суммарной спектральной плотностью внутренних (теплового ЫТ, дробового , фазового Ыф
,дискретизации Ыд ) и внешних Ывнеш шумов
"о = Ыт + Ыдр + Ыф + Ыд + "внеш. (7)
Коэффициент шума последовательно соединенных каскадов определяется выражением
К2 -1 К -1 КЫ -1
N-1
П О,
Кш = К + +^+-+—. (8)
О1 О1О2
,=1
где К - коэффициент шума ,-го каскада; О, - коэффициент передачи ,-го каскада [7].
Формирователи зондирующих сигналов характеризуются нестабильностью частоты, обусловленной как медленными изменениями температурного режима работы радиоэлементов и питающих напряжений, так и быстрыми случайными флуктуациями теплового шума. «Медленная» нестабильность выражается, в основном, в расфокусировке радиолокационных изображений (РЛИ) (снижение амплитуды отметок и разрешающей способности), «быстрая» - в ухудшении отношения сигнал/шум на РЛИ (снижение вероятности обнаружения объекта с малой ЭПР). Зависимость уровня фазового шума ЫФШ, как правило, указывается изготовителем генераторов и формирователей, а также может быть измерена с помощью анализатора спектра. При значительном уровне его спектрального плотности он может проявляться на РЛИ в виде протяженных по путевой дальности шумовых полос в местах нахождения ярких точечных отражателей и протяженных объектов. Методика обоснования требований к передающему устройству РЛС НИ по уровню фазового шума приведена в работе [2].
Разработка и проектирование радиопередающих и радиоприемных трактов
При разработке и проектировании радиопередающих (РПрд) и радиоприемных (РПрм) трактов применяют различные средства моделирования и отладки: компьютерное имитационное моделирование на языке VHDL, макетные платы и отладочные наборы,
прикладное программное обеспечение производителей по моделированию высокочастотных (ВЧ)РПрд и РПрмтрактов. Одновременно с этим существует необходимость, еще на этапе проектирования, оценить влияние различных узлов на качество работы РПрм и РПрд трактов.
РПрм тракт предназначен для усиления принятых сигналов, их демодуляции, поддержания заданного уровня демодулированного сигнала и его частотной фильтрации для последующей оцифровки. Основными требованиями к РПрм тракту РЛС являются:
1) широкий динамический диапазон;
2) линейность;
3) низкий коэффициент шума.
Требования, предъявляемые к динамическому диапазону РПрм тракта РЛС НИ, являются более жесткими по сравнению с требованиями, предъявляемыми к РПрм тракту импульсных РЛС, что обусловлено, прежде всего, низкой развязкой между передающей и приемными антеннами. Недостаточная ширина динамического диапазона приводит к перегрузке входных малошумящих усилителей (МШУ) и преобразователей частот, что приводит к появлению паразитных частотных составляющих в спектре выходного сигнала, а также снижению чувствительности и дальности действия РЛС.
Назначение РПрд тракта - формирование зондирующего и опорного сигналов с требуемым периодом модуляции и выходной мощностью в заданной полосе частот. Основными требованиями при этом являются:
1) равномерность амплитудно-частотного спектра формируемого сигнала в широкой полосе частот;
2) малая длительность переходных процессов в момент начала каждого нового периода зондирования при достаточно малых массогабаритных показателях;
3) высокая линейность закона модуляции сигнала [2].
Интерактивная программаADIsimRFкомпании «AnalogDevices»[8] существенно ускоряет проектирование и анализ параметров элементов РПрм и РПрд трактов. Проектирование РПрм и РПрд трактов заключается в выборе и наполнении звеньев конкретными элементами - интегральными микросхемами (ИМС). При выборе элементов (ИМС) схемы ключевыми становятся такие характеристики, как коэффициент усиления элемента (Power Gain), точки однодецибельной компрессии по входу элемента (IIP1) и выходу (OIP1), точки пересечения интермодуляционных искажений 3-го порядка по входу (IIP3) и выходу (OIP3) элемента, коэффициента шума (Noise Figure), напряжение питания (Voltage) и ток потребления (Current) [9].
После наполнения конкретными элементами проектируемого РПрм тракта пользователю становится доступным итоговый результат расчета основных характеристик:
1) отношение «сигнал/шум» (SNR);
2) чувствительность приемника (Input Rx Sensitivity);
3) точка пересечения интермодуляционных искажений 3-го порядка по выходу (OIP3) и входу элемента (IIP3);
4) уровень интермодуляционных искажений 3-го порядка (IMD);
5) отношение мощности интермодуляционных искажений в полосе сигнала к мощности сигнала (SFDR);
6) коэффициент шума (Noise Figure);
7) значение спектральной плотности мощности шума (Output NSD).
Программа ADIsimRFудобна в использовании и наглядно демонстрирует прохождение сигнала по цепи. Программа вначале предлагает выбрать количество элементов в тракте, а также какой тракт мы будем моделировать - передающий (Receive) или приемный (Transmit) (рисунок 2).
Для моделирования РПрм тракта РЛС НИ L-диапазона выберем следующие исходные данные:
1. Несущая частота - 1280 МГц[10].
2. Полоса частот радиосигнала (ширина спектра) - 160 МГц.
3. Мощность передатчика - 200 мВт.
4. Коэффициент усиления приемной и передающей антенн10 дБ. Основными типами антенн, применяемыми на БПЛА, являются зеркальные и микрополосковые антенны. В последнее время более часто используются малогабаритные низкопрофильные (в том числе конформные) антенны, создаваемые на сонове микрополосковой технологии [11].
Для оценки линейности тракта используется параметр «однодецибельная точка компрессии» P1dB (One-decibel Compression Point), определяемая как точка на амплитудной характеристике, в которой коэффициент усиления по мощности уменьшается на 1 дБ по сравнению с идеальным. Однодецибельная точка компрессии соответствует такой мощности сигнала на выходе, при котором отличие от асимптотической линейной характеристики составляет 1 дБ.
13 ADISimRF Fils Stage Reference
□ ANALOG DEVICES
s a m
zia Zout
Power Gain Voltage Gain OIPJ OPIdB Pout
Pout Backoff Peak Backoff Noise Figure Voltage
[MHz) (Ohms) {Ohms) (dB) (dB) (dBin) (dBm) (dBm) {dB) (dB) (dB) {V)
Stage 1 j frj Stage 2 | StagT
О
Stage 5
Stage 6 j ^f Stage Г | ¿F Stage 3
Stage 9
Number of Stages 10
Input Rower 0 dBm
Analysis Bandwidth 1 MHz
PEP-to-RMS Ratio 0 dB
P1dB Backoff Warning 1Û dB
Peak Backoff Warning 1 dB
Output Power (rms) dBm
Output Voltage (rms) Vims
Output Voltage (pp) Vpp
OPIdB dBm
IPtdB dBm
Power Gain dB
Voltage Gain dB
Noise Figure dB
Output NSD dBm/Hz
Output NSD nV/itHz
Output Noise Floor dBm
SNR dB
OIP3 dBm
ига dBm
IMD3((Pout-3dB) per tone)) dBc
SFDR dB
ACLR (est.) dB
Pwr Consumption W
Рис. 2. Окно выбора моделируемого устройстваADIsimRF
ТЗГ5 "3F
~г
Выделяют точки однодецибельной компрессии по входу элемента (ГРЫВ) и выходу элемента (ОРЫВ или РЫВ). На практике принято считать, что область несущественной нелинейности лежит ниже точки РЫВ на 6...10 дБ, т.е. оценка интермодуляционных искажений, изначально основанная на степенной аппроксимации передаточной функции, применима только в том случае, если уровень выходного сигнала лежит в этом диапазоне. В документации на ИМС часто приводят графики зависимости РЫВ от частоты. Точку пересечения интермодуляционных искажений 3-го порядка по выходу элемента ОГР3 (ОШри1ГР3) для двухтонального сигнала с частотами /1, /2 и одинаковыми уровнями
тонов называется такая аппроксимированная мощность тона выходного сигнала, при которой она равна мощности продукта нелинейности третьего порядка на частоте (2f2 -/) или (2/ -[12].
После ввода исходных данных в программуАОЫшКГ и выбора первого элементаРПрм тракта(полосового фильтра (BPF)), ввода рабочей частоты (InputFreq) и значения согласующего сопротивления ^т), программаАСЫтЯГ сама рассчитывает необходимые параметры и подбирает необходимый элемент (ИМС).Аналогичным образом выбираются последующие элементы РПрм тракта.Вконечном итоге получаем схему, состоящую из 9 последовательно соединенных элементов с параметрами,
соответствующими заданным. На рисунке 3 представлены результаты моделирования РПрм тракта (без приемной антенны) малогабаритной РЛС НИ.
□ ADlbmRF □ X
File St ige Reference Dal* Help
ГЧ ANALOG Li DEVICES IS Ш » 0 Ш О
♦ 1 ■ I Sage! k Sugei k Stage 3 If Sag«» Ik Sag. 5 k Stage 6 Ik Sngai k Stage К r Stage 9 и
a TT TT Ш >
Rcccivc BPF zi At«n .d 0*■«* J*" ^J|BPF j»] Q Onwd zi
Toggle Тя«х сачгбпо _J|«DL5eil HMC470LP3 J*DLieOl _^J|MMC470LP3 AOLSill _^J]aDL5601 zl
Input Freo (MH(> 12» 121» |1280 ¡1232 1280 1290 1290 1280 1280
zm KNMM) и 1» I» 50 50 so 50 Я ao
Zotil (Ohm»] и 1« I» 5« » SO И SO 200
POV«M Gain (del 75 1«! Id 15 3 0 ■75 P22 15 20
Vellage Gain [dB) ■75 I222 J15.3 0 75 222 1.9 20
IIP3 IdBm) 1» |l(2 I« PI 100 1Й 132 Iй 100
IPIdB |dBm) "6 42 |91 91 116 H2 119 91
Ри IdBm) ■1» 1™ [■IMS 11929 ■167.5 ■1575 •242 5 ■2201 ■2164
Pin Sack off [dB) 246 2049 ¡273 В H75 258 5 233 5 2423 2329 3114
Peak Backoff !dB) № ■ 211 I1S75 258 5 2935 2423 |2323 3114
Now Figure (dB) 75 |22 1» |J7 a л |22 „4
Voltage (V) 0 5 s P » s «
a™, (1ПА) о 1« In |99 |o 0 M 2«5 0
Рис. 3.Результаты моделирования РПрм тракта РЛС НИ
Итоговый результат расчета основных характеристик РПрд тракта:
1) выходная мощность (OutputPower (dBm));
2) среднеквадратическое значение выходного напряжения (OutputVoltage (rms));
3) пиковое значение выходного напряжения (OutputVoltage (pp));
4) точка однодецибельной компрессии по выходу тракта (OP 1 dB);
5) точка однодецибельной компрессии по входу тракта (IP1dB);
6) коэффициент усиления по мощности (PowerGain);
7) коэффициент усиления по напряжению (VoltageGain);
8) мощность шума на выходе тракта в полосе сигнала (OutputNoiseFloor);
9) мощность потребления (PwrConsumption).
На рисунке 4 представлены результаты моделирования РПрд тракта РПрдУ(без передающей антенны) малогабаритной РЛС НИ.
Рис. 4.Результаты моделирования РПрд тракта РЛС НИ
На рисунке 5 представлена структурная схема РПрд тракта РЛС НИ, соответствующая заданным параметрам.
Рис. 5. Структурная схема РПрд тракта РЛС НИ
На рис. 5 обозначено: ШКМ - широкополосный квадратурный модулятор (ADL5375-15), в качестве альтернативы можно использовать синтезаторы частот на основе систем ФАПЧс дробным коэффициентом деления и функциями модуляции/формирования сигналовADF4158[13]и ADF4159; ПФ - полосовой фильтр (CBP-1280C+); УЦУ-усилитель с цифровым усилением (ADL5335); ШЛУ - широкополосный линейный усилитель (ADL5601); УД - усилитель-драйвер (ADL5324-5V); ФНЧ - фильтр нижних частот (ADRF6520LPF)[14].
Выводы
В данном докладе были рассмотрены особенности построения радиопередающего и радиоприемного трактов малогабаритной РЛС с непрерывным излучением. Проанализированы требования к параметрам зондирующих сигналов и к уровню фазовых шумов радиопередающего тракта, к динамическому диапазону радиоприемного тракта. Приведены возможности интерактивной программы ADIsimRF по проектированию трактов и анализу параметров интегральных микросхем радиоприемного и радиопередающего трактов малогабаритной РЛС НИ L-диапазона. Интерактивная специализированная программа ADIsimRF постоянно обновляется, что позволяет рассчитать радиопередающие и радиоприемные тракты различных устройств в различных частотных диапазонах и при различных отношениях сигнал/шум, а также подобрать соответствующие микросхемы.
Литература
1.Новичков Н.Н., Федюшко Д.И., Костин В.В., Милованова Л.Р. Российское оружие в Сирии: анализ, итоги, выводы / Под общ. ред. и с предисловием В.Н. Половинкина. М.: ООО «Статус», 2018. 336 с.
2. Купряшкин И.Ф., Лихачев В.П., Рязанцев Л.Б. Малогабаритные РЛС с непрерывным частотно-модулированным излучением. Монография.М.: Радиотехника, 2020.280 с.
3. Груздов В.В., Колковский Ю.В., Криштопов А.В., Кудря А.И. Новые технологии дистанционного зондирования Земли из космоса. М.: Техносфера, 2018. 482с.
4. Купряшкин И.Ф., Лихачев В.П. Космическая радиолокационная съемка земной поверхности в условиях помех: монография. Воронеж: ИПЦ «Научная книга», 2014. 460 с.
5.Бортовые радиоэлектронные системы. Основы построения: учебное пособие / А.В. Леньшин, Н.М. Тихомиров, С.А. Попов; под ред. А.В. Леньшина. - 2-е изд., перераб. и доп. Воронеж: ИПЦ «Научная книга», 2021. 486 с.
6. Комплексы с беспилотными летательными аппаратами. В 2-х кн.: Кн. 1. Принципы построения и особенности применения комплексов с БЛА. Монография / Под ред. В.С. Вербы, Б.Г. Татарского.М.: Радиотехника, 2017.512 с.
7. Раушер К., Йанссен Ф., Минихольд Р. Основы спектрального анализа: Пер. с англ. С.М. Смольского / Под ред. Ю.А. Гребенко.М.: Горячая линия-Телеком, 2006. 224 с.
8. ADIsimRF. - URL:https://formanalog.com/form_pages/rfcomms/adisimrf.aspx.
9. Леньшин А.В., Албу С.И. Особенности расчета радиопередающего устройства РЛС L-диапазона с использованием программы ADIsimRF // Актуальные вопросы исследований в авионике: теория, обслуживание, разработки: сб. науч. статей VII Международной научно-практической конференции «АВИАТОР». Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2020. С. 283-287.
10. Постановление Правительства РФ от 21.12.2011 N 1049-34. URL: https://ppt.ru/docs/postanovlenie/pravitelstvo/n-1049-34-21041.
11. Подстригаев А.С., Лихачев В.П., Рязанцев Л.Б. Технология настройки полосковых СВЧ-устройств // Измерительная техника. 2016. № 5. С. 66-68.
12. Белов Л.А., Кондрашов А.С., Петушков С.В. Корреляционная оценка уровня интермодуляционных искажений СВЧ-сигналов в усилителях мощности // Электросвязь.
2015.№ 5.C. 28-30.
13. ADF4158. URL: https://www.analog.eom/ru/products/adf4158.html#product-overview.
14.Analog Devi ces.URL: http s: //www. anal og. com/ru/products. html.
