CC BY
196
УДК 621.395.962.25
ПОВЫШЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА ГОМОДИННОГО ПРИЁМНОГО СВЧ ТРАКТА РЛС НЕПРЕРЫВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СЛЧМ СИГНАЛОМ
\Т Е Рпккин 1. о. Ю. Сваровсккй \ А. В. Христенко1. М. В. Осипов1, В. А. Хлусов 1 ' Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники,
с. Томск, Россия
'Акционерное оЬщестзо «Паучно-произэодагыенная фирма «Микрон», г. 1омск, Россия
Аннотация - Рас смотрены особенности построения гомолннных приемных трактов радиолокационных станипн (РЛС) непрерывного излучения с широкополосным ЛЧМ сигналом 3-см н миллиметрового диапазона. Показана, что для увеличения линампческого диапазона гомолннный приёмник таких РЛС должен иметь два преобразователя частоты. Первый преобразователь выполняется ил основе СаАз
.МНС, а второй с применением ЛШС по техволопш Si плп Si(ie. Для такой схемы слеллна опенка достижимого динамического л лаптопа. приведены полученные экспериментальные характеристики радио трактов и полученные с пх помощью радиолокационные изображения.
Киоиеоыс слова: РЛС непрерывного излучеипя. миллиметровый диапазон, ЛЧМ сигнал, гомодшшып ирн$м
I TiRF.TFHH^
Рагвнвлшесяв последнее десятилетне цифровые методы оормнровання широкополосных (от 100 МГц и более) радиосигналов с высокими метрологическими характеристиками широко иснсльзуются в трактах формирования гигнл.-оя их-тучгнид Р <' и рлдиоттокл-птпкккгх FT.iroTovrpoR и уроинглггроп ОтгутгтЕиг Т.ОТХГ-пактиых вычислителей не дает реолизовать при обработке радиолохацноююго отклика. имеющего спектр ши рияой от 100 МГц н более, классический согласованный прием на основе цифрового конвольвера. использую-птгго лтшлрятл бьгетрпго гргоЬрлад-чотгия Фурчг [" . ртд Я Т1 чтои гитуяпии КОДМОЖНО пос трог КИС Р.Т1Г Непрерывного излучения с шнроксполосным JFIM сигналом. использующей известную гомодннную CXCMV приема отраженного сигнала б радиолокаторе, -когда генератор передатчика служит к местным гетеродином при-гмниьа» с Такой пригмню. (!гн1н:ии* гик ж г к нр^гмниьнм прямом» 11]>П|(|Н1Л1К11НИ11. «мклмкпциигя архитектурой радиоприемника. альтернативней широко распространенному' гетеродину. фундаментальным отличием является основное усиление и фильтрация на частоте сигнала, а не на промежуточной частоте, как в i «мерещин^»' [3]
П. КЛАССНЧЕСШЙ ГОМОЛШПП,^ ТГАКТ Н ЕГС [ЩДССГАПСИ Ранее Томским АО «НПФ «Мнкран» была создана навигационная РЛС высокого разрешения (1,3 м по даль-Н(Х~1>|) ДЛЯ МЛ111ШШННЖНН1К РУЧНЫХ 1'УДЧК Ри4рн1кггкя СВЧ 1|МК1И 1НИ!Й РЛС ЖИОЛКЧуНЛЦГЙ ЛЧМ СИ1 НИЛ г шириной спектра ЮС' МГц начиналась с классической томодннной схемы (рнс..) зкяючаюшен цифровой формирователь сигнала ПЧ (ЦФПЧ). преобразовательно-усилительныи тракт СВЧ (ТрПрдСВЧ). передающею (АПрл) и приёмную (АПрм) ¿LHieHHbt. iiu.iuco-npoiiyекающие фклыры СВЧ (ППФ СВЧ), уенлихель мощноли (УМ), делитель мошностн (ДМ) гомолннный приемный смеситель (1 СМ), видсофнльтр сигнала оненкн (ВФ). Б1щеоегснлитель (ВУ) и тракт цифровой обработки сигналов (ТЦОС). Цифровой тракг обработки РЛ отклика РЛС '«Река» pcrdjLH^ytrj дифров-.-и анали^а.ир ciiexipa сигнала биении, сформировании! о юмодинным ciiecnie-uru приёмника Он раГмпагг но алгоритму БГГФ оцгникагпм по нмборкг и:< R192 он ч - гон, ни когоруш нало».г-но взвешивающее временное окно.
Y
АПро
fe
ДМ ТрПрдСОЧ
УМ
LO
-jpc
Vlu> ппосз- ГСМ ЕС. =»
Рис. 1. CTpvxTvpa РЛС с ЛЧМ сигналом н гомодиннон обработкой при приеме
ПрИГЧГНИК РЯС нггргрчтиого нллутгкит ИЛ-ЛЛ НГРОЧМО-ЛГИГС ТИ ПрИ7.К*НГИК!Т ПАРУ дотгжен имгтк Рчч.тьптпй мгновенный динамический диапазон, целиком определяемый параметрами единственного приёмного смесителя. В работе такой РЛС нелинейность приемника приводит к блокированию прн?ма пси попадании в главный ипю"гок ИН1ГНН РЛС мощных Пли.чко ]кк-.1кик»жгнных тражигглгй Друтй ггхничлмж проблемой гоммдин-ного приёмного трпкгп является относительно еысокнй коэффициент шума на низких (практически звуковых) частотах входного видеоусилителя: лучшие их образцы, например А04981, имеют коэффициент шума около 5:5 дБ
Отражённый совокупностью релиолокаинонных отражателей ЛЧМ сигнал на гомединном смсснтсле 1 СМ формирует сигнал биешш. верхняя граница спектра которого при обработке определяет макагмальпую отоора жаемую дальность РЛС и не превышает единиц МГц Нижнюю граничную частоту видеофильтра ВФ определи-
ем минимальную дальность (а значит, н мертвую зону локатора), в РЛС «Река» она равна 1 кГц. Поэтому на чувствительность гомоднкной приемной снстсмы отрицательно влияет низкочастотный (фликер.; шум активных IJirMfHIllH иригмники, (I чгм упомии^пгн к [4]
Макет томодннного СВЧ тракта по схеме рнс. 1 на современной элементной базе показал заметно (на 5 дБ) худший коэффициент шума, что вынудило увеличить усиление входного МШУ с расчетных дЬ до 35 дэ. По
К1ТМ иричнакнм. Щ'ИНИНИ Ьы.М К шкипй 11и(м11Г l l»MI»; I.I1HHOI l' rUMMirJH И'ИИЛКЧОК/ШНЯЯ К НГМ МС1Ж1ЛИ1 НИМ
СВЧ микросхема НМС143 должка быть работоспособной на низких выхедных частотах (от единиц кГц н выше). поскольку нормально она раЬотаст на актовную нагрузку Ом на выхедных частотах от 3D Mi п. и сс
K-»IXiVl НГ* <НН1уН1И]К1КИН ИНЛуК1ИК-КИ1КН> УкГЛИЧГНИГ М)-*Ф<]:И 1ИГЧГИ усилении К CHOKI очгргдь yXy.'IIIIMJK) ||Г-
регр^зэчпую способность прнёмшиса. поскольку основное ycineinie прнёз.шого тракта приплось сосредоточить перед наиболее нелинейным элементом тракта - смесителем.
Поиек причины нештатной работы смесителя заставил обратиться к опыту авторов по построению суперге-теродгапгсго измерительного приёмника 3 см днапазоиас пизкой (50 кГц) промежуточной частотой, который ттримгнягг » r ?П05 г к рлтшпфичтртл-ком чжтпгрктлгнтг- [5] П НГТД VTK V ъ Р.ТТС дяя ргчньтх -удоя 1-С7/1 дилгтлло-на. использовался смеситель на арееннде галлня (GaAs). Для получения расчетной чузствительностн тогда пришлось поднять усиление входного МШУ измерительного приемника с 3Ü дЬ до 50 дЬ. Это заставило провести жи.1Ш мшожнмх причин, oi:p;n икшиск к фи.-сичтим <к1)6гнн1х-гии мриГюрок нл IX нонг G*As
ш. 1-онск возможной шчгчшплповышенного шума СВЧ смесителя
И ПУтаЙ ЕГО ПРЕОДОЛЕНИЯ.
Аналт возможных пртгпш указал на повышешплй уровегл, шума па низких частотах [флнкер шум) СгаАз приборов, который, в отличие приборов на основе кремния (Si) или структур кремний-германий (SiCe). начинает превышать уровень теп левого пума не с 2 кГц (в среднем), а с '«нескольких десятков и даже сотен кГц. а по некоторым цашплм и с 20 50 МГц>; [6]. Таким образом, гомодшшый приёмник, испольгсопщй смеситель па CaAs. Будет иметь поеыпкинык уровень шума. а значит и низкий динамический диапазон.
Повысить динамический диапазона можно. применив в приемном тракте по схеме рис. 1. вые око динамичные смесители на основе SiGe. которые хорошо работают при выходном сигнале (нлн промежуточной частоте] ini же 1 МГн. что было подтверждено прямым экспериментом. Однако такие смесители работают на выходных частотах не выше 8 ГТп. что делает невозможным нх применение в 3-см нлн миллиметровом диапазене. Но потребности ры:н:а РЛС и РЛ сенсоров охрашшх систем дшау:от переход в миллиметровые диапазон длин волн В 2014-2016 ггТУСУР совместно с АО «НПФ «<Мнкран»> выполнял работы по созданию системных радиолокационных сенсоров для охранных систем миллиметровых диапазонов (К, Ка и Б) с несущими частотами 24. 35 н 76 ГГп [7] Поэтому хтя преодоления указанного недостатка для РЛС непрерывного излучения нами была разработана схема ириемо-лередаюшего тракга гомодннкого тип?. с двойным преобразованием частота (рпс. 2). Несмотря па наличие в нём каскадов промел^точпой частоты, остаётся часть, осуществляющая уенле нии и фильтрацию в полосе сигнала, поэтому мы считаем такой тракт гомодином.
Рис ? Офум ryjBi РЛС г iqmrMHhiM фиоом г дк\мя иртЦтомьичми нжчшм
В схему РЛС введены СВЧ смесители приема (СМ СВЧ Ирм) к передачи (СМ СВЧ Прд). полосо-ПрОНуСЬЛИИ ЦИС- <[|и.1ыры ГГЧ (I II |ф ПЧ), уС.ИЛИГГЛИ 1|рОУГ*у1ПЧНГЙ ЧгК1Н1Ы (• I Ч) /пч I ригмьикя (VI 14 П]1м) и передатчика (УПЧ Прд), а также СВЧ гетеродин фиксированной частоты^гевч СВЧ) н де.лнтель мощности его сигнала (ДМ 1С1). Тракт формирования сигнала излучения на СВЧ заменён на более простой тракт формн-]кшни« сигнала иг-случгним ни иромгжу тчнон чйгинг (ТрПрд ПЧ) В РЛС З-гм диапазона — 1 1 ТТц, Ловч^'4 ГГц. рабочая частота^=9432 МГн.
Важной особенностью iiodoii схемы является двойное преобразогашге частоты в использование второго (выходного или гомодннного) смсситсля. выполненного нс по технологии (JaAs. а на основе bi ели bi<Je. Первый же смеситель, специфичный для СВЧ диапазона, может быть на основе CteAs. При таком распределении оупкций каждый из смесителей решает свою задачу и работает с оптимальном э смысле расширения дппампче с кого диапазона режиме. С134 смеситсль формирует сигнал высокой (поряяка 111 п) первой 114 при этом его повышенный флнкер-шум на ни-ких частотах не сказывается. Переход в область нулевых частот осуществляет более высоксдинпмнчный. но менее шкрскополосный зторой 'гсмодкнкын) смеснтсль. имеющий низкий флн-кгр-шум
Ш МОДШЯЮСАЮШ КЛАССКИЧЕСКОГО НМОЛП?:ПЕ11?Оа^1ПЮГЭ TPAKTOD
Дня i-JIHKHMir.lKHim ОЦГНЬИ ДИНаМИЧГГКОШ ДИИНННОНИ ИрИГМНОИЧЖ'ГИ КЛ^СИЧРГКОШ (l»HC 1) И уСОНГрШГН-
ствовакпого (рис. 2 ) трактов РЛС непрерывного излучения нами выполнюсь моделировагше коэффнднепта шума и уровня продуктов нелинейности третьего порядка Ооа тракта имели одинаковые CD4 смесители (НМС143) н коэффициент шума MUIY(Nci=2.j цБ), а также одинаковый сквозной коэффициент передачи G=34 дБ. Выходной смеситель при втором преобраоовашш частоты использовал типа LTC5585.
Поклал-гттгм лгингингстк трлктпк служит урлвгкъ проиу-стоя иктгрмо;гуляцин третьего тторядкл ТТрлке.тгн-ный с помощью пакета AWR Microwave Studio расчет показал (см. рис 3), что выходная точка компрессии прп переходе от схемы рис. 1 к схеме рнс. 2 возрастает с +20 дЬм до дЬм.
Cibujhjm и-г.л 01РЗ. дБv
X
Скэозяая го но «cwrpccci»' OIP3. а£ v
д
7V
Ц^аД
Зы<ад 123 Дэи
\/
J-
i--¡¿- -О- -СБ- -О- -CD- -I- -CD- %- -О-
а v w
Рис. J -Результаты моделирования нелинейности третьего порядка гомолнкных приёмных трактов с одним (слеза) и двумя (справа) преобразованиями частоты .
Для номинальной выходной мощности тракта Р.ц^^а^ = 1 10 гЬм расчётный уровень продуктов ннтермодуля-цнн третьего порядка составит ЕМЗ = -40 дБ для тракта с одним смесителем (рис.1) и IM3 = -f 8 дБ для тракта с двумя смесителями (рнс. 1).
IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКиШМШлНИШ МпкстироЕаннс СВЧ тракта по схеме рис.2 и сравнение измеренных характеристик трактоз. построенных по схемам рнс.1 и рис.2, подтвердило сделанные расчеты нелинейности. На рис. 4 показаны спектры выходных сигналов отнх приёмных трактов, построенные встроегаплм трактом ЦОС РЛС для двухчастотпого входного сигнала с мощностью каждого тока - 24 дБм. Полная шкала АЦП. имеющего разрешение 16 двоичных разрядов, составляла +10 дБм. частотное разнесение тонов было выбрано равным 170 кГи. Тоновые СВЧ сигналы формировались двумя взаимно сштхрошпшрованпыми синтезаторами частоты Г7М 20Л (ЛО «НПФ :<Мнкрап»).
Рис. Л. Спектры выходного сигпала гомодиппых приёмных трактов РЛС пепрерывпого шлучепия 3 см диапазо
на с с>,|ним (ккгр.чу) и дкуми (ннк<у) н?)го(:рл «гканиими чаг.ины мри их исиьминии /исукгонилкным гш ни.ihm
мощностью - 24 дБм/тои. Коэффициенты л'енлешк приемшека 34 дБ.
Из рпс. 1 шздпо. что уровень продуктов шггермод/лящш сгшзился с -И! дБ у схемы рис.1 до - 58 дБ у схемы рис.2, что хорошо согласуется с результатами расчёта на оснсве результатов численного моделирования нелинейности. приведенными на рне. 3.
Для натурного сравнения эффективности схем. приведённых :за рис. 1, 2, испытывалнсь два выполпешллх по ним образна СВЧ тракта З-см диапазона. Для этой пели они устанавливались в серийную РЛС •<Реха>-. развернутую в черте г. Томска на высоком (50 м над водой) берегу р. Толп, рядом с корпусом РК ТУ СУР (адрес ул. Вершинина. 17). При измерениях :кпользооалось одинаковое технологическое программное обеспечение РЛС «Река». Сравнение полученных радиолокационных изображений двух РЛ сенсоров (Рис.5). имеющих в своём составе приемники с одним или двумя преобразованиями частоты, указывает на преимущество образца, имеющего приемник с двойным преобра зованием частоты (рис. 2).
Рис. 5 Сравнение РЛ изображений двух РЛ сенсоров З-см диапазона, нмеющнхпрнёмпые тракты одним (слева) и двумя (справа) преобразовздшямп частоты
Из левого рис.5 видно, что вроёмпнк с одшхм смесителем имеет секторную засветку в виде эеера лучей но за перегрузки приёмника отражениями от расположенных близко отражателей, что делает невозможным локашао во всем диапазоне дальностей определенных азимутальных положений антенной системы РЛС. Очевидно, что обычный (схема рис.1) имеет недостаточный для пракпгческого использования динамический диапазон. РЛ изображение с выхода тракта с двумя смесителями (рис.2), показанное на рнс.5 справа содержит больше деталей, а признаки перегрузки наблюдаются только при направлении антенны РЛС на элемента близко располо-жешюго (20-30 м) здания, обшитого сгалышм сандиигом. Поэтому такой тракт в настоящее время применяется в серийных РЛС и РЛ сенсорах производимых АО <ЛПФ <<Микран>».
V. КОНСТРУКЦИЯ ГОМОДИННЫХПРМЕМНЫХ ТРУТОВ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В'ккмгдгткри но гдгглс г дкуми и]х-<11Э|:>1 чокинихми Н|»1шы Пыли м»дг]1нк <И|К1К1НК1 грактм РЛС «Ргка» и охранных сенсоров миллиметровых диапазонов. На рне .6 показан внешний вед СВЧ трактов РЛС :<Река» X-днапазона и охранного РЛ сенсора Ка-днапазоза крутового оозора. разработанных и изготовленных АО «Н11Ф «Микрпн» к 2.016 и 2015 | Г
Рис Я ВИПИНИИ НИД 11[)ИГМО-11ГрГ.;|ИКЧ1!.ИХ фИКНЖ С" рИГ.ШИрГНИЫМ .'ЖНИМИЧГГКИ V дилижпжим
РЛС чРека-> З-см диапазона (слева) и РЛ с енсораКа - диапазона (справа).
Тракт СВЧ РЛС З-см диапазона представляет печатный узел на многослойной плате нз разнородных диэлектриков. помещаемый между двумя крышками, обеспечивающими электрогерметичность отдельных каскадов н тракта в целом. Тракт миллиметрового диапазона в дополнение к печатно:>гу узлу содержит модуль, выполненный по гибридной технологии.
Сейчас нами разрабатывается миллиметровая РЛС параллельного обзора верхней полусферы, предназначенная для беспонскового обнаружения беспилотных малоскоростных целей тгша «дрон» (квадрокоптеров) с ЭПР от 0,01 ъг. Многоканальный приёмный тракт этой системы, работающей в миллиметровом диапазоне длин волн, также будет построен по схеме с двумя преобразованиями частоты, первый смеситель будет выполнен на GaAs СВЧ МИС= а второй - на SiGe .
VI. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложена н реализована схема расширения динамического диапазона гомодинного приёмного тракта РЛС' непрерывного излучения СВЧ (с несущей частотой от 9 ГТц и выше), заключающаяся в переходе от тракта с одним к тракту с двумя преобразователями частоты, причём входной СВЧ смеситель выполнен по технологии GaAs, а выходной смеситель по технологии Si или SiGe Приведены расчётные и полученные характеристики нелинейности обычного и усовершенствованного приёмников, а также радиолокационные изображения, полученные с ними в составе РЛС З-см диапазона на одной позиции при мощности излучения 1 Вт. Полученное расширение динамического диапазона на 16—18 дБ позволяет рекомендовать предложенное техническое решение для применения в гомодинных приёмниках радиолокационных сенсоров и микроволновых радиовысотомеров с ЛЧМ сигналом, особенно миллиметровых диапазонов длин волн
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.577.21.01SS.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Radar handbook. 3rd ed ■ ed. by M. Skolnik McGrawHill. 2008. 1352.
2. Справочник по радиолокации. Том 3. Радиолокационные устройства и системы ; под ред. М. Сколннка. М : Сов. радио. 1979257 с.
3. Abid A. A. Duect-conversion radio transceivers for digital communications H EEEE J Solid-State Circuits. 1995. Vol. 30: no. 12. P. 1399-1410.
4. Namgoong W.. Meng Т. H. Direct-conversion ЕР receiver design // IEEE Trans. Conimuii. 2001. Vol. 49, no. 3. P. 518-529.
5. Ровкин M. E.. Акулиничев Ю. П., Хлусов В. А, Ковалев В. Н . Бутъко В. А.. Павлова Л. В.. Ваулнн. И. Н.. Пурнк Д. В.Совместное измерение вертикальных профилей индекса рефракции и множителя ослабления сигнала З-см диапазона над водной поверхностью //Доклады Томского государственного университета систем управления я радиоэлектроники. Томск : ТУСУР, 2005.№ 4 С. 61—67.
6. Шварц В. А. Усилители СВЧ на полевых транзисторах. М: Радио и свзгзь. 1987. 2Q0 с.
7. Разработка и организация высокотехнологичного производства твердотельных радаров миллиметрового диапазона с применением электронной компонентной базы собственной разработки и создание на этой основе комплексированных систем мониторинга выделенных пространственных зон / Описание проекта на сайте. URL: http: old.ttmir.m. m-scieuce'higli-tech proiects'proiect fi.'mdex.html
