3.4.2 Принципы построения систем формирования зондирующих сигналов с линейной частотной модуляцией

Формирование ЛЧМ импульсов возможно активным и пассивным методами.

Активный метод формирования ЛЧМ сигнала.

Наибольшее распространение нашел активный способ формирования ЛЧМ сигнала – электронный способ, основанный на применении автогенератора с электронной перестройкой частоты. Упрощенная схема возбудителя, реализующего такой способ, приведена на рис.3.20.

Рис.3.20. Упрощенная схема возбудителя, реализующего активный метод формирования ЛЧМ сигнала.

Наибольшее распространение нашел активный способ формирования ЛЧМ сигнала – электронный способ, основанный на применении автогенератора с электронной перестройкой частоты. В качестве перестраиваемого генератора используется генератор СВЧ с электронной перестройкой частоты, например, клистронный и т.д. На генератор одновременно воздействуют два импульсных напряжения: одно – с импульсного модулятора, обеспечивающего формирование требуемой длительности зондирующего сигнала; другое – с генератора пилообразного напряжения (ГПН), осуществляющего частотную модуляцию в течение импульса. Для обеспечения необходимой стабильности частоты в схеме обычно используется система АПЧ средней частоты ЛЧМ сигнала и система автоматической подстройки закона модуляции.

Принцип работы системы АПЧ закона ЛЧМ основан на сравнении закона модуляции выходного сигнала задающего генератора с эталонным. В случае несоответствия вырабатывается сигнал ошибки, который подаётся на генератор пилообразного напряжения. При этом изменяется амплитуда пилообразного напряжения, а значит, и закон изменения частоты задающего генератора – в сторону уменьшения ошибки.

Достоинством рассмотренного способа формирования ЛЧМ сигнала является следующее. Он позволяет осуществить частотную модуляцию на сравнительно большом уровне мощности и непосредственно на несущей частоте.

Рассмотренное устройство позволяет получить весьма большую девиацию частоты f = (0,3-0,4)·f_о.

К недостаткам способа следует отнести сравнительно невысокую стабильность параметров формируемого сигнала и технические сложности, связянные с обеспечением линейности закона изменения частоты. Поэтому данный метод формирования ЛЧМ сигнала применяется только при наличии системы АПЧ.

Пассивный метод формирования ЛЧМ сигнала.

В состав устройства формирования ЛЧМ сигнала должен входить линейный фильтр, который из -функции формировал бы сигнал в окрестности частоты f_о в полосе частот П = f.

Далее необходимо устройство, которое расставило бы частотные составляющие сигнала во времени так, чтобы закон изменения частоты во времени был бы линейным и отвечал требуемому (линейно-нарастающий или линейно-убывающий).

Таким устройством на практике является дисперсионная линия задержки (ДЛЗ). Под дисперсией в данном случае понимается явление, состоящее в зависимости времени запаздывания частотных составляющих сигнала от частоты. ДЛЗ является центральным элементом возбудителя ЛЧМ сигнала (рис.3.21,а).

ДЛЗ делятся на две группы: с естественной и исскуственной дисперсией.

Среди устройств с исскуственной дисперсией, используемых в качестве ДЛЗ, широко применяются пъезоэлектрические многоотводные линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ). В качестве звукопровода таких линий используются естественные или синтетические пъезокристаллические материалы: кварц, ниобат лития и т.д.

На поверхность кристалла методами фотолитографии наносят металлические электроды (рис.3.21,б).

Требуемая расстановка частотных составляющих формируемого ЛЧМ сигнала обеспечивается путем расстановки электродов на интервалах d_i, пропорциональным переменному периоду Т_i/2 ЛЧМ сигнала (рис.3.21,б).

Каждая соседняя пара однополярных электродов образует резонансную систему, настроенную на определенную длину волны _i ультразвуковых колебаний.

Рис.3.21. Пассивный метод формирования ЛЧМ сигнала.

Например, на рис.3.21б первая пара электродов настроена на длину волны ₂, соответствующую начальной частоте f_min формируемого колебания, а последняя пара – на длину волны ₁, соответствующую конечной частоте f_max этих колебаний. Разность задержки колебаний между крайними парами электродов равна требуемой длительности _и формируемого ЛЧМ сигнала.

Многоотводные линии задержки рассматриваемого типа позволяют реализовать формирователи ЛЧМ сигналов, рассчитанные на импульсы длительностью от единиц до сотен микросекунд, с девиациями частот от единиц до сотен мегагерц и коэффициентом широкополосности от десятков до тысяч единиц.

Следует заметить, что эквидистантное расположение электродов в линии задержки на ПАВ может обеспечить формирование ФКМ сигнала. Для этого электроды должны устанавливаться в строгом соответствии с законом изменения фазы требуемой последовательности ФКМ сигнала.

Дисперсионные линии задержки с естественной дисперсией волноводного типа представляют собой металлические полоски (ленты), толщина которых соизмерима с длиной акустической волны в системе (рис.3.22,а).

Входной и выходной пьезоэлементы обеспечивают возбуждение и съем акустических волн. Для снижения уровня паразитных отражении боковые торцы такого акустического волновода покрывают специальным поглотителем.

Примерный вид зависимости времени запаздывания группы близко расположенных частот от частоты f_гр(t) (дисперсионной характеристики) для ДЛЗ с естественной дисперсией представлен на рис.3.22,б. Для формирования ЛЧМ сигнала, очевидно, используется линейный участок дисперсионной характеристики.

ДЛЗ с естественной дисперсией волноводного типа в принципе проще многоотводных линий на ПАВ, но при реализуемых значениях толщины металлических полос h сравнительно узкополосны, их параметры в эксплуатации поддерживаются менее жестко, чем параметры многоотводных линий (требуется термостатирование и т.д.).

Рис.3.22. Дисперсионная линия задержки с естественной дисперсией волноводного типа.

ДЛЗ с естественной дисперсией обеспечивают формирование ЛЧМ сигнала от десятков до тысяч микросекунд, с рабочей частотой до сотен МГЦ и девиацией до (0,5-0,8)f_о при базе сигнала n = 300-900.

На рис.3.23 показан вариант структурной схемы применения пассивного метода формирования ЛЧМ сигнала. При формировании ЛЧМ сигнала используют возбуждение дисперсионной линии задержки (ДЛЗ) коротким радиоимпульсом, вырабатываемым генератором импульсов на частоте f_о. Выходной ЛЧМ сигнал ДЛЗ преобразуется в смесителе на высокую частоту и через полосовой фильтр поступает на усилитель мощности.

Рис.3.23. Структурная схема применения пассивного метода формирования ЛЧМ сигнала.

Достоинствами пассивного метода являются высокая стабильность параметров формируемого сигнала, хорошее согласование его характеристик с аналогичным по параметрам оптимальным фильтром. К недостаткам данного метода относится относительно невысокий коэффициент сжатия такого сигнала в оптимальном фильтре (К_сж < 300...400).

В заключении заметим, что сигнал возбуждения (-функция), подаваемый на вход рассмотренного выше формирователя, на практике должен отвечать следующим требованиям. Во-первых, он должен обладать АЧС, перекрывающим ширину спектра формируемого сигнала. Во-вторых, АЧС сигнала возбуждения должен быть по возможности равномерным в заданной полосе частот. И, наконец, энергия сигнала возбуждения должна быть достаточной для нормальной работы устройства формирования широкополосного сигнала.

Цифровые способы формирования широкополосных сигналов. Широкое применение электронной вычислительной техники в современных РЛС привело к возможности и необходимости формирования зондирующих сигналов цифровыми методами.

Рассмотрим в качестве примера структурную схему устройства формирования ЛЧМ сигнала цифровым методом (рис.3.24,а).

На устройство управления от ЭВМ поступает код управления. Устройство управления задает параметры формируемого ЛЧМ сигнала (_и, f), закон изменения частоты, начальную фазу. Вычислитель кодов в момент прихода команд от устройства управления и тактовых импульсов от устройства синхронизации вычисляет числовые коды. В последних содержится информация о мгновенных значениях напряжения формируемого сигнала в фиксированные моменты времени, отстоящие на t. Преобразователь кодов с цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) обеспечивают преобразование числовых кодов в ступенчатое напряжение, дискретно аппроксимирующее формируемый ЛЧМ сигнал (рис.3.24,б). Ступенчатый сигнал, воздействуя на полосовой фильтр, вызывает на выходе последнего отклик в виде аналогового ЛЧМ сигнала с заданными параметрами.

а) б)

Рис.3.24. Структурная схема устройства формирования ЛЧМ сигнала цифровым методом.

Достоинства цифрового метода формирования ЛЧМ сигнала состоят в следующем. Ограничение по максимальной длительности формируемого ЛЧМ сигнала практически отсутствует; существует возможность гибкого изменения параметров ЛЧМ сигнала в широких пределах по командам от ЭВМ; обеспечивается достаточно высокая стабильность частоты и параметров частотной модуляции.

К недостаткам цифровых способов формирования следует отнести имеющиеся ограничения по максимальной величине девиации частоты и несущей частоте, трудности реализации способа при малой длительности формируемых сигналов.

Области применения цифровых формирователей ЛЧМ сигналов примерно такие же, как и пассивных способов формирования.

Следует заметить, что описанный цифровой способ формирования ЛЧМ сигнала может быть положен в основу построения цифрового формирователя фазо-модулированного сигнала.