Odbiorniki radiolokacyjne

Odbiorniki radiolokacyjne służą do wydzielania spośród zakłóceń, wzmocnienia i przekształcenia bardzo słabych sygnałów echa docierających do anteny radaru w stopniu pozwalającym na zobrazowanie ich na wskaźniku radarowym. Odbiorniki radarowe zasadniczo nie różnią się, jeśli chodzi o zasadę działania, od odbiorników radiofonicznych i telewizyjnych, muszą jednak spełnić wiele wymagań związanych ze specyfiką ich pracy. Do charakterystycznych cech tych urządzeń należy zaliczyć:

odbiornik z przemianą częstotliwości

Tak jak w zastosowaniach komercyjnych (radiofonia, telewizja, telekomunikacja), również w radiolokacji powszechnie stosowane są odbiorniki z przemianą częstotliwości, zwane również odbiornikami superheterodynowymi. Podstawowe ich zalety to duża czułość i selektywność, łatwość przestrajania w szerokim zakresie częstotliwości oraz stabilność pracy. Schemat najprostszego odbiornika z pojedynczą przemianą częstotliwości przedstawia rysunek.

Tor odbiorczy radaru narażony jest na działanie różnego rodzaju zakłóceń. Wprawdzie układy przeciwzakłóceniowe stanowią oddzielne funkcjonalnie bloki, jednak w odbiorniku mogą być umieszczone pewne układy współpracujące z układami przeciwzakłóceniowymi. Do nich należą detektor fazy niezbędny dla pracy układu Tłumienia Ech Stałych (TES, ang. MTI – Moving Target Indication), układy Stabilizacji Poziomu Fałszywego Alarmu (CFAR – Constant False Alarm Rate), układ Zasięgowej Regulacji Wzmocnienia, itp.

Większość współczesnych radarów, szczególnie wojskowych, posiada zdolność przestrajania częstotliwości nośnej. Będąc narażonymi na działanie zakłóceń aktywnych stosowanych przez nieprzyjaciela, szybko zmieniają częstotliwość pracy, przełączając się na tzw. częstotliwości zapasowe. Przestrojeniu nadajnika towarzyszy oczywiście przestrojenie odbiornika, który cały czas „śledzi” częstotliwość nadajnika i dostraja się do jej zmian. Wynika z tego, że odbiornik radarowy z reguły musi być wyposażony w układy przestrajania i Automatycznej Regulacji Częstotliwości (ARW). Wszystkie te układy niejednokrotnie bardzo komplikują konstrukcję odbiorników radarowych. W nowszych typach radarów wykorzystuje się sygnały pobierane z bloków wzbudzenia nadajników w charakterze sygnałów heterodyn odbiorników, co upraszcza ich konstrukcję i umożliwia ich szybkie i dokładne, współbieżne przestrajanie.

Właściwości szumowe odbiornika

W elektronice pod pojęciem szumów rozumie się napięcia o przypadkowej amplitudzie i przypadkowej częstotliwości. Szumy są obecne na wyjściu każdego odbiornika i odbiornik radiolokacyjny nie jest tu wyjątkiem. W zakresach częstotliwości, w jakich pracują radary, szumy są generowane przede wszystkim wewnątrz samego odbiornika. Źródłem tych szumów są przede wszystkim jego stopnie wejściowe. Nie oznacza to, że są one bardziej szumiące od pozostałych, lecz szumy w nich wytwarzane są wzmacniane, podobnie jak bardzo słabe sygnały echa, przez wszystkie następujące po nich stopnie wzmacniające odbiornika, osiągając na jego wyjściu znaczne wartości. Jeżeli szumy generowane na początku odbiornika będą miały wartości współmierne z wartościami odbieranych sygnałów echa, to na wyjściu odbiornika sygnały te mogą być całkowicie „zamaskowane” szumami. Szumy generowane wewnątrz odbiornika, czyli tzw. szumy własne, stanowią decydujący czynnik ograniczający jego czułość.

Źródłem szumów własnych są przede wszystkim szumy termiczne elementów przewodzących prąd, tworzących układy elektryczne. Szumy te wynikają z atomowej budowy materii i ziarnistej struktury prądu. Powstają one wskutek cieplnego ruchu cząstek materii w każdym przewodniku, najczęściej swobodnych elektronów. Znajdując się w ciągłym ruchu, elektrony zderzają się nawzajem, wskutek czego prędkości i kierunki ich ruchu ulegają ciągłym zmianom i mają charakter losowy. Ten chaotyczny ruch elektronów jest równoważny prądom elektrycznym o przypadkowo zmiennych kierunkach i natężeniach, pozbawionych jakiejkolwiek regularności. Prądy te wywołują na zaciskach przewodników napięcia, nazywane napięciami szumów. Są one widoczne na wskaźnikach radarowych oraz na ekranach odbiorników telewizyjnych w postaci drobnych, jasnych, gęsto rozmieszczonych punktów, a w głośnikach odbiorników radiowych słyszalne są jako szum – stąd ich nazwa.

Od wczesnych lat istnienia radia opisywano właściwości szumowe odbiorników radiowych w sposób ilościowy za pomocą parametru zwanego współczynnikiem szumów, w języku angielskim zwanym „noise figure”, stąd powszechnie stosowanym w krajach anglosaskich symbolem jest Fn. W polskiej literaturze współczynniki szumów oznacza się literą F, co czasami może mylić się z oznaczeniem częstotliwości. Współczynnik szumów odbiornika, jest to stosunek szumu na wyjściu odbiornika do szumu na wyjściu hipotetycznego, idealnego odbiornika o takim samym wzmocnieniu, jak rozpatrywany odbiornik. Ten ostatni warunek oznacza, że Fn nie zależy od wzmocnienia odbiornika.

Idealny odbiornik oczywiście, nie generuje szumów własnych. Jeżeli na jego wyjściu występują szumy, to ich jedynym źródłem jest szum z zewnętrznego źródła, docierający do jego wejścia. Szum ten ma równomierne widmo częstotliwości tak jak widmo szumów termicznych w elemencie przewodzącym. Dlatego, dla określenia wartości Fn standardowym reprezentantem źródła szumów zewnętrznych, zarówno dla rozpatrywanego odbiornika, jak i dla jego idealnego odpowiednika, jest rezystor dołączony do wejścia każdego z nich.

Szum termiczny rezystora jest wprost proporcjonalny do jego temperatury, a jego widmo jest równomierne w bardzo szerokim zakresie częstotliwości. Wartość napięcia szumów na wyjściu idealnego odbiornika, jest wprost proporcjonalna do absolutnej temperatury rezystora dołączonego do jego wejścia oraz do szerokości pasma częstotliwości przenoszonych przez odbiornik. Wynika stąd, że średnia moc szumów, na jednostkę współczynnika wzmocnienia odbiornika, na wyjściu odbiornika idealnego wynosi

równanie 61

gdzie Pszid – średnia moc szumów odbiornika idealnego, k – stała Boltzmanna, równa 1,38 • 10-23 J/°K, T – temperatura bezwzględna rezystora, w °K, B – szerokość pasma częstotliwości przenoszonych przez odbiornik.

Ponieważ szum zewnętrzny ma taką samą wartość dla badanego odbiornika i dla odbiornika idealnego, to zakładając jednakową temperaturę dla obu przypadków, wartość tej temperatury nie ma większego znaczenia. Z reguły przyjmuje się temperaturę 290°K, która odpowiada temperaturze pokojowej i przy której wartości iloczynu kT0 = 4 • 10-21 J.

Jeżeli szum własny odbiornika jest znacznie większy od szumu zewnętrznego, (co ma miejsce w większości współczesnych radarów), to iloczyn Fn i powyższego wyrażenia jest średnią mocą szumów Psz rzeczywistego odbiornika, na tle których jest wykrywany sygnał echa.

równanie 62

Należy pamiętać, że powyższe wyrażenie zawiera w sobie zarówno szumy zewnętrzne, jak i szumy własne odbiornika.

W literaturze przedmiotu można spotkać się jeszcze z inną definicją współczynnika szumów: jest to liczba charakteryzująca, ile razy stosunek mocy sygnału Pswe do mocy szumu Pszwe na wejściu odbiornika jest większy od stosunku mocy sygnału Pswy do mocy szumu Pszwy na jego wyjściu.

równanie 63

Oba wyrażenia są sobie równoważne, przy czym z ostatniego równania jasno wynika, że współczynnik szumów idealnego odbiornika wynosi 1, a współczynnik szumów rzeczywistego odbiornika jest zawsze większy od jedności. Odbiornik jest tym lepszy, im bliższa jedności jest wartość Fn.

W praktyce współczynnik szumów wyraża się również w skali logarytmicznej. Wartość Fn wyrażona w decybelach równa się

równanie 64

Gdy odbiornik składa się z szeregu stopni nawzajem dopasowanych i o jednakowych pasmach przenoszonych częstotliwości (pasma przepuszczania) oraz dane są współczynniki szumów poszczególnych stopni F1, F2, F3, ... Fi i współczynniki wzmocnienia mocy Kp1, Kp2, Kp3, ... Kpi, to wypadkowy współczynnik szumów całego odbiornika wyraża się wzorem

równanie 65

Z równania tego wynika, że decydujący wpływ na wartość współczynnika szumów całego odbiornika ma pierwszy stopień wzmacniający, a zatem jego konstrukcja powinna być szczególnie staranna, ażeby miał on jak najmniejszy współczynnik szumów. W roli wstępnego wzmacniacza ultra wielkiej częstotliwości stosowano lampy z falą bieżącą, w niektórych rozwiązaniach wzmacniacze parametryczne budowane na bazie diody pojemnościowej (warikap), obecnie stosuje się tranzystory wielkiej częstotliwości o niskim poziomie szumów własnych. Aktualnie stosowane tranzystory niskoszumne pozwalają uzyskać współczynniki szumów od ułamków dB w niższych pasmach mikrofalowych (ok. 1 GHz) do 2 ÷ 3 dB w paśmie 3 GHz i 4 ÷ 5 dB w paśmie 10 GHz.

Charakterystyka amplitudowo – częstotliwościowa odbiornika

Miarą wzmocnienia odbiornika są jego współczynniki wzmocnienia napięcia i mocy, które definiuje się następująco: Współczynnik wzmocnienia napięcia Ku odbiornika jest to stosunek wartości napięcia sygnału Uswy na wyjściu odbiornika, do wartości napięcia tego sygnału Uswe na jego wejściu.

równanie 66

Podobnie, współczynnik wzmocnienia mocy Kp odbiornika jest stosunkiem wartości mocy sygnału Pswy na wyjściu odbiornika do wartości mocy sygnału Pswe na jego wejściu.

równanie 67

Ponieważ każdy odbiornik ma właściwości selektywne, tzn. działa jak filtr przepuszczający sygnały określonych częstotliwościach, a tłumiący te o innych częstotliwościach, dobrze jest wiedzieć jak zmieniają się właściwości wzmacniające odbiornika przy zmianach częstotliwości odbieranego sygnału.

charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowe

Wykres obrazujący zmiany współczynnika wzmocnienia w funkcji częstotliwości sygnału nazywany jest charakterystyką amplitudowo – częstotliwościową odbiornika. Rysunek przedstawia przykładowe charakterystyki amplitudowo – częstotliwościowe dla wzmocnienia napięciowego i wzmocnienia mocy. Charakterystyki te przedstawiają przebieg wzmocnienia względnego, tj. w odniesieniu do wzmocnienia maksymalnego, czyli odpowiednio Ku/Kumax oraz Kp/Kpmax. Z przebiegu charakterystyk widać, że dla częstotliwości f0 wzmocnienie jest maksymalne, natomiast w miarę oddalania się od tej częstotliwości wzmocnienie maleje.

Nie wszystkie charakterystyki zachowują się w pokazany sposób. W zależności od konkretnego zastosowania odbiornika, kształtuje się jego charakterystykę tak, że może on mieć np. dwa lub więcej wierzchołków. Istotne jest natomiast, że w pewnym zakresie częstotliwości wzmocnienie jest maksymalne lub bliskie maksymalnemu, natomiast na krańcach tego pasma maleje. Wiąże się z tym następny istotny parametr odbiornika, zwany szerokością pasma przenoszonych częstotliwości, szerokością pasma przepuszczania lub w skrócie pasmem odbiornika.

Szerokość pasmo przepuszczania odbiornika to zakres częstotliwości, na krańcach którego współczynnik wzmocnienia napięciowego maleje do wartości 0,707 maksymalnej wartości tego współczynnika. Odpowiadający mu spadek współczynnika wzmocnienia mocy wynosi 0,5. Na rysunku pasmo to oznaczono literą B (ang. Band – pasmo). W praktyce często wzmocnienie odbiornika wyrażane jest w mierze logarytmicznej, czyli w decybelach (dB). Dla wyrażenia wzmocnienia w dB korzysta się zależności

równanie 68
równanie 69

W tym przypadku spadki wzmocnienia napięcia i mocy wynoszą 3 dB.

optymalne pasmo przepuszczania

Im szersze jest pasmo odbiornika radiolokacyjnego, tym więcej składowych widma sygnału echa będzie przepuszczanych i kształt impulsów na jego wyjściu będzie bardziej zbliżony do impulsów prostokątnych. Jednak, jak wynika z równania [62], wraz ze wzrostem szerokości pasma przepuszczania, będzie proporcjonalnie wzrastać moc szumów na wyjściu odbiornika. Z drugiej strony, gdy będzie się nadmiernie zmniejszać szerokość pasma przepuszczania, to chociaż moc szumów również będzie się zmniejszać, jeszcze bardziej będzie ulegać zmniejszeniu moc sygnału echa, ponieważ tylko część składowych widma odbieranych impulsów przedostanie się do wyjścia odbiornika. Stąd wynika, że istnieje pewna optymalna szerokość pasma B, dla której stosunek sygnału echa do szumów ma maksymalną wartość. Poszukiwanie optymalnego kształtu charakterystyki amplitudowo – częstotliwościowej (również fazowo – częstotliwościowej) i szerokości tej charakterystyki dla sygnałów echa jest w radiolokacji przedmiotem prac badawczych, a wynikiem tych badań są tzw. filtry dopasowane.