Odbiorniki radarowe

 

 

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:

pracę w zakresie bardzo wysokich częstotliwości; 

bardzo dużą czułość, tj. zdolność do odbierania sygnałów o ekstremalnie małej 
mocy, rzędu  10

-12

÷ 10

-14

W; 

bardzo duże wzmocnienie mocy, rzędu 10

12

÷ 10

14

razy; 

szerokie  pasmo  przenoszonych  częstotliwości  (pasmo  przepuszczania), 
wynoszące od kilkuset kHz do kilkudziesięciu MHz i zależne od szerokości widma 
impulsowego sygnału echa; 

odporność na zakłócenia. 

Charakterystyczne cechy odbiorników radarowych 

 

 

Odbiornik z przemianą częstotliwości 

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. 

 

 

Układy przestrajania i automatycznej regulacji częstotliwości 

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).  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 

Pod  pojęciem  szumów  rozumie  się  napięcia  o  przypadkowej  amplitudzie  i 
przypadkowej  częstotliwości.  Szumy  są  obecne  na  wyjściu  każdego  odbiornika.  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. 
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

 

 

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 

Właściwości szumowe odbiornika 

 

 

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. 

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

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.

 

 

Charakterystyka amplitudowo – częstotliwościowa 
odbiornika

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.

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. 

 

 

Charakterystyka amplitudowo – częstotliwościowa 
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

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. 

 

 

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. 

Charakterystyka amplitudowo – częstotliwościowa 
odbiornika