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