Введение к работе
Актуальность темы.
Многочастотные доплеровские радиолокаторы представляют собой многофункциональные радиолокационные станции (РЛС) миллиметрового диапазона для определения параметров движения цели (скорость, дальность, пеленг). Основными достоинствами системы являются: малая погрешность измерения параметров движения цели, малые габариты, малая мощность излучения, малое потребление тока, возможность обнаружения исключительно движущихся объектов. Тактико-технические характеристики (ТТХ) многочастотных доплеровских радиолокаторов зависят от самых разных факторов, в том числе от технических характеристик источников несущих колебаний - гетеродинов, применяемых в приемо-передающих модулях (ППМ) и предназначенных для преобразования частот сигнала в супергетеродинном радиоприёмнике.
В настоящее время в ППМ отечественных РЛС применяются гетеродины, конструктивно разработанные в 70-80 годах. Гетеродины имеют существенные недостатки: малый диапазон перестройки выходных частот (как следствие, большая номенклатура устройств в системе), высокая стоимость, большие габариты, что неприемлемо для использования в современной технике.
В современных РЛС в качестве гетеродинов в супергетеродинных радиоприёмниках используются цифровые синтезаторы частот (СЧ), имеющие ряд преимуществ: широкий диапазон перестройки выходных частот, возможность установки любой частоты с точностью до долей Герц, низкая себестоимость, малые массогабаритные показатели, малая потребляемая мощность, возможность подстройки выходной частоты цифровыми методами, простая процедура настройки в производстве.
Основные требования, предъявляемые к синтезаторам частот доплеровских радиолокаторов: простота реализации, малые габариты, малая
потребляемая мощность, низкий уровень побочных спектральных составляющих (менее минус 90 дБн).
С учетом вышесказанного, возникает необходимость создания малогабаритного синтезатора частот для многочастотного доплеровского радиолокатора, обеспечивающего повышенную спектральную чистоту выходного колебания.
До недавнего времени для создания малогабаритных СЧ наиболее широко использовались цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС), основным преимуществом которых является возможность точного изменения выходной частоты и фазы по команде с ЭВМ или цифрового процессора. Однако ЦВС присущи существенные недостатки, такие как сравнительно невысокая частота выходного сигнала (до нескольких сотен МГц) и неприемлемый уровень побочных спектральных составляющих (ПСС). Кроме того, ЦВС обладают высоким энергопотреблением и требуют использования дополнительного тракта формирования сигнала тактовой частоты, значение которой как минимум в три раза превосходит максимальную синтезируемую частоту. Для уменьшения уровня ПСС используются сложные многокольцевые гибридные схемы.
Присущие ЦВС принципиально неустранимые недостатки обусловливают актуальность применения в ППМ синтезаторов частот, построенных на основе методов косвенного синтеза, использующих систему импульсной фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) и имеющих более простую реализацию.
Одной из проблем создания синтезаторов частот на основе системы ИФАПЧ является ухудшение фазовых шумов (ФШ) синтезируемого колебания при уменьшении шага сетки выходных частот. Однако, использование в СЧ на основе системы ИФАПЧ цифровых дробных делителей частоты с переменным коэффициентом деления (ДДПКД), управляемых дельта-сигма модулятором (ДСМ), позволяет получить выходное колебание с высокой спектральной чистотой и предельно малой дискретностью перестройки по частоте (с шагом сетки частот до единиц и долей Гц) при высокой частоте дискретизации (до
десятков МГц). Такой подход дает возможность существенно упростить техническую реализацию синтезаторов частот за счет использования серийных дешевых интегральных микросхем (ИМС) с малыми габаритами и энергопотреблением. С появлением первых подобных ИМС с ДСМ появилась возможность достичь в таких СЧ тех же показателей по точности и спектральной чистоте, как и в использующихся до сих пор весьма сложных гибридных структурах синтезаторов частот, сочетающих в себе методы прямого, косвенного и цифрового синтеза.
Актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью разработки синтезатора частот для многочастотного доплеровского радиолокатора, отличающегося широким диапазоном перестройки выходных частот и высокой спектральной чистотой выходного колебания при сравнительно простой реализации.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка малогабаритного синтезатора частот для многочастотного доплеровского радиолокатора, обеспечивающего повышенную спектральную чистоту выходного колебания.
Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:
Анализ методов определения параметров движения цели в многочастотном доплеровском радиолокаторе с точки зрения влияния фазовых шумов синтезатора частот на качественные показатели системы.
Определение параметров синтезатора частот, исходя из требуемых характеристик многочастотного доплеровского радиолокатора.
Имитационное моделирование процесса формирования, передачи, распространения и приема сигнала в многочастотном доплеровском радиолокаторе с целью определения уточненных требований к синтезатору частот.
Формулирование требований к синтезатору частот на основе результатов имитационного моделирования с учетом технических параметров многочастотного доплеровского радиолокатора.
Сравнительный анализ методов синтеза частот с целью выявления пригодного для достижения цели диссертационной работы.
Математическое описание и имитационное моделирование системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ.
Создание опытного образца синтезатора частот и проведение его испытаний в составе штатного оборудования многочастотного доплеровского радиолокатора, анализ и оценка результатов.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы теории непрерывных и импульсных систем автоматического регулирования, методы математического анализа радиотехнических цепей, методы имитационного моделирования, методы экспериментальных исследований.
Научная новизна диссертационной работы состоит в обосновании возможности создания малогабаритного синтезатора частот с высокими спектральными характеристиками для многочастотного доплеровского радиолокатора на основе системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ. В частности:
Разработана компьютерная имитационная модель многочастотного доплеровского радиолокатора, позволяющая определять требования к допустимому уровню фазовых шумов гетеродина радиоприёмника.
Предложен новый метод уменьшения уровня побочных спектральных составляющих в системе импульсной фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) с дробным делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДДПКД), управляемым дельта-сигма модулятором (ДСМ), с применением двух генераторов опорных частот (Г04).
3. Разработан образец синтезатор частот на основе системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ, с применением двух генераторов опорных частот, и проведены его испытания.
Практическая значимость
На основе сравнительного анализа существующих методов синтеза частот и методов улучшения характеристик синтезаторов частот разработана структура синтезатора, позволяющая выполнить требования, предъявляемые к гетеродину радиоприёмника многочастотного доплеровского радиолокатора.
Создан опытный образец синтезатора частот на основе системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ, и проведены его испытания в составе штатного оборудования многочастотного доплеровского радиолокатора.
Основные результаты диссертационной работы внедрены в изделия организации ОАО «НПО «ЛЭМЗ» (акт внедрения от 23.12.2011 г.).
Часть результатов диссертационной работы отражена в монографии автора и внедрена в учебный процесс в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (акт внедрения от 14.12.2011 г.).
Апробация результатов работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «НАУЧНАЯ СЕССИЯ ТУСУР-2011» (выдан диплом первой степени за лучший доклад на секции) и Второй научно-технической конференции молодых ученых и специалистов по тематике «Инновационные подходы при создании военной техники», проводимой ОАО «ГСКБ «Алмаз-Антей» в 2011 году (выдан диплом участника).
Основное содержание диссертационной работы изложено в 8 публикациях, написанных без участия соавторов. Из них две опубликованы в журнале «Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники», включенном в перечень ведущих научных журналов и изданий РФ, рекомендованных ВАК. По результатам исследований издана монография, которая внедрена в учебный процесс в Томском государственном
университете систем управления и радиоэлектроники (акт внедрения от 14.12.2011 г.). Результаты исследований, изложенных в диссертации, были получены при проведении плановых научно-исследовательских работ в организации ОАО «НПО «ЛЭМЗ», в результате которых написан отчет о научно-исследовательской работе по разработке перспективного синтезатора частот. Результаты НИР внедрены в изделия ОАО «НПО «ЛЭМЗ» (акт внедрения от 23.12.2011 г.). Имеется положительное решение от 22.02.2012 г. по заявке № 2011124063/08(035521) о выдаче патента РФ на изобретение.
Личный вклад автора. Личный вклад автора в получении результатов, изложенных в диссертации, состоит в том, что все результаты получены лично автором. Статьи по теме диссертации написаны без участия соавторов.
Основные положения, выносимые на защиту
Построенная имитационная модель многочастотного доплеровского радиолокатора, включающая в себя гетеродин с возможностью задания спектральной плотности мощности фазовых шумов выходного колебания, приемо-передающий модуль, многолучевый радиоканал и анализатор спектра, позволяет, при измерении отношения сигнал-шум на выходе приемника, определить требования к спектральной плотности мощности фазовых шумов выходного колебания гетеродина.
Использование синтезатора частот на основе интегральной схемы импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ), имеющей дробный делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДДПКД), управляемый дельта-сигма-модулятором (ДСМ), в приемнике многочастотного доплеровского радиолокатора позволяет расширить диапазон выходных частот гетеродина с 25 МГц до 150 МГц, уменьшить потребляемую гетеродином мощность с 14,4 Вт до 7 Вт и уменьшить его габариты на 20%.
Использование двух генераторов опорных частот, электронных переключателей и микроконтроллера в синтезаторе частот на основе ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ, позволяет на 30-40 дБ уменьшить уровень побочных спектральных составляющих в выходном сигнале, появляющихся из-
за паразитной связи между синтезируемым сигналом и входом частотно-фазового детектора со стороны генератора опорных частот.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, одиннадцати приложений, списка литературы из 135 наименований, изложена на 178 страницах машинописного текста, иллюстрированного 92 рисунками и 8 таблицами.
