Elektronika 2009-11.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych

Jak widać, sama instalacja antenowa jest bardzo prosta, ale
w radarze PCL system antenowy to nie tylko sam szyk antenowy.
W formowaniu charakterystyk kierunkowych uczestniczy cały
system odbiorczy i cyfrowego przetwarzania sygnału. Każdy element
antenowy jest połączony z oddzielnym odbiornikiem cyfrowym,
a kształtowanie charakterystyk dobywa się cyfrowo.
Sygnał z każdego elementu antenowego jest podłączony
kablem koncentrycznym do wzmacniacza selektywnego, a następnie
jest poddawany bezpośrednio przetwarzaniu na postać
cyfrową. Pasmo przenoszenia wzmacniacza powinno obejmować
częstotliwości wszystkich potencjalnych stacji nadawczych,
których sygnał będzie wykorzystywany. W przypadku
stacji radiowych FM będzie to pasmo 88...108 MHz. Do przetworzenia
na formę cyfrową można wykorzystać dostępne komercyjnie
gotowe tzw. moduły akwizycji danych, z szybkimi
przetwornikami analogowo-cyfrowymi. Przy paśmie odbieranego
sygnału 20 MHz (pasmo UKF: 88…108 MHz) wystarczająco
szybkie byłoby przetwarzanie z częstotliwością ok.
40 MHz, jednak wyższa częstotliwość przetwarzania sprzyja
jakości obróbki. W omawianym demonstratorze zastosowano
14-bitowe przetworniki A/C z częstotliwością próbkowania
250 MHz, co nie jest dziś wielkim wyzwaniem technicznym.
Moduł akwizycji danych w istocie realizuje funkcje
urządzenia określanego angielskim terminem Software Defined
Radio (SDR), co po polsku można nazwać programowym
odbiornikiem radiowym. Taki odbiornik jest połączony z komputerem
za pomocą typowego łącza, np. USB, którym w jedną
stronę przesyłany jest sygnał wyjściowy, a w drugą stronę
z komputera przekazywane są polecenia wymagane do nastrojenia
odbiornika na odpowiednią stację radiową FM, przy
czym wybór stacji następuje za pomocą cyfrowego filtru pasmowego.
Szerokość pasma przenoszenia tego filtru jest odpowiednia
do widma transmitowanego sygnału FM, czyli ok.
100 kHz. Takie ograniczenie pasma pozwala obniżyć częstotliwość
próbkowania w dalszej obróbce do ok. 200 kHz.
W tym miejscu zasadne jest pytanie, jak funkcjonuje system
akwizycji danych, kiedy radar PCL wykorzystuje kilka nadajników.
Możliwe są dwa rozwiązania. W pierwszym -
najbardziej komfortowym stosuje się odpowiednią liczbę równolegle
pracujących odbiorników - każdy nastrojony na inną
stację. W drugim - oszczędnościowym - jeden odbiornik jest
sekwencyjnie przestrajany na kolejną stację po zebraniu danych
z poprzedniej. Także dalsza obróbka może odbywać się
równolegle w kilku systemach komputerowych lub sekwencyjnie.
W tym drugim przypadku trzeba wyznaczyć i zapamiętać
elipsy odległości z każdej pary nadajnik-odbiornik,
a następnie skojarzyć je, aby wyznaczyć lokalizację celu.
Rzecz jasna moduł akwizycji danych nie musi realizować
pełnej funkcjonalności radia programowego. Ponieważ celem
nie jest odtworzenie nadawanego przez daną stację programu,
lecz tylko wykorzystanie pełnego widma rozsiewanego sygnału,
sygnał cyfrowy w paśmie częstotliwości nośnej jest poddawany
demodulacji kwadraturowej. Ten zabieg przetwarza sygnał pasmowy
na dwie składowe: synfazową i kwadraturową, oznaczane
odpowiedni symbolami I (In phase) oraz Q (Quadrature),
z których można odczytać pełną informację o amplitudzie i fazie
sygnału oryginalnego na podstawie ich wartości chwilowych
(próbek). Technika detekcji fazowej I/Q jest stosowana także
w tradycyjnych radarach i nie jest celowe jej wyjaśnianie.
Różnica jest tylko taka, że dotychczas zwykle była ona realizowana
układami analogowymi, a tutaj jest to realizowane cyfrowo.
Znajomość amplitudy i fazy sygnału jest potrzebna do
zasadniczego procesu korelacji, prowadzącego do wykrycia
echa, ale najpierw jest ona wykorzystywana do formowania charakterystyk
anteny.
Elektroniczne formowanie charakterystyk
anteny
Idea elektronicznego formowania wiązek charakterystyki
anteny jest znana i stosowana w radiolokacji od kilku dziesięcioleci.
Cyfrowe formowanie wiązek jest szczególną realizacją
tej idei - również dobrze znaną w radarach, choć nie od tak
dawna. Pomimo, że nie jest to najbardziej wyróżniająca właściwość
radaru PCL, cyfrowe formowanie wiązek może być na
tyle nowe dla Czytelnika, że warto poświęcić mu trochę
miejsca. W omawianym radarze PCL antena jest kołowym
szykiem elementów, a nie płaskim jak w większości radarów,
ale dobrze jest zacząć od anteny fazowanej w postaci szyku
płaskiego jak na rys. 12a.
Elementy anteny odbierają falę płaską padającą pod
określonym kierunkiem Θ względem kierunku prostopadłego
do linii szyku. Sygnały z poszczególnych elementów są wprowadzone
do sumatora poprzez sterowane przesuwniki fazy.
Gdy fala pada pod kątem prostym (Θ = 0), dociera do
wszystkich elementów jednocześnie. Jeśli wszystkie przesuwniki
fazy są ustawione na zero, tzn. sygnały są sumowane
bezpośrednio - tak jak przychodzą - nastąpi koherentna kumulacja
sygnału wyjściowego. Stopień tej kumulacji, czyli zysk
kierunkowy anteny zależy od liczby elementów w szyku, a ponieważ
wymagana jest określona odległość między elementami
(zbliżona do połowy długości fali), zysk anteny rośnie ze
wzrostem rozpiętości anteny.
Jeśli fala pada pod katem innym niż prostopadle, dociera
do poszczególnych elementów niejednocześnie - najpierw do
elementu N, potem sąsiedniego, a na końcu do elementu
pierwszego. Różnica czasu pobudzenia kolejnych elementów
przekłada się na różnicę fazy sygnałów pobudzających. Bezpośrednie
zsumowanie tych sygnałów (z zerowymi ustawieniami
przesuwników fazy) nie prowadzi wtedy do kumulacji
sygnału na wyjściu. Aby taka kumulacja nastąpiła, należy
wprowadzić dla kolejnych sygnałów przesunięcia fazy kompensujące
przesunięcie fazy sygnałów pobudzających.
a)
b)
Rys. 12. Zasada działania anteny fazowanej: a) szyk liniowy,
b) fragment szyku kołowego
Fig. 12. Principle of operation of a phased array antenna: a) linear
array, b) circular array
ELEKTRONIKA 11/2009 107