Il ricevitore radar

Il segnale trasmesso da un radar ad impulsi è costituito da una serie di impulsi a radiofrequenza che, quando viene colpito un bersaglio, vengono riflessi ripresentandosi all’ingresso del Ricevitore radar. La funzione del ricevitore è quella di ricevere i segnali riflessi dal bersaglio (gli echi) che normalmente sono di livello molto basso in quanto il radar deve poter intercettare anche bersagli molto lontani.

Il Ricevitore nei Sistemi Radar

Il ricevitore deve svolgere una sorta di elaborazione il cui risultato finale è quello di estrarre le informazioni contenute proprio in questi segnali: distanza, posizione, velocità ed altre del bersaglio. La complessità di estrarre le informazioni utili sono ulteriormente aumentate dal fatto che il ricevitore unitamente agli echi del bersaglio riceve contemporaneamente anche indesiderate interferenze che possono essere di natura intenzionale (ECCM), o di carattere naturale o di rumore aleatorio dovuto a riflessioni di ostacoli fissi (clutter), oppure causate dal movimento delle acque marine nel caso in cui il bersaglio si trovi a sorvolare superfici marine, disturbi atmosferici, interferenze provocato da altri apparati  a radiofrequenza eccetera. Quindi le prestazioni di un radar sono molto legate alle prestazioni del ricevitore radar il quale deve avere requisiti funzionali elevati, affrontare una serie di operazioni complesse e fondamentali per il corretto funzionamento di tutto il sistema radar:

  • eliminazione della portante
  • elevata sensibilità per la ricezione di segnali di livello molto basso
  • amplificazione dei segnali ricevuti
  • riduzione del rumore proprio
  • controllo della dinamica (gestione dei livelli del segnale molto bassi/molto alti)
  • filtraggio
  • conversione del segnale in banda video (0-5Mhz)
  • presentazione delle informazioni al display del radar

L’eliminazione della portante consiste nel tagliare dal segnale ricevuto la frequenza di trasmissione detta portante in quanto trasporta l’inviluppo del segnale di trasmissione e le informazioni di ritorno del segnale riflesso dal bersaglio, e quindi prelevare solo il resto del segnale o inviluppo. Allo scopo vengono utilizzati appositi moduli all’interno del ricevitore che utilizzano tecniche circuitali ed elementi allo stato solido. Questi moduli detti moduli di rivelazione sono dei circuiti all’ingresso dei quali devono pervenire segnali di livello adeguato che ne consenta la conduzione degli elementi attivi contenuti. Pertanto questi moduli che normalmente sono posizionati negli ultimi stadi del ricevitore, sono preceduti da moduli di amplificazione. I segnali che si presentano all’ingresso del ricevitore radar provengono dall’antenna del radar, quindi sono segnali molto bassi che devono essere elaborati al fine di elevarne la loro ampiezza per consentire così ai moduli successivi all’antenna di poter elaborare in maniera corretta le informazioni ricevute. Ma il ricevitore oltre ad avere la necessità di amplificare questi deboli segnali deve minimizzare il rumore proprio di sistema che, se non venisse contenuto, verrebbe anch’esso amplificato dai moduli amplificatori del ricevitore; se ciò si verificasse si degraderebbe molto l’informazione da elaborare in quanto essa verrebbe mascherata dal rumore proprio anch’esso amplificato. Quindi il ricevitore si trova a combattere con un indesiderato elemento di natura aleatoria causato da fenomeni termici (rumore termico) degli elementi circuitali all’interno dei moduli del ricevitore. Se all’ingresso del ricevitore si è in presenza di un certo rapporto fra il segnale utile e il rumore, questo rapporto verrebbe peggiorato a causa del rumore proprio interno dell’apparato ricevente. E’ fondamentale dunque il raffronto fra il rapporto segnale-rumore di ingresso e quello di uscita; il rapporto tra Sin/Nin di ingresso e Sout/Nout di uscita si definisce con il termine “figura di rumore”, in inglese noise-figure. La sensibilità di un ricevitore radar viene quindi determinata dal valore della figura di rumore, tanto più è bassa la noise-figure, tanto maggiore è la capacità dell’ricevitore e quindi del radar di rivelare bersagli molto lontani ossia deboli segnali. D’altro canto vi è la possibilità che un bersaglio si trovi molto vicino al radar e quindi il segnale ricevuto dal ricevitore sia di elevata intensità e ciò potrebbe causare il malfunzionamento degli stadi amplificatori del ricevitore che potrebbero saturare. Al fine di evitare il problema della saturazione dei moduli amplificatori viene effettuato il controllo della dinamica del segnale ricevuto mediante dei moduli definiti STC (sensitivity time control) che praticamente sono amplificatori speciali detti amplificatori logaritmici. Per ridurre quanto più possibile i segnali indesiderati nonché per ridurre il rumore captato dall’antenna del radar, la tecnica è quella di selezionare quanto più possibile il contenuto dell’informazione del segnale mediante una riduzione dell’intervallo di frequenze ricevibili dal radar, ossia ridurre la banda delle frequenze di ricezione del ricevitore; questa tecnica viene detta filtraggio.

TIPOLOGIE DI RICEVITORI

Di seguito vedremo alcuni tipi di ricevitori che si distinguono per tecnologia ed applicazioni.

Ricevitore tuned RF

Il ricevitore TRF (figura 1) ha un’architettura molto semplice, infatti si compone di una serie di amplificatori RF, filtri tunabili e un modulo di rivelazione finale. Il segnale rivelato viene infine amplificato da moduli amplificatori di bassa frequenza. La semplicità architetturale di questo ricevitore però non garantisce elevate prestazioni in quanto i moduli amplificatori sono complessi e costosi a causa delle elevate frequenze di lavoro in gioco, per lo stesso motivo è difficile ottenere un buon filtraggio RF per cui il filtraggio avviene solo in banda video e ciò comporta l’introduzione di rumore incrementale e disturbi da interferenze; vi è inoltre la difficoltà dovuta alla regolazione di frequenza in quanto essendo presente una catena di amplificatori si rende critica la frequenza di accordo di tutti gli amplificatori contemporaneamente; quindi in definitiva si ha una criticità causata da un eccessivo numero di stadi a radiofrequenza necessari e quindi con conseguenti complicazioni costruttive oltre al notevole costo di sistema.

 

Figura 1: Ricevitore TRF

Figura 1: Ricevitore TRF

Ricevitore Cristal video

Nel ricevitore Cristal video il segnale a radiofrequenza dall’antenna giunge direttamente al rivelatore e successivamente il segnale video viene amplificato da un amplificatore video ad alto guadagno. Il vantaggio di questo tipo di ricevitore è innanzitutto il costo ridotto e la semplicità costruttiva, non di meno importante è la caratteristica di allineamento semplificato. Per contro sono scarse le prestazioni per la scarsa sensibilità poiché vengono rivelati e amplificati solo segnali di livello che superano la soglia del modulo di rivelazione, inoltre presenta scarsa selettività e quindi in definitiva questo tipo di ricevitore viene utilizzato come monitor del segnale trasmesso e laddove non è richiesta un’alta sensibilità di ricezione.

Figura 2: Ricevitore Cristal video

Figura 2: Ricevitore Cristal video

Ricevitore a Super Reazione

La prima applicazione di questo ricevitore risale al 1920. Attualmente viene utilizzato in poche applicazioni ad esempio dai radioamatori, nelle sonde meteorologichee nei casi in cui si richiede non notevoli prestazioni, semplicità costruttiva, basso costo e la disponibilità funzionale di commutazione da ricevitore a trasmettitore. La peculiarità di questo ricevitore è di essere una sorta di turbo ricevitore in quanto l’amplificazione viene aumentata grandemente mediante una tecnica super rigenerativa, ossia gli amplificatori vengono reazionati con controllo positivo della reazione spinta fino alla massima reazione facendo oscillare l’elemento attivo amplificatore. L’oscillatore è costituito da un amplificatore reazionato positivamente mediante un filtro passa-banda a cui si somma il segnale RF d’ingresso. Infatti l’oscillazione viene periodicamente interrotta e riavviata (tecnica di quench) generandosi così impulsi di oscillazione così che il segnale utile viene applicato all’ingresso di questi moduli amplificatori oscillatori controllati e l’informazione viene estratta dalla modulazione del valore medio degli impulsi di oscillazione. La tecnica utilizzata per questo tipo di ricevitore garantisce buone prestazioni, semplicità costruttiva, alto guadagno con pochi moduli amplificatori fino alla possibilità di utilizzo di un solo elemento amplificatore, bassi costi. La tecnica di oscillazione controllata rende però questo ricevitore critico nel senso che può avvenire la instabilità del guadagno e quindi la non affidabilità del livello del segnale, una scarsa selettività, gli effetti di irradiazione e rumorosità. In figura 3 lo schema semplificato del ricevitore TRF.

Figura 3: Schema semplificato del ricevitore a Super Reazione

Figura 3: Schema semplificato del ricevitore a Super Reazione

Ricevitore Supereterodina

Questo ricevitore presenta elevate prestazioni pur nella semplicità architetturale e il basso costo. È attualmente diffuso in quasi tutti gli apparati riceventi in diverse tipologie di sistemi radar. Il ricevitore Supereterodina si basa sul concetto di mixing” . Come rappresentato in figura 4 nello schema a blocchi semplificato del ricevitore superetero, nell’architettura del ricevitore viene utilizzato il mixer RF con il quale vengono moltiplicati due segnali, di cui uno è il segnale all’ingresso del ricevitore fin, mentre l’altro proviene da una sorgente esterna chiamata oscillatore locale fol. Il risultato di questa moltiplicazione, detta in gergo tecnico “battimento”, viene posto all’uscita del mixer fout ed è costituito da due segnali: un segnale differenza fin-fol e un segnale somma fin+fol delle due frequenze di ingresso al mixer, oltre alle frequenze fin e fol (figura 5). Dopo amplificazione del segnale all’uscita del mixer mediante un amplificatore a banda stretta centrata sul segnale a frequenza fin-fol, il segnale viene applicato ad un filtro a frequenza intermedia IF la cui selettività a banda stretta consente di prelevare solo il segnale differenza fif = (fin-fol) tagliando fuori le altre componenti all’esterno della banda IF del filtro.

Figura 4: Schema a blocchi semplificato del ricevitore supereterodina

Figura 4: Schema a blocchi semplificato del ricevitore supereterodina

Figura 5: Componenti spettrali all’uscita del mixer

Figura 5: Componenti spettrali all’uscita del mixer

 
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