วันอังคารที่ 26 พฤษภาคม พ.ศ. 2552

SUPERHETERODYNE RADAR

7. SUPERHETERODYNE RADAR
7.1 บทนำ
สัญญาณที่เรดาร์รับเข้ามาได้นั้นจะต้องผ่านกระบวนการต่าง ๆ ก่อนที่จะนำไปแสดงบนจอเรดาร์หรือจอภาพ การขยายหรือการจัดการกับสัญญาณที่มีความถี่สูงค่อนข้างจะยุ่งยากพอสมควร โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าเครื่องส่งทำงานอยู่ในย่านความถี่กว้าง ๆ ด้วยแล้วยิ่งมีปัญหามาก แต่ก็แก้ปัญหาลงไปได้บ้างโดยการลดทอนความถี่ของสัญญาณที่รับเข้ามาให้เหลือน้อยลงที่ความถี่คงที่อันหนึ่ง ความถี่นี้เรียกว่า INTERMEDIATE FERQUENCY หรือ IF นั่นเอง
ความถี่ IF จะมีข้อได้เปรียบดังนี้
- เมื่อเทียบแถบกว้าง (BAND WIDTH) ของเครื่องรับที่แคบกับกว้างแล้วจะเห็นว่าแถบกว้างแคบ ๆ จะมีความคมดีกว่าและจะลดความไวในการรับสิ่งรบกวนเข้ามาด้วย
- ถ้าใช้ความถี่ IF ต่ำ ๆ ก็ง่ายต่อการขยายและการจัดการ
7.2 การออกแบบวงจรแบบง่าย
เมื่อต้องการความถี่ IF คงที่ค่าหนึ่งแล้วจะต้องมีวงจรกลอกตัว (OSCILLATOR) วงจรหนึ่งในเครื่องรับวงจรนี้เรียกว่า LOCAL OSCILLATOR = LO ให้ดูในรูปที่ 7-1 ซึ่งใช้แสดงบล๊อกไดอะแกรมของเครื่องรับแบบ SUPERHETRODYNE สัญญาณที่รับเข้ามา fecho จะมีความถี่เดียวกับพัลส์ของเครื่องส่ง (ในกรณีอื่น ๆ ให้ดูในเรื่อง DOPPLER EFFECT) LO ปรับความถี่ได้ด้วยวงจรควบคุมความถี่อัตโนมัติ AFC (AUTOMATIC FERQUENCY CONTROL) วงจร AFC นี้จะรู้ว่าความถี่ของเครื่องส่งมีค่าเท่าใดจากนั้นมันจะปรับความถี่ของ LO ให้ได้ความถี่ IF ดังนี้
fLO = fTX - fIF
หรือ fLO = fTX + fIF
นั่นก็คือความถี่ของ fLO อาจจะสูงหรือต่ำกว่าความถี่เครื่องส่งก็ได้ แต่ปกติแล้วเราจะให้ความถี่ fLO ต่ำกว่าความถี่เครื่องส่ง fTX เพราะฉะนั้น fLO = fTX - fIF
LO จะจ่ายความถี่ fLO ออกไปอย่างต่อเนื่องตลอดเวลาให้กับวงจร MIXER เพราะไม่รู้เมื่อใดจะมีคลื่นสะท้อนกลับมาถึง MIXER ในช่วงเวลารับ เมื่อคลื่นสะท้อนกลับเข้ามายัง MIXER แล้ว ทางออกของ MIXER จะประกอบไปด้วยความถี่ต่าง ๆ อีกหลายความถี่นั้นเช่น fecho - fLO , ffecho + fLO , 2fecho - fLO , 2fecho - 2fLO และอื่น ๆ
เนื่องจากวงจรขยาย IF มีความคมในย่านหนึ่ง เพราะฉะนั้นจะมีความถี่ดังกล่าวมาแล้วเพียงความถี่เดียวที่สามารถผ่านเข้าไปยังวงจรขยาย IF ได้ ซึ่งในที่นี้เราจะยอมให้ความถี่ fecho - fLO ผ่านได้ เนื่องจาก fecho = fTX และ fLO = fTX - fIF เมื่อแทนค่าต่าง ๆ เหล่านั้นแล้วจะได้ fTX - fTX + fIF = fIF ดังแสดงในรูปที่ 7-2
สัญญาณ IF จะเกิดหรือมีได้ก็ต่อเมื่อได้รับสัญญาณที่สะท้อนกลับมาเท่านั้น
fIF = fECHO - fLO
fECHO = fTX
fLO = fTX - fIF




รูปที่ 7-1 บล็อกไดอะแกรมเครื่องรับ SUPERHETRODYNE




รูปที่ 7-2 การผสมความถี่
รูปที่ 7-3 ความถี่เงา (IMAGE FREQUENCY)

การผสมความถี่ของวงจร MIXER นี้จะมีข้อเสียเปรียบหรือไม่ค่อยดีคือ ทางออกของมันจะไม่มีเพียงแต่สัญญาณ IF อันเนื่องมาจาก fECHO - fLO เท่านั้นแต่จะมีสัญญาณอีกอันหนึ่งซึ่งเกิดจาก fLO - (fLO- fIF) ซึ่งเรียกสัญญาณความถี่อันนี้ว่า "ความถี่เงา" (IMAGE FREQUENCY) ดังแสดงในรูปที่ 7-3 ปกติแล้วสัญญาณ IMAGE FREQUENCY นี้จะมีสิ่งรบกวนหรือ NOISE มากและจะรวมกันเป็นสัญญาณ IF เพราะฉะนั้นมันจะลดความต้านทานต่อสิ่งรบกวนลงหรือเพิ่มความไวในการรับสิ่งรบกวนเข้ามานั่นเอง เพื่อลบล้างสัญญาณความถี่เงา IMAGE FREQUENCY นี้จำเป็นต้องออกแบบวงจร MIXER ใหม่ เพื่อให้ลดทอนสัญญาณนี้ลงไปหรือบางแบบก็ให้ตัดทิ้งไปได้เลย
7.3 การเลือกใช้ความถี่ IF
ดังได้กล่าวมาแล้วในบทที่ 3 หัวข้อ 3 ว่าพัลส์ของเครื่องส่งจะต้องมีรูปคลื่นไซด์เพียงพอที่จะนำมาช่วยในการรับสัญญาณสะท้อนกลับได้ พัลส์เครื่องส่งแคบ ๆ จะต้องใช้ความถี่ของเครื่องส่ง fIF สูงกว่าการใช้พัลส์เครื่องส่งกว้าง ๆ หรือใช้ความถี่ IF ให้สูงขึ้น
ตัวอย่าง
fTX = 10 GHz , fIF = 30 MHz , PULSE WIDTH = 1 msec = T
จำนวน ECHO (N) = T. fTX PERIOD (CYCLE)
= 10-6 x 1010 PERIOD (1 msec=10-6 sec, 10 GHz=1010 Hz)
= 104 PERIOD
... IF (N) = T. fIF PERIOD
= 10-6 x 30 x 106 PERIOD (1 msecC=10-6 sec, 30MHz=30x106Hz)
= 30 PERIOD
จำนวนIF ที่มีจำนวน 30 PERIOD นี้จะเพียงพอที่จำสัญญาณ IF ได้ ถ้า PULSE WIDTH กว้าง 0.01 msec แล้วจำนวน IF(N)=0.01x10-6x 30 x 106= 0.3 PERIOD เท่านั้นซึ่งจะไม่พอเพียงที่สามารถจำสัญญาณ IF ได้ เพื่อที่จะให้จำสัญญาณ IF ได้จะต้องใช้ความถี่ IF ให้สูงขึ้น ความถี่ IF ที่ใช้กันมากที่สุดในขณะนี้คือ 30 MHz และ 60 MHz ผลจากการผสมความถี่ได้แสดงให้เป็นสเปกตรัมในรูปที่ 7-4 ความถี่ LO แสดงเป็นเส้นตรงเพราะว่าเป็นคลื่น CW สเปกตรัมของ ECHO ก็คือระดับของสัญญาณ IF





รูปที่ 7-4 สเปกตรัมความถี่และการผสมความถี่

7.4 แถบกว้างของวงจรขยายความถี่ IF
ขนาดความกว้างของวงจรขยาย IF(B)จะมีผลต่อระดับสัญญาณรบกวน (NOISE) ที่ทางออกของวงจร แต่การเลือกค่า B เพื่อที่จะให้ได้ทางออกของ S/N ดีที่สุด มีสูตรดังนี้
B x T = µ
เมื่อ B = แถบกว้างของวงจรขยาย IF เมื่อคิดจาก 3 dB
T = ความกว้างของพัลส์
µ = ค่าแถบกว้างที่ดีที่สุด
ค่าแถบกว้างของวงจรขยาย IF ที่คิดว่าดีที่สุดนี้ก็ขึ้นอยู่กับวงจร DETECTOR ที่ใช้เหมือนกัน ตัวอย่างเช่น ถ้าใช้วงจร AUTODETECTOR แล้ว ค่าสูงสุดของสัญญาณทางออกจะมีความสำคัญมากในการที่จะได้เป้าออกมายิ่งถ้าต้องการเอาสัญญาณที่ได้ไปแสดงที่จอเรดาร์ด้วยแล้วกำลังงานของพัลส์ที่ได้ก็ต้องมีความสำคัญเพื่อให้แสดงภาพได้ สำหรับวงจร AUTODETECTOR B x T ควรมีค่าประมาณ 0.8 จากการทดสอบการมองภาพบนจอด้วยตาแล้ว ค่า B x T ควรเป็นค่า 1.2 ซึ่งจะให้มองภาพบนจอได้ดีที่สุด ในรูปที่ 7-5 ได้แสดงแถบกว้างของวงจรขยาย IF เมื่อเทียบกับสเปกตรัมความถี่และยังแสดงถึงความสัมพันธ์ระหว่างแถบกว้างของวงจรขยาย IF กับแถบกว้างของ VIDEO อีกด้วย VIDEO นี้ก็คือสัญญาณ IF ที่ค้นหาได้นั่นเอง
- PULSE WIDTH T = 0.5 msec. , IF BANDWIDTH B = 1.2 /T = (1.2 / (0.5 x 10-6 ) ) = 2.4 MHz
VIDEO BANDWIDTH = 1/2 B = 1.2 MHz
- PULSE WIDTH T = 30 msec ,IF BANDWIDTH B = (1.2 / (30 x 10-6 )) = 40 KHz
- PULSE WIDTH T = 0.01 msec ,IF BANDWIDTH B = (1.2 / (0.01) x 10-6 )) = 120 MHz
ในตัวอย่างสุดท้ายนี้ ถ้าความกว้างของพัลส์ยิ่งแคบจะต้องใช้ความถี่ IF สูงขึ้น




รูปที่ 7-5 แถบกว้าง (BAND WIDTH) ของวงจรขยาย

ความถี่สูงสุดของ VIDEO คือ fVIDEO MAX = 1/2 1/2BIF
ฉะนั้นความชัน SLOPE ของสัญญาณ VIDEO ที่ชันที่สุดควรจะเท่ากับ SLOPE ของรูปคลื่นไซน์ที่มีความถี่สูงสุด ดังแสดงในรูปที่ 7-6


รูปที่ 7-6 ผลกระทบของสัญญาณ VIDEO ต่อแถบกว้างของวงจรขยาย

รูปคลื่นไซน์ตามเส้นประมีความถี่ FVEDIO MAX = 1/ Tmin
ในรูปที่มีขอบหน้าของพัลส์ชันที่สุด (จุด ๆ) ในทางเข้าจะให้ผลออกมาในทางออกของวงจรขยาย IF เพียงครึ่งหนึ่งของคลื่นไซน์(เส้นทึบคู่)อีกครึ่งหนึ่งของ TMIN (1/2 TMIN) จะล้าหลังสัญญาณทางเข้าไป ขอบหลังที่ชันที่สุดของพัลส์ทางเข้าจะปรากฎที่ทางออกได้แสดงให้เห็นเป็นเส้นทึบเส้นเดี่ยวในรูปซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของคลื่นไซน์ หรือจะกล่าวได้ว่าถ้าสัญญาณทางเข้าเป็นรูปคลื่นสี่เหลี่ยมแล้วสัญญาณทางออกของวงจรขยาย IF จะเป็นรูปคลื่นสามเหลี่ยมและจะมีความกว้างเป็นสองเท่า ดังแสดงในรูปที่ 7-7
ในหัวข้อ 4.2 ของบทที่ 3 ได้กล่าวถึงผลที่เกิดขึ้นเกี่ยวกับเรื่องนี้แล้ว ในรูปต่อไปจะแสดงให้เห็นถึงผลที่เกิดขึ้น


รูปที่ 7-7 การขยายตัวของสัญญาณ VIDEO


รูปที่ 7-8

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น