|
|
РПрУ. Разработка и расчет рпру рлс визуального определения объектов
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю. А.»
Кафедра «Радиоэлектроника и телекоммуникации»
Курсовая работа
на тему
«Разработка и расчет РПрУ РЛС визуального определения объектов»
по дисциплине
«Радиоприемные устройства систем мобильной связи»
Вариант задания № 2
Выполнил:
Студент: б-ИКТСипу41
Гезь Виктор Алексеевич
Принял:
Скворцов Алексей Анатольевич
Саратов 2022
Задание на курсовую работу
Разработать и рассчитать РПрУ РЛС визуального определения объектов с параметрами: частота принимаемых сигналов  9,2 ГГц; длительность импульса  1,2 мкс; нестабильность частоты передатчика  8 МГц; радиальная скорость перемещения объекта, отражающего зондирующие сигналы, относительно РЛС  0,5 км/с; мощность принимаемого сигнала, отдаваемая антенной РЛС согласованному с ней приемнику,  0,11 пкВт; отношение мощностей С/Ш на выходе линейного тракта приемника  1,5; необходимое ослабление зеркального канала  19 дБ; частота повторения зондирующих импульсов  1,2 кГц; импульсная мощность передатчика  55 кВт; максимальная мощность передатчика, просачивающаяся через антенный переключатель на вход приемника,  5,5 кВт. СВЧ-устройство приемника должно быть построено на интегральных микросхемах.
В курсовой работе проведен расчет приемника радиолокационной станции визуального определения. Осуществлены выбор структурной схемы и элементной базы для построения, а также выполнены расчеты основных его параметров и характеристик. Рассмотрены методики расчета его основных параметров и характеристик, различных видов сигналов и диапазона частот.
РАДИОПРИЕМНИК, ГЕТЕРОДИН, ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПРИЕМНИКА, ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ, ШИРИНА СПЕКТРА, АВТОПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, СМЕСИТЕЛЬ, КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА, ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ГЕНЕРАТОР
Объектом исследования курсовой работы являются параметры и характеристики радиоприемного устройства.
Целью данной курсовой работы является: ознакомление с принципом работы супергетеродинного приемника АМ сигналов и его основных узлов, приобретение практические навыков определения параметров и получения характеристик радиовещательного приемника; изучение принципов работы и основных характеристик амплитудных детекторов.
В процессе выполнения работы были рассчитаны и подобраны такие параметры как ширина спектра радиочастот принимаемых сигналов, запас полосы пропускания, необходимый для приема сигналов с учетом нестабильностей и неточностей настройки приемника, доплеровское смещение частоты, полоса пропускания преселектора.
Содержание
Введение 5
1. Основные принципы функционирования и выбор структурной схемы РПрУ РЛС. 7
2.Выбор структурной схемы РПрУ РЛС 14
3. Расчет основных параметров и характеристик РПрУ. 17
Заключение 34
Список используемых источников 35
Введение
Радиоприемное устройство (РПрУ) – это комплекс электрических цепей, функциональных узлов и блоков, предназначенный для улавливания распространяющихся в открытом пространстве электромагнитных колебаний искусственного или естественного происхождения в радиочастотном ( Гц) и оптическом ( Гц) диапазонах и преобразования их к виду, обеспечивающему использование содержащейся в них информации.
Радиолокационный приёмник является составной частью радиолокационных станций, предназначенных для обнаружения, определения координат и параметров движения удаленных объектов (радиолокационных целей). Для извлечения информации используется зондирование пространства радиосигналами, с последующим приемом отражённой от целей электромагнитной энергии, причем информация о целях может содержаться в изменении во времени амплитуды (или отношении амплитуд) и частоты (или спектра) сигналов. Такой способ носит название активной радиолокации с пассивным ответом. Передатчик и приёмник в таких системах, как правило, работают на общую антенну.
Различают РЛС импульсного и непрерывного излучения. В РЛС с непрерывным излучением используются немодулированные и ЧМ колебания. Однако наибольшее применение нашли импульсные приемопередающие радиолокационные станции, излучающие в направлении цели, короткие зондирующие СВЧ-радиоимпульсы с фиксированным периодом следования, длительностью импульсов, амплитудой и несущей частотой, что обеспечивает высокую разрешающую способность и точность при измерении дальности. Радиоприемные устройства таких станций служат для приема части энергии излучаемых радиоимпульсов, отраженной от цели.
Радиоприемное устройство состоит из антенны, собственно приемника и оконечного устройства. Радиолокационное приемное устройство (РПУ) входит в состав радиолокационной станции (РЛС). В радиолокации под приемным устройством понимают цепи, расположенные между выходами антенны и оконечного устройства, принимающего решение об обнаружении сигнала или оценке eгo параметров.
В соответствии с рекомендациями Международного консультативного комитета по радио (МККР) при построении радиосистем передачи используется спектр радиочастот, разделенный на девять диапазонов. Современные РПрУ работают во всех этих радиодиапазонах, из которых наиболее широко используются диапазоны от НЧ до КВЧ включительно, а также на инфракрасных и видимых волнах оптического диапазона.
1. Основные принципы функционирования и выбор структурной схемы РПрУ РЛС.
Радиолокационные приемники (РЛП) являются составной частью радиолокационных станций (РЛС), предназначенных для обнаружения, определения координат и параметров движения удаленных объектов (целей) путем приема отраженной от них электромагнитной энергии. В зависимости от структуры радиолокационного сигнала различают два вида РЛС с импульсными и непрерывными сигналами. В импульсных РЛС передатчик периодически излучает кратковременные зондирующие импульсы (ЗИ) с гармоническим либо с частотно-модулированным ВЧ-заполнением, которые отражаются от объекта и принимаются РЛП в промежутках между ЗИ. В РЛС с непрерывным излучением используются немодулированные и ЧМ-колебания. Применяются в РЛС и псевдослучайные шумо-подобные сигналы.
Приемники импульсных РЛС
В импульсных РЛС (рис.1.1) передатчик излучает в направлении объекта короткие СВЧ-радиоимпульсы, которые после отражения от объекта поступают на вход приемника с временным сдвигом  , где R - расстояние до объекта. По значению At можно судить о расстоянии R до объекта; узкополосная диаграмма направленности антенны РЛС позволяет определять угловое направление на объект. Система синхронизации (СС) вырабатывает синхроимпульсы (СИ), которые вызывают срабатывание импульсного модулятора (ИМ). Импульсы со стабильным периодом повторения Тиот ИМ запускают мощный импульсный передатчик (П) генерирующий короткие радиоимпульсы. Эти радиоимпульсы через антенный переключатель (АП), осуществляющий автоматическое переключение антенны с передачи на прием и обратно и обеспечивающий защиту входа приемника от больших уровней импульсного сигнала на выходе передатчика, излучаются в пространство в направлении объекта. Отраженный от объекта радиоимпульс принимается антенной и через АП передается на вход РЛП. Поскольку передаваемые и принимаемые радиоимпульсы разнесены во времени, в РЛС можно использовать общую антенну для передатчика и приемника. Сигнал с выхода АП усиливается малошумящим УРЧ, преобразуется в ПрЧ в сигнал промежуточной частоты, детектируется в детекторе радиоимпульсов (ДР), усиливается видео усилителем (ВУ) и подается на устройство индикации (УИ), работа которого синхронизируется от СС. В УИ регистрируется время At между переданным и принятым импульсами. В качестве УИ обычно используют электронно-лучевую трубку. Для автоподстройки частоты гетеродина (Г) применяют двухканальную АПЧ. В приемнике РЛС по схеме рис. 1.1 предусмотрена обычная программная и быстродействующая АРУ.
Рисунок 1.1 – Схема импульсной РЛС
Система селекции движущихся целей (СДЦ)
В импульсных РЛС СДЦ предназначены для регистрации слабых сигналов, отраженных от движущихся целей, при мешающем влиянии отражений от местных предметов (облаков, земной поверхности и т. д.).
Передатчик РЛС (рис. 1.2) последовательно во времени излучает ВЧ-импульсы. Часть излучаемой передатчиком мощности, например с помощью направленного ответвителя, отводится наПрЧ2, в котором это напряжение смешивается с сигналом стабилизированного опорного генератора (ОГ). Напряжение с выходаПрЧ2 используется для фазовой синхронизации когерентного гетеродина (КГ). Излучаемые импульсы отражаются от движущегося и неподвижного объектов. Отражение последующего ВЧ-импульса от неподвижного объекта происходит через то же время, что и для предыдущего импульса; однако отражение последующего импульса от движущегося объекта произойдет через другой интервал времени. Разница во времени поступления предыдущего и последующего импульсов несет в себе информацию о скорости движения объекта которую можно оценить в фазовом детекторе (ФД) по сдвигу фаз Дф, отраженного от объекта и опорного сигнала гетеродина (КГ)На время передачи очередного импульса информация о разности фаз хранится в линии задержки (ЛЗ), при приеме очередного импульса хранимое в ЛЗ значение Аф для предыдущего импульса вычитается в устройстве вычитания (УВ) из значения Аф для принимаемого импульса. Сигнал на выходе УВ появляется только в том случае, если значение Дф изменилось, т. е. при отражении сигнала от движущегося объекта.
Рисунок 1.2 – Схема передатчика РЛС
Для увеличения дальности действия РЛС необходимо повышать среднюю мощность Р передатчика за период повторения зондирующих импульсов и увеличивать их период повторения Ти. Однако увеличение периода повторения И приводит, как правило, к уменьшению мощности Р Поэтому для увеличения дальности РЛС приходится длительность излучаемого импульса выбирать большей, что затрудняет подавление прямого прохождения излучаемого ВЧ-импульса на вход приемника и усложняет обеспечение требуемого разрешения по дальности. Чтобы рост не влиял на разрешение РЛС по дальности, необходимо использовать ВЧ-импульсы с широким спектром, что можно достичь с помощью модуляции его гармонической несущей; обычно применяют линейную частотную модуляцию либо фазовую манипуляцию. Таким образом, передатчик РЛС излучает импульсы большой длительности, а на выходе линейной части РЛП получают отраженные импульсы малой длительности, т. е. обеспечивается сжатие отраженных импульсов. Структурная схема РЛС со сжатием импульсов при линейной частотной модуляции показана на рис. 1.3. Частотный модулятор (ЧМ) изменяет частоту заполнения ВЧ-импульсов на выходе передатчика. Отраженные от объекта импульсы длительностью усиливаются в УРЧ, преобразуются в ПрЧ2, усиливаются в УПЧ и проходят через устройство сжатия (УС), в котором скорость распространения сигналов увеличивается с повышением частоты (составляющие импульсного сигнала с более высокими частотами ускоряются, а с более низкими частотами у переднего фронта импульса замедляются). На выходе УС действует импульс с постоянной частотой заполнения и длительностью  .
Рисунок 1.3 – Структурная схема РЛС со сжатием импульсов при линейной частотной модуляции
Приемники РЛС с непрерывным излучением
В подобных РЛС антенна излучает в направлении объекта непрерывное колебание, которое после отражения от объекта принимается приемником РЛС. При близком расположении передатчика и приемника частота принимаемых колебаний, отраженных от движущегося объекта, отличается от частоты излучаемых передатчиком колебаний на разностную (доплеровскую частоту)
 , где  частота излучаемых колебаний;  - радиальная скорость движения объекта относительно РЛС; с - скорость света. Значения  , находятся в диапазоне сравнительно низких частот; выделяя и измеряя доплеровскую частоту, можно определить скорость движения объекта.
Упрощенная схема приемника РЛС с немодулированным излучением показана на рис. 4.1. Антенна передатчика излучает в направлении движущегося объекта колебание с частотой , а антенна А2 приемника принимает колебание с частотой  . На выходе ПрЧ1 образуется сигнал промежуточной частоты, равной  ., на выходе ПрЧ2 - сигнал промежуточной частоты. Для исключения влияния нестабильности частот гетеродина на точность измерения скорости напряжения с частотой  для и ПрЧ1 и ПрЧ2 получают от одного генератора (Г). Напряжение с частотой  выхода ПрЧ2 используют как гетеродинное для ПрЧЗ. С выхода ПрЧЗ сигнал с доплеровской частотой , поступает на усилитель звуковой частоты (УЗЧ), измеритель частоты (ИЧ) и далее на индикатор скорости (И). В приемниках, построенных по схеме рис. 1.4, знак доплеровской частоты теряется, что не дает возможности определить направление движения объекта. Этот недостаток устраняется, если вместо ПрЧЗ применить квадратурный преобразователь с двумя выходными сигналами, о
тносительный сдвиг фаз которых несет информацию о знаке .
Рисунок 1.4 – Приемник РЛС с непрерывным излучением
Выбор структурной схемы РПрУ РЛС
Выберем структурную схему разрабатываемого РПрУ РЛС с визуальным определением дальности и координат визуальных объектов в соответствии с рекомендациями, приведенными в работе[5].
РЛС, предназначенная для визуального определения координат (рис. 2.1), может быть выполнена так. Мотор (M) поворачивает узкую диаграмму направленности антенны (А) по азимуту и углу места и с помощью генератора развертки (ГРУ) синхронно перемещает луч индикатора (ИУ) с большим послесвечением экрана. Отражённые от объекта сигналы увеличивают яркость луча, засвечивая экран в точке, соответствующей направлению на объект. Синхрогенератор (СГ) запускает передатчик (Прд) и генератор развертки дальности (ГРД), который перемещает по горизонтали луч индикатора дальности (ИД) с малым послесвечением экрана. По вертикали луч отклоняется в моменты прихода сигналов, Передатчик и приемник подключаются поочередно к общей антенне с помощью ферритового антенного переключателя (ФАР), Радиоимпульсы передатчика, просачивающиеся через ФАП, ослабляются в устройстве защиты приемника (УЗП).
Для повышения чувствительности приемника можно использовать однокаскадный параметрический УРЧ (ПУ), обычно без охлаждения. Следующее далее устройство подавления зеркального канала (УПЗК) повышает избирательность приемника и снижает уровень шума. Смеситель (обычно балансный) уменьшает рост уровня шумов под действием гетеродина и может быть реализован на диодах с барьером Шоттки (ДБШ). УПЧ, как правило, имеет высокие частоты (порядка 30-90 МГц).
Для ослабления комбинационных помех можно использовать на выходе смесителя ФСИ и после него широкополосный настроенный или резистивный УПЧ. Детектор (ДРИ) и видеоусилитель (ВУ) преобразуют радиоимпульсы в видеоимпульсы, которые подаются на электронно-лучевые трубки индикаторов.
Для автоподстройки гетеродина используют радиоимпульсы передатчика, так как отраженные сигналы могут отсутствовать часть времени обзора. Они ответвляются и ослабляются ответвителем мощности (ОМ), преобразуются в смесителе С2 в промежуточную частоту (с помощью гетеродина (Г)), затем усиливаются в УПЧ2 и с помощью РЧАП и УЧАП подстраивают гетеродин приемника.
Радиоимпульсы передатчика, просачивающиеся ФАП УЗП на вход смесителя С1, не подаются на смеситель С2 и не используются, так как они имеют искаженную форму и приводят к неправильному срабатыванию автоподстройки. Для уменьшения мешающего действия отражений предметов, окружающих РЛС, можно использовать временную регулировку усиления (ВРУ), которая представляет собой конденсатор, заряжаемый видеоимпульсами СГ. При заряде конденсатора снижается усиление УПЧ, ослабляя отражения от близких предметов, а при разряде его увеличивается усиление УПЧ для приема слабых отраженных сигналов далеких объектов.
Для различения слабых отраженных сигналов на фоне сильных непрерывных помех (в том числе и шумовых) применяются УПЧ с логарифмической амплитудной характеристикой (ЛАХ). Для ослабления мешающего действия отраженных сигналов от протяженных предметов, окружающих наблюдаемый объект, можно применять быстродействующую авторегулировку усиления (БАРУ) Дифференцирующую RC-цепь, включаемую между детектором и 1-м каскадом видеоусилителя, работающего в режиме ограничения сверху. Эта цепочка предотвращает длительное запирание видеоусилителя приемника помехой. Для устранения перегрузки применяется инерционная АРУ, которая изменяет усиление УПЧ.
Для быстрого восстановления усиления после действия помехи и сохранения чувствительности приемника в цепях АРУ и основного канала используют цепи разряда конденсаторов с постоянными времени не более единиц микросекунд. В цепях АРУ регулирующее напряжение с этой целью подают через эмиттерные повторители.
Радиолокационные приемники обычно работают на фиксированных волнах, но при необходимости могут быть снабжены устройствами настройки, РРУ, РРЧХ и т. д.
Выберем структурную схему разрабатываемого РПрУ РЛС с визуальным определением дальности и координат визуальных объектов в соответствии с рекомендациями, приведенными в работе. [5]
Рисунок 2.1 – Структурная схема РЛС с визуальным определением дальности и угловых координат объектов
3. Расчет основных параметров и характеристик РПрУ.
Проведем расчет основных параметров и характеристик разрабатываемого РПрУ, в соответствии с методикой, рассмотренной в работе.[5]
Так как гетеродин приемника и его источники питания должны быть миниатюрными, то выбираем для гетеродина полупроводниковый генератор на диоде Ганна.
Для повышения чувствительности приемника и сужения его полосы пропускания осуществляем автоподстройку частоты гетеродина под частоту передатчика с помощью двухканальной АПЧ.
Вычисляем ширину спектра радиочастот принимаемых сигналов
Определяем запас полосы пропускания, необходимый для приема сигналов с учетом нестабильностей и неточностей настройки приемника
При этом принимаем
Полагая, что нестабильность генераторов на диодах Ганна равна нестабильности генераторов на отражательных клистронах, принимаем
 (согласно данным таблицы 1) и  .
Таблица 3.1 – Характеристики гетеродинов
Доплеровское смещение частоты равно
Подсчитываем полосу пропускания преселектора
Для обеспечения устойчивости работы выбираем коэффициент частотной автоподстройки  и находим полосу пропускания линейного тракта
Допустимый коэффициент шума приемника должен составлять
где  = ,
 ,
k= постоянная Больцмана,
 ,
 ,
Рисунок 3.1 – Зависимость шумовой температуры приемной антенны от частоты:
1- максимальная; 2 и минимальная
Такой коэффициент шума в 3-сантиметровом диапазоне волн
( )можно обеспечить, используя в качестве однокаскадного УРЧ малошумящий ППУ. Для доказательства правильности этого выбора вычислим коэффициент шума приемника N с таким преселектором.
В преобразователе частоты сигнала целесообразно использовать баллансный смеситель (БС) на ДБШ с достаточно низким коэффициентом шума, что позволяет применить однокаскадную схему ППУ и тем самым упростить схему и конструкцию последнего. Спроектировав микрополосковый БС на ДБШ типа АА112Б, получим следующие данные: f0=9,3 МГц, Праб./f0=6%,
KP ПЧ=1/Lпрб=0,25; выходное сопротивление rБСср=270 Ом; мощность, подводимая от гетеродина, Pr=6 мВт; коэффициент шума БС с УПЧ
NБСn =6,1 (7,84 дБ) при NУПЧ=1,6 (2 дБ), уровне шума гетеродина
mа=-160 дБ/Гц и NПЧ = 3,4.
В качестве смесителя АПЧ применим микрополосковый БС АПЧ на ДБШ типа АА112Б, рассчитанный и характеризуемый следующими данными: мощность сигнала на входе смесителя
Рс=90 мВТ, мощность гетеродина Pr=9 мВт; выходное сопротивление rБСср=270 Ом; сопротивление нагрузки RP=810 Ом; выходное напряжение UP=1,12 В.
В качестве УРЧ используем малошумящий неохлаждаемый ДПУ, в результате расчета которого получаем следующие результаты (с учетом потерь в циркуляторах): f0=9,3 МГц, полоса пропускания ППУ=103 МГц, что вполне достаточно; напряжение отрицательного смещения U0=2,7В; частота накачки fнак=36 ГГц; мощность накачки Рнак=52 МВт; коэффициент шума
NР = NПУ Ц =2 (2,96 дБ); коэффициент усиления мощности KР УРЧ = KР П УЦ ≈ 31,5 (15 дБ). В ДПУ используется параметрический диод D5147G, для которого максимально допустимые энергия пика и импульсная мощность равны WСВЧ и = 0,2*10-7 Дж и Pи max=100 мВт.
Таблица 3.2 – Параметры диодов
В качестве генератора накачки целесообразно использовать полупроводниковый генератор на диоде Ганна с волноводным выводом энергии, как это требуется по результатам проектирования ДПУ. Выбираем ГДГ типа VSA 9015, работающий на заданных частотах диапазона (26,5-40 ГГц), имеющий выходную мощность PГ вых ≥100 мВт и диапазон электрической перестройки ∆fэл = 150 мГц.
Для поглощения избыточной мощности генератора накачки и точной установки требуемого уровня мощности накачки между генератором и входом цепи накачки ДПУ следует включить переменный волноводный аттенюатор.
Рисунок 3.2 – Микрополосковая плата ДПУ с пятиплечным циркулятором.
Таблица 3.3 – Характеристики ГДГ
Для подавления зеркального канала используем фильтр на входе смесителя сигнала.
Из проведенного расчета видно, что полоса пропускания ДПУ весьма широка и ослабление зеркального канала должно быть обеспечено в основном фильтром.
Полагая dэр = 0,003, находим, что необходимое ослабление  20 дБ можно получить, выбрав двухзвенный фильтр радиочастоты и fП =30 МГц. Расчет двухзвенного микрополоскового ферритового полоснопропускающего фильтра на ЖИГ-резонаторах дал следующие результаты: при полосе пропускания
Ппр = 19,11 МГц затухание в центре полосы L0 = 1/КР 0 ≈ 1,17 и на краях полосы L∑rp = 1/K∑rp ≈ 1,8; полоса перехода фильтра составляет Ппер= 0,5 (ПЗ - Ппр) = 0,5(100-19,11)=40,445 МГц при 20 дБ. Полосе перехода
Ппер=40,445 МГц соответствует расстройка ∆fЗК= Ппр + Ппер= 19,11+40,445≈59,555 МГц, т.е. требования к σзк удовлетворяются. Ослабление σзк = 20 дБ>15 дБ, что позволяет пренебречь влиянием зеркального канала на коэффициент шума.
Рисунок 3.3 – Нормированные частотные характеристики преселектора приемника сантиметровых волн в виде полосового фильтра из nсвязанных контуров
Затухание L0 и L∑rp снижает коэффициент передачи смесителя с фильтром до К´Р ПЧ = КР ПЧ КР 0=0,25 *0,55 ≈ 0,2 на резонансной частоте и до К´´Р ПЧ = КР ПЧ К∑rp =0,25 *0,55 ≈ 0,14 на краях полосы фильтра.
Устройство защиты приемника, включаемое между ФАП и ДПУ, должно обеспечивать защиту ДПУ от внешних помех, попадающих в антенну, и от сигналов передатчика, поступающих на вход приемника через антенный переключатель (РИ ПАД=5,6 кВт). При этом на выходе устройства защиты просачивающиеся энергия пика и импульсная мощность должны быть меньше предельно допустимых значений для параметрического диода WП<0,2*10-7 Дж и РИ < 100 мВт. Для этих целей используем РЗП совместно с полупроводниковым ограничителем, если без последнего защита недостаточна.
Определяем максимальные параметры РЗП сантиметрового диапазона волн: Праб/f0 ≥12% (Праб = 1120 МГц для f0 =9,3 МГц); LПР≤1,3дБ; РИ ≤ 10 мВт. Мощность зажигания Рзаж ≤ 250 мВт;
WП≤0,3*10-7 Дж; Рпл ≤60 мВт. Учтем, что из всех параметров от полосы Праб зависят только потери приема LПР, которые в центре полосы Праб меньше, чем на её границах. По сравнению с полосой Праб=1120 МГц заданную в настоящем примере полосу частот Ппр=19,11 МГц можно рассматривать как фиксированную частоту в центре полосы Праб. Поэтому для дальнейших расчетов прием потери РЗП LПР=0,7 дБ.
Таблица 3.4 – Максимальные значения параметров широкополосных РЗП сантиметровых и миллиметровых волн
Из сравнения защитных параметров РЗП с допустимыми для параметрического диода видно, что Рзаж > 100 мВт и WП > 0,2*10-7 Дж. Следовательно, необходима дополнительная защита с помощью диодного ограничителя. Минимально необходимые потери запирания ограничителя Lзап определяем по максимальному из отношений
Рзаж / РИ max=250/100=2,5 = WП / WСВЧ и=0,3/0,2=1,5. Отсюда следует, что
Lзап min=2,5 (4 дБ). Для повышения надежности защиты предусмотрим трехкратный запас (на 5 дБ) по сравнению с Lзап min, т.е. примем необходимую величину Lзап = 9 дБ.
Используем микрополосковый ограничитель, имеющий параметры: f0=9,3 МГц; LПР=0,35 дБ; Lзап = 13 дБ и полосу запирания Праб=398 МГц. Суммарные потери приема устройства защиты в виде сочетания РЗП и диодного ограничителя равны
LПР∑=0,7+0,35=1,05 дБ (Кр ВЦ=1/ LПР∑≈0,8)
NВЦ=1/ Кр ВЦ=1,25.
Исходными данными для выбора гетеродина являются: рабочая частота fг0, выходная мощность Рг вых и диапазон электрической перестройки частоты ∆fэл (механическая перестройка частоты не требуется, так как передатчик работает на фиксированной частоте f0=(9,3±10) Мгц, причем полоса 20,0 МГц обусловлена влиянием различных дестабилизирующих факторов на частоту передатчика). Кроме того, поскольку проектируемое СВЧ устройство является микрополосковым и малошумящим, гетеродин должен иметь малый уровень амплитудного шума (при расчете БС сигнала принято, что уровень амплитудного шума равен ma= - 160 дБ/Гц) и должен быть миниатюрным вместе с источником питания.
Последним двум требованиям удовлетворяет полупроводниковый гетеродин на диоде Ганна (ГДГ), который мы и выбираем.
Полагаем, что fг> fс и fп= fг - fс= 30 МГц. Суммарная мощность гетеродина, необходимая для питания смесителей сигнала с АПЧ, равна Pг ∑= Pг с+ Pг апч = 6+9 = 15 мВт, и не должна быть менее 15 мВт. Необходимый диапазон электрической перестройки 30 МГц.
На основе исходных выбираем ГДГ типа VSX 9011, работающий на частотах диапазона 8-12 ГГц и имеющий параметры ∆fмех= 400 МГц; ∆fэл=60 МГц; Pг вых≥25 мВт; напряжение питания
Uном Г=10 В; ток питания Iр Г = 300 мА. Механической настройкой надо установить исходную частоту ГДГ в нормальных условиях равной fг = 9405 МГц.
Таблица 3.5 – Параметры ряда ГДГ с механической и электрической перестройкой частоты варактором ( )
Мощность гетеродина распределяем между смесителями сигнала и АПЧ с помощью микрополоскового кольцевого делителя мощности. Для гашения избыточной мощности гетеродина и установления необходимой величины Pг на входах смесителей, между последними и выходом ДМ включаем микрополосковые переменные аттенюаторы.
Рисунок 3.4 – Эквивалентная (а) и топологическая (б) схемы кольцевого делителя
Коэффициент шума приёмника рассчитывается по формуле
N0= NВЦ+([Nр-1)/КРВЦ]+[(Nпч-1)/КРВЦ КРурч]+[(NУПЧ-1)/КРВЦ КРурч К´Рпч],
Пренебрегая потерями в фидере (т.е. полагая КР ф=1) и заменяя КРпч на К´Рпч,
N0=1,25+[(2-1)/0,8]+[(3,4-1)/0,8*31,5]+[(1,6-1)/0,8*31,5*0,2] ≈ 2,27 (3,6 дБ)
На резонансной частоте фильтра и N0=2,32 (3,7 дБ) на границах полосы фильтра.
Таким образом, предложенная структурная схема преселектора при NУПЧ=2 дБ обеспечит N0<2,32 и может быть принята.
Коэффициент усиления по мощности преселектора равен
КP∑= КРВЦ КРурч К´´Рпч=0,8*31,5*0,14=3,5 (5,5 дБ).
Мощность сигнала на входе УПЧ при РА=0,12*10-12 Вт составит
Рс вх п=0,12*10-12*3,5=0,42*10-12 Вт
Напряжение сигнала на входе 1-го каскада УПЧ при согласовании этого каскада со смесителем равно.
где g11= 2*10-3 См – входная проводимость транзистора, который намечен к использованию в УПЧ.
Требуемый коэффициент усиления УПЧ составит
К0ПТ=kзUП/Uвх п=3*0,9/6,4*10-6=421875.
Ожидаемый коэффициент шума оказался ниже требуемого NД в 5,808/2,27=2,558 раз. Поэтому, чтобы обеспечить прием сигнала с γвых=1,6, увеличиваем коэффициент усиления УПЧ до 421875√2,558≈674814.
Выбираем для УПЧ транзистор ГТ330Д, имеющий высокую fY21 и малый уровень шума.  СК=30 пс; СК=2 пФ; h21э=β0=√20*30=80. Вычисляем  30/2=15 Ом;
α0=80/(1+80) ≈ 0,99. Выбираем режим IК=3 мА и находим Y-параметры: g21=60 мСм; b21=60 мСм;
│Y21│= =84 мСм; g11=2 мСм; b11=4 мСм; g22=0,4 мСм;
b22=1,0 мСм. Из (3.20) следует, что │Y12│=0,31 мСм.
Рисунок 3.5 – Y-параметры транзисторов ГТ330Д
Таблица 3.6 – Параметры биполярных транзисторов ВЧ и СВЧ при t=20°C.
Рассчитываем коэффициент шума 1-го каскада УПЧ в режиме согласования. Для этого находим
Rш=20IК/│Y21│2=20*3*10-3/(842*10-6) ≈ 10 Ом
Gш=20 IК (1- α0)/α0=20*3*10-3*0,01/0,99 ≈ 0,6 мСм.
После этого, определяем
Nупч= Nс=1+(15+4*10)*2*10-3+[0,6*10-3*(1+15*2*10-3)2+
+15*16*10-6]/2*10-3≈1+0,11+[0,6+0,24]/2=1,53<1,58 (2дБ).
Выбираем УПЧ с распределенной избирательностью. Для 1-го малошумящего каскада выбран транзистор ГТ330Д. При fY21=960 МГц он удовлетворяет условию. Поэтому используем этот транзистор и для остальных каскадов УПЧ.
Параметры транзистора ГТ330Д для fП=30 МГц и IК=3 мА в схеме с ОЭ: g11=2мСм; С11=20 пФ; g22=0,4 мСм; С22=5 пФ; │Y21│=84 мСм; │Y12│=0,31 мСм.
Поскольку требования к избирательности УПЧ не предъявлены, выбираем схему УПЧ с одноконтурными настроенными каскадами и производим её расчет.
Вначале определяем устойчивый коэффициент усиления:
Куст=0,42 =6,9
Далее находим минимальное число избирательных систем для получения заданного усиления:
Принимаем m=7. Вычисляем параметр а по формуле, задавшись b=0,2, μ=1,4:
Для m=7 находим φ=3,1 и определяем необходимое эквивалентное затухание контуров:
Таблица 3.7 – Характеристики УПЧ с настроенными каскадами.
Вычисляем критические значения эквивалентного затухания контуров промежуточных каскадов, приняв d=0,001:
dэ
Рассчитываем m2 и Сэ:
m2=
Вычисляем коэффициент усиления каскада:
 , т.е. каскад неустойчив.
Переходим к каскадной схеме ОЭ – ОБ, поскольку  , >2 Параметры каскадного соединения: g11=2мСм; С11=20 пФ; g22=0,08 мСм; С22=1,6 пФ; │Y21│=84 мСм; │Y12│=4 мкСм.
Производим перерасчет для каскадного соединения:
Принимаем m=3. Для m=3 находим φ=1,96 и вычисляем
d11=2*1,96/30=0,13.
Определяем значения d´и  для промежуточных каскадов:
Рассчитываем m2 и Сэ:
m2=
Находим коэффициент усиления каскада
Т.к. , переходим к режиму фиксированного усиления, полагая Кф=Куст=61.
Вычисляем m2:
m2=2*3,14*61*30*106*7,1*10-12*0,12/(84*103)=0,127.
Емкость Сэ остается без изменения.
Рассчитываем проводимость шунта, подключаемого к контуру:
gшн=2*3,14*30*106*7,1*10-12*(0,13-0,01)*103-0,08-0,1272*2=0,048 мСм.
Переходим к расчету оконченного каскада. Параметры нагрузки УПЧ определяются из расчета детектора радиоимпульсов:
gн=1/Rвх Д = 0,42 мСм; СН≈ СД=1 пФ.
Вычисляем значения d´и
dэ
Выбираем Сэ=7,1 пФ, т.е. такое же, что и в промежуточных каскадах.
Определяем m2 применительно к режиму фиксированного усиления с Кф=61. В соответствии с m2=0,127 (как в промежуточных каскадах).
Вычисляем проводимость шунта, подключаемого к контуру оконечного каскада:
gшн=2*3,14*30*106*7,1*10-12*(0,13-0,01)*103-0,08-0,1272*0,42=0,075мСм.
Общий коэффициент усиления УПЧ Коп=613=2,3*103.
Коп> Коп т, т.е. усилитель имеет некоторое избыточное усиление причем
Коп/ Коп т=1,2, что является допустимым.
Рассчитываем элементы контуров: индуктивности контурных катушек
собственные емкости контуров промежуточных каскадов при См= 3 пФ
Ск=7,1-1,6-0,1272*20-3=2,2 пФ,
собственная емкость контура оконченного каскада
Ск=7,1-1,6-0,1272*1-3=2,5 пФ.
В заключение рассчитываем детектор радиоимпульсов. Для детектирования используем диод Д2В с параметром R1=120 Ом,
СД=1 пФ. Емкость нагрузки  =10СД=10*1=10 пФ. Емкость конденсатора
Сн=10СД – СМ = 10*1-3=7 пФ,
а сопротивление нагрузки
Rн=τс/2,3 = 0,1*10-6/2,3*10*10-12=4 кОм.
Находим Rн/R1=4000/120=34 и определяем КД=0,82, а Rвх д/R1= 20 и Rвх д=2,4 кОм.
Рисунок 3.6 – Зависимость коэффициента передачи и динамического внутреннего сопротивления  диодного детектора от отношения  .
Рисунок 3.7 – Кривые для определения входного сопротивления диодного детектора радиоимпульсов
Проверяем согласно Rн Сн=4*103*10*10-12=40*10-8>1/30*106 =
= 3,3*10-6.
Заключение
В процессе исследования РПрУ, я получил практические знания и навыки в области проектирования радиоприёмных устройств. Мной были применены различные способы подхода к выбору структурных схем блоков, узлов и радиоприёмника в целом, изучал структурную схему РПрУ РЛС. Рассчитывал отдельный блок приёмника, что позволило более точно понять работу этого блока, и его вклад в общую работу схемы. Изучил особенности работы радиолокационного приёмника.
Список используемых источников
Еременко, В. Т. Радиоприемные устройства [Текст] : учеб, пособие / В. Т. Еременко [и др.]. - Орел : ОГУ им. И.С. Тургенева, 2018. - 165 с.
Плаксиенко, В. С. Устройства приема и обработки сигналов [Текст] : учеб, пособие / В. С. Плаксиенко, Н. Е. Плаксиенко, С. В. Плаксиенко. - М. : Учебнометодический издательский центр «Учебная литература», 2004. - 376 с.
Фомин, Н. Н. Радиоприемные устройства [Текст] : учебник для вузов / Н. Н. Фомин, В. С. Плаксиенко и др. ; под ред. Н. Н. Фомина. - М. : Радио и связь, 2003. - 520 с.
Головин О.В. Радиоприемные устройства. М. Высшая школа, 1987.
Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. А. П. Сиверса. Учебное пособие для вузов. М. Сов. радио», 1976.
ЛИСТ ЗАМЕЧАНИЙ |
|
|
Скачать 4.83 Mb.