Разработка приёмника радиолокационной станции обнаружения
Разработка приёмника радиолокационной станции обнаружения
Московский Авиационный Институт
Пояснительная записка
к курсовому проекту
по предмету:
«Разработка приёмника радиолокационной станции
обнаружения»
Выполнил:
Vanish588
Проверил:
Выборный В. Г.
Москва 2010г.
Содержание
Введение
3
Исходные данные для
расчёта 4
1 Выбор и обоснование структурной
схемы приёмника 5
1.1 Определение параметров
структурной схемы приёмника 6
1.1.1 Определение
эквивалентных параметров антенны 6
1.1.2 Расчет полосы пропускания линейного тракта
РПрУ 6
1.1.3 Определение
структуры радиотракта 8
1.1.4 Обеспечение необходимого усиления трактом ВЧ
9
1.1.5 Обеспечение
необходимого усиления трактом НЧ 10
1.1.6 Окончательная структурная схема приёмника 10
2 Расчёт усилителя промежуточной
частоты 10
3 Конструкция
приёмника 18
Заключение
19
Список
литературы
20
Приложение Схема электрическая
принципиальная узла УПЧ 21
Введение
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.
Исходные данные для расчёта
1. Спроектировать приёмник
радиолокационной станции обнаружения
2. Составить и рассчитать структурную
схему приёмника.
3. Провести электрический расчёт узла
УПЧ.
4. Исходные данные для
проектирования:
- рабочий
диапазон частот: МГц
см
- вид сигнала:
импульсный мкс
-
чувствительность: 4∙10Вт
- ослабление
побочных каналов приёма: дБ
- изменение
уровня входного сигнала: 60 дБ
- уровень
выходного сигнала и его изменение: 10 В; 4 дБ
- оконечная
нагрузка: Rн=100 Ом, Сн=5 пФ
- источник
электроэнергии: сеть 220 В
- условия
эксплуатации: Токр= -10…+40С
5. Узел для
конструирования: плата УПЧ
6. Дополнительные
требования: использование микросхем
1 Выбор и
обоснование структурной схемы приёмника
Существенное улучшение всех показателей РПрУ достигается на основе
принципа преобразования частоты принимаемого сигнала - переноса его в
частотную область, где он может быть обработан с наибольшей эффективностью.
Самое широкое распространение во всех радиодиапазонах получила построенная на
этом принципе схема супергетеродинного приемника. Эта схема в настоящее время
наиболее совершенна.
Приемники супергетеродинного типа позволяют успешно решать задачи
получения требуемой фильтрации принимаемого сигнала, обеспечение заданного
усиления, решение проблемы селективности, простоты перестройки, которая
обеспечивается с помощью простых колебательных систем преселектора.
Относительная широкополосность приемников импульсных
сигналов позволяет, как правило, строить такие приемники с однократным
преобразованием частоты.
Из выше сказанного можно сделать вывод, что построение
проектируемого РПрУ целесообразно выполнять по супергетеродинной схеме,
наилучшим образом удовлетворяющей заданным техническим требованиям.
|
Структурная схема приемника с однократным
преобразованием частоты:
АФТ – антенно-фидерное устройство; ВЦ -
входная цепь; СМ - смеситель; Г - гетеродин; ДМ - демодулятор; Н - нагрузка;
АРУ - автоматическая регулировка усиления; АПЧГ - автоматическая подстройка
частоты гетеродина; ПРД – передатчик.
|
Амплитуда сигналов, поступающих на вход
радиолокационного РПрУ, изменяется в широких пределах, т.к. мощность отраженных
от цели сигналов обратно пропорциональна четвертой степени расстояния до цели
(которое может меняться) и, кроме того, зависит от типа цели и её эффективной
поверхности рассеивания. Работа РЛС в реальных условиях сопровождается
действием разного рода активных и пассивных нестационарных помех естественного
и искусственного происхождения, уровень мощности которых зачастую значительно
(на 20..60 дБ) превышает уровень полезного сигнала, а параметры априорно
неизвестны. Воздействие помех еще больше расширяет диапазон изменения сигналов,
поступающих в антенну РЛС.
1.1 Определение
параметров структурной схемы приёмника
Проектируемый радиолокационный приемник имеет настроенную антенну, т.е.
её сопротивление чисто активно и равно сопротивлению фидера:
Ом
Относительная шумовая температура антенны:
;
где T0 - стандартная температура приёмника Т0=290 0 К
;
ТА - абсолютная шумовая температура
антенны.
Для нашей приемной антенны примем: ТА =140 0 К.
Для импульсных сигналов полоса
пропускания приемника выбирается исходя из получения максимального отношения
сигнал/шум на выходе радиотракта. Такая полоса называется оптимальной и
определяется как:
кГц
Ширина полосы пропускания
линейного тракта П складывается из ширины спектра принимаемого сигнала Пс,
доплеровского смещения частоты сигнала fд и запаса полосы, требуемого для учета нестабильностей и неточностей
настроек приемника Пнс:
Доплеровское смещение:
кГц,
где Vц - скорость цели относительно антенны РЛС (у нас 600 м/с);
с - скорость света в вакууме.
Запас полосы для учёта нестабильностей:
,
где бс - относительная
нестабильность несущей частоты принимаемого сигнала; при использовании в передатчике
кварцевой стабилизации частоты несущей можно получить бс =(10-5...10-6)
бг- относительная нестабильность частоты
гетеродина, которую на данном этапе можно оценить лишь приблизительно.
Выбрав транзисторный однокаскадный гетеродин с кварцевой
стабилизацией, можно получить бг=10-6
бпр - относительная
погрешность и нестабильность настройки контуров тракта промежуточной частоты,
принимаем бпр=(0,0003...0,003);
бн - относительная нестабильность частоты,
вызванная неточностью настройки контуров гетеродина, бн =
(0,001...0,01);
Промежуточная частота выбирается исходя из условий:
МГц
где
Sзкз
- заданное ослабление зеркального канала, которое принимаем равным 25 дБ (320
раз);
n - число колебательных систем в преселекторе,
n=2,
Qк – добротность резонансного контура в ППФ в
радиотракте, для обеспечения требований избирательности по зеркальному каналу.
В РЛП миллиметрового и сантиметрового диапазонов промежуточная частота
равна либо 30, либо 60 МГц. Выберем промежуточную частоту из стандартного
ряда:
fпр=60
МГц
Частота гетеродина: fг=fc-fпр=7,5-0,06=7,44 ГГц
=
= 15 МГц
Пнс>(1,2...1,5)×Пс,
следовательно придётся использовать частотную автоматическую подстройку
частоты (ЧАПЧ) или фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ).
При использовании
ЧАПЧ с Кчапч=10 полоса пропускания приемника:
кГц .
При использовании
ФАПЧс Кфапч Þ ~ полоса пропускания
приемника:
МГц .
ПФАПЧ получилась уже, чем ПЧАПЧ,
поэтому будем использовать ЧАПЧ.
Полоса пропускания:
МГц
Отношение сигнал/шум связано с флуктуационной ошибкой соотношением:
, где полоса DFэ =(5..10)/2p »2
Необходимо учитывать потери в отношении сигнал/шум, возникающие из-за
следующих причин:
потери при распространении радиоволн r1
= 1...3 дБ
потери в антенно-фидерном тракте r 2
= 1 дБ
потери при амплитудном детектировании r 3 =
1...5 дБ
потери на квантование r
4 = 2 дБ ( при
двухуровневом квантовании )
Суммарный коэффициент
потерь: r = Sri = 5...10 дБ.
Примем r =
10 [дБ] = 3,16 [раз]
Отношение сигнал/шум с учетом потерь:
(Рс/Рш)`= (Рс/Рш)×r =
0,45×3,16 » 1,42
Расчет предельно
допустимого коэффициента шума:
где:
Кр.ф. @ 0,8 - коэффициент
передачи фидера по мощности.
Пш = 1,1×П = 1,1×0,715=0,786
МГц.
К - постоянная Больцмана К=1,38×10-23 Дж/К.
АФТ представляет из себя волновод соединяющий
антенну с последующими каскадами. Оценим коэффициент шума линейного тракта
РПрУ, после чего решим вопрос о включении или невключении УРЧ в состав
радиотракта.
Также в радиотракте следует установить устройство защиты УЗ, которое
защитит приёмник от протикающей через антенный переключатель из передатчика ПРД
1% мощности излучаемого сигнала (≈10Вт). УЗ представляет из себя
полупроводниковый диодный ограничитель.
Коэффициент шума радиотракта без использования усилителя
радиочастоты:
Все коэффициенты
шума ориентировочно:
Швц=1,3 Квц=0,8 коэффициент передачи
входной цепи
Шпч=5 Кпч=8 (при использовании
транзисторного ПЧ)
Шупч=10
КФ=0,8 коэффициент передачи фильтра
< Шдоп=28Þ можно обойтись без УРЧ.
Обеспечение достаточного усиления радиосигнала трактом
ВЧ необходимо для нормальной работы детектора, а так же получения низкого
уровня шума. Основное усиление обеспечивается в тракте ПЧ. Основными
требованиями к усилительным каскадам линейного тракта являются их достаточная
устойчивость (возможно меньшее число каскадов) и построение на основе наиболее
экономичной и современной электронной базы.
Коэффициент усиления
линейного тракта:
,
где RА
- активное сопротивление антенны;
Uпр - амплитуда сигнала на выходе УПЧ;
Требуемая амплитуда сигнала на выходе УПЧ определяется амплитудой
напряжения, необходимой для нормальной работы детектора: Uвых=1В.
Расчет коэффициента
усиления линейного тракта:
Коэффициент передачи по мощности для транзисторного
преобразователя частоты
примем равным:
КРпч = 8
Амплитуда напряжения на входе УПЧ :
Uвх= 4Рвх×Rвх = 2×Ра×Квц×Кпч×Rвх = 2×4×10-13×0,8×8×103 = 0,03 мВ.
Коэффициент усиления
УПЧ по напряжению:
Купч=Uвых/Uвх=1/(0,3×10-4)=33,3×103
1.1.5 Обеспечение необходимого усиления трактом НЧ
Коэффициент передачи
диодного детектора KД примем равным 0,7. Следовательно, коэффициент
усиления видеоусилителя КВУ будет равен:
1.1.6 Окончательная структурная схема приёмника
2 Расчёт усилителя промежуточной частоты
Начнём расчёт усилителя в выбора
транзистора. Для УПЧ используют высокочастотные биполярные транзисторы.
В качестве транзистора выбираем 2N2478, т.к.
МГц. = 120 МГц и выполняется условие (2-3)
Параметры транзистора 2N2478:
= 200МГц, 0.5= 60МГц, = 30 мА/В, g= 2 мСм, С= 70пФ, g= 6мкСм, С= 8пФ, С= 2пФ, h= 50, Nм= 5дБ, Iкбо= 2мкА.
Для обеспечения избирательности
по соседнему каналу применяют фильтр сосредоточенной селекции (ФСИ) на ПЧ, т.к.
ФСИ может дать лучшую избирательность , чем УПЧ с распределенной
избирательностью. При этом каскад УПЧ содержит каскад с ФСИ, который
обеспечивает требуемую избирательность и ряд апериодических или
слабоизбирательных каскадов, создающих основное усиление на ПЧ.
Исходные данные для расчёта:
= 60 МГц – промежуточная частота,
П= 15.75 МГц – полоса пропускания,
=35×103
– коэффициент усиления УПЧ,
Особые требования по избирательности по
соседнему каналу на предъявляются.
Принципиальная схема каскада с ФСИ.
Расчёт:
Определим величину :
= ;
где - промежуточная частота,
- собственное затухание контура,
П - полоса пропускания УПЧ.
d =
0.004, П = 15.75 МГц.
= = 0.03
Задаемся числом звеньев и в качестве
начального приближения выбираем n= 4.
Находим ослабление на границе
полосы пропускания, обеспечиваемое одним звеном:
,
где - ослабление на границе полосы пропускания.
= 3дб.
По графику для = 0.03 и = 0.75 находим параметр .
Из графиков параметр получился равным= 0.9.
Определим разность частот среза:
= = = 17.5 МГц.
Определим вспомогательные
величины yи :
y=
=
y= 1.8
=
По графику находим для = 0.027 и y= 1.8:
Из графиков параметр S= 10.3 дБ.
Определяем расчетное ослабление
соседнего канала, задавшись величиной :
S= n,
где DS- ухудшение избирательности из-за
рассогласования фильтра с источником сигнала и нагрузкой.
S= 4 = 38.2 дБ
Особых требований к избирательности по соседнему каналу не предъявлялось,
будем считать, что S= 38.2 дБ нам подходит.
Для расчета элементов фильтров
зададимся величиной номинального характеристического сопротивления: Wo= 20кОм.
Вычисляем коэффициенты
трансформации по формулам:
m=
m=
= 20∙10∙6∙10 = 0.121,
= 20∙10∙2∙10 = 401 .
По графикам определяем
коэффициент передачи ФСИ для n = 4, = 0.027
Из графика коэффициент передачи ФСИ получился
равным, Кпф= 0.75.
Получилось что , то для согласования фильтра с коллекторной
цепью параллельно входу фильтра включаем шунтирующий резистор с проводимостью:
См → Ом
Рассчитаем коэффициент усиления
каскада с ФСИ:
Рассчитываем элементы, образующие звенья ФСИ:
где m- соответствует коэффициенту трансформации m,
- коэффициент связи (0.7-0.9).
Расчёт параметров усилительных каскадов:
Площадь усиления:
,
где - коэффициент усиления одного каскада (),
- требуемая верхняя граничная частота ().
Гц
Гц
Определим число каскадов из
номограмм, где построены зависимости, отношения площади усиления к верхней
частоте усиления ,
от коэффициента усиления АУ . При этом - верхняя граничная частота с учётом числа
каскадов . в нашем случае равно .
Гц
Из номограмм видно, что нам
потребуется два каскада усиления после каскада ФСИ.
Будем использовать тот же
транзистор, что и в каскаде с ФСИ.
Для требуемого усиления (35∙) в УПЧ необходимо 3 каскада. Тогда коэффициент
усиления составит:
Напряжение на выходе 3-х каскадного УПЧ с ФСИ
составит:
В
Превышением усиления в нашем
случае можно пренебречь.
Исходные данные для расчёта усилителя:
П= 15.75 МГц – полоса пропускания,
Гц – верхняя граничная частота с учётом
количества каскадов,
- диапазон рабочих температур,
|
Технологический параметр для кремния:
|
|
|
Коэффициент
температурного сдвига:
|
|
|
Ток эмиттера:
|
А
|
|
Обратный ток
коллектора:
|
А
|
|
Источник питания:
|
В
|
|
Сопротивление
коллектора:
|
Ом
|
|
Транзистор:
|
2N2478
|
|
Напряжение коллектор-эмиттер:
|
В
|
|
Напряжение
эмиттер-база:
|
В
|
|
Коэффициент
усиления по напряжению:
|
|
Изменение обратного тока коллектора:
Ток делителя:
Сопротивления в цепи базы:
Сопротивление в цепи эмиттера:
Емкость в цепи эмиттера:
- влияние ёмкости в
цепи эмиттера.
Разделительные ёмкости:
Сопротивление в цепи коллектора:
Принципиальная схема трёхкаскадного УПЧ с ФСИ приведена в приложении.
3 Конструкция
приемника
Основной задачей конструирования
приемника является обеспечение работоспособности устройства с параметрами
заложенными в его электронный расчет.
Необходимо добиться такого
взаимного расположения каскадов и узлов на печатной плате, чтобы минимизировать
паразитные связи; обеспечить жесткость конструкции, коррозийной и стойкости
устройства; обеспечить удобство управления, контроля, ремонта и транспортировки;
уменьшить габаритные размеры и массу; согласовать конструктивно приемник с
аппаратурой, с которой он работает.
Для уменьшения паразитных связей
необходимо тщательно продумать размещение каскадов. Используют размещение схемы
‘в линейку’, либо ‘по периметру’.
Для обеспечения жесткости
конструкции печатные платы крепятся на прочном основании. В профессиональных
устройствах, имеющих блочную конструкцию такие рамы в виде кассет вставляются в
кожухи.
При использовании приемника в
тяжелых климатических условиях отдельные элементы и блоки помещают в
специальные герметические кожухи.
При работе приемника необходим
отвод тепла через естественную конвенцию воздуха.
Проектирование внешнего вида
приемника является одной из важнейших задач и должно производиться в
содружестве с художником. Форма и расположение ручек управления влияет на
работоспособность оператора.
Заключение
В процессе эскизного
проектирования, мы получили практические знания в области проектирования
радиоприёмных устройств. Пробовали и применяли различные способы подхода к
выбору структурных схем блоков, узлов и радиоприёмника в целом, учитывая
особенности каждой отдельной схемы, исходя из области её применения. Рассчитывали
отдельный блок приёмника, что позволило более точно понять работу этого блока,
и его вклад в общую работу схемы. Изучили особенности работы радиолокационного
приёмника.
Список литературы
1.Методические указания по проектированию радиоприёмных устройств. - Бакалов
В.П., Белоусов Н.Н., Выборный В.Г (под редакцией Протопопова А.С.) Москва1999г
2. Проектирование РПУ. | Под редакцией Сиверса.
1976г. |
3.Расчет радиоприемников. | Бобров Н.В. и др. 1971г. |
4.Справочник по п.п. диодам, транзисторам и
интегральным микросхемам.
5.Проектирование радиолокационных приемных устройств.|
Под редакцией Соколова М. А. 1984г.