Радиолокационный приемник

ГУАП
Факультет N2 Кафедра N22
Задание N1
на курсовой проект по дисциплине «Устройство приема и обработки сигналов».
Тема: Радиолокационный приемник.
Выдано студенту группы 6523: Бабахину А.П.
1.Технические условия:
1.1Характеристики принимаемых сигналов:
1.Рабочая частота (диапазон частоты) 17.5Ггц
2.Вид модуляции принимаемого согнала Код Баркера
3.Параметры модуляции База 5
4.Длительность импульса 7 мкс
1.2.Характеристики помех:
1.Вид помехи - белый шум (собственный шум РПУ).
2.Статистические характеристики - гауссово распределение.
3.Температура шумов в антенне Та=200К
1.3.Качественные характеристики приемника.
1.Чувствительность ?
Коэффициент шума 6
2.Отношение сигнала к мощности шума на выходе линейной части приемника 3
3.Схема приемника ?
4.Ослабление по симметричному каналу 20Дб
5.Коэффициент прямоугольности частотной характеристики 1.6
6.Промежуточная частота 35Мгц
7.Полоса пропускания ?
8.Динамический диапазон входных сигналов 60Дб
9.Динамический диапазон выходных сигналов 10Дб
10.Выходное напряжение 10В
11.Параметры выходного устройства R=12Koм. С=25пФ
12.Суммарная нестабильность частоты радио линии 10 Е-7
13.Тип УВЧ ?
14.Схема смесителя ?
15.Конструкция смесителя УВЧ ?
16.Система АПЧ ?
17.Вид амплитудной характеристики - линейный.
18.Тип автоматической регулировки усиления - ИАРУ.
19.Диапазон рабочих температур ?40°С
2.Содержание отчета.
1.Определение (расчет) основных характеристик приемника.
2.Выбор и обоснование структурной схемы приемника.
3.Обоснование и составление функциональной схемы.
4.Выбор и обоснование конкретных типов усилительных приборов.
5.Обоснование и составление принципиальной схемы.
6.Электрический расчет элементов принципиальной схемы.
7.Определение и проверка качественных показателей приемника.
8.Разработать конструкцию смесителя.
9.Подрбно рассчитать тракт УПЧ и преобразователя.
3.Чертежи.
1.Принципиальная схема.
2.Топология преобразователя.
4.Список литературы.
Введение: Радиоприемное устройство состоит из антенны , 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 его параметров.
Проектирование согласно ЕСКД включает в себя составление
технического задания, технического предложения, эскизного и технического
проектов.
В техническом задании содержатся общие характеристики принимаемых
сигналов и помех, качественные, конструктивные и эксплуатационные
требования. На стадии технического предложения выполняют анализ тех.
задания, осуществляют подбор литературы, приводят с сравнивают
различные варианты структурных схем РПУ.
На стадии эскизного проектирования выбирают и обосновывают
функциональную схему РПУ, составляют принципиальную схему и
производят ее расчет, разрабатывают конструкции отдельных узлов и всего
РПУ.
При создании технического проекта составляют рабочие чертежи
изготовляемых деталей, и самого приемника, выбирают технологию
изготовления и т.д.
1.Выбор моделей сигналов и помех.
Передающее устройство импульсного локатора излучает в пространство
импульсы электромагнитной энергии. Объекты, расположенные в
пространстве, отражают эту энергию. Радио локационные сигналы ,
отраженные от целей, зависят от их свойств, а так же от свойств приемника
и антенны.
Сравнивая параметры переданных и принятых сигналов можно судить о
дальности и угловых координатах.
Исходные данные:
1. рабочая частота 17.5 Ггц
2. вид модуляции принимаемого сигнала ЛЧМ
3. параметры модуляции база 5
4. длительность импульса 7 мкс
Принимаем, что цель точечная.
Для получения аналитического выражения оптимального алгоритма
приемника необходимо математическое описание отраженного сигнала при
приеме. При этом исходят из двух требований : модель принимаемого
сигнала не должна быть слишком сложной или слишком простой.
Случайный характер параметров сигнала обусловлен взаимным
перемещением РЛС и объекта, сложной формой ДОР целей и заранее не
предсказуемым его положением в пространстве.
Исходя из анализа тех. задания выбираем сигнал М-4, т.е. сигналы у
которых амплитуда и фаза изменяется по случайному закону.
Помеха G(t) на входе РПУ является случайным процессом. Она
складывается с сигналом S(t) и на вход РПУ воздействует их смесь
V(t) = S(t) + G(t)
Из анализа тех. задания видно, что помехой , действующей в приемнике
является белый шум.
Для гауссовой помехи типа белого шума N(f)=const (энергетический
спектр). Белым шумом являются внутри приемные шумы, радиоизлучения
космических объектов.
Радиоимпульс промодулирован по частоте , т.е. спектр такого сигнала
сплошной.
S(f)
0 f Мгц
рис.1
1. Без ЛЧМ.
2. С ЛЧМ.
Т.к. база сигнала В=5, а
В = tи • 2?Fд т.е.
2?Fд = В /tи = 5/7мкс = 710 Кгц
2.Выбор оптимальной структуры приемного устройства.
РПУ работает при воздействии помех. Помехи мешают приему сигнала.
Качество приема сигналов приемником в присутствии помех оценивают
некоторым критерием . Под синтезом РПУ понимают синтез алгоритма
обработки сигналов.
Для нашего типа сигнала М-4 , т.е. одиночный импульс с неизвестной
амплитудой и фазой.
Алгоритм обработки :?Z?? Zn, или ?Z??? Zn?:
Квадрат модуля корреляционного интеграла :?Z?= ?Z1?(V) + Z2?(V)
И реализуется с помощью следующей схемы:
?Z??
Фо Фв КД
1 2 3 4
Рис. 2
1. Фо- фильтр, согласованный одиночным радиоимпульсов пакета.
2. Фв- дискретный сумматор на скользящем интервале.
3. КД- квадратичный детектор.
4. Пороговое устройство.
3.Определение основных качественных показателей и выбор структурной
схемы РПУ:
Радиолокационный приемник предназначен для усиления отраженных от
целей сигналов и их дальнейшей обработки для выделения полезной
информации. На вход приемника поступает смесь полезных сигналов и
помех. Для полного использования полезной информации необходимо
применять оптимальные алгоритмы обработки . При проектировании
структурной схемы РПУ необходимо предусмотреть устройства ,
реализующие операции оптимального алгоритма принимаемых сигналов.
Схема алгоритма обработки принимаемого сигнала указана на рис.2.
Эту структурную схему алгоритма необходимо преобразовать в структурную
схему устройства, технически реализующий данный алгоритм. Для этого
требуется заменить все логические операции техническими устройствами ,
которые реализуют соответствующие логические операции.
В качестве Фо применяют линейные фильтры, построенные на пассивных
элементах. Технически проще реализовать фильтр Фо на промежуточной
частоте (ПЧ). Для этого в схему РПУ перед Фо вводят преобразователь
частоты, содержащий смеситель и гетеродин (СМ) и (Г) . В качестве
квадратичного детектора (КД) применяют амплитудный детектор (АД).
Пороговое устройство (ПУ) заменяют решающим устройством, а пороговое
напряжение Uп задают исходя из вида критерия обнаружения. Для
обеспечения работы РПУ в реальных условиях , когда параметры сигнала
изменяются , в состав структурной схемы вводят такие устройства, как
устройства автоматической подстройки частоты (УАПЧ), автоматическую
регулировку усиления (АРУ) и т.д.
Так как используется одна антенна на прием и передачу сигналов , для
этого в схему введем антенный переключатель (АП).
Для увеличения чувствительности и избирательности по зеркальному
каналу перед смесителем включен усилитель высокой частоты (УВЧ) и
входная цепь (ВЦ). Для обеспечения работы в динамическом диапазоне
входных сигналов в состав РПУ включают устройство временной
автоматической регулировки порога (АРП). Для частотной автоподстройки
в схему вводят смеситель (СМ2) и усилитель промежуточной частоты
(УПЧ2), различитель (РЗ) и управитель (У). Сигнал от передатчика (ПРД)
через делитель мощности подают на СМ2 . В схему вводят АП.
Сигналы с выхода КД подают на видеоусилитель ( ВУ ), а затем на
индикатор (ИНД), с помощью которого оператор РЛС осуществляет
визуальное наблюдение. Общую синхронизацию осуществляют с помощью
синхронизатора импульсов (СИ), которые запускают ПРД , ИНД и схему
ИАРУ.
Расчет основных параметров структурной схемы.
Исходные данные:
Рабочая частота 17.5Ггц
Коэффициент шума 6
Суммарная нестабильность частоты радио линии 10 Е-7
Чувствительность ?
Ширина спектра сигнала 710Кгц
Будем искать шумовую полосу пропускания приемника и исходя из
значения допустимого коэффициента шума. Выберем типы каскадов.
Полоса пропускания приемника, необходимая для приема сигнала,
складывается из полросы энергетического спектра одиночного сигнала,
2 fд max - полосы, учитывающей доплеровское смещение частоты и Пнс-
запас полос частот для учета нестабильности и неточной настройки.
Ппр=Пс+Пнс+(2 fд max)
Пс- ширина спектра сигнала .
Пс= 0,71 Мгц
Пнс= 2fс fнс
fнс- суммарная нестабильность частоты радио линии.
Пнс= 2 1.75 10 Мгц 10 = 3.5 Кгц
Примем максимальную скорость цели Vmax= 600 , тогда
2 fд max= 2 2Vmax fc
c
2 fд max= 2 2 600 17500/ 3 10 = 0.14 Мгц
Ппр= 710+ 140+ 3.5= 853.5 Кгц
Т.к. Пнс / Ппр 0.1- 0.2 , то в состав РПУ можно не включать систему АПЧ.
Шумовая полоса пропускания приемника:
Пш= Ппр 1.1 = 853.5 1.1= 940 Кгц
Шп= 6
Исходя из этого, выясним нужно ли использовать УВЧ.
При его отсутствии Шп= Шпч + Шупч-1
Крпч
где Шпч- коэффициент шума преобразователя частоты.
Шупч- коэффициент шума УПЧ (усилителя промежуточной частоты).
Крпч- коэффициент передачи по мощности ПЧ.
Шпч= 3.5- 10 (для балансного ПЧ на п/п диоде).
Шупч= 1.5- 2(для малошумящего транзистора).
Крпч= 0.1-0.5(для малошумящего транзистора).
Шп= 5+(2-1)/0.5= 7 Шп?Шпдоп
Значит в схему необходимо ввести усилитель высокой частоты (УВЧ).
Т.к. Шпдоп достаточно мал, то в качестве УВЧ используют диодный
параметрический усилитель на полупроводниковом диоде без охлаждения.
В качестве преобразователя частоты (ПЧ) можно использовать балансный
ПЧ
на полупроводниковом диоде.
4.Определение качественных показателей структурных узлов схемы.
В предыдущем разделе установлено, что для получения необходимого
коэффициента шума в тракт РПУ необходимо ввести УПЧ.
Рассчитаем чувствительность приемника.
Рап=NoRТоПш
где R=1,38 10 Дж/град.
Пш- шумовая полоса линейной части приемника (Гц).
То- температура шумов в антенне.
No- коэффициент шума.
Рап= 6 200 1,38 10 940 10 = 15.5 10 Вт.
Рассчитаем коэффициент передачи тракта РПУ.
Детектор работает при малых напряжениях.
Допустим, Uвых= 0.1В
Определим напряжение на входе УВЧ (Uвх).
Примем Rвх(УВЧ)= 500 Ом.
Uвх ш=
Uвх ш= = 2.8 10 В
Коэффициент передачи линейного тракта:
Кус= = 3.6 10
Если коэффициент шума УВЧ = 1.3 табл.6.2 [1], то
Шп= Шувч+ [(Шпч-1)/Крувч] +[(Шупч-1)/Крувч Крпч, где
Шп- коэффициент шума РПУ,
Шувч- коэффициент шума УВЧ,
Шупч- коэффициент шума УПЧ,
Крувч, Крпч- коэффициент передачи по мощности УВЧ и ПЧ.
Шп= Шувч+ [(Шпч-1)/Крувч] +[(Шупч-1)/Крувч Крпч
Шп= 1.3 + 9/ Крувч + 10/ Крувч = 3
Значения (Шпч-1) и (Шупч-1) выбраны по таблице 6.2 [1].
Крувчmin = 20.
Достаточный коэффициент передачи УВЧ: Кувч = 6.
На УПЧ происходит основное усиление. Рассчитаем коэффициент усиления
для УПЧ.
Кпч 0.8, Кувч= 6.
= Кпч Кувч Купч.
Купч= / Кпч Кувч = 8 /6.08 = 1.6
Теперь предварительно установим, сколько каскадов усиления будет иметь
УПЧ.
Купч= ( К1упч ) , где n- число каскадов .
n = log к1упч К упч
К 1упч 20 для fпч = 35 Мгц и ПС = 0.8 Мгц
n = log20 1.6 10 = 4
Предварительно число каскадов УПЧ- четыре.
В супергетеродинных приемниках частотная избирательность определяется
в основном ослаблениями частотного зеркального и соседнего каналов.
Ослабление по зеркальному каналу обеспечивает преселектор, а соседнего
канала - УПЧ.
Ослабление по симметричному каналу заданно: 20дб.
Требования к избирательности по симметричному каналу не высокие,
поэтому
в УПЧ как фильтры распределенной избирательности, так и фильтры
сосредоточенной избирательности.
Итак, ВЦ- входная цепь, входящая в состав структурной схемы РПУ,
представляет собой устройство защиты приемника от просочившихся
сигналов.
Для обеспечения необходимого коэффициента шума в схему в качестве
УРЧ вводится усилитель на параметрическом диоде, на который нагружен
полосно-пропускающий фильтр, или устройство подавления зеркального
канала. Преобразователь частоты состоит из смесителя и гетеродина.
Преобразователь частоты преобразует частоту сигнала на промежуточную
частоту fпч=35 Мгц (по Т.З.), на которой происходит основное усиление
сигнала. Демодулятором служит АД (амплитудный детектор), за которым
включается видеоусилитель. Для подстройки частоты гетеродина
используется устройство частотной автоподстройки (УЧАП).
Рис. 4.
Структурная схема проектируемого РПУ.
5. Проектирование СВЧ блока.
В блок СВЧ входят: АП, УВЧ, УЗП, УПЗК, СМ, гетеродин.
5.1. Проектирование АП.
С помощью антенного переключателя осуществляют подключение антенны
к тракту передатчика и запирание приемника на время излучения, а после
окончания действия импульса- подключение с минимальной задержкой
выхода антенны к выходу приемника и отключения тракта передатчика.
При большой импульсной мощности сигнала АП строится по следующей
схеме: ферритовый циркулятор, газовый разрядник, диодный резонансный
СВЧ- ограничитель.
Циркулятор- устройство, обладающее следующими свойствами: при подаче
сигнала на плечо 1 циркулятора, выходной сигнал появляется в плече 2 с
очень малым ослаблением (0.2- 0.5Дб), в то время как он в плече 3 он
существенно ослабляется (13-25Дб). Аналогично при поступлении в плечо 2
сигнала, он появляется в плече 3 и не проходит в плечо 1.
В АП сигнал от передатчика поступает на плечо 1 циркулятора Ц1 и через
плечо 2 поступает в антенну. Лишь небольшая часть мощности сигнала
проходит на плечо 3 и через циркулятор Ц2 попадает на вход разрядника
ограничителя (ГР). Разрядник создает в линии передачи практически
короткое замыкание и СВЧ сигнал, отражаясь от него в направлении к
циркулятору Ц2 поглощается в согласованной нагрузке Rн, чем достигается
защита УВЧ от выжигания. Процесс зажигания ГР в начале каждого
импульса возникает с задержкой 10 с. В течении этого времени через ГР
проходит значительная энергия СВЧ колебаний. Выделяющаяся энергия
СВЧ может вывести из строя или необратимо ухудшить параметры диодов
СВЧ. Для предотвращения этого после ГР ставится резонансный СВЧ
ограничитель, включаемый в основную линию через отрезок линии длиной
L=?/4. Ограничитель представляет собой параллельное соединение
разомкнутого емкостного шлейфа С1, последовательного соединения
ограничительного диода Д и коротко замкнутого шлейфа L2 (рис.6).
Отраженный от цели сигнал поступает из антенны на плечо 2 Ц1, затем на
плечо 3, а после на плечо 1 Ц2 и через его выходное плечо 2 на ГР.
Мощность сигнала недостаточна для зажигания ГР. Прямые потери сигнала
в ГР составляют 0.3- 1.5Дб. Для дальнейших расчетов примем коэффициент
передачи ферритового переключателя = 0.9.
Рис.5. Функциональная схема антенного переключателя и
устройство защиты приемника.
Рис. 6. Эквивалентная схема
СВЧ- ограничителя.
5.2. Проектирование устройства защиты приемника.
В устройство защиты приемника входит разрядник приемника и диодный
ограничитель. Основным недостатком диодных ограничителей является
относительно небольшой динамический уровень импульсной мощности
(100вт- 2Квт). Для устранения этого недостатка и объединения достоинств
РПЗ и ограничителя используют разрядник- ограничитель. Он представляет
собой сочетание РПЗ и следующего за ним диодного ограничителя.
Разрядники- ограничители, не требующие никаких источников питания,
выдерживают большие импульсные мощности ( 10Квт) и обеспечивают
защиту приемника от всех возможных сильных сигналов. После ГР
(газоразрядник) ставят резонансный СВЧ- ограничитель, включаемый в
основную линию через отрезок линии l=?/4. Он представляет собой
параллельное соединение разомкнутого шлейфа и последовательное
соединение ограничительного диода и еще одного короткозамкнутого
шлейфа L2.
По таблице 4.8 стр. 209 [2] выберем разрядник- ограничитель MD- 80K12.
=16.5 Ггц
Праб/f0=6.09% - относительная полоса пропускания.
Lпр= 0.9дБ - потери пропускания.
Ри= 10Квт - импульсная мощность.
Рср=10Вт - средняя мощность.
Wп = 0.5 Дж - энергия тока разрядника.
Долговечность = 2000ч.
Длина = 21.3
Масса = 80 г.
5.3.Проектирование и расчет УВЧ.
Исходные данные:
F0=1.75 10 Мгц.
В приемниках РЛС сантиметрового диапазона наибольшее распростронение
получили однокаскадные РПУ на п/п диодах. В основном применяют
двухчастотные регенеративные ППУ. В этих ППУ наряду с частотной
накачкой Fнак, возбуждаемой вспомогательным генератором накачки,
используют две рабочие частоты: сигнальную Fс и холостую Fх= Fнак - Fc,
возникающую в процессе усиления.
ППУ работают на отражении с общим входом и выходом и использует
ферритовый циркулятор для разделения входных и выходных сигналов.
1. Для обеспечения стабильности параметров РПУ, при изменениях в цепи, в
качестве ферритового циркулятора применим пятиплечный циркулятор,
построенного на основе Y-циркулятора ( с волновым сопротивлением
W=50 Ом и потерей пропускания Lп 0.4 дБ). В таком циркуляторе потери
сигнала до входа РПУ равны Lп?= 2Lп= 0.8 дБ, на столько же ослабляется
усиленный сигнал, проходящий из РПУ к выходу циркулятора.
2. По таблице 5.1 (2) выбираем параметрический диод типа D5147G,
имеющий
наименьшие постоянные времени ? и Lпос.
Спер(V) = Спер(0) = 0.32 0.02 пф.
?(V) = ?(-6) = 0.32 пс.
Uнор обр 6 В
к =1.2 В , n = 2, Скол = 0.3 пФ, Lпос= 0.2 нГн.
3. Необходимое напряжение смещения.
Uо= Uнорм обр + к( - 1 )
Uо = 6В + 1.2В( -1) =2.7В
4.Найдем емкость перехода.
Спер(U) =Спер(0) = 0.32 =0.178пФ.
Постоянная времени при рабочем смещении:
?(Uo) =?(-6) = 0.32 =0.436 пс.
Принимаем Со=Спер(Uo)= 0.178 пФ.
5.Коэффициент модуляции:
mмод = ( -1)/( + 1)
mмод = ( - 1)/( + 1) = 0.42
Критическая частота диода.
fкр =
fкр = =73.4 Ггц.
6.Поправочный коэффициент Кс , учитывающий потери в конструкции ДПУ
, принимаем Кс = 2. Тогда находим ?э(Uo) = Кс?(Uo).
?э= 2?0.436 = 0.872 пс.
Эквивалентное сопротивление потерь.
?п э = ?э(Uo)/Спер(U0)
?п э = 0.852/0.172 = 4.9 Ом
Динамическая добротность диода.
Q = = = 2.09
7. Для полученных данных по формулам:
Афt = = Q +1 - 1
Nпу min =( )min =(1 - 1/Крпу)2/Афt
Вычисляем оптимальное отношение частот:
Аопр = - 1 = 2.9
Соответствующий ему коэффициент шума:
Nпу min = (1 - 1/20)(2/2.9) + 1 = 1.66 (2.15дБ)
8.Определим значение холостой частоты fx. Чтобы получить максимально
возможную полосу пропускания ПДУ, не применяя специальных элементов
для ее расширения и упростить топологическую схему ДПУ, в качестве
холостого контура используем последовательный контур, образованный
емкостью Со и индуктивностью вводов Lпос.диода. Цепь входов холостой
частоты замкнут разомкнутым четверть волновым шлейфом, подключенным
параллельно диоду, и имеющим входное сопротивление близкое к нулю. В
этом случае на холостой контур не влияют цепи сигнала и накачки, а также
емкость корпуса диода Скор. Резонансная частота этого контура равна
частоте последовательного резонанса диода.
Fxo = = = 26.6 Ггц
9. Отношение частот:
А = fxo/fco =26.6/17.5 = 1.52
Частота накачки:
fнак = fс (1 + А) = 17.5(1 + 1.52) = 44.1 Ггц
10.''Холодный'' КСВ сигнальной цепи ДПУ, который требуется обеспечить
для заданного резонансного усиления:
=R1/rпос э = (Q /A - 1) , где А = ?x/?o ;
Q = 2.9
= ( ) = 6.5
Требуемое сопротивление источника сигнала R1, приведенное к зажимам
приведенной емкости в последовательной эквивалентной схеме (рис. 7).
R1 = ? rисс э = 6.5 4.9 = 31.89 ом.
Рассчитанные значения ? и R1 обеспечивают подбором согласующих
элементов сигнальной цепи ДПУ, что обычно выполняют экспериментально.
11. Для расчета полосы пропускания зададимся коэффициентами включения
емкости в холостой (mвых х) и сигнальный (mвых с) контуры.
mвых х = 0.5
mвых с = 0.2
Ппу = fco
Ппу = 17500 = 115 Мгц.
12. Определим необходимость мощности накачки ДПУ.
По рисунку 5-27 [2] для Uo/? = 2.7/1.2 =2.25 и находим коэффициент q =0.4
Pнак д - мощность накачки диода,
Pнак д = ? Спер(Uo)?(Uc)(Uo+? ) q
Pнак д = 52830 = 25 мвт
Для fнак = 36.6 Ггц интерполяцией значений коэффициента:
Pнак д =2.15
Pнак = Pнак д Pнак д
Pнак = 2.15 25 мВт = 54 мВт
Pнак = 54 мВт - мощность накачки , которую необходимо подвести к ДПУ.
Рис. 8. Принципиальная схема ДПУ.
5.4. Проектирование и расчет устройства подавления зеркального канала.
В качестве УПЗК используются полосно - пропускающие фильтры (ППУ).
Микроминиатюрный ППФ можно создать если в качестве резонатора
использовать ферритовый образец из монокристалла железоиттриевого
граната (ЖИГ) в виде обычно весьма малой, отполированной сферы. Сфера
ЖИГ, помещенная в магнитное поле, в котором СВЧ поле и внешнее поле от
электромагнита взаимно перпендикулярны, в силу физических свойств
ферритов , резонирует на частотах ферромагнитного резонатора, равной :
? = 3.51 10 Ho [Мгц], где Ho - напряженность внешнего магнитного поля
-[A/M].
Изменяя Ho можно в широких пределах перестраивать резонансную частоту.
Исходные данные для расчета:
рабочая частота ? - 17.5 Ггц.
Полоса пропускания Ппр = 710Кгц.
Полоса заграждения Пз = 4? = 140Мгц
1. Рассчитаем требуемую напряженность внешнего магнитного поля Ho:
? = 3.51 10 Ho Ho =
Ho = = 5 10 А/M
2.Для ферритовой схемы выбираем монокристалл ЖИГ с шириной линии
ферромагнитного резонанса ?Н = 40А/M и намагниченностью насыщения
ферритовой сферы Мо =1.4 10 А/M.
Определяем ненагруженную добротность ЖИГ резонатора:
Qo = = = 11325
3.Находим необходимое число резонаторов фильтра:
n = (Lз? + 6)/20lg(Пз/Ппр)
n = = = 0.5
Примем n=1.
4.Требуемая внешняя добротность ЖИГ резонатора обусловленная каждой
петлей связи:
Qвн о = (fo/Пз) ant lg[(Lз? + 6)/20];
Qвн о =(17500/140) ant lg[(20+6)/20] = 441
5.По рис. 4.33 [2] определяем для Qвн о = Qвн 1 = Qвн 2 - требуемые внешние
добротности каждой петли связи.
Qвн 450 требуемый радиус петли связи в этом случае:
r = 3rсф , а rсф = 0.6 мм. r =1.8 мм.
Таким образом определены необходимые данные для конструирования ЖИГ
резонаторов и петель связи, выполненных из ленточного проводника
шириной 0.4 мм.
6.По формуле : Ппр/? =1/ Qвн о , уточняем полосу пропускания
двухрезонаторного ППФ:
Ппр = 17500Мгц/450 = 39Мгц.
7.По формуле Lo = 4.34 n Qвн о/ Q о
рассчитываем потери на резонансной частоте:
Lo =4.34 /11325 = 0.34дб.
8. Пологаем потери рассеяния на границах полосы пропускания , согласно
Lo гр = 2.5 Lo = 0.85 дб.
Тогда суммарное затухание фильтра на границе полосы пропускания :
L гр = 1+0.85 = 1.85дб.
5.5. Проектирование и расчет преобразователя частоты.
Наиболее важными требованиями , предъявляемыми к электрическим
параметрам смесителей СВЧ, является: минимальный коэффициент шума,
достаточная полоса рабочих частот, минимальная мощность гетеродина.
Балансные смесители обладают некоторыми преимуществами перед
однодиодными небалансными смесителями. Балансный смеситель (БС)
работает при меньшей мощности гетеродина, имеет повышенную
помехоустойчивость и позволяет уменьшить мощность гетеродина,
прсачивающуюся в антенну. Однако можно использовать однодиодный
небалансный смеситель.
Исходные данные:
fo = 17.5Ггц - рабочая частота.
Шпч 10 необходимо применить балансный ПЧ.
fпч = 35Мгц - промежуточная частота.
1.Выберем смесительные диоды и определим их параметры по таблице 7.1
[2].
Используем тип ОБШ АА112Б в микростеклянном корпусе, имеющем, при
Рг = 3мВт, потери преобразования Lпр 6дб, шумовое отношение = 0.85,
rвых сд = 490...664 Ом и Fнорм 7дб,
где Fнорм - нормированный коэффициент шума.
2.Проектирование топологической схемы смесительной секции.
Выбираем схему с согласующим короткозамкнутым шлейфом перед диодом.
Волновое сопротивление четвертьволновых отрезков МПЛ в выходной цепи
секции принимаем для низкоомных и высокоомных отрезков соответственно
20ом и 90ом.
Рис.9 Топологическая схема микрополосковой смесительной секции с
согласующими короткозамкнутым шлейфом lшл перед диодом:
1- короткозамкнутый отрезок МПЛ для компенсации реактивной
составляющей полной проводимости на входе отрезка l1.
2 - диод в стеклянном корпусе.
3 - низкоомный разомкнутый четвертьволновый шлейф.
3.Проектирование СВЧ - моста.
В балансном смесителе , предназначенном для малошумящего
двухбалансного смесителя необходимо использовать синфазно-
противофазные , т.е. микрополосковые кольцевые мосты. Однако учитывая
относительно неширокую заданную полосу (Ппр= 853.5), целесобразно
использовать квадратурный двухшлейфовый мост со сдвигом смесительных
секций друг относительно друга на , поскольку с ним можно получить
более компактную топологическую схему БС и МШДБС в целом (см. Рис.
10).
Рис.10. Топологическая микрополосковая секция малошумящего
двухбалансного смесителя.
СД - однофазный делитель мощности пополам в виде Т соединения линий с
согласующим четвертьволновым трансформатором на входе.
КД - квадратурный делитель мощности пополам в виде квадратурного СВЧ -
моста с согласованной нагрузкой в неиспользованном плече.
5.5.1. Расчет и проектирование двухшлейфного моста.
Исходные данные:
fc=17.5Ггц.
Подложка из феррита толщиной h=0.5мм имеет диэлектрическую
проницаемость среды = 9 и tg угла диэлектрических потерь tg =0.005 ,
материал проводников - золото, проводящие линии имеют W=50 .
1)Определяем волновое сопротивление основной линии:
Wл = W/ = 50/ = 35.5ом. Для шлейфов Wш = W = 50 ом.
2)По формуле W/h = (314/ W ) - 1, находим ширину полоски основной
линии:
= ((314/ W ) - 1)h = ((314/35.5 ) - 1) 0.5 = 0.97 мм.
Шлейфов:
= ((314/50 ) - 1) 0.5 = 0.55 мм.
3)По формулам :
= / ,где - длина волны в линии,
- длина волны в воздухе,
- диэлектрическая проницаемость среды в линии,
= 0.5[1+ + ( - 1)/ ]
Для основной линии:
= 0.5[1+ 9 +(9- 1) / ] = 6.61,
и = 23/4 = 2.23 мм.
Для шлейфов :
= 6.26,
= 2.3 мм.
4)Рассчитаем полные потери в основной линии и шлейфе моста. Для расчета
потерь проводимости из таблицы 3.5 [2] находим удельную проводимость
золота : = 4.1 10 см/м и толщину слоя = 0.78 мкм.
По формуле:
Rп = 1/ = ,
Определим поверхностное сопротивление проводника :
- удельная проводимость проводника.
= 2 f - рабочая частота.
=1.256 10 г/м - магнитная проницаемость в вакууме.
= относительная магнитная проницаемость среды.
Rп = 1/4.1 = 0.031ом/м .
Погонные потери проводимости МПЛ основной линии:
= 8.68 Rп/W ,
= 8.68 0.031/35.5 = 0.078 дб/см,
и щлейфа:
= 8.68 0.031/50 0.055 = 0.98 дб/см,
Потери проводимости отрезка основной линии и шлейфа соответственно
равны:
? = = 0.078 0.223 = 0.017 дб,
? = 0.098 0.23 = 0.023 дб.
5)Аналогичным образом вычислим диэлектрические потери отрезка в МПЛ
моста, используя формулу:
=27.5
Потери основной линии:
? = = 0.223 27.3 = 0.102дб.
Потери шлейфа:
? = 0.23 27.3 =0.115дб.
Т.о. получено, что диэлектрические потери больше потерь проводимости (из
за большой величины tg - угла диэлектрических потерь).
6)Такие потери шлейфа и основной линии моста соответственно равны:
? =? +? = 0.023 + 0.115 = 0.132дб = 0.015 Нп,
? = ? +? = 0.017 + 0.102 = 0.129 дб = 0.014Нп.
7)КСВ входных плеч моста:
=(2+3? +3 ? )/(2+? + ? ),
=(2+3 3 )/(2+0.015+ 0.014)= 1.07.
Развязка изолированного плеча:
L = 20 lg ? + ? )/(? + ? )],
L = 35дб.
Потери моста:
L = 20 lg(1+? + ? ),
L = 20 lg(1+0.015 + 0.014) = 0.3дб.
Эти параметры моста соответствуют средней рабочей частоте полосы
частот.
Потерями моста (L 0.3дб) можно пренебречь.
Определяем разброс параметров диодов в паре.
Для проектируемого БС полагаем диоды подобранными в пары с разбросом
rвых СД согласно формуле:
r = rвых СД1/ rвых СД2 1+ 30/ rвых СД min,
r = 1+ 30/440= 1.07 и разбросом Lпр.б, при котором L = 0.5дб.
5.Находим rБС ср= 0.5 rвых СДср = 270 ом и принимаем LБС max = Lпр max = 6дб.
nбс = nш = 0.85.
6. Рассчитываем величину :
L r (дб) = 0.12 + 0.5 + 10lg1.07 = 0.92дб. По графику рис.7.22.[2]
определяем коэффициент подавления шума гетеродина
Sш = 26дб.
7.Находим необходимую мощность гетеродина на входе БС по формуле:
Рг =1 2 3 =6мВт (при расчете оптимальной мощности гетеродина
полагается равной паспортной Ргопт =3мВт).
8.Определяем шумовое отношение по формулам:
ma =10lg nгс10 RTo ,
где nгс - относительный спектр мощности шума,
ma - выбирается в пределах 100-180 дб/Гц,
R - постоянная Больцмана. R =1.38 10 дж/К.
То = 273 К.
nгс = ant lg (ma /10)/10 RTo = ant lg (-180/10)/(10 1.38 10 273) =
25дб/Гц.
nг = nгс Рг.
nг = 25 6 = 150.
9.Рассчитываем коэффициент шума по формуле:
N = L L (n + n / L L S + N -1),
где L - потери СВЧ моста, L =1,
nг - шумовое отношение. nг = 150.
n - шумовое отношение БС. n = 0.85.
S - коэффициент подавления шума гетеродина. S = 26дб.
N - коэффициент шума УПЧ. N = 4.
L - затухания в системе.
N = 1 = 12дб.
Гетеродин выбираем по таблице 8.4, приведенной на стр.364[2]. Исходными
данными является рабочая частота , выходная мощность мВт, и
диапазон электрической перестройки частоты (механической
перестройки частоты не требуется, так как передатчик работает на
фиксированной частоте 17.5 Ггц). Полагаем и = - = 35Мгц,
= + =17535Мгц, т.е. рабочая частота гетеродина составляет
17535Мгц, диапазон перестройки = 35 Мгц.
Итак, выбираем гетеродин типа VSX-9012, имеющий параметры:
-рабочая частота : 12.4-18Ггц.
-диапазон механической перестройки: = 0Мгц.
-диапазон электрической перестройки: =1000Мгц.
-выходная мощность гетеродина: 50мВт.
-напряжение питания: U = 8В.
-ток питания: I = 0.4 А.
В генераторах на диодах Ганна с полосковой и микрополосковой
конструкцией используют электрическую перестройку частоты. Наиболее
распространенным методом такой перестройки является включение
варактора в колебательную систему гетеродина. Варактор представляет
собой диод с нелинейной емкостью, величина которой изменяется при
изменении отрицательного смещения Uов на нем. Таким образом изменяют
резонансную частоту колебательной системы и осуществляют
электрическую перестройку частоты. Достоинством такого метода
перестройки является практически полное отсутствие потребление тока по
цепи управления частотой. В схему генератора варактор можно включать
последовательно или параллельно СДГ (рис.11). Колебательная система ГДГ
включает в себя все реактивные элементы ДГ и варактора, а также
настроечно- согласующую секцию, состоящую в выходной линии и
разомкнутого параллельного шлейфа длиной lшл . Цепь СВЧ от цепей
постоянного тока развязывают режекторные фильтры РФ.
Рис. 12 Эквивалентная схема на диоде Ганна с последовательным
включением варактора для перестройки частоты.
6.Проектирование и расчет УПЧ.
1) Коэффициент усиления по мощности преселектора.
К = К К Крурч Кр Крпч:
Где К =0.9, Курч =30; К К Крпч- соответственно определяем по
вычисленным ранее значениям ранее затуханиям сигналов
в этих устройствах.
К= 1/L
Lузп= 0.8дб =1.21 К =0.825,
Lупзк= 0.66дб = 1.16 Кр = 0.85,
L пч = 6дб = 4 Крпч = 0.25.
К = 0.9 = 5 6.5дб.
2)Мощность сигнала на входе на входе УПЧ при чувствительности
Рап=15.5 10 Вт , составит:
Р = 15.5 10 5 = 77.5 10 .
3)Напряжение сигнала на входе 1-го каскада УПЧ, при согласовании этого
каскада со смесителем, равно:
Uвхп= , где g = Zм(ом)- входная проводимость транзистора,
который будет использоваться в УПЧ. Для УПЧ используют биполярные
транзисторы.
В качестве транзистора выбираем ГТ 309А (по таблице приложения 4[2]),
т.к. 0.3 = 27Мгц. = 90 Мгц и выполняется условие (2-3) .
Параметры ГТ 309А:
= 120Мгц, 0.3 = 27Мгц, = 30 мА/В, g = 2 мСм, С = 70пф, g =
6мкСм, С = 8пф, С = 2пф, h = 50, Nм= 5дб, Iкбо= 2мкА.
4)Требуемый коэффициент усиления:
Ко= Uвых/Uвх п,
где Uвых - выходное напряжение ПЧ, равное входному напряжению
детектору ( 0.01в).
5)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:
= 35Мгц- промежуточная частота,
П= 710Кгц- полоса пропускания,
=20дб- ослабление соседнего канала.
Рис. 13.Принципиальная схема каскада с ФСИ.
6)Определим величину :
= ;
где - промежуточная частота,
d- собственное затухание контура,
П- полоса пропускания УПЧ.
d = 0.004, П = 1Мгц.
= = 0.38
7) Задаемся числом звеньев и в качестве начального приближения выбираем
n= 4.
8)Находим ослабление на границе полосы пропускания, обеспечиваемое
одним звеном:
Sеп1= Sеп/n, где Sеп- ослабление на границе полосы пропускания.
Sеп = 3дб.
Sеп1=3/4 = 0.75
9)По графикам рис.6.4 (стр.284[2]) для = 0.38 и Sеп1= 0.75 находим
параметр .
= 0.83.
10) Определим разность частот среза:
= = 1.4Мгц/0.83 = 1.7Мгц.
11)Определим вспомогательные величины y и :
y = ;
= ;
y = 2 /1.7 = 1.65; = 0.26 0.83 = 0.2
12)По графику рис.6.3 находим для = 0.2 и y = 1.65:
S = 8дб.
13)Определяем расчетное ослабление соседнего канала, задавшись
величиной :
S = n ,
где ?S - ухудшение избирательности из-за рассогласования фильтра с
источником сигнала и нагрузкой.
S = 4 8дб - 3дб = 29 дб 20дб.
14)Для расчета элементов фильтров зададимся величиной номинального
характеристического сопротивления: Wo= 10кОм.
15)Вычисляем коэффициенты трансформации по формулам:
m =
m =
Wo g = 10 10 6 10 = 0.08 1 ,
Wo g = 10 10 2 10 = 20 1 ;
16)По графикам (рис.6.6) стр.287[2]) определяем коэффициент передачи
ФСИ для n= 2, = 0.2
Кпф= 0.65.
17)Рассчитаем коэффициент усиления каскада с ФСИ:
Коф= 0.5m m WoКпф
Коф= 0.5 1 0.20 30 10 10 10 0.65 = 20.
Для требуемого усиления (140000) необходимо 4каскада. Тогда
коэффициент усиления составит 160000. Превышением можно пренебречь.
18) Рассчитываем элементы, образующие звенья ФСИ.
Где m - соответствует коэффициенту трансформации m , -
коэффициент связи (0.7-0.9).
7. Проектирование детектора широкоимпульсного сигнала с линейной
частотной модуляцией.
Устройство, предназначенное для выделения огибающей процесса
называется детектором. При Uм?0.3-0.5В диодный детектор работает в
квадратичном режиме. Операцию получения квадрата огибающей
выполняют в два приема: сначала с помощью линейного детектора
выделяют огибающую, напряжение которой затем подают квадратор.
Квадратор относится к устройствам , реализующим операцию умножения
процесса на процесс. Наиболее совершенные перемножители - умножители
компенсационного типа.
Рис.14. Умножитель компенсационного типа.
При подаче на вход 1 (U ) напряжения U реализуется операция
возведения в квадрат. Умножитель компенсационного типа состоит из двух
перемножителей прямого действия. Простейшим умножителем является
избирательный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления. Так же
в состав умножителя компенсационного типа входит операционный
усилитель (ОУ). Амплитудный линейный детектор (АД) выполняют на
полупроводниковых диодах или транзисторах. Диодные полупроводниковые
детекторы могут иметь как последовательные, так и параллельные схемы
включения.
Рис.15. Последовательная схема включения АД.
Источником сигнала является колебательный контур Lк, Ск , индуктивно
связанный с выходом резонансного усилительного каскада. К нему
подключен детектор , образованный диодом Д и нагрузкой RC. Фильтр (Lф
и его паразитная емкость Сф) - уменьшает высокочастотные пульсации
выходного напряжения.
Перед детектированием импульсы, принимаемые РЛ приемным
устройством, согласно структурной схеме, проходят фильтровую обработку.
Фо - представляет собой согласованный фильтр. Фильтр Фв - весовой
сумматор на скользящем интервале.
Рис.16.Весовой сумматор на скользящем интервале.
Итак, коэффициенты устройств, входящих в структурную схему (до АД):
Капч= 0.95, Кузп= 0.9, Кувч= 5.5, Купзк= 0.92, Кпч= 0.5, Купч= 1,6 ,
Кф= 0.1; после СФ (т.к. он ослабляет сигнал), необходимо ввести в схему
усилитель с коэффициентом передачи: Кус= 10.
Введем каскад с ОЭ.
8.Проектирование АПЧ.
Для автоподстройки частоты гетеродина можно использовать частотный
детектор приемника и управитель частоты (УЧАП), который должен
работать при относительно медленном изменении частоты, вызванном
нестабильностью передатчика и гетеродина приемника.
Рис.16. Принципиальная схема АПЧ.
В системе АПЧ используется частотный детектор. Его подключаем к каскаду
УПЧ , выполненному на интегральной микросхеме К224УС3. Частотный
детектор выполнен на расстроенных контурах с последовательным
резонансом. (Д1, Д2, С1- С4,L1, L2, R1, R2).
Чтобы последующие цепи не шунтировали нагрузку ЧД, на его выход
ставим эммиттерный повторитель, в качестве которого использовали
микросхему К2УЭ182 . Коэффициент передачи ЭП - Кэп= 0.9. Учитывая ,
что уровни сигналов на входе на выходе ЧД велики, видеоимпульсы после
ЭП необходимо усиливать в разных каналах.
Пиковые детекторы (на Д3 и Д4) - для формирования регулирующих
напряжений, которые складываются после пиковых детекторов для
получения результирующей характеристики частотного детектора.
Видеоусилители, к которым должны присоединятся пиковые детекторы
построены на микросхемах К218УИ1 (импульсный усилитель на
положительную полярность) и К218УИ2 (импульсный усилитель на
отрицательную полярность), имеющие основные характеристики: Кву 3,
Riву= 100 ом.
Истоковый повторитель на полевом транзисторе КП102Л, служит для
исключения шунтирования нагрузок пиковых детекторов.
10.Проектирование системы АРУ (автоматической регулирования
усиления).
Исходные данные:
Тип АРУ: ИАРУ
Dвх =50 дб,
Dвых =10 дб.
Так как динамический диапазон входных выходных сигналов составляют 50
и 10дб, то требуемое изменение усиления УПЧ при максимальном ИАРУ
составит раз.
Количество регулируемых каскадов:
n = , где - изменение усиления одного каскада.
Охватывая АРУ 3 каскада, регулировку усиления на выходной каскад УПЧ
не вводят. Получаем требуемое изменение усиления одного каскада.
n = n =4/3 =1.33
= 22 - коэффициент передачи каждого из трех каскадов должен меняться в
пределах : 0.23-5
Рис. 17 Принципиальная схема ИАРУ.
11.Проектирование видеоусилителя.
В видеоусилителях на транзисторах применяют схемы с общим эммитером ,
так как они обеспечивают наибольшее усиление.
Исходными данными для рассчета являются:
- необходимый коэффициент усиления : Кву =146.
- время установления импульса tуст.=0,4 мкс.( т.к. импульс- прямоугольный ).
- длительность импульсного сигнала ? = 1.83 мкс.
- спад вершины =0.1.
- выброс вых. напряжения = 0.1.
-сопротивление источника сигнала =20 кОм.
- Rн =18 кОм. Сн =25 пФ.
1) Выбираем транзистор:
(1.4 / )
6.2Мгц - граничная частота 60 Кгц.
Выбираем транзистор ГТ309А:
= 100-300.
2)Так как параметры выходного устройства R=18 Ком, С= 25 пф, то нагрузка
имеет емкостной характер, то используем схему с общим эмиттером. Для
необходимого коэффициента усиления ВУ, необходимо поставить два
каскада с ОЭ.
Рис.18. Принципиальная схема видеоусилителя.
12. 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, корозийной 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.
13. Заключение.
Расчет чувствительности РПУ определяем по фомуле:
РА=К То Пш , Nп-коэффициент шума приемника; Nп =3.
Тогда РАр = 1.38 =5 вт.
Ослабление по зеркальному каналу - 30дб.
Ослабление по соседнему каналу - 29дб.
14.Список литературы.
1. ' Проектирование радиолокационных приемных устройств. ' | Под
редакцией Соколова М. А. 1984г. |
2. ' Проектирование РПУ. ' | Под редакцией Сиверста. 1976г. |
3. ' Расчет радиоприемников. ' | Бобров Н.В. и др. 1971г. |
4. ' Радиоприемные устройства. ' | Ширман и Рулевич. |
5. ' Справочник по п.п. диодам, транзисторам и интегральным микросхемам.
' | Под редакцией Горнонова 1979г.|
6. ' ИМС. Справочник. '
7. ' Устройства приема и обработки сигналов. ' Методические указания к
курсовому проектированию. Саломасов В.В. Соколов М. А. 1989г.
Т
Бабахин.А.П. Лист N 1