Радиолокационный приемник сантиметрового диапазона

Радиолокационный приемник сантиметрового диапазона

Содержание

Введение....................................................................................................................................................................... 1

2.Выбор и обоснование функциональной схемы РЛС........................................................ 2

2.1.Амплитудная моноимпульсная система............................................................................................. 3

2.2. Определение параметров сигнала.......................................................................................................... 4

3.Выбор и обоснование структурной схемы приёмника............................................... 9

Структурная схема моноимпульсной РЛС сопровождения............................................................ 11

4. Расчёт и определение параметров структурной схемы РПРУ............................ 11

4.1. Определение эквивалентных параметров антенны..................................................................... 11

4.2. Расчет полосы пропускания линейного тракта РПрУ.............................................................. 12

4.3. Определение структуры радиотракта............................................................................................... 13

4.4. Выбор гетеродина......................................................................................................................................... 14

4.5. Обеспечение необходимого усиления трактом ВЧ...................................................................... 14

4.6. Расчет селективности................................................................................................................................. 15

4.7. Распределение искажений....................................................................................................................... 16

4.8. Структурная схема РПрУ......................................................................................................................... 17

4.9. Выбор элементной базы. Задания на разработку каскадов..................................................... 19

5.Расчет элементов принципиальной схемы приемника........................................... 23

5.1. Антенный переключатель......................................................................................................................... 23

5.2. Разрядники защиты приемника............................................................................................................ 24

5.3. Входная цепь................................................................................................................................................. 25

5.4. Преобразователь частоты (смеситель)................................................................................................ 27

5.5. Усилитель промежуточной частоты (УПЧ)....................................................................................... 29

Расчет УПЧ на ЭВМ.............................................................................................................................................. 32

5.6. Расчёт детектора........................................................................................................................................... 33

5.7. Проверочный расчёт..................................................................................................................................... 35

Принципиальная схема приемника............................................................................................................. 35

Спецификация элементов................................................................................................................................ 36

6.Технико-экономическое обоснование..................................................................................... 37

6.1. ТЭО выбора элементной базы................................................................................................................. 37

6.2. Расчет технико-экономических показателей блока ПЧ............................................................ 37

7.Охрана труда при работе с радиолокационной станцией................................... 43

7.1. Биологическое действие СВЧ - излучения на организм человека........................................ 43

7.2. Защита обслуживающего персонала от СВЧ излучений........................................................... 46

Список литературы:....................................................................................................................................... 49

Приложение............................................................................................................................................................. 50

Листинг программы WinЛАХ........................................................................................................................... 50

Введение

Радиолокационный приёмник (РЛП) является составной частью радиолокационных станций (РЛС), 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.

В рамках данного проекта рассматривается приемное устройство одноцелевой РЛС сопровождения, осуществляющей непрерывное слежение за перемещением цели. Такая РЛС представляет собой наземную систему, у которой антенна с иглообразным лучом смонтирована на поворотном устройстве со следящим приводом, которое, изменяя положение антенны по азимуту и углу места, позволяет следить за целью. Путем измерения угла прихода фронта волны эхо-сигнала и корректирования положения антенны таким образом, чтобы цель удерживалась в центре луча, определяется ошибка ориентирования антенны.

РЛС сопровождения применяются в основном для управления оружием, а также для полигонных измерений траекторий полетов ракет. Производится измерение азимута, угла места и дальности цели (а в ряде случаев и доплеровского сдвига частоты), по скорости изменения этих параметров вычисляется вектор скорости цели и производится прогнозирование ее положения. По этой информации осуществляется, например, наведение зенитных орудий и устанавливается момент разрыва снарядов. Аналогичные функции РЛС сопровождения выполняются для выработки данных по наведению и команд управления зенитными ракетами.

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 (рис.1.1,а), что обеспечивает высокую разрешающую способность и точность при измерении дальности. Радиоприемные устройства (РПрУ) таких станций служат для приема части энергии излучаемых радиоимпульсов, отраженной от цели. Отраженные импульсы (рис.1.1,б) поступают на вход приемника с временным сдвигом Dt_D = 2R/c, где R – расстояние до объекта. Измеряя Dt_D, ìîæíî ñóäèòü î ðàññòîÿíèè äî öåëè, а уçêàÿ äèàãðàììà íàïðàâëåííîñòè àíòåííû ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü íàïðàâëåíèå íà îáúåêò.

Рис. 1.1 Огибающие радиоимпульсов:

а) излучаемых антенной; б) отраженных от цели

2.Выбор и обоснование функциональной схемы РЛС

В следящих системах РЛС сопровождения наиболее широко используют методы сравнения сигналов по амплитуде или фазе ВЧ колебаний, принятых на два (и более) разнесённых в пространстве луча антенны при одновременном сравнении сигналов, либо однолучевую сканирующую антенну при последовательном сравнении сигналов. Первый способ применяется в моноимпульсных следящих измерителях, второй - в амплитудном методе сравнения при коническом сканировании луча.

Чувствительность методов сканирования и переключения луча к флуктуациям амплитуды эхо-сигналов явилась основной причиной разработки РЛС сопровождения, обеспечивающей одновременное наличие всех лучей, необходимых для выявления угловой ошибки. Выходные сигналы всех лучей, соответствующие одному зондирующему импульсу, могут быть одновременно сравнены, благодаря чему исключается влияние изменения амплитуды эхо-сигнала во времени. Такой метод называется моноимпульсным (полная информация об угловых ошибках извлекается из одного импульса).

Моноимпульсной аппаратуре присуща высокая точность угловых измерений, т.к. система облучателей жестко смонтирована и не имеет движущихся деталей.

Выбор гетеродина

Исходные данные для выбора гетеродина:

· Рабочая частота f_г=f_c-f_пр=1,3-0,03=1,27 ГГц;

· Требуемая выходная мощность Р_Гвых;

· Диапазон перестройки по частоте;

· Шумовые характеристики.

Целесообразно использовать полупроводниковый гетеродин на диоде Ганна (ГДГ). Выходная мощность гетеродина должна быть достаточна для нормальной работы смесителей и схем ЧАПЧ всех трех каналов приема РЛС:

Р_Гвых = (Р_с + Р_апч )×3 = (6+9)×3 =45 мВт;

Из таблицы 8.4 [3] выбираем ГДГ типа VSC-9019, имеющий следующие параметры:

· диапазон рабочих частот f_Г,ГГц.......................................1..2;

· шаг перестройки: электронной Df_эл,МГц...........................50;

механической Df_мех,МГц....................200;

· выходная мощность Р_Гвых, мВт........................................100;

· напряжение питания U_пит,В.................................................11;

· ток потребления I,А............................................................0,5;

Расчет селективности

Селективность по зеркальному каналу обеспечивается с помощью частотно - избирательной входной цепи, а по соседнему каналу - используя два одиночных контура: на выходе преобразователя частоты и на выходе УПЧ.

Селективность по зеркальному каналу:

Принимаем d_эс=0,006

= 23,8 дБ,

Эквивалентное затухание одиночных контуров:

d_эп= П/(Ö2×f_пр)=6,3/(Ö2×30)=0,15

Селективность по соседнему каналу:

Полагаем: Df_ск= П=6,3 МГц;

n=2,

тогда:

= 18,9 дБ

Распределение искажений

При рассмотрении такой характеристики РПрУ, как допустимый уровень частотных и временных искажений сигнала, остановимся на наиболее существенном для приемников импульсных сигналов показателе - искажениях переднего фронта импульса. Распределение искажений этого вида по каскадам РПрУ можно выразить в величине времени установления переднего фронта импульса и записать следующим образом:

= 0,2 мкс

Искажения, вносимые входной цепью незначительны и составляют:

0,0064 мкс

УРЧ является инерционным звеном, поэтому искажения, вносимые им, довольно велики: 0,024мкс

Искажения, вносимые преобразователем частоты, составляют:

0,008мкс

Наибольшие искажения переднего фронта радиоимпульсов вносятся детектором из-за шунтирования выходного контура УПЧ входным сопротивлением детектора:

0,04мкс

Оставшееся искажение переднего фронта импульса вносится сравнительно узкополосным УПЧ. Определим допустимые искажения, приходящиеся на один каскад УПЧ:

Структурная схема РПрУ

				Рис 2.8.1

 

Структурная схема радиоприемного устройства моноимпульсной РЛС сопровождения

Входная цепь (ВЦ)

Входная цепь приёмника обеспечивает защиту приемника от перегрузок и повреждения СВЧ мощностью сигнала, поступающего на рабочей частоте при работе на одну антенну с передатчиком. ВЦ связывает выход антенно-фидерного устройства со входом 1-ого каскада приёмника, в данном случае со смесителем. При этом вход и выход входной цепи должны быть согласованны с волновыми сопротивлениями присоединяемых к ним линий передач, чтобы в местах соединения не возникало отражений СВЧ энергии.

В нашем случае входная цепь должна выполнять следующие функции:

· частотная селекция принимаемых сигналов для уменьшения помех на нерабочей частоте.

· подавление зеркального канала.

· защита 1-ого каскада приёмника от перегрузки и повреждения мощностью СВЧ сигналов, поступающих в приёмник на рабочих частотах.

Для защиты приёмника от перегрузок будем использовать антенный переключатель (АП) и устройство защиты приёмника (УЗП).

Для выполнения ВЦ функций селекции и подавления шумов зеркального канала используем полосовой фильтр.

Преобразователь частоты (ПЧ)

Преобразователь частот (смеситель) РПрУ РЛС часто выполняется на диодах по балансной схеме. Для балансных смесителей на диодах с барьером Шотки (ДБШ) потери сигнала в сантиметровом и миллиметровом диапазоне составляют соответственно 5..8 и 6..10 дБ, а коэффициент шума - 6..9 и 7..12 дБ, что неприемлемо в нашем случае из-за отсутствия УРЧ в составе радиотракта.

В сантиметровом диапазоне используют ПЧ на биполярных транзисторах (БТ), которые обладают коэффициентом усиления 3-12 дБ и коэффициентом шума 1,7 - 4,6 дб. Однако лучшие характеристики во всем СВЧ диапазоне имеют ПЧ на полевых транзисторах (ПТ), так как в более широком диапазоне 1-15 ГГц они обеспечивают усиление 8-12 дб при коэффициенте шума 1,1 - 3,5 дб. К преимуществам смесителей на ПТ можно отнести более простые цепи смещения по постоянному току и более высокую температурную стабильность. Поэтому используем транзисторный преобразователь частоты на полевом транзисторе с барьером Шотки (ПТШ), усилительные и шумовые свойства которого, в основном, и определят чувствительность РПрУ.

Усилитель промежуточной частоты (УПЧ)

Основное усиление в РПрУ обеспечивается усилителем промежуточной частоты. Схемотехника каскадов этого устройства разнообразна, однако заметно упростить приёмник позволяет применение в качестве усилительных элементов аналоговых интегральных микросхем(ИМС).

Основные требования, предъявляемые к УПЧ - это малый коэффициент шума и достаточно высокий коэффициент усиления, а кроме того он должен обладать широким динамическим диапазоном, линейной ФЧХ и равномерной АЧХ в рабочем диапазоне частот, хорошо согласован, обладать высокой надёжностью.

В настоящее время в наибольшей мере этим требованиям удовлетворяют УПЧ на интегральных микросхемах. УПЧ с логарифмической амплитудной характеристикой (ЛАХ), который наилучшим образом выполняет усилительные функции при широком динамическом диапазоне входных сигналов, реализуем на ИМС.

Детектор(Д) импульсных сигналов

При детектировании импульсных сигналов разлиают два вида: пиковое и импульсное детектирование. В первом случае определяется только амплитуда импульсов, качество же воспроизведения формы их огибающей играет второстепенную роль.

В нашем случае импульсного детектирования необходимо воспроизвести огибающую каждого поступающего на детектор радиоимпульса. Для этого обычно применяется диодный детектор, постоянная величина времени (RC) нагрузки которого выбирается достаточно большой, так, чтобы в течение времени между радиоимпульсами напряжение на выходе не успевало заметно снизиться, а изменялось по закону огибающей последовательности радиоимпульсов. Наличие в схеме детектора реактивных элементов приводит к искажению формы импульсов, т.к. вызывает переходные процессы, за счет которых увеличивается время установления t_у и время спада t_сп импульсов на его выходе. Обеспечение минимальных искажений формы импульсов (t_у и t_сп), в заданных пределах, является главной задачей импульсного детектора. Желательно при этом получить высокий коэффициент передачи, но не за счет увеличения искажений сверх заданной величины.

Режим работы и параметры схемы импульсного детектора выбирается из условия обеспечения допустимых искажений формы импульсов.

Схемы пикового и импульсного детекторов аналогичны, отличие только в том, что постоянная времени нагрузки у пикового детектора на два, три порядка больше, чем у импульсного. В таких детекторах используют германиевые диоды.

Выбор элементной базы. Задания на разработку каскадов.

На частотах до 7 ГГц в транзисторных преобразователях широко используются биполярные транзисторы (БП), на более высоких частотах, включая миллиметровый диапазон - полевые транзисторы с барьером Шотки (ПТШ). Имея выбор между БП и ПТШ предпочтение отдают ПТШ, так как они обладают лучшими шумовыми и усилительными показателями, поэтому используем транзисторный преобразователь частоты на двухзатворном ПТШ. Для применения в смесителе был выбран арсенид-галиевый ПТШ АП 328-2, альтернативы которому отечественная промышленность не выпускает.

Исходные данные для расчёта:

Частота входного сигнала f_c = 1,3 ГГц; l=23см;

Коэффициент шума транзистора Ш_тр=1,5 (ориентировочно)

Частота гетеродина f_г = 1,27 ГГц

Для применения в УПЧ остановимся на отечественных ИМС серии К175. Серия ИМС 175 представляет собой комплект интегральных микросхем, предназначенных для применения в трактах промежуточной частоты радиолокационной и связной техники, а так же в других узлах РЭА.

ИМС К175УВ2 - универсальная усилительная схема, обладает следующими характеристиками:

Напряжение источника питания - 6,6 В

Ток потребления - 3,5 мА

Коэффициент усиления - 10

Входное сопротивление - 1 кОм

Выходное сопротивление - 1,9 кОм

Верхняя граничная частота - 40 МГц

Коэффициент шума - 10 дБ

ИМС К175УВ4 - универсальная усилительная схема, обладает следующими характеристиками:

Электрические параметры ИМС К175УВ4 при 25 + 10 ^оС и U_пит=6,3 В:

· ток потребления I_пот,мА при U_вх=0 В, не более.................1,8...3;

· напряжения на выводах, В: 9.........................................3,5...4,5;

11...........................................2...2,9;

12........................................1,3...1,5;

13...........................................0,9...1,5;

между выводами 2 и 10............................................-2...+2;

· крутизна вольт-амперной характеристики S_э, мА/В,

при U_вх=10 мВ и f_вх=1 МГц.........................................................10;

· коэффициент шума K_ш, дБ при f_вх=20 МГц, не более..................8;

· верхняя граничная частота f_в, МГц, при U_вх=10 мВ..................150.

Предельные эксплуатационные параметры ИМС К175УВ4:

· напряжение питания U_пит, В: минимальное....................................3;

максимальное.................................9,5;

номинальное...................................6,3;

· максимальное напряжение, В, на выводах: 2,10......................12,5;

13...........................1,2;

· входное напряжение, В: синфазное........................................2...4,4;

дифференциальное.........................-2...+2;

Исходя из необходимости обеспечения таких параметров УПЧ, как

· низкий коэффициент шума;

· малые искажения переднего фронта радиоимпульсов;

· заданный коэффициента усиления при минимальном числе каскадов

· минимальную себестоимость (исходя из данных табл. 6.1),

для использования в УПЧ выбираем [7] ИМС К175 УВ 4 (рис.4.9.2).

Рис. 4.9.2: принципиальная схема ИМС К175УВ4

Назначение выводов: 1 - общий;

2 - выход 1;

3 - внутренний нагрузочный резистор 1;

4 - вход1;

5 - общая точка внутренних нагрузочных резисторов;

6 - вход 2:

7 - внутренний нагрузочный резистор 2;

8 - +U_пит;

9 - вывод делителя напряжения 1;

10 - выход 2;

11 - вывод делителя напряжения 2;

12 - вывод делителя напряжения 3;

13 - вход регулировки усиления;

14 - вывод установки и контроля режима.

Данные для расчёта:

Частота сигнала f_пч = 30 МГц

Коэффициент усиления К= 6×10³

Искажения переднего фронта импульса t_у = 0,09 мкс;

Для использования в детекторе из литературы [3] выбираем детектирующий полупроводниковый диод Д9Б, т.к. его характеристики удовлетворяют следующим требованиям:

f_пч = 30 МГц < f_д = 40 МГц;

C_д = 1...2 пФ;

U_пр = 0,9 В;

I_пр = 90 мА;

R_i = 10 Ом;

U_обрmax = 10 В;

I_обр = 250 мкА;

R_обр = 0,4 МОм.

Данные для расчёта:

Частота сигнала ПЧ f_пч = 30 МГц;

Параметры входного контура L_к=50 нГн; С_к = 2 пФ;

Допустимые искажения импульса:

Время нарастания импульса t_у =0,2 мкс;

Время спада импульса t_сп = (0,3...0,5)×t_и = (0,3...0,5)×1 = 0,3 мкс;

U_вхДет = 0,5 В;

K_д ~ 0,8...0,9.

5.Расчет элементов принципиальной схемы приемника

Антенный переключатель

Одним из основных узлов РЛП является антенный переключатель (АП).Антенные переключатели предназначены для коммутации передатчика к антенне на время прихода отраженных или ответных сигналов. Они должны: обеспечить уменьшение до минимума мощности излучаемого зондирующего импульса просачивающегося на на вход приемника; быть быстродействующими т.к. с увеличением времени срабатывания возрастает вероятность пробоя входных цепей приемника, а с увеличением времени востановления увеличивается минимальная дальность РЛС (мертвая зона обзора на малых расстояниях от РЛС); иметь минимальные потери мощности при излучении зондирующего импульса и особенно при приеме отраженного от цели сигнала; обладать большим сроком службы и высокой надежностью. Коммутационные АП состоят настроенных отрезков линий и газоразрядных приборов (разрядников), изменяющих сопротивление под действием мощных СВЧ сигналов. Разрядники включают в фидерный тракт РЛС параллельно или последовательно.

АП на необратимых элементах применяют в РЛС сантимитрового диапазона. В качестве необратимых элементов используют фидерные вентили и циркуляторы.

При расположении феррита волноводе, передаваемая по волноводу электромагнитная энергия. В зависимости от направления ее движения либо поглащается либо проходит практически без потерь. Феррит помещается в сильное поле постоянного магнита. При этом ферромагнитный резонанс наступает только при движении электромагнитной волны в одном направлении. При резонанасе практически вся СВЧ энергия в волноводе поглащается вентилем.

Выбор типа АП зависит отмощности излучаемого зондирующего импульса. При мощности импульса 100-150 КВт АП реализуют путем последующего соединения ферритового циркулятора, газового разрядника и диодного резонансного СВЧ ограничителя (рис.)

При мощности 1-2 КВт газовый разрядник не вводят в состав АП.

В АП (рис.) используют два последовательно соединенных циркулятора Ц1 и Ц2. Сигнал от передатчика поступает на плече 1 циркулятора Ц1 и через плече 2 подается в антенну; при этом на выход плеча 3 сигнал от передатчика проходит с существенным ослаблением (13- 25 дб). Далее сигнал с плеча 3 циркулятора Ц1 подается через циркулятор Ц2 на разрядник Р, уменьшая его сопротивление до ноля. При этом СВЧ сигнал отражается от разрядника к плечу 2 циркулятора Ц2 и поглощается в согласованной нагрузке R. Зажигание разрядника Р спустя некоторое время (с) после изменения зондирующего импульса. Выделяемая за это время энергия может вывести из строя последующие каскады приемника. Для предотвращения этого в схеме АП предусматривается СВЧ ограничитель, подключенный к основной линии в т.А через отрезок линии l = l/2. Ограничитель состоит из последовательносоединенных диода Д и короткозамкнутого шлейфа длинной l₂ с индуктивным реактивным сопротивлением, параллельно которым подключен разомкнутый емкостной шлейф длиной l1. При сигнале высокого уровня диод Д эквивалентен цепи из последовательносоединенных сопротивления и индуктивности.при этом между т.В и подложкой образуется параллельный резонансный контур,сопротивление которого при резонансе велико. Значит, четвертьволновый отрезок линии длинной l при высоком уровне сигнала работает практически в режиме холостого хода; входное сопротивление линии равно 0. Значит, сигнал просачивающийся в ограничитель отражается обратно в циркулятор Ц2. Полезный сигнал, отраженный от цели, поступает от антенны на плече 2 циркулятора Ц1, практически без ослаблений передается на плече 3 циркулятора Ц1 и далее через плечи 1 и 2 циркулятора Ц2 на разрядник Р. Мощность отраженного сигнала недостаточна для зажигания разрядника, вследствие чего принятый антенной сигнал передается по основной линии в последующие каскады приемника. Для сигнала малого уровня отрезок линии длинной l работает практически в режиме К.З.; входное сопративление этой линии равно бесконечности и энергия принятого сигнала проходит в последующие каскады РЛП практически без ослабления.

Разрядники защиты приемника

Защиту триодов входного каскада РЛП отперегрузки и повреждения СВЧ сигналами (от собственного передатчика РЛС или от внешних источников помех) в полосе рабочих частот, как уже указывалось, обычно осуществляют разрядником защиты приемника (РЗП) и ограничителем СВЧ-мощности на полупроводниковых диодах.

РЗП описываются двумя группами параметров: параметрами низкого уровня мощности, характеризующими свойства РЗП в режиме приема слабых сигналов (СВЧ разряда нет), и параметрами высокого уровня мощности характеризующими его защитные свойства при воздействии на него мощных импульсов СВЧ (происходит СВЧ разряд).

К параметрам низкого уровня мощности относятся:

· полоса рабочих частот Праб= fmax - fmin, выраженная в процентах по отношению к средней частоте рабочего диапазона П_раб, %;

· потери в режиме приема L_пр, дБ;

· коэффициент стоячей волны КСВ.

Основными параметрами высокого уровня мощности являются:

· максимально допустимая импульсная мощность Pи(кВт)на входе РЗП;

· мощность зажигания P_заж (мВт) - максимальная импульсная мощность, на выход ЗП;

· энергия пика W_п (Дж) и мощность плоской части P_пл (мВт) СВЧ импульса, просачивающаяся через РЗП во время его горения;

· время восстановления РЗП t_в (мкс),

· характеристика времени t_G после окончания вх.импульса СВЧ, в течение которого потери снизятся до условной величины L_пр + G (дБ).

Диодный ограничитель, в отличае от РЗП, не требует никаких питающих напряжений и поэтому обеспечивает защиту как при включенной, так и при выключенной аппаратуре. Он характеризуется двумя состояниями: состоянием пропускания при малой мощности сигнала, т.е. на низком уровне мощности (потери пропускания L_пр малы), и при состоянием запирания при большой мощности сигнала, т.е. на высоком уровне мощности (потери запирания L_зап велики).

Входная цепь

В используемом диапазоне частот в силу особенностей несимметричных полосковых волноводов [9] наиболее перспективно использование согласующих цепей на микрополосковых линиях. Основными характеристиками микрополосковой линии, сечение которой показано на (рис.5.1.1, б) являются: волновое сопротивление и эффективная диэлектрическая проницаемость, которые зависят от толщины подложки Н, ширины микрополосковой линии Е, толщины металлизированного слоя t и относительной диэлектрической проницаемости e. Из соображений технологичности широкое применение в качестве полосовых фильтров (ПФ) находит связанная система из резонансных полуволновых разомкнутых резонаторов [3]:

 

а)

 

б)

рис.5.1.1

Такой ПФ (рис.5.1.1,а) образован рядом одинаковых параллельно связанных линий (длина участка связи равна L₀/4), и является наиболее употребительным из-за отсутствия особо критичных размеров.

Основными исходными данными для проектирования такого полосового фильтра являются:

частота сигнала, полоса пропускания приёмника, затухание в полосе пропускания L_п, обычно принимаемое за 3 дБ, полоса заграждения П_з, определемая в нашем случае как П_з=4f_пч=120 МГц, затухание на границах полосы заграждения L_з=26 дБ, волновые сопротивления подводящих линий W₀=75 Ом.

При использовании для аппроксимации частотной характеристики фильтра максимально плоских функций Баттерворта можем посчитать число элементов n по формуле:

n=lg (L_з-1)/(L_п-1) / lg(П_з/П_пр)

 

n=lg (20-1) / (1,4-1) / lg(120/1,03) = 0,81

Округляем в большую сторону и получаем, что проектируемый ПФ должен состоять из (n+1)=2 элементов.

Электрическая длинна l_i отрезков связанных линий всех звеньев фильтра одинакова: l_i =L₀/4,

где L₀- длина волны в линии на частоте f_с: L₀=f₀/2e,

e - эффективная диэлектрическая проницаемость среды в линии, равная для симметричной полосковой линии относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика линии.

Для найденного значения n и заданного L_п=1,4 и П_п/f₀=0,2 определяем (n+1) коэффициент q_i (табл. 3.4) [9], которые представляют собой перепады характеристических сопротивлений ступенчатого перехода:

q₁=q₃=833,56 q₂=374123

Затем определяем величину переходных затуханий связанных звеньев (дБ):

 

С_i=10lg(q_i+1)

q₁=q₃=833,56 q₂=374123

C₁=C₃=29,2 дБ C₂=55,7 дБ

Теперь по таблице 3.5 [ 9 ] определяем для каждого звена b_i/d и S_i/d

b₁/d=b₃/d=0,993

S₁/d=S₃/d=3,08

Расчет УПЧ на ЭВМ

Ввиду ограниченности выбора ИМС, обладающих соответствующими паспортными данными, а так же трудности аналитического решения системы, расчет УПЧ будем производить методом последовательных приближений с использованием ЭВМ и программы Micro Cup V. Расчет логарифмической амплитудной характеристики УПЧ выполним по программе собственной разработки WinЛАХ. Ниже приведены результаты расчета, а листинг программы WinЛАХ дан в приложении.

Расчёт детектора

Для детектирования радиоимпульсов, т.е. для преобразования их в видеоимпульсы, используем последовательные диодные детекторы, выполненные по схеме (рис.5.5.1).

Lд

 

Сн

 

Ск

 

Rн

рис.5.5.1Последовательный диодный детектор

 

Видеоимпульсы с выхода детектора поступают на видеоусилитель.

Данные для расчёта:

Частота сигнала ПЧ f_пч = 30 МГц;

Параметры входного контура L_к=50 нГн; С_к = 2 пФ;

Допустимые искажения импульса:

Время нарастания импульса t_у =0,2 мкс;

Время спада импульса t_сп = (0,3...0,5)×t_у = (0,3...0,5)×0,2 = 0,1 мкс;

U_вхДет = 0,5 В;

K_д ~ 0,8 _ 0,9.

Крутизна ВАХ диода:

S_д = Di_д / Du_д = 1/R_iд = 1/ 10 = 0,1

 

Ёмкость в нагрузке:

C_н = 15×C_д - C_м = 15×2 пФ - 8 пФ = 22 пФ

R_н~=t_сп/(2,3×C_Н)=0,1мкс/(2,3×22пФ)=5.1кОм -параллельное сопротивление R_н и R_вх=1кОм (в случае использования ВУ на ИМС К175УВ2)

Сопротивление нагрузки детектора

R_н = (R_н~×R_{вх ву})/(R_н~ + R_{вх ву}) = (5,1к×1к)/(5,1к + 1к) = 1,2 кОм

Проверка правильности выбранных параметров детектора:

R_н~×(C_н + C_вхвУ + C_м) È (1..2)/f_пр

5,1 кОм×(22 пФ + 50 пФ + 8 пФ) È (1..2)/30 МГц

4×10^-6 > 0,067×10^-6 Þ параметры детектора выбраны правильно.

Коэффициент передачи детектора К_д:

К_д = cosQ @ 0,8...0,9

где Q = Ö3p / (Sд×Rн) = Ö 3p / 0,1×1,2к = 0,428

отсюда Кд = 0,9

Входное сопротивление детектора Rвх

Rвх = Rн /2 = 1,2к / 2 = 0,6 кОм

 

Определим время установления фронта t_уд

t_уд = R_н×C_н×(2×R_iэ + R_э) /(0,5×R_н + 2,5×R_iз + R_э)=

=1,2×10³×22×10^-12×(2×10 + 1,9×10³) /(0,5×1,2×10³ + 2,5×10 + 1,9×10³)=0,2 мкс

Коэффициент подключения m_д

L_к = 50 нГн и C_к = 2 пФ - параметры выходного каскада УПЧ;

r_к = ÖL_к /C_к = 158 Ом - характеристическое сопротивление контура

 

d₀ = 0,006 [справочник Петрова] Þ П _{0,7 упч} = d₀×f_пр = 5 МГц

d_{вн д} = П _{0,7 упч} / 2×f_пр = 5 МГц / 1270 МГц = 0,004 - зквивалентное затухание, вносимое детектором

m_д = d_{вн д}×Rн /2×r_к = 0,004×1200/2×158 = 0,15

 

Полный коэффициент усиления детектора

К_д` = К_д×m_д = 0,9×0,15 = 0,135

Расчет емкости разделительного сонденсатора С_р

D% <= 1...3 % - спад плоской вершины

С_р = (t_и ×100%)/((R_н + R_{вх ву}) ×D%) =

= 0,66×10^-6×100% / ((1,2×10³ + 1000) ×2%) = 15 нФ

Определим нужно ли ставить дроссель для фильтрации пульсаций импульса f_пр Если К_ф < 0,01-0,02,то дросель можно не ставить

К_ф =(С_{вх ву} / (C_н + С_{вх ву)}) × 1/(2p × f_пр × С_н × R_н + 1) =

= (50 пФ/(22пФ + 50пФ)) ×1/(2×p × 30 МГц × 22пФ × 1,2кОм + 1) = 0,14

Условие не выполняется, значит дроссель нужен.

Резонансная частота f_др паразитного контура С_др L_др:

С_др @ 3...5пФ, принимаем С_др = 2пФ

f_др @ 0,7f_пр = 0,7× 30 МГц = 21 МГц

L_др = 1/((2p)²×f_др² ×С_др) = 1/((2p)²×21 МГц²×2пФ) = 28,7 мкГн

К_ф`при наличии дроселя

К_ф` = С_др/(С_{др +} С_{вх ву}) = 2пФ / (2пФ + 50пФ) = 0,04

Проверочный расчёт

Проверим, соответствует ли спроектированный приёмник требованиям технического задания.

Данные к рассчету:

К_р.ф.=×0,8

Ш_вц=1,5 К_вц=0,8

Ш_пч=3 К_пч=1,25

Ш_упч=10 К_упч=6×10³

 

Ш=(Ш_вц+(Ш_пч-1)/К_вц+(Ш_упч-1)/(К_вц×К_пч))/К_р.ф.=

= (1,5 + (3-1)/0,8 + (10-1)/(0,8×1,25))/0,8 = 12,5/0,8 = 15,6 < Ш_доп = 21

При таком коэффициенте шума чувствительность приёмника:

Р_А= [Ш/К_р.ф + (t_А - 1)] ×(P_c/P_ш) к×Т₀×П_Ш = [15,6/0,8 + (0,48 - 1)] ×1,4×1,38×10^-23×290К×6,93×10⁶ =0,73×10^-12 < Р_а(ТЗ) = 1×10^-12

Следовательно, спроектированный приёмник отвечает всем требо­ваниям ТЗ.

Спецификация элементов

6.Технико-экономическое обоснование

ТЭО выбора элементной базы

В УПЧ целесообразно применение отечественных ИМС серии К175. Серия ИМС 175 представляет собой комплект интегральных микросхем, предназначенных для применения в трактах промежуточной частоты радиолокационной и связной техники, а так же в других узлах РЭА.

Табл.6.1 Цена различных ИМС 175 серии [14]