Проектування ппос нвч діапазону

 

У цьому розділі викладаються методичні вказівки з проектувания лінійного тракту прийому й АПЧ НВЧ приймачів радіолокаційних і радіонавігаційних систем. Значна частина радіоелектронних систем, які використовуються в цивільній авіації, працюють в імпульсному режимі.

До НВЧ систем з безперервним випромінюванням можна віднести радіовисотоміри малих висот (типу РВ–5) і доплерівські вимірники швидкості і кута зносу літака (типу ДИСС–013,016).

Імпульсні системи як і приймачі, що входять до їхнього складу, працюють найчастіше на фіксованих частотах (деякі РЛК, наприклад, "Утес", "Селения" – двочастотні), чи мають можливість перебудови в порівняно вузькому діапазоні частот (наприклад, радіонавігаційна система РСБН-4 має 88 частотних каналів).

Робота на НВЧ (від сотень до десятків тисяч мегагерц) у різних режимах і складних умовах електромагнітної обстановки пред'являє ряд спеціальних вимог до ППОС цих систем. Так для імпульсних РЛС, що працюють від спільної (у режимі прийом і передача) антени, у радіочастотні тракти приймачів необхідно включати елементи, які забезпечують розв'язку ланцюгів високого і низького рівнів потужності, які впливають на параметри ППОС (Nш, Рпр.mіn). Наявність на вході приймачів різних за характером й інтенсивністю сигналів і перешкод вимагає включення до складу останніх різних пристроїв захисту від перевантажень і виділення корисних сигналів з перешкод. Великі за абсолютним значенням частотні нестабільності приводять до необхідності застосування в ППОС систем АПЧ.

У ТЗ на проект звичайно входять деякі загальні характеристики пристрою, обумовлені типом системи, у яку воно входить, а саме: призначення, місце розташування, вид кінцевого пристрою й т. ін. Крім цього, обов'язково вказують деякі характеристики сигналу, наприклад, довжина хвилі чи частота, відносна нестабільність частоти, вид модуляції (часто ІМ), тривалість імпульсів, їхня форма і період слідування, динамічний діапазон зміни вхідного сигналу. Можуть бути зазначені види і характеристики перешкод, наприклад, внутрішньоприймальний шум або пасивна перешкода. Обумовлюють деякі показники пристрою, такі як чутливість Рпр.mіn, імовірність правильного виявлення помилкової тривоги Р_f, динамічний діапазон зміни вихідного сигналу, частотна вибірковість, проміжна частота. Передбачається застосування автоматичних регуляторів, наприклад, посилення: тимчасова АРП (ВАРП), шумова АРП (ШАРП), миттєва АРП (МАРП), автоматичний регулятор порога квантування (АРПК); частоти або фази: АПЧ, ФАП, що можуть бути виконані в аналоговій чи цифровій реалізації.

У кожному конкретному завданні деякі з технічних умов і параметрів можуть бути не задані, і виконавець може при необхідності самостійно їх обґрунтувати і вибрати. Приступаючи до розробки проекту, можна виходити з умови, що задача вибору алгоритму обробки і синтезу структурної схеми пристрою, що реалізує цей алгоритм, вирішується евристичним методом, тобто на основі накопиченого досвіду, аналізу літератури, інтуїтивних розумінь. При виборі найбільш доцільного способу технічної реалізації алгоритму обробки необхідно передбачити і допоміжні вузли, що зв'язують приймач з іншими блоками РЭС.

 

2.1. Проектування функціональної схеми
ППТ НВЧ пристроїв

 

Як відомо, радіолокаційні приймачі, що працюють від спільної з передавачем антени, повинні мати на вході малоінерційні НВЧ комутатори чи антенні перемикачі, тип яких у значній мірі залежить від імпульсної потужності ПРД. При реальних її значеннях (від десятків до сотень і більш кіловат) для багатьох РЛС антенні перемикачі будують за схемою: феритовий циркулятор, газовий розрядник (РЗП) і діодний резонансний НВЧ обмежувач. Докладнішу інформацію про них і пристрої захисту вхідних каскадів приймача можна знайти в [2, с.385–393]; [3, з,200–212]; [11, с.32–102]. Для здійснення селекції при двочастотному режимі або в разі разподілу НВЧ каналів прийому і передачі (fпрм, fпрд) у системах РСБН, ВРЛ, літакових відповідачах (ЛВ), і інших системах можуть бути використані НВЧ фільтри: фільтри верхніх частот (ФВЧ), фільтри нижніх частот (ФНЧ), смуго-пропускаючий (СПФ) і смуго-затримуючий (СЗФ) фільтри, виконані на полоскових або мікрополоскових лініях. Приклади їхньої розробки і використання приводяться в [3, з 186–214], [4, с.244–251], [12, с.202–209].

Для етапу розробки функціональної схеми пристрою достатньо для розглянутих елементів мати типові значення таких параметрів, як значення втрат Lр у смузі пропускання, загасання в смузі затримки, еквівалентна добротність чи відносна смуга пропускання. Оскільки в ТЗ звичайно задається чутливість Рпр.mіn з якої визначається припустиме значення коефіцієнта шуму Nш приймача, то подальшими розрахунками потрібно підтвердити виконання умови Nш.реальн.<Nш.допуст. Значення ж реального коефіцієнта шуму Nш.реальн приймача значною мірою визначається складом його радіочастотного тракту, і зокрема дозволяє відповісти на запитання про доцільність введення малошумливого підсилювача (МШП). В діапазоні частот до 10 ГГЦ стали широко застосовуватися інтегральні транзисторні підсилювачі на польових транзисторах із шумовими характеристиками близькими до характеристик параметричних напівпровідникових підсилювачів (ПНП). Останні у вигляді двоконтурного параметричного підсилювача (ДПП) застосовуються на частотах 3...40 ГГЦ як найменш шумливі підсилювачі з Nш=0,7...2 дБ, Кр=15...25 дБ, відносною смугою пропускання до 1...2% від несучої частоти, і достатньо широким динамічним діапазоном вхідних сигналів (80...90) дБ. Більш докладні відомості про вибір і розрахунок основних показників різних типів МШП можна знайти в літературі [2, с. 160–183]; [3, с.244–267]; [4, с.229–234]; [11, c.184–225]; [12, c.132,183–186]; [13, с.31–37, 82–90].

У випадку застосування широкосмужних МШП і розрядника захисту приймача (РЗП), може виявитися доцільним включення перед змішувачем ППФ, що зменшує вплив дзеркальних шумів на загальний їхній рівень.

Рішення питання про вибір схеми змішувача (СЗ) небалансної (НБС), балансної (БС) чи двобалансної (ДБС) істотно залежность від того, яку обрано схему преселектора приймача. При наявності МШП вимоги до шумових характеристик СЗ можуть бути менш жорсткими. Практично всі приймачі радіолокаційних і НВЧ радіонавігаційних систем мають напівпровідникові змішувачі на точечно-контактних діодах (ТКД).

Однак останнім часом замість ТКД стали широко застосовуватися діоди з бар'єром Шоттки (ДБШ), а на дециметрових хвилях – тунельні і обернені діоди. Для вибору типу діода, його режиму, обґрунтування схеми змішувача і його основних параметрів можна використовувати літературу [2, с. 189–206]; [3, с.309–329]; [4, с.251–265]; [11, c.107–170].

В гетеродинній частині претворювача частоти можна обмежитися обґрунтуванням вибору одного з типів генераторів; кварцевого з множенням, клістронного, на лампі зворотної хвилі (ЛЗВ) або напівпровідникового. Перший тип застосовують на частотах до 1 ГГЦ (наприклад, у РСБН, ВРЛ, ЛВ); другий і третій – на частотах 10 ГГЦ і більш (у РПП посадковий, оглядових і інших РЛС).

Напівпровідникові гетеродини, завдяки ряду достоїнств (економічність, довговічність, малі габарити і маса) в останні роки стали широко використовувати при розробках ППОС. Вибравши конкретний тип гетеродина, необхідно показати основні параметри, які визначають його властивості – робочий діапазон частот перестройки, вихідну потужність, діапазон і крутість електронної перестройки частоти, нестабільність частоти і потужності, рівень шуму. З цих питань можна знайти відомості в літературі [3,с.349–366]; [11,c.228–252].

Після з'ясування функціонального складу НВЧ частини приймача і вибору конкретних типів її основних елементів може виявитися, що необхідна потужність Рпр.mіn забезпечується без МШП. У таких випадках при подальшій розробці лінійного тракту (функціональної схеми ППЧ) необхідно врахувати, що його перші каскади будуть помітно впливати на загальний коефіцієнт шуму Nш. реальн., а значить і на чутливість приймача. Як правило, при цьому декілька перших каскадів (2–3) ППЧ виділяють в окремий моноблок попереднього ППЧ (ПППЧ) [1. c.107];[3, с.300].

Головна ж функція ППЧ – це фільтрація корисного сигналу з одержанням необхідної амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) і забезпечення основного підсилення в приймачі. Необхідне значення загального коефіцієнта К_0ППЧ визначається через задану потужність Рпр.mіn, необхідне значення U_{вх дет} і відомий з розрахунку преселектора коефіцієнт підсилення (передачі) за потужністю:

,

де – загальний коефіцієнт передачі елементів вхідного фільтра, РЗП і обмежувача, роздільного чи ППФ; коефіцієнти підсилення МШП і передачі кола перетворювача частоти.

Для переходу до розрахунку підсилення за напругою необхідно попередньо вибрати значення вхідної провідності ІС першого каскаду ПППЧ.

Перш ніж вибрати конкретний тип ППЧ, потрібно вказати на ряд загальних для них особливостей.

Широкосмужність – це характерна ознака ППЧ НВЧ пристроїв. Але і серед цих ППЧ можна визначити відносно вузькосмугові з і широкосмугові – з відносною смугою пропускання . Так, при типових значеннях частоти від одиниць до декількох десятків мегагерц необхідна смуга буває від сотень кілогерц до 8...10 МГц. За способом формування необхідної АЧХ ППЧ можна розділити на два основних типи: а) з розподіленою вибірковістю; б) з фільтрами зосередженої вибірковості. Для ППЧ першого типу характерна взаємозалежність підсилення і вибірковості. Для ППЧ другого типу – зменшення впливу змін вхідних і вихідних параметрів активних елементів на вибіркові властивості, що особливо важливо при побудові ППЧ із нелінійними амплітудними характеристиками (ППЧ із ЛАХ), чи охоплених різного роду АРП.

Застосування ФЗВ дозволяє реалізувати як вузькосмужні, так і широкосмужні ППЧ. Найбільше поширення зараз знаходять нелінійні ППЧ із ФЗВ, включеним на вході. Типи фільтрів, які використовуються в розглянутих ППЧ, можуть бути такими ж, як і в пристроях систем зв'язку (див.разд.1). Однак, якщо врахувати, що діапазон частот ППЧ НВЧ приймачів лежить в межах 10...120 МГц, фільтри на цих частотах легше виготовити за технологією, яка добре узгоджується з технологією ІС.

При виборі активних елементів (ІС) потрібно керуватися одержанням високого значення коефіцієнта Кст при значеннях Рпр.mіn. Для ППЧ можуть бути рекомендовані аналогові ІС серій 175, 218, 224, 235, 265 і ін.

Для найбільш розповсюдженого типу ППЧ, що складається з двох-трьох лінійних каскадів (ПППЧ із К = 30...40 дБ) і інших нелінійних каскадів, кращою схемотехнічною основою варто вважати диференціальні каскади (ОК–ОБ). Деякі серії ІС містять до 60 % схем, побудованих на базі диференціального підсилювача (ДП), які легко приводяться до схеми ОК–ОБ. Виконання ППЧ із нелінійною амплітудною характеристикою розширює динамічний діапазон пристрою без втрат у граничному сигналі і, таким чином, забезпечує безінерційне регулювання підсилення. Для задоволення вимог з ефективності такої АРП вибирають один із способів її реалізації і, з огляду на можливості прийнятих до використання ІС, визначають кількість нелінійних каскадів, виходячи з динамічного діапазону сигналу на вході (50... 100 дБ) і виході. У деяких серіях існують спеціалізовані ІС, які дозволяють реалізувати підсилювач з ЛАХ за одним з відомих способів. Так ІС 174УП2 забезпечує ЛАХ методом рівнобіжного підсумовування сигналів з частотою f _в до 10 МГц, ІС
SL–521 (Англія) дозволяє реалізувати логарифмічні підсилювачі з послідовним детектуванням і додаванням сигналів з частотою f _в до 150 МГц. Опис названих ІС і приклади їхнього використання приводяться в роботі [4, с.109–112].

Приклади розрахунків функціональних вузлів з ЛАХ і їхні практичні схеми приводяться в роботах [12, с.258–270], [14, з,306–334].

Методика і приклади розрахунку ППЧ на гібридних ІС з вибірковими навантаженнями наведена в роботі [10, с.137–147], безконтурних селективних каскадів – у роботі [10, с.166–170], широкосмужних аперіодичних каскадів – у роботі [10, с.324–330].

Іншою різновидністю АРП, що захищає приймач від перевантажень при впливі сильних сигналів і потужних перевипромінювань від місцевих предметів, є швидкодіючі АРП (ШВАРП), перехідні процеси в яких на відміну від інерційних АРП закінчуються протягом часу . Постійну часу вибирають таким чином, щоб вона спрацьовувала тільки на перешкоди. Для підвищення ефективності регулювання використовують автономні схеми ШВАРП (детектор АРП, ФНЧ, ППТ) у декількох каскадах пристрою. Вибір інших основних параметрів ШВАРП виконується так само, як і в інерційних АРП. Приклади розрахунку останніх наводяться в роботі [3, с. 410–418], а схеми ППЧ із ШВАРП – у роботі [12, с.161, 278].

Регулювання підсилення за часом (ЧАРП) служать тій же меті, що і ШАРП, однак принцип дії і характер зміни підсилення – інші. Тут регулюється підсилення каскадів протягом періоду проходження відбитих сигналів за законом, близьким до зворотної залежності потужності прийнятого сигналу від відстані. Звичайно в схемах ЧАРП забезпечується експонентний або близький до нього закон зміни регулюючої напруги.

Вибір схеми ЧАРП й обґрунтування її параметрів приводяться в роботах [2, с.402–404]; [3, c.418–419] [12, с.159–160], практичні схеми – у роботах [15, с.99–119, 184–187]; [6, с.254].

Часто в радіолокаційних приймачах виникає необхідність у стабілізації рівня вихідного шуму, а значить і чутливості, і в захисті приймача від перевантажень, що виникають при дії активних шумових перешкод. Ця задача вирішується за допомогою ШАРП. При виборі схем ШАРП віддають перевагу цифровим схемам, тому що вони забезпечують більшу точність, надійність і стабільність роботи. Приклад з вибору параметрів і розрахунку цифрової ШАРП наводиться в роботі [l2, с.278–291], приклад практичного застосування – у роботі [16, с.256].

Розрахунок функціональної схеми каналу сигналу ППОС закінчується вибором схеми і параметрів детектора. Вихідними даними для цього є припустимі зміни форми відеоімпульсу, виражені через час встановлення і час спаду t_уст і t_сп ,. Найбільш розповсюдженою є схема послідовного діодного детектора [2, с.229–231]; [3, с.371–373].