Выбор структурной схемы и расчет основных параметров.

Технические условия

1. Характеристики принимаемых сигналов

1.1. Рабочая частота – 8650МГц.

1.2. Вид модуляции принимаемого сигнала – импульсная.

1.3. Длительность импульса – 1,6 мкс.

1.4. Радиальная скорость цели – 180 м/с.

2. Характеристики помех

2.1. Вид помехи – внутренние шумы приемника.

3. Качественные характеристики приёмника

3.1. Чувствительность – 2,2∙10^-13 Вт.

3.2. Отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе линейной части приёмника – 2.5.

3.3. Ослабление по соседнему каналу – 45 дБ.

3.4. Ослабление по зеркальному каналу – 50 дБ.

3.5. Динамический диапазон входных сигналов – 75 дБ.

3.6. Динамический диапазон выходных сигналов – 15 дБ.

3.7. Выходное напряжение (мощность) – 20 В.

3.8. Тип автоматической регулировки усиления – ИАРУ.

Введение.

Активные радиолокационные станции (РЛС) используются для мониторинга воздушных, наземных и морских целей. Они излучают импульсные радиосигналы и облучают самолеты, корабли и иные транспортные средства, определяя по отраженному от них сигналам параметры их движения (пространственные координаты, скорость движения и т.п.

Основной особенностью РЛС кругового обзора является единство антенно-фидерного тракта для приемного и передающего тракта. Различают РЛС импульсного и непрерывного действия. Расстояние от импульсной РЛС до объекта измеряется временем распространения сигнала до объекта и обратно.

Направление на объект определяется, механическим вращением остронаправленной антенны или электрическим качанием игольчатой или лопатообразной диаграммы направленности. Для повышения точности определения расстояния до объекта длительность импульсов определяется размерами лоцируемых целей и обычно изменяются от 0,3 до 3мкс. Период повторения зондирующих импульсов для однозначного измерения расстояния до объектов (обычно 30 - 300км) выбирают от 0,2 до 4 мс.

Для наилучшего приема импульсного сигнала на фоне искажений и помех, сопровождаемых эффектом Доплера, полосу пропускания приемника обычно выбирают в десятки мегагерц (0,2 - 30МГц).

ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ.

Выбор типа схемы приемника

Высокие требования к электрическим характеристикам современных профессиональных приемников предопределяют их построение по схеме супергетеродина.

Расчёт полос пропускания

Расчёт следует начать с определения полос пропускания приёмника. Полосу пропускания линейного тракта (П) можно определить по формуле (1.1)

, (1.1)

где

кГц – ширина спектра принимаемого сигнала;

Гц – доплеровское смещение частоты сигналов;

- запас полосы пропускания, требуемой для учёта нестабильности и неточности настроек приёмника. Для расчета примем

Гц

Гц

Гц

МГц.

Значения промежуточной частоты приняли равным 50МГц

В результате, подставив полученные значения в формулу (1.1) получим, что П=17.96МГц.

Из полученных результатов, очевидно, что величина П_нс значительно больше 10-20 % полосы пропускания приёмника. Отсюда следует, что в составе нашего приёмника просто необходимо включить систему АПЧ.

При частотной АПЧ полоса приёмника рассчитывается по формуле (1.2)

1,3МГц. (1.2)

Следует помнить, что при использовании АПЧ все элементы блока ВЧ должны иметь полосу пропускания не менее рассчитанного по формуле (1.3) значения:

(1.3)

МГц

Проектирование АП.

Поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения, будем считать, что наш приёмник маломощный ( , ), вследствие чего в качестве АП будут применены микрополосковые ферритовые циркуляторы. Для дальнейших расчетов коэффициент передачи ферритового переключателя примем равным 0,9.

Как уже говорилось ранее, антенный переключатель защищает РПУ от воздействия мощных зондирующих импульсов передатчика (ПРД).

Ферритовый циркулятор представляет собой СВЧ устройство, свойства которого неодинаковы при изменении направления передачи сигнала через него на обратное. Направление прохождения сигнала с малыми потерями от одного плеча циркулятора к другому обозначают стрелкой. Базовым элементом, на основе которого формируются циркуляторы и вентили для СВЧ ИС, явл. микрополосковый ферритовый Y-циркулятор. Последний представляет собой симметричное тройниковое соединение микрополосковых линий на подложке их феррита, находящегося в постоянном магнитном поле, перпендикулярном подложке.

Проектирование УЗП.

Для начала мы должны выбрать разрядник приёмника [1, с.200] по заданной рабочей частоте (f₀ = 9 ГГц) и по требуемой относительной полосе пропускания ( ).

Для нашей рабочей частоты подойдёт разрядник-ограничитель типа MD-80Х5.

Проектирование УПЗК.

В качестве УПЗК используются полосно-пропускающие фильтры (ППФ) на микрополосковых линиях с применением железоиттриевого граната (ЖИГ) в качестве резонатора. Наиболее микроминиатюрным является ППФ с ЖИГ-резонатором. В связи с этим расчёт целесообразно начать с этого типа ППФ [1,с.200].

Зададимся следующими исходными данными: f₀=8650 ГГц, П_пр=17,83 МГц

по уровню затухания L_п=1 дБ, П_з = 4f_пр=71.34МГц по уровню затухания

L_з∑=20 дБ, волновое сопротивление микрополосковых линий, соединённых с

петлями связи, W=R_н=50 Ом.

Расчёт:

1. По формуле (4.95) из [1] рассчитываем требуемую напряжённость внешнего магнитного поля А/м.

2. Для ферритовой сферы выбираем монокристалл ЖИГ с А/м и

М₀ = 1,4∙10⁵ А/м и по формуле (4.96) из [1] определяем ненагруженную добротность ЖИГ резонатора .

3. Необходимое число резонаторов фильтра находим по формуле (4.100) из [1]:

Округлим до ближайшего целого и получим n = 2.

4.Требуемая внешняя добротность ЖИГ резонатора, обусловленная каждой петлёй связи, согласно (4.101) в [1]:

.

5. Из рис. 4.33 [1] по верхней кривой для находим, что требуемый радиус сферы мм и, следовательно, требуемый радиус петли связи в этом случае равен мм.

Таким образом, определены необходимые исходные данные для конструирования ЖИГ резонаторов и петель связи, выполненных из ленточного проводника шириной 0,6 мм.

6. По формуле (4.102) из [1] уточняем полосу пропускания двухрезонаторного ППФ: МГц.

7. По формуле (4.103) из [1] рассчитываем потери рассеяния ППФ на резонансной частоте f₀: дБ.

8. Полагаем потери рассеяния на границах полосы пропускания согласно формуле (4.87) из [1] равными дБ. Тогда суммарное затухание фильтра на границах полосы пропускания (формула 4.88 [1]): дБ.

Расчёт смесителя АПЧ

Исходные данные:

λ=3.5см

= 0,2%

1. Выбираем смесительный диод типа АА112Б

L_прб ≤ 6дБ,r_вых сд = 440 – 640 Ом

1. Выбираем рабочие уровни мощностей гетеродина и сигнала:

=9мВт

90 мВт

1. Определяем r_{бс ср} и сопротивление нагрузки Rp

Ом

Ом

1. Рассчитываем потери преобразования малого сигнала:

1. Рассчитываем выходное напряжение БС АПЧ:

По графику 7.23[1] находим В/Ом^0,5

В.

Исходные параметры для расчета схемы.

Ic=5·10^-3А Ток в рабочей точке.

Uси=10В Напряжение сток-исток в рабочей точке.

Предварительные расчеты.

мА/В Среднее значение крутизны для выбранного транзистора.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Таблица 2.

Выберем бескорпусной ограничительный диод со следующими параметрами:

Cпер=0,4·10^-12Ф Емкость перехода.

r_н=12 Сопротивление потерь диода на низком уровне мощности.

r_в=1,8 Сопротивление потерь диода на высоком уровне мощности.

Lпос=0,4·10^-9Гн Последовательная индуктивность выводов диода.

Pрас_макс=0,3Вт Максимальная рассеиваемая средняя мощность.

Минимальная критическая частота диода.

Расчет ограничителя будем производить на основе заданной величины Lзап , считая, что в данном примере важно получить не максимально возможные потери запирания, а минимальные потери пропускания. Последние находим по формуле:

дБ Потери пропускания в дБ.

Практически потери Lпр будут несколько выше за счет потерь в отрезках микрополосковых линий.

Оценим полосу запирания ограничителя:

Праб_выс=2π·f₀²Cпер·r_в=3,976·10⁸

Рассчитаем максимально допустимые уровни импульсной Ри_пд_макс и средней Рпд_макс СВЧ мощности, которые можно подводить ко входу ограничителя.

Полагая, что при импульсном режиме работы скважность q = l / (Fпос и) = 1000, где fпос - частота посылок импульсов, и - длительность последних, определяем:

Q=1/(F·τ_и)=1·10³

Основным недостатком диодных ограничителей является относительно небольшой допустимый уровень импульсной мощности Ри_пд_макс от сотен ватт до 1-2 кВт. Для устранения этого недостатка и объединения достоинств РЗП и ограничителей используют так называемые разрядники-ограничители. Они представляют собой сочетание РЗП (нередко без электрода вспомогательного разряда), и следующего за ним диодного ограничителя. Разрядники-ограничители, не требующие никаких источников питания, выдерживают большие импульсные мощности (свыше 10 кВт) и обеспечивают защиту приемника от всех возможных сильных сигналов помех.

Учитывая частотный диапазон проектируемого антенного переключателя, выберем РЗП типа РР6. Для него:

Qк=1100

Ослабление зеркального канала при нижней настройке гетеродина за счет РЗП:

Расчет смесителя

В современных радиоприемных устройствах СВЧ в большинстве случаев применяют двухдиодные балансные смесители (БС). Основным их достоинством является способность подавлять шум амплитудной модуляции колебаний гетеродина, что весьма важно для получения низкого коэффициента шума. Наряду с этим БС обладает и другими преимуществами перед однодиодным небалансным смесителем. В частности, БС работает при меньшей мощности гетеродина, имеет повышенную помехоустойчивость к сигналам помех определенных частот и позволяет уменьшить мощность гетеродина, просачивающуюся в антенну.

Схема БС включает две смесительные секции и СВЧ мост (квадратный, кольцевой и др.). К двум плечам моста подключают смесительные секции, а к двум другим подводят соответственно напряжения сигнала Uс и гетеродина Uг.

Работа балансного смесителя основана на равном распределении мощностей сигнала и гетеродина между двумя диодами, но с определенными относительными фазовыми сдвигами, что обеспечивается с помощью СВЧ моста. В результате оказывается, что на выходе смесителя, на промежуточной частоте, преобразованные диодами сигналы имеют одинаковые фазы и поэтому суммируются, а шум гетеродина подавляется, так как он на выходе диодов оказывается противофазным.

Рисунок 4. Схема балансного смесителя.

Расчет детектора

Для детектирования радиоимпульсов, т. е. для преобразования их в видеоимпульсы, используют последовательные диодные детекторы, выполненные по схеме, приведенной на рисунке.

Рисунок 6. Схема детектора радиоимпульсов.

Отрицательное напряжение видеоимпульсов с выхода детектора поступает на ограничитель, в качестве которого служит первый каскад видеоусилителя с общим эмиттером. В этом каскаде сигналы ограничиваются за счет отсечки коллекторного тока. В таких детекторах часто используют германиевые диоды.

Исходные данные:

t_у=0,5·10^-6с Время установления импульсов.

fпр=50·10⁶ Гц Промежуточная частота.

Rэ=2000Ом Резонансное сопротивление контура последнего каскада УПЧ.

Сэ=20·10^-12Ф Емкость контура последнего каскада УПЧ.

См=4·10^-12Ф Емкость монтажа (См = (3 ... 5) пФ).

Свх_ву=20·10^-12Ф Входная емкость видеоусилителя.

Gэ=2·10^-4 Эквивалентная проводимость контура последнего каскада УПЧ (или проводимость нагрузки в случае апериодического УПЧ).

q=1,5 Коэффициент шунтирования контура или нагрузки апериодического каскада детектором (в широкополосных этот коэффициент должен удовлетворять требованиям обеспечения полосы пропускания последнего каскада УПЧ).

Электрический расчет:

Выбираем детекторный диод с малым внутренним сопротивлением Ri, малой емкостью Cд и большим обратным сопротивлением Rобр. Пусть это будет диод типа КД512А с параметрами:

Ri=100Ом

Rобр=3·10⁶Ом

Сд=1·10^-12Ф

Снп=10·Сд=1·10^-11Ф Полная емкость конденсатора нагрузки.

Сн=Снп-См=6·10^-12 Ф Емкость конденсатора нагрузки.

Rн=t_у/2,3Cнп=2,174·10⁴Ом Сопротивление нагрузки.

После этого определяем коэффициент передачи Kд и динамическое внутреннее сопротивление Riд по кривым на рисунке 11.

Rн/Ri=217,391

Kд=0,95

Рисунок 7.График зависимости Kд от отношения Rн/Ri

Отложим это значение на следующем графике на рисунке 12 и получим Rвх_д/Ri=100

Рисунок 8.График зависимости Kд от отношения Rвх_д/Ri

Определяем требуемое входное сопротивление детектора:

Rвх_д=Ri·100

Вычисляем длительность фронта видеоимпульсов:

t_ф=4,4·Сэ·Rэ·Rвх_д/(Rвх_д+Rэ)=1,467·10^-7

Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы были приобретены навыки эскизного расчета супергетеродинного приемника. С помощью программ для автоматизированного расчета была определена функциональная схема преселектора и УПЧ. Главным образом, было определено минимальное количество функциональных блоков и определены фактические параметры, которые они могут обеспечить. В итоге, тракт УПЧ обеспечил достаточную селективность при использовании фильтров сосредоточенной селекции. Был рассчитан общий коэффициент усиления ВЧ тракта и выбраны транзисторы КТ340Д, обеспечивающие достаточное усиление в УПЧ и ПЧ.

Далее была выбрана схема детектора, и проведен эскизный расчет системы АРУ и УНЧ. Построена полная функциональная схема радиоприемника и составлена схема электрическая принципиальная.

В результате, все требования технического задания были выполнены.

Технические условия

1. Характеристики принимаемых сигналов

1.1. Рабочая частота – 8650МГц.

1.2. Вид модуляции принимаемого сигнала – импульсная.

1.3. Длительность импульса – 1,6 мкс.

1.4. Радиальная скорость цели – 180 м/с.

2. Характеристики помех

2.1. Вид помехи – внутренние шумы приемника.

3. Качественные характеристики приёмника

3.1. Чувствительность – 2,2∙10^-13 Вт.

3.2. Отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе линейной части приёмника – 2.5.

3.3. Ослабление по соседнему каналу – 45 дБ.

3.4. Ослабление по зеркальному каналу – 50 дБ.

3.5. Динамический диапазон входных сигналов – 75 дБ.

3.6. Динамический диапазон выходных сигналов – 15 дБ.

3.7. Выходное напряжение (мощность) – 20 В.

3.8. Тип автоматической регулировки усиления – ИАРУ.

Введение.

Активные радиолокационные станции (РЛС) используются для мониторинга воздушных, наземных и морских целей. Они излучают импульсные радиосигналы и облучают самолеты, корабли и иные транспортные средства, определяя по отраженному от них сигналам параметры их движения (пространственные координаты, скорость движения и т.п.

Основной особенностью РЛС кругового обзора является единство антенно-фидерного тракта для приемного и передающего тракта. Различают РЛС импульсного и непрерывного действия. Расстояние от импульсной РЛС до объекта измеряется временем распространения сигнала до объекта и обратно.

Направление на объект определяется, механическим вращением остронаправленной антенны или электрическим качанием игольчатой или лопатообразной диаграммы направленности. Для повышения точности определения расстояния до объекта длительность импульсов определяется размерами лоцируемых целей и обычно изменяются от 0,3 до 3мкс. Период повторения зондирующих импульсов для однозначного измерения расстояния до объектов (обычно 30 - 300км) выбирают от 0,2 до 4 мс.

Для наилучшего приема импульсного сигнала на фоне искажений и помех, сопровождаемых эффектом Доплера, полосу пропускания приемника обычно выбирают в десятки мегагерц (0,2 - 30МГц).

ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ.

Выбор типа схемы приемника

Высокие требования к электрическим характеристикам современных профессиональных приемников предопределяют их построение по схеме супергетеродина.

Расчёт полос пропускания

Расчёт следует начать с определения полос пропускания приёмника. Полосу пропускания линейного тракта (П) можно определить по формуле (1.1)

, (1.1)

где

кГц – ширина спектра принимаемого сигнала;

Гц – доплеровское смещение частоты сигналов;

- запас полосы пропускания, требуемой для учёта нестабильности и неточности настроек приёмника. Для расчета примем

Гц

Гц

Гц

МГц.

Значения промежуточной частоты приняли равным 50МГц

В результате, подставив полученные значения в формулу (1.1) получим, что П=17.96МГц.

Из полученных результатов, очевидно, что величина П_нс значительно больше 10-20 % полосы пропускания приёмника. Отсюда следует, что в составе нашего приёмника просто необходимо включить систему АПЧ.

При частотной АПЧ полоса приёмника рассчитывается по формуле (1.2)

1,3МГц. (1.2)

Следует помнить, что при использовании АПЧ все элементы блока ВЧ должны иметь полосу пропускания не менее рассчитанного по формуле (1.3) значения:

(1.3)

МГц