Радиолокационный приемник сантиметрового диапазона - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
Ш=(Швц+(Шпч-1)/Квц+(Шупч-1)/(Квц(Кпч))/Кр.ф.
Все коэффициенты шума ориентировочно берём из таблицы 6.1 [3]:
Швц=1,3 Квц=0,8
Шурч=1,5 Курч=10
Шпч=5 Кпч=8 (при использовании транзисторного ПЧ)
Шупч=10
Ш=( 1,3+(5-1)/0,8+(10-1)/(8(0,8))/0,8=9,5 < Шдоп=21,02Ю
Ю можно обойтись без УРЧ.
4.4. Выбор гетеродина
Исходные данные для выбора гетеродина:
. Рабочая частота fг=fc-fпр=1,3-0,03=1,27 ГГц;
. Требуемая выходная мощность РГвых;
. 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:
РГвых = (Рс + Рапч )(3 = (6+9)(3 =45 мВт;
Из таблицы 8.4 [3] выбираем ГДГ типа VSC-9019, имеющий следующие параметры:
. диапазон рабочих частот
fГ,ГГц.......................................1..2;
. шаг перестройки: электронной Dfэл,МГц...........................50;
механической Dfмех,МГц....................200;
. выходная мощность РГвых ,
мВт........................................100;
. напряжение питания
Uпит,В.................................................11;
. ток потребления
I,А............................................................0,5;
4.5. Обеспечение необходимого усиления трактом ВЧ
Обеспечение достаточного усиления радиосигнала трактом ВЧ необходимо для
нормальной работы детектора, а так же получения низкого уровня шума.
Основное усиление обеспечивается в тракте ПЧ. Основными требованиями к
усилительным каскадам линейного тракта являются их достаточная устойчивость
(возможно меньшее число каскадов) и построение на основе наиболее
экономичной и современной электронной базы.
Коэффициент усиления линейного тракта:
[pic],
где RА - активное сопротивление антенны;
Uпр - амплитуда сигнала на выходе УПЧ;
Требуемая амплитуда сигнала на выходе УПЧ определяется амплитудой
напряжения, необходимой для нормальной работы детектора: Uвых=1В.
Рассчет коэффициента усиления линейного тракта:
[pic]
Коэффициент передачи по мощности согласно таблицы 6.1 [3] для
транзисторного преобразователя частоты примем равным:
КРпч = 8
Амплитуда напряжения на входе УПЧ :
Uвх= 4Рвх(Rвх = 2(Ра(Квц(Кпч(Rвх = 2(10-12(0,8(8(103 = 0,13 мВ.
Коэффициент усиления УПЧ по напряжению:
Купч=Uвых/Uвх=1/(1,3(10-4)=7,6(103
4.6. 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:
[pic]
Принимаем dэс=0,006
[pic] = 23,8 дБ,
Эквивалентное затухание одиночных контуров:
dэп= П/(Ц2(fпр)=6,3/(Ц2(30)=0,15
Селективность по соседнему каналу:
[pic]
Полагаем: Dfск= П=6,3 МГц;
n=2,
тогда:
[pic]= 18,9 дБ
4.7. 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:
[pic]= 0,2 мкс
Искажения, вносимые входной цепью незначительны и составляют:
[pic]0,0064 мкс
УРЧ является инерционным звеном, поэтому искажения, вносимые им, довольно
велики: [pic]0,024мкс
Искажения, вносимые преобразователем частоты, составляют:
[pic]0,008мкс
Наибольшие искажения переднего фронта радиоимпульсов вносятся детектором из-
за шунтирования выходного контура УПЧ входным сопротивлением детектора:
[pic]0,04мкс
Оставшееся искажение переднего фронта импульса вносится сравнительно
узкополосным УПЧ. Определим допустимые искажения, приходящиеся на один
каскад УПЧ:
[pic]
4.8. Структурная схема РПрУ
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 tу и время спада tсп импульсов на его выходе. Обеспечение
минимальных искажений формы импульсов (tу и tсп), 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.
4.9. 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 fc = 1,3 ГГц;
l=23см;
Коэффициент шума транзистора Штр=1,5 (ориентировочно)
Частота гетеродина fг = 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 Uпит=6,3 В:
. ток потребления Iпот,мА при Uвх=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 Sэ, мА/В,
при Uвх=10 мВ и fвх=1
МГц.........................................................10;
. коэффициент шума Kш, дБ при fвх=20 МГц, не
более..................8;
. верхняя граничная частота fв, МГц, при Uвх=10
мВ..................150.
Предельные эксплуатационные параметры ИМС К175УВ4:
. напряжение питания Uпит, 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).
[pic]
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 - +Uпит;
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 fпч = 30 МГц
Коэффициент усиления К= 6(103
Искажения переднего фронта импульса tу = 0,09 мкс;
Для использования в детекторе из литературы [3] выбираем детектирующий
полупроводниковый диод Д9Б, т.к. его характеристики удовлетворяют следующим
требованиям:
fпч = 30 МГц < fд = 40 МГц;
Cд = 1...2 пФ;
Uпр = 0,9 В;
Iпр = 90 мА;
Ri = 10 Ом;
Uобрmax = 10 В;
Iобр = 250 мкА;
Rобр = 0,4 МОм.
Данные для расчёта:
Частота сигнала ПЧ fпч = 30 МГц;
Параметры входного контура Lк=50 нГн; Ск = 2 пФ;
Допустимые искажения импульса :
Время нарастания импульса tу =0,2 мкс;
Время спада импульса tсп = (0,3...0,5)Чtи = (0,3...0,5)Ч1 = 0,3 мкс;
UвхДет = 0,5 В;
Kд ~ 0,8 ...0,9.
5.Расчет элементов принципиальной схемы приемника
5.1. 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
|
