Радиолокационный приемник сантиметрового диапазона - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
= 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.
5.2. 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 Праб, % ;
. потери в режиме приема Lпр, дБ;
. коэффициент стоячей волны КСВ.
Основными параметрами высокого уровня мощности являются:
. максимально допустимая импульсная мощность Pи(кВт)на входе РЗП;
. мощность зажигания Pзаж (мВт) - максимальная импульсная мощность, на
выход ЗП;
. энергия пика Wп (Дж) и мощность плоской части Pпл (мВт) СВЧ импульса,
просачивающаяся через РЗП во время его горения;
. время восстановления РЗП tв (мкс),
. характеристика времени tG после окончания вх.импульса СВЧ, в течение
которого потери снизятся до условной величины Lпр + 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 Lпр малы), и при состоянием запирания при большой
мощности сигнала, т.е. на высоком уровне мощности (потери запирания Lзап
велики).
5.3. 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]:
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 Lп, обычно принимаемое за 3 дБ, полоса заграждения Пз,
определемая в нашем случае как Пз=4fпч=120 МГц, затухание на границах
полосы заграждения Lз=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 (Lз-1)/(Lп-1) / lg(Пз/Ппр)
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 li отрезков связанных линий всех звеньев фильтра
одинакова: li =L0/4,
где L0- длина волны в линии на частоте fс: 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 Lп=1,4 и Пп/f0=0,2 определяем (n+1)
коэффициент qi (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):
Сi=10lg(qi+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 bi/d и
Si/d
b1/d=b3/d=0,993
S1/d=S3/d=3,08
5.4. Преобразователь частоты (смеситель)
Схема преобразователя частоты на полевом транзисторе
с внешним гетеродином ([4]):
[pic]
В преобразователе частоты на двухзатворном ПТШ АП 328-2 напряжения
сигнала и гетеродина подаются на разные затворы, что позволяет добиться
лучшей развязки между сигнальной и гетеродинной цепью по сравнению со
смесителем на однозатворном ПТ ([3]). Преобразование частоты обеспечивается
за счет изменения крутизны сток - затворной характеристики по сигнальному
затвору под воздействием переменного напряжения на гетеродинном затворе.
[pic]Рис.3
Основные параметры транзистора берём из справочника [ 5 ] .
Uси=2 В .
Rи=200 Ом .
Iс о=5 мА .
Uзи о=0,5 В .
Sнач=6 мА/В
Пользуясь характеристиками ПТ (рис.3), выбираем напряжение смещения:
Eсм=UЗИотс/2=0,5/2=0,25 В
Сумма амплитуд сигнала и гетеродина не должна превышать Eсм.
Полагаем,что для ПТ крутизна при UЗИ=0: Sнач=6 мА/В,
при UЗИ=UЗИотс/2: Sнач/2=1,5 мА/В
Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток UЗИ имеет вид:
IС=0,5(Sнач((1+ UЗИ / UЗИотс)2
При подаче на вход смесителя напряжений сигнала uc=Uсcoswct и гетеродина
uг=Uгcoswгt получаем амплитуду тока частоты wп=wг-wс:
Iп=0,5(Sнач(Uс(Ur/ UЗИотс
Крутизна преобразования:
Sпр=1/2(Sм1=1/2(( Sмакс - Sмин)/2=(6-1,5)/4=1,12 мА/В
Зададимся L1 = L2 = 1 мкГн;
С3 =С4=1/((2(f0)2(L)=1/((2(3,14(3(107)2(10-6)=
=28(10-12=28 пФ
Характеристическое сопротивление контуров:
rк= ЦLк/Ск = Ц10-6/28(10-12=1,9(102
По таблице 6.1 [3] находим отношение полосы пропускания двухконтурного
резонансного каскада к полосе приёмника:
Y(n)=1,56
Полоса пропускания одного каскада УПЧ по уровню -3 дБ:
Пiупч=ПЧY(n)=6Ч1,56=9,3 МГц
Эквивалентное затухание контуров:
dэ= Пiупч/Ц2Чf0 =9,3/Ц2Ч1,3Ч109=0,05
Полагаем коэффициент включения транзистора в
резонансный контур m1=1;
dэ/rк = d0 + m12Ч gвых.ПТ + m22Ч gвх.УПЧ
Исходя из условий [3] зададимся собственными затуханиями:
d0 @0,006..0,01. Принимаем: d0 = 0,006; gвыхПТ @ 0.
Коэффициент подключения m2 :
[pic]
Коэффициенты передачи смесителя:
по напряжению:
Кu= m1(m2(Sпр( rк /2(dэ =1(0,8(1,12(10-3(1,9(102/2(0,05=1,7
по мощности:
Кр= Кu2(Rа/ RвхУПЧ=1,7(75/1(102 = 2,2
Для расчета коэффициента шума смесителя на ПТШ необходимы матрицы S-
параметров транзистора АП328А2, которые, как правило, определяются
экспериментально (в справочной литературе не обнаружены). Поэтому оценим
коэффициент шума транзистора в режиме преобразования частоты :
ШПЧ=(2..3)ЧШтр=(2..3)Ч1,5 @ 3 дБ
Расчёт смесителя по постоянному току :
Напряжение смещения:
Есм=Uси0= Ic о(R2 =0,25 В
R2 =0,25/5(10-3=50 Ом
Напряжение источника питания:
Еп=Uси0+Ic о(Rи=0,25+5(10-3(0,2(103=1,25 В
Так как необходимо согласовать ВЦ и вход смесителя с волновым
сопротивлением антенно-фидерного тракта 75 Ом, то взяв R1=Rут=75 Oм
получим входное сопротивление смесителя Rвх=75 Ом (т.к. входное
сопротивление ПТШ достаточно велико).
5.5. Усилитель промежуточной частоты (УПЧ)
Усилители с широким динамическим диапазоном могут быть построены по
схеме усилителя-ограничителя (УО) или усилителя с логарифмической
амплитудной характеристикой (ЛАХ). У последних между входным и выходным
сигналом существует вполне определенная функциональная зависимость вида :
[pic]
УО такой зависимостью не характеризуются.
Логарифмические усилители могут быть выполнены по параллельной и
последовательной и схеме. В первой используется параллельное включение
каскадов усилителя с различным коэффициентом усиления. Для защиты от
перегрузок и повышения стабильности на выходе каждого каскада ставится
двусторонний усилитель-ограничитель, и с выхода каждого канала сигналы
суммируются. Однако увеличение массогабаритных показателей, связанное с
необходимостью использования значительного числа каналов, обусловило
большее распространение усилителей с ЛАХ, построенных по методу
последовательного усиления и суммирования:
[pic]
Рис.5.5.1.
Такой усилитель (рис.5.5.1) представляет собой последовательное
соединение нескольких каскадов, каждый из которых, в общем случае, содержит
линейный усилитель и двусторонний ограничитель. Выходы всех каскадов
объединены сумматором через буферные каскады (БК), способствующие
увеличению развязки между каскадами и повышению устойчивости усилителя. Для
получения амплитудной характеристики, достаточно хорошо приближающейся к
логарифмической, все каскады должны быть идентичны. В зависимости от
особенностей реализации и назначения логарифмического усилителя, в
обобщенную схему могут вноситься изменения. Так, возможно совмещение
функций линейного усиления и двустороннего ограничения, например в ИМС;
сумматор может быть выполнен в виде резистора, усилительного каскада или
линии задержки; буферные каскады могут использоваться также и для коррекции
частотной и фазовой характеристик усилителя.
Амплитудная характеристика логарифмических усилителей описывается
системой уравнений:
[pic][pic]
где К0 – коэффициент усиления в линейном режиме; Uвх.н – пороговый уровень
входного сигнала, начиная с которого амплитудная характеристика становится
логарифмической; b – коэффициент, определяющий наклон ЛАХ.
Основные показатели логарифмического усилителя могут быть определены из
соотношений [11]:
[pic]
где КОС - коэффициент усиления одного каскада на ИМС;
Dвх = Uвх.макс / Uвх.н - логарифмический динамический диапазон
усилителя, определяемый протяженностью логарифмического участка
амплитудной характеристики и равный динамическому диапазону изменения
уровня входных сигналов;
Uвх.макс - максимальный уровень входного напряжения, соответствующий
концу логарифмического участка амплитудной характеристики;
Uвх.н - напряжение на входе ИМС, при котором начинается амплитудное
ограничение;
n - число каскадов усилителя;
K0n - к-т усиления всего усилителя в линейном режиме;
d - ошибка, связанная с отклонением АХ от логарифмической.
Данные к расчету:
. частота сигнала ПЧ: fпч = 30 МГц;
. избирательность по соседнему каналу: Seск = 10 дБ;
. коэффициент усиления УПЧ: K0n =13440;
. искажения переднего фронта импульса: D(и =0,15 мкс;
. динамический диапазон входных сигналов Dвх=60 дБ;
. динамический диапазон выходных сигналов Dвых=<10 дБ;
. порог логарифмирования АХ: Uвх.н =1(10-4 В.
Принципиальная схема УПЧ [11] приведена на рис.5.5.2
[pic]
Рис.5.5.2 Принципиальная схема УПЧ
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.
[pic]
[pic]
5.6. Расчёт детектора
Для детектирования радиоимпульсов , т.е. для преобразования их в
видеоимпульсы, используем последовательные диодные детекторы, выполненные
по схеме (рис.5.5.1).
[pic]
рис.5.5.1Последовательный диодный детектор
Видеоимпульсы с выхода детектора поступают на видеоусилитель.
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)(tу = (0,3...0,5)(0,2 = 0,1
мкс;
UвхДет = 0,5 В;
Kд ~ 0,8 _ 0,9.
Крутизна ВАХ диода:
Sд = Diд / Duд = 1/Riд = 1/ 10 = 0,1
Ёмкость в нагрузке:
Cн = 15(Cд - Cм = 15(2 пФ - 8 пФ = 22 пФ
Rн~=tсп/(2,3(CН)=0,1мкс/(2,3(22пФ)=5.1кОм -параллельное сопротивление Rн и
Rвх=1кОм ( в случае использования ВУ на ИМС К175УВ2)
Сопротивление нагрузки детектора
Rн = (Rн~(Rвх ву)/( Rн~ + Rвх ву) = (5,1к(1к)/( 5,1к + 1к) = 1,2 кОм
Проверка правильности выбранных параметров детектора:
Rн~((Cн + CвхвУ + Cм) И (1..2)/fпр
5,1 кОм((22 пФ + 50 пФ + 8 пФ) И (1..2)/30 МГц
4(10-6 > 0,067(10-6 Ю параметры детектора выбраны правильно.
Коэффициент передачи детектора Кд:
Кд = cosQ @ 0,8...0,9
где Q = Ц3p / (Sд(Rн) = Ц 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 tуд
tуд = Rн(Cн((2(Riэ + Rэ) /(0,5(Rн + 2,5(Riз + Rэ)=
=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 mд
Lк = 50 нГн и Cк = 2 пФ - параметры выходного каскада УПЧ;
rк = ЦLк /Cк = 158 Ом - характеристическое сопротивление контура
d0 = 0,006 [справочник Петрова] Ю П 0,7 упч = d0(fпр = 5 МГц
dвн д = П 0,7 упч / 2(fпр = 5 МГц / 1270 МГц = 0,004 - зквивалентное
затухание, вносимое детектором
mд = dвн д(Rн /2(rк = 0,004(1200/2(158 = 0,15
Полный коэффициент усиления детектора
Кд` = Кд(mд = 0,9(0,15 = 0,135
Расчет емкости разделительного сонденсатора Ср
D% <= 1...3 % - спад плоской вершины
Ср = (tи (100%)/((Rн + Rвх ву) (D%) =
= 0,66(10-6(100% / ((1,2(103 + 1000) (2%) = 15 нФ
Определим нужно ли ставить дроссель для фильтрации пульсаций импульса fпр
Если Кф < 0,01-0,02 ,то дросель можно не ставить
Кф =( Свх ву / (Cн + Свх ву)) ( 1/(2p ( fпр ( Сн ( Rн + 1) =
= (50 пФ/(22пФ + 50пФ)) (1/( 2(p ( 30 МГц ( 22пФ ( 1,2кОм + 1) = 0,14
Условие не выполняется, значит дроссель нужен.
Резонансная частота fдр паразитного контура Сдр Lдр:
Сдр @ 3...5пФ, принимаем Сдр = 2пФ
fдр @ 0,7fпр = 0,7( 30 МГц = 21 МГц
Lдр = 1/((2p)2(fдр2 (Сдр) = 1/((2p)2(21 МГц2(2пФ) = 28,7 мкГн
Кф`при наличии дроселя
Кф` = Сдр/(Сдр + Свх ву) = 2пФ / (2пФ + 50пФ) = 0,04
5.7. Проверочный расчёт
Проверим, соответствует ли спроектированный приёмник требованиям
технического задания.
Данные к рассчету:
Кр.ф.=(0,8
Швц=1,5 Квц=0,8
Шпч=3 Кпч=1,25
Шупч=10 Купч=6(103
Ш=(Швц+(Шпч-1)/Квц+(Шупч-1)/(Квц(Кпч))/Кр.ф.=
= (1,5 + (3-1)/0,8 + (10-1)/(0,8(1,25))/0,8 = 12,5/0,8 = 15,6 < Шдоп = 21
При таком коэффициенте шума чувствительность приёмника:
РА= [Ш/Кр.ф + (tА - 1)] ((Pc/Pш) к(Т0(ПШ = [15,6/0,8 + (0,48 - 1)]
(1,4(1,38(10-23(290К(6,93Ч106 =0,73(10-12 < Ра(ТЗ) = 1(10-12
Следовательно, спроектированный приёмник отвечает всем требованиям ТЗ.
Принципиальная схема приемника
[pic]
Спецификация элементов
[pic]
6.Технико-экономическое обоснование
6.1. 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]
| Наименование ИМС |Цена, руб. |
|175ув1 а | 9.60|
|175ув 1б | 9.80|
|175ув2 а | 14.40|
|175ув 2б | 10.80|
|175ув 3а | 13.80|
|175ув 3б | 13.20|
|175ув 4а | 13.40|
|175ув 4б | 8.20|
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
По данным табл. 6.1, для использования в УПЧ выбираем [7] ИМС К175 УВ
4.
6.2. Расчет технико-экономических показателей блока ПЧ
Расчет себестоимости изготовления изделия
Себестоимость изделия представляет собой совокупность всех затрат на
производство и реализацию продукции.
Табл.6.2Стоимость комплектующих деталей для разработанной схемы блока ПЧ
|наименование |кол-во |стоимость, руб. |
|комплектующих | | |
| | |единицы |общая |
|ИМС К175УВ4 |5 |10 |50 |
|Резисторы МЛТ-0,125 |17 |0,05 |0,85 |
|Конденсаторы К-50-11 |18 |0,2 |3,6 |
|Катушка индуктивности |1 |1 |1 |
|Транзистор КП302А |1 |1 |1 |
|Стоимость схемы Ссхемы |56,35 |
|Транспортные расходы Ртрансп= Ссхемы (5% |2,82 |
|Итого стоимость комплектующих Скомпл |59,17 |
Расчет себестоимости изготовления печатной платы блока ПЧ:
Необходимо учесть стоимость полуфабрикатов, идущих на изготовление
печатной платы блока ПЧ. В качестве материала выбираем двусторонний
фольгированный гетинакс, стоимостью 50 руб. за 1 м2. Для разрабатываемого
изделия необходима одна печатная плата площадью 60 см2. Стоимость материала
для изготовления печатной платы составляет:
Цмат.печ.пл.=(60/10000) (50=0,3 (руб.)
Заработная плата основным рабочим за изготовление печатной платы:
З печ.пл = 56,95 (0,1 = 5,6 руб.
Накладные расходы: Н=200%
Себестоимость изготовления печатной платы:
Спеч.пл.= Цмат.печ.пл + З печ.пл ((1+Н)=
= 0,6 +5,6((1+2) = 17,4
|
