|
|
|
|
Разработка приёмника радиолокационной станции обнаружения
Разработка приёмника радиолокационной станции обнаружения
27 Московский Авиационный Институт Пояснительная записка к курсовому проекту по предмету: "Разработка приёмника радиолокационной станции обнаружения" Выполнил: Vanish588 Проверил: Выборный В.Г. Москва 2010 г. Содержание Введение - Исходные данные для расчёта
- 1. Выбор и обоснование структурной схемы приёмника
- 1.1 Определение параметров структурной схемы приёмника
- 1.1.1 Определение эквивалентных параметров антенны
- 1.1.2 Расчет полосы пропускания линейного тракта РПрУ
- 1.1.3 Определение структуры радиотракта
- 1.1.4 Обеспечение необходимого усиления трактом ВЧ
- 1.1.5 Обеспечение необходимого усиления трактом НЧ
- 1.1.6 Окончательная структурная схема приёмника
- 2. Расчёт усилителя промежуточной частоты
- 3. Конструкция приемника
- Заключение
- Список литературы
ВведениеРадиолокационный приёмник является составной частью радиолокационных станций, 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.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, что обеспечивает высокую разрешающую способность и точность при измерении дальности. Радиоприемные устройства таких станций служат для приема части энергии излучаемых радиоимпульсов, отраженной от цели.Исходные данные для расчёта1. Спроектировать приёмник радиолокационной станции обнаружения2. Составить и рассчитать структурную схему приёмника.3. Провести электрический расчёт узла УПЧ.4. Исходные данные для проектирования:рабочий диапазон частот: МГц смвид сигнала: импульсный мксчувствительность: 4•10Вт ослабление побочных каналов приёма: дБизменение уровня входного сигнала: 60 дБуровень выходного сигнала и его изменение: 10 В; 4 дБоконечная нагрузка: Rн=100 Ом, Сн=5 пФисточник электроэнергии: сеть 220 Вусловия эксплуатации: Токр= - 10…+40С5. Узел для конструирования: плата УПЧ6. Дополнительные требования: использование микросхем1. Выбор и обоснование структурной схемы приёмникаСущественное улучшение всех показателей РПрУ достигается на основе принципа преобразования частоты принимаемого сигнала - переноса его в частотную область, где он может быть обработан с наибольшей эффективностью. Самое широкое распространение во всех радиодиапазонах получила построенная на этом принципе схема супергетеродинного приемника. Эта схема в настоящее время наиболее совершенна.Приемники супергетеродинного типа позволяют успешно решать задачи получения требуемой фильтрации принимаемого сигнала, обеспечение заданного усиления, решение проблемы селективности, простоты перестройки, которая обеспечивается с помощью простых колебательных систем преселектора. Относительная широкополосность приемников импульсных сигналов позволяет, как правило, строить такие приемники с однократным преобразованием частоты. Из выше сказанного можно сделать вывод, что построение проектируемого РПрУ целесообразно выполнять по супергетеродинной схеме, наилучшим образом удовлетворяющей заданным техническим требованиям.Структурная схема приемника с однократным преобразованием частоты: АФТ - антенно-фидерное устройство; ВЦ - входная цепь; СМ - смеситель; Г - гетеродин; ДМ - демодулятор; Н - нагрузка; АРУ - автоматическая регулировка усиления; АПЧГ - автоматическая подстройка частоты гетеродина; ПРД - передатчик.Амплитуда сигналов, поступающих на вход радиолокационного РПрУ, изменяется в широких пределах, т.к мощность отраженных от цели сигналов обратно пропорциональна четвертой степени расстояния до цели (которое может меняться) и, кроме того, зависит от типа цели и её эффективной поверхности рассеивания. Работа РЛС в реальных условиях сопровождается действием разного рода активных и пассивных нестационарных помех естественного и искусственного происхождения, уровень мощности которых зачастую значительно (на 20. .60 дБ) превышает уровень полезного сигнала, а параметры априорно неизвестны. Воздействие помех еще больше расширяет диапазон изменения сигналов, поступающих в антенну РЛС.1.1 Определение параметров структурной схемы приёмника1.1.1 Определение эквивалентных параметров антенныПроектируемый радиолокационный приемник имеет настроенную антенну, т.е. её сопротивление чисто активно и равно сопротивлению фидера:ОмОтносительная шумовая температура антенны:;где T0 - стандартная температура приёмника Т0=290 0 К;ТА - абсолютная шумовая температура антенны.Для нашей приемной антенны примем: ТА =140 0 К.1.1.2 Расчет полосы пропускания линейного тракта РПрУДля импульсных сигналов полоса пропускания приемника выбирается исходя из получения максимального отношения сигнал/шум на выходе радиотракта. Такая полоса называется оптимальной и определяется как: кГцШирина полосы пропускания линейного тракта П складывается из ширины спектра принимаемого сигнала Пс, доплеровского смещения частоты сигнала fд и запаса полосы, требуемого для учета нестабильностей и неточностей настроек приемника Пнс:Доплеровское смещение:кГц,где Vц - скорость цели относительно антенны РЛС (у нас 600 м/с);с - скорость света в вакууме.Запас полосы для учёта нестабильностей:,где бс - относительная нестабильность несущей частоты принимаемого сигнала; при использовании в передатчике кварцевой стабилизации частоты несущей можно получить бс = (10-5...10-6)бг - относительная нестабильность частоты гетеродина, которую на данном этапе можно оценить лишь приблизительно. Выбрав транзисторный однокаскадный гетеродин с кварцевой стабилизацией, можно получить бг=10-6бпр - относительная погрешность и нестабильность настройки контуров тракта промежуточной частоты, принимаем бпр= (0,0003...0,003);бн - относительная нестабильность частоты, вызванная неточностью настройки контуров гетеродина, бн = (0,001...0,01);Промежуточная частота выбирается исходя из условий:МГцгдеSзкз - заданное ослабление зеркального канала, которое принимаем равным 25 дБ (320 раз);n - число колебательных систем в преселекторе, n=2,Qк - добротность резонансного контура в ППФ в радиотракте, для обеспечения требований избирательности по зеркальному каналу.В РЛП миллиметрового и сантиметрового диапазонов промежуточная частота равна либо 30, либо 60 МГц. Выберем промежуточную частоту из стандартного ряда:fпр=60 МГцЧастота гетеродина: fг=fc-fпр=7,5-0,06=7,44 ГГц == 15 МГцПнс> (1,2...1,5) Пс, следовательно придётся использовать частотную автоматическую подстройку частоты (ЧАПЧ) или фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ).При использовании ЧАПЧ с Кчапч=10 полоса пропускания приемника:кГц.При использовании ФАПЧс Кфапч Ю?? полоса пропускания приемника: МГц.ПФАПЧ получилась уже, чем ПЧАПЧ, поэтому будем использовать ЧАПЧ.Полоса пропускания: МГцОтношение сигнал/шум связано с флуктуационной ошибкой соотношением:, где полоса Fэ = (5. .10) /2 2Необходимо учитывать потери в отношении сигнал/шум, возникающие из-за следующих причин:потери при распространении радиоволн r1 = 1...3 дБпотери в антенно-фидерном тракте r 2 = 1 дБпотери при амплитудном детектировании r 3 = 1...5 дБпотери на квантование r 4 = 2 дБ (при двухуровневом квантовании)Суммарный коэффициент потерь: r = ri = 5...10 дБ.Примем r = 10 [дБ] = 3,16 [раз]Отношение сигнал/шум с учетом потерь:(Рс/Рш) `= (Рс/Рш) r = 0,453,16 1,42Расчет предельно допустимого коэффициента шума:где:Кр. ф. ??0,8 - коэффициент передачи фидера по мощности.Пш = 1,1П = 1,10,715=0,786 МГц.К - постоянная Больцмана К=1,3810-23 Дж/К.1.1.3 Определение структуры радиотрактаАФТ представляет из себя волновод соединяющий антенну с последующими каскадами. Оценим коэффициент шума линейного тракта РПрУ, после чего решим вопрос о включении или невключении УРЧ в состав радиотракта.Также в радиотракте следует установить устройство защиты УЗ, которое защитит приёмник от протикающей через антенный переключатель из передатчика ПРД 1% мощности излучаемого сигнала (?10Вт). УЗ представляет из себя полупроводниковый диодный ограничитель.Коэффициент шума радиотракта без использования усилителя радиочастоты:Все коэффициенты шума ориентировочно:Швц=1,3 Квц=0,8 коэффициент передачи входной цепиШпч=5 Кпч=8 (при использовании транзисторного ПЧ)Шупч=10КФ=0,8 коэффициент передачи фильтра < Шдоп=28Ю можно обойтись без УРЧ.1.1.4 Обеспечение необходимого усиления трактом ВЧОбеспечение 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:,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.Расчет коэффициента усиления линейного тракта:Коэффициент передачи по мощности для транзисторного преобразователя частотыпримем равным:КРпч = 8Амплитуда напряжения на входе УПЧ:Uвх= 4РвхRвх = 2РаКвцКпчRвх = 2410-130,88103 = 0,03 мВ.Коэффициент усиления УПЧ по напряжению:Купч=Uвых/Uвх=1/ (0,310-4) =33,31031.1.5 Обеспечение необходимого усиления трактом НЧКоэффициент передачи диодного детектора KД примем равным 0,7. Следовательно, коэффициент усиления видеоусилителя КВУ будет равен:1.1.6 Окончательная структурная схема приёмника2. Расчёт усилителя промежуточной частотыНачнём расчёт усилителя в выбора транзистора. Для УПЧ используют высокочастотные биполярные транзисторы.В качестве транзистора выбираем 2N2478, т.к МГц. = 120 МГц и выполняется условие (2-3) Параметры транзистора 2N2478:= 200МГц, 0.5= 60МГц, = 30 мА/В, g= 2 мСм, С= 70пФ, g= 6мкСм, С= 8пФ, С= 2пФ, h= 50, Nм= 5дБ, Iкбо= 2мкА.Для обеспечения избирательности по соседнему каналу применяют фильтр сосредоточенной селекции (ФСИ) на ПЧ, т.к ФСИ может дать лучшую избирательность, чем УПЧ с распределенной избирательностью. При этом каскад УПЧ содержит каскад с ФСИ, который обеспечивает требуемую избирательность и ряд апериодических или слабоизбирательных каскадов, создающих основное усиление на ПЧ.Исходные данные для расчёта: = 60 МГц - промежуточная частота,П= 15.75 МГц - полоса пропускания,=35103 - коэффициент усиления УПЧ,Особые требования по избирательности по соседнему каналу на предъявляются.Принципиальная схема каскада с ФСИ.Расчёт:Определим величину := ;где - промежуточная частота, - собственное затухание контура,П - полоса пропускания УПЧ.d = 0.004, П = 15.75 МГц.= = 0.03Задаемся числом звеньев и в качестве начального приближения выбираем n= 4.Находим ослабление на границе полосы пропускания, обеспечиваемое одним звеном:,где - ослабление на границе полосы пропускания. = 3дб.По графику для = 0.03 и = 0.75 находим параметр .Из графиков параметр получился равным= 0.9.Определим разность частот среза:= = = 17.5 МГц.Определим вспомогательные величины yи :y= = y= 1.8= По графику находим для = 0.027 и y= 1.8:Из графиков параметр S= 10.3 дБ.Определяем расчетное ослабление соседнего канала, задавшись величиной :S= n,где S - ухудшение избирательности из-за рассогласования фильтра с источником сигнала и нагрузкой.S= 4 = 38.2 ДбОсобых требований к избирательности по соседнему каналу не предъявлялось, будем считать, что S= 38.2 дБ нам подходит.Для расчета элементов фильтров зададимся величиной номинального характеристического сопротивления: Wo= 20кОм.Вычисляем коэффициенты трансформации по формулам:m= m= = 20•10•6•10 = 0.121,= 20•10•2•10 = 401 .По графикам определяем коэффициент передачи ФСИ для n = 4, = 0.027Из графика коэффициент передачи ФСИ получился равным, Кпф= 0.75.Получилось что , то для согласования фильтра с коллекторной цепью параллельно входу фильтра включаем шунтирующий резистор с проводимостью:См > ОмРассчитаем коэффициент усиления каскада с ФСИ:Рассчитываем элементы, образующие звенья ФСИ:где m - соответствует коэффициенту трансформации m, - коэффициент связи (0.7-0.9).Расчёт параметров усилительных каскадов:Площадь усиления:,где - коэффициент усиления одного каскада (), - требуемая верхняя граничная частота ().ГцГцОпределим число каскадов из номограмм, где построены зависимости, отношения площади усиления к верхней частоте усиления , от коэффициента усиления АУ . При этом - верхняя граничная частота с учётом числа каскадов . в нашем случае равно . ГцИз номограмм видно, что нам потребуется два каскада усиления после каскада ФСИ.Будем использовать тот же транзистор, что и в каскаде с ФСИ.Для требуемого усиления (35•) в УПЧ необходимо 3 каскада. Тогда коэффициент усиления составит:Напряжение на выходе 3-х каскадного УПЧ с ФСИ составит:ВПревышением усиления в нашем случае можно пренебречь.Исходные данные для расчёта усилителя:П= 15.75 МГц - полоса пропускания,Гц - верхняя граничная частота с учётом количества каскадов, - диапазон рабочих температур,|
Технологический параметр для кремния: | | | Коэффициент температурного сдвига: | | | Ток эмиттера: | А | | Обратный ток коллектора: | А | | Источник питания: | В | | Сопротивление коллектора: | Ом | | Транзистор: | 2N2478 | | Напряжение коллектор-эмиттер: | В | | Напряжение эмиттер-база: | В | | Коэффициент усиления по напряжению: | | | |
Изменение обратного тока коллектора: Ток делителя: Сопротивления в цепи базы: Сопротивление в цепи эмиттера: Емкость в цепи эмиттера: - влияние ёмкости в цепи эмиттера. Разделительные ёмкости: Сопротивление в цепи коллектора: Принципиальная схема трёхкаскадного УПЧ с ФСИ приведена в приложении. 3. Конструкция приемникаОсновной задачей конструирования приемника является обеспечение работоспособности устройства с параметрами заложенными в его электронный расчет.Необходимо добиться такого взаимного расположения каскадов и узлов на печатной плате, чтобы минимизировать паразитные связи; обеспечить жесткость конструкции, коррозийной и стойкости устройства; обеспечить удобство управления, контроля, ремонта и транспортировки; уменьшить габаритные размеры и массу; согласовать конструктивно приемник с аппаратурой, с которой он работает.Для уменьшения паразитных связей необходимо тщательно продумать размещение каскадов. Используют размещение схемы `в линейку', либо `по периметру'.Для обеспечения жесткости конструкции печатные платы крепятся на прочном основании. В профессиональных устройствах, имеющих блочную конструкцию такие рамы в виде кассет вставляются в кожухи.При использовании приемника в тяжелых климатических условиях отдельные элементы и блоки помещают в специальные герметические кожухи.При работе приемника необходим отвод тепла через естественную конвенцию воздуха.Проектирование внешнего вида приемника является одной из важнейших задач и должно производиться в содружестве с художником. Форма и расположение ручек управления влияет на работоспособность оператора.ЗаключениеВ процессе эскизного проектирования, мы получили практические знания в области проектирования радиоприёмных устройств. Пробовали и применяли различные способы подхода к выбору структурных схем блоков, узлов и радиоприёмника в целом, учитывая особенности каждой отдельной схемы, исходя из области её применения. Рассчитывали отдельный блок приёмника, что позволило более точно понять работу этого блока, и его вклад в общую работу схемы. Изучили особенности работы радиолокационного приёмника.Список литературы1. ???????????? ???????? ?? ?????????????? ????????????? ?????????. - ??????? ?.?., ???????? ?.?., ???????? ?.?. (??? ????????? ??????????? ?.?.) ?????? 1999 ?. 2. ?????????????? ???. ??? ????????? ???????. 1976 ?. 3. ?????? ???????????????. ?????? ?.?. ? ??. 1971 ?. 4. ?????????? ?? ?. ?. ??????, ???????????? ? ???????????? ???????????. 5. ?????????????? ???????????????? ???????? ?????????. ??? ????????? ???????? ?.?. 1984 ?.
|
|
|
|
|