Разработка приёмника радиолокационной станции обнаружения

Московский Авиационный Институт Пояснительная записка к курсовому проекту по предмету:

" Разработка приёмника радиолокационной станции обнаружения"

Выполнил:

Vanish588

Проверил:

Выборный В.Г.

Москва 2010 г.

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

Радиолокационный 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 расчёта

1. Спроектировать приёмник радиолокационной станции обнаружения

2. Составить и рассчитать структурную схему приёмника.

3. Провести электрический расчёт узла УПЧ.

4. Исходные данные для проектирования:

рабочий диапазон частот: МГц см

вид сигнала: импульсный мкс

чувствительность: 4•10Вт

ослабление побочных каналов приёма: дБ

изменение уровня входного сигнала: 60 дБ

уровень выходного сигнала и его изменение: 10 В; 4 дБ

оконечная нагрузка: Rн=100 Ом, Сн=5 пФ

источник электроэнергии: сеть 220 В

условия эксплуатации: Токр= - 10…+40С

5. Узел для конструирования: плата УПЧ

6. Дополнительные требования: использование микросхем

1. Выбор и обоснование структурной схемы приёмника

Существенное 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 приёмника

1.1.1 Определение эквивалентных параметров антенны

Проектируемый радиолокационный приемник имеет настроенную антенну, т. е. её сопротивление чисто активно и равно сопротивлению фидера:

Ом

Относительная шумовая температура антенны:

;

где T₀ — стандартная температура приёмника Т₀=290 ⁰ К;

Т_А — абсолютная шумовая температура антенны.

Для нашей приемной антенны примем: Т_А =140 ⁰ К.

1.1.2 Расчет полосы пропускания линейного тракта РПрУ

Для импульсных сигналов полоса пропускания приемника выбирается исходя из получения максимального отношения сигнал/шум на выходе радиотракта. Такая полоса называется оптимальной и определяется как:

кГц

Ширина полосы пропускания линейного тракта П складывается из ширины спектра принимаемого сигнала П_с, доплеровского смещения частоты сигнала f_д и запаса полосы, требуемого для учета нестабильностей и неточностей настроек приемника П_нс:

Доплеровское смещение:

кГц,

где V_ц — скорость цели относительно антенны РЛС (у нас 600 м/с);

с — скорость света в вакууме.

Запас полосы для учёта нестабильностей:

где б_с — относительная нестабильность несущей частоты принимаемого сигнала; при использовании в передатчике кварцевой стабилизации частоты несущей можно получить б_с = (10^-5…10^-6)

б_г — относительная нестабильность частоты гетеродина, которую на данном этапе можно оценить лишь приблизительно. Выбрав транзисторный однокаскадный гетеродин с кварцевой стабилизацией, можно получить б_г=10^-6

б_пр — относительная погрешность и нестабильность настройки контуров тракта промежуточной частоты, принимаем б_пр= (0,0003…0,003);

б_н — относительная нестабильность частоты, вызванная неточностью настройки контуров гетеродина, б_н = (0,001…0,01);

Промежуточная частота выбирается исходя из условий:

МГц

где

S_зкз — 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:

f_пр=60 МГц

Частота гетеродина: f_г=f_c-f_пр=7,5−0,06=7,44 ГГц

=

= 15 МГц

П_нс> (1,2…1,5) П_с, следовательно придётся использовать частотную автоматическую подстройку частоты (ЧАПЧ) или фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ).

При использовании ЧАПЧ с К_чапч=10 полоса пропускания приемника:

кГц.

При использовании ФАПЧс К_фапч Ю? полоса пропускания приемника:

МГц.

П_ФАПЧ получилась уже, чем П_ЧАПЧ, поэтому будем использовать ЧАПЧ.

Полоса пропускания:

МГц

Отношение сигнал/шум связано с флуктуационной ошибкой соотношением:

где полоса F_э = (5. .10) /2 2

Необходимо учитывать потери в отношении сигнал/шум, возникающие из-за следующих причин:

потери при распространении радиоволн r₁ = 1…3 дБ

потери в антенно-фидерном тракте r ₂ = 1 дБ

потери при амплитудном детектировании r ₃ = 1…5 дБ

потери на квантование r ₄ = 2 дБ (при двухуровневом квантовании)

Суммарный коэффициент потерь: r = r_i = 5…10 дБ.

Примем r = 10 [дБ] = 3,16 [раз]

Отношение сигнал/шум с учетом потерь:

(Р_с/Р_ш) `= (Р_с/Р_ш) r = 0,453,16 1,42

Расчет предельно допустимого коэффициента шума:

где:

К_{р. ф.} ??0,8 — коэффициент передачи фидера по мощности.

П_ш = 1,1П = 1,10,715=0,786 МГц.

К — постоянная Больцмана К=1,3810^-23 Дж/К.

1.1.3 Определение структуры радиотракта

АФТ 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:

Ш_вц=1,3 К_вц=0,8 коэффициент передачи входной цепи

Ш_пч=5 К_пч=8 (при использовании транзисторного ПЧ)

Ш_упч=10

КФ=0,8 коэффициент передачи фильтра

< Ш_доп=28Ю можно обойтись без УРЧ.

1.1.4 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:

где R_А — активное сопротивление антенны;

U_пр — амплитуда сигнала на выходе УПЧ;

Требуемая амплитуда сигнала на выходе УПЧ определяется амплитудой напряжения, необходимой для нормальной работы детектора: U_вых=1 В.

Расчет коэффициента усиления линейного тракта:

Коэффициент передачи по мощности для транзисторного преобразователя частоты

примем равным:

К_Рпч = 8

Амплитуда напряжения на входе УПЧ:

U_вх= 4Р_вхR_вх = 2Р_аК_вцК_пчR_вх = 2410^-130,8810³ = 0,03 мВ.

Коэффициент усиления УПЧ по напряжению:

К_упч=U_вых/U_вх=1/ (0,310^-4) =33,310³

1.1.5 Обеспечение необходимого усиления трактом НЧ

Коэффициент передачи диодного детектора K_Д примем равным 0,7. Следовательно, коэффициент усиления видеоусилителя К_ВУ будет равен:

1.1.6 Окончательная структурная схема приёмника

2. Расчёт усилителя промежуточной частоты

Начнём 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.

= = 0.03

Задаемся 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 Дб

Особых 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, = 0.027

Из 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 > Ом

Рассчитаем 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 ().

Гц

Гц

Определим 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 .

Гц

Из 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:

В

Превышением 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,

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 приемника

Основной 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.

Заключение

В 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.

1. ??? ??? ?? ??? ??? … — ??? …, ??? …, ??? … (??? ??? ??? …) ??? 1999 ?.

2. ??? … ??? ??? … 1976 ?.

3. ??? … ??? …? ??. 1971 ?.

4. ??? ?? ?. ?. ???, ???? ??? …

5. ??? ??? ??? … ??? ??? ??? … 1984 ?.