Расчет полосно-пропускающего фильтра

Введение

Анализ существующих решений. Выбор аналогов и прототипов.

Целью радиотехнической разведки может быть не только определение значения несущей частоты разведываемых радиотехнических устройств, но и запоминание этой частоты для того, чтобы обеспечить возможность создания активных помех.

В простейших станциях помех запоминание несущей частоты и настройку на нее передатчика помех осуществляет оператор. В этом случае процесс запоминания частоты и наведения (настройки) передатчика помех требует большого времени. В настоящее время имеется возможность настройку передатчиков помех на несущую частоту сделать автоматической.

Количественными характеристиками различных способов и устройств запоминания частоты являются следующие:

— время настройки;

— время запоминания;

— точность настройки;

— точность удержания частоты;

— диапазон запоминания;

— разрешающая способность (способность одновременной настройки на несколько частот).

Рассмотрим некоторые конкретные способы и устройства запоминания и воспроизведения частоты.

1.СВЧ-Ретрансляторы. Ретрансляторы обладают достаточнойширокополосностью, позволяют воспроизводить на выходе несущую частоту действующего СВЧ-сигнала. Они имеют ряд недостатков, ограничивающих возможности их использования: ретранслятор применяется только при создании помех РЛС с непрерывным и квазинепрерывным зондирующим сигналом. При создании помех дальномерному координатору, импульсной РЛС, ретранслятор не применим, так как помеха заключается в формировании сигнала с ложной дальностью, а ложная дальность соответствует иному значению задержки импульса во времени и на этой временной позиции отраженный сигнал уже не существует.

2.Устройство кратковременного запоминания и воспроизведения несущей частоты (УКЗЧ) запоминает и воспроизводит несущую частоту на небольшой отрезок времени (порядка 4−5 мкс). Данное устройство обычно выполняют по схеме рециркулятора. УКЗЧ имеет возможность обработки импульсных потоков с большой плотностью (до 250 кГц). К недостаткам относятся малые ошибки в дальностях при создании помех дальномерному координатору, так как время запоминания соответствует максимальной ошибке около 600 м.

3.Системы длительного запоминания несущей частоты строятся в основном на использовании матричных приемников. Эти устройства позволяют запоминать несущую частоту на значительное время, соизмеримое с периодом повтора импульсов и даже больше его. При использовании нескольких ступеней в матричном приемнике точность воспроизведения может быть достаточно высокой. К недостаткам матричной системы относятся: многоэлементность и громоздкость (масса более 70 кг), значительные потери мощности из-за размножения частот при многосигнальной ситуации, когда в СВЧ-полосу станции помех попадает две или более несущих частоты. В этом случае появляются ложные воспроизводимые частоты, общее число которых пропорционально квадрату числа ступеней матричного приемника.

4.Запоминание несущей частоты с помощью автоподстройки генератора (метод АПЧ по отклонению). Этот способ использует принцип автоматической подстройки частоты гетеродинов приемников. Блок-схема одноканального устройства запоминания частоты представлена на рисунке 1.1. Сигнал подавляемого радиоэлектронного средства через приемную антенну поступает в усилитель У, после чего воздействует на частотный детектор ЧД, куда подается также напряжение настраиваемого генератора помех ГП. При отклонении частоты генератора помех fп от частоты воздействующего сигнала fc на выходе частотного детектора ЧД возникает напряжение, которое после фильтрации воздействует на реактивную лампу РЛ, с помощью которой осуществляется управление частотой генератора помех. Схема построена таким образом, чтобы при возникновении рассогласования управляющее воздействие сводило его к нулю. Таким образом, частота генератора помех поддерживается близкой к частоте несущей подавляемого радиоэлектронного средства.

Рисунок 1.1. Блок-схема одноканального устройства запоминания частоты с помощью автоподстройки генератора Описанная схема требует значительной развязки приемной и передающей антенн. В самолетных станциях помех развязка приемной и передающей антенн встречает существенные трудности.

Недостатками рассмотренного одноканального устройства являются:

малая ширина диапазона запоминания, ограничиваемая возможностями схем электронной и механической подстройки частоты;

недостаточная разрешающая способность (схема запоминает только одну частоту).

5.Многоканальный способ запоминания частоты. Рассматриваемый способ запоминания является развитием многоканального метода разведки частоты (рисунок 1.2). Диапазон запоминания перекрывается системой фильтров. Напряжение с выхода этих фильтров поступает после усиления и детектирования на реле Р1, Р2, …, Рn.

Рисунок 1.2. Блок-схема многоканального устройства запоминания частоты Если в каком-либо j-м канале обнаруживается сигнал, то срабатывает реле Рj, и включается соответствующий генератор помех. Точность запоминания частоты при таком способе определяется шириной полосы пропускания входных фильтров. Основным недостатком данного устройства является значительный объем аппаратуры, если речь идет об обеспечении запоминания с высокой точностью в широком диапазоне частот.

6.Цифровые системы запоминания и воспроизведения несущей частоты позволяют наиболее точно воспроизводить несущую частоту. При этом приходится отказываться от ретрансляционного принципа построения аппаратуры помех и делать приемную часть многоканальной с преобразованием на промежуточную частоту, на которой и осуществляется цифровая обработка.

Идея цифрового устройства воспроизведения частоты основывается на том, что информацию о частоте сигналов в полосе работы устройства, записанную в запоминающее устройство (ЗУ) можно затем списывать неограниченное время, без разрушения заложенной в ЗУ информации и это время будет определяться только продолжительностью команды списывания.

Например, в качестве устройства цифрового запоминания частоты можно использовать процессор 1879ВМ3.

Он предназначен для использования в составе микропроцессорных систем обработки радиосигналов и интегрируется в состав системы как периферийное устройство, позволяющее внешнему процессору осуществлять доступ к внутренним ресурсам устройства запоминания частоты как к области статической памяти с произвольным доступом. Управление и контроль работы устройства внешний процессор осуществляет путем обмена данными через общую для внешнего процессора и встроенного управляющего контроллера УЦЗЧ внутреннюю память. Работой всех внутренних узлов УЦЗЧ управляет встроенный RISC — контроллер, выполняющий загружаемую в память программ (Instruction RAM) последовательность команд.

Внутренняя память объемом 2Mбит позволяет принимать и сохранять высокочастотные аналоговые сигналы. Большое количество программируемых счетчиков и развитая система внутренних и внешних прерываний обеспечивают выдачу на аналоговые выходы однократных и периодических сигналов ПЧ, хранящихся во внутренней памяти контроллера, в реальном масштабе времени с требуемыми задержками и длительностями. Встроенные быстродействующие арифметические узлы обеспечивают программируемую аттенюацию входных сигналов, их суммирование с выходными сигналами, программируемое изменение сдвига частоты выходных сигналов. Внешняя 64-разрядная шина обеспечивает быстрый обмен командами и данными с внешней памятью или ЦПС как в режиме прямого доступа к памяти (ПДП), так и в режиме произвольного доступа ЦПС к внутренней памяти контроллера.

Конфигурация устройства цифрового запоминания частоты и имеющиеся аппаратные ресурсы позволяют одновременно производить запись входного радиочастотного сигнала и воспроизводить несколько копий записанных ранее сигналов, (в том числе и записываемого в данный момент), количество которых ограничено только их суммарной длительностью, с независимой математической обработкой каждого. Одновременно с этим, и для внешнего процессора внутренние ресурсы УЦЗЧ всегда доступны через встроенную память.

В настоящее время за рубежом уже достаточно широко применяются станции помех, построенные по данному принципу. В нашей стране данная разработка является практически первым шагом в этой области, но надо сказать, что, несмотря на это, по многим параметрам наше устройство если не превосходит, то во всяком случае не уступает аналогичным зарубежным разработкам.

1. Описание структурной схемы станции активных помех (САП) Станция активных имитационно-шумовых помех (САП) МСП-418К создана с целью защиты самолета МИГ-29 от радиоэлектронных средств управления оружием (РЭС УО), которые входят в состав зенитно-артиллерийских и авиационно-ракетных комплексов ПВО вероятного противника, в том числе и от головок самонаведения (ГСН).

Станция МСП-418К может обеспечивать сопровождение не менее четырех РЭС УО и может создавать им преднамеренные прицельные активные помехи в секторе 45 по азимуту и30 по углу места в передней полусфере (ППС) или (и) задней полусфере (ЗПС).

Станция МСП-418К разработана на основе устройства цифрового запоминания частоты (ЦРЧП), с помощью ЦРЧП станция МСП-418К формирует шумовые и имитационные помехи по дальности, скорости и угловым координатам РЭС УО с импульсными, квазинепрерывными, длинноимпульсными и непрерывными сигналами.

Станция МСП-418К обеспечивает формирование следующих видов помех:

Высокочастотная шумовая помеха (ВШП):

Ложные цели (ложные отметки) Уводящие по дальности Уводящие по скорости Целью данного дипломного проекта является разработка модуля формирователя сетки частот для самолетной станции активных помех, который должен удовлетворять заданным техническим требованиям.

1.1 Структурная схема станции активных помех Рис. 1.1. Структурная схема станции МСП-418К Основные технические характеристики МПС-418К Частотный диапазон работы станции: 4−18 ГГц.

Выходная мощность: 100 Вт Время готовности к работе после подачи питающих напряжений: не более 5 минут Количество одновременно сопровождаемых РЛС, облучающих ЛА: 4.

Коэффициент усиления передающих антенн: 5дБ Чувствительность по входу приемника: не менее минус 60 дБВт Массогабаритные характеристики:

Длина контейнера: 3820 мм Ширина контейнера: 225 мм Высота контейнера: 230 мм Масса: 150 кг Система охлаждения: воздушное принудительное.

Энергопитание:

По постоянному току: от бортовой сети напряжением 27 В По переменному току: от бортовой сети переменного трехфазного тока постоянной частоты 400 Гц номинальным напряжением 115 В.

Динамический диапазон: не менее 35 дБ Состав станции активных помех и краткое описание каждого блока Станция активных помех МСП-418К представляет собой контейнер, который устанавливается под крылом самолета. В контейнере размещаются следующие блоки:

Устройство мгновенного измерения частоты (МИЧ) принимаемого сигнала. МИЧ осуществляет:

поиск сигналов по частоте от вражеских РЭС УО, которые облучают станцию и мгновенное определение частоты принимаемого сигнала.

задержку входного СВЧ сигнала на время формирования кода управления синтезаторами и настройку канала цифровой радиочастотной памяти на его частоту;

формирование кода управления канала цифровой радиочастотной памяти (ЦРЧП) для его настройки на частоту входного СВЧ сигнала;

частотно-временного бланкирование станции по входу в интересах электромагнитной совместимостью с БРЭО;

распределение входных СВЧ сигналов, поступающих от приемных антенн ППС и ЗПС, по входам приемо-передающих устройств анализа и формирование сигналов на основе цифровой радиочастотной памяти.

Выходные усилители мощности предназначены для:

усиления СВЧ сигналов поступающих на их входы от устройства анализа и формирования сигналов.

Устройство анализа и формирования сигналов на основе цифровой радиочастотной памяти. Предназначено для:

цифровой записи и многократного воспроизведения точных копий сигналов, облучающих ЛА от РЭС УО, с непрерывным, квазинепрерывным, импульсным и длинноимпульсным излучением;

анализа сигналов и распознавания типов обнаруженных сигналов;

формирования спецсигналов не менее чем двум подавляемым радиолокационным средствам;

выбора оптимального вида воспроизводимых сигналов в зависимости от этапа работы и типа РЭС УО, облучающих объект;

формирования на основе воспроизводимых копий имитационных и шумовых спецсигналов;

проведения встроенного контроля (ВСК);

распределения воспроизводимых копий сигналов по входам двух выходных усилителей.

Антенные устройства станции. Предназначены для:

приема в заданном секторе по азимуту и углу места СВЧ сигналов РЭС УО, облучающих объект;

предварительного усиления входных СВЧ сигналов станции;

излучения выходных СВЧ сигналов станции, сформированных устройством анализа и формирования сигналов и усиленных выходным усилителем мощности (ВУМ).

Устройство управления и контроля состояния. Предназначены для:

включения станции;

распределения и подачи питающих напряжений на блоки;

защиты блоков по цепям питания;

индикации исправности плавких вставок;

связи станции с бортовым радиоэлектронным оборудованием и системой энергоснабжения объекта.

управления работой блоков и узлов станции;

цифровой обработки сигналов, поступающих от блоков и устройств станции, а так же сигналов от других изделий поступающих по интерфейсам связи с БРЭО;

выработки рабочей программы станции;

записи с привязкой по времени информации о состоянии устройств станции, о параметрах входных СВЧ сигналов, а так же реакции каналов цифровой радиочастотной памяти на входные воздействия.

Переключающая матрица осуществляет выбор между антеннами ППС и ЗПС для излучения сигнала.

Вторичный источник питания необходим для формирования питающих напряжений для обеспечения питания блоков и устройств станции.

1.2 Принцип действия станции активных помех Станция активных помех МСП-418К имеет две приемные и две передающие антенны, которые обеспечивают прием сигналов от РЛС, облучающих ЛА в передней и задней полусферах (ППС и ЗПС). Диаграммы направленности приемных антенн обеспечивают прием в секторах ±45о по азимуту и ±30о по углу места.

Сигнал от РЛС поступает на приемные антенны с ППС (Апрм1) или/и с ЗПС (Апрм2). Далее сигнал поступает на устройство мгновенного измерения частоты (МИЧ), которое охватывает диапазон 4−18 ГГц с помощью 32 поддиапазонов по 500МГц. В нем происходит разделение сигнала на два части. Одна часть используется для грубого измерения частоты с точностью до ±250МГц и для формирования позиционного кода управления для УАФС, а вторая задерживается на то время, пока идет настройка УАФС на нужный диапазон частот по полученному позиционному коду.

Позиционный код номера частотного канала от УМИЧ преобразовывается в параллельный код управления синтезаторами и передается в блок УАФС для настройки канала ЦРЧП на частоту принимаемого сигнала. Так как устройство ЦРЧП работает в диапазоне, то для переноса сигнала в этот частотный диапазон используется синтезатор и входной конвертор. С помощь ЦРЧП происходит формирование помехи, оптимальной для данного вида сигнала. Для переноса помехового сигнала в его изначальный частотный диапазон используется выходной конвертор.

Также сформированный позиционный код передается в устройство управления и контроля состояния (УУКС), где происходит оценка степени опасности и ранжирования по очередности обслуживания. На основании полученной информации от УУКС об очередности обслуживания, УМИЧ подает задержанный сигнал на нужный физический канал УАФС.

Также в УФАС осуществляется формирование управляющего кода, который подается на переключающую матрицу для выбора направления излучения сигнала либо ППС либо ЗПС.

Далее в зависимости от направления прихода сигнала (ППС или ЗПС) переключающая матрица направляет сигнал либо на входной усилитель мощности 1 (ВУМ1) либо на ВУМ2, где сигнал усиливается до требуемой мощности и излучается передающей антенной Апрд1 для ППС или Апрд2 для ЗПС.

2. Разработка функциональной схемы синтезатора частот.

2.1 Основные параметры Устройство синтеза сетки частот входит в состав УАИФС. Устройство предназначено для формирования сигнала с одной из дискретных частот из диапазона 8.25?12 ГГц.

Основные технические характеристики устройства:

Количество синтезируемых частот 16.

Шаг перестройки 250 МГц Выходная мощность 1±0.5 мВт Напряжение питания +5 В Ток потребления не более 1.85 А.

2.2 Принцип работы Генераторы опорной частоты (ГОЧ) состоят из генератора на диэлектрическом резонаторе с буферным каскадом усиления и делителя мощности, предназначенного для разветвления сигнала на оба переключателя. Рабочие частоты генераторов выбираем 9,5ГГц, 9,75ГГц, 10,5ГГц, 10,75ГГц. Ток потребления 80 мА при напряжении +12 В. Переключателями управляет ЦП. ЦП задает диапазон, в котором находится обрабатываемый сигнал — эту информацию он получает от МИЧа. Обработав данную информацию, он даёт управляющий сигнал на переключатели, с тем, чтобы они пропускали сигналы с «нужных» генераторов и блокировали сигналы со всех остальных.

Далее сигналы с переключателей поступают на преобразователь частоты, который формирует 16 частот в диапазоне 8.25−12 ГГц с шагом 250 МГц. Структурная схема устройства приведена в приложении А.

2.3 Описание и назначение преобразователя частоты и его составных.

частей Далее сигналы с переключателей поступают на преобразователь частоты. Структурная схема устройства приведена в приложении Б.

Сигнал с одного переключателя поступает на умножитель устройства. Далее полученный сигнал фильтруется с помощью ППФ, усиливается и поступает на смеситель, где смешивается с сигналом, поступающим от генератора на диэлектрическом резонаторе. После смешивания сигнал имеет частоту. Далее сигнал поступает с помощью переключателя на один из двух ППФ фильтров. Сигнал со второго переключателя поступает на смеситель преобразователя частоты, где смешивается с сигналом и фильтруется ППФ. Таким образом на выходной смеситель поступают два сигнала и. Т. е. на выходе конвертора получаем:

Произведём расчет возможных частот, которые можно получить с помощью данного синтезатора:

Таким образом, на выходе синтезатора может быть сформирован сигнал с одной из дискретных частот диапазона 8.25?12 ГГц с шагом 250МГц.

3. Расчет схемы управления переключателем СП4×1.

Согласованный переключатель СП4×1 является быстродействующим СВЧ-устройством. Формирование управляющих сигналов осуществляет плата управления СПДР.

Рисунок 3.1 Согласованный переключатель СП4×1, схема электрическая принципиальная.

Принцип работы заключается в следующем: с платы ППУС-Н на плату управления переключением через входной разъем поступают напряжения питания и управляющий сигнал. В плате управления переключением располагаются пять логических схемы исключающие «или» SN74AHCT86D (TexasInstruments). Логика работы этих схем поясняется следующей таблицей 3.1.

Микросхема SN74AHCT86D (TexasInstruments) выбрана для обеспечения согласования по быстродействию и уровням сигналов с быстродействующими процессорами. Отечественных аналогов в настоящее время не существует. Данный вид микросхемы рекомендован к разработке внутренним перечнем электрорадиоизделий иностранного производства на предприятии.

Таблица 3.1.

Здесь L — низкий логический уровень сигнала, H — высокий логический уровень сигнала. Пороговый уровень составляет 3 В.

По электрической принципиальной схеме видно, что на микросхему DD1.1 на вход 1 подается постоянное напряжение от импульсного источника питания +5 В, то есть сигнал высокого уровня, а на вход 2 поступает управляющий сигнал с платы ППУС-Н, который может быть как высокого, так и низкого уровня. В микросхеме DD1.2 вход 5 заземлен, что равносильно низкому уровню, а на вход 4 так же поступает управляющий сигнал с ППУС-Н. В микросхеме DD1.3 на вход 9 подается постоянное напряжение от импульсного источника питания +5 В, а на вход 10 поступает второй управляющий сигнал с платы ППУС-Н, который может быть как высокого, так и низкого уровня. В микросхеме DD1.4 вход 13 заземлен, что равносильно низкому уровню, а на вход 12 так же поступает второй управляющий сигнал с платы ППУС-Н.

Предположим, что поступили управляющие сигналы низкого уровня, таким образом, согласно таблице 1 на выходе DD1.1 и DD1.3 будут высокие уровни, за счет чего откроются транзисторы VT1 и VT3 и схема управления подаст сигналы на микросхемы DA1, DA2 и DA3, которые откроют соответствующий канал для приема СВЧ-сигнала от опорных генераторов ОГ2 и ОГ2−1. Если же с ППУС-Н поступят управляющие сигналы высокого уровня, то транзисторы VT1 и VT3 будут закрыты, а VT2 и VT4 — открыты и переключатель перейдет на прием сигнала с другого опорного генератора.

Рассмотрим цепь:

Рисунок 3.2 — Схема заряда емкости Составим дифференциальное уравнение протекающих процессов. Запишем первый закон Кирхгофа:

i1(t)= i2(t)+ i3(t).

Здесь токи определяются как.

i1(t)=.

i2(t)=.

i3(t)=.

Таким образом:

Проведя преобразование, имеем.

Данное дифференциальное уравнение является неоднородным. Приведем его к однородному:

Анализируя это уравнение, видим что постоянная времени цепи равна.

.

таким образом время переключения будет составлять tпер=55?5,28=26,4 нс.

4. Расчёт ППФ диапазона 6.5−7.75 ГГц.

4.1 Расчет ППФ.

4.1.1 Постановка задачи Рассчитать ППФ фильтр на встречных стержнях с короткозамкнутыми входным и выходным стержнями «встречно-стержневой» (также называемый встречно-гребневым фильтром).

4.1.2 Исходные данные волновое сопротивление тракта Ом;

граничные частоты, полосы пропускания.

граничные частоты полос заграждения фильтра:

низкочастотной.

высокочастотной.

минимально-допустимое затухание в полосах заграждения:

В качестве материала подложки (в соответствии с принятым на предприятии стандартом) выбираем поликор со следующими характеристиками: диэлектрическая проницаемость среды, толщина подложки h=1мм и толщина металлизации микрополоска t=0.13мм;

Широко распространены два вида аппроксимирующих функций, удовлетворяющих условиям физической реализуемости: максимально-плоская и чебышевская.

Типовые частотные характеристики вносимого затухания фильтров с максимально-плоской и чебышевской характеристиками представлены на рисунке 4.1 а, б.

а — максимально-плоская характеристика б — чебышевская характеристика Рисунок 4.1 — Типовые характеристики фильтров В нашем случае чебышевская характеристика более приемлема чем максимально плоская, так как необходимый коэффициент прямоугольности обеспечивается меньшим числом резонаторов. Коэффициент прямоугольности рассчитывается по формуле:

(4.1).

При этом колебательный характер чебышевской характеристики не превышает максимально допустимый уровень затухания в полосе пропускания, а минимально допустимое затухание в полосах заграждения соответствует заданному.

4.1.3 Расчёт ППФ фильтр на встречных стержнях с короткозамкнутыми входным и выходным стержнями.

1. По заданным граничным частотам определяем необходимое число резонаторов n-фильтра с чебышевской частотной характеристикой по формуле:

(4.2).

где или; .

Округлив значение из формулы 5.2 до ближайшего большего целого, получим число резонаторов n=7.

2. По известному числу резонаторов n и заданному вносимому затуханию находим вспомогательные коэффициенты :

коэффициенты рассчитываются по формуле.

(4.3).

3. По известным коэффициентам вычисляем коэффициенты связи в i-ой секции связанных полосок по формуле.

(4.4).

где i=1,2,3,…n+1. (4.5).

В результате расчётов получаем.

4.По известным величинам отношения вычисляют входное сопротивление i-ой секции связанных полосок по формуле.

(4.6).

При.

5. По известны величинам и h определяем геометрическую ширину полоски W [мм] СВЧ тракта по формуле:

(4.7).

где — эквивалентная ширина полоски [мм],.

— расширение полоски [мм].

По графику, на рисунке 5.2 для (предполагая некоторое отклонение от на графике), при волновом сопротивлении, относительная эквивалентная ширина полоски, отсюда Wэ = 0,95*h=0,95*1=0,95 мм. По графику рисунке 4.3, при известном определим относительное расширение полоски, отсюда.

?W = 0,15*h=0,15*1=0,15 мм.

По формуле 5.7 определим геометрическую ширину полоски.

W = Wэ -?W = 0,95−0,15=0,8 мм.

Рисунок 4.2 — Графики зависимости волнового сопротивления от относительной ширины полоски.

Рисунок 4.3 — График зависимости относительного расширения полоски от её относительной ширины.

6. По вычисленному коэффициенту связи и входному сопротивлению связанных резонаторов определяем ширину полосок резонаторов из зависимостей, представленных на рисунке 5.4 и зазоры из зависимостей, представленных на рисунке 5.5. Результаты вычислений, для наглядности сведены в таблице 5.1.

Рисунок 4.4 — Зависимость коэффициента связи между МПЛ от для различных и.

Рисунок 4.5 — Зависимость коэффициента связи между МПЛ от дляразличныхи.

Таблица 4.1 — Значения ширины полосок резонаторов и зазоров между ними.

7. По выбранным значениям материала и толщины подложки h определим относительную фазовую скорость в i-ой секции связанных полосок шириной и зазором между ними.

Относительную фазовую скорость в области связи между линиями определяют по формуле:

(4.8).

где и-относительные фазовые скорости четного и нечетного типов волн, соответственно, которые определяются выражениями.

(4.9а).

(4.9б) В (4.9 а, б), иотносительные диэлектрические проницаемости для волн четного и нечетного типов, соответственно.

Подставив (4.9) в (4.8), получим:

(4.10).

Определим и, для резонаторов с, выполненных на подложке с. Для упрощения расчётов целесообразно использовать графические зависимости рисунка 4.6, предварительно определив величину связи из выражения:

(4.11).

Рисунок 4.6 — Зависимость и от величины связи для различных.

Результаты вычислений по (4.11), по (4.10), а также значения иопределенные по графикам, представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2.

8. По известным определяем откорректированные длины связанных секций в мм по формуле:

(4.12).

где в ГГц, аэффективное удлинение разомкнутого конца микрополоскового резонатора в мм.

в (4.11) определяется по приближенной формуле:

(4.13).

Формула (5.13) справедлива до () при h=1 мм.

Результаты расчётов по формуле (4.12), а также по (4.13), представлены в сводной таблице 4.3.

В таблице 4.3 представлены также все параметры рассчитанного ППФ фильтра из параллельно-связанных полуволновых разомкнутых на конце резонаторов с четвертьволновыми электромагнитными связями. По этим данным, можно сделать чертёж топологии ППФ и изготовить его.

Таблица 4.3.

9. По описанной методике можно рассчитывать фильтры, рабочий диапазон длин волн которых составляет от 2 до 20 см (в расчёте), а относительные полосы пропускания от 1 до 20% для фильтров с максимально-плоской характеристикой и от 1 до 25% для фильтров с чебышевской характеристикой (в рассчитанном фильтре Паразитные полосы пропускания фильтра расположены вблизи частот кратных, то есть и так далее.

При проектировании широкополосных фильтров следует иметь в виду, что реальная (измеренная) полоса пропускания получается уже расчетной. Для фильтров с расхождение может составить 6−7%.

4.2 Создание и анализ модели ППФ с помощью программы MFDR.

При помощи программы MFDR были созданы и проанализированы модели двух типов ППФ:

на параллельно-связанных полуволновых разомкнутых на конце резонаторов с четвертьволновыми электромагнитными связями, («лесенка»);

на встречных стержнях с короткозамкнутыми входным и выходным стержнями «встречно-стержневой» (также называемый встречно-гребневым фильтром).

Общий вид окна программы представлено на рисунке.4.7.

Рисунок 4.7 — Главное окно программы MFDR.

В ходе работы в данной программе был выбран фильтр ППФ с чебышевской характеристикой и введены следующие характеристики фильтра:

Граничные частоты, полосы пропускания.

.

тогда центральная частота.

; (4.14).

Относительная полоса пропускания,.

или 17.5%; (4.15).

Волновое сопротивление тракта ;

Допустимый коэффициент стоячей волны или, тогда максимально-допустимый уровеньзатухания в полосе пропускания.

(4.16).

или неравномерность затухания в полосе пропускания? An=0,2 дБ для реальной характеристики.

Число элементов НЧ-прототипа, рассчитанное в программе составило n=6, но наиболее удобно брать большее нечётное число элементов n=7, при этом фильтр получается симметричным.

Также были введены параметры подложки: материал подложки — поликор, диэлектрическая проницаемость среды, толщина подложки — 1 мм с медным проводящим слоем t=0.13мм.

Отмечу, что для расчета «встречно-стержневого» фильтра и фильтра типа «лесенка» мы используем одинаковые параметры.

В таблице 4.4 показаны результаты вычислений топологий фильтров.

Таблица 4.4.

Результаты вычислений S параметров исследуемых фильтров представлены в таблице 4.5.

Таблица 4.5.

По данным таблицы 4.5 были построены АЧХ исследуемых фильтров (рисунок. 4.8). Графики строились с помощью программы MicrosoftExcel.

Рисунок 4.8 — Сравнение АЧХ смоделированных фильтров.

Полученные АЧХ должны соответствовать требованиям, а именно:

максимальное затухание в полосе пропускания ;

граничные частоты, полосы пропускания.

минимальное затухание в области заграждения.

.

Из графиков видно, что АЧХ «лестничного» ППФ, хотя и обеспечивает уровень затухания 40дБ в полосе заграждения, но на частоте f=6.5ГГц имеет затухание, что превышает максимально допустимый уровень затухания в полосе.

АЧХ «встречно-стержневого» ППФ имеет полосу пропускания (по уровню затухания 8дБ) чуть больше 1,25ГГц, но смещённую в область более низких частот. Уровень затухания в 40дБ в полосе заграждения не обеспечивается. Таким образом, топологии обоих фильтров нуждаются в корректировке.

Такую корректировку можно было бы осуществить непосредственно на макете. Но на предприятии ЦНИРТИ разработчики используют современные технологии, позволяющие производить расчеты намного точнее и в значительно короткие сроки.

4.3 Анализ рассчитанной модели ППФ и корректировка с помощью.

программы Microwave office (MWO).

Чтобы не осуществлять корректировку непосредственно на макете, в программе Microwave office (MWO) была создана и проанализирована модель фильтра «встречно-стержневого» типа.

Параметры топологии синтезированного в MFDR ППФ диапазона 6.5­7.75ГГц «встречно-стержневого» типа используем как исходные данные для анализа АЧХ того же фильтра с использованием MWO.

После размещения звеньев, соединения их между собой, введении параметров, определения типа линии и свойств подложки, определения частотного диапазона моделирования, можно посмотреть топологию созданной модели (рисунок 4.9).

Рисунок 4.9 — Топология фильтра на встречных стержнях с короткозамкнутыми входным и выходным стержнями Произведя настройку фильтра, изменяя параметры элементов (известно, что на форму АЧХ оказывают влияние как величины зазоров Si между микрополосковыми резонаторами, так и сами размеры резонаторов Li и Wi), получим АЧХ фильтра «встречно-стержневого» типа (рисунок 4.10), смоделированного в данной программе.

Рисунок 4.10.

Значения величин до и после настройки представлены в таблице 4.6.

Таблица 4.6.

С помощью программы MicrowaveOffice был проанализирован и настроен ПФ67(6.5−7.75ГГц) «встречно-стержневого» типа, параметры которого соответствуют техническим требованиям.

Аналогично были рассчитаны ступенчатые фильтры ПФ1921, ПФ1516 и ПФ1718. Топология фильтров и АЧХ приведены в приложении Д-З, И.

5. Расчет необходимых опорных частот синтезатора Необходимо разработать дискретный синтезатор частот в диапазоне 8.25−12 ГГц с шагом перестройки 250 МГц, тогда.

— число дискретов равномерной сетки частот.

Пусть N — число генераторов. Тогда, исходя из условия оптимальности, имеем где m=1, 2, 3… — натуральное число.

— требуемое число опорных генераторов.

Полоса синтезируемых частот больше полосы частот опорных генераторов в 3 раза => - полоса частот опорных генераторов, тогда имеет место быть.

Также, учитывая крайние граничные частоты сетки, имеем.

(т.к. сетка частот равномерная) =>

Решая совместно (1) и (2) находим.

Отсюда можно определить.

Проведем проверочный расчет, согласно формуле :

6. Расчет схемы деления кольцевого делителя устройств ГОЧ Для проектирования кольцевого делителя выберем микрополосковую линию передачи на подложке, выполненной из материала «Поликор» с диэлектрической проницаемостью, волновое сопротивление подводящих линий Ом, толщина подложки мм. Узел ГОЧ генерирует сигналы на частоте ГГц, таким образом он настроен на длину волны.

см.

Проведем технический расчет направленного ответвителя:

Волновое сопротивление отрезков соединительных линий кольца:

Ом.

Из расчетных графиков находим ширину подводящих линий мм и ширину отрезков линий кольца мм.

Оценивается длина волны в микрополосковой линии кольцевой схемы при заданном и найденном отношении мм,.

Здесь — эффективная диэлектрическая проницаемость.

Определяется длина средней окружности кольца:

=4.725 мм.

Ниже приводится рисунок рабочей области направленного кольцевого делителя мощности:

Рис. 6.1. Рабочая область направленного кольцевого делителя мощности.

7. Разработка конструкции переключателя СВЧ-сигнала СП4×1.

7.1 Разработка ТЗ Наименование и область применения.

Наименование изделия — согласованный переключатель СВЧ сигналов СП4×1. Входит в состав синтезатора частоты (модуль Н303) блока цифрового когерентного приемника (Л281−1.3Э) малогабаритной станции активных помех (МСП-418К).

Предназначен для сигналов с 4 входов на 1 выход.

Основание для разработки Основанием для разработки является план работы ФГУП ЦНИРТИ.

Цель и задачи разработки.

Целью разработки является создание конструкторско-технологической документации на стадии технического проектирования.

Основными задачами проектирования являются разработка конструкции платы управления с учётом минимизации себестоимости и обеспечения безопасных условий функционирования и изготовления.

Источники разработки.

При разработке использовались данные по функциональным аналогам (разработка ФГУП ЦНИРТИ — П1×2ГД) и посадочные места при установке блока в модуль синтезатора частоты (модуль Н303).

Технические (тактико-технические) требования.

Состав изделия и требования к его конструкции.

Согласованный переключатель выполнен в виде герметичного моноблока, внутри установлены платы управления и СВЧ пеерключателя .

Размеры изделия не более 56×45×17 мм.

Масса изделия не более 200 г.

Показатели назначения.

электропитание узла осуществляется от источников постоянного тока напряжением +5В±0,25 В и -12В±0,25В;

потребляемая мощность не более 2 Вт;

потребляемый ток 146 мА;

диапазон переключаемых сигналов 8,25.12ГГц Требования надёжности.

Время наработки на отказ должно составлять не менее 10 000 часов.

Требование к уровню унификации и стандартизации.

В конструкции должны быть использованы унифицированные и стандартизированные сборочные единицы и детали. Уровни унификации и стандартизации, определяемые коэффициентом унификации и стандартизации должны быть не менее 0,7.

Требование к безопасности.

При подготовке и проведении испытаний узла необходимо соблюдать требования безопасности в соответствии с ОСТ 11 073.062−2001. При подготовке рабочего места и блока согласованного переключателя СП4×1 к проверке необходимо выполнять правила, установленные «Инструкцией по электробезопасности при работе с радиоаппаратурой», действующей на предприятии-изготовителе. К работе с узлом допускаются лица, имеющие допуск к работе с электроустановками с напряжением до 1000 В, изучившие ТУ на модуль Н303. Запрещается работать без надежно заземленного контрольно-измерительного оборудования. При проверке параметров узла средства измерения должны использоваться в соответствии с инструкциями по эксплуатации на них. По требованиям электробезопасности согласованный переключатель СП4×1 должен соответствовать ГОСТ 12.1.019−79.

Эстетические и эргономические требования.

Эстетические и эргономические требования не предъявляются Условия эксплуатации.

Согласованный переключатель СП4×1 устанавливается в модуль Н303, установленный в блок, который размещается в станции. Станция представляет собой контейнер, с габаритами 3820 мм?225мм?230мм, разделенный на отсеки, в которые устанавливаются блоки. Контейнер в свою очередь может закрепляться как на крыле самолета, так и внутри фюзеляжа.

К плате предъявляются следующие условия эксплуатации:

температура эксплуатации: −40…+70С;

влажность воздуха не более 98% при температуре не выше +35С;

атмосферное давление: 5.5…100 кПа;

перегрузка 9g.

верхняя граница частотного диапазона вибрации при механических воздействиях на модуль f0 =1000 Гц.

Дополнительные требования.

Дополнительные требования не предъявляются.

Требования к транспортировке и хранению.

Узлы, прошедшие приемку и подлежащие хранению, помещают в герметически запаянные полиэтиленовые пакеты. В пакете должен находиться силикогель. Узлы должны храниться на стеллажах в складском помещении при температуре от +5 до +40 C и относительной влажности воздуха не более 80% при отсутствии в воздухе паров кислот, щелочей и других примесей. Транспортирование узлов производят в таре, защищающей от механических повреждений и попадания влаги.

Стадии разработки.

Разработка изделия должна быть выполнена в соответствии с календарным планом, приведённом в таблице 8.1.

Таблица 7.1. Календарный план.

7.2 Конструкторско-технологический анализ элементной базы СП4×1.

Данное устройство относится к классу самолетной радиоаппаратуры, что существенно усложняет требования в его разработке и предъявляет жесткие требования к прочности конструкции, конфигурации, весовым характеристикам, устанавливаемым в него электрорадиоизделиям и комплектующим.

Целью анализа является установления соответствия между показателями элементной базы изделия и требованиями, предъявляемыми в ТЗ к изделию.

Задачами анализа является:

Выбор радиоэлементов;

Анализ работоспособности элементов в условиях применения изделия;

Расчет ожидаемых массогабаритных показателей изделия на выбранных элементах;

Анализ конструктивной и технологической совместимости.

7.2.1 Выбор радиоэлементов Ограниченные габаритные размеры модуля Н303 наложили жесткие требования к прочности, конфигурации, весовым характеристикам, устанавливаемым в него электрорадиоизделиям и комплектующим. Анализ показал, что применение отечественной элементной базы в ряде случаев не позволяет в полной мере по весу, габаритам, быстродействию, электрическим параметрам реализовать требования технического задания на разработку.

ЭРИ, используемые в плате приведены в таблице 7.2.

Таблица 7.2. Эксплуатационные характеристики и типы монтажа РЭ.

В военной промышленности для аппаратуры СВЧ диапазона используется MIL Standart (военный стандарт), который накладывает определенные требования на используемые элементы. Так одно из требований — требование по диапазону температур: от — 55… + 80 °C. Исходя из данных таблицы, все элементы, входящие в состав устройства, удовлетворяют этому требованию.

По данным ТЗ диапазон рабочих температур использования согласованного переключателя лежит в пределах от минус 40 0С до +70 0С. По результатам анализа таблицы 8.2 можно сделать вывод, что все выбранные элементы удовлетворяют требованиям и могут быть использованы при разработке платы управления.

7.2.2 Расчет ожидаемых массогабаритных показателей В таблице 7.3 приведены массогабаритные показатели элементов, входящих в платы управления.

Таблица 7.3. Массогабаритные параметры радиоэлементов.

7.3 Выбор способа охлаждения блока СП4×1.

При выборе системы охлаждения используются следующие исходные данные: тепловой поток, рассеиваемый поверхностью теплообмена (корпуса) конструкции Р [Вт]; площадь поверхности теплообмена (корпуса) SK [м2]; допустимая рабочая температура наименее теплостойкого элемента tэл min0С; максимальная температура окружающей среды tс max0С; минимальное давление окружающей среды Hcmin мм рт. ст.

Значение теплового потока определим через коэффициент полезного действия? изделия, который мы примем равным 0,8, и потребляемую от источника питания мощность РП, которая равна [21]:

РП = UП• IП = 12•0,146 = 1,756 Вт.

Найдем значение теплового потока:

Р = РП (1- ?) = 1,756• (1 — 0,8) = 0,35 Вт Чтобы выбрать систему охлаждения, необходимо найти поверхностную плотность теплового потока.

.

где ;

поправочный коэффициент на давление окружающей среды, Н = 760 мм рт. ст. — нормальное давление. Возьмем в качестве значения Hc. min=200 мм рт. ст. — пониженное атмосферное давление, действующее на модуль на высоте 30 км.

Найдем поверхностную плотность теплового потока:

.

Где SK — площадь поверхности теплообмена:

(взяты габаритные размеры, задаваемые ТЗ) — равная площади блока СП4×1, который крепится к поддону модуля Н303.

Определим допустимый перегрев в конструкции:

?tдоп = tэл. mintс max = 85 — 70 = 15 0C.

Где tэлminдопустимая рабочая температура наименее теплостойкого элемента, tCmax — максимальная температура окружающей среды.

Значение РOS и? tдоп являются координатами точки (*), положение которой на диаграмме на рис. 7.1, определяет систему охлаждения конструкции.

Рис. 7.1. Диаграмма выбора системы охлаждения Рассчитанные параметры соответствуют первому участку, а именно применению естественного воздушного охлаждения. Для естественной системы охлаждения на стенке блока Л281−1.3 предусмотрены воздухозаборники, которые открываются по сигналу термодатчика, находящегося в станции. Поток воздуха поступает во все блочные отсеки. Но так как блок СП4×1 крепится к поддону модуля Н303, который может выполнять роль радиатора, и в состав блока Л281−1.3 входят электровентиляторы типа ЭВ-1,4−3660 ОСТ 16 0.539.007−74, то охлаждение блока будет весьма эффективным.

7.4 Выбор компоновочной схемы и несущих конструкций блока СП4×1.

Выбор компоновочной схемы и несущих конструкций начинается с тщательного изучения исходных данных, к которым относится: краткое описание функционального назначения изделия, технические условия и требования, комплект конструкторской документации, программа и плановые сроки выпуска, руководящий технический, нормативный и справочный материал. К этим данным добавляются условия, в которых предполагается изготавливать блок: новое или действующее предприятие, его местоположение, имеющееся на нем оборудование, обеспечения материалами и комплектующими изделиями. Анализируя полученные исходные данные, разрабатывается план технологической подготовке и запуску изделия в производство.

Основным направлением совершенствования технологической подготовки монтажно-сборочного производства является унификация ТП. Различают два вида унификации ТП: типизацию и групповые методы сборки и монтажа.

Групповые методы сборки и монтажа разрабатываются для определенной совокупности сборочных единиц, имеющих одинаковые условия сборки, число точек крепления и характеризующихся общностью применяемых средств механизации и автоматизации.

Типовым ТП называют схематичный принципиальный процесс сборки и монтажа изделий одной классификационной группы, включающий основные элементы конкретного процесса: способ установки и ориентации деталей, последовательность операций, типы технологического оснащения, режимы работы. По типовому процессу легко составляется конкретный процесс сборки изделия.

Для производства блока используется типовой технологический процесс изготовления ДПП (ОСТ 107.460 092.004 — 86).

Разработка технологического процесса сборки и монтажа блока начинается с расчленения его на сборочные единицы. На практике широко применяются две схемы сборки: «веерная» и с базовой деталью.

Более наглядной является схема с базовой деталью. За базовую деталь принимается каркас, шасси, панель, плата или другая деталь, с которой начинается сборка.

Состав операций сборки определяют, исходя из оптимального сочетания монтажно-сборочного производства. При не поточном производстве, целесообразными технологическими границами дифференциации являются:

однородность выполняемых работ;

получение в результате выполнения операции законченной системы поверхностей деталей или законченного сборочного элемента:

независимость сборки, хранения и транспортирования от других сборочных единиц;

возможность использования простого (универсального) или переналаживаемого технологического оснащения;

удобство планировки рабочих мест и участков;

обеспечение минимального удельного веса вспомогательного времени в операции;

установившиеся на данном производстве типовые операции.

Оптимальная последовательность технологических операций зависит от их содержания, используемого оборудования и экономической эффективности. В первую очередь выполняются неподвижные соединения, требующие значительных механических усилий или сложные дорогостоящие операции. На заключительных этапах собираются подвижные части изделий, разъемные соединения, устанавливаются детали, заменяемые в процессе сборки и эксплуатации в случае выхода из строя.

Перед тем как приступить к сборке все детали подвергаются контролю на соответствие сопроводительной документации с отметкой ОТК.

Основными условиями конструирования блока являются:

реализация в новой разработке принципа преемственности конструкторско-технологических решений, освоенных в производстве;

широкое использование автоматизированных средств проектирования.

Обеспечение простоты и рациональности конструкторских решений, при которых надежное выполнение установленных для блока функций осуществляется при минимальном числе и наибольшей простоте его составных частей.

Блок СП4×1 представляет собой герметически запаянную монолитную конструкцию, внутри которого помещаются две печатные платы: управления и СВЧ переключателя. Стенки блока выполнены из алюминия, в боковой стенке имеется трубка для откачивания воздуха и заполнения объема азотом, которая потом обжимается и запаивается. В нижней стенке блока имеется отверстие, через которое заливается клей-герметик Эластостиль, обеспечивающий дополнительную герметизацию.

7.5 Разработка конструкции платы управления и блока СП4×1.

7.5.1 Выбор материала для изготовления печатной платы Необходимо выбрать наилучший материал для изготовления печатной платы управления, для этого сравним три основных вида материалов по комплексному показателю качества и выберем наилучший. В качестве материалов будем использовать керамику: Стеклотекстолит СФ-1−50, 22ХС и Стеклотекстолит СОНФМ-1−35−1. Комплексная оценка производится по формуле [21]:

где — весовые коэффициенты, определяющие значимость каждого из n дифференциальных показателей качества варианта, — нормированные значения показателей.

Сравнение этих материалов проведем по параметрам, приведенным в таблице 7.4.

Таблица 7.4. Параметры материалов для изготовления ПП.

Необходимо произвести выравнивание влияния дифференциальных показателей к тенденции увеличения качества. Выравнивание производится заменой дифференциальных параметров, выпадающих из общей тенденции увеличения качества, обратными величинами. Обратными величинами следует заменить следующие параметры: плотность, т.к. с увеличением плотности увеличивается масса, тангенс угла диэлектрических потерь, т.к. с его увеличением увеличиваются потери в диэлектрике, диэлектрическая проницаемость, т.к. с ее ростом увеличивается паразитная связь между проводниками на ПП и стоимость. Удельное объемное электрическое сопротивление заменять не нужно, т.к. при его увеличении повышается электрическая прочность ПП.

Полученные показатели приведены в таблице 7.5.

Таблица 7.5. Параметры материалов для ПП с тенденцией на повышение качества.