Разработка приёмника радиолокационной станции обнаружения

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 ;

ТА - абсолютная шумовая температура антенны.

Для нашей приемной антенны примем: ТА =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 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=10-6

бпр - 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:

МГц

где

Sзкз - 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 МГц

Частота гетеродина: fг=fc-fпр=7,5-0,06=7,44 ГГц

= 15 МГц

Пнс>(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 Þ ~ полоса пропускания приемника:

МГц .

ПФАПЧ получилась уже, чем ПЧАПЧ, поэтому будем использовать ЧАПЧ.

Полоса пропускания:

МГц

Отношение сигнал/шум связано с флуктуационной ошибкой соотношением:

, где полоса DFэ =(5..10)/2p »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 = Sri = 5...10 дБ.

Примем r = 10 [дБ] = 3,16 [раз]

Отношение сигнал/шум с учетом потерь:

(Рс/Рш)`= (Рс/Рш)×r = 0,45×3,16 » 1,42

Расчет предельно допустимого коэффициента шума:

где:

Кр.ф. @ 0,8 - коэффициент передачи фидера по мощности.

Пш = 1,1×П = 1,1×0,715=0,786 МГц.

К - постоянная Больцмана К=1,38×10-23 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:

Швц=1,3 Квц=0,8 коэффициент передачи входной цепи

Шпч=5 Кпч=8 (при использовании транзисторного ПЧ)

Шупч=10

КФ=0,8 коэффициент передачи фильтра

< Шдоп=28Þ 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 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 частоты

примем равным:

КРпч = 8

Амплитуда напряжения на входе УПЧ :

Uвх= 4Рвх×Rвх = 2×Ра×Квц×Кпч×Rвх = 2×4×10-13×0,8×8×103 = 0,03 мВ.

Коэффициент усиления УПЧ по напряжению:

Купч=Uвых/Uвх=1/(0,3×10-4)=33,3×103

1.1.5 Обеспечение необходимого усиления трактом НЧ

Коэффициент передачи диодного детектора KД примем равным 0,7. Следовательно, коэффициент усиления видеоусилителя КВУ 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,

=35×103 – 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= 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 DS- 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:

= 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

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:

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,

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 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.

Список литературы

1.Методические указания по проектированию радиоприёмных устройств. - Бакалов В.П., Белоусов Н.Н., Выборный В.Г (под редакцией Протопопова А.С.) Москва1999г

2. Проектирование РПУ. | Под редакцией Сиверса. 1976г. |

3.Расчет радиоприемников. | Бобров Н.В. и др. 1971г. |

4.Справочник по п.п. диодам, транзисторам и интегральным микросхемам.

5.Проектирование радиолокационных приемных устройств.| Под редакцией Соколова М. А. 1984г.