Разработка приёмника радиолокационной станции обнаружения

	Загрузить архив:
	Файл: ref-30999.zip (454kb [zip], Скачиваний: 163) скачать

Введение

Московский Авиационный Институт

Пояснительная записка

к курсовому проекту

по предмету:

«Разработка приёмника радиолокационной станции обнаружения»

Выполнил:

Vanish588

Проверил:

Выборный В. Г.

Москва 2010г.

Содержание

Введение 3

Исходные данные для расчёта 4

1 Выбор и обоснование структурной схемы приёмника 5

1.1 Определение параметров структурной схемы приёмника 6

1.1.1 Определение эквивалентных параметров антенны 6

1.1.2 Расчет полосы пропускания линейного тракта РПрУ 6

1.1.3 Определение структуры радиотракта 8

1.1.4 Обеспечение необходимого усиления трактом ВЧ 9

1.1.5 Обеспечение необходимого усиления трактом НЧ 10

1.1.6 Окончательная структурная схема приёмника 10

2 Расчёт усилителя промежуточной частоты 10

3 Конструкция приёмника 18

Заключение 19

Список литературы 20

Приложение Схема электрическая принципиальная узла УПЧ 21

Введение

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: 410<

Вт
>

- 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…+40<
С>

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 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 ρ₁ = 1...3 дБ

потери в антенно-фидерном тракте ρ ₂ = 1 дБ

потери при амплитудном детектировании ρ ₃ = 1...5 дБ

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

Суммарный коэффициент потерь: ρ = ρ_i = 5...10 дБ.

Примем ρ = 10 [дБ] = 3,16 [раз]

Отношение сигнал/шум с учетом потерь:

(Р_с/Р_ш)`= (Р_с/Р_ш)ρ = 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=28 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;

<

Расчет коэффициента усиления линейного тракта:

<
>

Коэффициент передачи по мощности для транзисторного преобразователя частоты

примем равным:

К_Рпч = 8

Амплитуда напряжения на входе УПЧ :

<

<

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 y<
и
:>

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<
=
>

<
= 2010
610
= 0.12
1
,>

<
= 2010
210
= 40
1
.>

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,>

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.

<
>

19