Радиолокационный приемник
Тема: Радиолокационный приемник.
1.1Характеристики принимаемых сигналов:
1.Рабочая частота (диапазон частоты)17.5Ггц
2.Вид модуляции принимаемого согнала Код Баркера
3.Параметры модуляцииБаза 5
4.Длительность импульса 7 мкс
1.2.Характеристики помех:
1.Вид помехи - белый шум (собственный шум РПУ).
2.Статистические характеристики - гауссово распределение.
3.Температура шумов в антеннеТа=200К
1.3.Качественные характеристики приемника.
1.Чувствительность?
Коэффициент шума6
2.Отношение сигнала к мощности шума на выходе линейной части приемника 3
3.Схема приемника ?
4.Ослабление по симметричному каналу20Дб
5.Коэффициент прямоугольности частотной характеристики1.6
6.Промежуточная частота 35Мгц
7.Полоса пропускания ?
8.Динамический диапазон входных сигналов 60Дб
9.Динамический диапазон выходных сигналов 10Дб
10.Выходное напряжение 10В
11.Параметры выходного устройства R=12Koм. С=25пФ
12.Суммарная нестабильность частоты радио линии 10 Е-7
13.Тип УВЧ ?
14.Схема смесителя?
15.Конструкция смесителя УВЧ?
16.Система АПЧ?
17.Вид амплитудной характеристики - линейный.
18.Тип автоматической регулировки усиления - ИАРУ.
19.Диапазон рабочих температур(40°С
2.Содержание отчета.
1.Определение (расчет) основных характеристик приемника.
2.Выбор и обоснование структурной схемы приемника.
3.Обоснование и составление функциональной схемы.
4.Выбор и обоснование конкретных типов усилительных приборов.
5.Обоснование и составление принципиальной схемы.
6.Электрический расчет элементов принципиальной схемы.
7.Определение и проверка качественных показателей приемника.
8.Разработать конструкцию смесителя.
9.Подрбно рассчитать тракт УПЧ и преобразователя.
3.Чертежи.
1.Принципиальная схема.
2.Топология преобразователя.
4.Список литературы.
Введение: Радиоприемное устройство состоит из антенны , приемника и оконечного устройства. Радиолокационное приемное устройство (РПУ) входит в состав радиолокационной станции(РЛС). В радиолокации под приемным устройством понимают цепи, расположенные между выходами антенны и оконечного устройства, принимающего решение об обнаружении сигнала или оценке его параметров.
Проектирование согласно ЕСКД включает в себя составление технического задания, технического предложения, эскизного и технического проектов.
В техническом задании содержатся общие характеристики принимаемых сигналов и помех, качественные, конструктивные и эксплуатационные требования. На стадии технического предложения выполняют анализ тех. задания, осуществляют подбор литературы, приводят с сравнивают различные варианты структурных схем РПУ.
На стадии эскизного проектирования выбирают и обосновывают функциональную схему РПУ, составляют принципиальную схему и производят ее расчет, разрабатывают конструкции отдельных узлов и всегоРПУ.
При создании технического проекта составляют рабочие чертежи изготовляемых деталей, и самого приемника, выбирают технологию изготовления и т.д.
1.Выбор моделей сигналов и помех.
Передающее устройство импульсного локатора излучает в пространство импульсы электромагнитной энергии. Объекты, расположенные в пространстве, отражают эту энергию. Радио локационные сигналы , отраженные от целей, зависят от их свойств, а так же от свойств приемника и антенны.
Сравнивая параметры переданных и принятых сигналов можно судить о дальности и угловых координатах.
Исходные данные:
1. рабочая частота 17.5 Ггц
2. вид модуляции принимаемого сигнала ЛЧМ
3. параметры модуляциибаза 5
4. длительность импульса 7 мкс
Принимаем, что цель точечная.
Для получения аналитического выражения оптимального алгоритма приемника необходимо математическое описание отраженного сигнала при приеме. При этом исходят из двух требований : модель принимаемого сигнала не должна быть слишком сложной или слишком простой.
Случайный характер параметров сигнала обусловлен взаимным перемещением РЛС и объекта, сложной формой ДОР целей и заранее не предсказуемым его положением в пространстве.
Исходя из анализа тех. задания выбираем сигнал М-4, т.е. сигналы у которых амплитуда и фаза изменяется по случайному закону.
Помеха G(t) на входе РПУ является случайным процессом. Она складывается с сигналом S(t) и на вход РПУ воздействует их смесь
Из анализа тех. задания видно, что помехой , действующей в приемнике является белый шум.
Для гауссовой помехи типа белого шума N(f)=const (энергетический спектр). Белым шумом являются внутри приемные шумы, радиоизлучения космических объектов.
Радиоимпульс промодулирован по частоте , т.е. спектр такого сигнала сплошной.
2.Выбор оптимальной структуры приемного устройства.
РПУ работает при воздействии помех. Помехи мешают приему сигнала. Качество приема сигналов приемником в присутствии помех оценивают некоторым критерием . Под синтезом РПУ понимают синтез алгоритма обработки сигналов.
Для нашего типа сигнала М-4 , т.е. одиночный импульс с неизвестной амплитудой и фазой.
Алгоритм обработки :(Z(? Zn, или ?Z?(? Zn(:
Квадрат модуля корреляционного интеграла :?Z?= ?Z1((V) + Z2((V)
И реализуется с помощью следующей схемы:
1. Фо- фильтр, согласованный одиночным радиоимпульсов пакета.
2. Фв- дискретный сумматор на скользящем интервале.
3. КД- квадратичный детектор.
4. Пороговое устройство.
3.Определение основных качественных показателей и выбор структурной схемы РПУ:
Радиолокационный приемник предназначен для усиления отраженных от целей сигналов и их дальнейшей обработки для выделения полезной информации. На вход приемника поступает смесь полезных сигналов и помех. Для полного использования полезной информации необходимо применять оптимальные алгоритмы обработки . При проектировании структурной схемы РПУ необходимо предусмотреть устройства , реализующие операции оптимального алгоритма принимаемых сигналов. Схема алгоритма обработки принимаемого сигнала указана на рис.2.
Эту структурную схему алгоритма необходимо преобразовать в структурную схему устройства, технически реализующий данный алгоритм. Для этого требуется заменить все логические операции техническими устройствами , которые реализуют соответствующие логические операции.
В качестве Фо применяют линейные фильтры, построенные на пассивных элементах. Технически проще реализовать фильтр Фо на промежуточной частоте (ПЧ). Для этого в схему РПУ перед Фо вводят преобразователь частоты, содержащий смеситель и гетеродин (СМ) и (Г) . В качестве квадратичного детектора (КД) применяют амплитудный детектор (АД).
Пороговое устройство (ПУ) заменяют решающим устройством, а пороговое напряжение Uп задают исходя из вида критерия обнаружения. Для обеспечения работы РПУ в реальных условиях , когда параметры сигнала изменяются , в состав структурной схемы вводят такие устройства, как устройства автоматической подстройки частоты (УАПЧ), автоматическую регулировку усиления (АРУ) и т.д.
Так как используется одна антенна на прием и передачу сигналов , для этого в схему введем антенный переключатель (АП).
Для увеличения чувствительности и избирательности по зеркальному каналу перед смесителем включен усилитель высокой частоты (УВЧ) и входная цепь (ВЦ). Для обеспечения работы в динамическом диапазоне входных сигналов в состав РПУ включают устройство временной автоматической регулировки порога (АРП). Для частотной автоподстройки в схему вводят смеситель (СМ2) и усилитель промежуточной частоты (УПЧ2), различитель (РЗ) и управитель (У). Сигнал от передатчика (ПРД) через делитель мощности подают на СМ2 . В схему вводят АП.
Сигналы с выхода КД подают на видеоусилитель ( ВУ ), а затем на индикатор (ИНД), с помощью которого оператор РЛС осуществляет визуальное наблюдение. Общую синхронизацию осуществляют с помощью синхронизатора импульсов (СИ), которые запускают ПРД , ИНД и схему ИАРУ.
Структурная схема проектируемого РПУ.
5. Проектирование СВЧ блока.
В блок СВЧ входят: АП, УВЧ, УЗП, УПЗК, СМ, гетеродин.
5.1. Проектирование АП.
С помощью антенного переключателя осуществляют подключение антенны к тракту передатчика и запирание приемника на время излучения, а после окончания действия импульса- подключение с минимальной задержкой выхода антенны к выходу приемника и отключения тракта передатчика.
При большой импульсной мощности сигнала АП строится по следующей схеме: ферритовый циркулятор, газовый разрядник, диодный резонансный СВЧ- ограничитель.
Циркулятор- устройство, обладающее следующими свойствами: при подаче сигнала на плечо 1 циркулятора, выходной сигнал появляется в плече 2 с очень малым ослаблением (0.2- 0.5Дб), в то время как он в плече 3 он существенно ослабляется (13-25Дб). Аналогично при поступлении в плечо 2 сигнала, он появляется в плече 3 и не проходит в плечо 1.
В АП сигнал от передатчика поступает на плечо 1 циркулятора Ц1 и через плечо 2 поступает в антенну. Лишь небольшая часть мощности сигнала проходит на плечо 3 и через циркулятор Ц2 попадает на вход разрядника ограничителя (ГР). Разрядник создает в линии передачи практически короткое замыкание и СВЧ сигнал, отражаясь от него в направлении к циркулятору Ц2 поглощается в согласованной нагрузке Rн, чем достигается защита УВЧ от выжигания. Процесс зажигания ГР в начале каждого импульса возникает с задержкой 10с. В течении этого времени через ГР проходит значительная энергия СВЧ колебаний. Выделяющаяся энергия СВЧ может вывести из строя или необратимо ухудшить параметры диодов СВЧ. Для предотвращения этого после ГР ставится резонансный СВЧ ограничитель, включаемый в основную линию через отрезок линии длиной L=(/4. Ограничитель представляет собой параллельное соединение разомкнутого емкостного шлейфа С1, последовательного соединения ограничительного диода Д и коротко замкнутого шлейфа L2 (рис.6).
Отраженный от цели сигнал поступает из антенны на плечо 2 Ц1, затем на плечо 3, а после на плечо 1 Ц2 и через его выходное плечо 2 на ГР. Мощность сигнала недостаточна для зажигания ГР. Прямые потери сигнала в ГР составляют 0.3- 1.5Дб. Для дальнейших расчетов примем коэффициент передачи ферритового переключателя = 0.9.
5.2. Проектирование устройства защиты приемника.
В устройство защиты приемника входит разрядник приемника и диодный ограничитель. Основным недостатком диодных ограничителей является относительно небольшой динамический уровень импульсной мощности (100вт- 2Квт). Для устранения этого недостатка и объединения достоинств РПЗ и ограничителя используют разрядник- ограничитель. Он представляет собой сочетание РПЗ и следующего за ним диодного ограничителя. Разрядники- ограничители, не требующие никаких источников питания, выдерживают большие импульсные мощности ( 10Квт) и обеспечивают защиту приемника от всех возможных сильных сигналов. После ГР (газоразрядник) ставят резонансный СВЧ- ограничитель, включаемый в основную линию через отрезок линии l=(/4. Он представляет собой параллельное соединение разомкнутого шлейфа и последовательное соединение ограничительного диода и еще одного короткозамкнутого шлейфа L2.
Гетеродин выбираем по таблице 8.4, приведенной на стр.364[2]. Исходными данными является рабочая частота , выходная мощность мВт, и диапазон электрической перестройки частоты(механической перестройки частоты не требуется, так как передатчик работает на фиксированной частоте 17.5 Ггц). Полагаем и =-= 35Мгц, =+=17535Мгц, т.е. рабочая частота гетеродина составляет 17535Мгц, диапазон перестройки = 35 Мгц.
Итак, выбираем гетеродин типа VSX-9012, имеющий параметры:
-рабочая частота : 12.4-18Ггц.
-диапазон механической перестройки: = 0Мгц.
-диапазон электрической перестройки: =1000Мгц.
-выходная мощность гетеродина: 50мВт.
-напряжение питания: U= 8В.
-ток питания: I= 0.4 А.
В генераторах на диодах Ганна с полосковой и микрополосковой конструкцией используют электрическую перестройку частоты. Наиболее распространенным методом такой перестройки является включение варактора в колебательную систему гетеродина. Варактор представляет собой диод с нелинейной емкостью, величина которой изменяется при изменении отрицательного смещения Uов на нем. Таким образом изменяют резонансную частоту колебательной системы и осуществляют электрическую перестройку частоты. Достоинством такого метода перестройки является практически полное отсутствие потребление тока по цепи управления частотой. В схему генератора варактор можно включать последовательно или параллельно СДГ (рис.11). Колебательная система ГДГ включает в себя все реактивные элементы ДГ и варактора, а также настроечно- согласующую секцию, состоящую в выходной линии и разомкнутого параллельного шлейфа длиной lшл . Цепь СВЧ от цепей постоянного тока развязывают режекторные фильтры РФ.
7. Проектирование детектора широкоимпульсного сигнала с линейной частотной модуляцией.
Устройство, предназначенное для выделения огибающей процесса называется детектором. При Uм?0.3-0.5В диодный детектор работает в квадратичном режиме. Операцию получения квадрата огибающей выполняют в два приема: сначала с помощью линейного детектора выделяют огибающую, напряжение которой затем подают квадратор. Квадратор относится к устройствам , реализующим операцию умножения процесса на процесс. Наиболее совершенные перемножители - умножители компенсационного типа.
При подаче на вход 1 (U) напряжения U реализуется операция возведения в квадрат. Умножитель компенсационного типа состоит из двух перемножителей прямого действия. Простейшим умножителем является избирательный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления. Так же в состав умножителя компенсационного типа входит операционный усилитель (ОУ). Амплитудный линейный детектор (АД) выполняют на полупроводниковых диодах или транзисторах. Диодные полупроводниковые детекторы могут иметь как последовательные, так и параллельные схемы включения.
Источником сигнала является колебательный контур Lк, Ск , индуктивно связанный с выходом резонансного усилительного каскада. К нему подключен детектор , образованный диодом Д и нагрузкой RC. Фильтр (Lф и его паразитная емкость Сф) - уменьшает высокочастотные пульсации выходного напряжения.
Перед детектированием импульсы, принимаемые РЛ приемным устройством, согласно структурной схеме, проходят фильтровую обработку. Фо - представляет собой согласованный фильтр. Фильтр Фв - весовой сумматор на скользящем интервале.
8.Проектирование АПЧ.
Для автоподстройки частоты гетеродина можно использовать частотный детектор приемника и управитель частоты (УЧАП), который должен работать при относительно медленном изменении частоты, вызванном нестабильностью передатчика и гетеродина приемника.
В системе АПЧ используется частотный детектор. Его подключаем к каскаду УПЧ , выполненному на интегральной микросхеме К224УС3. Частотный детектор выполнен на расстроенных контурах с последовательным резонансом. (Д1, Д2, С1- С4,L1, L2, R1, R2).
Чтобы последующие цепи не шунтировали нагрузку ЧД, на его выход ставим эммиттерный повторитель, в качестве которого использовали микросхему К2УЭ182 . Коэффициент передачи ЭП - Кэп= 0.9. Учитывая , что уровни сигналов на входе на выходе ЧД велики, видеоимпульсы после ЭП необходимо усиливать в разных каналах.
Пиковые детекторы (на Д3 и Д4) - для формирования регулирующих напряжений, которые складываются после пиковых детекторов для получения результирующей характеристики частотного детектора.
Видеоусилители, к которым должны присоединятся пиковые детекторы построены на микросхемах К218УИ1 (импульсный усилитель на положительную полярность) и К218УИ2 (импульсный усилитель на отрицательную полярность), имеющие основные характеристики: Кву3, Riву= 100 ом.
Истоковый повторитель на полевом транзисторе КП102Л, служит для исключения шунтирования нагрузок пиковых детекторов.
10.Проектирование системы АРУ (автоматической регулирования усиления).
Исходные данные:
Тип АРУ: ИАРУ
Dвх =50 дб,
Dвых =10 дб.
Так как динамический диапазон входных выходных сигналов составляют 50 и 10дб, то требуемое изменение усиления УПЧ при максимальном ИАРУ составит раз.
Количество регулируемых каскадов:
n=, где - изменение усиления одного каскада.
Охватывая АРУ 3 каскада, регулировку усиления на выходной каскад УПЧ не вводят. Получаем требуемое изменение усиления одного каскада.
n= n=4/3 =1.33
= 22 - коэффициент передачи каждого из трех каскадов должен меняться в пределах : 0.23-5
11.Проектирование видеоусилителя.
В видеоусилителях на транзисторах применяют схемы с общим эммитером , так как они обеспечивают наибольшее усиление.
Исходными данными для рассчета являются:
- необходимый коэффициент усиления : Кву =146.
- время установления импульса tуст.=0,4 мкс.( т.к. импульс- прямоугольный ).
- длительность импульсного сигнала ? = 1.83 мкс.
- спад вершины =0.1.
- выброс вых. напряжения = 0.1.
-сопротивление источника сигнала =20 кОм.
- Rн =18 кОм. Сн =25 пФ.
1) Выбираем транзистор:
(1.4/)
6.2Мгц - граничная частота 60 Кгц.
Выбираем транзистор ГТ309А:
= 100-300.
2)Так как параметры выходного устройства R=18 Ком, С= 25 пф, то нагрузка имеет емкостной характер, то используем схему с общим эмиттером. Для необходимого коэффициента усиления ВУ, необходимо поставить два каскада с ОЭ.
12. 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, корозийной 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.
13. Заключение.
Расчет чувствительности РПУ определяем по фомуле:
РА=КТоПш, Nп-коэффициент шума приемника; Nп =3.
Тогда РАр = 1.38=5вт.
Ослабление по зеркальному каналу - 30дб.
Ослабление по соседнему каналу - 29дб.
14.Список литературы.
1. Проектирование радиолокационных приемных устройств.| Под редакцией Соколова М. А. 1984г. |
2. Проектирование РПУ. | Под редакцией Сиверста. 1976г. |
3. Расчет радиоприемников. | Бобров Н.В. и др. 1971г. |
4. Радиоприемные устройства. | Ширман и Рулевич. |
5. Справочник по п.п. диодам, транзисторам и интегральным микросхемам.
6.Под редакцией Горнонова 1979г.|
7. ИМС. Справочник.
8. Устройства приема и обработки сигналов. Методические указания к курсовому проектированию. Саломасов В.В. Соколов М. А. 1989г.