Радиолокационный приемник сантиметрового диапазона
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
2.ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ РЛС
2.1.АМПЛИТУДНАЯ МОНОИМПУЛЬСНАЯ СИСТЕМА
2.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА
3.ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫПРИЁМНИКА
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МОНОИМПУЛЬСНОЙ РЛС СОПРОВОЖДЕНИЯ
4. РАСЧЁТ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫРПРУ
4.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ПАРАМЕТРОВ АНТЕННЫ
4.2. РАСЧЕТ ПОЛОСЫПРОПУСКАНИЯЛИНЕЙНОГОТРАКТА РПРУ
4.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕСТРУКТУРЫРАДИОТРАКТА
4.4. ВЫБОР ГЕТЕРОДИНА
4.5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НЕОБХОДИМОГО УСИЛЕНИЯ ТРАКТОМ ВЧ
4.6. РАСЧЕТ СЕЛЕКТИВНОСТИ
4.7. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИСКАЖЕНИЙ
4.8. СТРУКТУРНАЯСХЕМАРПРУ
4.9. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ. ЗАДАНИЯ НА РАЗРАБОТКУ КАСКАДОВ.
5.РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПРИЕМНИКА
5.1. АНТЕННЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
5.2. РАЗРЯДНИКИ ЗАЩИТЫ ПРИЕМНИКА
5.3. ВХОДНАЯЦЕПЬ
5.4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ (СМЕСИТЕЛЬ)
5.5. УСИЛИТЕЛЬ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ (УПЧ)
РАСЧЕТ УПЧ НА ЭВМ
5.6. РАСЧЁТ ДЕТЕКТОРА
5.7. ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЁТ
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ПРИЕМНИКА СПЕЦИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
6.ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
6.1. ТЭО ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
6.2. РАСЧЕТ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЛОКА ПЧ
7.ОХРАНА ТРУДАПРИРАБОТЕСРАДИОЛОКАЦИОННОЙСТАНЦИЕЙ
7.1. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ СВЧ - ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА
7.2. ЗАЩИТА ОБСЛУЖИВАЮЩЕГО ПЕРСОНАЛА ОТ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЙ
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ :
ПРИЛОЖЕНИЕ
ЛИСТИНГ ПРОГРАММЫ WINЛАХ
Введение
Радиолокационныйприёмник( РЛП )являетсясоставнойчастьюрадиолокационных станций (РЛС), 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 (илиотношенииамплитуд) и частоты (или спектра) сигналов. Такой способ носит название активной радиолокации с пассивным ответом. Передатчик и приёмник в таких системах, как правило, работают на общуюантенну.
В рамках данного проекта рассматривается приемное устройство одноцелевой РЛС сопровождения, осуществляющей непрерывное слежение за перемещением цели. Такая РЛС представляет собой наземную систему, у которой антенна с иглообразным лучом смонтирована на поворотном устройстве со следящим приводом, которое, изменяя положение антенны по азимуту и углу места, позволяет следить за целью. Путем измерения угла прихода фронта волны эхо-сигнала и корректирования положения антенны таким образом, чтобы цель удерживалась в центре луча, определяется ошибка ориентирования антенны.
РЛС сопровождения применяются в основном для управления оружием, а также для полигонных измерений траекторий полетов ракет. Производится измерение азимута, угла места и дальности цели (а в ряде случаев и доплеровского сдвига частоты), по скорости изменения этих параметров вычисляется вектор скорости цели и производится прогнозирование ее положения. По этой информации осуществляется, например, наведение зенитных орудий и устанавливается момент разрыва снарядов. Аналогичные функции РЛС сопровождения выполняются для выработки данных по наведению и команд управления зенитными ракетами.
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 фиксированнымпериодомследования,длительностью импульсов, амплитудой и несущей частотой (рис.1.1,а), что обеспечивает высокую разрешающую способность и точность приизмерениидальности. Радиоприемные устройства (РПрУ) таких станций служат для приема части энергии излучаемых радиоимпульсов,отраженной от цели. Отраженные импульсы (рис.1.1,б) поступают на вход приемника с временным сдвигом ?tD = 2R/c, где R – расстояние до объекта. Измеряя ?tD, можно судить о расстоянии до цели, а узкая диаграмма направленности антенны позволяет определить направление на объект.
2.Выбор и обоснование функциональной схемы РЛС
следящих системах РЛС сопровождения наиболее широко используютметоды сравнения сигналов по амплитуде или фазе ВЧколебаний, принятых на два (и более) разнесённых в пространстве лучаантенны при одновременном сравнении сигналов, либооднолучевуюсканирующую антенну при последовательном сравнении сигналов. Первый способ применяется в моноимпульсныхследящихизмерителях, второй - в амплитудномметоде сравненияприконическомсканированиилуча .
Чувствительность методов сканирования и переключения луча к флуктуациям амплитуды эхо-сигналов явилась основной причиной разработки РЛС сопровождения, обеспечивающей одновременное наличие всех лучей, необходимых для выявления угловой ошибки. Выходные сигналы всех лучей, соответствующие одному зондирующему импульсу, могут быть одновременно сравнены, благодаря чему исключается влияние изменения амплитуды эхо-сигнала во времени. Такой метод называется моноимпульсным (полная информация об угловых ошибках извлекается из одного импульса).
Моноимпульсной аппаратуре присуща высокая точность угловых измерений, т.к. система облучателей жестко смонтирована и не имеет движущихся деталей.
2.1.Амплитудная моноимпульсная система
Эхо сигнал фокусируется в виде “пятна”, поперечное сечение которого в случае антенны с круговой апертурой имеет вид J1(x)/x ( J1(x) функция Бесселя 1го порядка). Пятно находится в фокальной плоскости, если цель расположена на оси антенны, и смещается относительно центра, когда цель отходит от оси. Облучатель антенны расположен в фокальной точке, так что принимаемая энергия максимальна в том случае, когда цель находится на оси.
Облучатель сконструирован таким образом, что он реагирует на любое боковое смещение пятна относительно фокальной плоскости. При использовании облучателя в виде квадрата, образованного четырьмя рупорами, полная симметрия обеспечивается когда пятно находится точно в центре (на каждый из четырех рупоров попадает одинаковое количество энергии. При отклонении цели от оси антенны и , следовательно, смещении пятна относительно центра, равенство энергий, принимаемых рупорами нарушается. РЛС регистрирует отклонение цели от оси антенны, сравнивая амплитуды эхо-сигналов, появляющихся в каждом из рупоров. Это осуществляется с помощью СВЧ мостовых соединений, формирующих разности сигналов каждой пары двойных рупоров. Для выявления ошибки по азимуту, производится вычитание выходного сигнала левой пары рупоров из выходного сигнала правой пары. Сигнал верхней пары вычитается из выходного сигнала нижней пары.
Сигналы, полученные в результате вычитания (разности), равные нулю для цели, находящийся на оси антенны, и возрастающими по амплитуде по мере удаления цели от оси антенны. Фаза разностных сигналов меняется на 1800 при переходе цели через ось с одной стороны на другую. Суммарный сигнал всех четырех рупоров используется в качестве опорного сигнала схемы детектора угловой ошибки, который позволяет использовать изменения фазы разностного сигнала для определения направления отклонения цели от оси антенны. Суммарный сигнал используется также в схеме сопровождения по дальности и для установления опорного уровня в схеме АРУ.
Суммарный сигнал, а также угломестный и азимутальный разностные сигналы преобразуются в сигналы ПЧ с помощью одного общего гетеродина для сохранения относительного соотношения фаз сигналов по ПЧ. Выходной суммарный сигнал ПЧ детектируется и используется в качестве входного видеосигнала схемы сопровождения по дальности. В схеме сопровождения по дальности определяется время прихода очередного эхо-сигнала от сопровождаемой цели и вырабатываются стробирующие импульсы, отпирающие соответствующие цепи приемника только на те короткие интервалы времени, когда ожидается эхо-сигнал выбранной цели. Стробированый видеосигнал используется также для формирования напряжения постоянного тока для схемы АРУ всех трех усилительных каналов ПЧ, в которых АРУ поддерживает постоянство угловой чувствительности (крутизны сигнала ошибки) схемы сопровождения по углам, даже если эхо-сигнал цели изменяется в широком динамическом диапазоне. Для получения устойчивого автоматического сопровождения по углам необходимо поддерживать с помощью АРУ постоянство усиления следящей системы схемы сопровождения.
Суммарный сигнал ПЧ используется также, как опорный сигнал в ФД, вырабатывающих из разностных сигналов напряжения сигналов ошибки сопровождения по углам. ФД выполняет скалярное умножение; выходное напряжение ФД:
модуль суммарного сигнала; ?? ? - модуль разностного сигнала; ? - фазовый угол между ними. В правильно отрегулированной РЛС? принимает только два значения: 0 или 1800, так что единственным назначением фазочувствительной характеристики детектора ошибки является обеспечение положительной или отрицательной полярности сигнала при 0 и 1800 соответственно, что придает выходному сигналу детектора угловой ошибки признак направления отклонения от оси антенны.
В импульсной РЛС сопровождения выходным сигналом детектора угловой ошибки является биполярный видеосигнал, амплитуда которого пропорциональна угловой ошибке, а полярность соответствует знаку ошибки. Этот видеоимпульс обычно подается на конденсатор, который заряжается до пикового значения видеоимпульса и сохраняет это напряжение до следующего видеоимпульса. В этот момент конденсатор разряжается и вновь заряжается до уровня, соответствующего новому импульсу. Этот импульс подается на ФНЧ, выходное напряжение постоянного тока которого, являющееся напряжением сигнала ошибки, подается на усилители следящей системы для корректирования положения антенны.
2.2. Определение параметров сигнала
Выберем в качестве зондирующего сигнала простой сигнал с базой равной 1 (радиоимпульсы с прямоугольной огибающей, рис.2.2.1). Выбор является предварительным. После расчета импульсной мощности передатчика Pи, если она превысит допустимое для наземных РЛС значение 1 МВт/имп, зададимся приемлемой импульсной мощностью и возьмем в качестве зондирующего сигнала сложный сигнал.
Структурные схемы РПрУ различаются прежде всего ТВЧ ( тракт высокой частоты ). Существует несколько различных типов схем.
1.) Детекторный тип
2.) Прямого усиления
3.) Супергетеродинного типа
Приёмник прямого детектирования характерен отсутствием усиления колебаний радиочастоты до детектора. Его отличает низкая чувствительность и избирательность.
Приёмник прямого усиления содержит УРЧ. ВЦ и УРЧ настроены на частоту принимаемого сигнала, на которой и осуществляется усиление. Т.к. используется многокаскадный УРЧ, то это обуславливает снижение его устойчивости и общей избирательности приёмника, затрудняет техническую реализацию перестройки по частоте.
Трудности. связанные с многокаскадностью УРЧ, позволяет устранить, в принципе, использование регенеративных и сверхрегенеративных усилителей, обеспечивающих большее усиление на каскад. Однако такие усилители обладают повышенными искажениями, относительно низкой устойчивостью по отношению к дестабилизирующим факторам, повышенной вероятностью паразитного излучения. По этой причине они применяются редко, и находят применение, в частности, в портативных приёмниках СВЧ. При любых типах используемых УРЧ полностью преодолеть присущие схеме прямого усиления недостатки не удаётся, поэтомувнастоящеевремя такие РПрУ с фиксированной настройкой применяются практически лишь в микроволновом и оптическом диапазонах,чтонесоответствуетхарактеристикампроектируемого РПрУ, т.к. он рассчитан на работу в сантиметровом диапазоне.
Существенное улучшение всех показателей РПрУ достигается на основе принципа преобразования частоты принимаемого сигнала - переносаего в частотнуюобласть, где он может быть обработан с наибольшей эффективностью. Самое широкое распространение во всех радиодиапазонах получила построенная наэтом 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.
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.
Пределы изменения амплитуд напряжения сигнала от UСмин до UСмакс характеризуются динамическим диапазоном сигналов DС = UСмин/UСмакс, который может быть выражен в децибеллах: DС [дБ] = 20lg(UСмин/UСмакс). Для радиолокационных сигналов DС ???50...120) дБ [9], однако для РЛС конкретного назначения обычно принимают DС ? (50..90) дБ, т.к. известны типы целей и пределы изменения дальности.
Структурная схема радиоприемного устройства моноимпульсной РЛС сопровождения
Входная цепь (ВЦ)
Входная цепь приёмника обеспечивает защиту приемника от перегрузок и повреждения СВЧ мощностью сигнала, поступающего на рабочей частоте при работе на одну антенну с передатчиком. ВЦ связываетвыход антенно-фидерного устройствасовходом1-огокаскадаприёмника, вданномслучаесосмесителем. При этомвходивыходвходной цепидолжны быть согласованны с волновыми сопротивлениямиприсоединяемыхкнимлинийпередач, чтобыв местахсоединенияневозникалоотраженийСВЧэнергии.
Внашемслучаевходнаяцепьдолжнавыполнятьследующиефункции :
* частотная селекцияпринимаемыхсигналов для уменьшенияпомехна нерабочейчастоте.
* подавлениезеркальногоканала.
* защита1-огокаскадаприёмникаотперегрузкииповреждения мощностью СВЧ сигналов, поступающихвприёмникнарабочихчастотах .
Длязащитыприёмникаотперегрузокбудемиспользоватьантенный переключатель(АП)иустройствозащитыприёмника(УЗП) .
ДлявыполненияВЦфункцийселекциииподавленияшумов зеркальногоканалаиспользуемполосовойфильтр.
Преобразователь частоты (ПЧ)
Преобразователь частот (смеситель) РПрУ РЛС часто выполняется на диодах по балансной схеме. Для балансных смесителей на диодах с барьером Шотки (ДБШ) потери сигнала в сантиметровом и миллиметровом диапазоне составляют соответственно5..8 и 6..10 дБ, а коэффициент шума - 6..9 и 7..12 дБ, что неприемлемо в нашем случае из-за отсутствия УРЧ в составе радиотракта.
В сантиметровом диапазоне используют ПЧ на биполярных транзисторах (БТ), которые обладаюткоэффициентом усиления 3-12 дБ и коэффициентом шума1,7 - 4,6 дб. Однако лучшие характеристики во всем СВЧ диапазоне имеют ПЧ на полевых транзисторах (ПТ), так как в более широкомдиапазоне 1-15ГГц они обеспечивают усиление 8-12 дб при коэффициенте шума1,1 - 3,5 дб. К преимуществам смесителей на ПТ можно отнести более простые цепи смещения по постоянному току и более высокую температурную стабильность. Поэтому используем транзисторный преобразователь частоты на полевом транзисторе с барьером Шотки (ПТШ), усилительные и шумовые свойства которого, в основном, и определят чувствительность РПрУ.
Усилитель промежуточной частоты (УПЧ)
Основное усиление в РПрУ обеспечивается усилителем промежуточной частоты. Схемотехника каскадов этого устройства разнообразна, однако заметно упроститьприёмник позволяет применение в качестве усилительных элементов аналоговых интегральных микросхем(ИМС).
Основные требования, предъявляемые к УПЧ - это малыйкоэффициент шума и достаточно высокий коэффициент усиления, а кроме того он должен обладать широким динамическимдиапазоном, линейной ФЧХ и равномерной АЧХ в рабочем диапазоне частот, хорошо согласован, обладатьвысокойнадёжностью.
В настоящее время в наибольшей мере этим требованиямудовлетворяют УПЧ на интегральных микросхемах. УПЧ с логарифмической амплитудной характеристикой (ЛАХ), который наилучшим образом выполняет усилительные функции при широком динамическом диапазоне входных сигналов, реализуем на ИМС.
Детектор(Д)импульсных сигналов
При детектировании импульсных сигналов разлиают два вида: пиковое и импульсное детектирование. В первомслучаеопределяется толькоамплитуда импульсов, качество же воспроизведения формы их огибающей играет второстепенную роль.
В нашем случаеимпульсного детектирования необходимо воспроизвести огибающую каждого поступающего на детектор радиоимпульса. Для этого обычно применяется диодный детектор, постоянная величина времени (RC) нагрузки которого выбирается достаточнобольшой,так,чтобы в течение времени между радиоимпульсами напряжение на выходе не успевало заметно снизиться, а изменялось по закону огибающей последовательности радиоимпульсов. Наличие в схеме детектора реактивных элементов приводит к искажению формы импульсов, т.к.вызывает переходные процессы , за счет которых увеличиваетсявремя установления ?у и время спада ?сп импульсов на его выходе.Обеспечение минимальных искаженийформыимпульсов(?у и ?сп), в заданных пределах, является главной задачей импульсного детектора. Желательно при этом получить высокий коэффициент передачи, но не за счет увеличения искажений сверх заданной величины.
Режим работы и параметры схемы импульсного детектора выбирается из условия обеспечения допустимых искажений формы импульсов.
Схемы пикового и импульсного детекторов аналогичны, отличие только в том , что постоянная времени нагрузки у пикового детектора на два,три порядка больше, чем уимпульсного. В таких детекторах используютгерманиевые диоды.
4.9. Выбор элементной базы. Задания на разработку каскадов.
На частотах до 7 ГГц в транзисторных преобразователях широко используются биполярные транзисторы (БП), на более высоких частотах, включая миллиметровый диапазон - полевые транзисторы с барьером Шотки (ПТШ). Имея выбор между БП и ПТШ предпочтение отдают ПТШ, так как они обладают лучшимишумовыми и усилительными показателями, поэтому используем транзисторный преобразователь частоты на двухзатворном ПТШ. Для применения в смесителе был выбран арсенид-галиевый ПТШАП 328-2, альтернативы которому отечественная промышленность не выпускает.
5.Расчет элементов принципиальной схемы приемника
5.1. Антенный переключатель
Одним из основных узлов РЛП является антенный переключатель (АП).Антенные переключателипредназначеныдлякоммутациипередатчикак антенне на время прихода отраженных или ответных сигналов. Они должны:обеспечить уменьшение до минимума мощности излучаемого зондирующего импульсапросачивающегося на на вход приемника; быть быстродействующими т.к. с увеличением времени срабатывания возрастает вероятность пробоя входных цепей приемника, а с увеличением времени востановления увеличивается минимальная дальность РЛС (мертвая зона обзора на малых расстояниях от РЛС); иметь минимальные потери мощности при излучении зондирующего импульса и особенно при приеме отраженного от цели сигнала; обладать большим сроком службы и высокой надежностью. Коммутационные АП состоят настроенных отрезков линий и газоразрядных приборов (разрядников), изменяющих сопротивление под действием мощных СВЧ сигналов. Разрядники включают в фидерный тракт РЛС параллельно или последовательно.
АП на необратимыхэлементахприменяютвРЛСсантимитрового диапазона. В качестве необратимых элементов используют фидерные вентили и циркуляторы.
При расположении феррита волноводе ,передаваемая по волноводу электромагнитная энергия. В зависимости от направления ее движения либо поглащается либо проходит практически без потерь. Феррит помещаетсявсильноеполепостоянного магнита. При этом ферромагнитный резонанс наступает только при движении электромагнитной волны в одном направлении. При резонанасе практически вся СВЧ энергия в волноводе поглащается вентилем.
Выбор типа АП зависит отмощностиизлучаемогозондирующего импульса. Примощностиимпульса100-150КВтАПреализуют путем последующего соединенияферритового циркулятора,газового разрядника и диодного резонансного СВЧ ограничителя (рис. )
При мощности 1-2 КВт газовый разрядник не вводят в состав АП.
В АП(рис.) используют два последовательно соединенных циркулятора Ц1иЦ2.Сигналотпередатчикапоступаетна плече 1 циркулятора Ц1 и через плече 2 подается в антенну;при этом навыход плеча 3 сигнал от передатчика проходит с существенным ослаблением (13- 25 дб). Далее сигналсплеча3циркулятораЦ1подаетсячерез циркулятор Ц2на разрядник Р, уменьшая его сопротивление до ноля.При этом СВЧ сигнал отражается от разрядника к плечу 2циркулятораЦ2и поглощается в согласованной нагрузке R.Зажигание разрядника Р спустя некоторое время ( с) после изменения зондирующего импульса. Выделяемая за это время энергияможет вывести из строя последующие каскады приемника. Для предотвращения этого в схеме АП предусматривается СВЧ ограничитель, подключенныйкосновной линии в т.А через отрезок линии l = ?/2. Ограничитель состоит изпоследовательносоединенныхдиодаДи короткозамкнутого шлейфа длинной l2 с индуктивным реактивным сопротивлением, параллельно которым подключен разомкнутый емкостной шлейфдлиной l1. При сигнале высокого уровня диод Д эквивалентен цепи из последовательносоединенных сопротивления и индуктивности.при этом между т.В и подложкойобразуетсяпараллельный резонансный контур,сопротивление которого при резонансе велико. Значит, четвертьволновый отрезок линии длинной l при высоком уровне сигнала работает практически в режиме холостого хода; входное сопротивление линии равно 0. Значит, сигнал просачивающийся в ограничитель отражается обратно в циркулятор Ц2. Полезный сигнал, отраженный от цели, поступает от антенны на плече 2циркулятора Ц1, практически без ослаблений передается на плече 3 циркулятора Ц1 и далее через плечи 1 и 2 циркулятора Ц2 на разрядник Р. Мощность отраженного сигнала недостаточна для зажигания разрядника, вследствие чего принятый антенной сигнал передается по основной линии впоследующие каскады приемника. Для сигнала малого уровня отрезок линии длинной l работает практически в режиме К.З.; входное сопративление этой линии равно бесконечности и энергия принятого сигнала проходит в последующие каскады РЛП практически без ослабления.
5.2. Разрядники защиты приемника
Защиту триодов входного каскада РЛП отперегрузки и повреждения СВЧ сигналами (от собственного передатчика РЛС или от внешних источников помех) в полосе рабочих частот,как уже указывалось, обычно осуществляют разрядником защиты приемника (РЗП) и ограничителем СВЧ-мощности на полупроводниковых диодах.
РЗП описываютсядвумягруппами параметров:параметрами низкого уровня мощности, характеризующими свойства РЗП в режимеприемаслабых сигналов (СВЧ разряда нет), и параметрами высокого уровня мощности характеризующими его защитные свойства при воздействиинанегомощных импульсов СВЧ (происходит СВЧ разряд).
К параметрам низкогоуровнямощностиотносятся:
* полоса рабочих частот Праб= fmax - fmin,выраженная в процентах по отношению к средней частоте рабочего диапазона Праб, % ;
*потери в режиме приема Lпр, дБ;
* коэффициент стоячей волны КСВ.
Основными параметрами высокого уровня мощности являются:
* максимально допустимая импульсная мощность Pи(кВт)на входе РЗП;
* мощность зажигания Pзаж (мВт) - максимальная импульсная мощность, на выход ЗП;
* энергия пика Wп (Дж) и мощность плоской части Pпл (мВт) СВЧ импульса, просачивающаяся через РЗП во время его горения;
* время восстановления РЗП tв (мкс),
*характеристика времени tG после окончания вх.импульса СВЧ, в течение которого потери снизятся до условной величины Lпр + G (дБ).
Диодный ограничитель, в отличае от РЗП, не требует никаких питающих напряжений и поэтому обеспечивает защиту как при включенной, так и при выключенной аппаратуре. Он характеризуется двумя состояниями: состоянием пропусканияпри малой мощности сигнала, т.е. на низком уровне мощности (потери пропускания Lпр малы), и при состоянием запирания при большой мощности сигнала, т.е. на высоком уровне мощности (потери запирания Lзап велики).
5.3. Входнаяцепь
В используемом диапазоне частот в силу особенностейнесимметричных полосковых волноводов [9] наиболее перспективно использование согласующих цепей на микрополосковых линиях. Основными характеристиками микрополосковой линии, сечение которой показано на ( рис.5.1.1, б) являются: волновое сопротивление и эффективная диэлектрическая проницаемость, которые зависят от толщины подложки Н, ширины микрополосковой линии Е, толщины металлизированного слоя t и относительной диэлектрической проницаемости ?. Из соображенийтехнологичности широкое применение в качестве полосовых фильтров (ПФ) находитсвязанная система из резонансных полуволновых разомкнутых резонаторов [3]:
Такой ПФ (рис.5.1.1,а) образован рядом одинаковых параллельно связанных линий (длина участка связи равна ?0/4), и является наиболее употребительным из-за отсутствия особо критичных размеров.
Основными исходными данными для проектирования такогополосового фильтра являются:
частота сигнала, полоса пропускания приёмника, затухание в полосе пропускания Lп, обычно принимаемое за 3 дБ, полосазаграждения Пз, определемая в нашем случае как Пз=4fпч=120 МГц, затухание на границахполосызаграждения Lз=26 дБ, волновыесопротивления подводящих линий W0=75 Ом.
При использовании для аппроксимации частотной характеристикифильтра максимально плоских функций Баттерворта можемпосчитать число элементов n по формуле:
Расчет показателей надежности
Надежностью называется свойство объекта, системы, изделия, устройства или их частей выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям эксплуатации, технического обслуживания, хранения и транспортировки.
Расчет надежности основывается на следующих допущениях:
1. Все элементы данного типа равнонадежны, т. е. интенсивность отказов??i для этих элементов одинакова;
2. Все элементы работают в нормальных технических условиях;
3. Интенсивность отказов всех элементов не зависит от времени (срока службы);
4. Отказы элементов являются событиями случайными и независимыми;
5. Все элементы работают одновременно;
6.Отказ любого элемента приводит к отказу всей системы;
При расчете надежности блока ПЧ радиолокационного приемника необходимо определить вероятность безотказной
Для оценки надежности аппаратуры многократного использования используется параметр Кг -коэффициент готовности, представляющий собой вероятность того, что в произвольный момент времени аппаратура будет находиться в состоянии готовности (окажется работоспособной). Коэффициент готовности определяется отношением суммарного времени безотказной работы (наработки) Тн к сумме наработки и времени восстановления, взятых за период эксплуатации:
Выводы
В соответствии с техническим заданием произведено ТЭО выбора элементной базы и проведен расчет технико-экономических показателей блока ПЧ проектируемого РПрУ. Расчет показал, что разработанный блок ПЧ практически по всем параметрам превосходит аналог, кроме коэффициента усиления (см. табл. 6.7). Проектирование УПЧ на интегральных микросхемах привело к увеличению надежности и снижению себестоимости блока, а так же улучшению массогабаритных показателей. Однако, следует отметить, что разработка отечественной промышленностью аналоговой микросхемы, целиком включающей в себя весь УПЧ, привела бы к еще большему увеличению экономической эффективности применения ИМС в приемнике РЛС.
7.Охрана трудаприработесрадиолокационнойстанцией
Радиолокационная станция - объект повышенной опасности. Наличие опасных и вредных производственных факторов при работе на РЛСобусловлено спецификой труда. Задача охраны труда заключается в обеспечении работающему таких условий труда, чтобы при максимальной производительности утомляемость его была минимальной. В частности, охрана труда рассматривает наличие опасных и вредных факторов при работе на РЛС, предусматривает меры и мероприятия по предупреждению несчастных случаев и профессиональных заболеваний. Согласно ГОСТ 12.003-74 ( ст. СЭВ 780-77 ) ССБТ опасные и вредные производственные факторы делятся по природе действия на следующие группы:
* физические
* химические
* психофизиологические
Одним из источником опасного воздействия на человека является радиолокационная станция. Согласно ГОСТ 120.003-74 ССБТ при работе с РЛС на судоводителя действуют группы физических и психофизиологических факторов. К физическим в случае работы с РЛС относятся:
* повышенный уровень электромагнитных излучений
* повышенное значение напряженности в электромагнитной цепи, замыкание которой может произойти через человека
Психофизическая группа факторов подразделяется на:
а) физические перегрузки
б) нервно-психические перегрузки
При работе с РЛС выделяются нервно-психические перегрузки, выражаемые в умственном перенапряжении.
Итак, в случае работы с РЛС учитываются следующие опасные и вредные производственные факторы:
1.повышенный уровень электромагнитных излучений
2.повышенное значение напряженности в электрической цепи, замыкание которое может произойти через тело человека
3.умственное перенапряжение
7.1. Биологическое действие СВЧ - излучения на организм человека
Воздействие мощных электромагнитных полей на человека приводит к определенным сдвигам в нервно-психической и физиологической деятельности, однако как предполагают, «многоступенчатая» система защиты организма от вредных сигналов, осуществляемая на всех уровнях от молекулярного до системного, в значительной степени снижает вредность действия «случайных» для организма потоков информации. Поэтому, видимо, если и наблюдается определенная реакция на эти поля, то здесь нужно говорить скорее о, физиологическом в общем смысле, чем о патологическом аспекте воздействия электромагнитной энергии. Несмотря на то, что нетепловые, или специфические эффекты воздействия радиоволн открыты относительно давно, определяющим для нормирования опасности работы в условиях воздействия ЭМП во многих странах пока принята степень их теплового воздействия.
Для выяснения биофизики теплового действия СВЧ на живые организмы рассмотрим кратко факторы, определяющие нагрев тканей при облучении их ЭМП.
1.Существование потерь на токи проводимости и смещения в тканях организма приводит к образованию тепла при облучении. Количество тепла выделяемое в единицу времени веществом со среднем удельным сопротивлением (Ом/см) при воздействии на него раздельно электрической (Е) и магнитной (Н) составляющих на частоте f (Гц) определяются следующими зависимостями:
Доля потерь в общей величине поглощенной теплом энергии возрастает с частотой.
2.Наличие отражения на границе «воздух-ткань» приводит к уменьшению теплового эффекта на всех частотах приблизительно одинаково.
4.Соизмеримость размеров тела с длинной волны приводит к появлению существенной частотной зависимости взаимодействия поля с телом. Эффект облучения тела человека сильно зависит от поляризации и ракурса освещения его радиоволн CВЧ.
5.Существование между различными слоями тела слоев с малой диэлектрической проницаемостью приводит к возникновению резонансов - стоячих волн большой амплитуды, которые приводят к так называемым микронагревам.
6.Перераспределение тепловой энергии между соседними тканями через кровь наряду с конвенционной отдачей энергии теплоиспусканием в окружающее пространство во многом определяет температуру нагреваемых участков тела. Именно из-за ухудшенной системы отвода тепла от некоторых сред ( глаза и ткани семенников - в них очень мало кровеносных сосудов). Эти органы тела наиболее уязвимы для облучения. Критическим для глаз считается повышение температуры на 10 град. С. Высокая чувствительность семенников к облучению связана с известным фактом, что при нагревании их всего на 1 град. С. Возникает частичнаяили полная временная стерилизация.
Кроме теплового действия радиоволн СВЧ на живой организм, оказывает влияние и специфическое их действие.
Наиболее общим эффектом действия радиоволн на организм человека (электромагнитных излучений малых уровней) является дезадонтация - нарушение функций механизма, регулирующих приспособительные реакции организма к изменениям условий внешней среды ( к теплу, холоду, шуму, психологических травм т. п. ) т. е. СВЧ поле является типичным стрессом.
К специфическим эффектом воздействия поля также относятся:
* Кумуляция - приводит к тому, что при воздействии прерывистого облучения суммарных эффект накапливается и зависит от величены эффектас самого начала воздействия.
* Сенсибилизация - заключается в повышении чувствительности организма после слабого радиооблучения к последующим воздействиям.
* Стимуляция - улучшение под влиянием поля общего состояния организма или чувствительности его органов.
В России проводятся широкие исследования, направленные на выяснения профессиональной вредности СВЧ радиоволн. Исследования позволили выявить у лиц, подвергающихся хроническому СВЧ воздействию, определенные изменения со стороны нервной и сердечно-сосудистой систем, эндокринных желез, крови и лимфы, хотя в подавляющем большинстве случаев эти изменения носят обратимый характер. При хроническом действии СВЧ поля были обнаружены также случаи помутнения хрусталика и снижения обонятельной чувствительности человека.
При плотности мощности СВЧ поглощаемой телом ( П ) больше 5-10 мВт/cм, и хроническом действии полей меньшей интенсивности, наблюдается, как правило, отрицательное влияние облучения, появляется повышенная утомляемость, слабость, вялость, разбитость, раздражительность, головокружение. Иногда наблюдается приливы к голове, чувство жара, половая слабость, приступы тошноты, потемнения в глазах. Изучаются генетические последствия воздействия радиоволн.
7.2. Защита обслуживающего персонала от СВЧ излучений
Радиолокационная станция включает в себямощные СВЧ устройства, в которых генераторы высокочастотной энергии имеют мощность около сотен киловатт в импульсном режиме. Даже если небольшая часть этой мощности просачивается в окружающее установку пространство, это может представлять опасность для окружающих: воздействие достаточно мощного СВЧ излучения на зрение, нервную систему и другие органы человека может вызвать серьезные болезненные явления. Поэтому при работе с мощными источниками СВЧ энергии необходимо неукоснительно соблюдать требования техники безопасности.
В нашей стране установлена безопасная норма СВЧ излучения, т.е. так называемая санитарная норма — 10 мкВт/см. Она означает, что в месте нахождения обслуживающего персонала мощность потока СВЧ энергии не должна превышать 10 мкВт на каждый квадратный сантиметр поверхности. Эта норма взята с многократным запасом. Так, например, в США в 60-е годы была норма в 1000 раз большая —10 мВт/см.
Следует отметить, что по мере удаления от мест излучения СВЧ мощности — от резонаторных камер или волноводных систем, где производится обработка с помощью СВЧ энергии, — поток излученной энергии быстро ослабевает (обратно пропорционально квадрату расстояния). Поэтому можно установить безопасную границу, где уровень излучения ниже нормы, и выполнить её в виде ограждения, за которое нельзя заходить во время выполнения технологического процесса. При этом защитные устройства получаются достаточно простыми и недорогими.
В настоящее время существует несколько видов как твердых, тик и мягких (типа резины) поглощающих материалов, которые уже при толщине в несколько миллиметров обеспечивают практически полное поглощение просачивающейся СВЧ энергии.
Поглощающий материал закладывается в щели между теми металлическими деталями резонаторных камер или волноводных структур, которые не могут быть соединены сваркой или пайкой.
Предотвращение излучения через отверстие для наблюдения или подачи воздуха осуществляется применением металлических трубок достаточно малого внутреннего диаметра и необходимой длины. Такие трубки являются запредельными волноводами и практически не пропускают СВЧ энергию. Необходимо, чтобы внутренний радиус R был в 10...15 раз меньше рабочей длины волны. В этом случае погонное затухание (в децибелах на сантиметр) на низшем типе волны H11 может быть приблизительно определено по формуле L=16/R, а общее затухание при длине трубки l становится равным 16l/R дБ.
Рассмотрим численный пример. Пусть рабочая длина волны ?=23 см. Возьмем трубку с внутренним радиусом R=1,5 см. Пользуясь формулой для L, определим, что на каждом сантиметре длины трубки погонное затухание L=16/1,5=10,8 дБ/см. Если мощность СВЧ колебаний резонатора составляет 1 кВт, а вне трубки будем считать допустимой мощность 1 мкВт, то на длине трубки l должно быть ослабление 1кВт/1мкВт=1/10=10 раз, или 60 дБ. Длина трубки будет l=60/L=60/10,8=5,17 см.
Окончательно длину трубки с внутренним диаметром 15 мм можно принять равной 5 см. Как видим, безопасный уровень излучения может быть получен при не очень длинных трубках и при достаточно больших диаметрах.
Для промышленных установок СВЧ характерна необходимость многоразового открывания и закрывания люков загрузки, и т.д. От этих операций защитные устройства, в особенности контактные, постепенно изнашиваются. Кроме того, с течением времени контактные поверхности окисляются. В результате излучение может возрасти в несколько раз и даже на один-два порядка. Поэтому необходимы систематическое наблюдение за состоянием защитных устройств, проведение периодических замеров уровня излучения. Отсюда и жесткие требования к надежности защитных устройств. Чтобы в эксплуатации нормы облучения не были превышены, заводские сдаточные нормы на излучение делают более жесткими. Так, в Японии допускается увеличение излучения от заводских норм до эксплуатационных при количестве открываний более 100 тыс. раз. Собственно, при таких условиях и проводятся периодические заводские испытания защитных устройств.
Списоклитературы :
1. Проектирование СВЧ устройств радиолокационных приёмников - М.:Советскоерадио, 1973.
2. Разработкаструктурнойсхемырадиоприёмногоустройства : Учебное пособие по курсовому проектированию. СидоровВ. М.-М.: типографияВЗЭИС, 1988.
3. Проектирование радиоприёмных устройств: Учебное пособиедля вузов подредакциейА.П. Сиверса - М.: Советскоерадио, 1976 .
4. Радиоприёмные устройства: Учебник для вузов под редакцией
Н.Н.Фомина - М.: Радио и связь, 1996.
5. Радиоприемные устройства: О.В.Головин - М.: Высшая Школа, 1997
6. Новые транзисторы: Справочник, часть 1. -М.: Солон, Микротех,1996.
7. Диоды :Справочник,О.П. Григорьев и др. - М.: Радио и связь, 1990 . ( МРБ, Вып. 1158).
8. Аналоговыеинтегральныемикросхемыдлябытовой аппаратуры : Справочник, В.И. Атаев , В.А. Болотников.- М.: ИздательствоМЭИ , 1992 .
9. Конструирование и расчёт полосковых устройств: Учебное пособие для вузов под редакцией И.С. Ковалёва - М.: Советскоерадио , 1974 .
10. Резисторы : Справочник , В.В. Дубровский и др.;Подред .
Четверткова и В.М. Терехова . – 2-е изд., перераб. и дополн.
- М.: Радио и связь, 1991.
11. Усилители с широким динамическим диапазоном на микросхемах: А.П.Лукошкин и др. - М.: Радио и связь, 1981
12.Руководство по технико-экономическому обоснованию дипломных проектов – М.: ВЗЭИС, 1974.
13. Расчет технико–экономических показателей радиотехнических устройств – методические указания к курсовому и дипломному проектированию – М.: ВЗЭИС, 1982.
14. Прайс-лист на отечественные и импортные электронные компоненты НПО "Симметрон" (от 8 мая 1998г, цены указаны с учетом НДС) - получен из Интернет с сервера www.symmetron.ru