Расчет основных характеристик приемника

Исходные данные

 

Технические условия:

1. Характеристики принимаемых сигналов:

Рабочая частота 9700 МГц

Вид модуляции принимаемого сигнала – импульсная;

Длительность импульса 0.5 мкс

Доплеровское смещение частоты Δfд =0

2. Характеристики помех:

Вид помехи внутриприемный шум.

3. Качественные характеристики приемника:

Чувствительность 3.6*10^-12 Вт

Отношение сигнала к мощности шума на выходе линейной части приемника 3.5

Ослабление по соседнему каналу 60 дБ

Ослабление по зеркальному каналу 50 дБ

Динамический диапазон входных сигналов 80 дБ

Динамический диапазон выходных сигналов 10 дБ

Выходное напряжение 20 В

Тип автоматической регулировки усиления ВАРУ.

 

Анализ исходных данных

 

Проектирование радиоприемников должно выполнятся согласно техническому заданию.

Назначение разрабатываемого устройства – прием и обработка радиолокационного сигнала.

Из анализа исходных данных следует, что приемник предназначен для работы на одной частоте f =9700 МГц. Заданная рабочая частота соответствует длине волны λ =3.093 см. Для соединения отдельных блоков, воспользуемся стандартным прямоугольным волноводом, сечением 2.3 Х 1 см.

Чувствительность характеризует способность приемника принимать слабые сигналы. Заданная чувствительность P =3.6*10^-12 Вт. При такой чувствительности необходимо применять блок ВАРУ и супергетеродинный тип приемника.

Требования к избирательности оговорены в техническом задании ослаблением по соседнему каналу 60 дБ и ослаблением по зеркальному каналу 50 дБ. Данные параметры характеризуют способность приемника выделять полезный сигнал из помех.

Изменение сигнала на входе приемника возможно до 80 дБ, для этого необходимо применить блок автоматической регулировки усиления, по заданию это ВАРУ.

Изменение сигнала на выходе приемника не должно превышать 10 дБ. Амплитуда выходного напряжения U_вых =20 В.

 

Расчет основных характеристик приемника

 

Расчет полосы пропускания линейного тракта

 

Необходимая полоса пропускания линейного тракта в приемнике с АПЧ [1]:

 

, (1.1)

 

Где ,

 

 

, (1.2)

 

Где и - относительные нестабильности частоты сигнала и гетеродина приемника ; – относительная погрешность настройки приемника ( =0, для приемников, работающих на фиксированной частоте); - относительная погрешность и нестабильность частоты настройки ПЧ .

Величина существенно зависит от температурного коэффициента индуктивности катушек контуров тракта ПЧ ( =0.0003…..0.003). Возьмем величины ; ; =0; =3* ; ; , и, подставив их в формулу (1.2), получим:

 

=13.802 МГц

 

Полоса пропускания приемника (1.2) равна:

 

 

Т.к. в приемнике используется АПЧ, найдем значение полосы пропускания с учетом АПЧ:

 

(1.3)

 

Где - коэффициент автоподстройки, порядка 30….35. Примем , тогда

 

 

Выбор промежуточной частоты

 

Промежуточная частота определяется разностью частоты сигнала и частоты гетеродина:

 

(1.4)

 

Выберем в качестве гетеродина генератор на диоде Ганна. Наиболее высокий КПД такого генератора будет на частоте 1….10 ГГц, при этом с ростом частоты, значение КПД уменьшается.

При более низкой промежуточной частоте, можно получить высокое устойчивое усиление на один каскад. Однако при более высокой промежуточной частоте выше избирательность по зеркальному каналу. Для обеспечения заданной избирательности по зеркальному каналу, промежуточная частота определяется по формуле:

 

(1.5)

 

Где - эквивалентное затухание контуров преселектора; - обобщенная расстройка зеркального канала.

Для радиолокационных приемников величина промежуточной частоты, как правило, выбирается в пределах 10….100 МГц. Учитывая все выше сказанное, выберем =100 МГц.

 

Структурная схема приемника

 

Структурная схема приемника определяется его назначением и видом модуляции сигнала. Неотъемлемой частью любого приемника является антенна, входное устройство, детектор и индикатор (устройство воспроизведения). Для повышения чувствительности и селективности приемника, необходимо включить прямое усиление.

В настоящее время, приемники РЛС чаще строятся по супергетеродинной схеме. Приемники прямого усиления в диапазоне частот 0,3- 30 ГГц, как правило, обладают излишне широкой полосой пропускания, что приводит к сильному влиянию помех и снижению чувствительности. Кроме того, при большом коэффициенте усиления, особенно в диапазоне СВЧ, возрастает мощность и стоимость приемника, а его работа становится неустойчивой. Следовательно, приемники прямого усиления имеет смысл применять тогда, когда требуемые чувствительность и избирательность невелики, а относительная полоса пропускания сравнительно велика [2].

В супергетеродинном приемнике практически всегда можно обеспечить необходимую полосу пропускания за счет правильного выбора промежуточной частоты и применения АПЧ, которую в данном случае технически сравнительно просто осуществить. В целом супергетеродинные приемники имеют чувствительность на несколько порядков выше чувствительности приемников прямого усиления; гораздо меньше уровень искажений сигнала; обладают хорошей избирательностью и более устойчивы в работе, в связи с тем, что основное усиление в приемнике осуществляется на сравнительно низкой промежуточной частоте. К недостаткам супергетеродинных приемников относится наличие побочных каналов приема и необходимость применения отдельного малошумящего генератора (гетеродина) для обеспечения работы смесительных цепей.

Приемники сантиметровых и миллиметровых волн, как правило, имеют в своем составе АПЧ, так как возможные уходы частоты передатчика и гетеродина приемника из-за их естественной нестабильности частоты часто намного превышают необходимую полосу пропускания приемника, определенную шириной спектра принимаемого сигнала.

АПЧ используется для того, чтобы повысить чувствительность и сузить полосу пропускания приемника. Выберем двухканальную АПЧ, как наиболее распространенную и сравнительно простую следящую систему.

Различают одноканальные и двухканальные следящие и поисковые системы АПЧ. Двухканальная система АПЧ обеспечивает подстройку гетеродина по сигналам передатчика и поэтому применяется чаще, т.к. отраженные сигналы могут отсутствовать часть времени обзора, что приводит к нарушению работы одноканальной АПЧ. Следящая система АПЧ проще поисковой, но она малоэффективна при быстрых уходах частоты гетеродина или передатчика. Поэтому чаще применяется поисковая система АПЧ, осуществляющая поиск частоты передатчика при ее быстром уходе и затем слежение за этой частотой. Учитывая возможность отсутствия целей в зоне обзора РЛС и полагая, что быстрые уходы частоты передатчика лежат в пределах полосы удержания АПЧ, примем в проектируемом приемнике двухканальную следящую систему АПЧ, как более простую по сравнению с поисковой.

ВАРУ предназначена менять усиление приемника во времени определенным образом и применяется чаще всего для уменьшения мешающего действия отражений предметов, окружающих РЛС.

ВАРУ также предназначена для предотвращения перегрузки приемника при отражениях от предметов. Во время зондирующего импульса, ВАРУ снижает усиление УПЧ, ослабляя отражение от близких предметов, и увеличивает усиление УПЧ при приеме слабых отраженных от далеких предметов сигналов.

Для обеспечения возможности работы приемника и передатчика на одну антенну и защиты при этом приемника от зондирующих импульсов, в импульсных РЛС обычно применяются быстродействующие антенные переключатели (АП).

Разрабатываемый радиолокационный приемник работает в диапазоне СВЧ, при этом необходимо использовать антенный переключатель АП, который подключает антенну к передатчику П на время излучения зондирующего импульса. По окончании зондирующего импульса, АП отключает антенну от передатчика и подключает ко входу приемника. Пройдя через входное устройство ВУ, сигнал усиливается и поступает в фильтр зеркального канала ФЗК, ослабляющий шумы.

В РЛС используются два типа АП: АП на основе разрядников и отрезков четвертьволновых линий и АП на основе ферритовых циркуляторов и вентилей. Обычно ФАП представляют собой последовательное соединение типа “Y- циркулятор-вентиль” и обеспечивает развязку изолированного плеча, т.е. передатчика и приемника по мощности 16-20 дБ.

Важным достоинством ФАП является обеспечение развязки между передатчиком, приемником и антенной, т.е. исключение взаимного влияния перечисленных устройств на работу друг друга. На основе изложенного применим в разрабатываемом приемнике в качестве АП ФАП. Для защиты первого каскада приемника от перегрузки и повреждения СВЧ сигналами, просачивающихся через АП от передатчика или от внешних источников помех, применяется устройство защиты, обычно в сочетании с ФАП. В качестве УЗП целесообразно использовать диодные ограничители, а также разрядники - ограничители.

Для уменьшения коэффициента шума и повышения чувствительности в приемниках импульсных РЛС в качестве УРЧ применяют малошумящие усилители (МШУ) СВЧ: полупроводниковые параметрические усилители (ППУ). Вопрос о необходимости применения и выборе типа УРЧ окончательно решается после расчета допустимого коэффициента шума приемника N_g по заданной величине реальной чувствительности.

В качестве визуальных индикаторов в РЛС обычно используются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Их динамический диапазон яркостей лежит в пределах (13-20) дБ. Поэтому при проектировании необходимо учитывать, чтобы пропускная способность приемного и индикаторного устройств была согласованна. Это означает, что динамический диапазон выходных сигналов приемника не должен превышать диапазон яркостей ЭЛТ.

Таким образом, учитывая малую длительность импульсов, выберем супергетеродинную схему проектируемого приемника РЛС с однократным преобразованием частоты.

Составим структурную схему проектируемого в рамках данного курсового проекта приемник, которая будет уточняться в процессе расчетов. Структурная схема представлена на рисунке 2.1.

 

Рисунок 2.1 – Структурная схема приемника импульсной РЛС

 

На рисунке 2.1 обозначены:

АП – антенный переключатель;

ЗУ – защитное устройство;

МШУ – малошумящий усилитель;

ПЧ – преобразователь частоты;

УПЧ – усилитель промежуточной частоты;

ОМ – ответвитель мощности;

АПЧ – автоматическая подстройка частоты;

Г – гетеродин;

ПРД – передатчик;

ГСИ – генератор синхронизирующих импульсов;

ВАРУ – временная автоматическая регулировка усиления.

 

Выбор гетеродина

 

Гетеродин приемника формирует вспомогательное гармоническое напряжение, необходимое для преобразования частоты. Гетеродин должен отвечать следующим требованиям:

· Обеспечивать необходимое значение рабочей частоты;

· Стабильность частоты генерируемых колебаний;

· Обеспечивать необходимую амплитуду выходного напряжения;

· Минимальный уровень гармоник выходного напряжения.

В качестве гетеродина возьмем генератор на диоде Ганна, при этом руководствуемся значениями относительной нестабильности приборов (10^-3….10^-4).

Структура диода Ганна представляет собой тонкую пластинку из арсинида галлия n-типа, на обе поверхности которой нанесены выпрямляющие металлические контакты. При этом преобразование энергии постоянного тока в СВЧ колебания происходит во всем объеме полупроводника.

Исходя из =100 МГц, = 9800 МГц, выберем ГДГ VSX-9011.

Механической перестройкой необходимо установить исходную частоту ГДГ в нормальных условиях = 9800 МГц.

 

Выбор УПЧ

 

Усилители промежуточной частоты по величине относительной ширины полосы пропускания, подразделяют на узкополосные и широкополосные.

Учтем узкую полосу пропускания приемника и возьмем схему одноконтурного УПЧ с каскадами, настроенными на одну промежуточную частоту. Достоинствами такого усилителя являются высокий уровень линейности фазовой характеристики, стабильная форма резонансной кривой, простота конструкции и настройки.

Для того чтобы унифицировать УПЧ, его целесообразно строить на однотипных транзисторах или микросхемах.

Наиболее часто для усилителей промежуточной частоты используют биполярные трензисторы.

Транзисторы и микросхемы выбираются согласно следующим условиям:

- граничная частота крутизны в схеме с общим эмиттером (ОЭ) должна удовлетворять условию f_Y21 >(2….3) ;

- коэффициент шума N_T должен быть минимальным;

- транзистор должен иметь возможно большее отношение прямой и обратной проводимостей для обеспечения большого коэффициента устойчивого усиления каскада;

- напряжение питания должно быть согласовано с источником питания приемника или РЛС в целом.

Выберем для УПЧ транзистор ГТ330Д, имеющий высокую граничную частоту (f_Y21=280 МГц) и малый коэффициент шума (N_T =1.5) [3].

Произведем расчет его параметров в схеме с ОЭ для =100 МГц.

 

,

Выбираем режим I_К= 3 мА, и находим Y-параметры g₂₁= 60 мСм, b₂₁= 60 мСм, Y₂₁= = 84 мСм, g₁₁= 2 мСм, b₁₁= 4 мСм, g₂₂=0.4 мСм, b₂₂= 1 мСм.

Находим g₁₂=(0.15…0.2)g₂₁, b₁₂= (0.2…0.3)b₂₂, тогда Y₁₂=0.31 мСм

 

Заключение

 

В общем случае радиоприемное устройство состоит из антенны, радиоприемник и устройства воспроизведения сигналов. В работе рассмотрено проектирование радиоприемника импульсной РЛС, при этом параметры антенны и устройства воспроизведения учитываются лишь косвенно.

Супергетеродинные приемники обладают множеством преимуществ перед приемниками других типов (детекторные, прямого усиления, сверхрегенеративные) на любых диапазонах частот. Поэтому в работе проведено проектирование супергетеродинного приемника.

В общем случае, цель курсового проектирования состоит в том, чтобы научиться самостоятельно применять полученные в ходе обучения знания для комплексного решения практических задач, получить и закрепить навыки проектирования, производства расчетов, самостоятельного проведения научных исследований, а также технически грамотно и обоснованно принимать решения.

В данном курсовом проекте было проведено проектирование и разработка приемного устройства импульсной радиолокационной станции.

В ходе работы были изучены исходные данные, а также проведен их анализ. Были рассчитаны основные параметры приемника. Сделан выбор и обоснование структурной схемы приемника, а также расчет принципиальной схемы.

Таким, образом, цель данного курсового проекта достигнута, а задачи, поставленные на начальном этапе работы, решены.

 

 

Литература

 

1. Справочник по учебному проектированию приемо-усилительных устройств/ М.К. Белкин, В.Т. Белинский, Ю.Л. Мазор, Р.М. Терещук. М.: Высшая школа, 1988

2. Проектирование радиоприемных устройств \ под ред. Сиверса М., Сов радио, 1976

3. Проектирование радиолокационных приемных устройств. Уч. пособие \ под ред. М. А. Соколова. М.: Высшая школа, 1984

4. В.В. Саломасов. Радиоприемные устройства. Методич. Указания к курсовому проекту, ЛИАП, 1985

5. Кауфман М., Сидман А.Г. Практическое руководство по расчетам схем в электронике: Справочник. В 2-х томах. Т. 1: пер. с англ./ под ред. Ф.Н. Покровского. М.: Энергоатомиздат, 1991. – 368 с.

 

Исходные данные

 

Технические условия:

1. Характеристики принимаемых сигналов:

Рабочая частота 9700 МГц

Вид модуляции принимаемого сигнала – импульсная;

Длительность импульса 0.5 мкс

Доплеровское смещение частоты Δfд =0

2. Характеристики помех:

Вид помехи внутриприемный шум.

3. Качественные характеристики приемника:

Чувствительность 3.6*10^-12 Вт

Отношение сигнала к мощности шума на выходе линейной части приемника 3.5

Ослабление по соседнему каналу 60 дБ

Ослабление по зеркальному каналу 50 дБ

Динамический диапазон входных сигналов 80 дБ

Динамический диапазон выходных сигналов 10 дБ

Выходное напряжение 20 В

Тип автоматической регулировки усиления ВАРУ.

 

Анализ исходных данных

 

Проектирование радиоприемников должно выполнятся согласно техническому заданию.

Назначение разрабатываемого устройства – прием и обработка радиолокационного сигнала.

Из анализа исходных данных следует, что приемник предназначен для работы на одной частоте f =9700 МГц. Заданная рабочая частота соответствует длине волны λ =3.093 см. Для соединения отдельных блоков, воспользуемся стандартным прямоугольным волноводом, сечением 2.3 Х 1 см.

Чувствительность характеризует способность приемника принимать слабые сигналы. Заданная чувствительность P =3.6*10^-12 Вт. При такой чувствительности необходимо применять блок ВАРУ и супергетеродинный тип приемника.

Требования к избирательности оговорены в техническом задании ослаблением по соседнему каналу 60 дБ и ослаблением по зеркальному каналу 50 дБ. Данные параметры характеризуют способность приемника выделять полезный сигнал из помех.

Изменение сигнала на входе приемника возможно до 80 дБ, для этого необходимо применить блок автоматической регулировки усиления, по заданию это ВАРУ.

Изменение сигнала на выходе приемника не должно превышать 10 дБ. Амплитуда выходного напряжения U_вых =20 В.

 

Расчет основных характеристик приемника