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
1.1.3 Определение структуры радиотракта 8
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: 4∙10Вт
- ослабление побочных каналов приёма: дБ
- изменение уровня входного сигнала: 60 дБ
- уровень выходного сигнала и его изменение: 10 В; 4 дБ
- оконечная нагрузка: Rн=100 Ом, Сн=5 пФ
- источник электроэнергии: сеть 220 В
- условия эксплуатации: Токр= -10…+40С
5. Узел для конструирования: плата УПЧ
6. Дополнительные требования: использование микросхем
1 Выбор и обоснование структурной схемы приёмника
Существенное улучшение всех показателей РПрУ достигается на основе принципа преобразования частоты принимаемого сигнала - переноса его в частотную область, где он может быть обработан с наибольшей эффективностью. Самое широкое распространение во всех радиодиапазонах получила построенная на этом принципе схема супергетеродинного приемника. Эта схема в настоящее время наиболее совершенна.
Приемники супергетеродинного типа позволяют успешно решать задачи получения требуемой фильтрации принимаемого сигнала, обеспечение заданного усиления, решение проблемы селективности, простоты перестройки, которая обеспечивается с помощью простых колебательных систем преселектора.
Относительная широкополосность приемников импульсных сигналов позволяет, как правило, строить такие приемники с однократным преобразованием частоты.
Из выше сказанного можно сделать вывод, что построение проектируемого РПрУ целесообразно выполнять по супергетеродинной схеме, наилучшим образом удовлетворяющей заданным техническим требованиям.
Структурная схема приемника с однократным преобразованием частоты: АФТ – антенно-фидерное устройство; ВЦ - входная цепь; СМ - смеситель; Г - гетеродин; ДМ - демодулятор; Н - нагрузка; АРУ - автоматическая регулировка усиления; АПЧГ - автоматическая подстройка частоты гетеродина; ПРД – передатчик. |
Амплитуда сигналов, поступающих на вход радиолокационного РПрУ, изменяется в широких пределах, т.к. мощность отраженных от цели сигналов обратно пропорциональна четвертой степени расстояния до цели (которое может меняться) и, кроме того, зависит от типа цели и её эффективной поверхности рассеивания. Работа РЛС в реальных условиях сопровождается действием разного рода активных и пассивных нестационарных помех естественного и искусственного происхождения, уровень мощности которых зачастую значительно (на 20..60 дБ) превышает уровень полезного сигнала, а параметры априорно неизвестны. Воздействие помех еще больше расширяет диапазон изменения сигналов, поступающих в антенну РЛС.
1.1 Определение параметров структурной схемы приёмника
Проектируемый радиолокационный приемник имеет настроенную антенну, т.е. её сопротивление чисто активно и равно сопротивлению фидера:
Ом
Относительная шумовая температура антенны:
;
где T0 - стандартная температура приёмника Т0=290 0 К ;
ТА - абсолютная шумовая температура антенны.
Для нашей приемной антенны примем: ТА =140 0 К.
Для импульсных сигналов полоса пропускания приемника выбирается исходя из получения максимального отношения сигнал/шум на выходе радиотракта. Такая полоса называется оптимальной и определяется как:
кГц
Ширина полосы пропускания линейного тракта П складывается из ширины спектра принимаемого сигнала Пс, доплеровского смещения частоты сигнала fд и запаса полосы, требуемого для учета нестабильностей и неточностей настроек приемника Пнс:
Доплеровское смещение:
кГц,
где Vц - скорость цели относительно антенны РЛС (у нас 600 м/с);
с - скорость света в вакууме.
Запас полосы для учёта нестабильностей:
,
где бс - относительная нестабильность несущей частоты принимаемого сигнала; при использовании в передатчике кварцевой стабилизации частоты несущей можно получить бс =(10-5...10-6)
бг- относительная нестабильность частоты гетеродина, которую на данном этапе можно оценить лишь приблизительно. Выбрав транзисторный однокаскадный гетеродин с кварцевой стабилизацией, можно получить бг=10-6
бпр - относительная погрешность и нестабильность настройки контуров тракта промежуточной частоты, принимаем бпр=(0,0003...0,003);
бн - относительная нестабильность частоты, вызванная неточностью настройки контуров гетеродина, бн = (0,001...0,01);
Промежуточная частота выбирается исходя из условий:
МГц
где
Sзкз - заданное ослабление зеркального канала, которое принимаем равным 25 дБ (320 раз);
n - число колебательных систем в преселекторе, n=2,
Qк – добротность резонансного контура в ППФ в радиотракте, для обеспечения требований избирательности по зеркальному каналу.
В РЛП миллиметрового и сантиметрового диапазонов промежуточная частота равна либо 30, либо 60 МГц. Выберем промежуточную частоту из стандартного ряда:
fпр=60 МГц
Частота гетеродина: fг=fc-fпр=7,5-0,06=7,44 ГГц
=
= 15 МГц
Пнс>(1,2...1,5)×Пс, следовательно придётся использовать частотную автоматическую подстройку частоты (ЧАПЧ) или фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ).
При использовании ЧАПЧ с Кчапч=10 полоса пропускания приемника:
кГц .
При использовании ФАПЧс Кфапч Þ ~ полоса пропускания приемника:
МГц .
ПФАПЧ получилась уже, чем ПЧАПЧ, поэтому будем использовать ЧАПЧ.
Полоса пропускания:
МГц
Отношение сигнал/шум связано с флуктуационной ошибкой соотношением:
, где полоса DFэ =(5..10)/2p »2
Необходимо учитывать потери в отношении сигнал/шум, возникающие из-за следующих причин:
потери при распространении радиоволн r1 = 1...3 дБ
потери в антенно-фидерном тракте r 2 = 1 дБ
потери при амплитудном детектировании r 3 = 1...5 дБ
потери на квантование r 4 = 2 дБ ( при двухуровневом квантовании )
Суммарный коэффициент потерь: r = Sri = 5...10 дБ.
Примем r= 10 [дБ] = 3,16 [раз]
Отношение сигнал/шум с учетом потерь:
(Рс/Рш)`= (Рс/Рш)×r= 0,45×3,16 » 1,42
Расчет предельно допустимого коэффициента шума:
где:
Кр.ф. @ 0,8 - коэффициент передачи фидера по мощности.
Пш = 1,1×П = 1,1×0,715=0,786 МГц.
К - постоянная Больцмана К=1,38×10-23 Дж/К.
АФТ представляет из себя волновод соединяющий антенну с последующими каскадами. Оценим коэффициент шума линейного тракта РПрУ, после чего решим вопрос о включении или невключении УРЧ в состав радиотракта.
Также в радиотракте следует установить устройство защиты УЗ, которое защитит приёмник от протикающей через антенный переключатель из передатчика ПРД 1% мощности излучаемого сигнала (≈10Вт). УЗ представляет из себя полупроводниковый диодный ограничитель.
Коэффициент шума радиотракта без использования усилителя радиочастоты:
Все коэффициенты шума ориентировочно:
Швц=1,3 Квц=0,8 коэффициент передачи входной цепи
Шпч=5 Кпч=8 (при использовании транзисторного ПЧ)
Шупч=10
КФ=0,8 коэффициент передачи фильтра
< Шдоп=28Þ можно обойтись без УРЧ.
Обеспечение достаточного усиления радиосигнала трактом ВЧ необходимо для нормальной работы детектора, а так же получения низкого уровня шума. Основное усиление обеспечивается в тракте ПЧ. Основными требованиями к усилительным каскадам линейного тракта являются их достаточная устойчивость (возможно меньшее число каскадов) и построение на основе наиболее экономичной и современной электронной базы.
Коэффициент усиления линейного тракта:
,
где RА - активное сопротивление антенны;
Uпр - амплитуда сигнала на выходе УПЧ;
Требуемая амплитуда сигнала на выходе УПЧ определяется амплитудой напряжения, необходимой для нормальной работы детектора: Uвых=1В.
Расчет коэффициента усиления линейного тракта:
Коэффициент передачи по мощности для транзисторного преобразователя частоты
примем равным:
КРпч = 8
Амплитуда напряжения на входе УПЧ :
Uвх= 4Рвх×Rвх = 2×Ра×Квц×Кпч×Rвх = 2×4×10-13×0,8×8×103 = 0,03 мВ.
Коэффициент усиления УПЧ по напряжению:
Купч=Uвых/Uвх=1/(0,3×10-4)=33,3×103
Коэффициент передачи диодного детектора KД примем равным 0,7. Следовательно, коэффициент усиления видеоусилителя КВУ будет равен:
1.1.6 Окончательная структурная схема приёмника
2 Расчёт усилителя промежуточной частоты
Начнём расчёт усилителя в выбора транзистора. Для УПЧ используют высокочастотные биполярные транзисторы.
В качестве транзистора выбираем 2N2478, т.к. МГц.= 120 МГц и выполняется условие (2-3)
Параметры транзистора 2N2478:
= 200МГц, 0.5= 60МГц, = 30 мА/В, g= 2 мСм, С= 70пФ, g= 6мкСм, С= 8пФ, С= 2пФ, h= 50, Nм= 5дБ, Iкбо= 2мкА.
Для обеспечения избирательности по соседнему каналу применяют фильтр сосредоточенной селекции (ФСИ) на ПЧ, т.к. ФСИ может дать лучшую избирательность , чем УПЧ с распределенной избирательностью. При этом каскад УПЧ содержит каскад с ФСИ, который обеспечивает требуемую избирательность и ряд апериодических или слабоизбирательных каскадов, создающих основное усиление на ПЧ.
Исходные данные для расчёта:
= 60 МГц – промежуточная частота,
П= 15.75 МГц – полоса пропускания,
=35×103 – коэффициент усиления УПЧ,
Особые требования по избирательности по соседнему каналу на предъявляются.
Принципиальная схема каскада с ФСИ.
Расчёт:
Определим величину :
= ;
где - промежуточная частота,
- собственное затухание контура,
П - полоса пропускания УПЧ.
d = 0.004, П = 15.75 МГц.
= = 0.03
Задаемся числом звеньев и в качестве начального приближения выбираем n= 4.
Находим ослабление на границе полосы пропускания, обеспечиваемое одним звеном:
,
где - ослабление на границе полосы пропускания.
= 3дб.
По графику для = 0.03 и = 0.75 находим параметр .
Из графиков параметр получился равным= 0.9.
Определим разность частот среза:
= = = 17.5 МГц.
Определим вспомогательные величины yи :
y=
=
y= 1.8
=
По графику находим для = 0.027 и y= 1.8:
Из графиков параметр S= 10.3 дБ.
Определяем расчетное ослабление соседнего канала, задавшись величиной :
S= n,
где DS- ухудшение избирательности из-за рассогласования фильтра с источником сигнала и нагрузкой.
S= 4 = 38.2 дБ
Особых требований к избирательности по соседнему каналу не предъявлялось, будем считать, что S= 38.2 дБ нам подходит.
Для расчета элементов фильтров зададимся величиной номинального характеристического сопротивления: Wo= 20кОм.
Вычисляем коэффициенты трансформации по формулам:
m=
m=
= 20∙10∙6∙10 = 0.121,
= 20∙10∙2∙10 = 401 .
По графикам определяем коэффициент передачи ФСИ для n = 4, = 0.027
Из графика коэффициент передачи ФСИ получился равным, Кпф= 0.75.
Получилось что , то для согласования фильтра с коллекторной цепью параллельно входу фильтра включаем шунтирующий резистор с проводимостью:
См → Ом
Рассчитаем коэффициент усиления каскада с ФСИ:
Рассчитываем элементы, образующие звенья ФСИ:
где m- соответствует коэффициенту трансформации m,
- коэффициент связи (0.7-0.9).
Расчёт параметров усилительных каскадов:
Площадь усиления:
,
где - коэффициент усиления одного каскада (),
- требуемая верхняя граничная частота ().
Гц
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.