Радиолокационный приемник (1)

Посмотреть архив целиком

Бабахин.А.П. Лист N 36








ГУАП

Факультет N2 Кафедра N22



Задание N1


на курсовой проект по дисциплине «Устройство приема и обработки сигналов».

Тема: Радиолокационный приемник.

Выдано студенту группы 6523: Бабахину А.П.


1.Технические условия:


1.1Характеристики принимаемых сигналов:

1.Рабочая частота (диапазон частоты) 17.5Ггц

2.Вид модуляции принимаемого согнала Код Баркера

3.Параметры модуляции База 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 антенне Та=200К


1.3.Качественные характеристики приемника.


1.Чувствительность ?

Коэффициент шума 6

2.Отношение сигнала к мощности шума на выходе линейной части приемника 3

3.Схема приемника ?

4.Ослабление по симметричному каналу 20Дб

5.Коэффициент прямоугольности частотной характеристики 1.6

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 A40°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 всего РПУ.

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 модуляции база 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


V(t) = S(t) + G(t)


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.








S(f)















0 f Мгц





рис.1


1. Без ЛЧМ.

  1. С ЛЧМ.


Т.к. база сигнала В=5, а


В = tè 2DFд т.е.


2DFд = В /tи = 5/7мкс = 710 Кгц

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|³ Zn, или ½Z½²³ Zn²:

Квадрат модуля корреляционного интеграла :½Z½= ÖZ1²(V) + Z2²(V)

И реализуется с помощью следующей схемы:



½Z½²


Фо Фв КД

1 2 3 4

Рис. 2


  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.











Расчет основных параметров структурной схемы.

Исходные данные:

Рабочая частота 17.5Ггц

Коэффициент шума 6

Суммарная нестабильность частоты радио линии 10 Е-7

Чувствительность ?

Ширина спектра сигнала 710Кгц


Будем искать шумовую полосу пропускания приемника и исходя из значения допустимого коэффициента шума. Выберем типы каскадов.

Полоса пропускания приемника, необходимая для приема сигнала, складывается из полросы энергетического спектра одиночного сигнала,

2fд max - полосы, учитывающей доплеровское смещение частоты и Пнс- запас полос частот для учета нестабильности и неточной настройки.


Ппрснс+(2fд max)


Пс- ширина спектра сигнала .

Пс= 0,71 Мгц

Пнс= 2fс fнс

fнс- суммарная нестабильность частоты радио линии.

Пнс= 21.7510Мгц10= 3.5 Кгц

Примем максимальную скорость цели Vmax= 600, тогда


2fд max= 22Vmaxfc

c

2fд max= 2260017500/ 310= 0.14 Мгц


Ппр= 710+ 140+ 3.5= 853.5 Кгц

Т.к. Пнс / Ппр 0.1- 0.2 , то в состав РПУ можно не включать систему АПЧ.

Шумовая полоса пропускания приемника:

Пш= Ппр1.1 = 853.51.1= 940 Кгц

Шп= 6

Исходя из этого, выясним нужно ли использовать УВЧ.

При его отсутствии Шп= Шпч + Шупч-1

Крпч

где Шпч- коэффициент шума преобразователя частоты.

Шупч- коэффициент шума УПЧ (усилителя промежуточной частоты).

Крпч- коэффициент передачи по мощности ПЧ.

Шпч= 3.5- 10 (для балансного ПЧ на п/п диоде).

Шупч= 1.5- 2(для малошумящего транзистора).

Крпч= 0.1-0.5(для малошумящего транзистора).


Шп= 5+(2-1)/0.5= 7 Шп>Шпдоп

Значит в схему необходимо ввести усилитель высокой частоты (УВЧ).

Т.к. Шпдопдостаточно мал, то в качестве УВЧ используют диодный параметрический усилитель на полупроводниковом диоде без охлаждения.

В качестве преобразователя частоты (ПЧ) можно использовать балансный ПЧ

на полупроводниковом диоде.

















4.Определение качественных показателей структурных узлов схемы.


В предыдущем разделе установлено, что для получения необходимого

коэффициента шума в тракт РПУ необходимо ввести УПЧ.

Рассчитаем чувствительность приемника.


Рап=NoRТоПш

где R=1,3810Дж/град.

Пш- шумовая полоса линейной части приемника (Гц).

То- температура шумов в антенне.

No- коэффициент шума.

Рап= 62001,381094010= 15.510Вт.

Рассчитаем коэффициент передачи тракта РПУ.

Детектор работает при малых напряжениях.

Допустим, Uвых= 0.1В

Определим напряжение на входе УВЧ (Uвх).

Примем Rвх(УВЧ)= 500 Ом.


Uвх ш=


Uвх ш= = 2.810В

Коэффициент передачи линейного тракта:


Кус= = 3.610

Если коэффициент шума УВЧ = 1.3 табл.6.2 [1], то

Шп= Шувч+ [(Шпч-1)/Крувч] +[(Шупч-1)/КрувчКрпч, где

Шп- коэффициент шума РПУ,

Шувч- коэффициент шума УВЧ,

Шупч- коэффициент шума УПЧ,

Крувч, Крпч- коэффициент передачи по мощности УВЧ и ПЧ.


Шп= Шувч+ [(Шпч-1)/Крувч] +[(Шупч-1)/КрувчКрпч

Шп= 1.3 + 9/ Крувч + 10/ Крувч = 3

Значения (Шпч-1) и (Шупч-1) выбраны по таблице 6.2 [1].

Крувчmin = 20.

Достаточный коэффициент передачи УВЧ: Кувч = 6.

На УПЧ происходит основное усиление. Рассчитаем коэффициент усиления для УПЧ.

Кпч0.8, Кувч= 6.

= Кпч Кувч Купч.

Купч= / Кпч Кувч = 8/6.08 = 1.6

Теперь предварительно установим, сколько каскадов усиления будет иметь УПЧ.

Купч= ( К1упч ) , где n- число каскадов .

n = log к1упч К упч

К 1упч 20 для fпч = 35 Мгц и ПС = 0.8 Мгц

n = log20 1.610= 4

Предварительно число каскадов УПЧ- четыре.

В супергетеродинных приемниках частотная избирательность определяется в основном ослаблениями частотного зеркального и соседнего каналов. Ослабление по зеркальному каналу обеспечивает преселектор, а соседнего канала - УПЧ.

Ослабление по симметричному каналу заданно: 20дб.

Требования к избирательности по симметричному каналу не высокие, поэтому

в УПЧ как фильтры распределенной избирательности, так и фильтры сосредоточенной избирательности.

Итак, ВЦ- входная цепь, входящая в состав структурной схемы РПУ, представляет собой устройство защиты приемника от просочившихся сигналов.

Для обеспечения необходимого коэффициента шума в схему в качестве УРЧ вводится усилитель на параметрическом диоде, на который нагружен полосно-пропускающий фильтр, или устройство подавления зеркального канала. Преобразователь частоты состоит из смесителя и гетеродина. Преобразователь частоты преобразует частоту сигнала на промежуточную частоту fпч=35 Мгц (по Т.З.), на которой происходит основное усиление сигнала. Демодулятором служит АД (амплитудный детектор), за которым включается видеоусилитель. Для подстройки частоты гетеродина используется устройство частотной автоподстройки (УЧАП).




Рис. 4.

Структурная схема проектируемого РПУ.


  1. Проектирование СВЧ блока.

В блок СВЧ входят: АП, УВЧ, УЗП, УПЗК, СМ, гетеродин.

  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=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.

Рис.5. Функциональная схема антенного переключателя и

устройство защиты приемника.


Рис. 6. Эквивалентная схема

СВЧ- ограничителя.

  1. 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=l/4. Он представляет собой параллельное соединение разомкнутого шлейфа и последовательное соединение ограничительного диода и еще одного короткозамкнутого шлейфа L2.

По таблице 4.8 стр. 209 [2] выберем разрядник- ограничитель MD- 80K12.

=16.5 Ггц

Праб/f0=6.09% - относительная полоса пропускания.

Lпр= 0.9дБ - потери пропускания.

Ри= 10Квт - импульсная мощность.

Рср=10Вт - средняя мощность.

Wп = 0.5 Дж - энергия тока разрядника.

Долговечность = 2000ч.

Длина = 21.3

Масса = 80 г.

5.3.Проектирование и расчет УВЧ.

Исходные данные:

F0=1.7510Мгц.

В приемниках РЛС сантиметрового диапазона наибольшее распростронение получили однокаскадные РПУ на п/п диодах. В основном применяют двухчастотные регенеративные ППУ. В этих ППУ наряду с частотной накачкой Fнак, возбуждаемой вспомогательным генератором накачки, используют две рабочие частоты: сигнальную Fс и холостую Fх= Fнак - Fc, возникающую в процессе усиления.

ППУ работают на отражении с общим входом и выходом и использует ферритовый циркулятор для разделения входных и выходных сигналов.

  1. Для обеспечения стабильности параметров РПУ, при изменениях в цепи, в качестве ферритового циркулятора применим пятиплечный циркулятор, построенного на основе Y-циркулятора ( с волновым сопротивлением W=50 Ом и потерей пропускания Lп0.4 дБ). В таком циркуляторе потери сигнала до входа РПУ равны LпS= 2Lп= 0.8 дБ, на столько же ослабляется усиленный сигнал, проходящий из РПУ к выходу циркулятора.

  2. По таблице 5.1 (2) выбираем параметрический диод типа D5147G, имеющий

наименьшие постоянные времени ç и Lпос.

Спер(V) = Спер(0) = 0.320.02 пф.

ç(V) = ç(-6) = 0.32 пс.

Uнор обр6 В

к =1.2 В , n = 2, Скол = 0.3 пФ, Lпос= 0.2 нГн.

  1. Необходимое напряжение смещения.

Uо=Uнорм обр + к( - 1 )

Uо = 6В + 1.2В( -1) =2.7В

4.Найдем емкость перехода.

Спер(U)пер(0)= 0.32=0.178пФ.

Постоянная времени при рабочем смещении:

t(Uo) =t(-6)= 0.32=0.436 пс.

Принимаем Сопер(Uo)= 0.178 пФ.

5.Коэффициент модуляции:

mмод = (-1)/( + 1)

mмод = (- 1)/( + 1) = 0.42

Критическая частота диода.

fкр =

fкр = =73.4 Ггц.

6.Поправочный коэффициент Кс , учитывающий потери в конструкции ДПУ , принимаем Кс = 2. Тогда находим tэ(Uo) = Ксt(Uo).

tэ= 2·0.436 = 0.872 пс.

Эквивалентное сопротивление потерь.

tп э = tэ(Uo)/Спер(U0)

tп э = 0.852/0.172 = 4.9 Ом

Динамическая добротность диода.

Q = = = 2.09

7. Для полученных данных по формулам:

Афt = = Q+1 - 1

Nпу min =()min =(1 - 1/Крпу)2/Афt

Вычисляем оптимальное отношение частот:

Аопр = - 1 = 2.9

Соответствующий ему коэффициент шума:

Nпу min = (1 - 1/20)(2/2.9) + 1 = 1.66 (2.15дБ)

8.Определим значение холостой частоты fx. Чтобы получить максимально возможную полосу пропускания ПДУ, не применяя специальных элементов для ее расширения и упростить топологическую схему ДПУ, в качестве холостого контура используем последовательный контур, образованный емкостью Со и индуктивностью вводов Lпос.диода. Цепь входов холостой частоты замкнут разомкнутым четверть волновым шлейфом, подключенным параллельно диоду, и имеющим входное сопротивление близкое к нулю. В этом случае на холостой контур не влияют цепи сигнала и накачки, а также емкость корпуса диода Скор. Резонансная частота этого контура равна частоте последовательного резонанса диода.


Случайные файлы

Файл
177644.rtf
27826.rtf
79072.rtf
ГОСТ 17580-82.doc
103514.rtf