Реферат: Радиолокационный приемник сантиметрового диапазона

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

Определение параметров антенны:

Коэффициент направленного действия (КНД):

Примем коэффициент полезного действия (КПД) антенны равным: h=0,95.

Коэффициент усиления :

Расчет требуемой мощности передатчика РЛС производим на основе уравнения дальности радиолокации, без учета влияния Земли (высота объектов достаточна):

где sц - эффективная площадь рассеяния цели

h - КПД антенны ( h » 0,95 )

k = 1,38x10-23 Дж/К - постоянная Больцмана

Т0 = 290 К - температура воздуха по Кельвину

Ш = 3,5  -  коэффициент шума приемника

b0 =  0,002...0,004 дБ/км - величина затухания волн в атмосфере.

Примем b0 = 0,002 дБ/км.

R = Rmax × e-0,115b0Rmax = 150 × e-0,115x0,002x150 »145 км

dR = Rmax -R = 150-145 =5  км

Полоса приемника: Fпр = 1/tи = 1 / 1×10-6 = 1 МГц

Полоса шума приемника: Fш= 1,1Fп =1,1×106= 1,1 Мгц

Импульсная мощность передатчика:

Ри <1 МВт, следовательно можно использовать простой 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, поэтому  в  настоящее  время такие РПрУ с фиксированной настройкой применяются практически лишь в микроволновом и оптическом диапазонах,  что  не  соответствует  характеристикам  проектируемого РПрУ, т.к. он рассчитан на работу в сантиметровом диапазоне.

     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.

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 моноимпульсной РЛС сопровождения

4.1. Определение эквивалентных параметров антенны

Проектируемый радиолокационный приемник имеет настроенную антенну, т.е. её сопротивление чисто активно и равно сопротивлению фидера:

ZА = RА = Rф = 75 Ом

Относительная  шумовая  температура  антенны:

ta=TA/T0,

где  T0 - стандартная  температура  приёмника  Т0=290 0 К ;

ТА - абсолютная шумовая температура антенны.

 По  графику зависимости шумовой температуры идеальных приемных антенн от частоты  (рис  1.4 [ 3 ]) находим: ТА =140 0 К.

ta=140 / 290=0,48

4.2. Расчет полосы  пропускания  линейного  тракта РПрУ

Для импульсных сигналов полоса пропускания приемника выбирается исходя из получения максимального отношения сигнал/шум на выходе радиотракта. Такая полоса называется оптимальной и определяется как:

Пс= (0,8..1,4)/tуст @ 1/0,2 мкс=5 МГц

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:

П=Пс+2Dfд+Пнс

Доплеровское  смещение:

Dfд = 2fсVц/с = 2×1,3×109×400/3×108=3,5кГц,

где Vц- скорость цели относительно антенны РЛС;

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, используя данные таблицы 2.1 [3].  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  из  условия:

fпр>(10...20)/tи =15/1×10-6=15 МГц.

В РЛП миллиметрового и сантиметрового диапазонов промежуточная частота равна либо 30, либо 60 МГц [5]. Выберем  промежуточную  частоту  из  стандартного  ряда:

fпр=30 МГц.

Частота  гетеродина:               fг=fc-fпр=1,3-0,03=1,27 ГГц .

 =

= 13 МГц

Пнс>(1,2...1,5)×Пс, следовательно придётся использовать частотную автоматическую  подстройку  частоты  ( ЧАПЧ )  или фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ).

При использовании ЧАПЧс  Кчапч=10 полоса пропускания приемника:

ПЧАПЧ=Пс+(2Dfд+Пнс)/Кчапч=5×103+(7+13×103)/10 @ 6,3  МГц .

При использовании ФАПЧс  Кфапч Þ ~ полоса пропускания приемника:

ПФАПЧ=Пс+(2Dfд+Пнс)/Кчапч=5×103+(7+13×103)/~ @ 5  МГц .

ПФАПЧ не намного уже, чем ПЧАПЧ, поэтому для упрощения схемы будем использовать ЧАПЧ.

Расчет предельно допустимого коэффициента шума:

где:

·   Кр.ф. @ 0,8 - коэффициент  передачи  фидера  по  мощности.

·   Пш = 1,1×П = 1,1×6,3=6,93 МГц.

·   К - постоянная  Больцмана  К=1,38×10-23 Дж/К.

Шдоп @ (1×10-12/(1,38×10-23×290×6,93×106×1,4)-0,48+1)×0,8=

= (25,75-0,48+1) ×0,8 = 21,02

4.3. Определение  структуры  радиотракта

Оценим коэффициент шума линейного тракта РПрУ, после чего решим вопрос о включении или невключении  УРЧ в состав радиотракта.

Коэффициент шума радиотракта  без  использования  усилителя радиочастоты  ( УРЧ ) :

    Ш=(Швц+(Шпч-1)/Квц+(Шупч-1)/(Квц×Кпч))/Кр.ф.

Все  коэффициенты  шума  ориентировочно  берём  из  таблицы  6.1  [3]:

Швц=1,3       Квц=0,8

Шурч=1,5      Курч=10

Шпч=5          Кпч=8  (при  использовании  транзисторного  ПЧ)

Шупч=10

Ш=( 1,3+(5-1)/0,8+(10-1)/(8×0,8))/0,8=9,5 < Шдоп=21,02Þ

Þ можно обойтись без УРЧ.

4.4. Выбор гетеродина

Исходные данные для выбора гетеродина:

·   Рабочая частота fг=fc-fпр=1,3-0,03=1,27 ГГц;

·   Требуемая выходная мощность РГвых;

·   Диапазон перестройки по частоте;

·   Шумовые характеристики.

Целесообразно использовать полупроводниковый гетеродин на диоде Ганна (ГДГ). Выходная мощность гетеродина должна быть достаточна для нормальной работы смесителей и схем ЧАПЧ всех трех каналов приема РЛС:

РГвых = (Рс + Рапч  )×3 = (6+9)×3 =45 мВт;

Из таблицы 8.4 [3] выбираем ГДГ типа VSC-9019, имеющий следующие параметры:

·   диапазон рабочих частот fГ,ГГц.......................................1..2;

·   шаг перестройки: электронной Dfэл,МГц...........................50;

механической Dfмех,МГц....................200;

·   выходная мощность РГвых , мВт........................................100;

·   напряжение питания Uпит,В.................................................11;

·   ток потребления I,А............................................................0,5;

4.5. Обеспечение необходимого усиления трактом ВЧ

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.

Рассчет коэффициента усиления линейного тракта:

Коэффициент передачи по мощности согласно таблицы  6.1  [3] для транзисторного преобразователя частоты примем равным:

КРпч = 8

Амплитуда напряжения  на  входе  УПЧ :

Uвх=    4Рвх×Rвх =     2×Ра×Квц×Кпч×Rвх =   2×10-12×0,8×8×103  = 0,13 мВ.

Коэффициент усиления УПЧ по напряжению:

Купч=Uвых/Uвх=1/(1,3×10-4)=7,6×103

4.6. Расчет селективности

Селективность по зеркальному каналу обеспечивается с помощью частотно - избирательной входной цепи, а по соседнему каналу - используя два одиночных контура: на выходе преобразователя частоты и на выходе УПЧ.

Селективность по зеркальному каналу:

Принимаем dэс=0,006

 = 23,8 дБ,

Эквивалентное затухание одиночных контуров:

dэп= П/(Ö2×fпр)=6,3/(Ö2×30)=0,15

Селективность по соседнему каналу:

Полагаем:                Dfск= П=6,3 МГц;

n=2,

тогда:

= 18,9 дБ

4.7. Распределение искажений

При рассмотрении такой характеристики РПрУ, как допустимый уровень частотных и временных искажений сигнала, остановимся на наиболее существенном для приемников импульсных сигналов показателе - искажениях переднего фронта импульса. Распределение искажений этого вида по каскадам РПрУ можно выразить в величине времени установления переднего фронта импульса и записать следующим образом:

= 0,2 мкс

Искажения, вносимые входной цепью незначительны и составляют:

0,0064 мкс

УРЧ является инерционным звеном, поэтому искажения, вносимые им, довольно велики:             0,024мкс

Искажения, вносимые преобразователем частоты, составляют:

0,008мкс

Наибольшие искажения переднего фронта радиоимпульсов вносятся детектором из-за шунтирования выходного контура УПЧ входным сопротивлением детектора:

 0,04мкс

Оставшееся искажение переднего фронта импульса вносится сравнительно узкополосным УПЧ. Определим допустимые искажения, приходящиеся на один каскад УПЧ:

4.8. Структурная  схема  РПрУ

				Рис 2.8.1

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 связывает  выход   антенно-фидерного   устройства  со  входом  1-ого  каскада  приёмника, в  данном  случае  со  смесителем. При этом  вход  и  выход  входной   цепи  должны быть согласованны с волновыми сопротивлениями  присоединяемых  к  ним  линий  передач, чтобы  в местах  соединения  не  возникало  отражений  СВЧ  энергии.

   В  нашем  случае  входная  цепь  должна  выполнять  следующие  функции :

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5