Радиолокационный приемник

Перечисленная совокупность двух операционных звеньев в сочетании с линейным и нелинейным двухполюсниками образует минимальную функционально полную систему аналоговых звеньев, на которых можно реализовать (в идеальном случае) все функциональные узлы приемных устройств. Возможен и другой состав функционально полной системы. В качестве физических аналогов операционных звеньев используются обычно универсальные ИС, в частности, для двух исходных звеньев – операционный усилитель и аналоговый перемножитель.В цифровой технике минимальную функционально полную систему образуют логические схемы, производящие простейшие операции математической логики – операции конъюнкции (И), дизъюнкции (ИЛИ) и инверсии (НЕ).Основные параметры радиоприемниковЧувствительностью приемника называется его способность принимать слабые сигналы. Количественно чувствительность оценивается минимальным уровнем принимаемого сигнала, при котором переданная информация воспроизводится с удовлетворительным качеством.Селективностью называют свойство приемника выделять полезный сигнал принимаемой станции из множества других, отличных по частоте. Количественно селективность оценивается по частотной характеристике высокочастотных каскадов отношением усиления на резонансной частоте К0 к усилению КΔf при расстройке Δf, соответствующей частоте помехи:или отношением чувствительности приемника UΔf при расстройке Δf к чувствительности настроенного приемника U0 (рис. 1).Различают селективность по соседнему и зеркальному каналам, а также по каналу промежуточной частоты. (ПЧ).Селективность по соседнему каналугде Δf – расстройка несущей частоты соседней станции относительно f0.Селективность по зеркальному каналу, отстоящему на две промежуточные частоты в сторону частоты гетеродина,Селективность по промежуточной частоте:Формулы указанные выше характеризуют односигнальную селективность. В реальных условиях на приемник действует не один, а два или более сигналов и вследствие нелинейных эффектов реальная или эффективная селективность будет меньше. При испытаниях измеряют двухсигнальную селективность, когда на приемник воздействуют одновременно полезный и мешающий сигналы.Частотные характеристики приемника могут определяться по высокой и низкой частоте. В последнем случае снимают сквозную характеристику (кривую верности) – зависимость выходного напряжения приемника от частоты модуляции входного сигнала. Частотные искажения определяют по кривой верности, которая фактически является произведением частотной характеристики приемника по высокой частоте и частотной характеристики низкочастотного тракта. Неравномерность усиления Мпр в пределах полосы пропускания FH...FB определяется общим коэффициентом частотных искаженийгде МВЧ и МНЧ– коэффициенты частотных искажений высокочастотного и низкочастотного трактов соответственно. МВЧ определяет, в основном, общую неравномерность на FB, а МНЧ– на FH.Переходной характеристикой приемника называют зависимость во времени напряжения сигнала на выходе при воздействии на его вход единичного скачка модулируемого параметра. Выбор параметра (амплитуды, частоты или фазы) определяется применяемым видом модуляции. Выходное напряженно возникает с задержкой и часто имеет выбросы.Амплитудная характеристика – зависимость выходного напряжения от ЭДС в антенне (при амплитудной модуляции). При других видах модуляции –от глубины модуляции. Нелинейные искажения и динамический диапазон определяются по тем же формулам, что и для усилителей.Выходная мощность различается следующим образом: номинальная – наибольшая мощность, при которой нелинейные искажения сигнала не превышают заданной нормы, соответствует 100 % модуляции сигнала; нормальная мощность, составляющая 0,1 номинальной, соответствует глубине модуляции 30%; стандартная мощность, равная 50 мВт (для радиовещательных приемников).Выходное напряжение – напряжение, снимаемое с нагрузки последнего (оконечного) каскада и подводимое к воспроизводящему прибору. Для большинства приемников задается именно выходное напряжение, а не мощность.Диапазон рабочих радиочастот – интервал частот, в пределах которого приемник при перестройке сохраняет свои основные параметры. Характеризуется коэффициентом перекрытия приемникаВ связных приемниках kпр > 100. Помимо диапазонных приемников существуют приемники с фиксированной настройкой (телевизионные, маркерные, некоторые типы радиолокационных).Частотная точность – разность между частотой настройки приемника f0 и частотой принимаемого сигнала fс. Характеризуется относительной расстройкой:Нестабильность настройки приемника во время работы под влиянием дестабилизирующих факторов (изменение температуры, атмосферного давления, влажности) оценивается изменением частоты настройки или Δf/f за определенный промежуток времени, например, за сутки. У высококачественных профессиональных приемников суточная относительная нестабильность достигает 10-8 ... 10-12.Полоса пропускания – интервал частот, в пределах которого при данной настройке приемника частотные искажения не превышают заданного уровня. Полосы пропускания зависят от типа приемника и вида принимаемых сигналов и могут принимать значения от нескольких десятков герц для телеграфных приемников до десятков мегагерц у радиолокационных и телевизионных приемников.Активные радиолокационные станции (РЛС) облучают объект (самолет, корабль и т.д.) радиоволнами и определяют его параметры (координаты, скорость, ускорение и т.д.), принимая отраженную от объекта энергию радиоволн. Поэтому радиолокационный приемник является частью РЛС и работает от общей с передатчиком приемопередающей антенны. Различают РЛС непрерывного и импульсного излучения. Сейчас наиболее широко используются импульсные РЛС.Радиоприемное устройство состоит из антенны, собственно приемника и оконечного устройства. В радиолокации под приемным устройством понимают цепи, расположенные между выходами антенны и оконечного устройства, принимающего решение об обнаружении сигнала или оценки его параметров. Обработка сигнала в приемнике предусматривает обнаружение сигнала, отраженного от цели, и (или) определение его параметров. Функции обнаружения сигнала и измерения его параметров могут быть расчленены.В радиолокации при работе на сверхвысоких частотах (СВЧ) колебания усиливаются параметрическими и квантовыми парамагнитными усилителями. Узлы СВЧ проектируют с помощью интегральной технологии (полосковая техника). На более низких и видеочастотах в усилителях в качестве элементной базы используют транзисторы и устройства микроэлектронной (интегральной) аналоговой техники.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.Для обеспечения работы РПУ в реальных условиях, когда параметры сигнала изменяются, в состав структурной схемы вводят такие устройства, как устройства автоматической подстройки частоты (АПЧ), автоматическую регулировку усиления (АРУ).Так как используется одна антенна на прием и передачу сигналов, для этого в схему введем антенный переключатель (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.Для увеличения чувствительности и избирательности по зеркальному каналу перед смесителем может быть включен усилитель радиочастоты (УРЧ) и входная цепь (ВЦ). Затем в преобразователе частоты спектр сигнала переносится на промежуточную частоту (для удобства последующих преобразований).После преобразователя сигнал фильтруется (ФСИ), усиливается в УПЧ и подается на вход амплитудного детектора, где происходит выделение информационной (НЧ) составляющей.Сигналы с выхода АД подают на видеоусилитель (ВУ), а затем на индикатор, с помощью которого оператор РЛС осуществляет визуальное наблюдение.Радиолокационные приемники обычно выполняются по супергетеродинной схеме с однократным преобразованием частоты. Общая для приемника и передатчика антенна подключается с помощью антенного переключателя АП.2 Эскизное проектированиеВыбор типа структурной схемы приемника.Современные радиоприемники, как правило, строятся по супергетеродинной схеме. РАдиолокационне приемники выполняются по схеме с однократным преобразователем частоты (см. рис. 2, а, б)Рисунок 2 – Структурная схема радиолокационного приемника[1]:РП – переключатель, УРЧ – усилитель радиочастоты, СМ – смеситель, УПЧ – усилитель промежуточной частоты, Г – гетеродин,БВС – блок видеосигналов, Д – детектор.Поскольку гетеродин на основе отражательного клистрона допускает эффективную автоподстройку частоты, выбираем в качестве гетеродина генератор на отражательном клистроне.Для повышения чувствительности приемника и сужения его полосы пропускания выбираем автоподстройку частоты гетеродина под частоту передатчика с помощью двухканальной АПЧ.Расчет полосы пропускания приемникаПолоса пропускания высокочастотного тракта приемника П складывается из ширины спектра сигналов Δfc, доплеровского смещения частоты сигнала Δfд и запаса полосы, требуемого для учета нестабильностей и неточностей настройки приемника Δfн:Для импульсных сигналов полоса пропускания приемника выбирается исходя из получения максимального отношения сигнал/шум на выходе радиотракта. Такая полоса зависит от вида АЧХ и называется оптимальной и определяется как:Вычислим доплеровское смещение. Примем скорость цели равной v=500 м/с (скорость сверхзвукового самолета):где c – скорость распространения радиоволн, м/с.Тогда доплеровское смещение:Определяем запас полосы пропускания, необходимый для приема сигналов с учетом нестабильностей и неточностей настройки приемника [2]:где δfcи δfг – нестабильности частот сигнала fcи гетеродина fг соответственно, согласно [2] δfc=10 МГци δfг=9 МГц; δfни δfп– неточности настроек гетеродина и УПЧ, принимаем согласно [2] δfн=0,1 МГци δfп=0.Тогда запас полосы пропускания, необходимый для приема сигналов с учетом нестабильностей и неточностей настройки приемника:Полоса пропускания высокочастотного тракта:Полоса пропускания преселектора:Для уменьшения нестабильности сигнала гетеродина относительно несущей передатчика и повышения устойчивости работы принимаем коэффициент частотной автоподстройки Кчап=25 и находим частоту пропускания линейного тракта:Выбор первых каскадов приемникаПервые каскады приемника в большой степени определяют чувствительность приемника. Для обеспечения хорошей чувствительности требуется применение, одного (нескольких) каскада усилителя радиочастоты (УРЧ) после входной цепи (ВЦ).Реальная чувствительность приемника определяется его коэффициентом шума N. Оценим коэффициент шума линейного тракта РПрУ (см. рис. 9), после чего необходимо принять решение: включать ли в состав радиотракта приемника УРЧ или нет.Допустимый коэффициент шума приемника должен составлять:где kT0=4·10-21 – произведение постоянной Больцмана на стандартную температуру Т0=290 К, Вт/Гц; Пш~1,1· Δfc=1,1∙1,08=1,19 МГц – эффективная шумовая полоса; ТА – шумовая температура антенны, согласно [2] ТА=60 К для частоты 1800 МГц.Тогда допустимый коэффициент шума приемника:По полученным результатам сделаем вывод, что наличие УРЧ в схеме проектируемого приемника необязательно.Выбор электронных приборов для высокочастотного трактаВ качестве таких приборов используют туннельные и параметрические диоды, биполярные и полевые транзисторы, аналоговые интегральные микросхемы.УПЧ и детекторы заданного приемника выполним на интегральных микросхемах [1]. Детекторы импульсов выполняются на диодах.Распределение усиления между трактами радиоприемникаКоэффициент усиления высокочастотного радиоприемника определяется выбранным ИМС тракта ПЧ. В радиолокационныхприемниках на входе УПЧ –Uп=1 В[2]. Обеспечение достаточного усиления радиосигнала трактом ВЧ необходимо для нормальной работы детектора, а так же получения низкого уровня шума. Основное усиление обеспечивается в тракте ПЧ.Общее усиление радиотракта определяется, с одной стороны, необходимым напряжением на входе детектора, а с другой заданной чувствительностью приемника. Обычно оно принимается с 2-или 3-кратным запасом.Тогда коэффициент усиления:где RA = 75 Ом – активное сопротивление антенны.Нагрузку по обеспечению рассчитанного коэффициента усиления возложим на УПЧ, поскольку он – основное усилительное звено схемы. В дальнейшем будет необходимо сделать расчет коэффициента усиления одного каскада УПЧ и определить количество каскадов УПЧ.Структурная схема радиолокационного приемникаТракт радиочастоты состоит из разрядника, защищающего вход приемника в момент излучения сигнала передатчиком, и усилителя радиочастоты. В тракт промежуточной частоты входят смеситель СМ1, гетеродин Г, усилитель промежуточной частоты УПЧ-1 и амплитудный детектор АД. Для защиты приемника от действия мощных импульсных помех, длительность которых превышает длительность полезного сигнала, введена система быстродействующей автоматической регулировки усиления БАРУ.Общий вид структурной схемы радиолокационного приемника приведен на рисунке 3.Нестабильность частот передатчика и гетеродина компенсируется системой автоматической подстройки частоты АПЧ, в которую входят делитель мощности, второй смеситель СМ2, второй усилитель промежуточной частоты УПЧ-2, частотный дискриминатор ЧД и регулятор частоты РЧ. В видеотракте использованвидеоусилитель ВУ.В нашем случае в структуру радиолокационного приемного устройства не включены УРЧ и АПЧ, а проектирование разрядника и видеотракта не входит в объем курсовой работы.Нестабильность частот передатчика и гетеродина компенсируется системой автоматической подстройки частоты АПЧ, в которую входят делитель мощности, второй смеситель СМ2, второй усилитель промежуточной частоты УПЧ-2, частотный дискриминатор ЧД и регулятор частоты РЧ. В видеотракте использованвидеоусилитель ВУ.Рисунок 3 – Структурная схема радиолокационного приемника, входящего в РЛС конического сканирования, работающего от общей антенны с передатчиком: П – передатчик, ДМ – делитель мощности, Разр. – разрядник, УРЧ – усилитель радиочастоты, СМ смеситель, УПЧ – усилитель промежуточной частоты, АД – амплитудный детектор, ВУ – видеоусилитель, Г – гетеродин, ЧД – частотный дискриминатор, РЧ – регулятор частоты.3 Рабочее (электрическое) проектированиеРасчет параметров электронных приборовСогласно справочным данным [3] приведем следующие параметры транзистора ГТ 309А:статический коэффициент передачи тока в базы в схеме с ОЭ – h21э=50;модуль коэффициента передачи тока в базы в схеме с ОЭ на некоторой частоте fм – |h21э|=fгр=1,2·108 Гц;граничная частота коэффициента передачи тока в базы в схеме с ОЭ – fм=106 Гц;постоянная времени цепи обратной связи – τос=500·10-12;емкость коллекторного перехода – Ск=10·10-12Ф;ток эмиттера – Iэ=5·10-3 А.Вычислим Y-параметры и шумовые характеристики данного транзистора:Коэффициент устойчивого усиления каскада соответствует требованиям.Расчет входных цепейДля профессиональных, телевизионных, радиовещательных УКВ и радиолокационных приемников применяют настроенные антенны. Для связи приемника с антенной часто используют несимметричный фидер. Сопротивление антенны можно принять равным RA = 75 Ом.Радиовещательные приемники ДВ, СВ и КВ диапазонов работают с ненастроенными несимметричными антеннами, параметры которых изменяются в широких пределах. Так как в задании на курсовой проект нет параметров используемой антенны, они выбираются студентом самостоятельно. Можно воспользоваться эквивалентной схемой, приведенной на рис. 4 с типовыми параметрами R1 = 50 Ом, Ф, R2 = 320 Ом, Ф, Гн. Для расчета ВЦ необходимо вычислить максимальное значение |ZA| для принимаемого диапазона частот.Рисунок 4 – Эквивалентная схема для расчета сопротивления антенныЭквивалентная схема гипотетической усредненной по параметрам антенны:R1=50 Ом;С1=125·10-12 Ф;R2=320 Ом;С2=400·10-12 Ф;L=20·10-6 Гн.Для расчета ВЦ необходимо знать |ZA|. Вычислим значение |ZA| в точке1600 МГц, используя формулу для |ZA|i [1]:Тогда для f=1600МГц:ПреобразовательчастотыПреобразователь частоты (ПЧ) будем выполнять, на биполярном транзисторе КТ303А. Этот каскад в основном будет выполнять только функции преобразования частоты (ее снижения), поэтому особенных требований по усилению сигнала предъявлять к нему не стоит.Схема ПЧ приведена на рисунке 5.Расчет преобразователя частоты начнем с колебательного контура LкСк, который должен быть настроен на промежуточную частоту, то есть обеспечивать селективность, чтоб получить на нем напряжение сигнала с новой частотой – промежуточной частотой.Рисунок 5 – Схема преобразователя частотыРассчитаем коэффициенты включения транзистора, на котором собран ПЧ, в контур (m) и следующего каскада в этот же контур (n):Коэффициент передачи ПЧ:где 50∙10-12 Ф – это Ск.Усилитель промежуточной частотыКак было указано ранее, усилитель промежуточной частоты (УПЧ) будет обеспечивать основное усиление в радиоприемнике. Как и ПЧ выполним УПЧ на биполярном транзисторе, но уже другой марки – КТ368А. В нем также осуществляется наряду с усилением частотная фильтрация (избирательность). Для этого УПЧ содержит колебательный контур (коллекторная нагрузка), настроенный на ПЧ, рассчитанную ранее.Схема УПЧ приведена на рисунке 6.Рисунок 6 – Схема усилителя промежуточной частотыПараметры контура LкСк– те же, что и контура ПЧ.Как правило, ФСИ является нагрузкой преобразователя частоты (смесителя). Редко используется два ФСИ, тогда один является нагрузкой первого каскада УПЧ. УПЧ с двухконтурными нагрузками широко применяются в приемниках невысокого класса.Произведем вариант расчета УПЧ с одноконтурными нагрузками каскадов выполним по методике [1]. Предположим, что УП всех ненагруженных контуров Qк=100. Предварительно выберем емкости контуров Ск=100∙10-12 Ф. Для биполярных транзисторов gш2=0 (g’11=g11). Принимаем П0,7=20 МГцДетекторДля детектирования радиоимпульсов, то есть для преобразования их в видеоимпульсы, используют последовательные диодные детекторы, выполненные по следующей схеме (см. рис. 7).Выберем диод КД510А, исходя из соображений:fп>1,5/fпХарактеристики диода приведены в таблице 2.Таблица 2 – Характеристики диода КД510АРабочая частота диодаfд100 МГцОбщая емкость диодаСд4 пФТемпература окружающей средыТmin – Tmax213K – 358KРисунок 7 – Схема последовательных диодных детекторовДлительность среза видеоимпульсов:где См = 3÷5 пФ – емкость монтажа.Индуктивности катушек согласующего трансформатораВыберем из номинального ряда:Входное сопротивление детектора:Так как Sобр≈0, тоКоэффициент передачи. Так как Sобр≈0, то Sпр = 1275 мА/В, Кд = cos(θ) = 0,984Расчет системы автоматической регулировки усиленияДля ослабления мешающего действия отраженных сигналов от протяженных предметов, окружающих наблюдаемый объект, можно применить в качестве системы АРУ быстродействующую авторегулировку усиления (БАРУ). Такая АРУ предназначена для устранения перегрузки усилителя при действии мощной помехи. Отличительная способность БАРУ – высокая скорость её срабатывания при мощной помехе; цепь БАРУ инерционна для сигнала и срабатывает только от помехи. Постоянная времени фильтра БАРУ во много раз меньше постоянной времени фильтра АРУ. Применяют последовательное включение большого числа каскадов с собственным БАРУ в каждом, система АРУ тогда, как правило, простая.Рисунок 8 – Схема системыРисунок 9 – Схема системы автоматического регулирования усиленияПринципиальная схема радиолокационного приемника приведена на рисунке10.Рисунок 10 – Принципиальная схема радиолокационного приемникаЗаключениеВ процессе выполнения данного курсового проекта был разработан радиолокационный приемник РЛС с заданными параметрами. Некоторые трудности вызвали расчет ПЧ и УПЧ, за счет того, что они связаны между собой основными параметрами, подобными коэффициентам включения, затуханием, вносимым каждым каскадом и др.В целом в процессе проектирования РПрУ были реализованы требования, указанные в техническом задании. Настройка и регулировка РПрУ заключается практически в настройке избирательных систем в процессе изготовления устройства на одну фиксированную частоту.Список использованных источников1. Радиоприемные устройства: Методические указания к курсовому проектированию. – Л.: СЗПИ, 1988. – 42 с.2. Проектирование радиоприемных устройств./Под ред. А. П. Сиверса.– М.: Сов.радио, 1976. – 488 с.3. Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник./Под ред. Н. Н. Горюнова. – М.: Энергоатомиздат, 1983.4. Аржанов В.А. Устройства приёма и обработки сигналов: Учеб.-метод. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2000. – 68 с.5. Аржанов В.А. Проектирование радиоприёмных устройств: учеб.пособие / В.А. Аржанов, А.П. Науменко. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. – 312 с.6. Аржанов В.А. Нелинейные эффекты в линейном тракте радиоприёмного устройства: Учеб.пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 1998. – 104 с.7. Аржанов В.А. Резонансные усилители: Учеб.пособие. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. – 128 с.8. Аржанов В.А., Науменко А.П. Проектирование устройств приема радиосигналов: Учеб.пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 1994. – 136 с.9. Горшелев В.Д. и др. Основы проектирования радиоприёмников. Л., «Энергия», 1977. – 384 с. с ил.10. Богданович Б.М., Окулич Н.И., Радиоприемные устройства: Учеб.пособие для вузов. Под общ.ред. Б.М. Богдановича. – Мн.: Выш. шк., 1991. – 418 с.: ил.