Импульсные передатчики РЛС-обнаружения с оптимальной обработкой

Министерство образования  Республики Беларусь

 

Учреждение образования

 

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

 

Кафедра радиотехнических систем

 

 

К защите допустить:

Руководитель проекта

______ В. В. Ползунов

 

 

 

 

Пояснительная записка

к курсовому проектированию

на тему:

 

«Импульсные передатчики РЛС-обнаружения с оптимальной обработкой»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:        Руководитель проекта:

студент гр. 941202      Ползунов В.В. 

Клеперсон Т.А.     

 

 

 

        

 

 

 

 

Минск 2012 

Оглавление

Введение 3

2. Выбор, обоснование технических требований и структурной схемы. 4

2.1 Выбор структурной  схемы 4

2.2 Расчёт  функциональной схемы 5

3. Расчет выходного каскада 10

4. Расчет задающего генератора 20

5. Умножители  частоты 25

6. Промежуточные  каскады 27

7. Импульсный  модулятор 29

7.1 Выбор схемы 29

7.1.Выбор типа  модуляторной лампы и ее режима  работы. 30

7.2. Расчет  элементов схемы. 33

7.2.1 Оценка  формы выходного импульса. 33

7.2.2Энергетические  соотношения в модуляторе. 34

7.2.3 Требования к источнику питания (выпрямителю). 35

7.2.4 Требования к подмодулятору. 35

8. Конструктивный  расчет катушки индуктивности. 36

9. Система контроля, защиты и управления передатчика. 37

Заключение 41

Литература 42

Приложения 43

 

 

Введение

 

В наше время радиолокация получила широчайшее применение. Ее методы и средства используются для обнаружения  объектов и контроля обстановки в  воздушном, космическом, наземном и  надводном пространствах. Современная  техника позволяет с большой  точностью измерять координаты положения  самолета или ракеты, следить за их движением, определять не только формы  объектов, но и структуру их поверхности. Радиолокационные методы открывают  возможность изучать недра Земли  и даже внутренние неоднородности поверхностных  слоев на других планетах, а также  в организации управления воздушным  движением, наведении, распознавании  объектов, определении их принадлежности.

В зависимости от конкретного  назначения современные радиолокационные станции (РЛС) имеют характерные  особенности. Из всего их разнообразия значительную долю составляют РЛС обнаружения. Связано это с тем, что радиолокационный метод обнаружения является основным как на Земле, в воздухе, на море, так и в космосе.

За последние годы широкое  распространение получил импульсный способ работы радиотехнических устройств, в частности радиопередающих  устройств. При этом антенна передатчика  излучает энергию высокочастотных  колебаний в течение коротких промежутков времени, разделенных  относительно большими интервалами  времени, когда излучение отсутствует. Импульсная работа передатчиков используется для радиолокации, радионавигации, радиоретрансляционной связи  и  т. д. Наибольший интерес представляет использование импульсов весьма малой длительности, в связи с  чем импульсная работа возможна только в диапазоне СВЧ. Поэтому импульсные радиопередатчики, как правило, являются радиопередатчиками СВЧ.

 

2. Выбор, обоснование технических требований и структурной схемы.

2.1 Выбор структурной схемы

 

Проектирование  передатчика начинается с выбора структурной схемы. При этом исходят  из назначения передатчика, условий  его работы и заданных параметров:

 

  Мощность в импульсе – 100кВт

Длительность импульса–1мкс 

Диапазон рабочих частот – 1200-1400ГГц

Частота следования–1000Гц

Нестабильность фазы – 1,7град.

КСВН нагрузки – 1

 

 

Задача составления структурной  схемы состоит в том, чтобы  определить рациональное число каскадов высокой частоты между возбудителем (автогенератором) и выходом передатчика (антенной), обеспечивающее выполнение заданных технических требований к  передатчику.

Однокаскадные импульсные передатчики  РЛС с оптимальной обработкой сигналов на магнетронных генераторах  не всегда позволяют получить удовлетворительное подавление сигналов от неподвижных  объектов ввиду низкой кратковременной  нестабильности фазы и частоты. Для  устранения этого недостатка необходимо перейти от однокаскадной схемы  к многокаскадной.

Структурная схема каскадного импульсного передающего устройства изображена на рисунке 1

Маломощный возбудитель  работает в непрерывном режиме, что  облегчает получение высокой  стабильности частоты. В качестве возбудителя (задающего генератора) могут использоваться: стабилизированные внешним высокодобротным  резонатором полупроводниковый  генератор СВЧ, автогенератор на пролетном клистроне, маломощный магнетрон  непрерывного режима или кварцевый  генератор с умножителями частоты.

В промежуточных каскадах усиления применяются ЛБВ и МРК. В последних мощных каскадах передатчика  целесообразно использовать амплитроны, так как помимо широкополосности, они обладают высоким КПД. В оконечном  каскаде для увеличения выходной мощности амплитроны могут включаться параллельно. Оконечный и предоконечный  усилители, как правило, работают в  импульсном режиме.

В промежуточных каскадах СВЧ на ЛБВ и МРК имеют место  значительные искажения фазы на переднем фронте и спаде импульса. Эти искажения  устраняются путем стробирования  плоской части импульса, т.е. последовательным увеличением длительности импульсов  от первого к выходному каскаду. Межкаскадные ферритовые вентили обеспечивают повышение устойчивости работы и  стабильности частоты и фазы СВЧ  колебаний передатчика. В качестве источника питания генератора используется импульсный модулятор (импульсный усилитель УИ).

Недостатком данной схемы  является большое количество каскадов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 Структурная схема  каскадного импульсного передающего  устройства

2.2 Расчёт функциональной  схемы

 

Расчет структурной схемы  высокочастотной части каскадного передатчика начинается с выходного  каскада, исходя из заданной мощности в антенне Р_а, коэффициента отражения нагрузки передатчика (антенно-фидерного устройства) Г_Н.

Выходная мощность, которую  должен обеспечить выходной каскад, определяется по формуле:

 

(1.1)

где α₁>1 – прямое затухание ферритового устройства. КПД антенно-фидерного тракта принимается равным η_Ф=0,85-0,95.

Коэффициент отражения нагрузки равен

   

(1.2)

На выходе передатчика, как  правило, включается циркулятор, который  выполняет функции антенного  переключателя, или ферритовый вентиль. Оба устройства уменьшают влияние изменения параметров нагрузки на частоту (фазу) и выходную мощность. Прямое и обратное затухание серийных ферритовых устройств составляет соответственно α₁=(0,5-0,8) дБ, α₂=(20-30) дБ. Конкретная величина обратного затухания определяется требованиями к стабильности частоты и фазы.

Для нашего случая коэффициент  отражения нагрузки равен

 

 

КПД антенно-фидерного тракта принимается равным η_Ф=0,95 (будем считать, что передача сигналов в антенно-фидерный тракт наихудшая).

Суммарное затухание серийных ферритовых устройств составляет α₂=20дБ, а α₁=0,7дБ=1,175. В дальнейших расчетах усилительных каскадов рассчитаются точно прямое и обратное затухание ферритового вентиля

Подставив значения в формулу 1.1 получим:

 

 

По величине   Р₄ = Р_ВЫХ = Вт = 0,1237 МВт   выбираем амплитрон QKS-1012 из справочной литературы [7]. Его основные характеристики:

 

 

Полоса частот f      1,2 – 1,4ГГц;

Выходная импульсная мощность P_{ВЫХ.ИМП} 0,1 МВт;

Выходная средняя мощности  P_ВЫХ.СР 2,5 КВт;

КПД        65 %;

Коэффициент усиления К    12 дБ;

Длительность импульса τ    1-300 мкс;

Напряжение анода U₀     21кВ; 
 Ток анода I₀      9А.

 

Зная номинальную мощность выходного усилителя СВЧ Р_ВЫХ , находят величину мощности, которую должен иметь предоконечный усилитель:

      

(1.3)

 

где Г_m – коэффициент отражения входа оконечного усилителя; α_1,m>1 – прямое затухание межкаскадного развязывающего устройства (ферритового вентиля).

Исходя из величин мощности Р_1,(m-1), аналогично предыдущему определяется выходная мощность следующего каскада Р_1,(m-2), выбирается тип усилителя СВЧ, его коэффициент усиления, номинальные значения коэффициента усиления К_1,(m-1), напряжения U₀ и ток анода I₀. Так продолжается до тех пор, пока необходимая мощность очередного каскада не окажется равной (или несколько меньшей) мощности Р_ВОЗБУД, которую должен обеспечить возбудитель (обычно Р_ВОЗБУД=0,1-0,5 мВт).

 

Рассчитаем мощности предоконечных  каскадов.

 

Мощность, которую должен обеспечить третий каскад:

 

 

 

По величине Р₃ = Вт выбираем многорезонаторный пролетный клистрон SAX-4410 из справочной литературы [7], который будет работать в импульсном режиме. Его основные характеристики:

 

полоса частот f      10 ГГц;

выходная импульсная мощность P_{ВЫХ.ИМП} 15кВт;

КПД        35 %;

коэффициент усиления К    60 дБ;

напряжение анода U₀     25 КВ;

ток анода I₀       2 А.

девиация частоты Δf/f     0,2

 

 

Мощность, требуемая на входе  клистрона третьего каскада:

 

 

Следственно, мощность второго  каскада  Р₂ = 0,011Вт

 

Выбираем ЛБВ 314H из справочной литературы [1], которая будет работать в непрерывном режиме. Ее основные характеристики:

полоса частот f      1.5-2.5 ГГц;

выходная средняя мощности  P_ВЫХ.СР  2,5 Вт;

коэффициент усиления К    33 дБ;

напряжение анода U_{а 1}     0,72 КВ;

U_а2= U₀       0,63 КВ

напряжение катода U_К     0,4 КВ;                              

ток анода I₀       22 мА.

 

Мощность, требуемая на выходе первого каскада:

 

 

 

Мощность первого каскада  Р₁ = ≈ 6,46 мкВт

Выбираем ЛБВ IIW17A из справочной литературы , которая будет работать в непрерывном режиме. Ее основные характеристики:

 

полоса частот f      10.7-11.7 ГГц;

выходная средняя мощности  P_ВЫХ.СР  1 Вт;

коэффициент усиления К    30 дБ;

напряжение анода U_{а 1}     1,1кВ;

U_а2= U₀       2,2 кВ

напряжение катода U_К     2,3 кВ;                              

ток анода I₀       8 мА.

 

Итак, определим входную  мощность СВЧ усилителей (входную  мощность первого каскада):

 

 

Входная мощность Р_ВХ = ∙10^-9 Вт. Значит такой мощности должен  быть сигнал от задающего генератора, проходящий через три умножителя частоты (х3, х3, х3). Так как, частота сигнала задающего генератора   равняется   f_C.ЗГ = 50 МГц, то   сигнал,   проходя через   эти умножители, будет иметь частоту, равную:

f_C = f_C.ЗГ ∙ 3 ∙ 3 ∙ 3 =50 ∙10⁶∙4∙4∙3=1350МГц.        (1.4)

Задающий генератор (Г) создает  непрерывные гармонические колебания  частотой 60 МГц, которые затем проходят через три умножителя частоты (при  этом частота колебания составит 1350 МГц – несущая частота сигнала) и усиливаются в каскадах УСВЧ. Сам усилитель состоит из четырех каскадов УСВЧ. Первые два каскада собраны на ЛБВ и работают в непрерывном режиме.

Два последних каскада  собраны на клистроне и амплитроне, работают в импульсном режиме. Их работой  управляют два импульсных модулятора (ИМ1, ИМ2), которыми в свою очередь  управляют подмодуляторы (ПМ1, ПМ2). Благодаря  такому расположению формируются импульсы практически прямоугольной формы.  Между каскадами УСВЧ стоят межкаскадные ферритовые вентили, которые обеспечивают повышение устойчивости работы и  стабильности частоты и фазы СВЧ  колебаний передатчика. Кроме этого  ферритовые вентили предотвращают  самовозбуждение каскадов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 Структурная схема  для разрабатываемого передатчика

 

 

3. Расчет выходного каскада

В качестве выходного каскада разрабатываемого передатчика выбран УСВЧ на амплитроне, т.к. амплитрон обладает достаточной  широкополосностью и высоким  КПД.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 Схема импульсной модуляции амплитрона

 

Исходными данными для расчета  являются: импульсная мощность в антенне  Pa, рабочая частота fг, допустимая нестабильность фазы, длительность импульса, период следования импульсов Т, коэффициент отражения нагрузки Гн.

По формуле (1.1) для заданной мощности Ра определили мощность на выходе амплитрона. На основании этой мощности выбрали  из литературы [2] амплитрон QKS-1012.

 
Исходные данные:

импульсная мощность на выходе амплитрона Р_ВЫХ 123 КВт

импульсная мощность на входе  амплитрона Р_ВХ 9 КВт;  

рабочая частота f       1,2-1,4ГГц;

длительность импульса τ     1 мкс;

частота следования импульсов f_И    1000 Гц;

период следования импульсов Т    1 мс;

 

 

Тип и параметры амплитрона:

тип        QKS-1012;

полоса частот f      1,2 – 1,4ГГц;

выходная импульсная мощность P_{ВЫХ.ИМП} 0,1 МВт;

выходная средняя мощности  P_ВЫХ.СР  2,5 КВт;

КПД        65 %;

коэффициент усиления К    12 дБ;

длительность импульса τ    1-300 мкс;

напряжение анода U₀     21В; 
 ток анода I₀       9А.

Далее расчитываем некоторые параметры  ЗС.

Для начала определим длину  волны колебаний по формуле:

 

         (3.1)

где с = 3∙10⁸ м/с – скорость распространения радиоволн (скорость света).

 

 

 

f = 1350 МГц – несущая частот (частота несущего сигнала по входу УСВЧ).

Количество ламелей ЗС N зависит от номера рабочей зоны и номера вида колебаний. Обычно амплитроны работают в первой или второй зоне колебаний, т.е.

или         (3.2)

 

где γ – номер вида (зоны) колебаний.

Номер рабочей зоны (первой или второй) производится исходя из следующих соображений. Опытным  путем установлено, что в первой зоне обычно работают амплитроны дециметрового  диапазона волн, а во второй зоне – амплитроны дециметрового и  сантиметрового диапазона волн. Во второй зоне обеспечивается более широкая  полоса усиливаемых частот. Отметим, что увеличение числа ламелей N или ячеек N₁=(N-1) ЗС не приводит к увеличению коэффициента усиления амплитрона.

Следовательно, нашему диапазону  волн будет соответствовать вторая зона. Преобразовав формулу (3.2) для количества ламелей N, получили:

 

Номер вида колебаний γ в ЗС, соответствующий центру рабочей зоны, в зависимости от диапазона волн выбирается из таблицы 6.1. литературы [1].

Итак, для нашего случая λ = 22,2см     γ = 4.

 

 

Далее рассчитывается отношение  радиусов анода и катода:

(3.3)

 

Увеличение этого параметра  ведет к росту КПД амплитрона. Однако при этом наблюдается уменьшение тока срыва, а следовательно, и значения предельного коэффициента усиления.

 

 

 

 

 

 

 

Радиус анода рассчитывается  по соотношению

 

 

 

(3.4)

 

 

а радиус катода

 

 

 

 

Выбор величины магнитной  индукции В производится на основании эмпирического соотношения

(3.5)

Экспериментальные результаты показывают, что выбор величины магнитной  индукции может производится в достаточной  степени произвольно. Этим обстоятельством  необходимо пользоваться при корректировке  геометрических размеров пространства взаимодействия (в частности, радиуса  анода) для удовлетворения заданного  значения выходной мощности.

Согласно соотношению (3.5), принимаем       откуда находим В:

 

 

Радиус анода:

 

 

 

 

 

 

Радиус катода:

 

Величина сопротивления  связи R_СВ , необходимая для расчета волнового сопротивления ЗС, находится из равенства

 

(3.6)

 

где h – высота анодного блока;  А=43,2;  параметр a выбирается из таблицы 6.2 [1].

  Эта формула определяет значение произведения             при котором амплитрон характеризуется определенным уровнем предельного коэффициента усиления. Обычно высота анодного блока принимается 0,2λ<h<0,4λ. Затем, задавшись значением высоты анодного блока, из уравнения (3.6) находят сопротивление связи. Обычно величина сопротивления связи ЗС амплитрона равна 50…100 Ом. Уменьшение этой величины ниже указанного значения приводит к снижению усиления в приборе. При увеличении сопротивления связи сужается диапазон усиливаемых частот.

Для нашего случая величина a=3 высоту анодного блока принимаем h=8 см, тогда

 

 

 

 

 

 

 

Волновое сопротивление  ЗС находится по формуле

 

(3.7)

 

 

Коэффициент β определяется из формулы:

(3.8)

 

Величина параметра μ может меняться в весьма широких пределах без существенного влияния на качество работы амплитрона. Обычно 0,4<μ<0,6.

 

Фазовый сдвиг Ф_П.ГР , соответствующий границам полосы пропускания

 

(3.9)

 

где Ф_П0 =2πγ /N – фазовый сдвиг, соответствующий центру рабочей полосы частот.

 

Фазовый сдвиг Ф_П обычно изменяется в пределах полосы усиливаемых частот от 120˚ до 170˚.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет вольт – амперных характеристик.

 

Импульсная мощность на выходе амплитрона Р_ВЫХ=123 КВт.

Вольт-амперная характеристика амплитрона имеет вид:

 

(3.10)

 

Коэффициент

(3.11)

где ε₀ = 8,854∙10^-12 – диэлектрическая постоянная вакуума; h=8см – высота анодного блока.

Коэффициент S_σ=sin(σN/2)/(σN/2) зависит от величины σ, определяющей ширину спиц сгруппированного электронного потока.

Коэффициент S_β=sin(βN/2)/(βN/2) определяется шириной щели 2β резонаторов анодного блока в угловом измерении.

Коэффициент определяется по формуле:

(3.12)

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r₁ – радиус втулки пространственного заряда вокруг катода.

Итак, для нашего случая:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из сделанных  выше расчетов получилось, что радиус втулки пространственного  заряда r₁=0,07 м, а коэффициент K_U=3,35∙10⁴ В²/А.

 

Напряжение на зазоре входной  ячейки

 

(3.13)

и выходной ячейки

 

(3.14)

 

где      ;            ;   Z₀ – волновой сопротивление ЗС; γ – номер вида (зоны) колебаний.

 

 

 

 

 

 

Напряжение на зазоре входной  ячейки

 

 

 

Напряжение на зазоре выходной ячейки при анодном токе I₀=9А:

 

 

 

 

 

 

 

 

Среднее значение амплитуды  высокочастотного напряжения на зазорах  ячеек ЗС находится по формуле:

 

(3.15)

 

 

Синхронное значение анодного напряжения

(3.16)

 

 

 

 

Пороговое напряжение

(3.17)

 

 

 

 

 

Коэффициент                          (3.18)

 

 

 

Коэффициенты:

(3.19)

 

 

 

 

 

 

Угол θ_СР=-d_CР+b_СР=-0.32+0,029=-0,357.

Подставляя полученные величины в уравнение (3.10), найдем напряжение в выбранной рабочей точке, соответствующей рассчитанным параметрам ЗС:

 

 

 

 

Мощность на выходе

 

(3.20)

 

 

 

 

Зависимость вариации фазы в работающем амплитроне определяется выражением:

 

(3.21)

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результаты расчета ЭСФ в  зависимости от анодного тока при  импульсной мощности на входе амплитрона Рвх=9 кВт приведены в таблице 1.

Таблица 1

I0, А	5	7	8	9
UN1, КВ	5,896	6,862	7,298	7,708
PN1, КВт	79,21	107,3	121,3	135,4
UCР, КВ	3,942	4,425	4,643	4,848
U0, КВ	20,92	20,93	20,93	20,94
Δφ,град	61,287	69,67	73,052	76,055

 

Как видно, требуемое значение выходной мощности уже можно получить при  анодном токе I₀=9A и входной мощности P_вх=9 кВт.

 

 

График 1 Зависимость Δφ от I0

 

Таблица 2 Фазоамлитудные характеристики при I0=9A

Pвх,кВт	5	6	7	8	9
Δφ,град	91,113	86,44	82,48	79,06	76,055

 

График 2 Зависимость Δφ от Рвх

 

 

В этом режиме коэффициент ЭСФ по анодному току и преобразования АМ в ФМ соответственно равны:

 

 

(3.22)

 

Динамическое и статическое  сопротивление равны:

(3.23)

 

Мощность на выходе усилителя  при анодном токе 9 А составит:

 

(3.24)

Здесь КПД ЗС принят η_k=0,95.

Относительное изменение мощности на выходе амплитрона при рассогласованной нагрузке (Г_Н=0) и изменении фазы нагрузки от 0 до 2π составляют:

 

 

 

 

 

Здесь коэффициент отражения  от выхода энергии амплитрона принят Г₁=0,1, а затухание в амплитроне d=1.

Рассмотрим обеспечение  заданной стабильности фазы в импульсе.

Спад напряжения на вершине  модулирующего импульса, обеспечивающий заданную стабильность фазы в импульсе в выбранном режиме:

(3.25)

 

Здесь динамическое сопротивление  модуляторной лампы R_M=550 Ом.

Емкость накопительного конденсатора модулятора с частичным разрядом накопителя

 

(3.26)

Изменение входной мощности амплитрона, обеспечивающее заданную стабильность фазы:

(3.27)

 

Затухание ферритового вентиля, обеспечивающее заданную стабильность фазы:

(3.28)

КПД усилителя:

 

(3.29)

 

Средняя мощность, потребляемая от источника питания

 

 

(3.30)

 

Итак, полученных данных достаточно для расчета импульсного модулятора.

4. Расчет задающего генератора

Расчет проведем, используя [1].

Выбираем схему АГ: