Устройства приема и обработки сигналов. 2

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное общеобразовательное автономное учреждение

« Уральский федеральный университет имени первого президента России Б.Н.Ельцина»

ИРИТ-РТФ

Кафедра Радиоэлектроники информационных систем

 

 

 

РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ПРИЕМНИК

(вариант  № 2)

Курсовой проект

По дисциплине Устройства приема и обработки сигналов

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Номер зачетной книжки 09761902

 

Выполнил	студент группы Р-47061 Даниленко К.А.
Преподаватель	Марков Ю.В.
	дата

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург, 2011

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Задание на проектирование

 

Тип приемника	Радиолокационный
Диапазон принимаемых частот,	1200 МГц
Чувствительность,	6∙10-12 Вт
Длительность импульса, tи	1,4 мкс
Время установления импульса, tуст	0,3 мкс
Коэффициент различимости (сигнал/шум)	1,0
Диапазон рабочих температур	-50ºС ÷ 50ºС

 

 

Условные обозначения

 

АД – амплитудный детектор;

АП – антенный переключатель;

АПЧ – автоподстройка частоты;

АРУ – автоматическая регулировка усиления;

АЧХ – амплитудно-частотная характеристика;

БП – биполярный транзистор;

ВАХ – вольт-амперная характеристика;

ВУ – видеоусилитель;

ВЦ – входная цепь;

ВЧ – высокие частоты;

ГДГ – гетеродин на диоде Ганна;

ДБШ – диод на барьере Шотки;

ЕСКД – единый стандарт конструкторской документации

ИМС – интегральная микросхема;

КЗ – короткое замыкание;

КСВ – коэффициент стоячей волны;

ЛАХ – логарифмическая амплитудная характеристика;

НЧ – низкие частоты;

ПТ – полевой транзистор;

ПТШ – полевой транзистор на барьере Шотки;

ПФ – полосовой фильтр;

ПЧ – преобразователь частоты;

РЗП – разрядник защиты приемника;

РЛП – радиолокационный приемник;

РЛС – радиолокационная система;

РПрУ – радиоприемное устройство;

РЭА – радиоэлектронная аппаратура;

СВЧ – сверхвысокие частоты;

УЗП – устройство защиты приемника;

УПЧ – усилитель промежуточной частоты;

УРЧ – усилитель радиочастоты;

ФАПЧ – фазовая автоподстройка частоты;

ФСИ – фильтр сигнальных импульсов;

ФЧХ – фазочастотная характеристика;

ЧАПЧ – частотная АПЧ;

ЧД – частотный детектор.

 

Введение

 

Активные радиолокационные станции облучают объект (самолёт, корабль и т.д.) радиоволнами и определяют его параметры (координаты, корабль и т.д.), принимая отраженную от объекта энергию радиоволн. Поэтому радиолокационный приемник является частью РЛС и работает от общей приемопередающей антенны. Различают РЛС импульсного и непрерывного излучения. Сейчас наиболее широко применяются импульсные РЛС. Расстояние от импульсной РЛС до объекта измеряют по времени прохождения этого расстояния и обратно зондирующими радиоимпульсами:

Направление на объект определяют, вращая остронаправленные антенны и сравнивая интенсивности отраженных сигналов при различных положения антенны.

Работе приемника РЛС могут мешать:

1) Просачивание энергии зондирующих  сигналов передатчика;

2) Отражения от предметов, окружающих  РЛС или объекты наблюдения;

3)Организованные  помехи.

4)Пульсации  отраженных сигналов.

Проектирование согласно ЕСКД включает в себя составление технического задания, технического предложения, эскизного и электрического проектов.

При эскизном проектировании решаются следующие вопросы:

- выбор и обоснование структурной схемы приемника;

- расчет сквозной полосы пропускания приемника;

- выбор первых каскадов приемника;

- выбор электронных приборов для высокочастотного тракта;

- распределение усиления между трактами приемника;

На этапе рабочего  (электрического) проектирования выполняется электрический расчет функциональных узлов и отдельных каскадов, составляется принципиальная схема приемника в целом.

 

Эскизное проектирование

 

1. Выбор структурной схемы приемника

 

 

Рис1. Структурная  схема радиолокационного приемника: АП – антенный переключатель, См – смеситель, Г – гетеродин, УПЧ – усилитель промежуточной частоты, Д – детектор, БВС – блок видеосигналов, АРУ – автоматическая регулировка усиления.

Радиолокационный приемник предназначен для усиления отраженных от целей сигналов и их дальнейшей обработки для выделения полезной информации. Радиолокационные приемники обычно выполняются по супергетеродинной схеме с однократным преобразованием частоты. На вход приемника поступает смесь полезных сигналов и помех. Для полного использования полезной информации необходимо применять оптимальные алгоритмы обработки. При проектировании структурной схемы РПрУ необходимо предусмотреть устройства, реализующие операции оптимального алгоритма принимаемых сигналов.

Для обеспечения работы РПрУ в реальных условиях, когда параметры сигнала изменяются, в состав структурной схемы вводят такие устройства, как устройства автоматической подстройки частоты, автоматическую регулировку усиления.Так как используется одна антенна на прием и передачу сигналов, для этого в схему введем антенный переключатель.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  и входная цепь.Затем с преобразователя частоты спектр сигнала переносится на промежуточную частоту (для удобства последующих преобразований).После преобразователя сигнал фильтруется в ФСИ, усиливается в УПЧ и подается на вход амплитудного детектора, где происходит выделение информационной (НЧ) составляющей. Сигналы с выхода АД подают на видеоусилитель, а затем на индикатор, с помощью которого оператор РЛС осуществляет визуальное наблюдение. При выборе схемы линейного тракта следует учитывать необходимую полосу пропускания, которая влияет на показатели всех каскадов и элементов приемника.

2. 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

 

 

 

 

3. Расчет сквозной полосы пропускания радиоприемника

 

Полоса пропускания Пвысокочастотного тракта приемника определяется шириной спектра сигналов , нестабильностью частот настройки узлов приемопередающего тракта и доплеровским смещением частоты .

 

Промежуточная частота выбирается  из  условия:

fпр>(10...20)/tи =14/1,4×10-6=10 МГц. Промежуточная частотаfп выбирается в интервале 30…120 МГц, при этом для устойчивого детектирования радиоимпульсов период промежуточной частоты должен составлять не более 0.05 tи(0,07 мкс), т.е., чтобы за время импульса уложилось не менее 20 полных периодов колебаний. Это условие необходимо для того, чтобы импульс на промежуточной частоте имел благоприятную форму, с достаточно крутыми фронтами.

В РЛП миллиметрового и сантиметрового диапазонов промежуточная частота равна либо 30, либо 60 МГц . Выберем  промежуточную  частоту  из  стандартного  ряда:fп= 30 МГц ( период 0,033мкс). Чем выше промежуточная частота, тем точнее работает система АПЧ и легче подавляются зеркальные шумы, но с другой стороны при большой промежуточной частоте сложнее добиться устойчивого коэффициента усиления каскада.

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

= (0,8..1,4)/tуст@ 1/0,3 мкс=3,33 МГц

При верхней настройке гетеродина fп= - fг , тогда fг= 1170 МГц.

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);

= 12 МГц ; 

, следовательно придётся использовать  частотную автоматическую  подстройку  частоты  ( ЧАПЧ )  или фазовую  автоподстройку частоты (ФАПЧ).

Доплеровское смещение частоты , где с – скорость распространения радиоволн; ωр = 1200 м/с – радиальная скорость перемещения объекта, отражающего зондирующие сигналы относительно РЛС.

 

При использовании ЧАПЧ полоса пропускания приемника:, следовательно необходимо выбрать так, чтобы =3,7 МГц

 

4. . 
   Выбор структуры радиотракта

 

Первые каскады приемника в значительной степени определяют его чувствительность. Для обеспечения высокой чувствительности требуется применение, как правило, одного каскада УРЧ после ВЦ.

Реальная чувствительность приемника определяется его коэффициентом шума N.

В отсутствие и при наличии УРЧ имеем соответственно:

;

.

Учитывая, что коэффициент шума усилителя , а преобразователя частоты , где - паспортное значение коэффициента шума транзистора (используется безразмерная величина), рассчитываем значение коэффициента шума приемника без УРЧ и при наличии УРЧ. Эта величина сравнивается с допустимым коэффициентом шума, обеспечивающим заданным :

.

Здесь Вт/Гц; - шумовая полоса, Гц; γ - допустимое отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе линейного тракта приемника (т.е. до демодулятора).

При определении отношения сигнал / шум γ на входе демодулятора (выходе линейного тракта) приходится учитывать несколько факторов. Прежде всего, на выходе приемников разных типов для работы оконечного аппарата требуется различное отношение сигнал / шум:

для радиолокационных приемников ─ γ = 10 (10 дБ).

Решение о необходимости применения УРЧ принимается на основе требования

.

Однако в случае высоких требований по подавлению зеркального канала допускается применение УРЧ и в том случае, когда по соображениям достижения заданной чувствительности УРЧ не является необходимым.

Сопротивление антенны обычно принимают равным 
300 Ом.

Выбор первых каскадов определяется допустимым коэффициентом шума приемника, который рассчитывается по заданной чувствительности. При этом возможны следующие основные варианты:

– схема начинается с диодного или транзисторного смесителя;

– в схему вводится транзисторный усилитель радиочастоты;

–применяется параметрический усилитель без охлаждения или с охлаждением.

Расчет рекомендуется начать с наиболее простого первого варианта. В случае диодного смесителя коэффициент шума приемника рассчитывается по формуле

N = NУПЧ/KФKРKС ,

где NУПЧ = 2NТр (NТр─ коэффициент шума первого транзистора УПЧ, обычно порядка 3…5 дБ),KФ = 0,9; KР = 0,7…0,8; Kс = 0,2…0,3 ─ соответственно коэффициенты передачи (по мощности) фидера, разрядника и смесителя. Если рассчитанный коэффициент шума не превышает допустимого, полученного на основе заданной чувствительности, на этом варианте и останавливаются.

 

 

 

т.к. N<Nдоп, то в УРЧ нет необходимости.

 

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.

Усиление определяется необходимым напряжением на входе детектора и заданной чувствительностью приёмника.

Поскольку детектор, скорее всего, будет на диоде Д9Б, то минимальное необходимое напряжение.

Обычно усиление принимается с 2- или 3-кратным запасом, где

Rа – сопротивление антенного тракта на входе приёмника 75 Ом;

Pа – заданная чувствительность приёмника, Ра=6∙10-12 Вт.

Общий коэффициент усиления К0=50031,14=5∙104 (≈94 дБ).

Усиление согласно структурной схеме будет производиться в блоке УПЧ.

В приемниках коэффициент усиления преселектора Кпр можно найти из выражения:

,

где КВЦ – коэффициент передачи входной цепи; КУРЧ – коэффициент усиления одного каскада УРЧ и m – число каскадов УРЧ. Наш преселектор УРЧ не имеет. Следовательно, .

В приемниках с фиксированной настройкой коэффициент передачи входной цепи можно рассчитать по формуле:

, где dэр – затухание контуров входной цепи, а В=0,01 для одноконтурной входной цепи.  Тогда: .

Коэффициент передачи  смесителя  на полупроводниковом диоде обычно имеет  величину порядка 0,1…0,2. Остальное усиление достигается за счет УПЧ:

 

6. Оценка динамического диапазона

 

Изменение амплитуд сигналов и помех в реальных условиях может достигать 80 дБ и более. При увеличении амплитуд возникает перегрузка тракта радиочастоты, сопровождающаяся искажениями сигналов. Отношение максимально допустимого напряжения входного сигнала Uа.д. к чувствительности приемника Uа.о. характеризует его динамический диапазон.

. Чтобы расширить динамический  диапазон, используют электронные  приборы с большим линейным  участком ВАХ и АРУ.

  Оценка динамического диапазона  производится следующим образом. Оценивается мощность шума, приведенная  к входу приемника

,

где П – отношение полосы пропускания приемника к полосе 1 Гц, N – безразмерный коэффициент шума приемника. Тогда:

Производим расчет для балансного смесителя на полупроводниковых диодах:

АВХ = АВЫХ – G,

где АВХ и АВЫХ имеют размерность дБм, а G – коэффициент передачи каскада (по мощности), дБ.

Пусть Авых = -20дБм

G=-7 дБ

АВХ = -20+7=-13дБм,

Динамический диапазон:

.

 

7. 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:

, приdэс=0,006

Эквивалентное затухание одиночных контуров:

 

Селективность по соседнему каналу:

Полагаем:                Dfск= П=1,1 МГц, n=2, тогда:

 дБ

 

8. 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:

 

Искажения, вносимые входной цепью незначительны и составляют:                     

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

Искажения, вносимые преобразователем частоты, составляют:

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

 

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

 

9. Структурная схема РПрУ

Рис 2. Структурная схема РПрУ:АП – антенный переключатель, ВЦ – входная цепь  , См – смеситель, Г – гетеродин, УПЧ – усилитель промежуточной частоты, Д – детектор, БВС – блок видеосигналов, АПЧ – автоподстройка частоты.

 

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 согласованы 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 :

- частотная  селекция  принимаемых  сигналов   для   уменьшения  помех  на нерабочей  частоте.

- подавление  зеркального  канала.

- защита  1-ого  каскада  приёмника  от  перегрузки  и  повреждения   мощностью СВЧ сигналов, поступающих  в  приёмник  на  рабочих  частотах .

Преобразователь частот (смеситель) РПрУ РЛС часто выполняется на диодах по балансной схеме. Для балансных смесителей на диодах с барьером Шотки потери сигнала в сантиметровом и миллиметровом диапазоне составляют соответственно  5÷8 и 6÷10 дБ, а коэффициент шума - 6÷9 и 7÷12 дБ, что неприемлемо в нашем случае из-за отсутствия УРЧ в составе радиотракта.

  В сантиметровом диапазоне используют  ПЧ на биполярных транзисторах, которые обладают  коэффициентом усиления 3÷12 дБ и коэффициентом шума  1,7÷4,6 дБ. Однако лучшие характеристики во всем СВЧ диапазоне имеют ПЧ на полевых транзисторах, так как в более широком  диапазоне 1÷15  ГГц они обеспечивают усиление 8÷12 дБ прикоэффициенте шума  1,1 ÷ 3,5 дБ. К преимуществам смесителей на ПТ можно отнести более простые цепи смещения по постоянному току и более высокую температурную стабильность. Поэтому используем транзисторный преобразователь частоты на полевом транзисторе с барьером Шотки, усилительные и шумовые свойства которого, в основном, и определят чувствительность РПрУ.

Основное усиление в РПрУ обеспечивается усилителем промежуточной частоты. Схемотехника каскадов этого устройства разнообразна, однако, заметно упростить  приёмник позволяет применение в качестве усилительных элементов аналоговых интегральных микросхем.

  Основныетребования, предъявляемые  кУПЧ, это малый  коэффициент шума идостаточновысокийкоэффициент усиления, а кроме того, он должен обладать широким динамическим  диапазоном, линейной ФЧХ и равномерной АЧХв рабочем  диапазонечастот, хорошо согласован, обладать  высокой  надёжностью.

  В настоящее время в наибольшей  мереэтим требованиям  удовлетворяют  УПЧ на интегральных микросхемах. УПЧ с логарифмической амплитудной характеристикой, который наилучшим образом выполняет усилительные функции при широком динамическом диапазоне входных сигналов, реализуем на ИМС.

Детектор  импульсных сигналов. При детектировании импульсных сигналов различают два вида: пиковое и импульсное детектирование. В первом  случае  определяется только  амплитуда импульсов, качество же воспроизведения формы их огибающей играет второстепенную роль.

В нашем случае  импульсного детектирования необходимо воспроизвести огибающую каждого поступающего на детектор радиоимпульса. Для этого обычно применяется диодный детектор, постоянная величина времени (RC) нагрузки которого выбирается достаточно  большой,  так,  чтобы в течение времени между радиоимпульсами напряжение на выходе не успевало заметно снизиться, а изменялось по закону огибающей последовательности радиоимпульсов. Наличие в схеме детектора реактивных элементов приводит к искажению формы импульсов, т.к.  вызывает переходные процессы, за счет которых увеличивается  время установления tу и время спада tсп импульсов на его выходе.  Обеспечение минимальных искажений  формы  импульсов  (tу и tсп) в заданных пределах, является главной задачей импульсного детектора. Желательно при этом получить высокий коэффициент передачи, но не за счет увеличения искажений сверх заданной величины.

Режим работы и параметры схемы импульсного детектора выбирается из условия обеспечения допустимых искажений формы импульсов.

10.   Схемы пикового и импульсного  детекторов аналогичны, отличие только в том, что постоянная времени нагрузки у пикового детектора на два,  три порядка больше, чем у  импульсного. В таких детекторах используют  германиевые диоды. 
    Выбор элементной базы

1. Гетеродин

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;

Выбираем ГДГ типа VSC-9018, имеющий следующие параметры:

 

диапазон рабочих частот fГ,ГГц	1÷2
шаг перестройки: электронной Dfэл,МГц                               механической Dfмех,МГц	50
	200
выходная мощность РГвых , мВт	100
напряжение питания Uпит,В	11
ток потребления I,А	0,5

 

 

2. Преобразователь частоты

На частотах до 7 ГГц в транзисторных преобразователях широко  используются биполярные транзисторы,на более высоких частотах, включая миллиметровый диапазон - полевые транзисторы с барьером Шотки. Имея выбор между БП и ПТШ, предпочтение отдают ПТШ, так как они обладают лучшими  шумовыми и усилительными показателями, поэтому используем транзисторный преобразователь частоты на двухзатворном ПТШ. Для применения в смесителе был выбран арсенид-галлиевый ПТШ  3П328А-5.

Транзистор ЗП328А-5 полевой арсенид-галлиевый планарный с двумя затворами с каналом n-типа и барьером Шотки усилительный с нормированным коэффициентом шума на частоте до 8 ГГц. Предназначен для применения во входных и последующих каскадах малошумящих усилителей в составе гибридных интегральных микросхем. Транзистор выпускается в виде кристаллов с контактными площадками без кристаллодержателя и без выводов. Масса бескорпусного транзистора не более 0,1 г, кристалла – не более 0,0002г.

Исходные данные для расчёта:                        

Частота входного сигнала	fc = 1,2 ГГц; l=25см
Коэффициент шума  транзистора	Штр=1,4
Частота гетеродина	fг = 1,17 ГГц
Электрические параметры Минимальный коэффициент шума 1,4 дБ Оптимальный коэффициент усиления по мощности 15 дБ Крутизна характеристики по первому затвору 8 мА/В Крутизна характеристики по второму затвору 4 мА/В Напряжение отсечки 4 В Ток утечки 1 мкА Предельные эксплуатационные данные UСИ 6 В UЗИ1,2 4 В, 6 В PРАС 50мВт Температура окружающей среды -60÷70ºС

 

Рис 3. Внешний вид и размер 3П328А-5

3. Диод для детектора

 

Для использования в детекторе выбираем детектирующий полупроводниковый диод 1Д402А. диоды германиевые, микросплавные. Предназначены для детектирования высокочастотных сигналов. Выпускаются в стеклянном корпусе с гибкими  выводами. Масса диода не более 0,21 г.

 

fпч = 30 МГц <fд = 40 МГц
Электрические параметры
Iобр	150 мкА
Uпр	0,45 В
Ri	4,5 Ом
Сд	0,8 пФ
Предельные эксплуатационные данные
Iпр	30 мА
Uобрmax	15 В
Температура окружающей среды	-60÷70ºС

 

Рис 4. Внешний вид и размеры 1Д402А

Данные для расчёта:

Частота сигнала  ПЧ	fпч = 30 МГц
Параметры входного контура	Lк=50 нГн Ск = 2 пФ
Допустимые искажения импульса :
Время нарастания импульса tу	0,2 мкс
Время спада импульса tсп	(0,3...0,5)×tи= (0,3...0,5)×1  = 0,3 мкс
UвхДет	0,5 В
Kд	0,8 ÷0,9