Радиолокационный приемник сантиметрового диапазона (стр. 3 из 10)

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 U_Смин до U_Смакс характеризуются динамическим диапазоном сигналов D_С = U_Смин/U_Смакс, который может быть выражен в децибеллах: D_С [дБ] = 20lg(U_Смин/U_Смакс). Для радиолокационных сигналов D_С @ (50...120) дБ [9], однако для РЛС конкретного назначения обычно принимают D_С @ (50..90) дБ, т.к. известны типы целей и пределы изменения дальности.

Структурная схема моноимпульсной РЛС сопровождения

4. Расчёт и определение параметров структурной схемы РПРУ

4.1. Определение эквивалентных параметров антенны

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

Z_А = R_А = R_ф = 75 Ом

Относительная шумовая температура антенны:

t_a=T_A/T₀,

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

Т_А - абсолютная шумовая температура антенны.

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

t_a=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:

П_с= (0,8..1,4)/t_уст @ 1/0,2 мкс=5 МГц

Ширина полосы пропускания линейного тракта П складывается из ширины спектра принимаемого сигнала П_с, доплеровского смещения частоты сигнала f_д и запаса полосы, требуемого для учета нестабильностей и неточностей настроек приемника П_нс:

П=П_с+2Df_д+П_нс

Доплеровское смещение:

Df_д = 2f_сV_ц/с = 2×1,3×10⁹×400/3×10⁸=3,5кГц,

где V_ц- скорость цели относительно антенны РЛС;

с - скорость света в вакууме.

Запас полосы для учёта нестабильностей:

,

где б_с - относительная нестабильность несущей частоты принимаемого сигнала; при использовании в передатчике кварцевой стабилизации частоты несущей можно получить б_с =(10^-5...10^-6)

б_г- 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 б_г=10^-6;

б_пр - относительная погрешность и нестабильность настройки контуров тракта промежуточной частоты, принимаем б_пр=(0,0003...0,003);

б_н - относительная нестабильность частоты, вызванная неточностью настройки контуров гетеродина, б_н = (0,001...0,01);

Промежуточная частота выбирается из условия:

f_пр>(10...20)/t_и =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:

f_пр=30 МГц.

Частота гетеродина: f_г=f_c-f_пр=1,3-0,03=1,27 ГГц .

=

= 13 МГц

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

При использовании ЧАПЧс К_чапч=10 полоса пропускания приемника:

П_ЧАПЧ=П_с+(2Df_д+П_нс)/К_чапч=5×10³+(7+13×10³)/10 @ 6,3 МГц .

При использовании ФАПЧс К_фапч Þ ~ полоса пропускания приемника:

П_ФАПЧ=П_с+(2Df_д+П_нс)/К_чапч=5×10³+(7+13×10³)/~ @ 5 МГц .

П_ФАПЧ не намного уже, чем П_ЧАПЧ, поэтому для упрощения схемы будем использовать ЧАПЧ.

Расчет предельно допустимого коэффициента шума:

где:

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

· П_ш = 1,1×П = 1,1×6,3=6,93 МГц.

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

Ш_доп @ (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=(Ш_вц+(Ш_пч-1)/К_вц+(Ш_упч-1)/(К_вц×К_пч))/К_р.ф.

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

Ш_вц=1,3 К_вц=0,8

Ш_урч=1,5 К_урч=10

Ш_пч=5 К_пч=8 (при использовании транзисторного ПЧ)

Ш_упч=10

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

Þ можно обойтись без УРЧ.

4.4. Выбор гетеродина

Исходные данные для выбора гетеродина:

· Рабочая частота f_г=f_c-f_пр=1,3-0,03=1,27 ГГц;

· Требуемая выходная мощность Р_Гвых;

· 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:

Р_Гвых = (Р_с + Р_апч )×3 = (6+9)×3 =45 мВт;

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

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

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

механической Df_мех,МГц....................200;

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

· напряжение питания U_пит,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 R_А - активное сопротивление антенны;

U_пр - амплитуда сигнала на выходе УПЧ;

Требуемая амплитуда сигнала на выходе УПЧ определяется амплитудой напряжения, необходимой для нормальной работы детектора: U_вых=1В.

Рассчет коэффициента усиления линейного тракта:

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

К_Рпч = 8

Амплитуда напряжения на входе УПЧ :

U_вх= 4Р_вх×R_вх = 2×Р_а×К_вц×К_пч×R_вх = 2×10^-12×0,8×8×10³ = 0,13 мВ.