Расчет приемника наземной обзорной РЛС

При этом требуемый коэффициент шума N, коэффициент передачи мощности Kp, частота сигнала fс, требуемая ширина полосы пропускания Птр по уровню 3 дБ, характеристики подложки (относительная диэлектрическая проницаемость r, толщина h, тангенс угла потерь tg (, волновое сопротивление подводящей линии Z0, тип циркулятора и его прямые потери Lп, число циркуляций до входа ДПУ а и число циркуляций в ДПУ b известны.

Рабочая частота.

Волновое сопротивление подводящих линий.

Потери пропускания в циркуляторе (в дБ).

Число циркуляций до входа ДПУ.

Число циркуляций в ДПУ.

Требуемый коэффициент шума.

Резонансный коэффициент усиления, включая потери в циркуляторе, (в децибелах).

Требуемая полоса пропускания по уровню 3 дБ.

Относительная диэлектрическая проницаемость.

Толщина подложки.

Тангенс угла потерь.

Требуется выбрать параметрический диод и определить напряжение постоянного смещения Uсм, реальные коэффициент шума Nн и ширину полосы пропускания П0, значения холостой частоты fх и частоты накачки fн, сопротивление источника сигнала, приведенное к зажимам параметрического диода Rс, мощность генератора накачки Рн, геометрические размеры МПЛ.

Для обеспечения стабильности параметров ДПУ при изменениях импеданса цепей источника сигнала (например, антенны) и нагрузки (например, смесителя) в качестве ферритового циркулятора применим пятиплечный циркулятор, построенный на основе трех Y-циркуляторов. В таком циркуляторе потери сигнала до входа ДПУ равны

На столько же ослабляется усиленный сигнал, проходящий из ДПУ к выходу циркулятора.

Следовательно, собственно ДПУ без циркулятора (точнее, с идеальным циркулятором) с учетом заданных параметров должен иметь коэффициент шума

Резонансный коэффициент усиления ДПУ:

В децибелах

В разах

Выберем параметрический диод.

Данные параметрических диодов приведены в таблице 5.

Таблица 5.

Учитывая частотный диапазон, постоянную времени, индуктивность выводов, допустимое напряжение, стоимость выбираем параметрический диод с ТКД структурой 3А410Е. Его параметры:

Индуктивность выводов.

Конструктивная емкость диода.

Максимальная переменная емкость диода при нулевом напряжении смещения.

Постоянная времени диода.

Напряжение, при котором измерена постоянная времени.

Максимально допустимое обратное напряжение.

Контактная разность потенциалов для германиевого диода (название начинается с 1 или Г) -

k = (0.2...0.3).

Для диода из арсенида галлия (название начинается с 3 или А) - k = (1.0...1.2).

Коэффициент типа перехода (для ДБШ n = 2).

Рассчитываем необходимое напряжение смещения для диода структуры ТКД (для ДБШ расчет производят по формуле:

U0 = 3 Uн_обр / 8 + k / k - 1 .

Находим емкость, соответствующую рассчитанному напряжению смещения:

Постоянная времени при рабочем смещении:

Коэффициент модуляции и критическая частота диода (для ДБШ эти параметры вычисляют по формулам:

mмод = ,

fкр = .

Отсюда:

Поправочный коэффициент kc, учитывающий потери в конструкции ДПУ, принимаем равным:

Тогда находим:

Эквивалентная постоянная времени диода с учетом потерь в элементах конструкции ДПУ.

Эквивалентное сопротивление потерь.

Динамическая добротность диода.

Вычисляем оптимальное отношение частот Aопт и соответствующий минимальный коэффициент шума, при этом полагаем, что физическая температура диода равна нормальной температуре окружающей среды, т. е.

Тд = 290 К.

Рассчитанное значение Nпу_мин удовлетворяет требуемому Nпу =? 2.2 дБ.

Определим значение холостой частоты fx. Чтобы получить максимально возможную полосу пропускания ДПУ, не применяя специальных элементов для ее расширения, и упростить топологическую схему ДПУ, в качестве холостого контура используем последовательный контур, образованный емкостью Сп_U0 и индуктивностью выводов Lв диода. Цепь тока холостой частоты замкнем разомкнутым четвертьволновым шлейфом, подключаемым параллельно диоду и имеющим входное сопротивление, близкое к нулю. В этом случае на холостой контур не влияют цепи сигнала и накачки, а также емкость корпуса диода Сд. Резонансная частота этого контура равна частоте последовательного резонанса диода:

Отношение частот

Частота накачки.

Уточненное значение коэффициента шума.

Расчет коэффициента шума ДПУ с полученным значением А дает близкую величину, что и при оптимальном отношении частот Aопт. Этот результат обусловлен тем, что значения А и Aопт близки, а кривая зависимости Nпy {А} имеет тупой минимум.

Теперь можно определить "холодный" КСВ сигнальной цепи ДПУ, который требуется обеспечить для получения заданного резонансного усиления. Также находим требуемое сопротивление источника сигнала Rc, приведенное к зажимам нелинейной емкости в последовательной эквивалентной схеме диода:

Рассчитанные значения КСВ, Rc обеспечивают подбором согласующих (трансформирующих) элементов сигнальной цепи ДПУ, что обычно выполняют экспериментально.

Определим полосу пропускания Ппу, для чего зададимся коэффициентами включения емкости в холостой mвкл_х и сигнальный mвкл_с контуры. Поскольку холостой контур имеет простейшую структуру и реализуется на сосредоточенных элементах диода и четвертьволновом разомкнутом шлейфе, можно ожидать достаточно хорошее включение емкости в контур и принять mвкл_х = 0.5. Сигнальный контур имеет более сложную структуру, так как наряду с элементами холостого контура включает в себя емкость корпуса диода Сд, согласующие шлейфы и шлейф, режектирующий частоту накачки. Поэтому примем mвкл_с = 0.2.

Тогда получим полосу пропускания:

Это значение удовлетворяет заданию (Птр = 80 МГц)

Определим необходимую мощность накачки ДПУ.

Для этого введем график вспомогательного коэффициента q в ЭВМ. Возьмем несколько точек на графике и введем их координаты

Рисунок 5.

По графику для Uнорм при n = 2 находим q и рассчитываем мощность накачки, рассеиваемую в диоде:

Мощность накачки Pнак, подводимая ко входу накачки ДПУ, обычно заметно выше мощности накачки Pнак_д, рассеиваемой в диоде. Это обусловлено неизбежными дополнительными потерями в проводниках и контактных соединениях устройства, а также некоторой утечкой мощности накачки в тракт источника сигнала, например антенны. Эти потери можно учесть с помощью поправочного коэффициента kнак. Его величина при fн < 10ГГц составляет kнак_нч = 1.5, а при fн > 50 ГГц kнак_вч = 2.5.

Для частоты fн интерполяцией значений коэффициента kнак находим:

Определяем мощность накачки, которую необходимо подвести к ДПУ:

Для упрощения тракта накачки (изъятием из него ППФ) и уменьшения тем самым его потерь, что существенно для частоты накачки fн, лежащей уже в диапазоне миллиметровых волн. целесообразно применить генератор накачки на диоде Ганна с волноводным выводом СВЧ энергии с помощью волноводно-микрополоскового перехода. Это необходимо для связи такого генератора накачки с микрополосковой платой. Согласование этого перехода осуществляют подбором диаметра и глубины погружения зонда в волновод и расстояния до его короткозамыкающей стенки.

2.4 Расчет смесителя

В современных радиоприемных устройствах СВЧ в большинстве случаев применяют двухдиодные балансные смесители (БС). Основным их достоинством является способность подавлять шум амплитудной модуляции колебаний гетеродина, что весьма важно для получения низкого коэффициента шума. Наряду с этим БС обладает и другими преимуществами перед однодиодным небалансным смесителем. В частности, БС работает при меньшей мощности гетеродина, имеет повышенную помехоустойчивость к сигналам помех определенных частот и позволяет уменьшить мощность гетеродина, просачивающуюся в антенну.

Схема БС включает две смесительные секции и СВЧ мост (квадратный, кольцевой и др.). К двум плечам моста подключают смесительные секции, а к двум другим подводят соответственно напряжения сигнала Uс и гетеродина Uг.

Работа балансного смесителя основана на равном распределении мощностей сигнала и гетеродина между двумя диодами, но с определенными относительными фазовыми сдвигами, что обеспечивается с помощью СВЧ моста. В результате оказывается, что на выходе смесителя, на промежуточной частоте, преобразованные диодами сигналы имеют одинаковые фазы и поэтому суммируются, а шум гетеродина подавляется, так как он на выходе диодов оказывается противофазным.

Рисунок 6. Схема балансного смесителя.

Произведем расчет балансного смесителя.

Исходные данные:

Рабочая частота f0 = 9370 МГц.

Полоса пропускания радиотракта.

Максимально допустимый коэффициент шума смесителя (в дБ).

Коэффициент шума УПЧ (в дБ).

Коэффициент шума УПЧ (в разах).

Относительная спектральная плотность мощности шума гетеродина (в дБ / Гц).

Промежуточная частота.

Волновое сопротивление подводящих линий.

Постоянная Больцмана.

Стандартная температура.

Выбираем смесительные диоды и определяем их параметры по таблице 6.

Таблица 6.

Используем ДБШ типа 3А111Б. Его данные:

Потери преобразования (в дБ).

Потери преобразования (в разах).

Оптимальная мощность сигнала гетеродина.

Коэффициент шума (в дБ).

Коэффициент шума (в разах).

Выходное сопротивление (минимальное и максимальное значение).

Коэффициент стоячей волны (КСВ).

Максимальная рассеиваемая мощность.

Волновые сопротивления четвертьволновых отрезков МПЛ в выходной цепи секций принимаем равными 20 и 90 Ом ([1] с. 335) соответственно для низкоомных разомкнутых и высокоомных отрезков

Выбираем СВЧ мост. В балансном смесителе, предназначенном для МШДБС, необходимо использовать синфазно-противофазные, т. е. микрополосковые кольцевые мосты. Однако, учитывая относительно неширокую заданную полосу П радиотракта, целесообразно использовать квадратурный двухшлейфный мост со сдвигом смесительных секций друг относительно друга на /4, поскольку с ним можно получить более компактную топологическую схему БС и МШДБС в целом.

В коротковолновой части сантиметрового диапазона волн потери такого моста Lм < 0,1 дБ ([1] с. 335) и ими при дальнейшем расчете БС можно пренебречь. Разбаланс амплитуд моста определим на основе количественных данных о параметрах двух- и трехшлейфных мостов, приведенных в [1] с. 140 и показанных на рисунке.

Полагая частотную зависимость f приблизительно линейной, для П / f0 = 6% найдем (в дБ).

Определим разброс параметров диодов в паре. Для проектируемого БС полагаем диоды подобранными в пары с разбросом rвых согласно формуле:

и разбросом Lпрб, при котором LдБ = 0,5 дБ.

При расчете входной цепи УПЧ за величину выходного сопротивления балансного смесителя принимаем rбс_ср:

Принимаем потери преобразования балансного смесителя:

Шумовое отношение для ДБШ в качестве паспортного параметра не указывается. Для этих диодов величину nш можно определить следующим образом:

Шумовое отношение балансного смесителя принимается равным шумовому отношению смесительного диода:

Рассчитываем суммарную величину потерь L?(в дБ) за счет разбаланса амплитуд моста , разброса потерь преобразования LдБ, и разброса сопротивлений r

По графику определяем коэффициент подавления шума гетеродина (в дБ).

Находим необходимую мощность гетеродина на входе БС, полагая оптимальную мощность гетеродина равной паспортной (Рг_опт = 3 мВт):

Для характеристики уровня выходного шума гетеродина удобно пользоваться понятием удельного шумового отношения гетеродина nг0 (1/мВт), соответствующего относительной величине выходного шума гетеродина, приходящегося на 1 мВт его выходной мощности:

Определим шумовое отношение гетеродина (в Вт):

Рассчитаем коэффициент шума смесителя:

В разах.

В децибелах.

2.6 Расчет усилителя промежуточной частоты:

Одним из возможных вариантов выполнения УПЧ является использование в межкаскадных цепях простых однотипных селективных LC резонансных систем. Эти цепи в усилителях промежуточной частоты необходимы для осуществления частотно-избирательной функции приемника и передачи принимаемого сигнала по возможности с минимальными потерями.

Простейшей межкаскадной цепью в УПЧ может быть одиночный резонансный контур LC, настроенный в резонанс на центральную частоту полосы пропускания усилителя (резонансные УПЧ).

В ходе предварительного расчета для использования в каскадах УПЧ был выбран полевой транзистор КП305А.

Рисунок 9. Схема одного каскада усилителя промежуточной частоты.

Промежуточная частота.

Требуемый коэффициент усиления.

Максимальный коэффициент устойчивого усиления.

Входное сопротивление следующего каскада.

Напряжение питания.

Ток стока в типовом режиме.

Крутизна проходной характеристики транзистора.

Сопротивление сток-исток на промежуточной частоте.

Выходная емкость в схеме с общим истоком.

Входная емкость в схеме с общим истоком.

Сопротивление затвор-исток на промежуточной частоте.

Эквивалентная добротность контура.

Расстройка соседнего канала.

Число каскадов УПЧ.

Электрический расчет каскада

Определяем коэффициент шунтирования контура входным сопротивлением следующего каскада и выходным сопротивлением транзистора, допустимый из условий устойчивости и обеспечения заданной эквивалентной добротности контура

Определяем необходимые конструктивные и эквивалентные затухания контура

что вполне выполнимо.

Находим характеристическое сопротивление контура, принимая коэффициент включения в цепь коллектора (полное включение):

Минимально допустимая эквивалентная емкость контура:

Вычисляем коэффициент включения контура со стороны последующего каскада (эта же величина определяет коэффициент включения контура на вход следующего каскада при автотрансформаторной связи)

Общая величина емкости емкостного делителя при емкостной связи (при автотрансформаторной связи общая величина емкости контура, которую нужно выбрать по ГОСТ):

Величины емкостей делителя:

Выбираем по ГОСТ (округление в большую сторону):

Выбираем по ГОСТ (округление в большую сторону):

Действительная эквивалентная емкость контура с емкостной связью (при автотрансформаторной связи:

)

Так как Сэкв > Сэ, то расчет произведен правильно.

Определяем индуктивность контура:

Характеристическое сопротивление контура после выбора емкостей:

Резонансный коэффициент усиления:

Так как K0 = > Kтр = 20 и K0 = < Kyст = 20.5, расчет произведен правильно.

Задаемся сопротивлением развязки из условия допустимого падения напряжения на элементах фильтрации питающих напряжений Rф = 510 Ом и определяем емкость фильтра:

По ГОСТ:

Пределы изменения частоты.

Избирательность на расчетных частотах для одного каскада.

То же в децибелах.

Рассчитываем избирательность УПЧ по соседнему каналу. Для одиночного контура уравнение характеристики избирательности:

То же в децибелах:

Для n-каскадного УПЧ:

Вычисляем полосу пропускания УПЧ:

Начальное значение индекса переменной.

Уровень, по которому считается полоса пропускания (в дБ).

Отыскиваем значение индекса на границе полосы пропускания:

Полоса пропускания n-каскадного УПЧ:

2.7 Расчет детектора

Для детектирования радиоимпульсов, т. е. для преобразования их в видеоимпульсы, используют последовательные диодные детекторы, выполненные по схеме, приведенной на рисунке.

Рисунок 10. Схема детектора радиоимпульсов.

Отрицательное напряжение видеоимпульсов с выхода детектора поступает на ограничитель, в качестве которого служит первый каскад видеоусилителя с общим эмиттером. В этом каскаде сигналы ограничиваются за счет отсечки коллекторного тока. В таких детекторах часто используют германиевые диоды.

Исходные данные:

Время установления импульсов.

Промежуточная частота.

Резонансное сопротивление контура последнего каскада УПЧ.

Емкость контура последнего каскада УПЧ.

Емкость монтажа (См = (3 ... 5) пФ).

Входная емкость видеоусилителя

Эквивалентная проводимость контура последнего каскада УПЧ (или проводимость нагрузки в случае апериодического УПЧ).

Коэффициент шунтирования контура или нагрузки апериодического каскада детектором (в узкополосных УПЧ надо брать q =??в широкополосных этот коэффициент должен удовлетворять требованиям обеспечения полосы пропускания последнего каскада УПЧ).

Электрический расчет:

Выбираем детекторный диод с малым внутренним сопротивлением Ri, малой емкостью Cд и большим обратным сопротивлением Rобр. Пусть это будет диод типа КД512А с параметрами:

Полная емкость конденсатора нагрузки.

Емкость конденсатора нагрузки.

Сопротивление нагрузки.

Текстовые сообщения:

Проверяем соотношение:

После этого определяем коэффициент передачи Kд и динамическое внутреннее сопротивление Riд по кривым на рисунке 11, приведенным в [1] c. 369, 372.

При

Рисунок 11.

Отложим это значение на следующем графике на рисунке 12 и получим = 100

Рисунок 12.

Определяем требуемое входное сопротивление детектора:

Вычисляем длительность фронта видеоимпульсов:

3. Литература

1. Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. А.П.Сиверса. М.. Сов. радио, 1976.

2. Горшелев В. Д., Красноцветова З. Г., Федорцов Б. Ф. Основы проектирования радиоприемников. Л., Энергия, 1977.

3. Бобров Н.В., Максимов Г.В., Мичурин В.И., Николаев Д.П. Расчет радиоприемников. М.: Воениздат, 1971.

4. Сафоненков Ю.П. Методические указания по курсовому проектированию радиоприемных устройств на микросхемах. М.: РИО МИИГА, 1983.

5. Екимов В.Д., Павлов К.М. Проектирование радиоприемных устройств. - М: Связь, 1968.

6. Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектронные приборы: Справочник / Под ред. А. В. Голомедова. - М: Радио и связь, 1988.

7. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник. Под ред. Б.Л.Перельмана. - Радио и связь, 1981.

8. Софронов Н.А. Радиооборудование самолетов. - М: Машиностроение, 1993.

9. Горшелев В.Д., Красноцветова З.Г., Савельев А.А., Тетерин Г.Н. Основы проектирования радиоприемников. Л. Энергия. 1967.

10. Функциональные устройства на интегральных микросхемах дифференциального усилителя. Под ред. В.З. Найдерова. М.: Сов. радио, 1977.

11. Проектирование радиолокационных приемных устройств. Под ред. М.А.Соколова. М.: Высшая школа, 1984.

12. Сергеев В.Г. Устройства приема и обработки сигналов. Ч.1. Расчет и проектирование: Учебное пособие. М.: МГТУ ГА, 2001.

13. Микросхемы и их применение / Батушев В.А., Вениаминов В.Н., Ковалев В.Г. и др. М.: Энергия, 1978.

14. Сборник задач и упражнений по курсу "Радиоприемные устройства": Учебное пособие для вузов / Ю. Н. Антонов-Антипов, В. П. Васильев, И. В. Комаров, В. Д. Разевиг: Под ред. В. И. Сифорова - М.: Радио и связь, 1984.

15. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: Справочник. Под ред. А.В.Голомедова. - Радио и связь, 1989.

Страницы: 1, 2, 3