Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Определение основных качественных показателей и выбор структурной схемы РПУ

2. Проектирование и расчет УПЧ

3. Расчет чувствительности РПУ определяем по формуле

4. Определение качественных показателей структурных узлов схемы

5. Проектирование СВЧ блока

6. Конструкция приемника

Заключение

Список литературы



Введение

Курсовая работа посвящена рассмотрению основ проектирования и построения усилителей мощности СВЧ диапазона. Стимулом к разработке данной темы послужил тот факт, что к настоящему времени техника СВЧ обладает наибольшими перспективами развития в самых разнообразных отраслях науки и производства.

Актуальность данной работы обусловлена в первую очередь высокой перспективностью работы на СВЧ: ширина этого диапазон частот в 105 раз превышает сумму всех диапазонов, используемых «обычной» радиотехникой и электротехникой. Роль диапазона СВЧ непрерывно возрастает в связи с бурным развитием самых разнообразных областей науки и техники - радиолокации, радиоуправления, связи, телевидения, промышленной электроники.

Сверхвысокочастотные приборы широко используются в ракетной и атомной технике и во многих областях физических исследований. Освоение космического пространства, нарастающее использование электроники СВЧ в ряде областей народного хозяйства и медицине потребуют в будущем еще более широкого применения техники и приборов сверхвысоких частот.

В настоящее время разработаны и успешно эксплуатируются различные системы передачи информации СВЧ диапазона: радиорелейные линии, системы космической связи «Орбита», «Экран», «Москва» и тому подобное, системы непосредственного телевещания диапазона 12ГГц, системы космической навигации, службы погоды и так далее.

Важными компонентами этих систем являются широкополосные усилители (ШУ), работающие в качестве предварительных усилителей, усилителей промежуточных частот (ПЧ), видеоусилителей и т.д.



1. Определение основных качественных показателей и выбор структурной схемы РПУ

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.

Эту структурную схему алгоритма необходимо преобразовать в структурную схему устройства, технически реализующий данный алгоритм. Для этого требуется заменить все логические операции техническими устройствами, которые реализуют соответствующие логические операции.

В качестве Фо применяют линейные фильтры, построенные на пассивных элементах. Технически проще реализовать фильтр Фо на промежуточной частоте (ПЧ). Для этого в схему РПУ перед Фо вводят преобразователь частоты, содержащий смеситель и гетеродин (СМ) и (Г) . В качестве квадратичного детектора (КД) применяют амплитудный детектор (АД).

Пороговое устройство (ПУ) заменяют решающим устройством, а пороговое напряжение Uп задают исходя из вида критерия обнаружения. Для обеспечения работы РПУ в реальных условиях, когда параметры сигнала изменяются, в состав структурной схемы вводят такие устройства, как устройства автоматической подстройки частоты (УАПЧ), автоматическую регулировку усиления (АРУ) и т.д.

Так как используется одна антенна на прием и передачу сигналов, для этого в схему введем антенный переключатель (АП).

Для увеличения чувствительности и избирательности по зеркальному каналу перед смесителем включен усилитель высокой частоты (УВЧ) и входная цепь (ВЦ). Для обеспечения работы в динамическом диапазоне входных сигналов в состав РПУ включают устройство временной автоматической регулировки порога (АРП). Для частотной автоподстройки в схему вводят смеситель (СМ2) и усилитель промежуточной частоты (УПЧ2), различитель (РЗ) и управитель (У). Сигнал от передатчика (ПРД) через делитель мощности подают на СМ2 . В схему вводят АП.

Сигналы с выхода КД подают на видеоусилитель (ВУ), а затем на индикатор (ИНД), с помощью которого оператор РЛС осуществляет визуальное наблюдение. Общую синхронизацию осуществляют с помощью синхронизатора импульсов (СИ), которые запускают ПРД, ИНД и схему ИАРУ.

Расчет основных параметров структурной схемы.

Исходные данные:

Рабочая частота 17.5Ггц

Коэффициент шума 6

Суммарная нестабильность частоты радио линии 10 Е-7

Чувствительность ?

Ширина спектра сигнала 710Кгц

Будем искать шумовую полосу пропускания приемника и исходя из значения допустимого коэффициента шума. Выберем типы каскадов.

Полоса пропускания приемника, необходимая для приема сигнала, складывается из полросы энергетического спектра одиночного сигнала,

2fд max - полосы, учитывающей доплеровское смещение частоты и Пнс- запас полос частот для учета нестабильности и неточной настройки.

Ппр=Пс+Пнс+(2fд max)

Пс- ширина спектра сигнала .

Пс= 0,71 Мгц

Пнс= 2fс fнс

fнс- суммарная нестабильность частоты радио линии.

Пнс= 21.7510Мгц10= 3.5 Кгц

Примем максимальную скорость цели Vmax= 600, тогда

2fд max= 22Vmaxfc

2fд max= 2260017500/ 310= 0.14 Мгц

Ппр= 710+ 140+ 3.5= 853.5 Кгц

Т.к. Пнс / Ппр 0.1- 0.2, то в состав РПУ можно не включать систему АПЧ.

Шумовая полоса пропускания приемника:

Пш= Ппр1.1 = 853.51.1= 940 Кгц

Шп= 6

Исходя из этого, выясним нужно ли использовать УВЧ.

При его отсутствии Шп= Шпч + Шупч-1

Крпч

где Шпч- коэффициент шума преобразователя частоты.

Шупч- коэффициент шума УПЧ (усилителя промежуточной частоты).

Крпч- коэффициент передачи по мощности ПЧ.

Шпч= 3.5- 10 (для балансного ПЧ на п/п диоде).

Шупч= 1.5- 2(для малошумящего транзистора).

Крпч= 0.1-0.5(для малошумящего транзистора).

Шп= 5+(2-1)/0.5= 7 ШпШпдоп

Значит в схему необходимо ввести усилитель высокой частоты (УВЧ).

Т.к. Шпдопдостаточно мал, то в качестве УВЧ используют диодный параметрический усилитель на полупроводниковом диоде без охлаждения.

В качестве преобразователя частоты (ПЧ) можно использовать балансный ПЧ на полупроводниковом диоде.

2. Проектирование и расчет УПЧ

Коэффициент усиления по мощности преселектора.

К= КККрурч КрКрпч:

Где К=0.9, Курч =30; К ККрпч- соответственно определяем по вычисленным ранее значениям ранее затуханиям сигналов

в этих устройствах.

К= 1/L

Lузп= 0.8дб =1.21 К=0.825,

Lупзк= 0.66дб = 1.16 Кр= 0.85,

L пч = 6дб = 4 Крпч = 0.25.

К= 0.9= 56.5дб.

2)Мощность сигнала на входе на входе УПЧ при чувствительности Рап=15.510Вт, составит:

Р= 15.5105 = 77.510.

3)Напряжение сигнала на входе 1-го каскада УПЧ, при согласовании этого каскада со смесителем, равно:

Uвхп= ,

где g= Zм(ом)- входная проводимость транзистора, который будет использоваться в УПЧ. Для УПЧ используют биполярные транзисторы.

В качестве транзистора выбираем ГТ 309А (по таблице приложения 4[2]), т.к. 0.3= 27Мгц. = 90 Мгц и выполняется условие (2-3).

Параметры ГТ 309А:

= 120Мгц, 0.3= 27Мгц, = 30 мА/В, g= 2 мСм, С= 70пф, g= 6мкСм, С= 8пф, С= 2пф, h= 50, Nм= 5дб, Iкбо= 2мкА.

4)Требуемый коэффициент усиления:

Ко= Uвых/Uвх п,

где Uвых - выходное напряжение ПЧ, равное входному напряжению детектору (0.01в).

5)Для обеспечения избирательности по соседнему каналу применяют фильтр сосредоточенной селекции (ФСИ) на ПЧ, т.к. ФСИ может дать лучшую избирательность, чем УПЧ с распределенной избирательностью. При этом каскад УПЧ содержит каскад с ФСИ, который обеспечивает требуемую избирательность и ряд апериодических или слабоизбирательных каскадов, создающих основное усиление на ПЧ.

Исходные данные:

= 35Мгц- промежуточная частота,

П= 710Кгц- полоса пропускания,

=20дб- ослабление соседнего канала.

Рис. 1 Принципиальная схема каскада с ФСИ.

6)Определим величину :

= ;

где - промежуточная частота,

собственное затухание контура,

П- полоса пропускания УПЧ.

d = 0.004, П = 1Мгц.

= = 0.38

Задаемся числом звеньев и в качестве начального приближения выбираем n= 4.

8)Находим ослабление на границе полосы пропускания, обеспечиваемое одним звеном:

Sеп1= Sеп/n, где Sеп- ослабление на границе полосы пропускания.

Sеп = 3дб.

Sеп1=3/4 = 0.75

9)По графикам рис.6.4 (стр.284[2]) для = 0.38 и Sеп1= 0.75 находим параметр .

= 0.83.

Определим разность частот среза:

= = 1.4Мгц/0.83 = 1.7Мгц.

11)Определим вспомогательные величины yи :

y= ;

= ;

y= 2/1.7= 1.65; = 0.260.83 = 0.2

12)По графику рис.6.3 находим для = 0.2 и y= 1.65:

S= 8дб.

13)Определяем расчетное ослабление соседнего канала, задавшись величиной :

S= n,



где S- ухудшение избирательности из-за рассогласования фильтра с источником сигнала и нагрузкой.

S= 48дб - 3дб = 29 дб20дб.

14)Для расчета элементов фильтров зададимся величиной номинального характеристического сопротивления: Wo= 10кОм.

15)Вычисляем коэффициенты трансформации по формулам:

m=

m=

Wog= 1010610 = 0.081,

Wog= 1010210 = 201 ;

16)По графикам (рис.6.6) стр.287[2]) определяем коэффициент передачи ФСИ для n= 2, = 0.2

Кпф= 0.65.

17)Рассчитаем коэффициент усиления каскада с ФСИ:

Коф= 0.5m mWoКпф

Коф= 0.510.20301010100.65 = 20.

Для требуемого усиления (140000) необходимо 4каскада. Тогда коэффициент усиления составит 160000. Превышением можно пренебречь.

Рассчитываем элементы, образующие звенья ФСИ.



Где m- соответствует коэффициенту трансформации m, - коэффициент связи (0.7-0.9)

3. Расчет чувствительности РПУ определяем по формуле

РА=КТоПш,

Nп-коэффициент шума приемника; Nп =3.

Тогда РАр = 1.38=5вт.

Ослабление по зеркальному каналу - 30дб.

Ослабление по соседнему каналу - 29дб.



4. Определение качественных показателей структурных узлов схемы

В предыдущем разделе установлено, что для получения необходимого коэффициента шума в тракт РПУ необходимо ввести УПЧ.

Рассчитаем чувствительность приемника.

Рап=NoRТоПш

где R=1,3810Дж/град.

Пш- шумовая полоса линейной части приемника (Гц).

То- температура шумов в антенне.

No- коэффициент шума.

Рап= 62001,381094010= 15.510Вт.

Рассчитаем коэффициент передачи тракта РПУ.

Детектор работает при малых напряжениях.

Допустим, Uвых= 0.1В

Определим напряжение на входе УВЧ (Uвх).

Примем Rвх(УВЧ)= 500 Ом.

Uвх ш=

Uвх ш= = 2.810В

Коэффициент передачи линейного тракта:

Кус= = 3.610



Если коэффициент шума УВЧ = 1.3 табл.6.2 [1], то

Шп= Шувч+ [(Шпч-1)/Крувч] +[(Шупч-1)/КрувчКрпч, где

Шп- коэффициент шума РПУ,

Шувч- коэффициент шума УВЧ,

Шупч- коэффициент шума УПЧ,

Крувч, Крпч- коэффициент передачи по мощности УВЧ и ПЧ.

Шп= Шувч+ [(Шпч-1)/Крувч] +[(Шупч-1)/КрувчКрпч

Шп= 1.3 + 9/ Крувч + 10/ Крувч = 3

Значения (Шпч-1) и (Шупч-1) выбраны по таблице 6.2 [1].

Крувчmin = 20.

Достаточный коэффициент передачи УВЧ: Кувч = 6.

На УПЧ происходит основное усиление. Рассчитаем коэффициент усиления для УПЧ.

Кпч0.8, Кувч= 6.

= Кпч Кувч Купч.

Купч= / Кпч Кувч = 8/6.08 = 1.6

Теперь предварительно установим, сколько каскадов усиления будет иметь УПЧ.

Купч= ( К1упч ),

где n- число каскадов .

n = log к1упч К упч

К 1упч 20 для fпч = 35 Мгц и ПС = 0.8 Мгц

n = log20 1.610= 4

Предварительно число каскадов УПЧ- четыре.

В супергетеродинных приемниках частотная избирательность определяется в основном ослаблениями частотного зеркального и соседнего каналов. Ослабление по зеркальному каналу обеспечивает преселектор, а соседнего канала - УПЧ.

Ослабление по симметричному каналу заданно: 20дб.

Требования к избирательности по симметричному каналу не высокие, поэтому в УПЧ как фильтры распределенной избирательности, так и фильтры сосредоточенной избирательности.

Итак, ВЦ- входная цепь, входящая в состав структурной схемы РПУ, представляет собой устройство защиты приемника от просочившихся сигналов. частота радиолиния преселектор зеркальный

Для обеспечения необходимого коэффициента шума в схему в качестве УРЧ вводится усилитель на параметрическом диоде, на который нагружен полосно-пропускающий фильтр, или устройство подавления зеркального канала. Преобразователь частоты состоит из смесителя и гетеродина. Преобразователь частоты преобразует частоту сигнала на промежуточную частоту fпч=35 Мгц (по Т.З.), на которой происходит основное усиление сигнала. Демодулятором служит АД (амплитудный детектор), за которым включается видеоусилитель. Для подстройки частоты гетеродина используется устройство частотной автоподстройки (УЧАП).

Рис. 4 Структурная схема проектируемого РПУ.



5. Проектирование СВЧ блока

В блок СВЧ входят: АП, УВЧ, УЗП, УПЗК, СМ, гетеродин.

Проектирование 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.

При большой импульсной мощности сигнала АП строится по следующей схеме: ферритовый циркулятор, газовый разрядник, диодный резонансный СВЧ- ограничитель.

Циркулятор- устройство, обладающее следующими свойствами: при подаче сигнала на плечо 1 циркулятора, выходной сигнал появляется в плече 2 с очень малым ослаблением (0.2- 0.5Дб), в то время как он в плече 3 он существенно ослабляется (13-25Дб). Аналогично при поступлении в плечо 2 сигнала, он появляется в плече 3 и не проходит в плечо 1.

В АП сигнал от передатчика поступает на плечо 1 циркулятора Ц1 и через плечо 2 поступает в антенну. Лишь небольшая часть мощности сигнала проходит на плечо 3 и через циркулятор Ц2 попадает на вход разрядника ограничителя (ГР). Разрядник создает в линии передачи практически короткое замыкание и СВЧ сигнал, отражаясь от него в направлении к циркулятору Ц2 поглощается в согласованной нагрузке Rн, чем достигается защита УВЧ от выжигания. Процесс зажигания ГР в начале каждого импульса возникает с задержкой 10с. В течении этого времени через ГР проходит значительная энергия СВЧ колебаний. Выделяющаяся энергия СВЧ может вывести из строя или необратимо ухудшить параметры диодов СВЧ. Для предотвращения этого после ГР ставится резонансный СВЧ ограничитель, включаемый в основную линию через отрезок линии длиной L=/4. Ограничитель представляет собой параллельное соединение разомкнутого емкостного шлейфа С1, последовательного соединения ограничительного диода Д и коротко замкнутого шлейфа L2 (рис.6).

Отраженный от цели сигнал поступает из антенны на плечо 2 Ц1, затем на плечо 3, а после на плечо 1 Ц2 и через его выходное плечо 2 на ГР. Мощность сигнала недостаточна для зажигания ГР. Прямые потери сигнала в ГР составляют 0.3- 1.5Дб. Для дальнейших расчетов примем коэффициент передачи ферритового переключателя = 0.9.

Рис.5. Функциональная схема антенного переключателя и устройство защиты приемника.

Рис. 6. Эквивалентная схема СВЧ- ограничителя.

Проектирование и расчет устройства подавления зеркального канала.

В качестве УПЗК используются полосно - пропускающие фильтры (ППУ). Микроминиатюрный ППФ можно создать если в качестве резонатора использовать ферритовый образец из монокристалла железоиттриевого граната (ЖИГ) в виде обычно весьма малой, отполированной сферы. Сфера ЖИГ, помещенная в магнитное поле, в котором СВЧ поле и внешнее поле от электромагнита взаимно перпендикулярны, в силу физических свойств ферритов, резонирует на частотах ферромагнитного резонатора, равной :

= 3.5110Ho [Мгц],

где Ho - напряженность внешнего магнитного поля -[A/M].

Изменяя Ho можно в широких пределах перестраивать резонансную частоту.

Исходные данные для расчета:

рабочая частота - 17.5 Ггц.

Полоса пропускания Ппр = 710Кгц.

Полоса заграждения Пз = 4= 140Мгц

Рассчитаем требуемую напряженность внешнего магнитного поля Ho:

= 3.5110Ho Ho =

Ho == 510А/M

2.Для ферритовой схемы выбираем монокристалл ЖИГ с шириной линии ферромагнитного резонанса Н = 40А/M и намагниченностью насыщения ферритовой сферы Мо =1.410А/M.

Определяем ненагруженную добротность ЖИГ резонатора:

Qo = = = 11325



3.Находим необходимое число резонаторов фильтра:

n = (Lз + 6)/20lg(Пз/Ппр)

n = = = 0.5

Примем n=1.

4.Требуемая внешняя добротность ЖИГ резонатора обусловленная каждой петлей связи:

Qвн о = (fo/Пз)ant lg[(Lз + 6)/20];

Qвн о =(17500/140)ant lg[(20+6)/20] = 441

5.По рис. 4.33 [2] определяем для Qвн о = Qвн 1 = Qвн 2 - требуемые внешние добротности каждой петли связи.

Qвн450 требуемый радиус петли связи в этом случае:

r = 3rсф, а rсф = 0.6 мм. r =1.8 мм.

Таким образом определены необходимые данные для конструирования ЖИГ резонаторов и петель связи, выполненных из ленточного проводника шириной 0.4 мм.

6.По формуле : Ппр/=1/ Qвн о, уточняем полосу пропускания двухрезонаторного ППФ:

Ппр = 17500Мгц/450 = 39Мгц.

7.По формуле Lo = 4.34 n Qвн о/ Q о рассчитываем потери на резонансной частоте:



Lo =4.34/11325 = 0.34дб.

Пологаем потери рассеяния на границах полосы пропускания, согласно Lo гр = 2.5 Lo = 0.85 дб.

Тогда суммарное затухание фильтра на границе полосы пропускания :

Lгр = 1+0.85 = 1.85дб.

Проектирование и расчет преобразователя частоты.

Наиболее важными требованиями, предъявляемыми к электрическим параметрам смесителей СВЧ, является: минимальный коэффициент шума, достаточная полоса рабочих частот, минимальная мощность гетеродина.

Балансные смесители обладают некоторыми преимуществами перед однодиодными небалансными смесителями. Балансный смеситель (БС) работает при меньшей мощности гетеродина, имеет повышенную помехоустойчивость и позволяет уменьшить мощность гетеродина, прсачивающуюся в антенну. Однако можно использовать однодиодный небалансный смеситель.

Исходные данные:

fo = 17.5Ггц - рабочая частота.

Шпч10 необходимо применить балансный ПЧ.

fпч = 35Мгц - промежуточная частота.

1.Выберем смесительные диоды и определим их параметры по таблице 7.1 [2].

Используем тип ОБШ АА112Б в микростеклянном корпусе, имеющем, при Рг = 3мВт, потери преобразования Lпр 6дб, шумовое отношение = 0.85, rвых сд = 490...664 Ом и Fнорм 7дб,

2.Проектирование топологической схемы смесительной секции.

Выбираем схему с согласующим короткозамкнутым шлейфом перед диодом. Волновое сопротивление четвертьволновых отрезков МПЛ в выходной цепи секции принимаем для низкоомных и высокоомных отрезков соответственно 20ом и 90ом.

Рис.9 Топологическая схема микрополосковой смесительной секции с согласующими короткозамкнутым шлейфом lшл перед диодом:

1- короткозамкнутый отрезок МПЛ для компенсации реактивной составляющей полной проводимости на входе отрезка l1.

2 - диод в стеклянном корпусе.

3 - низкоомный разомкнутый четвертьволновый шлейф.

В балансном смесителе, предназначенном для малошумящего двухбалансного смесителя необходимо использовать синфазно- противофазные, т.е. микрополосковые кольцевые мосты. Однако учитывая относительно неширокую заданную полосу (Ппр= 853.5), целесобразно использовать квадратурный двухшлейфовый мост со сдвигом смесительных секций друг относительно друга на , поскольку с ним можно получить более компактную топологическую схему БС и МШДБС в целом (см. Рис.10).

Рис.10. Топологическая микрополосковая секция малошумящего двухбалансного смесителя.



СД - однофазный делитель мощности пополам в виде Т соединения линий с согласующим четвертьволновым трансформатором на входе.

КД - квадратурный делитель мощности пополам в виде квадратурного СВЧ - моста с согласованной нагрузкой в неиспользованном плече.

6. Конструкция приемника

Основной задачей конструирования приемника является обеспечение работоспособности устройства с параметрами заложенными в его электронный расчет.

Необходимо добиться такого взаимного расположения каскадов и узлов на печатной плате, чтобы минимизировать паразитные связи; обеспечить жесткость конструкции, корозийной и стойкости устройства; обеспечить удобство управления, контроля, ремонта и транспортировки; уменьшить габаритные размеры и массу; согласовать конструктивно приемник с аппаратурой, с которой он работает.

Для уменьшения паразитных связей необходимо тщательно продумать размещение каскадов. Используют размещение схемы `в линейку', либо `по периметру.

Для обеспечения жесткости конструкции печатные платы крепятся на прочном основании. В профессиональных устройствах, имеющих блочную конструкцию такие рамы в виде кассет вставляются в кожухи.

При использовании приемника в тяжелых климатических условиях отдельные элементы и блоки помещают в специальные герметические кожухи.

Проектирование внешнего вида приемника является одной из важнейших задач и должно производиться в содружестве с художником. Форма и расположение ручек управления влияет на работоспособность оператора.



Заключение

В ходе выполнения курсового проекта мною были выполнены следующие расчеты: расчет УПЧ, расчет чувствительности РПУ. А также: определение основных качественных показателей и выбор структурной схемы РПУ, определение качественных показателей структурных узлов схемы, проектирование СВЧ блока, конструкция приемника.



Список литературы

1. Щварц Н.З. Линейные транзисторные усилители СВЧ. М: Советское радио,1980. 368с.

2. Вилсов Л.Д., Кириллов В.А. Транзисторные передатчики СВЧ. СПб: СПбГУАП, 1980. 82 с.

3. Шапиро Д.Н. Основы теории и расчета усилителей высокой частоты на транзисторах. М.: Сов. радио, 1962.

Размещено на Allbest.ru