Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

Курсовая работа

по предмету: Радиоприемные устройства систем мобильной связи

на тему: Разработка и расчет радиолокационных приемных устройств

Выполнила:

Марштанова Лилия Александровна

Саратов 2018



Задание на курсовую Работу

Разработать и рассчитать РПрУ РЛС визуального определения объектов с параметрами: частота принимаемых сигналов 9,7 ГГц; длительность импульса 1,7 мкс; нестабильность частоты передатчика 13 МГц; радиальная скорость перемещения объекта, отражающего зондирующие сигналы, относительно РЛС 1 км/с; мощность принимаемого сигнала, отдаваемая антенной РЛС согласованному с ней приемнику, 0,16 пкВт; отношение мощностей С/Ш на выходе линейного тракта приемника 2; необходимое ослабление зеркального канала 24 дБ; частота повторения зондирующих импульсов 1,7 кГц; импульсная мощность передатчика 60 кВт; максимальная мощность передатчика, просачивающаяся через антенный переключатель на вход приемника, 6 кВт. СВЧ-устройство приемника должно быть построено на интегральных микросхемах.



Аннотация

В курсовой работе проведен расчет приемника радиолокационной станции визуального определения. Осуществлены выбор структурной схемы и элементной базы для построения, а также выполнены расчеты основных его параметров и характеристик. Рассмотрены методики расчета его основных параметров и характеристик, различных видов сигналов и диапазона частот.

РАДИОПРИЕМНИК, ГЕТЕРОДИН, ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПРИЕМНИКА, ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ, ШИРИНА СПЕКТРА, АВТОПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, СМЕСИТЕЛЬ, КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА, ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ГЕНЕРАТОР

Объектом исследования курсовой работы являются параметры и характеристики радиоприемного устройства.

Целью данной курсовой работы является: ознакомление с принципом работы супергетеродинного приемника АМ сигналов и его основных узлов, приобретение практические навыков определения параметров и получения характеристик радиовещательного приемника; изучение принципов работы и основных характеристик амплитудных детекторов.

В процессе выполнения работы были рассчитаны и подобраны такие параметры как ширина спектра радиочастот принимаемых сигналов, запас полосы пропускания, необходимый для приема сигналов с учетом нестабильностей и неточностей настройки приемника, доплеровское смещение частоты, полоса пропускания преселектора.



Содержание

Введение

1. Основные принципы функционирования и выбор структурной схемы РПрУ РЛС

2. Расчет основных параметров и характеристик РПрУ

Заключение

Список использованной литературы

Приложения



Введение

Радиолокационный приёмник является составной частью радиолокационных станций, предназначенных для обнаружения, определения координат и параметров движения удаленных объектов (радиолокационных целей). Для извлечения информации используется зондирование пространства радиосигналами, с последующим приемом отражённой от целей электромагнитной энергии, причем информация о целях может содержаться в изменении во времени амплитуды (или отношении амплитуд) и частоты (или спектра) сигналов. Такой способ носит название активной радиолокации с пассивным ответом. Передатчик и приёмник в таких системах, как правило, работают на общую антенну.

Различают РЛС импульсного и непрерывного излучения. В РЛС с непрерывным излучением используются немодулированные и ЧМ колебания. Однако наибольшее применение нашли импульсные приемопередающие радиолокационные станции, излучающие в направлении цели короткие зондирующие СВЧ-радиоимпульсы с фиксированным периодом следования, длительностью импульсов, амплитудой и несущей частотой, что обеспечивает высокую разрешающую способность и точность при измерении дальности. Радиоприемные устройства таких станций служат для приема части энергии излучаемых радиоимпульсов, отраженной от цели.

Радиоприемное устройство состою из антенны, собственно приемника и оконечного устройства. Радиолокационное приемное устройство (РПУ) входит в состав радиолокационной станции (РЛС). В радиолокации под приемным устройством понимают цепи, расположенные между выходами антенны и оконечного устройства, принимающего решение об обнаружении сигнала или опенке eгo параметров.



1. Основные принципы функционирования и выбор структурной схемы РПрУ РЛС

Радиолокационный приемник предназначен для усиления отраженных от целей сигналов и их дальнейшей обработки для выделения полезной информации. Задачей обработки сигналов является обнаружение целей и измерение их параметров. Эта задача усложняется тем, что на работу

РЛС в реальных условиях влияют различные помехи и на вход приемника поступает смесь как полезных так имешающих сигналов. Для полного использования полезной информации необходимо применять оптимальные алгоритмыобработки сигналов. Так как динамический диапазон входных сигналов велик, то ряд операций обработки, в частности предварительную фильтрацию, осуществляют на низком уровне сигналов. Из-за этого трудно разделить блоки приемника, выполняющие только усиление и толькообработку сигналов. Поэтому радиолокационным приемником следует считать ту часть тракта РЛС, которая peaлизует операции как усиления, так и обработки сигналов.Это несколько усложняет схему приемника, но позволяет проводить проектирование РПУ с единых позиций, учитывая последовательное прохождение сигналов через все eгo блоки и взаимное влияние блоков друг на друга. При проектировании структурной схемы РПУ необходимо предусмотреть прежде вceгo устройства, реализующие операции оптимального алгоритма обработки принимаемых сигналов. Кроме тoгo, следует учесть заданные параметры сигналов, амплитуду напряжений, диапазон изменения амплитуд, частоту сигналов и нестабильность этих параметров. Для обеспечения реализации оптимальных алгоритмов при конкретных значениях параметров сигналов в coстав структурной схемы вводят дополнительные устройства, например линейные усилители, преобразователи частоты, схемы АРУ и АПЧ. Кроме тoгo, в составе РПУ могут потребоваться вспомогательные устройства, которые служат для связи РПУ с другими блоками РЛС, например антенные переключатели, устройства синхронизации и связи с оконечными устройствами РПУ.

Радиоприемное устройство состоит из приемной антенны, радиоприемника и оконечного устройства, предназначенного для воспроизведения сигналов. Согласно рекомендации МККР (Международного консультативного комитета по радио) спектр радиочастот делится на диапазоны (табл.1).

Табл.1 Диапазоны радиочастот

По назначению различают приемники связные, радиовещательные, телевизионные, радиорелейных и телеметрических линий, радиолокационные, радионавигационные и др. Связные радиоприемники чаще всего служат для приема одноканальных непрерывных сигналов с амплитудной модуляцией (АМ) (с несущей и боковыми полосами), ОБП (однополосной) и частотной модуляцией (ЧМ) или дискретных сигналов с амплитудной телеграфией (АТ), частотной телеграфией (ЧТ) и фазоразностной телеграфией (ФРТ). В качестве активных элементов каскадов приемников, работающих на частотах 30 кГц - 300 МГц, предпочтение отдается полупроводниковым приборам и многофункциональным ИМС благодаря их преимуществам (малые габаритные размеры и масса; низкие напряжения и токи питания; большой срок службы и механическая прочность). Чувствительность характеризует способность приемника принимать слабые сигналы. Реальная чувствительность равна э.д.с. (или номинальной мощности) сигнала в антенне, при которой напряжение (мощность) сигнала на выходе приемника превышает напряжение (мощность) помех в заданное число раз. Предельная чувствительность равна э.д.с. или номинальной мощности РАн сигнала в антенне, при которой на выходе его линейной части (т.е. на входе детектора), мощность сигнала равна мощности внутреннего шума. Предельную чувствительность можно также характеризовать коэффициентом шума N0 , равным отношению мощности шумов, создаваемых на выходе линейной части приемника эквивалентом антенны (при комнатной температуре Т=290 К) и линейной частью, к мощности шумов, создаваемых только эквивалентом антенны.

Очевидно,

где k=1,38*10-23 Дж/град - постоянная Больцмана;

Пш - шумовая полоса линейной части приемника, Гц;

РАн - мощность сигнала, Вт.

Предельную чувствительность можно также характеризовать шумовой температурой приемника TПр , на которую надо дополнительно нагреть эквивалент антенны, чтобы на выходе линейной части приемника мощность создаваемых им шумов равнялась мощности шумов линейной части.

Очевидно,

.



Откуда

.

Качество воспроизведения сигналов. При прохождении сигналов по цепям приемника возникают частотные, нелинейные и фазовые искажения. Частотные искажения оцениваются «кривой верности воспроизведения», т. е. зависимостью коэффициента усиления от частоты модуляции, нелинейные - коэффициентом нелинейных искажений при заданном коэффициенте модуляции, фазовые - нелинейностью фазовой характеристики.

Искажения импульсных сигналов оцениваются длительностями фронта и среза фф и фс неравномерностью вершины дn , выбросом на вершине b1, выбросом в паузе b2 .

Рис. 1. Структурная схема РЛС с визуальным определением дальности и угловых координат обьектов.



2. Расчет основных параметров и характеристик РПрУ

Проведем расчет основных параметров и характеристик разрабатываемого РПрУ, в соответствии с методикой рассмотренной в работе [2]

1. Так как гетеродин приемника и его источники питания должны быть миниатюрными, то выбираем для гетеродина полупроводниковый генератор на диоде Ганна.

2. Для повышения чувствительности приемника и сужения его полосы пропускания осуществляем автоподстройку частоты гетеродина под частоту передатчика с помощью двухканальной АПЧ.

3. Вычисляем ширину спектра радиочастот принимаемых сигналов

4. Определяем запас полосы пропускания, необходимый для приема сигналов с учетом нестабильностей и неточностей настройки приемника

При этом принимаем

,, ;

Полагая, что нестабильность генераторов на диодах Ганна равна нестабильности генераторов на отражательных клистронах, принимаем (согласно данным таблицы 1) и .

5. Доплеровское смещение частоты равно



)*fc=7,113*104

6. Подсчитываем полосу пропускания преселектора

Ппр=Пс+2*дfc+2*ДFd=2,697*107

7. Для обеспечения устойчивости работы выбираем коэффициент частотной автоподстройки находим полосу пропускания линейного тракта

8. Допустимый коэффициент шума приемника должен составлять

=5,559

9. Такой коэффициент шума в 3-сантиметровом диапазоне волн ()можно обеспечить, используя в качестве однокаскадного УРЧ малошумящий ППУ. Для доказательства правильности этого выбора вычислим коэффициент шума приемника N с таким преселектором.

10. В преобразователе частоты сигнала целесообразно использовать балансный смеситель (БС) на ДБШ с достаточно низким коэффициентом шума, что позволит применить однокаскадную схему ППУ и тем самым упростить схему и конструкцию последнего. Спроектировав микрополосковый БС на ДБШ типа АА112Б, получим следующие данные: f0=9,7 ГГц, Праб/f0=6% ; КР УПЧ =1/Lпрб=0,25; выходное сопротивление rБС ср =270 Ом; мощность, подводимая от гетеродина, Рг= 6мВт; коэффициент шума БС с УПЧ NБС п= 6,1 (7,84дБ); при NУПЧ= 1,6 (2дБ), уровне шума гетеродина mа=-160дБ/Гц и NНЧ=3,4.

В качестве смесителя АПЧ применим микрополосковый БС АПЧ на ДБШ типа АА112Б, характеризуемый следующими данными: мощность сигнала на входе смесителя Pс= 90мВт, мощность гетеродина Pг= 9 мВт; выходное сопротивление rБС ср=270 Ом; сопротивление нагрузки Rр=810 Ом; выходное сопротивление Uр= 1,12 В.

11. В качестве УРЧ используем малошумящий неохлаждаемый ДПУ, в результате расчета которого получаем следующие результаты ( с учетом потерь в циркуляторах): f0=9,7 ГГц; полоса пропускания Ппу= 103МГц, что вполне достаточно; напряжение отрицательного смещения U0= 2,7В; частота накачки fнак= 36ГГц; мощность накачки Pнак= 52мВт; коэффициент шума Nр=NПУ Ц= 2 (2,96дБ); коэффициент усиления мощности КР УРЧ=КР ПУ Ц? 31,5 (15дБ). В ДПУ используется параметрический диод D5147G, для которого максимально допустимые энергия пика импульсная мощность равны WСВЧ=0,2Ч10-7 Дж и Ри max= 100мВт (справочные данные).

В качестве генератора накачки целесообразно использовать полупроводниковый генератор на диоде Ганна с волноводным выводом энергии, как это требуется по результатам проектирования ДПУ (рис. 5.32). По табл.2 выбираем ГДГ типа VSA-9015, работающий на заданных частотах диапазона (26,5-40 ГГц), имеющий выходную мощность Рг вых?100мВт и диапазон электрической перестройки ?fэл=150 МГц.

Для поглощения избыточной мощности генератора накачки и точной установки требуемого уровня мощности накачки между генератором и входом цепи накачки ДПУ следует включить переменный волноводный аттенюатор.

12. Для подавления зеркального канала используем фильтр на входе смесителя сигнала.

13. Из проведенного расчета видно, что полоса пропускания ДПУ весьма широка и ослабление зеркального канала должно быть обеспечено в основном фильтром. Определим обобщенную расстройку зеркального канала при верхней настройке гетеродина.

14. По справочным данным определяем максимальные параметры РЗП 3-сантиметрового диапазона волн: Праб/f0?12%; (Праб=1135МГц для fС=9700МГц); Lпр?1,3дБ; Pи?10кВт; мощность зажигания Pзаж?250мВт; Wи?0,3·10-7Дж; Pпл?60мВт. Учтем, что из всех параметров от полосы Праб зависят только потери приема Lпр, которые в центре полосы Праб меньше, чем на ее границах. По сравнению с полосой Праб=1135 МГц заданную в данном примере полосу частот Ппр=21,086 МГц можно рассматривать как фиксированную частоту в центре полосы Праб. Поэтому для дальнейших расчетов примем потери РЗП Lпр=0,7дБ.

Из сравнения защитных параметров РЗП с допустимыми для параметрического диода видно, что Pзаж>100мВт и Wп>0,2·10-7 Дж. Следовательно, необходима дополнительная защита с помощью диодного ограничителя. Минимально необходимые потери запирания ограничителя Lзап определяем по максимальному из отношений Pзаж/Pиmax=250/100=2,5 и Wп/WСВЧи=0,3/0,2=1,5. Отсюда следует, что Lзап min=2,5 (4 дБ). Для повышения надежности защиты предусмотрим трехкратный запас (на ~5дБ) по сравнению с Lзап min, т.е. примем необходимую величину Lзап=9 дБ.

Используем микрополосковый ограничитель со следующими параметрами: fC=9700МГц, Lпр=0,35дБ; Lзап=13дБ и полосу запирания Праб=398МГц. Суммарные потери приема устройства защиты в виде сочетания РЗП и диодного ограничителя равны:

;



15. Исходными данными для выбора гетеродина являются: рабочая частота fГ0, выходная мощность PГвых и диапазон электрической перестройки частоты Дfэл (механическая перестройка частоты не требуется, так как передатчик работает на фиксированной частоте fC=(9700±10) МГц, причем полоса 20МГц обусловлена влиянием различных дестабилизирующих факторов на частоту передатчика). Кроме того, поскольку проектируемое СВЧ устройство является микрополосковым и малошумящим, гетеродин должен иметь малый уровень амплитудного шума (при расчете БС сигнала принято, что уровень амплитудного шума равен ma=-160дБ/Гц) и должен быть миниатюрным вместе с источником питания.

Последним двум требованиям удовлетворяет полупроводниковый гетеродин на диоде Ганна (ГДГ).

Полагаем, что fГ>fС и fП=fГ-fС=9730-9700=30 МГц. Суммарная мощность гетеродина, необходимая для питания смесителей сигнала и АПЧ равна PГ?=PГС+PГ апч=6+9=15 мВт, и не должна быть менее 15 мВт. Необходимый диапазон электрической перестройки 30 МГц.

На основе исходных данных, используя справочную литературу выбираем ГДГ типа VSX-9011, работающий на частотах диапазона 8-12,4ГГц и имеющий параметры Дfмех=400МГц, Дfэл=60МГц, PГ вых?25мВт; напряжение питания UномГ=10В, ток питания IpГ=0,3А. Механической настройкой надо установить исходную частоту ГДГ в нормальных условиях равной fг=9730МГц. радиолокационный приемник сигнал

Мощность гетеродина распределяем между смесителями сигнала и АПЧ с помощью микрополоскового кольцевого делителя мощности (ДМ). Для гашения избыточной мощности гетеродина и установления необходимой величины PГ на входах смесителей, между последними и выходом ДМ включаем микрополосковые переменные аттенюаторы.

16. Коэффициент шума приемника:



Пренебрегаем потерями в фидере (то есть полагая Kpф=1) и заменим KРпч на K'Рпч.

Таким образом, коэффициент шума на резонансной частоте и на границах полосы фильтра.

Рассчитанная схема преселектора при NУПЧ=2дБ обеспечит и может быть принята.

17. Коэффициент усиления по мощности преселектора:

18. Мощность сигнала на входе УПЧ

19. Напряжение сигнала на входе 1-го каскада УПЧ при согласовании этого каскада со смесителем:

20. Требуемый коэффициент усиления УПЧ:



21. Выбираем для УПЧ транзистор ГТ330Д, имеющий высокую fY21 и малый уровень шума. Из справочных данных видим, что r'бСk=30пс; Сk=2пФ, h21э=в0=80. Вычисляем r'б= r'бСk/Сk=30/2=15 Ом; б0=80/(1+80)?0,99. Выбираем режим IK=3 мА и находим Y-параметры согласно справочным данным: g21=60мСм; b21=60 мСм; |Y21|=84 мСм; g11=2 мСм; b11=4 мСм; g22=0,4 мСм; b22=1 мСм; |Y12|=0,31 мСм.

22. Рассчитываем коэффициент шума 1-го каскада УПЧ в режиме согласования. Для этого находим:

После определяем:

23. Выбираем УПЧ с распределенной избирательностью. Для 1-го малошумящего каскада выбран транзистор ГТ330Д. При fY21=960 МГц он удовлетворяет условию fY21>(2..3)fП. Поэтому используем этот транзистор и для остальных каскадов УПЧ.

Параметры транзистора ГТ330Д для fП=30 МГц и IK=3мА в схеме с ОЭ: g11=2мСм; С11=20 пФ; g22=0,4 мСм; С22=5 пФ; |Y21|=84 мСм; |Y12|=0,31 мСм.

Поскольку требования к избирательности УПЧ не предъявлены, выбираем схему УПЧ с одноконтурными настроенными каскадами и производим расчет.



Вначале определяем устойчивый коэффициент усиления:

Далее находим минимальное число избирательных систем для получения заданного усиления:

Принимаем m=7. Вычисляем параметр a, задав b=0,2, м=1,4:

Для m=7 и находим ш=3,1 и определяем необходимое эквивалентное затухание контуров:

Вычисляем критические значения эквивалентного затухания контуров промежуточных каскадов, приняв d=0,01:



Рассчитаем m2 и CЭ:

Вычисляем коэффициент усиления каскада:

, т.е. каскад не устойчив.

Переходим к каскадной схеме ОЭ-ОБ, поскольку KОК/КУСТ>2. Параметры каскадного соединения: g11=2мСм; С11=20 пФ; g22=0,08 мСм; С22=1,6 пФ; |Y21|=84 мСм; |Y12|=4 мкСм.

Производим перерасчет для каскадного соединения. Определяем устойчивый коэффициент усиления:

Далее находим минимальное число избирательных систем для получения заданного усиления:

Принимаем m=3 и находим ш=1,96 и определяем необходимое эквивалентное затухание контуров:



Вычисляем критические значения эквивалентного затухания контуров промежуточных каскадов, приняв d=0,01:

Рассчитаем m2 и CЭ:

Вычисляем коэффициент усиления каскада:

, т.е. каскад не устойчив. Переходим к режиму фиксированного

усиления, полагая KФ=KУСТ=61.

Вычисляем m2:



Емкость CЭ=7,1 пФ остается без изменения.

Рассчитаем проводимость шунта, подключаемого к контуру:

Переходим к расчету оконечного каскада. Параметры нагрузки УПЧ определяются из расчета детектора радиоимпульсов:

Вычисляем критические значения эквивалентного затухания контуров промежуточных каскадов, приняв d=0,01:

Емкость CЭ=8,84 пФ, то есть такая же что и в промежуточных каскадах. Определяем m2=0,128 применительно к режиму фиксированного усиления с KФ=61 (как и в промежуточных каскадах).

Вычисляем проводимость шунта, подключаемого к контуру оконечного каскада:

Общий коэффициент усиления УПЧ KОП=KОПч·KОKn-1·KОК Н=613=2,3·105.

KОП> KОП T, т.е. усилитель имеет некоторое избыточное усиление, что является допустимым.

Рассчитываем элементы контуров.

Индуктивности катушек (6.38 6.41):

Собственные емкости контуров промежуточных каскадов при Cм=3пФ:

Собственная емкость контура оконечного каскада:

24. Рассчитываем детектор радиоимпульсов. Для детектирования используем диод Д2В с параметрами R=120 Ом, СД=1пФ. Емкость нагрузки С'н=10СД=10·1=10пФ. Емкость конденсатора:

Сопротивление нагрузки:

Находим RН/R=4300/120=35,8. По зависимости коэффициента передачи от отношения RН/R определяем KД=0,83. По кривым для определения входного сопротивления диодного детектора радиоимпульсов по KД определяют отношение Rвх Д/R=20 и Rвх Д=2,4 кОм.

Проверяем RН·СН=4300·10·10-12=4,3·10-8>1/30·106=3,3·10-8.



Заключение

В процессе исследования РПрУ, мы получили практические знания и навыки в области проектирования радиоприёмных устройств. Пробовали и применяли различные способы подхода к выбору структурных схем блоков, узлов и радиоприёмника в целом. Рассчитывали отдельный блок приёмника, что позволило более точно понять работу этого блока, и его вклад в общую работу схемы. Изучили особенности работы радиолокационного приёмника.



Список используемой литературы

1. Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. А. П. Сиверса. Учебное пособие для вузов. М. «Сов. радио», 1976.

2. Головин О.В. Радиоприемные устройства. М. Высшая школа, 1987.

3. Клич С. М. Проектирование СВЧ устройств радиолокационных приемников. М., «Сов. радио», 1973, с. 267.



Приложения

Приложение А

Таблица А.1



Рисунок А.2_ Нормированные частотные характеристики преселектора приемника сантиметровых волн в виде полосового фильтра из n связных контуров

Рисунок А.3_ Зависимость коэффициента передачи и динамического внутреннего сопротивления Rд диодного детектора от соотношения Rн/Ri



Рисунок А.4_ Кривые для определения входного сопротивления диодного детектора радиоимпульсов

Размещено на Allbest.ru