Проектирование приемника РЛС

Введение

Радиолокационный  приёмник  ( РЛП )  является  составной  частью  радиолокационных станций (РЛС), 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.

 

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 (рис.1.1,а), что обеспечивает высокую разрешающую способность и точность при  измерении  дальности. Радиоприемные устройства (РПрУ) таких станций служат для приема части энергии излучаемых радиоимпульсов,  отраженной от цели. Отраженные импульсы (рис.1.1,б) поступают на вход приемника с временным сдвигом Dt_D = 2R/c, где R – расстояние до объекта. Измеряя Dt_D, можно судить о расстоянии до цели, а узкая диаграмма направленности антенны позволяет определить направление на объект.

 

Огибающие радиоимпульсов:

а) излучаемых антенной; б) отраженных от цели

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор параметров зондирующего импульса

F = 10 ГГц (3 см)   -  частота заполнения импульса

R = 50 миль   -  дальность обзора РЛС

Частота вращения антенны – 20 об/мин

Геометрические  размеры антенны : d_аг = 1,8 м d_ав = 0,3 м

Т_обз = 3 сек

Эффективная площадь антенны : S = 0,5 * d_ав * d_аг = 0,5 * 1,8 * 0,3 = 0,27 м²  

Коэфицент направленного действия (КНД) : D = 4π * S/λ²  =  4π * 0,27/0,03² = 3770 

Угол раскрыва главного лепистка диаграммы направленности антенны :

Y_ант = 60 * λ / d_аг =60 * 0,03 /1,8 = 1⁰ 

 

Т_изл > 2*R/C > 0,533 * 10 ^-3  c –период повторения импульсов

Пусть Т_изл = 0,55 мс  следовательно F_имп = 1 / Т_изл = 1875 - частота повторения импульсов

Время облучения  цели (1⁰) : t_обл = Т_обз * Y_ант / 360 = 0,0083 =8,3 мс

Количество  импульсов приходящих на одну цель (1⁰) :

N_имп = t_обл * F_имп = 0,0083 * 1875 = 15,625 ≈ 15

Длительность  импульса : τ_имп = Т_изл  / Q = 1 * 10^-6  ( при Q = 550 )

Полоса  пропускания СВЧ тракта : П > 1/ τ_имп = 1000000 = 1 МГц .

 

 

Временная и спектральная диаграммы  сигнала на выходе линейной части  РПрУ

 

Временная и спектральная диаграммы  видеоимпульсов на выходе детектора  РПрУ

 Расчёт и определение параметров  структурной схемы  РПрУ

 

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

 

Z_А = R_А = R_ф = 50 Ом

Т_А - абсолютная шумовая температура антенны.: Т_А =290 ⁰ К.

Т_пр - шумовая температура приёмника : Т_пр = 100 ⁰ К.

 

Т_ш = Т_а + Т_пр ≈ 400 ⁰ К

Вт

Напряжение на входе детектора  должно быть 1 В, коэфицент по напряжению :     раз

Коэфицент усиления по мощности : раз ( K_P≈100 дБ )

Функциональная схема РПрУ

Входная цепь (ВЦ)

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  УРЧ. При этом  вход  и  выход  входной   цепи  должны быть согласованны 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.

 

В сантиметровом  диапазоне можно использовать кооксиальные и полосковые линии представляющие собой отрезки линии.

Достоинство таких входных цепей является высокая добротность и жёсткость конструкции.

Обычно  потери вносимые в резонансную линию  много превосходят её собственные  потери поэтому резонансную линию  можно считать идеальной, без  потерь.

 

 

 Гц

 

 

Пусть П = 2*10⁶  Гц

 

 нФ

 см

- коэфицент трансформации

Так как проводимости антенны и  нагрузки (входное сопротивление  УРЧ) одинаковы то m = 1 следовательно l₁ = 0,75 см

Усилитель радиочастоты (УРЧ)

Транзистор включается в разрыв микрополосковой линии передачи 1. При этом напряжение питания и смещения подаются на сток и затвор через два обруча МПЛ 2 и 3 образующих фильтр.

 

 

Используется транзистор Siemens CFY2O :

F_опт = 12 ГГц

K_ус = 10 дБ

K_ш = 1 дБ

U_си = 3 В

U_зи = -2,5 В

I_aс = 5 мА

P_рас = 50 мВт

Z_вх = 10 Ом

 

Для согласования с МЛП используется четырёхволновой трансформатор

 

 

 Ом

Для более точной настройке к  трансформатору подсоединяется шлейф 4 . В цепи стока сопротивление  не очень отличается от W₁ = 50 Ом , поэтому сопротивления уравновешиваются изменением длины шлейфа 6 и его расстояния от стока транзистора .

 

Питание E₁ = -10 В, на затвор транзистора требуется подать -2,5 В

 А – ток ветви,

 Ом

 Ф

 Ом

 

Питание E₂ = 10 В, на транзистор требуется подать 5В.

На резисторе  R3 падение напряжения должно быть 1 В ( U_R3 = 1 )

 Ом

Для развязки по питанию требуется  что бы сопротивление резистора R2 было в 10 раз больше сопротивления конденсатора С2,

 Ф

С=800 пФ

тогда на резисторе R₂ падение напряжения должно быть 4 В ( U_R2 = 4 )

 Ом

Сопротивления разделительных конденсаторов  должно быть 1 Ом :

 Ф

Смеситель

Балансный диодный преобразователь, цепи преобразователя выполнены  из металлической плёнки, нанесённой на поверхность диэлектрической  пластинки. Поверх полосковой структуры наложена диэлектрическая пластина и обе пластины помещены между металлическими поверхностями.

 

Балансный преобразователь СВЧ

 

 

 

Диод 2PS79SB62 :

g_пр = 0,21 См - прямая проводимость диода

g_обр = 0,05 мкСм - обратная проводимость диода

Θ = 90⁰ - угол отсечки

 

Постоянные составляющие проводимости :

 См

См

Коэфицент передачи по напряжению должен быть не меньше -5 дБ ( 0,56 раз ).

 раз

Коэффицент передачи по мощности :

 

Пусть сопративление R₁ = 50 Ом , следовательно R₂ = 15 * 50 = 750 Ом

Оптимальные коэфиценты трансформации  согласующих трансформаторов :

На входе смесителя используется полосковый трансформатор :

Волновое сопротивление линии :

 см

 

Большинство элементов оптимальная частота в диапазоне от 30 до 70 МГц, поэтому по этому f_пр можно принять 70 МГц .

Требуемая частота гетеродина вычисляется по формуле :

 

Фильтр сосредоточенной  селекции (ФСС)

ФСС требуется для подавления второго зеркального канала, входного сигнала и сигнала гетеродина.

ФСС : XS-80503

Входное / выходное сопротивление : 50 Ом

Входная ёмкость : 20 пФ

Ослабление в полосе задерживания : 40 дБ

Ослабление в полосе пропускания : 5 дБ

 

Коэфицент усиления от антенны до ПУПЧ должен быть больше 1, для этого  требуется один усилитель радиочастоты, дБ.

Усилитель промежуточной частоты (УПЧ)

В качестве ПУПЧ можно использовать кремниевый биполярный усилитель  S593T , усилитель представляет собой транзистор с цепью задающую режим работы.

К_р = 19 дБ – коэфицент усиления по мощности

К_ш = 1 дБ – коэфицент шума

R_вх/ R_вых = 50 Ом – входное / выходное сопротивление

E_пит = 5 В – напряжение питания

I_тр = 20 мА – ток транзистора

Схема включения транзистора

 

Питание 10 В, на транзистор требуется подать 5В.

На резисторе R₂ падение напряжения должно быть 1 В ( U_R2 = 1 )

 Ом

Для развязки по питанию требуется  что бы сопротивление резистора  R2 было в 10 раз больше сопротивления конденсатора С3,

С3=30 пФ

тогда на резисторе R₂ падение напряжения должно быть 4 В ( U_R2 = 4 )

 

 Ом

Для подавления помех по высокой  частоте используется дроссель, реактивное сопротивление должно быть больше чем  в 10 раз к сопротивлению транзистора, пусть Z_L = 10 КОм.

 Гн

 

Сопротивления разделительных конденсаторов должно быть 1 Ом :

 нФ

Усилитель промежуточной частоты (УПЧ)

В качестве ПУПЧ можно использовать кремниевый биполярный усилитель  S868T , усилитель представляет собой транзистор с цепью задающую режим работы.

К_р = 29 дБ – коэфицент усиления по мощности

К_ш = 2,9 дБ – коэфицент шума

R_вх/ R_вых = 50 Ом – входное / выходное сопротивление

E_пит = 5 В – напряжение питания

Максимальный коэфицент усиления достигается при напряжении на втором затворе U_З1 = 4 В

 Минимальный коэфицент усиления достигается при напряжении на втором затворе U_З1 = 1 В.

 

Схема включения транзистора

 

Питание 10 В, на транзистор требуется подать 5В.

На резисторе R₁ падение напряжения должно быть 1 В ( U_R1 = 1 )

 Ом

Для развязки по питанию требуется что бы сопротивление резистора R2 было в 10 раз больше сопротивления конденсатора С3,

С3=30 пФ

тогда на резисторе R₂ падение напряжения должно быть 4 В ( U_R2 = 4 )

 

 Ом

Для подавления помех по высокой  частоте используется дроссель, реактивное сопротивление должно быть больше чем в 10 раз к сопротивлению транзистора, пусть Z_L = 10 КОм.

 Гн

 

Временная автоматическая регулировка усиления (ВАРУ)

 

Временная регулировка усиления требуется для того что бы зондирующий сигнал отражённый от

 

близкорасположенного объекта  не перегружал систему.

Длительность излучения τ_и = 0,5 мс, тогда τ_и = 0,25 мс, пусть R2 = 50 Ом,

 Ф

Развязка создаёт падение напряжения U = 1В,

на резисторе R3 напряжение должно быть 1 В, при R3 = 50 Ом R4 = 450 Ом.

Ом

 

При подаче напряжения от триггера на фильтр ( R2C2 ) напряжение на выходе возрастает медленно. К концу приёма (“пачки импульсов”) сигнала, на затвор транзистора ( ND2012L ) подаётся напряжение -2,5 В , кторый открывается и конденсатор С2 быстро разряжается. Резисторы R3 и R4 создают напряжение на выходе 1 В.

Автоматическая регулировка усиления (АРУ)

 

Устройство (АРУ) формирующее управляющий сигнал

 

Для детектора можно использовать диод МД3 :

С = 1 пФ

R = 200 Ом

“τ” должно быть 5 периодов сигнала т.е. нс

Пусть R5=R6 = 2 КОм , Ф

Резисторами R1 = 90 Ом ,R2 = 170 Ом ,R3 = 600 Ом ,R4 = 900 Ом, задаётся режим работы транзистора ( ND2012L ).

При напряжении ( шума ) 1В на выходе создаётся напряжение 4 В, при повышении напряжения

( сигнал ) до 1,4 В регулирующее напряжение падает до 1 В .

Детектор

Для детектирования требуется двухполупериодный детектор коротких импульсов.

 

 

 

Для детектора можно использовать диод МД3 :

Сопротивление нагрузки 1КОм, следовательно R = 1/1000 = 450 Ом,

постоянна времени  нс,

Ф

 

 

Список литература

 

1. Радио-приёмные устройства : О.В.Головин.
2. Проектирование высокочастотных узлов радиоприёмных станций : В.И.Власов, Я.И.Берман.
3. Полупровод-никовые СВЧ устройства : Ю.Л.Хотунцев.
4. Радио-приёмные устройства : Н.И.Чистяков.
5. Конспект лекций.