Радиолакационный приемник

где T₀ – стандартная температура приёмника Т₀=290 К;

      Т_А – абсолютная шумовая температура антенны. 

      По графику зависимости шумовой температуры идеальных приемных антенн от частоты (рис 1.4 [3]) находим: Т_А =180 К. 

t_a=180 / 290 = 0,62 

 

2.2.2 Расчет коэффициента шума

 

      Первые  каскады приемника в значительной степени определяют его чувствительность. Для обеспечения высокой чувствительности требуется применение одного каскада УРЧ после ВЦ.

      Реальная  чувствительность приемника определяется его коэффициентом шума.

      Оценим  коэффициент шума линейного тракта РПрУ, после чего решим вопрос о  необходимости УРЧ в составе  радиотракта.

      Коэффициент шума радиотракта без использования УРЧ: 

 

Все коэффициенты шума ориентировочно берём из таблицы 1.3 [3]:

      Ш_вц = 1,3      

      Ш_урч = 1,5     

      Ш_пч = 5         

      Ш_упч = 10

      К_вц = 0,8

      К_урч = 10

      К_пч = 5 (при использовании транзисторного ПЧ) 

 < Ш_доп = 31,198 

      Поэтому сделаем вывод, что наличие  УРЧ  в этой схеме проектируемого приемника необязательно.

2.3. Распределение усиления между каскадами

 

      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.

      Общее усиление радиотракта определяется, с одной стороны, необходимым напряжением на входе детектора, а с другой заданной чувствительностью приемника. Обычно оно принимается с 2-или 3-кратным запасом: 

       , 

где  R_А – активное сопротивление антенны (75 Ом);

      U_пр – амплитуда сигнала на выходе УПЧ;  

На входе  детектора надо обеспечить U_пр = 0,2...0,5 В

        

      Как уже было изложено выше, примем коэффициент  передачи по мощности К_пч = 5

      Остальное усиление достигается за счет УПЧ: 

К_УПЧ = К₀/(К_ВЦ∙К_ПЧ) 

К_УПЧ = 68465

2.4. Расчет селективности

 

      Селективность по зеркальному каналу обеспечивается с помощью частотно-избирательной входной цепи, а по соседнему каналу – с использованием двух одиночных контуров: на выходе преобразователя частоты и на выходе УПЧ.

      Селективность по зеркальному каналу: 

 

      Принимаем d_эс = 0,006 

 

      Эквивалентное затухание одиночных контуров: 

 

      Селективность по соседнему каналу: 

 

Полагаем, что Df_ск = П = 9,929 МГц; n=2, тогда: 
 
 

2.5. Распределение искажений

 

      При рассмотрении такой характеристики РПрУ, как допустимый уровень частотных и временных искажений сигнала, остановимся на наиболее существенном для приемников импульсных сигналов показателе – искажениях переднего фронта импульса. Распределение искажений этого вида по каскадам РПрУ можно выразить в величине времени установления переднего фронта импульса и записать следующим образом: 

 

      Искажения, вносимые входной цепью незначительны  и составляют: 

 0,0016 мкс 

      УРЧ является инерционным звеном, поэтому  искажения, вносимые им, довольно велики:  

 

      Искажения, вносимые преобразователем частоты, составляют: 

0,04 мкс 

      Наибольшие  искажения переднего фронта радиоимпульсов вносятся детектором из-за шунтирования выходного контура УПЧ входным  сопротивлением детектора: 

0,12 мкс 

      Оставшееся  искажение переднего фронта импульса вносится сравнительно узкополосным УПЧ. Определим допустимые искажения, приходящиеся на один каскад УПЧ: 

2.6. Проектирование ЧАПЧ

 

      Принципиальная  схема частотной АПЧ приемника: 

 

      В системе АПЧ используем частотный детектор на расстроенных контурах с последовательным резонансом. В частотном детекторе используем диоды VD2 и VD3. Чтобы последующие цепи не шунтировали нагрузку ЧД, на его выход ставится эмиттерный повторитель, в качестве которого используем микросхему К2УЭ182 (биполярный эмиттерный повторитель). Т.к. уровни сигналов на выходе ЧД велики, видеоимпульсы после эмиттерного  повторителя необходимо усиливать в раздельных каналах. После пиковых детекторов полученные регулирующие напряжения складываются для формирования результирующей характеристики ЧД. Применяются параллельные пиковые детекторы (VD4 и VD5). В качестве видеоусилителей, к которым должны подсоединяться пиковые детекторы, используем интегральные схемы К2УИ181(импульсный усилитель на положительную полярность) и К2УИ182(импульсный усилитель на отрицательную полярность). Чтобы исключить шунтирование нагрузок пиковых детекторов входным сопротивлением цепей управления гетеродином, после пикового детектора установим истоковый повторитель на полевом транзисторе КП102Л.

2.7. Выбор видеоусилителя

 

      В видеоусилителях на транзисторах применяют  схемы с общим эммитером, так как они обеспечивают наибольшее усиление.

      Исходными данными для расчета являются:

• необходимый коэффициент усиления К_ВУ =100;
• время установления импульса  t_у = 0,4 мкс;
• длительность импульса t = 1,6 мкс.

Выбираем транзистор:

         (1.4 / )

         6,2 МГц – граничная частота 60 КГц.

      Выбираем  транзистор ГТ309А:

       = 100-300.

2.8. Выбор гетеродина

      Исходные  данные для выбора гетеродина:

• рабочая частота  ;
• требуемая выходная мощность Р_Гвых;
• диапазон перестройки по частоте;
• шумовые характеристики.

      Так как гетеродин приемника и  его источники питания должны быть миниатюрными, целесообразно использовать полупроводниковый гетеродин на диоде Ганна (ГДГ).

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

• диапазон рабочих частот f_Г, ГГц 4...8
• 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

      Диоды Ганна изготавливают на основе монокристаллов или эпитаксиальных пленок арсенида галлия. В зависимости от выбранного режима работы и параметров, длина образцов составляет от 5мкм до 1мм, а площадь сечения 2,5∙10^-5 – 10^-2. Необходим хороший омический контакт, обладающий линейной вольт-амперной характеристикой и малым сопротивлением по сравнению с сопротивлением объема образца.

      Диоды Ганна включают в линии передачи и резонаторы, перестраиваемые по частоте.

      Коэффициент полезного действия генераторов зависит от режима работы и составляет от единиц до 20%. В отдельных генераторах η≈30%. В импульсном режиме на частоте 7,0 ГГц получена мощность 2,1 кВт при η=4%, на частоте 100 ГГц – около 100 мВт при η=5%.

      Генераторы  на диодах Ганна перестраиваются по частоте изменением либо параметров резонаторов, либо напряжением питания. Механическую перестройку можно производить в широких пределах при условии плавного перехода из одного режима работы в другой. Кроме того, возможна перестройка с помощью варакторов, ферритов, железоиттриевого граната и магнитного поля. Электронная перестройка частоты изменением напряжения питания в резонансных режимах работы мала и составляет 5-20 МГц/В. Эта перестройка связана с изменением емкости домена.

      В микрополосковой конструкции диод 1 включен между основанием и полосковым проводником. Для стабилизации частоты используется высокодобротный диэлектрический резонатор 4 в виде диска из диэлектрика с малыми потерями и высоким значением ε (например, из титаната бария), расположенного вблизи полоскового проводника МПЛ шириной ω. Конденсатор 5 служит для разделения цепей питания и СВЧ тракта. Напряжение питания подается через дроссельную цепь 2, состоящую из двух четвертьволновых отрезков МПЛ с различными волновыми сопротивлениями, причем линия с малым сопротивлением разомкнута. Использование диэлектрических резонаторов с положительным температурным коэффициентом частоты позволяет создавать генераторы с малым уходом частоты при изменении температуры (~40 кГц/⁰C). 

        

      В генераторах на диодах Ганна с  полосковой и микрополосковой конструкцией используют электрическую перестройку частоты. Наиболее распространенным методом такой перестройки является включение варактора в колебательную систему гетеродина. Варактор представляет собой диод с нелинейной емкостью, величина которой изменяется при изменении  отрицательного смещения U_ОВ на нем. Таким образом изменяют резонансную частоту колебательной системы и осуществляют электрическую перестройку частоты. Достоинством такого метода перестройки является практически полное отсутствие потребление тока по цепи управления частотой. В схему генератора варактор можно включать последовательно или параллельно СДГ. Колебательная система ГДГ включает в себя все реактивные элементы ДГ и варактора, а также настроечно-согласующую секцию, состоящую в выходной линии и разомкнутого параллельного шлейфа длиной l_ШЛ. Цепь СВЧ от цепей постоянного тока развязывают режекторные фильтры РФ.  

 

      Эквивалентная схема на диоде Ганна с последовательным включением варактора для перестройки частоты.

2.9. Проектирование входной  цепи

 

      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 смесителем. 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.