Проектирование и расчет тракта высокой частоты радиоприемного устройства РЛС 19Ж6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБОРОНЫ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Курсовая работа

ТЕМА

Проектирование и расчет тракта высокой частоты радиоприемного устройства РЛС 19Ж6

Курсанта

Ботяна Александра Борисовича

Введение

Успешное решение задач противовоздушной обороны по уничтожению средств воздушного нападения противника, защите объектов и населения от ударов с воздуха, в том числе и при внезапном нападении, немыслимо без постоянно действующей высокоэффективной системы разведки СВН противника, которым в современной войне отводится большая роль. Применительно к противовоздушной обороне задачи разведки воздушного противника решаются в основном радиолокационными средствами, что обеспечивает большие дальности обнаружения, слабую зависимость от времени суток и погодных условий, высокую точность, разнообразие и незамедлительность получения радиолокационной информации о воздушном противнике.

Освоение средствами воздушного нападения предельно малых высот полета обусловило в 50-х годах выделение особого класса радиолокационных станций, предназначенных, прежде всего, для обнаружения целей, летящих на малых высотах, и формирования маловысотного радиолокационного поля.

В качестве первой РЛС этого класса в 1956 году была принята на вооружение двухкоординатная РЛС дециметрового диапазона волн П-15. В 60-70-х годах с целью комплексирования этих РЛС (для решения задачи измерения третьей координаты, т.е. высоты) были созданы и приняты на вооружение компактные высотомеры ПРВ-9 и ПРВ-16. Именно эти комплексы, т.е. совокупность РЛС П-15 (П-19) и высотомеров ПРВ-9 (ПРВ-16), до 80-х годов и были технической основой маловысотного радиолокационного поля.

В 1981 году для решения задачи совершенствования маловысотного радиолокационного поля была принята на вооружение разработанная конструкторским бюро Запорожского производственного объединения "Искра" трехкоординатная РЛС 19Ж6 (СТ-68У), в которой также широко используется цифровая техника обработки сигналов и радиолокационной информации в целом. Именно РЛС 19Ж6 и ее модифицированный вариант 35Д6 (СТ-68УМ) в настоящее время являются в радиотехнических войсках основными РЛС обнаружения маловысотных целей. Эти станции оснащены встроенными наземными радиолокационными запросчиками системы государственного опознавания.

При интенсивной эксплуатации радиолокационных станций (РЛС) в радиотехнических подразделениях рано или поздно встает вопрос об их ремонте, техническом обслуживании и замене выработавших ресурс комплектующих, включая малоресурсные электровакуумные. В первую очередь тех, что определяют основные тактико-технические характеристики РЛС и комплексов. Большинство РЛС в подразделениях РТВ несут боевое дежурство и подвержены интенсивному износу. В приемных устройствах РЛС в качестве входных усилителей высокой частоты (УВЧ) используются лампы бегущей волны (ЛБВ). Для этих электровакуумных приборов характерны:

- небольшой ресурс (500... 1500 часов);

- постепенное увеличение коэффициента шума в процессе эксплуатации (более, чем в 3 раза в течение гарантийного срока службы);

- необходимость периодической подстройки напряжений питания ЛБВ для минимизации коэффициента шума.

Большинство ЛБВ, эксплуатирующихся в технике ВВС и войск ПВО, разработаны давно и на данный момент устарели.

В связи с этим, в дипломном проекте решается задача разработать твёрдотельный экономичный малошумящий усилитель, который может заменить блок УВ-118-В1 либо работать с ним в параллельном включении, и существенно улучшить тактико-технические характеристики РЛС. Модуль усилителя проектируется таким образом, чтобы его монтаж, подключение и эксплуатация практически не требовали изменений в конструкции приёмника РЛС и позволили бы улучшить технические характеристики РПрУ. Модуль должен иметь коэффициент шума (К_ш) ниже, чем заменяемые им ЛБВ даже в начале их эксплуатации. Причем, в отличие от ЛБВ, коэффициент шума твердотельного модуля СВЧ не увеличивается в процессе эксплуатации, а минимальная наработка на отказ увеличивается в 5... 10 раз.

1. Тактико-техническое обоснование

1.1 Анализ действий СВН по преодолению системы ПВО по опыту локальных войн.

Анализ боевых действий авиации на учениях и в ходе военных конфликтов свидетельствует об эффективном воздействии средств радиоэлектронной борьбы (РЭБ) на радиоэлектронные системы различного назначения, к которым, прежде всего, относятся радиолокационные системы (РЛС) обнаружения и сопровождения воздушных объектов. На начальном этапе массировано применяются средства воздушно-космического нападения. Это позволяет получить максимальный эффект при минимальных потерях.

Для завоевания превосходства в воздушном пространстве противника в первую очередь удары наносятся по объектам ПВО с целью его подавления и занятия превосходства в воздухе. Для эффективного подавления средств ПВО, с наименьшими потерями своей авиации войска НАТО применяют различные приемы для введения средств ПВО в заблуждение, а также для максимального усложнения обнаружения и захвата средств воздушного нападения. Противосамолетная система ПВО Республики Беларусь была создана, как и во многих странах на базе системообразующей активной радиолокации для борьбы именно с пилотируемой авиацией противника над её территорией в войнах прошлого поколения и для этих целей была достаточно эффективной. Но такая система ПВО оказывается слабоэфективной в борьбе с массированным применением высокоточных крылатых ракет, действовавших на предельно малых высотах в условиях сложной помеховой обстановки. В результате непосредственного воздействия помех на РЛС ухудшается качество радиолокационного наблюдения целей или приводит к полному подавлению станции.

Воздушный противник действовал во всем диапазоне высот: тактическая и палубная авиация - от предельно малых высот до 7…8 км, стратегическая - в диапазоне 9…11 км, крылатые ракеты - исключительно на предельно малых высотах. По-видимому, аэродинамические средства нападения будут, как правило, использовать весь диапазон высот с учетом решаемых ими боевых задач.

Успешное использование разведывательных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в недавних вооруженных конфликтах, особенно в Афганистане, может ускорить оснащение вооруженных сил беспилотными системами воздушной разведки.

С точки зрения использования БПЛА для тактической воздушной разведки к их достоинствам следует отнести небольшую эффективную поверхность рассеяния. Поскольку БПЛА предназначены для ведения разведки с малых высот, их недостатком можно считать более высокую уязвимость от активных средств ПВО.

БПЛА уже доказали свою эффективность в качестве средства ведения воздушной разведки. Так, в ходе операции «Решительная сила» информация, полученная с помощью разведывательного БПЛА «Predator», поступала на самолеты, в частности на воздушные командные пункты ЕС-130Е, и использовалась для наведения тактических истребителей при нанесении ударов по наземным целям на территории Югославии.

Конгресс США пытается стимулировать военное ведомство страны к более интенсивному использованию беспилотных средств, что соответствует намерению сократить число жертв среди американских военнослужащих, участвующих в различного рода вооруженных конфликтах, а также оснащать подразделения своих вооруженных сил современными образцами вооружения и военной техникой. Так, в 2000 году американские законодатели приняли документ, в соответствии с которым к 2010-му средства ВВС США, предназначенные для нанесения ударов по расположенным на большом удалении наземным целям, должны на 30 процентов состоять из беспилотных аппаратов. Эти дистанционно управляемые или автономные боевые БПЛА, по замыслу американских стратегов, могли бы выполнять в глубоком тылу противника полетные задания, связанные с выявлением, а затем и уничтожением хорошо защищенных целей, что считается слишком рискованным для пилотируемых истребителей и бомбардировщиков.

Во время войны во Вьетнаме с ростом потерь американской авиации от ракет вьетнамских ЗРК возросло использование БПЛА. В основном они использовались для ведения фоторазведки, иногда - для целей РЭБ.

Беспилотные летательные аппараты применялись Израилем во время арабо-израильского конфликта в 1973 г. Они использовались для наблюдения и разведки, а также в качестве ложных целей.

В 1982 г. БПЛА использовались во время боевых действий в долине Бекаа в Ливане. Израильский БПЛА Scout, и малоразмерные дистанционно-пилотируемые летательные аппараты Mastiff провели разведку и наблюдение сирийских аэродромов, позиций ЗРК и передвижений войск. По информации, получаемой с помощью БПЛА, отвлекающая группа израильской авиации перед ударом главных сил вызвала включение радиолокационных станций сирийских ЗРК, по которым был нанесен удар с помощью самонаводящихся противорадиолокационных ракет, а те средства, которые не были уничтожены, были подавлены помехами. Успех израильской авиации был впечатляющим. Сирия потеряла 86 боевых самолетов и 18 батарей ЗРК.

Дистанционно-пилотируемые летательные аппараты и автономные БПЛА использовались обеими сторонами в течение войны в Персидском заливе 1991 г., прежде всего как платформы наблюдения и разведки. США, Англия и Франция развернули и эффективно использовали системы типа Pioneer, Pоinter, Exdrone, Midge, А1рilles Mаrt, СL-89. Ирак использовал АL Yаmamah, Маrакеb-1000, Sаhrеb-1 и Sаhreb-2.

Во время операции «Буря в пустыне» БПЛА тактической разведки коалиции совершили более 530 вылетов, налет составил около 1700 часов. При этом 28 аппаратов были повреждены, включая 12, которые были сбиты. Из 40 БПЛА Pioneer, используемых США, 60 процентов были повреждены, но 75 процентов из них считались ремонтопригодными. Из всех потерянных БПЛА только два относятся к боевым потерям. Низкий коэффициент потерь объясняется, вероятнее всего, небольшими размерами БПЛА, в силу чего иракцы посчитали, что они не представляют для них угрозы.

В 1999 г. использование разведывательных БПЛА над территорией Югославии было особенно интенсивным. Так, развернутая в Македонии батарея БПЛА CL-289 Германии с декабря 1998 по июль 1999 г. выполнила 237 разведывательных полетов над территорией Косово.

В июле 2001 г. разведывательные БПЛА Prеdatоr (США), Phoeniх (Великобритания) и СL-289 (Франция) использовались в интересах сил КFОR для наблюдения за границей между Косово и Македонией с целью недопущения поставки оружия находящимся в Македонии повстанцам из числа этнических албанцев. Батареи СД-289 были развернуты в районе г. Призрен (Косово), где располагался штаб Южной многонациональной бригады, возглавляемой представителем ФРГ.

Во время боевых действий в Афганистане в 2001 г. применялись БПЛА Prеdatоr RQ-1В. Причем, кроме проведения разведывательных действий, Predator стал использоваться и в своей новой функции: с него впервые были произведены обстрелы целей противника противотанковыми ракетами Неllfire-С и Неllfirе-К, которые дистанционно наводились оператором с земли. По имеющимся данным, «Хищники» нанесли несколько десятков ударов, продемонстрировав высокую точность. Для обеспечения боевых действий применялась и последняя американская разработка RQ-4А Glоbа1 Наwк. Причем, как сообщил Пентагон, один беспилотный самолет-разведчик RQ-4А разбился во время выполнения боевого задания в Афганистане в июле 2002 г.

Крылатые ракеты. КР представляют собой беспилотные летательные аппараты, применяемые для поражения важных наземных площадных и точечных целей. Старт крылатых ракет может осуществляться с земли, самолётов- носителей, надводных и подводных кораблей. Большая дальность полёта КР, маленькие размеры, высокая точность попадания в цель, малая уязвимость и массовость применения сделали КР одним из важнейших средств воздушного нападения, во многом определяющим структуру и параметры системы ПВО и ЗУР.

Сами же КР после пуска становятся малоразмерными и малозаметными целями (ЭПР около 1м²), которые следуют к назначенным объектам удара по сложным траекториям с огибанием рельефа местности на предельно малых высотах (до 50 м). Высокая точность обеспечивается инерциально-навигационными системами управления с коррекцией курса с помощью системы наведения «ТЕРКОМ», которая позволяет сравнивать телевизионное изображение местности с цифровым фотоснимком, а также пассивными методами корректировки с помощью спутниковой системы «Навстар». Точность попадания СКР в цель не превышает 15 м.

И пока возможности средств обороны и нападения остаются неадекватными, то выход из сложившихся обстоятельств американские «ястребы» видят в том, чтобы, пренебрегая принятыми международно-правовыми нормами и «демократическими условностями», наносить упреждающие удары по местам дислокации носителей авиационных средств поражения большой дальности. Их оппоненты, однако, возражают, считая, что вседозволенность в борьбе с ними пропагандирует агрессию более всего.

Проанализировав опыт локальных войн можно сделать вывод, что в ходе боевых действий успешно использовались БПЛА и крылатые ракеты, которые имеют небольшую ЭПР, что в свою очередь вызывало затруднение в их обнаружении и повлекло непоправимые потери. Поэтому модернизация приемного устройства столь важна на данном этапе. Улучшение чувствительности РПрУ приведет к увеличению дальности обнаружения маловысотных и малоразмерных целей.

1.2 Требования к РПрУ

Технические и эксплуатационные требования к приемнику определяются тактико-техническими требованиями (ТТТ), предъявляемыми к РЛС, и современными техническими возможностями. К основным техническим требованиям, предъявляемым к приемникам РЛС, относятся:

1. прием и обработку импульсных радиосигналов заданной длительности на заданной несущей частоте в условиях активных и пассивных помех, изменяющихся по интенсивности в большом динамическом диапазоне;

2. обеспечение предельной чувствительности не хуже заданной Рпр.мин;

3. создание выходного напряжения Uвых, обеспечивающего нормальную работу указанного оконечного устройства (нагрузки).

К основным эксплуатационным, конструктивным и экономическим требованиям относят:

1. надежность работы приемника, которую определяет минимально необходимым сроком безотказной работы;

2. стабильность и устойчивость работы приемника, оцениваемую по его способности сохранять свои электрические характеристики в допустимых приделах при заданных вариациях параметров внешней среды (температура, влажность, и атмосферное давление) и источников питания;

3. удобство эксплуатации, которое оценивают возможностью:

непрерывного контроля основных параметров приемника и режимов работы его структурных элементов;

легкое обнаружение и быстрое устранение неисправностей;

4. механическую прочность, определяемую способностью приемника надежно работать при заданных максимальных величинах ускорения g макс, амплитуды Атр и частоты F тр тряски;

5. габариты и массу приемника;

6. стоимость приемника, которую определяют максимально допустимой величиной затрат на изготовления или максимальной суммой стоимости изготовления приемника и стоимости его эксплуатации за определенный срок работы.

Таким образом, технические требования оказывают влияние на выбор активных и пассивных элементов схемы приемника, что необходимо учитывать при составлении оптимального варианта его структурной электрической схемы. Основную немаловажную роль в приемной системе играет блок УВЧ, который обеспечивает высокую чувствительность приемного устройства.

Вследствие модернизации блока УВЧ РЛС можно добиться:

1. чувствительность увеличения чувствительности в 2…3 раза, в ходе чего увеличивается дальность обнаружения воздушных объектов, особенно малоразмерных;

2. минимальная наработка на отказ увеличится в 5..10 раз;

3. снизится энергопотребление;

4. повысится механическая прочность;

5. значительно уменьшатся габариты и масса.

Также вследствие модернизации не происходит значительных изменений в структурной схеме приемного тракта РЛС. Работа станции будет осуществляется или с первоначально установленным блоком, или с помощью предлагаемого в данной работе. Переключение будет осуществляется с рабочего места оператора в зависимости от сложившейся обстановки.

2. Анализ способов построения радиоприемных устройств РЛС, выбор структурной схемы и предварительный расчет радиоприемного устройства РЛС

Основными радиотехническими комплексами военного назначения являются радиолокационные станции (или комплексы совместно работающих радиолокационных станций), радиотехнические системы контроля траекторий самолетов, космических аппаратов и т.п. Поэтому основные характеристики радиоприемного устройства и его составные части радиоприемника определяются целевым назначением того радиотехнического комплекса, в который они входят.

В большинстве случаев создание радиотехнических комплексов включает в себя следующие основные этапы:

1. эскизное проектирование;

2. техническое проектирование;

3. изготовление опытного образца аппаратуры;

4. испытание опытного образца аппаратуры в полигонных или в боевых условиях;

5. составление тактико-технических требований (ТТТ) и технической документации на серийный образец аппаратуры;

6. изготовление серийных образцов аппаратуры с контролем ее качества представителями военной приемки.

Эскизное проектирование выполняется на основе предварительных тактико-технических требований заказчика, определяющих назначение и желаемые характеристики всего радиотехнического комплекса. При этом расчетным, а при необходимости и экспериментальным путем проверяется возможность обеспечения ТТТ.

Если отдельные характеристики ТТТ не могут быть выполнены на данном уровне развития техники, то формулируются наиболее приемлемые для заказчика варианты ТТТ к комплексу, которые могут быть реализованы с учетом перспектив развития техники за время до начала производства серийных образцов.

Заканчивается этот этап защитой эскизного проекта в присутствии представителей заказчика и определением основного варианта ТТТ для следующего этапа - технического проектирования.

При техническом проектировании на основе уточненных в эскизном проектировании ТТТ создается полный (технический) проект комплекса с выполнением всех необходимых расчетных и экспериментальных работ, на основе которых разрабатывается необходимая для опытного образца техническая документация: принципиальные и монтажные схемы, чертежи узлов, блоков и отдельных элементов системы, а также составляются рекомендации по его эксплуатации.

В дальнейшем, после изготовления и испытания опытного образца, заказчиком формулируются окончательные ТТТ на комплекс, а исполнителем, кроме того, составляются техническое описание и правила эксплуатации комплекса, подлежащего серийному изготовлению.

С целью экономии времени в последние годы первые три этапа выполняются не последовательно, а с определенным перекрытием по времени начала последующего и конца предыдущего этапов. Так, эскизное проектирование рассматривается как составная часть технического.

В ряде случаев первые четыре этапа выполняются также с указанным перекрытием сроков. Такие работы принято называть опытно-конструкторскими разработками (ОКР). При их выполнении предварительные ТТТ заказчика могут уточняться и изменяться на основе выполненных расчетов и экспериментальных проверок.

Характеристики радиоприемника могут уточняться и изменятся в процессе выполнения отдельных этапов проектирования всего радиотехнического комплекса, например, после защиты эскизного проекта. Но они, естественно, не могут задаваться произвольно, поскольку существуют факторы, определяющие предел улучшения отдельных характеристик приемника. Так, внешние помехи и собственные шумы ограничивают достижимую чувствительность приемника, применяемые в приемнике электронные и полупроводниковые приборы определяют его динамический диапазон.

Кроме того, отдельные характеристики радиоприемника взаимосвязаны. Поэтому улучшение одной характеристики может быть причиной ухудшения другой. Так, повышение избирательности требует применение резонансных систем с достаточно узкими резонансными кривыми, обладающими крутым спадом боковых ветвей, что неизбежно способствует увеличению уровня частотных и особенно фазовых искажений. Расширение диапазона рабочих частот приемника ухудшает постоянство чувствительности и избирательности по диапазону.

В процессе технического проектирования по сформулированным основным характеристикам приемника выбирается тип его блок-схемы и выполняется ее расчет. На основе этого находится оптимальный вариант блок-схемы, обеспечивающий необходимые электрические характеристики приемника при наименьших затратах на производство и эксплуатацию всей системы.

При расчете блок-схемы выбираются электронные и полупроводниковые приборы, избирательной системы, число каскадов и их схемы, обеспечивающие нужные эксплуатационные и экономические характеристики.

После расчета блок-схемы приступают к окончательному выбору схем, расчету элементов отдельных каскадов и обоснованию конструктивного оформления приемника.

В современных радиолокационных станциях и системах находят применение следующие типы радиоприемников:

Выбор той или иной схемы радиолокационного приемника обусловлен в основном предъявляемыми требованиями к чувствительности и избирательности. Наилучшие показатели по чувствительности и избирательности обеспечивает супергетеродинная схема приемника. Именно этим объясняется наиболее широкое применение супергетеродинной схемы в радиолокационных станциях, несмотря на то, что по своему построению она является наиболее сложной. Недостатком супергетеродинной схемы является также наличие дополнительных (паразитных) каналов приема, что приводит к усложнению решения задач электромагнитной совместимости и помехозащищенности радиолокационных станций. Основная особенность супергетеродинного приемника состоит в том, что в радиотракте помимо усиления происходит и преобразование частоты принятого сигнала, это позволяет осуществлять переход с несущей частоты fc на промежуточную несущую частоту fпр. Чувствительность супергетеродинных приемников порядка Pс0 = () Вт (возрастает за счет уменьшения полосы пропускания приемника в тракте УПЧ), и они позволяют получать высокую избирательность по частоте за счет снижения несущей частоты, когда fпрfс. Выбор промежуточной частоты зависит от диапазона рабочих частот, назначение приемника и ширины его полосы пропускания F(расширение F достигается при увеличении fпр).

УВЧ предназначен для обеспечения такого уровня внутренних шумов будет близок к минимальному, определяемому только внешними шумами. Практически достаточно иметь уровень внутренних шумов, равный уровню внешних шумов либо в несколько раз (но не более, чем на порядок) меньше его. УВЧ подключается к антенне с помощью пассивных элементов, объединенных под общим названием тракт высокой частоты на приём или входные цепи.

Преобразователь частоты осуществляет сдвиг спектра входных сигналов в область промежуточных частот. Основными его параметрами (при первом преобразовании) можно считать коэффициенты шума и передачи по мощности, влияющие на чувствительность тракта, а также динамический диапазон по сигнальному входу и значение промежуточной частоты, влияющие на степень подавления приёма по зеркальному каналу и электромагнитную совместимость.

УВЧ и преобразователь частоты по причинам, о которых речь будет идти ниже, стремятся установить в непосредственной близости от облучателя антенны. Основная же обработка сигналов производится, как правило, на промежуточной частоте. Реализующая эту обработку аппаратура может находиться на некотором удалении от антенны. В этом случае линейный тракт высокой и промежуточной частоты оказывается разделенным на две части, передача сигналов между которыми производится на промежуточной частоте с помощью согласованной длинной линии (обычно коаксиального кабеля). Затухание колебаний в линии передачи не опасно, если производится их предварительное усиление. Для достаточного (с учетом затухания в кабеле) предварительного усиления сигналов по мощности и согласования с низкоомной нагрузкой применяют специальные каскады (обычно широкополосные) предварительного усиления промежуточной частоты.

Вывод: почти все радиолокационные приёмники строятся по супергетеродинному типу. Дело не только в том, что усиление на промежуточной частоте более стабильно и реализуется проще, чем на СВЧ: относительная полоса частот, занимаемая полезным сигналом на промежуточной частоте, получается больше, а это упрощает согласованную фильтрацию. Кроме того, частоту гетеродина в супергетеродинном приёмнике можно менять вслед за любым изменением частоты передатчика без подстройки фильтров промежуточной частоты. Указанные преимущества оказались настолько значительными, что другие типы приёмников (прямого усиления, суперрегенеративные, детекторные) почти перестали применять.

2.1 Выбор структурной схемы

Приемники РЛС в основном строятся по супергетеродинной схеме. Супергетеродинные приемники обеспечивают наибольшие чувствительность и избирательность по сравнению с другими типами приемников: детекторными, прямого усиления и сверхрегенеративными.

Входное устройство - предназначено для обеспечения предварительной частотной селекции сигналов (выделение спектра полезных сигналов на фоне помех). Основными характеристиками входного устройства являются: .

Модуль функции АЧХ, а аргумент ц - ФЧХ входного устройства определяется [6]:

(2.1)

(2.2)

Полоса пропускания входного устройства определяется [6]:

(2.3)

Коэффициент передачи входного устройства определяется формулой[6]:

(2.4)

Усилитель высокой частоты - предназначен для предварительной частотной селекции и усиления слабых сигналов, поступающих на вход приемника. Основными характеристиками УВЧ являются: К_с, К_р.

Коэффициент усиления определяется [6]:

(2.5)

Коэффициент усиления по мощности определяется[6]:

(2.6)

Полоса пропускания определяется [6]:

(2.7)

Преобразователь радиочастоты - производит преобразование высокой частоты сигнала fс в более низкую, промежуточную fпр с сохранением закона импульсной модуляции. Основными характеристиками ПРЧ являются: К_пр, К_ш

Коэффициент преобразования определяется[6]:

(2.8)

где с₁ и с₂ - коэффициенты включения.

Коэффициент шума определяется[6]:

 (2.9)

Усилитель промежуточной частоты - обеспечивает основное усиление приемника на постоянной частоте fпр, основную избирательность и требуемую полосу пропускания.

Детектор - это устройство, которое преобразует колебания высокой частоты в напряжении (или ток), изменяющееся по закону модуляции.

Выбор схемы обусловлен в основном предъявляемыми требованиями к чувствительности и избирательности. Именно этим объясняется наиболее широкое распространение супергетеродинной схемы. Недостатком схемы является также наличие дополнительных (паразитных) каналов приема, что приводит к усложнению решения задач электромагнитной совместимости и помехозащищенности радиолокационных станций.

В супергетеродинных схемах радиолокационных приемников находят применение фильтровые и корреляционные способы обработки сигналов.

Оптимальная фильтровая обработка осуществляется за счет формирования вполне определенных (с учетом вида полезных сигналов и помех) амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик резонансного и апериодического трактов супергетеродинного приемника. Элементы оптимальной фильтрации либо совмещаются с основными элементами схемы приемника, либо выполняются в виде отдельных схемных узлов. Так, например, роль квазиоптимального фильтра одиночных радиоимпульсов в импульсном приемнике может играть усилитель промежуточной частоты, характеристики которого определяются требованиями оптимальной фильтрации.

В корреляционных приемниках используется опорный сигнал, являющийся “копией” полезного сигнала.

Различают два вида схем корреляционных приемников: автокорреляционную и взаимно-корреляционную.

Характерной особенностью радиолокационных приемников является многоканальность. Число каналов определяется характером обработки радиолокационных сигналов, требованиями к помехоустойчивости радиоприемного устройства и видом выдаваемой информации (дальность радиолокационного объекта, его скорость, угловые координаты и т.д.). Применение многоканальных приемников позволяет значительно полнее решать задачи обработки и извлечения радиолокационной информации. Рассмотренная выше схема взаимно-корреляционного приемника является двухканальной. Приведем еще пример многоканального построения радиоприемных устройств.

Дана схема частотно-модулированного радиолокатора, предназначенного для работы по нескольким целям. При облучении передатчиком нескольких целей на выходе смесителя получается ряд частот биений, соответствующих расстояниям до этих целей. Каждая из этих частот выделяется соответствующим фильтром многоканального анализатора спектра. С целью некоторого упрощения схемы радиоприемного устройства (сокращения числа каналов) можно перейти от многоканального анализатора спектра к одноканальному анализатору последовательного анализа, однако при этом увеличивается время анализа.

2.2 Предварительный расчет радиолокационных приемников

Основной целью предварительного расчета является оценка правильности принятого решения и выполнимости поставленных требований. В предварительном расчете на основе выбора схемы и отдельных элементов принципиальной схемы производится определение основных параметров и характеристик проектируемого приемника.

2.2.1 Определение полосы пропускания приемника

Полоса пропускания определяется назначением радиоприемного устройства и характером принимаемых сигналов.

Для радиоприемных устройств импульсных радиолокационных станций точного определения координат полоса пропускания определяется по формуле [9]:

;

При этом обеспечивается наилучшее отношение сигнал/шум на выходе приемника, т. е. наиболее выгодное условие обнаружение слабого сигнала на фоне шума.

При определении полосы пропускания необходимо учитывать также нестабильность частоты передатчика, гетеродина приемника и изменение несущей частоты за счет доплеровского эффекта. С учетом этих факторов полоса пропускания приемника должна быть принята равной[9]:

2.2.2 Распределение полосы пропускания по блокам радиоприемного устройства

Ориентировочно полосы пропускания можно определить из следующих соотношении й[7]:

а) полоса пропускания УПЧ



б) полоса пропускания блока высокой частоты (учитываются все контуры преселектора)

2.2.3 Определение коэффициента шума

Коэффициент шума рассчитаем исходя из чувствительности приемника, известно, что чувствительность определяется общим коэффициентом шума и полосой пропускания:

; (2.14)

где Р_пр - реальная чувствительность приемного устройства в Вт;

К - постоянная Больцмана, равная Дж/град;

Т₀ - абсолютная температура по Кельвину, равная К;

?F - полоса пропускания системы в Гц;

К_ш - коэффициент шума.

Общий коэффициент шума приемной системы зависит от коэффициента шума отдельных каскадов:

При наличии УВЧ с большим коэффициентом усиления по номинальной мощности расчет коэффициента шума можно вести по формуле:



где К_шувч коэффициент шума УВЧ;

К_ртр - коэффициент передачи тракта от антенны до входа приемника.

Расчет относительной шумовой температуры антенны () ведется по формуле:

Т_п - температура окружающей антенну среды в градусах Кельвина;

Т₀ - стандартная температура, равняя 290?К;

Т - эквивалентная шумовая температура сопротивления излучения антенны (Т=Тн+Т_атм+Т_з);

Т_н - шумовая температура неба, характеризующая шумы космического происхождения;

Т_атм - шумовая температура атмосферы;

Т_з - шумовая температура земли.

Усредненная шумовая температура земли Т_з при р расчетах принимается равной 250?К. Относительную шумовую температуру антенны () определим по графикам [7], .

Коэффициент передачи антенно-фидерного тракта зависит от его построения. Так, например, при наличии фидера и антенного переключателя величина К_ртр равна:

К_ртр = К_рф К_рап,

где К_рф - коэффициент передачи фидера по номинальной мощности;

К_рап - коэффициент передачи антенного переключателя по номинальной мощности.

Для расчета величины К_рф можно воспользоваться формулой, справедливой для волноводов и коаксиальных линий:

К_рф=

где l - длина фидерной линии в метрах;

в - Затухание на один метр длины в децибелах.

Если антенный переключатель содержит газовый разрядник и ферритовый циркулятор, то

К_рап = К_гр К_фц,

где К_тр - коэффициент передачи газового разрядника по номинальной мощности;

К_фц - коэффициент передачи циркулятора по номинальной мощности.

Величину К_тр в предварительном расчете можно ориентировочно считать равной 0,6 - 0,7. Коэффициент передачи ферритового циркулятора обычно равен 0,8 - 0,9.

Коэффициент шума УВЧ определяется его типом и частотным диапазоном.

Из расчета коэффициента шума можно сделать вывод, что вследствии уменьшения К_ш можно повысить чувствительность приемника, а значит увеличить дальность обнаружения.

2.2.4 Определение чувствительности радиоприемного устройства

Предполагается, что полоса пропускания выбрана на основе исходных данных и, следовательно, однозначна определена. Поэтому для достижения максимальной чувствительности процесс преобразования частоты сигнала должен происходить с минимальным ухудшением отношения сигнал/шум на выходе преобразователя по сравнению с его величиной на входе.

Известно, что чувствительность определяется коэффициентом шума и полосой пропускания:

;

Вт/МГц

где Р_пр- реальная чувствительность приемного устройства в Вт;

К - постоянная Больцмана, равная Дж/град;

Т₀ - абсолютная температура по Кельвину, равная К;

?F - полоса пропускания системы в Гц;

К_ш - коэффициент шума.

Проанализировав схемы усилителей СВЧ на транзисторах, возьмем коэффициент шума УРС на ПТ примерно равный 1,5-2 и произведем расчет чувствительности приемника:

Как видно из расчета чувствительность приемника улучшилась по сравнению с заданной на РЛС.

Одним из показателей возможностей средств радиолокационной разведки является дальность обнаружения цели. Она зависит от энергетического потенциала, длины волны, чувствительности радиоприемного устройства станции, а также от внешних факторов - местности с ее особенностями, характеристик самих летательных аппаратов.

Дальность обнаружения РЛС определяется уравнением радиолокации, которое устанавливает связь тактических характеристик РЛС с техническими параметрами ее систем, характеристиками целей и внешними условиями. Уравнение радиолокации является основой проектирования РЛС любого назначения, предъявлении требований к основным трактам и системам РЛС.

Реальная чувствительность радиоприемного устройства рассчитывается по формуле:

Р_ар=ВР_пр,

где В - коэффициент различимости.

Величина В может быть различной в зависимости от назначения приемника. Так, например, Для РЛС точного определения координат можно принять В=10-100

В линейную часть приемника входят: фидер, входное устройства и усилитель высокой частоты, преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты. Поэтому коэффициент шума линейной частоты приемника определяется выражением:

К_ш

где L_ф - коэффициент потерь сигнала в фидере;

К_увч, К_пч, К_упч - коэффициенты шума;

К_увч, К_пч, К_упч - коэффициенты передачи по номинальной мощности УВЧ.

Для реальной чувствительности Р_ар приемника будет справедливо следующее соотношение:

где

Буквой Q в выражении обозначен параметр накопления взаимно-корреляционного устройства (ВКУ).

Параметр накопления определяется произведением ширины спектра сигнала на входе ВКУ на время интегрирования усредняющего фильтра:

где Т - постоянная времени усредняющего фильтра.

где

Ширина спектра сигнала определяется полосой пропускания линейной части приемника.

С учетом приведенных соотношений выражение для реальной чувствительности рассматриваемого приемника можно переписать в виде:

Из последнего соотношения легко находим значение допустимого комнатного коэффициента шума Кш взаимно-корреляционного приемника, при котором обеспечивается требуемая чувствительность:

Так как предельная чувствительность связана с реальной соотношением

то выражение для предельной чувствительности взаимно-корреляционного приемника будет иметь следующий вид:

Так как РЛС 19Ж6 является станцией обнаружения маловысотных целей, и как видно из формулы дальности обнаружения улучшение чувствительности приведет к увеличению дальности обнаружения маловысотных целей, что является немаловажным фактором для данной РЛС.

2.2.5 Определение коэффициента усиления радиоприемного устройства и его отдельных блоков

Общий коэффициент усиления супергетеродинного приемника может быть определен исходя из величины предельной чувствительности Uа и выходного напряжения, необходимого для нормальной работы оконечного прибора Uвых:

Полученное значение коэффициента усиления необходимо взять с некоторым запасом, учитывая старение, а также разброс параметров ламп.

Таким образом:



Вместе с тем общий коэффициент усиления РПрУ необходимо выразить через коэффициенты усиления его отдельных блоков:

где К_ву - коэффициент передачи напряжения входного устройства;

К_увч - коэффициент усиления УВЧ;

К_пч - коэффициент усиления преобразователя частоты;

К_упч - коэффициент усиления УПЧ;

К_д - коэффициент передачи детектора;

К_ап - коэффициент усиления апериодического тракта.

Расчет К_ву ведется по формуле:

где

Данный коэффициент определяется по формуле:

При использовании лампового УВЧ:

Для расчета Кувч необходимо определить сначала полосу пропускания одного каскада УВЧ. Полоса пропускания блока высокой частоты определена с учетом влияния всех элементов - входного устройства и каскадов УВЧ. Полоса пропускания входного устройства в общем случае равна:

Полоса пропускания УВЧ определяется из выражения:

.

Затем можно определить полосу пропускания одного каскада:

где n - число каскадов УВЧ.

Зная полосу пропускания, нетрудно определить коэффициент усиления:

Сопротивление нагрузки детектора для случая амплитудно-модулированных колебаний можно определить из условия допустимых нелинейных искажений:

При детектировании радиоимпульсов пользуются формулой:

Емкость нагрузки в обоих случаях определяется из условия:

где С_ак - емкость (анод- катод) диода детектора.

После этого можно найти коэффициент передачи детектора по формуле:

где R_i - внутреннее сопротивление диода.

Далее определим общее усиление преобразователя частоты и УПЧ:

После этого необходимо определить коэффициент передачи преобразователя частоты.

Нам известна общая полоса пропускания блока промежуточной частоты Эту полосу надо распределить между УПЧ и преобразователем частоты, используя формулу:

Задаваясь значением из формулы, нетрудно определить значение . После этого находим коэффициент передачи преобразователя частоты по формуле:

Зная величину К_пч, найдем коэффициент усилителя промежуточной частоты. Число каскадов УПЧ можно определить по графикам.

Таким образом, определены коэффициенты усиления основных блоков приемника.

Основной целью предварительного расчета является то, чтобы убедится в правильности принятого решения и выполнимости поставленных требований. В предварительном расчете на основе выбора схемы и отдельных элементов принципиальной схемы производится определение основных параметров и характеристик проектируемого приемника.

В супергетеродинном приемнике основное усиление принимаемого сигнала до необходимого уровня производится в УВЧ. Поэтому наиболее важная задача СВЧ устройств сводится, в сущности, к тому, чтобы преобразовать принятый СВЧ сигнал в сигнал промежуточной частоты. Однако поскольку СВЧ устройство является входным устройством приемника, то его коэффициент шума почти полностью определяет общий коэффициент шума и тем самым чувствительность приемника.

2.3 Обоснование модернизации УВЧ РПрУ РЛС(замена ЛБВ и защита УВЧ на ПТ)

В приемных устройствах РЛС в качестве входных усилителей высокой частоты (УВЧ) используются лампы бегущей волны (ЛБВ). Для этих морально устаревших электровакуумных приборов характерны:

1. небольшой ресурс (500... 1500 часов);

2. постепенное увеличение коэффициента шума в процессе эксплуатации (более чем в 3 раза в течение гарантийного срока службы);

3. необходимость периодической подстройки напряжений питания ЛБВ для минимизации коэффициента шума.

Большинство ЛБВ, эксплуатирующихся в технике радиотехнических подразделений, разработаны давно и морально устарели. В настоящее время предприятиями-изготовителями России и Украины выпуск ЛБВ практически прекращён из-за бесперспективности применения морально устаревшей продукции, а также по иным причинам. Поэтому закупка новых ЛБВ у производителя практически невозможна. К продаже предлагаются ЛБВ, пролежавшие на складах 10-20 лет, а также те, что попали в коммерческие структуры сомнительным путем, в том числе бывшие в употреблении.

В состав ЛБВ входит магнитная система. При длительном хранении в одном и том же положении (более 5 лет) магнитной системе свойственно перемагничиваться магнитным полем Земли. При этом у ЛБВ увеличивается коэффициент шума и уменьшается коэффициент усиления, что отрицательно сказывается на чувствительности приемных трактов РЛС при их эксплуатации.

Вышеизложенные причины не позволяют обеспечивать войска качественными электровакуумными приборами для замены, отработавших свой ресурс, ЛБВ и продления ресурса техники.

Преимущества при замене ЛБВ и других устаревших усилителей модулем СВЧ в приемнике РЛС:

1. чувствительность приемника увеличивается на 2...6 дБ, (а в отдельных случаях и более) благодаря чему существенно увеличивается дальность обнаружения и сопровождения воздушных и надводных объектов (целей), особенно малоразмерных;

2. коэффициент шума модуля в процессе эксплуатации остается неизменным (в ЛБВ он увеличивается в 2...3 раза в пределах минимальной наработки);

3. минимальная наработка увеличивается в 5...10 раз.

4. снижается энергопотребление (отключается блок питания ЛБВ).

5. модуль, в отличие от ЛБВ, нечувствителен к воздействию магнитных полей;

6. -высокая механическая прочность и способность выдерживать сильные вибрации, тряску, удары;

7. практически немедленная готовность к работе после включения источников питания.

В связи с этим в дипломном проекте разрабатывается твёрдотельный малошумящий усилитель, который будет параллельно подключен к блоку УВ-118-В1, что позволит в случае необходимости переключиться на данный усилитель, защитить приемник от перегрузок и существенно улучшить тактико-технические характеристики РЛС.

Выводы: в данном разделе на основе выбранной схемы произвели предварительный расчет и оценили правильность принятого решения, выполнимость поставленных требований. Определил основные параметры и характеристики проектируемого приемника, такие как полоса пропускания приемника, коэффициент шума, чувствительность радиоприемного устройства. Провел оценку чувствительности в случае использования МШУ и пришел к выводу, что улучшение чувствительности приведет к увеличению дальности обнаружения маловысотных целей, что является немаловажным фактором для данной РЛС.

3. Анализ усилителей радиосигналов дециметрового диапазона волн и определение условий одновременного согласования по входу и выходу

3.1 Основные требования к усилителям высокой частоты

В радиолокационных приемных устройствах к усилителям высокой частоты предъявляются следующие требования:

1. обеспечение необходимой чувствительности;

2. получение минимального коэффициента шума;

3. получение максимального коэффициента усиления по номинальной мощности К_р;

4. получение достаточной широкодиапазонности перестраиваемых элементов без значительного ухудшения качественных показателей;

5. наименьшие искажения полезного сигнала;

6. подавление помехи по (зеркальному) и другим комбинационным каналом приема должно удовлетворять поставленным требованиям;

7. обеспечение удобства управления, эксплуатации, контроля и механической прочности конструкции.

При оценке качества работы усилителя высокой частоты в схеме радиолокационного приемника следует обращать внимание на его коэффициент шума и на величину ослабления по (зеркальному) и другим комбинационным каналам приема.

Коэффициент шума должен быть минимальным, а ослабление помех по (зеркальному) и другим каналам - максимальным. Из всего вышесказанного можно дать следующие рекомендации по выбору различных типов УВЧ.

3.2 Активные элементы (лампы, полупроводниковые приборы) и их сравнительная оценка

Рассмотрим основные качественные показатели УВЧ применяемых в радиолокационных станциях, представленные в таблице 3.1:

Таблица 3.1

Тип усилителя	Параметр
	Рабочие частоты, ГГц	Кр, дБ	Кш	Рпотр, Вт	Масса, кг
Ламповые	До 1	17-6	4-17	1-4	1
Транзисторные	0,1-30	12-8	1,5-4	0,05-0,2	0,1-0,05
ЛБВ	0,6-20	30-15	3-8	30-500	40-50

3.3 Ламповые УВЧ

Усилители высокой частоты на вакуумных лампах имеют наибольшую шумовую температуру из всех типов УВЧ. Кроме того, ламповые усилители имеют сравнительно низкую надежность работы и потребляют значительную мощность от местного источника питания. Вследствие этого ламповые усилители не рекомендуют для использования в качестве УВЧ во вновь разрабатываемых радиолокационных приемниках. Однако в силу их повышенной электрической прочности и высокой радиационной стойкости в отдельных случаях УВЧ в дециметровом диапазоне волн на частотах до 200 МГц могут быть выполнены на сверхминиатюрных металлокерамических триодах повышенной стойкости типа 6С51Н-В, 6С52Н-В. При модернизации приемных устройств существующих РЛС в дециметровом диапазоне волн допускается применением ламп пальчиковой серии - триодов типа 6С3П, 6Н14П.

3.4 Усилители на лампах бегущей волны

Усилители на лампах бегущей волны (ЛБВ) используют в диапазоне частот от 0,5 до 40 ГГц. На более низких частотах ЛБВ получаются слишком длинные, а на более высоких частотах трудно обеспечить необходимую точность изготовления спирали, что приводит к снижению усиления лампы. Достоинствами ЛБВ являются:

1. высокая электрическая прочность;

2. достаточно высокая эксплуатационная надежность.

К недостаткам УВЧ на ЛБВ следует отнести большие габариты и массу (40-50 кг), потребление энергии от местного источника питания (30-500 Вт), а также увеличение коэффициента шума вследствие старения элементов и изменения параметров магнитной системы.

3.5 Усилители высокой частоты на транзисторах

Применение полупроводниковых приборов в блоках радиоприемных устройств радиолокационных станциях связано с их значительными преимуществами перед электронными лампами. Эти преимущества заключаются в следующем:

1. малые размеры и вес;

2. высокая механическая прочность и способность выдержать сильные вибрации, тряску, удары;

3. практически немедленная готовность к работе после включения источников питания.

Наряду с указанными достоинствами полупроводниковыми приборам присущи специфические недостатки, а именно:

1. ограниченность верхнего предела диапазона рабочих частот;

2. непостоянство параметров при изменении температуры, особенно при ее повышении;

В качестве усилителей высокой частоты находят применение усилители на транзисторах с согласующими устройствами в виде одиночных или многозвенных фильтров.

К малошумящим транзисторам (МШУ) усилителей высокой частоты предъявляют ряд требований:

1. Ширина полосы пропускания усилителя должна быть достаточной для безыскаженного усиления принимаемого сигнала ДF >Дf

Ввиду сложности перестройки МШУ в диапазоне частот, усилители должны быть, как правило, широкополосными, а требуемая избирательность может быть обеспечена с помощью перестраиваемых фильтров на их входе или на выходе.

2. Усилители должны иметь необходимое значение коэффициента усиления при достаточном низком коэффициенте шума. При этом следует учитывать, что первым элементом антенно-фидерного тракта является антенна, шумы которой характеризуемая эффективной шумовой температурой Та, определяемой ее конструкцией и ориентацией относительно Земли [6].

3. Коэффициенты отражения Г (стоячей волны k_c) определяют качество согласования СВЧ-трактов приемных устройств, и их величина не должна превышать значения Г? 0,1(k_c ? 2), потому что при больших значениях k_c отдельных узлов, как правило, в рабочем диапазоне частот коэффициент передачи уменьшается.

4. В связи с изменением уровней сигналов, поступающих на вход приемников в широких пределах Вт, МШУ должны иметь большой динамический диапазон d.

5. МШУ должны обладать высокой надежностью, простотой обслуживания иметь удобную систему регулировок и контроля.

6. МШУ должен также использоваться как средство защиты приемника от перегрузок, защиты приемного тракта от мощных сигналов.

В зависимости от механизма работы транзисторы делятся на биполярные и полевые. Анализ современных СВЧ кремниевых транзисторов показывает, что биполярные транзисторы (БТ) по шумовым и усилительным свойствам вплотную приблизились к теоретическому пределу (граничная частота Ггц). Для создания СВЧ полевых транзисторов (ПТ) в качестве полупроводникового материала используется арсенид галлия. Поскольку подвижность носителей заряда в арсениде галлия в несколько раз выше, чем в кремнии, полевые транзисторы обладают лучшими усилительными свойствами на более высоких частотах по сравнению с биполярными.

Преимуществом полевых транзисторов по сравнению с биполярными являются также меньшие искажения, более низкая чувствительность электрических параметров к изменению температуры и более высокий динамический диапазон.

На частотах выше 4…5 Ггц коэффициент шума ПТ меньше, чем у лучших типов биполярных. На частотах ниже 2…3 Ггц полевые транзисторы, как правило, имеют малое преимущество перед биполярными по коэффициенту шума. Но в этом диапазоне ПТ имеют более высокое входное сопротивление по сравнению с БТ.

Принципиальная схема УРС на транзисторах с общим инжектирующим выводом.

Схемы состоят из У_м на ПТ с цепями питания по постоянному, а также входного и выходного СУ. Резистор R_н в цепи истока обеспечивает выбор рабочей т.А (U_{зи а}, I_{ст а}) ПТ:

при котором режим работы ПТ (U_зи>>U_mc) близок к линейному. При этом

...