Глава 2. Разработка УПОС

Разработка функциональной схемы УПОС

 

Устройство приема и преобразования сигналов (УППС) предназначено для приёма, преобразования, усиления сигналов, отраженных от целей и принятых антенной, до величин, необходимых для нормальной работы устройства АСЦ и индикаторного устройства.

Функционально УПОС построено по супергетеродинной схеме с однократным преобразованием частоты.

УПОС состоит из следующих функциональных узлов.

1. Устройство защиты приёмника

2. Преобразователь частоты

3. Усилитель промежуточной частоты

4. Видео усилитель

5. Устройство автоматической регулировки частоты клистронного гетеродина (АПЧ)

6. Схема автоматической временной регулировки усиления.

Рис.2. Функциональная схема УПОС

 

На рис. 3.3 обозначены: АП – антенный переключатель; УСВЧ – усилитель СВЧ – сигнала (в некоторых РЛП может отсутствовать); Смес. УПЧ – смеситель УПЧ, ПУПЧ – предварительный усилитель промежуточной частоты; ГУПЧ – главный усилитель промежуточной частоты; АД – амплитудный детектор; ВУ – видеоусилитель; Сх. АРУ – схема АРУ; Гет. – гетеродин; ДМ – делитель мощности сигнала от передатчика РЛС; Смес. АПЧ – смеситель АПЧ; Сх. АПЧ – схема АПЧ.

Радиолокационные станции работают в диапазоне УКВ. Назначение радиолокационной станции определяет схему ее приемника, его конструкцию и качественные показатели, от которых зависят основные параметры радиолокационной станции (дальность действия, точность, определения координат цели, разрешающая способность). Удачная конструкция и схема приемника могут значительно улучшить параметры радиолокационной станции.

Импульсная работа радиолокационных станций в диапазоне УКВ предъявляет ряд специфических требований к их приемникам.

Радиоимпульсы, отраженные от дальних целей, поступают на вход приемника с амплитудой в несколько микровольт. Их мощность измеряется тысячными и миллионными долями микроватта.

Напряжение отраженных сигналов на выходе приемника представляют собой видеоимпульсы с амплитудой в несколько десятков вольт. Мощность выходных видеоимпульсов должна быть порядка долей ватта.

Для неискаженного усиления слабых радиоимпульсов с последующим преобразованием их в видеоимпульсы прямоугольной формы приемник радиолокационной станции должен обладать высокой чувствительностью и иметь широкую полосу пропускания. Если в приемнике связи полоса пропускания составляет несколько килогерц, то в радиолокационном приемнике она измеряется десятками долями и единицами мегагерц.

Большой коэффициент усиления радиолокационного приемника и широкая полоса пропускания являются причиной сильного влияния на его работу внутренних шумов. Радиолокационные приемники чаще всего выполняются по супергетеродинной схеме. Основные элементы приемника имеют следующее назначение:

Устройство защиты приёмника Требуемая для защиты приёмника изоляция от передатчика должна составлять не менее 60-80дБ, а суммарная энергия, просачивающаяся через защитное устройство, незначительна и не должна превышать 1мВт. Ферритовый антенный переключатель (ФАП) и устройство защиты приёмника (УЗП) объединены в одной конфигурации. Структура построения ФАП обеспечивает развязку приёмника и передатчика до 40дБ. Дополнительную развязку, до 80дБ обеспечивает широкополосный разрядник защиты приёмника (РЗП) представляет собой вакуумно-герметичную (вак) резонаторную структуру, заполненную газом. При воздействии СВИ электрического поля высокого уровня мощности возникает внутри РЗП газовый разряд, в результате чего входное сопротивление разрядника значительно падает, а вносимое или затухание резко возрастает.

Входная цепь служит для согласования волнового сопротивления антенного фидера с входным сопротивлением приемника. Чаще всего представляет собой одиночный колебательный контур. При помощи входной цепи на входе первого каскада приемника стараются получить, возможно, большее превышение сигнала над уровнем внутренних шумов.

Преобразователь частоты осуществляет преобразование радиоимпульсов высокой частоты в радиоимпульсы промежуточной частоты. Он состоит из смесителя и гетеродина.

Преобразование частоты в радиолокационном УПОС производится с помощью кристаллических диодных смесителей, размещённых в специальных волновых секциях, к которым подводятся непрерывные колебания СВЧ от гетеродина и отраженные сигналы от антенны или ослабленные сигналы магнетрона. Смесители АПЧ-К и УПЧ по конструкции выполнены по балансной схеме с щелевым мостом, однотактным выходом, последовательным включением диодов по постоянному току и параллельным - по переменному.

УПЧ (усилитель промежуточной частоты) усиливает импульсы промежуточной частоты до величины, необходимой для нормальной работы детектора. В этом усилителе происходит основное усиление принимаемых сигналов. Коэффициент усиления данного усилителя может доходить до сотен тысяч, а число каскадов до 12 и даже более. В качестве ламп применяются исключительно высокочастотные пентоды с большой крутизной характеристики. Усиление импульсов промежуточной частоты, поступающих из смесителя производится УПЧ. От качества работы УПЧ зависят дальность радиолокационного наблюдения и разрешающая способность.

Детектор осуществляет преобразование радиоимпульсов в видеоимпульсы.

Видео усилитель. Под видео усилителем понимается совокупность каскадов, включенных между УПЧ и индикаторным устройством. Предназначен для усиления видеоимпульсов по амплитуде и трансляции их в индикаторное устройство.

Служит для увеличения амплитуды видеоимпульсов, полученных на нагрузке детектора, до величины, обеспечивающей нормальную работу индикатора. В оконечном каскаде видео усилителя обычно происходит согласование выходного сопротивления видео усилителя с входным сопротивлением фидера, при помощи которого приемник соединяется с индикатором.

Схема радиолокационного приемника сантиметрового диапазона имеет ряд специфических особенностей. Так, например, в качестве входной цепи используется объемный резонатор антенного переключателя

Смесители в сантиметровых приемниках выполняются на полупроводниковых диодах, а в качестве гетеродинов используются отражательные клистроны. Эти элементы представляют высокочастотный блок приемника, который располагается в непосредственной близости от антенного переключателя станции.

В радиолокационных приемниках часто применяют систему автоматической регулировки усиления (АРУ), систему автоматической подстройки частоты (АПЧ), систему стабилизации частоты гетеродина и. т. д.

Устройство АПЧ-К предназначено для поддержания разностной частоты магнетрона и клистрона постоянной. Предлагаю взять промежуточную частоту равной 60МГц, т.к. данная частота является стандартной, что позволяет использовать рассчитанные и используемые в других РЛС узлы в тракте обработки сигнала.

Специальные блоки и приборы:

Устройство ГАГ — для создания стабилизированной плоскости, т.е. влияние качки, компенсируется работой ГАГ.

АСЦ— формирует сигналы для управления антенным устройством по КУ и УМ, т.е. это устройство, выдает текущие координаты сопровождаемой цели.

СРЧ— определяет элементы движения сопровождения цели. Оно преобразует текущие координаты в ПУВН и ПУГН.

УСТРОЙСТВО НАВЕДЕНИЯ— формирует управляющие сигналы наведения АУ в упрежденную точку встречи снаряда с целью.

ИММИТАТОР —обеспечивает имитацию сигналов целей и помех для тренировки л/с.

АСК —автоматическая система контроля, для упрощения поиска неисправностей.

 

 

2.2. расчет структурной схемы УПОС

 

Исходные данные для расчета радиолокационного приемника (РЛП) должны быть получены в результате расчета основных технических характеристик УПОС и радиолокационной станции. Такими данными являются:

- f _н=30 (МГц)– рабочая (несущая) частота;

- t _и=0,03×10^-6– длительность импульса:

- t _у =0.02×10^-6 (С) – время установления фронта импульса;

- F_и = 50 (Гц)– частота повторения импульсов (или Т_п – период повторения импульсов)

- P_пр=1,091×10^-12 (Вт) – предельная (или тангенциальная) чувствительность приемника;

- P_и =135.8 (МВт)– импульсная мощность передатчика;

- P_п=×17.4 (мВт) – мощность передатчика, просачивающаяся на вход приемника;

- g=0,5 - коэффициент различимости (отношение сигнал/шум на выходе линейного тракта приемника);

- U_вых =10 – требуемое значение напряжения на выходе приемника;

- квазиоптимального фильтр для прямоугольного сигнала.

В большинстве современных приемников РЛС применяется схема автоматической подстройки частоты (АПЧ). Ширина полосы пропускания РЛП со схемой АПЧ

2Df = 2Df c + =2.933× 107;

(3.1)

где 2Df _c =29×10⁶- ширина спектра принимаемого сигнала, зависит от назначения РЛС;

Df_д=2×10⁴– доплеровское смещение частоты при работе с движущимися объектами, определяется выражением (4) или выбирается из табл. 1;

Df_зап =10×10⁶– запас частоты по ширине полосы пропускания, определяется нестабильностью частот передатчика, гетеродина приемника и настроек. В сантиметровом диапазоне составляет 10…12 МГц.;

к_АПЧ =30– коэффициент АПЧ, выбирается в пределах 30…35.

Значение ширины спектра принимаемого сигнала:

- для РЛС УО:

2Dfc = =2.9× 107.

(3.2)

Значение доплеровского смещения частоты:

Dfд = - = - =2× 104;

(3.3)

где =300 (м/с)- радиальная скорость относительного перемещения цели и РЛС;

с – скорость света;

l - длина волны.

Знак «минус» означает, что при удалении цели доплеровское смещение частоты отрицательно – частота отраженного сигнала меньше частоты передатчика. Если цель приближается ( - отрицательна), доплеровское смещение частоты положительно – частота отраженного сигнала больше частоты передатчика.

Допустимый коэффициент шума РЛП определяется выражением:

Nдоп £ кР ф =76,1;

(3.4)

где к_Рф=0.92 - коэффициент передачи мощности волновода. Для предварительного расчета РЛП можно выбрать к_Рф » 0,92…0,98;

k = 1,38×10^-23 Дж/град – постоянная Больцмана;

Та = 273 К + t_СР - шумовая температура антенны;

t_СР = 24° - температура воздуха по шкале Цельсия;

2Df_ш = 1,1×2Df=6.6×10⁷ – ширина полосы шумов на входе приемника;

g_вх=0,5 – коэффициент различимости сигналов на входе приемника. Для предварительного расчета можно принять g_вх = g;

t_А = =1.02- относительная шумовая температура антенны РЛС.

 

Для выбора типа структурной схемы РЛП произвести пересчет допустимого коэффициента шума в единицах децибел:

Nдоп дБ = 10 lg Nдоп =87,7 [дБ].

(3.5)

 

 

Выбор типа структурной схемы РЛП - из схемы на рис. 3.3.

- так как N_доп [дБ]< 12 дБ необходимо выбрать структурную схему приемника с малошумящим усилителем (МШУ) в качестве УВЧ: для РЛС УС – усилитель на ЛБВ. Из рис. 1, характеристики 3 (ЛБВ), 4 (УТД), 5 (ППУ) по значению заданной рабочей частоты выбрать значение шумовой температуры приемника (Т_пр, ^оК).

-

Рис. 2.1. Функциональная схема РЛП

 

На рис. 2.1. обозначены: АП – антенный переключатель; УСВЧ – усилитель СВЧ – сигнала (в некоторых РЛП может отсутствовать); Смес. УПЧ – смеситель УПЧ, ПУПЧ – предварительный усилитель промежуточной частоты; ГУПЧ – главный усилитель промежуточной частоты; АД – амплитудный детектор; ВУ – видеоусилитель; Сх. АРУ – схема АРУ; Гет. – гетеродин; ДМ – делитель мощности сигнала от передатчика РЛС; Смес. АПЧ – смеситель АПЧ; Сх. АПЧ – схема АПЧ.