211

Радиоприемные устройства

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Расчет коэффициента шума и полосы пропускания. Расчет усилителя промежуточной частоты (УПЧ). Определение структуры радиотракта. Расчет структурной схемы и видеоусилителя приемника. Радиолокационная станция обнаружения и целеуказания

Русский

2012-11-14

6.25 MB

255 чел.

Московский Авиационный Институт

(Национальный Исследовательский Университет)

Курсовой проект по дисциплине:

«Радиоприемные устройства»

                                                              Выполнил: студент гр.04-408

                                                                            Дроздов Д.О.

                                                             Проверил: ст. преп. 407 каф.

                                                                                           Коновальцева Е.Н.                                                   

 

Москва

2012 г.


Содержание

Задание

Введение

 Расчет коэффициента шума и полосы пропускания

 Определение структуры радиотракта

Расчет усилителя промежуточной частоты (УПЧ)


МАИ – кафедра 407

Задание на курсовой проект

№1

  1.  Спроектировать приемник  радиолокационной бортовой станции обнаружения.

  1.   Составить и рассчитать структурную схему приемника.

  1.  Провести электрический расчет узлов: УПЧ

  1.  Исходные данные для проектирования:

- рабочий диапазон частот

- вид сигнала: импульсный, τи = 0.5 мкс; Fповт = 500 Гц

- чувствительность 310-12 Вт; qвых  >= 5

- ослабление побочных каналов приема Sз >= 20дБ

- изменение уровня входного сигнала 60 дБ.

- уровень выходного сигнала и его изменение: 5В;  4дБ

- оконечная нагрузка Rн = 100 Ом; Сн = 10 пФ

- источник электроэнергии: бортовая  сеть 27В

- условия эксплуатации :Токр = -500С…+600С

  1.  Узел для конструирования: плата УПЧ

  1.  Дополнительные требования и условия:

Введение

Радиоприемное устройство является неотъемлемой частью любой радиотехнической системы. Его основной задачей является: прием и селекция радиосигнала из множества сигналов, наведенных в антенне, усилить и преобразовать его  в напряжение или ток, изменяющегося по закону передаваемого сообщения.

РПМУ классифицируются по ряду признаков:

1) По типу схемы (приемники детекторные, прямого усиления, сверхгенеративные и супергетеродинные);

2)По виду принимаемого сигнала (АМ,ЧМ,ФМ; АТ,ЧТ,ФРТ; АИМ,ШИМ,ВИМ,ДМ,КИМ)

3)По диапазону частот;

4) По виду активной помехи;

5)По назначению (Связные, радиовещательные, телевизионные, радиорелейных и телеметрических линий, радиолокационные и радионавигационные и др.)

В данном курсовом проекте поставлена задача - рассчитать структурную схему и видеоусилитель приемника.  В качестве исходных данных заданы следующие требования:

- общие требования (назначение, место установки);

- требования к электрическим характеристикам (диапазон рабочих частот, чувствительность, избирательность, качество воспроизведения сигналов, требования к АРУ и др.)

- эксплуатационные особенности (диапазон рабочих температур);

Назначение проектируемого устройства - радиолокационная станция обнаружения и целеуказания. РЛС такого типа предназначены для обнаружения целей с использованием информации, получаемой от РЛС дальнего обнаружения, и наведения своих средств на эти цели. Антенна при работе станции вращается по азимуту вместе с кабиной, в которой установлено приемно-передающее устройство РЛС.

Импульсные радиолокационные приемно-передающие станции обычно излучают зондирующие радиоимпульсы с фиксированными периодом следования, длительностью импульсов, амплитудой и несущей частотой.

Приемники таких станций служат для приема части энергии зондирующих сигналов, отраженной от целей. Отраженные сигналы могут быть импульсными или непрерывными, причем информация о целях содержится в изменении во времени амплитуды (или отношения амплитуд) и частоты (или спектре) сигналов. В данном курсовом проекте рассматривается приемник импульсной РЛС. Рассмотрим его подробнее.

Расстояние r от импульсной РЛС до объекта измеряется как:

r=0.5ct

,где c-скорость света

t-время прохождения расстояния r.

Направление на объект определяют, вращая остронаправленные антенны и сравнивая интенсивности отраженных сигналов при различных положениях антенны или при переключении на различные антенны.

Так как для наилучшего приема импульсных радиосигналов на фоне шумов нужно иметь полосу пропускания приемника для сигнала Пс=(1…2)/. То полоса приемника РЛС может находится в пределах 0.5…20 МГЦ.


1. Выбор и обоснование структурной схемы

Структурные схемы РПМ различаются прежде всего  по ТВЧ ( тракт высокой частоты ). Существует несколько различных типов схем.

    1.) Детекторный тип

    2.) Прямого усиления

    3.) Супергетеродинного типа

Приёмник прямого детектирования характерен отсутствием усиления колебаний радиочастоты до детектора. Его отличает низкая чувствительность и избирательность.

Приёмник прямого усиления содержит УРЧ. ВЦ и УРЧ настроены на частоту принимаемого сигнала, на которой и осуществляется усиление. Т.к. используется многокаскадный УРЧ, то это обуславливает снижение его устойчивости и общей избирательности приёмника, затрудняет техническую реализацию перестройки по частоте.

Трудности, связанные с многокаскадностью УРЧ, позволяет устранить, в принципе, использование регенеративных и сверхрегенеративных усилителей, обеспечивающих большее усиление на каскад. Однако такие усилители обладают повышенными искажениями, относительно низкой устойчивостью по отношению к дестабилизирующим факторам, повышенной вероятностью паразитного излучения. По этой причине они применяются редко, и находят применение, в частности, в портативных приёмниках СВЧ. При любых типах используемых УРЧ полностью преодолеть присущие схеме прямого усиления недостатки не удаётся, поэтому  в  настоящее  время такие РПрУ с фиксированной настройкой применяются практически лишь в микроволновом и оптическом диапазонах,  что  не  соответствует  характеристикам  проектируемого РПрУ, т.к. он рассчитан на работу в сантиметровом диапазоне.

    Существенное улучшение всех показателей РПМ достигается на основе принципа преобразования частоты принимаемого сигнала - переноса  его в частотную  область, где он может быть обработан с наибольшей эффективностью. Самое широкое распространение во всех радиодиапазонах получила построенная на  этом принципе схема супергетеродинного приемника.  Эта схема в настоящее время наиболее совершенна.

    Приемники супергетеродинного типа позволяют успешно решать задачи получения требуемой фильтрации принимаемого сигнала, обеспечение заданного усиления, решение проблемы селективности, простоты перестройки, которая обеспечивается с помощью простых колебательных систем преселектора.

Относительная широкополосность приемников импульсных сигналов позволяет, как правило, строить такие приемники с однократным преобразованием частоты.

Из выше сказанного можно сделать вывод, что построение проектируемого РПрУ целесообразно выполнять по супергетеродинной схеме, наилучшим образом удовлетворяющей заданным техническим требованиям.

Обобщенная структурная схема супергетеродинного приемника показана на рис 1.

Принимаемый сигнал предварительно селектируется  во входной цепи (ВЦ) и усилителе радиочастоты (УРЧ). В преобразователе частоты (ПЧ) принимаемый радиосигнал частоты fс преобразуется в радиосигнал промежуточной частоты fпр=|fс+-fг|. Преобразование частоты происходит в смесителе в результате взаимодействия принимаемого радиосигнала и напряжения частоты fг, поступающего в смеситель от местного генератора (гетеродина). Преобразованный радиосигнал промежуточной частоты поступает в усилитель промежуточной частоты (УПЧ), усиливается до уровня, необходимого для работы детектора, а затем детектируется и преобразовывается в сообщение.

Рассмотренная выше схема, является обобщенной и в зависимости от назначения ПРМ и от поставленных параметров в нее могут входить дополнительные блоки. Рассмотрим структурную схему радиолокационного приемника (РИС 2).


 

РИС 2

А – антенна

АП – антенный переключатель

ПРД – передатчик

УЗП - устройство защиты приемника

УРЧ – усилитель радиочастоты

С – смеситель

Г – гетеродин

Ат-ор - аттенюатор

АПЧ – система автоподстройки частоты гетеродина

ППФ – полосно пропускной фильтр

УПЧ – усилитель промежуточной частоты

Д – детектор

ВУ – видеоусилитель

АРУ – автоматическая регулировка усиления

ОУ – оконечное устройство

Для защиты приемников от зондирующих радиоимпульсов можно использовать быстродействующие антенные переключатели АП, автоматически переключающие антенну с передачи на прием и обратно. Антенные переключатели могут быть построены на невзаимных ферритовых устройствах или с использованием интерференционных эффектов в линиях передачи, параметры которых изменяются с помощью газовых разрядников при воздействии на них мощных зондирующих радиоимпульсов. Радиоимпульсы передатчика, просачивающиеся через АП, ослабляются в устройстве защиты приемника (УЗП).

Для повышения чувствительности приемника применяется малошумящий усилитель радиочастоты (МШУ УРЧ). Можно использовать однокаскадный параметрический усилитель, обычно без охлаждения.

Смеситель (С) (обычно выполняется по балансной схеме)  уменьшает рост уровня шумов под действием гетеродина и может быть реализован на диодах с барьером Шоттке.

Усилитель промежуточной частоты (УПЧ), как правило, имеет высокие рабочие частоты (порядка 30 - 90 Мгц).

Детектор радиоимпульсов (Д) преобразуют радиоимпульсы в видеоимпульсы, которые усиливаются в видеоусилителе (ВУ) и подаются на оконечное устройство (ОУ).

Для автоподстройки гетеродина используют ослабленные аттенюатором  радиоимпульсы передатчика.

Для устранения перегрузки применяется инерционная АРУ, которая изменяет усиление УПЧ. Для быстрого восстановления усиления после действия помехи и сохранения чувствительности приемника в цепях АРУ и основного канала используют цепи разряда конденсаторов с постоянными времени не более единиц микросекунд.

Расчет коэффициента шума и полосы пропускания.

Так как приемник будет располагаться на борту воздушного судна, то необходимо учесть доплеровское смещение частоты, возникающее при движении источника и приемника сигналов. Смещение частоты будет зависеть от радиальной скорости перемещения объекта, отражающего зондирующие сигналы, относительно РЛС.

  1.  Берем скорость самолета, равную 1000км/ч. Тогда

= =

 с – скорость света;  – частота сигнала.

  1.    Полоса пропускания линейного тракта приемника:

 Пс – Ширина спектра радиочастот принимаемого сигнала;

Пнс – Запас полосы, требуемый для учета нестабильности и неточности настроек приемника.

Пнс =  , где

и  - нестабильности частот сигнала и гетеродина;

 и  – неточности настроек частот гетеродина и УПЧ.

Относительную нестабильность частоты гетеродина / можно определить по данным табл. 1.1. При этом надо учесть, что транзисторные однокаскадные гетеродины с кварцевой стабилизацией можно применять на частотах не выше 10 МГц, а без кварцевой стабилизации — на частотах не выше 500 МГц; транзисторные многокаскадные гетеродины с умножением частоты и кварцевой стабилизацией—на частотах до 10 ГГц; гетеродины с туннельными диодами —  на частотах от 0,5 до 100 ГГц; гетеродины на отражательных клистронах — на частотах от 3 до 50 ГГц. Повышая стабильность гетеродинов (за счет температурной стабилизации и т. п.), можно получить меньшие из величин / . указанных в табл. 1.1. Увеличивать стабильность необходимо в тех случаях, когда требуется высокая чувствительность приемника, и она сильно падает за счет роста запаса полосы Пнс. Величина = (0,003...0,01)  и падает до нуля при настройке приемника по принимаемым сигналам.

 Коэффициент  = (0,0003...0,003) .

 Исходя из данных таблицы 1.1, выбираем гетеродин на туннельном диоде   для которого:

  УПЧ не превышает 100 МГц. Для устойчивого детектирования  радиоимпульсов

 

 В РЛП миллиметрового и сантиметрового диапазонов промежуточная частота равна либо 30, либо 60 МГц. Выберем  промежуточную  частоту  из  стандартного  ряда:

 

     

 

 

 

Пнс =  

   

Так как Пнсс следовательно придётся использовать частотную автоматическую  подстройку  частоты  (ЧАПЧ)  или фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ).

При использовании ЧАПЧ с  Кчапч=30 полоса пропускания приемника:

 

При использовании ФАПЧ с  Кфапч = полоса пропускания приемника:

 

Так как полоса пропускания с ФАПЧ не на много уже схемы с ЧАПЧ то для упрощения схемы целесообразно взять схему с ЧАПЧ.

 Полоса пропускания преселектора, т.е всего селекторного тракта до смесителя:

  1.  Допустимый коэффициент шума приемника:

- реальная чувствительность, заданная в виде номинальной мощности;

  - минимально допустимое отношение сигнал/помеха на выходе приемника.

Для приемника РЛС можно взять  Выберем .

= 1.3810-23   - постоянная Больцмана;

 - стандартная температура приемника;

-шумовая полоса линейного тракта;

рис 1.4

(из графика (рис 1.4) при f=10Ггц);

tA= TА/ T0 =150/290=0.517

Дальше необходимо вычислить реальный коэффициент шума  , для этого определим структуру радиотракта.

Определение структуры радиотракта.

Реальный коэффициент шума супергетеродинного приемника равен:

– коэффициенты шума входной цепи, УРЧ, преобразователя частоты, и УПЧ.

- коэффициенты передачи мощности входной цепи, УРЧ и преобразователя частоты.

Полагаем, что коэффициент передачи мощности антенного фидера ;

Входная цепь:

Для подавления зеркального канала во входной цепи необходим ППФ.

- ослабление зеркального канала

Нужно определить обобщенную расстройку   зеркального канала :

 , где

– эквивалентное затухание контуров преселектора с учетом потерь, вносимых источником сигналов и нагрузкой;

Гц – частота промежуточная;

частота сигнала;

Выбираем , получим

 

Далее по рис 1.11 определяем число связных контуров

       Получим количество связных контуров n=2;

       Затухание в полосе пропускания, вносимое ППФ,  =3.5дБ

Выберем типовую структурную схему преселектора:

Так же должен иметься разрядник защиты приемника и ограничитель СВЧ мощности на полупроводниковых диодах. Их потери в режиме приема определяем из таблицы 4.8. Разрядники ограничители сочетают в себе РЗП и следующего за ним диодного ограничителя. Выберем MD-SOX5. Для него

Тогда потери вносимые входными цепями равны:

 

=4.202

Проверим правильность выбора типовой схемы преселектора, то есть убедимся, действительно ли нужен УРЧ. УРЧ необходимо ставить при выполнении условия:

Вычислим  , где - шумовое отношение полупроводникового диодного смесителя ;

– коэффициент шума 1 го каскада УПЧ. Выбираем для УПЧ транзистор ГТ330Д имеющий малый уровень шума. ;

- коэффициент усиления преобразователя частоты на полупроводниковом диоде

В результате, убедились, что необходим УРЧ. Так как выполняется условие

В качестве УРЧ можно использовать один каскад на туннельном диоде (ТД).

Характеристики УРЧ приведены в таблице 1.3.

Усилитель на туннельном диоде: частота (0.3-10Ггц); минимальный коэффициент шума 4…10; максимально достижимый коэффициент передачи по мощности 30…100;

Возьмем    

При наличии УРЧ можно выбрать ПЧ со смесителем на полупроводниковом диоде, если окажется, что

проверим это условие и определимся с ПЧ.

 

Это условие выполняется, значит, выбираем преобразователь частоты со смесителем на полупроводниковом диоде. Его характеристики приведены в таблице:

Преобразователь частоты на полупроводниковом диоде: частота(1-40) ГГц; минимальный коэффициент шума ; максимально достижимый коэффициент передачи по мощности 0.1…0.2;

  

После того как определили все необходимые значения можно рассчитать реальный коэффициент шума:

Расчет усилителя промежуточной частоты (УПЧ)

Выбор и расчет транзистора

Выбираем транзистор ГТ330Д, имеющий высокую граничную частоту  крутизны характеристики в схеме с ОЭ и малый уровень шума. Транзистор предназначен для работы в усилителях промежуточной частоты. Выпускаются в металлическом корпусе с гибкими выводами.

Основные данные по транзистору находится в приложении 3.

 статический коэффициент усиления тока базы в схеме с общим эмиттером (ОЭ).

–предельная частота усиления тока в схеме с ОЭ

;активное сопротивление базы

 активное сопротивление эмиттерного перехода  

. –коэффициент передачи тока эмиттера

-ток коллектора

 

Расчет Y-параметров транзистора ГТ330Д.

Выбираем ; ;

Находим Y-параметры по рис 3.6

; ; ;

; ; ;

; ; ;

; ;   

;

Тепловой расчет транзистора

Определяем изменение обратного тока коллектора для германиевого транзистора:

 

где -справочное значение неуправляемого тока перехода коллектор-база при определенной температуре

;

 

Находим тепловое смещение базы:

 

 –коэффициент температурного сдвига входных характеристик

 

 

Рассчитываем необходимую нестабильность коллекторного тока:

 

Вычисляем сопротивление резисторов:

 

 

Где - напряжение источника питания;

 

 

Подсчитываем емкости конденсаторов:

 

 

Расчет отдельных каскадов УПЧ

Амплитуда напряжения промежуточной частоты на выходе диодного полупроводникового смесителя (на входе УПЧ):

 

где n число каскадов УРЧ, для нашего случая n=1;

– активная входная проводимость 1-го каскада УПЧ.

для транзистора ГТ330Д.

 

Требуемый коэффициент усиления УПЧ составит:

 раз.

;

; где  амплитуда сигнала на выходе УПЧ

Расчет коэффициента шума 1-го каскада УПЧ в режиме согласования.

;

;

.

граничная частота крутизны характеристики в схеме с ОЭ.

Транзистор выбран правильно, если выполняется условие

Так как , то условие выполняется.

При расчете  каскадной схемы, берем тот же транзистор. Параметры:

;       ;          

;         

Поскольку требования к избирательности УПЧ по соседнему каналу не предъявляются, выбираем схему УПЧ с одноконтурными настроенными каскадами и производим её расчет.

Вначале определяем устойчивый коэффициент усиления одного каскада

 

Находим число избирательных систем для получения заданного усиления

 

 

Берем m=7;

вычисляем параметр a:

b – Относительное изменение входной и выходной емкостей транзистора.

b = 0.1..0.3; Выбираем b= 0.2

Значения параметра  для УПЧ с настроенными одноконтурными каскадами:

Возьмем

 

Для m=7 по таблице находим значение ψ – величина, равная отношению полосы пропускания отдельного резонансного контура к полосе пропускания УПЧ с числом избирательной системы m.  Для m=7  ψ=3.1

Определяем необходимое эквивалентное затухание контуров, обеспечивающих заданную полосу пропускания:

=0.177

Вычисляем критические значения эквивалентного затухания контуров промежуточных каскадов при d=0.01 (собственное затухание катушки):

 

 

Так как выполняется условие , то рассчитываем  и

 

 

Находим коэффициент усиления каскада:

 

, то есть каскад не устойчив.

Переходим к каскадной схеме ОЭ-ОБ, поскольку . Пересчитываем значения Y параметров:

 

;  Cм; См

 ;

 =0.75 мСм

;
 

Проведем перерасчет для каскадного соединения:

 

 

Для  находим по таблице ψ=1.96;

 

Определяем  для промежуточных каскадов:

 

 

Так как  

- коэффициент включения контура, в цепь базы транзистора следующего каскада

 0.392

-эквивалентная емкость контура:

 

Находим коэффициент усиления каскада:

 

Переходим к режиму фиксированного усиления, пологая что:

 

Коэффициент включения контура в цепь базы транзистора определяется при этом как:

 

 

Для получения заданной полосы пропускания к контуру нужно  подключить шунтирующий резистор с проводимостью:

 

 

Расчет оконечного каскада УПЧ и коэффициента усиления

Параметры нагрузки УПЧ определяются из расчета детектора:

 ; Ф

 

Вычисляем значения d’ и d’’:

 

 

Полученные значения критических затуханий эквивалентного контура, сравниваются с эквивалентным затуханием контура:

 

 

Определяем  применительно к режиму фиксированного усиления с

 

(как и в промежуточных каскадах)

 

Вычисляем проводимость шунта, подключенного к контуру оконечного каскада:

 

 

Для УПЧ с настроенными одноконтурными каскадами коэффициент усиления УПЧ рассчитывается по формуле:

 

Для диодного смесителя предполагают ;

 

;            

Условие выполняется с большим запасом, т.е усилитель имеет избыточное усиление. Допустимым обычно считают не более чем трехкратное превышение заданного коэффициента усиления. Так как , то есть условие не выполняется, переходим к режиму фиксированного усиления и производим уточненный расчет параметров схемы. Значение фиксированных коэффициентов усиления  отдельных каскадов определяют с помощью соотношений:

, где

Для последнего каскада имеем:

 

 

   , но так как  То данное избыточное усиление является приемлемым.

Пересчитаем  

 

 

Расчет элементов контура

Рассчитываем индуктивность контурных катушек:

 

измеряется в микрогенри

Где -частота настройки контура (в килогерцах)

в пикофарадах

 

Из таблицы 6.2 убеждаемся, что рассчитанная индуктивность для =60МГц оказалась конструктивно осуществима

Определяем емкости конденсаторов настройки контуров:

для одноконтурных каскадов:

-монтажная емкость

 

;

 

Собственная емкость контура оконечного каскада:

 

Ф

 


Конечная схема супергетеродинного приемника.

Описание.

А

А – антенна

АП – антенный переключатель

РО – разрядник ограничитель

ППФ – полосно-пропускной фильтр

УРЧ – усилитель радиочастоты

СМ – смеситель

ПРД - передатчик

Г – гетеродин

Ат - аттенюатор

АПЧ – система автоподстройки частоты гетеродина

УПЧ – усилитель промежуточной частоты

Д – детектор

ВУ – видеоусилитель

АРУ – автоматическая регулировка усиления

ОУ – оконечное устройство

Антенна является совмещенной. Она предназначена для приема и излучения электромагнитных волн (ЭМВ).

Антенный переключатель (АП) предназначен для подключения поочередно антенны, то к передатчику, то к приемнику. Может быть выполнен на феррите.

Для РЛС с совмещенной антенной и значительной выходной мощностью передатчика (как импульсной, так и средней) возможным типом защитного устройства (ЗУ) является разрядник ограничитель (РО), который сочетает в себе РЗП и следующего за ним диодного ограничителя (ДО).

ППФ осуществляет частотную селекцию сигналов во входной цепи, необходимой для уменьшения сигналов помех.

Для повышения чувствительности приемника применяется малошумящий усилитель радиочастоты (МШУ УРЧ). Можно использовать однокаскадный  усилитель, на туннельном диоде

Смеситель (СМ) (обычно выполняется по балансной схеме)  уменьшает рост уровня шумов под действием гетеродина и может быть реализован на полупроводниковых диодах. Смеситель и гетеродин, вместе образуют преобразователь частоты. Он необходим для переноса спектра сигнала на промежуточную частоту без искажения.

Усилитель промежуточной частоты (УПЧ), как правило, имеет высокие рабочие частоты (порядка 30 - 90 Мгц). Служит для усиления промежуточной частоты

Детектор радиоимпульсов (Д) преобразуют радиоимпульсы в видеоимпульсы, которые усиливаются в видеоусилителе (ВУ) и подаются на оконечное устройство (ОУ).

Для автоподстройки гетеродина используют ослабленные аттенюатором  радиоимпульсы передатчика.

Автоматическая подстройка частоты (АПЧ) необходима для стабилизации частоты гетеродина, которая может меняться по разным причинам.

Для устранения перегрузки применяется инерционная АРУ, которая изменяет усиление УПЧ и может также воздействовать на коэффициент усиления УРЧ. Для быстрого восстановления усиления после действия помехи и сохранения чувствительности приемника в цепях АРУ и основного канала используют цепи разряда конденсаторов с постоянными времени не более единиц микросекунд.

Список литературы

1.«Методические указания по курсовому проектированию радиоприёмных устройств». Бакалов В.П., Белоусов Н.Н., Выборный В.Г

Москва, МАИ 1981г.

2.«Проектирование радиоприемных устройств». Под общей редакцией Сиверса. Москва, «Советское радио» 1976г.

3. «Радиоприемные устройства». Фомин Н.Н, Буга Н.Н, Головин О.В. и др.

Москва, «Горячая линия - Телеком» 2007г.

4.«Устройства приема и обработки сигналов». Колосовский Е.А. Учебное пособие для вузов. Москва, «Горячая линия - Телеком» 2007г.

5. «Конспект лекций по радиоприемным устройствам» Расторгуев В.В.