Устройства приема и обработки сигналов

Обычно усиление принимается с 2- или 3-кратным запасом, где

Rа – сопротивление антенного тракта на входе приёмника 75 Ом;

Pа – заданная чувствительность приёмника, Ра=6∙10-12 Вт.

Общий коэффициент усиления К0=50031,14=5∙104 (≈94 дБ).

Усиление согласно структурной схеме будет производиться в блоке УПЧ.

В приемниках коэффициент усиления преселектора Кпр можно найти из выражения:

,

где КВЦ – коэффициент передачи входной цепи; КУРЧ – коэффициент усиления одного каскада УРЧ и m – число каскадов УРЧ. Наш преселектор УРЧ не имеет. Следовательно, .

В приемниках с фиксированной настройкой коэффициент передачи входной цепи можно рассчитать по формуле:

, где dэр – затухание контуров входной цепи, а В=0,01 для одноконтурной входной цепи.  Тогда: .

Коэффициент передачи  смесителя  на полупроводниковом диоде обычно имеет  величину порядка 0,1…0,2. Остальное усиление достигается за счет УПЧ:

 

6. Оценка динамического диапазона

 

Изменение амплитуд сигналов и помех в реальных условиях может достигать 80 дБ и более. При увеличении амплитуд возникает перегрузка тракта радиочастоты, сопровождающаяся искажениями сигналов. Отношение максимально допустимого напряжения входного сигнала Uа.д. к чувствительности приемника Uа.о. характеризует его динамический диапазон.

. Чтобы расширить динамический  диапазон, используют электронные  приборы с большим линейным  участком ВАХ и АРУ.

  Оценка динамического диапазона  производится следующим образом. Оценивается мощность шума, приведенная  к входу приемника

,

где П – отношение полосы пропускания приемника к полосе 1 Гц, N – безразмерный коэффициент шума приемника. Тогда:

Производим расчет для балансного смесителя на полупроводниковых диодах:

АВХ = АВЫХ – G,

где АВХ и АВЫХ имеют размерность дБм, а G – коэффициент передачи каскада (по мощности), дБ.

Пусть Авых = -20дБм

G=-7 дБ

АВХ = -20+7=-13дБм,

Динамический диапазон:

.

 

7. Расчет селективности

 

Селективность по зеркальному каналу обеспечивается с помощью частотно - избирательной входной цепи, а по соседнему каналу - используя два одиночных контура: на выходе преобразователя частоты и на выходе УПЧ.

Селективность по зеркальному каналу:

, приdэс=0,006

Эквивалентное затухание одиночных контуров:

 

Селективность по соседнему каналу:

Полагаем:                Dfск= П=1,1 МГц, n=2, тогда:

 дБ

 

8. 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:                     

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

Искажения, вносимые преобразователем частоты, составляют:

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

 

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

 

9. Структурная схема РПрУ

Рис 2. Структурная схема РПрУ:АП – антенный переключатель, ВЦ – входная цепь  , См – смеситель, Г – гетеродин, УПЧ – усилитель промежуточной частоты, Д – детектор, БВС – блок видеосигналов, АПЧ – автоподстройка частоты.

 

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 согласованы с волновыми сопротивлениями  присоединяемых  к  ним  линий  передач, чтобы  в местах  соединения  не  возникало  отражений  СВЧ  энергии.

   В  нашем  случае  входная  цепь  должна  выполнять  следующие  функции :

- частотная  селекция  принимаемых  сигналов   для   уменьшения  помех  на нерабочей  частоте.

- подавление  зеркального  канала.

- защита  1-ого  каскада  приёмника  от  перегрузки  и  повреждения   мощностью СВЧ сигналов, поступающих  в  приёмник  на  рабочих  частотах .

Преобразователь частот (смеситель) РПрУ РЛС часто выполняется на диодах по балансной схеме. Для балансных смесителей на диодах с барьером Шотки потери сигнала в сантиметровом и миллиметровом диапазоне составляют соответственно  5÷8 и 6÷10 дБ, а коэффициент шума - 6÷9 и 7÷12 дБ, что неприемлемо в нашем случае из-за отсутствия УРЧ в составе радиотракта.

  В сантиметровом диапазоне используют  ПЧ на биполярных транзисторах, которые обладают  коэффициентом усиления 3÷12 дБ и коэффициентом шума  1,7÷4,6 дБ. Однако лучшие характеристики во всем СВЧ диапазоне имеют ПЧ на полевых транзисторах, так как в более широком  диапазоне 1÷15  ГГц они обеспечивают усиление 8÷12 дБ прикоэффициенте шума  1,1 ÷ 3,5 дБ. К преимуществам смесителей на ПТ можно отнести более простые цепи смещения по постоянному току и более высокую температурную стабильность. Поэтому используем транзисторный преобразователь частоты на полевом транзисторе с барьером Шотки, усилительные и шумовые свойства которого, в основном, и определят чувствительность РПрУ.

Основное усиление в РПрУ обеспечивается усилителем промежуточной частоты. Схемотехника каскадов этого устройства разнообразна, однако, заметно упростить  приёмник позволяет применение в качестве усилительных элементов аналоговых интегральных микросхем.

  Основныетребования, предъявляемые  кУПЧ, это малый  коэффициент шума идостаточновысокийкоэффициент усиления, а кроме того, он должен обладать широким динамическим  диапазоном, линейной ФЧХ и равномерной АЧХв рабочем  диапазонечастот, хорошо согласован, обладать  высокой  надёжностью.

  В настоящее время в наибольшей  мереэтим требованиям  удовлетворяют  УПЧ на интегральных микросхемах. УПЧ с логарифмической амплитудной характеристикой, который наилучшим образом выполняет усилительные функции при широком динамическом диапазоне входных сигналов, реализуем на ИМС.

Детектор  импульсных сигналов. При детектировании импульсных сигналов различают два вида: пиковое и импульсное детектирование. В первом  случае  определяется только  амплитуда импульсов, качество же воспроизведения формы их огибающей играет второстепенную роль.

В нашем случае  импульсного детектирования необходимо воспроизвести огибающую каждого поступающего на детектор радиоимпульса. Для этого обычно применяется диодный детектор, постоянная величина времени (RC) нагрузки которого выбирается достаточно  большой,  так,  чтобы в течение времени между радиоимпульсами напряжение на выходе не успевало заметно снизиться, а изменялось по закону огибающей последовательности радиоимпульсов. Наличие в схеме детектора реактивных элементов приводит к искажению формы импульсов, т.к.  вызывает переходные процессы, за счет которых увеличивается  время установления tу и время спада tсп импульсов на его выходе.  Обеспечение минимальных искажений  формы  импульсов  (tу и tсп) в заданных пределах, является главной задачей импульсного детектора. Желательно при этом получить высокий коэффициент передачи, но не за счет увеличения искажений сверх заданной величины.

Режим работы и параметры схемы импульсного детектора выбирается из условия обеспечения допустимых искажений формы импульсов.

10.   Схемы пикового и импульсного  детекторов аналогичны, отличие только в том, что постоянная времени нагрузки у пикового детектора на два,  три порядка больше, чем у  импульсного. В таких детекторах используют  германиевые диоды. 
    Выбор элементной базы

1. Гетеродин

Исходные данные для выбора гетеродина:

• Рабочая частота fг=fc-fпр=1,3-0,03=1,27 ГГц;
• Требуемая выходная мощность РГвых;
• Диапазон перестройки по частоте;
• Шумовые характеристики.

Целесообразно использовать полупроводниковый гетеродин на диоде Ганна (ГДГ). Выходная мощность гетеродина должна быть достаточна для нормальной работы смесителей и схем ЧАПЧ всех трех каналов приема РЛС:

РГвых = (Рс + Рапч)×3 = (6+9)×3 =45 мВт;

Выбираем ГДГ типа VSC-9018, имеющий следующие параметры:

 

диапазон рабочих частот fГ,ГГц	1÷2
шаг перестройки: электронной Dfэл,МГц                               механической Dfмех,МГц	50
	200
выходная мощность РГвых , мВт	100
напряжение питания Uпит,В	11
ток потребления I,А	0,5

 

 

2. Преобразователь частоты

На частотах до 7 ГГц в транзисторных преобразователях широко  используются биполярные транзисторы,на более высоких частотах, включая миллиметровый диапазон - полевые транзисторы с барьером Шотки. Имея выбор между БП и ПТШ, предпочтение отдают ПТШ, так как они обладают лучшими  шумовыми и усилительными показателями, поэтому используем транзисторный преобразователь частоты на двухзатворном ПТШ. Для применения в смесителе был выбран арсенид-галлиевый ПТШ  3П328А-5.

Транзистор ЗП328А-5 полевой арсенид-галлиевый планарный с двумя затворами с каналом n-типа и барьером Шотки усилительный с нормированным коэффициентом шума на частоте до 8 ГГц. Предназначен для применения во входных и последующих каскадах малошумящих усилителей в составе гибридных интегральных микросхем. Транзистор выпускается в виде кристаллов с контактными площадками без кристаллодержателя и без выводов. Масса бескорпусного транзистора не более 0,1 г, кристалла – не более 0,0002г.

Исходные данные для расчёта:                        

Частота входного сигнала	fc = 1,2 ГГц; l=25см
Коэффициент шума  транзистора	Штр=1,4
Частота гетеродина	fг = 1,17 ГГц
Электрические параметры Минимальный коэффициент шума 1,4 дБ Оптимальный коэффициент усиления по мощности 15 дБ Крутизна характеристики по первому затвору 8 мА/В Крутизна характеристики по второму затвору 4 мА/В Напряжение отсечки 4 В Ток утечки 1 мкА Предельные эксплуатационные данные UСИ 6 В UЗИ1,2 4 В, 6 В PРАС 50мВт Температура окружающей среды -60÷70ºС

 

Рис 3. Внешний вид и размер 3П328А-5

3. Диод для детектора

 

Для использования в детекторе выбираем детектирующий полупроводниковый диод 1Д402А. диоды германиевые, микросплавные. Предназначены для детектирования высокочастотных сигналов. Выпускаются в стеклянном корпусе с гибкими  выводами. Масса диода не более 0,21 г.

 

fпч = 30 МГц <fд = 40 МГц
Электрические параметры
Iобр	150 мкА
Uпр	0,45 В
Ri	4,5 Ом
Сд	0,8 пФ
Предельные эксплуатационные данные
Iпр	30 мА
Uобрmax	15 В
Температура окружающей среды	-60÷70ºС

 

Рис 4. Внешний вид и размеры 1Д402А

Данные для расчёта:

Частота сигнала  ПЧ	fпч = 30 МГц
Параметры входного контура	Lк=50 нГн Ск = 2 пФ
Допустимые искажения импульса :
Время нарастания импульса tу	0,2 мкс
Время спада импульса tсп	(0,3...0,5)×tи= (0,3...0,5)×1  = 0,3 мкс
UвхДет	0,5 В
Kд	0,8 ÷0,9