Устройства приема и обработки сигналов

 

4. Схемное решение для УПЧ

 

Для применения в усилителе промежуточных частот целесообразно использовать интегральные микросхемы серии К175.СерияИМС 175 представляет собой комплект интегральных микросхем, предназначенных для применения в трактах промежуточной частоты радиолокационной и связной техники, а так же в других узлах РЭА. Микросхемы представляют собой усилительный каскад со стабилизацией режима и двумя вспомогательными транзисторами, на которых возможно построение входных или выходных эмиттерных повторителей. Предназначены для применения в высокочастотной радиоэлектронной аппаратуре.

Рис 5. Принципиальная схема ИМС К175УВ2

Назначение выводов:

1	Общий (-Uпит)
2	Делитель цепей смещения
3	Вход 1
4	Выход 1
5	Выход 2
6	Вход 2
7	Делитель цепей смещения
8	Питание +Uпит
9	База второго вспомогательного транзистора
10	Эмиттер второго вспомогательного транзистора
11	Эмиттер первого вспомогательного транзистора
12	База первого вспомогательного транзистора
13	вход регулировки усиления
14	фильтр

 

ИМС К175УВ2 - универсальная усилительная схема, обладает следующими характеристиками:

Электрические параметры ИМС К175УВ2 при25+10 оС:

Напряжение источника питания	6 В
Ток потребления	3 мА
Крутизна преобразования	10 мА/В
Входное сопротивление	1 кОм
Выходное сопротивление	1,9 кОм
Верхняя граничная частота	65 МГц
Коэффициент шума	6 дБ

 

Остальные параметры смотри в приложении 1.

Электрическое проектирование

 

1. Входная цепь

 

В используемом диапазоне частот в силу особенностей  несимметричных полосковых волноводов наиболее перспективно использование согласующих цепей на микрополосковых линиях. Основными характеристиками микрополосковой линии являются: волновое сопротивление и эффективная диэлектрическая проницаемость, которые зависят от толщины подложки Н, ширины микрополосковой линии Е, толщины металлизированного слоя t и относительной диэлектрической проницаемости e. Из соображений  технологичности широкое применение в качестве полосовых фильтров находит  связанная система из резонансных полуволновых разомкнутых резонаторов:

Рис 6. Согласующие цепи на микрополосковых линиях: а) структура полосового фильтра; б) сечение линии

Такой ПФ (рис.7а) образован рядом одинаковых параллельно связанных линий(длина участка связи равна L0/4), и является наиболее употребительным из-за отсутствия особо критичных размеров.

Основными исходными данными для проектирования такого  полосового фильтра являются:

• частота сигнала,
• полоса пропускания приёмника,
• затухание в полосе пропускания Lп, обычно принимаемое за 3 дБ,
• полоса  заграждения Пз, определяемая в нашем случае как Пз=4fпч=120 МГц,
• затухание на границах  полосы  заграждения Lз=26 дБ,
• волновые  сопротивления подводящих линий W0=75 Ом.

При использовании для аппроксимации частотной характеристики  фильтра максимально плоских функций Баттерворта можем  посчитать число элементов n по формуле:  

Округляем в большую сторону и получаем, что проектируемый ПФ должен состоять из (n+1)=2 элементов.

Электрическая длина li отрезков связанных линий всех звеньев  фильтра одинакова: li=L0/4,

где L0- длина волны в линии на частоте fс: L0=f0/2e,

e -эффективная диэлектрическая проницаемость среды в линии, равная, для симметричной полосковой линии, относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика линии.

 

 

 

 

2. Преобразователь частоты

В преобразователе частоты на двухзатворном ПТШ3П 328А-5 напряжения сигнала и гетеродина подаются на разные затворы, что позволяет добиться лучшей развязки между сигнальной и гетеродинной цепью по сравнению со смесителем на однозатворном ПТ.

Рис 7. Схема преобразователя частоты на двухзатворном полевом транзисторе с внешним гетеродином.

Преобразование частоты обеспечивается за счет изменения крутизны сток - затворной характеристики по сигнальному затвору под воздействием переменного напряжения на гетеродинном затворе.

Основные  параметры  транзистора:

Uси=6В .

Rи=200 Ом .

Iс о=5 мА .

Uзи о=2,5 В .

Sнач=8 мА/В

Рис 8. Характеристики полевого транзистора

Пользуясь характеристиками ПТ (рис.9), выбираем напряжение смещения:

=1,25В

Сумма амплитуд сигнала и гетеродина не должна превышать Eсм.

Полагаем, что для ПТ крутизна при UЗИ=0, тогда Sнач=8 мА/В, а при :=2мА/В

Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток UЗИимеет вид:

 

При подаче на вход смесителя напряжений сигнала uc=Uсcoswct и гетеродина uг=Uгcoswгt получаем амплитуду тока частоты wп=wг-wс:.

Крутизна преобразования:

Зададимся L1 = L2= 1 мкГн ,тогда

 

Характеристическое сопротивление контуров:

По  таблице  6.1[3] находим отношение полосы пропускания двухконтурного резонансного каскада к полосе приёмника: Y(n)=1,56

Полоса пропускания одного каскадаУПЧ по уровню -3 дБ: Пiупч=П×Y(n)=3,7×1,56=5,77 МГц

Эквивалентное затухание контуров:

Полагаем коэффициент включения транзистора врезонансный контур m1=1;

dэ/rк = d0 +m12× gвых.ПТ +m22× gвх.УПЧ

Исходя из условий [3] зададимся собственными затуханиями: d0 @0,006..0,01. Принимаем: d0 = 0,006; gвыхПТ@ 0.

Коэффициент  подключения 

Коэффициенты передачи смесителя:

по напряжению: 

по мощности: 

Оценим коэффициент шума транзистора в режиме преобразования частоты :

 

Расчёт  смесителя  по  постоянному  току:

Напряжение смещения:, где

         Напряжение  источника питания:

 

Так как необходимо согласовать ВЦ и вход смесителя с  волновым  сопротивлением антенно-фидерного тракта 75 Ом, то  взяв  R1=Rут=75Oм  получим  входное  сопротивление смесителя Rвх=75  Ом (т.к. входное сопротивление ПТШ достаточно велико).

 

3. Усилитель промежуточной частоты

 

УПЧ должен обеспечить высокое усиление на промежуточной частоте, равной 30 МГц. Также для получения постоянного уровня сигнала на входе амплитудного детектора и расширения динамического диапазона приёмника необходимо использовать систему АРУ. Для обеспечения необходимого усиления УПЧ выполним на отечественной интегральной микросхеме К175УВ2. Для обеспечения АРУ с вывода 11 подаем на вывод 3 Uупр через цепь обратной связи (ставим амплитудный детектор на диоде и ФНЧ).

 Необходимое  количество каскадов УПЧ вычисляется  по формуле: , где Купч=312624,625 , а Куст – коэффициент усиления одного каскада УПЧ.

Кэп – коэффициент усиления эмиттерного повторителя. Эмиттерный повторитель, подключенный к выходу усилителя, снижает выходное сопротивление источника, что ослабляет отрицательное воздействие емкостей.

Рис 9. Типовая схема включения транзистора с общим коллектором

, берем номинал 422 Ом.

Проведем расчет сопротивлений резисторов R1 и R2:

,используем номинал 5,23 кОм

IД=(3-10)IБ0= =0,6мА

, используем номинал 3,4 кОм

RВХОК= Ом

ЕГ2=К1*ЕГ1=0,0233 В

RГ2=RК=110 Ом

RН2=RВХОК =2,03 кОм

Ом

   , берем номинал 30 мкФ

Зададимся L1 = L2= 50 нГн ,тогда

 

Характеристическое сопротивление контуров:

Q=60

Сопротивление нагрузки:

Коэффициент усиления одного каскада УПЧ:

 

Тогда необходимое количество каскадов получается:

 

 

4. Регулировка усиления

 

Регулировку усиления в РПрУ осуществляют для поддержания постоянства напряжения на его выходе при изменении напряжения на входе, что исключает перегрузку оконечных устройств и расширяет динамический диапазон приёмника. Подавляющее большинство регулировок автоматические.

АРУ представляет собой отрицательную обратную связь.

Рис 10. Структурная схема АРУ

Постоянство уровня выходных сигналов требуется обеспечить в РЛС, содержащих в качестве оконечных устройств индикаторы наблюдения радиолокационного изображения или измерители параметров сигнала.

В быстрых АРУ (БАРУ), в отличие от инерционных, постоянная времени τБАРУ, определяемая параметрами фильтра ФНЧ, соизмерима с длительностью импульса tи.

Рис. 11 Принципиальная схема БАРУ

Параметры детектора VD3, C4, R4 такие же, как и в детекторе на выходе тракта УПЧ.

Постоянная временя ФНЧ CфRф должна быть немного больше чем длительность импульса τ и=1,4 мкс. Примем τ = 1.8 мкс.

Примем, что Rф=1 кОм, тогда:

Сф= τ и/Rф=1,8/1=1,8нФ

Также стоит отметить, что выход БАРУ будем подключать к резистору RЭ схемы УПЧ. Таким образом, будет осуществляться эффективная регулировка усиления.

5. Детектор

Для детектирования радиоимпульсов,  т.е. для преобразования их в видеоимпульсы, используем  последовательные диодные детекторы, выполненные по схеме:

Рис 12. Последовательный диодный детектор

Видеоимпульсы с выхода детектора поступают на видеоусилитель.

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

 

Крутизна ВАХ диода:

Ёмкость в нагрузке: Cн = 15×Cд - Cм = 15×2 пФ - 8 пФ = 22 пФ

-параллельное сопротивление Rн и Rвх=1кОм (зависит от выбранного усилителя, но возьмем стандартно)

Сопротивление нагрузки детектора

Проверка правильности выбранных параметров детектора:

 

 

4×10-6> 0,067×10-6 Þ параметры детектора выбраны правильно.

 

Коэффициент передачи детектора Кд:

Кд = cosQ@ 0,8...0,9 , где

отсюда Кд = 0,9

Входное сопротивление детектора Rвх

 

Определим время установления фронта tуд

Коэффициент подключения mд

Lк = 50 нГн и Cк = 2 пФ - параметры выходного каскада УПЧ;

- характеристическое сопротивление контура

d0 = 0,006 ÞП 0,7 упч= d0×fг = 7 МГц

- эквивалентное затухание, вносимое детектором

 

Полный коэффициент усиления детектора

Кд` = Кд×mд = 0,9×0,15 = 0,135

 

Расчет емкости разделительного конденсатора Ср

, где D% ≤1...3 %  - спад плоской вершины.

 

 

6. Автоподстройка частоты

 

При проектировании супергетеродинных радиоприемных устройств различного назначения предусматривают ручные и автоматические регулировки частот гетеродинов. Указанные регулировки необходимы для обеспечения настройки приемника на частоты разных источников сигналов и подстройки его, чтобы создать наилучшие условия приема сигналов при всех возможных изменениях, как частот сигналов, так и частот настроек приемника. Изменения частот могут быть вызваны колебаниями температуры, влажности и давления окружающей среды, изменениями условий распространения радиоволн, напряжений источников питания, эффектом Доплера и рядом других факторов. Несущая частота сигнала может также изменяться в соответствии с заданной программой (например, при быстрой перестройке от импульса к импульсу частоты передатчика импульсной РЛС). Если в приемном устройстве не применять регулировок частот, то необходимо расширять его полосу пропускания так, чтобы принимаемые сигналы не выходили из полосы приема при всех условиях эксплуатации. Это приводит к ухудшению чувствительности и избирательности приемника.

Системы АПЧ, стабилизирующие промежуточную частоту сигнал fп, т. е. разность (или сумму) частот сигнала (передатчика) fс и гетеродина fг. которые могут независимо меняться под действием различных причин (рис. 13). В таких системах АПЧ содержится еще смеситель (С) и усилитель промежуточной частоты. Как и в системах первой группы, промежуточная частота здесь сравнивается с эталонной, в качестве которой можно использовать частоту настройки ЧД или частоту генератора эталонной частоты.