Дипломная работа: Высокочастотный приемный тракт
Министерство образования Российской Федерации
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
Кафедра сверхвысоких частот и квантовой радиотехники
(СВЧ и КР)
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРИЕМНЫЙ ТРАКТ.
2002
Реферат
Дипломный проект 111 с., 15 рис., 5 табл., 15 источников, 7 приложения.
ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО, МАЛОШУМЯЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ, БОРТОВОЙ РАДИОЛОКАТОР, СМЕСИТЕЛЬ, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРИЕМНЫЙ ТРАКТ.
Объектом разработки является высокочастотный тракт приемного устройства и экспериментальное исследование его характеристик.
Область применения высокочастотного приемного тракта – приемо-передающий модуль бортового радиолокатора.
Дипломная работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 98.
Содержание
Введение
1. Анализ технических требований
1.1.Выбор структурной схемы приемника
1.2 Структура зондирующего сигнала
1.3 Пассивные помехи
1.4 Расчет чувствительности приемного устройства
1.5 Выбор средств обеспечения избирательности приемника
1.6 Расчет коэффициента усиления приемного устройства
1.7 Выбор функциональной схемы приемного устройства
2. Расчет преселектора
2.1 Выбор схемы малошумящего усилителя
2.2 Выбор элементной базы
2.3 Расчет схемы малошумящего усилителя
2.4 Расчет микрополосковой линий
3. Расчет смесителя
3.1 Выбор схемы смесителя
3.2 Выбор элементной базы
3.3 Расчет смесителя
4. Результаты экспериментального исследования
4.1 Результаты исследования малошумящего усилителя
4.2 Результаты исследования смесителя
4.3 Результаты исследования приемника
5. Организационно-экономическая часть
5.1 Технико-экономическое обоснование работы
5.2 Планирование работ
5.3 Расчет стоимости разработки ВЧ тракта
6. Охрана труда
6.1 Обеспечение безопасности работающих
6.1.1 Характеристика условий труда
6.1.2 Обеспечение безопасности труда
6.2 Экологичность проекта
6.3 Чрезвычайные ситуации
7. Заключение
Список используемых источников
Приложение А
Приложение B
Приложение С
Приложение D
Приложение E
Приложение F
Приложение Н
Введение
В настоящее время приемо-передающие устройства СВЧ используются для решения чрезвычайно большого круга задач. Они широко применяются в радиолокации, системах космической связи, радиоастрономии, системах высококачественного телевидения. Так, например, созданный отечественными специалистами радиолокационный комплекс для космических исследований, в состав которого входит приемо-передающее устройство используется при изучении планет Венеры, Меркурия, Марса и Юпитера. Радиолокация позволяет получить более точные данные о расстоянии до планет и о скорости их вращения вокруг собственных осей, а так же информацию о структуре атмосферы и поверхности планет.
Приемо-передающие устройства в составе радиолокационных станций и комплексов большое применение находят также в военном деле. Так, например, в авиации современные самолеты оборудуются большим количеством радиолокационных устройств. К ним относятся: панорамный радиолокатор, радиовысотомер, радиолокатор защиты хвоста самолета, радиолокационный бомбардировочный прицел, аппаратура слепой посадки. Наряду с бомбардировочным прицелом (или вместо него) на самолете может быть установлена радиолокационная станция наведения ракет класса “воздух-земля”. В бортовое оборудование ракет также входят радиолокационные устройства. В Военно-морском флоте военные корабли оснащаются разнообразными радиолокационными устройствами. К ним относятся: радиолокационные станции обнаружения надводных кораблей и воздушных целей, станции управления оружием, радионавигационные средства.
В войсках ПВО радиолокационная техника применяется для получения информации о средствах воздушного нападения противника, дальности, азимуте, угле места и скорости цели. Радиолокационные станции широко применяются в аппаратуре орудийной наводки. Такие станции достаточно точно определяют место расположения батарей противника по траектории снарядов или мин.
Наземные войска также используют радиолокационные станции (РЛС) для обнаружения танков, автомобилей и другой наземной техники противника.
В современных условиях значительно больше внимания уделяется радиолокационным станциям наведения ракет. Из зарубежной литературы видно [1], что противовоздушная и особенно противоракетная оборона требует использования специальных радиолокационных комплексов, которые должны включать в себя несколько автоматических и полуавтоматических РЛС различного назначения и стартовое оборудование управляемых антиракет.
Приведенный выше краткий перечень показывает, что современная наука и техника очень широко использует самые разнообразные СВЧ устройства, в состав которых входят приемо-передающие модули.
По сравнению с аппаратурой, работающей на длинных, средних, коротких и ультракоротких волнах, радиоприемные устройства СВЧ обладают рядом особенностей [2,3]. Так, в диапазоне СВЧ уровень внешних помех чрезвычайно мал, если, конечно, помехи не создаются преднамеренно. Основную роль играют внутренние шумы, которые ограничивают чувствительность радиоприемного устройства. В связи с этим в радиоприемных устройствах диапазона СВЧ большое внимание уделяется уменьшению шумов всех элементов: частотно-избирательных систем, усилителей, преобразователей частоты и др. Первые каскады радиоприемного устройства обязательно должны быть малошумящими [4]. Отметим, что создание малошумящих усилителей СВЧ – одна из важнейших проблем современной радиоприемной техники. Так как приемо-передающий модуль предназначен для работы в составе бортового радиовысотомера, расположенного внутри летательного аппарата, то возможности увеличения мощности передатчика и размеров антенны для повышения дальности ограничены заданным весом и размерами аппаратуры. Поэтому для повышения чувствительности и уменьшения коэффициента шума следует применить малошумящий усилитель. Использование малошумящих усилителей позволяет при сохранении дальности в несколько раз снизить мощность передатчика, повысив тем самым его надежность, и при этом получить выигрыш в общем весе аппаратуры [5].
1. Анализ технических требований
1.1 Выбор структурной схемы приемника
Структурные схемы приемных устройств различаются прежде всего построением тракта высокой частоты.
Наиболее простым является принцип построения приемника прямого детектирования. Входная цепь в виде резонансной системы или фильтра обеспечивает частотную избирательность. Принципиальным моментом является отсутствие усиления сигнала до детектора, ведущее к серьезному упрощению устройства приемника, но одновременно обуславливающее его низкую чувствительность и избирательность.
Схема приемника прямого усиления отличается наличием усилителя радиочастоты (УРЧ) и, как следствие, значительно большими чувствительностью и избирательностью. Входная цепь и избирательные цепи УРЧ настроены на частоту принимаемого радиосигнала, на которой и осуществляется усиление, причем входная цепь обеспечивает предварительную, а УРЧ основную частотную избирательность и значительное усиление сигнала. При необходимости получения большого усиления УРЧ может содержать несколько каскадов, что сопряжено со снижением его устойчивости и общей избирательности приемника. 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. При любых типах используемых УРЧ полностью преодолеть присущие схеме прямого усиления недостатки не удается, поэтому в настоящее время такие приемники с фиксированной настройкой применяются практически лишь в микроволновом и оптическом диапазоне.
Существенное улучшение большинства показателей приемного устройства достигается на основе принципа преобразования частоты принимаемого сигнала – переноса его в частотную область, где он может быть обработан с наибольшей эффективностью. Почти все радиолокационные приемники строятся по супергетеродинному принципу. Отраженный сигнал, подвергнутый незначительному усилению или вообще без усиления, преобразуется в сигнал промежуточной частоты путем смешивания с сигналом гетеродина. Перенос сигнала на более низкую фиксированную частоту имеет следующие преимущества: возможность высокого устойчивого усиления за счет ослабления роли паразитных обратных связей; сужение полосы пропускания без усложнения фильтрующих цепей; относительная полоса частот, занимаемая полезным сигналом, на промежуточной частоте получается больше, а это упрощает фильтрацию. Однако преобразование частоты обуславливает и ряд особенностей супергетеродинного приема, требующих принятия специальных мер для нейтрализации их отрицательного влияния на показатели и характеристики приемного устройства. К таким особенностям относятся: образование побочных каналов приема, по которым в тракт приемного устройства проникают различные помехи; влияние нестабильности частоты гетеродина на настройку приемника; возможность излучения колебаний гетеродина через приемную антенну.
В связи с выше изложенным материалом приемник будем реализовать по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты. Первое преобразование – перенос спектра сигнала на 5 МГц, для выделения фазоманипулированного сигнала (ФКМ), второй режим работы станции. Второе преобразование частоты – перенос спектра сигнала на нулевую промежуточную частоту, для выделения дальномерной частоты и фазы сигнала, первый режим работы станции.
1.2 Структура зондирующего сигнала
Зондирующий сигнал представляет собой непрерывный сигнал с несимметричным пилообразным законом модуляции частоты. Причем несущая частота меняется с частотой 5 МГц, разница между несущими частотами 808 МГц, это предназначено для развязки передатчика и приемника, т.е когда передатчик излучает одну частоту, то приемник настроен на другую частоту. Структура излученного и отраженного сигнала представлена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 Структура излученного и отраженного сигнала.
После смесителя, на входе разрабатываемого приемника будут возникать биения с частотой 808МГц+fд+fдоп. Для определения дальности до целей нужно выделить fд и компенсировать fдоп, чтобы он не влиял на точность измерений. Методы компенсации рассмотрены в пункте 1.3. В результате расчетов получилось, что fдоп=24 кГц, fд – дальномерная частота от 6 кГц до 160 кГц, т.е. приемник должен выделять частоты от 6 кГц до 160 кГц и компенсировать допплеровскую частоту. На выходе приемника все сигналы должны иметь одинаковую амплитуду, для этого сигналы с разных дальностей нужно выровнять в приемнике. Так как мощность отраженного сигнала обратно пропорциональна четвертой степени расстояние до цели, то для выравнивания сигналов на выходе приемника по напряжению нужно, чтобы промежуточный тракт по второй промежуточной частоте имел передаточную характеристику с наклоном +12 дБ/окт в полосе частот от 6 кГц до 160 кГц. Такой наклон реализуется двухполюсным активным RC-фильтром.
1.3 Пассивные помехи
Спектр мешающих отражений определяется характеристикой направленности антенны, а также взаимным –перемещением радиолокатора и мешающих объектов.
Такой подход к спектрам мешающих сигналов является наиболее общим, так как включает и все случаи движения радиолокатора по поверхности и над поверхностью земли. В этом случае характеристики направленности должна учитывать все боковые лепестки, по которым тоже происходит прием мешающих сигналов. Вследствие перемещения радиолокатора относительно поверхности земли отраженные от этой поверхности сигналы, а также сигналы всех целей, расположенных на поверхности земли, получают допплеровские приращения частоты и образуют широкий шумоподобный спектр помех земли. Этот спектр имеет три характерные области:
отражения от поверхности земли, приходящие по главному лепестку характеристики направленности,
отражения от поверхности земли, приходящие по боковым лепесткам характеристики направленности,
пассивные помехи на линии высоты.
Отражения, соответствующие главному лепестку, будут
наиболее интенсивными. Ширина и положение спектра частот этих отражений зависят
от формы главного лепестка (особенно его ширины) и от направления максимума
излучения относительно вектора путевой скорости. Отражения, соответствующие
боковым лепесткам, менее интенсивны, но занимают полосу частот 
. Мешающие отражения от земной поверхности
непосредственно под самолетной РЛС называются пассивными помехами на линии
высоты. При зеркальном отражении от гладкой поверхности эти помехи могут быть
сильными, они имеют относительно небольшую спектральную ширину и нулевую
допплеровскую частоту.
В приложение А приведен спектр пассивных помех. Из графика видно, что наиболее интенсивные помехи будут около допплеровской частоты 24 кГц. Причем спектральная плотность помехи будет равна pп=–82 дБ/Вт относительно полосы 1 Гц. При полосе 24 кГц мощность помехи будет равна(размерность величин в децибелах):
Рп= pп + Df=(-82)+43=-39 дБ/Вт
Соответственно при мощности сигнала Рс=–150 дБ/Вт перегрузка составит (мощность помехи вычесть мощность минимального сигнала):
150-39=111 дБ
Эти помехи как правило отфильтровываются с помощью отдельного режекторного фильтра. Как было сказано выше фильтр высоких частот с наклоном +12 дБ/окт обеспечивает перегрузку в 60 дБ. Соответственно глубина режекции фильтра должна быть как минимум 51 дБ.
Сформулируем требования к режекторному фильтру.
полоса режекции по уровню –20 дБ должна около 48 кГц, чтобы перекрыть весь спектр помех, возникающих в следствии эффекта Допплера,
полоса режекции по уровню –3 дБ должна быть не более 60 кГц, чтобы режекторный фильтр не подавлял дальномерные частоты,
глубина режекции, минимум 8 дБ, возьмем с запасом 55-60 дБ,
центральная частота 5 МГц, так как на первой промежуточной частоте 808 МГц нереально спроектировать фильтр с такой узкой относительной полосой режекции около 0,006 %.
Компенсации влияния движения носителя, т.е чтобы допплеровские частоты не вносили ошибку в измерение дальности, когда заранее известна скорость носителя , а значит допплеровская частота, можно добиться смещением промежуточной частоты радиолокационного сигнала на величину, равную средней допплеровской частоте спектра помех fд ср=24 кГц. Сместить частоту проще у второго гетеродина с частотой 5 МГц, чем первого с частотой 808 МГц.
1.4 Расчет чувствительности приемного устройства.
Чувствительность приемника определяется минимально необходимой мощностью сигнала на входе приемника, при которой обеспечивается необходимое соотношение сигнал/шум на выходе приемника. В данном случае тангенциальная чувствительность Рс/Рш=1. Чувствительность приемника определяется по формуле:
(1.4.1)
где 
-
чувствительность приемника,
-
постоянная Больцмана,
-
стандартная температура приемника,
Δf – полоса пропускания приемника,
N – коэффициент шума приемника,
D=1 – постоянный коэффициент различимости.
Преобразуем формулу 1.4.1 в случае определения чувствительности в децибелах относительно ватта, получим:
(1.4.2)
где N – коэффициент шума приемника, выраженный в децибелах,
Δf – полоса пропускания приемника, выраженная в децибелах относительно одного герца,
-203,8 – постоянное слагаемое.
Из формулы 1.4.2 видно, что чувствительность зависит от полосы пропускания приемника и коэффициента шума. Полоса пропускания Δf задается в техническом задание, значит разработчик может обеспечить заданную чувствительность применяя МШУ с достаточно низким коэффициентом шума. Тогда коэффициент шума определяется:
(1.4.3)
N=203,8+(-150)-47,8=6 дБ
где 
-требуемая
чувствительность приемника,
Δf=47,8дБ/Гц - полоса пропускания приемника, выраженная в децибелах относительно одного герца.
Следовательно коэффициент шума приемника не должен превышать 6 дБ.
Для типичного супергетеродинного приемника, приемный тракт которого включает усилитель радиочастоты (УРЧ), преобразователь частоты (ПЧ) и усилитель промежуточной частоты (УРЧ) коэффициент шума приемника определяется по следующей формуле [6]:
(1.4.4)
где 
-
коэффициенты шума УРЧ, ПЧ и УПЧ,
-
коэффициенты усиления по мощности УРЧ и ПЧ,
-
суммарные потери пассивных элементов, стоящих перед УРЧ.
Анализируя формулу 1.4.4 можно сделать вывод, что для получения минимального возможного коэффициента шума приемника необходимо применить малошумящий усилитель (МШУ) в качестве УРЧ, причем усиление МШУ должно быть достаточно большим, около 20 дБ. В этом случае в формуле следующие слагаемые будут малыми, следовательно ПЧ и УПЧ будут мало влиять на коэффициент шума приемника. Т.е. коэффициент шума приемника будет определяться коэффициентом шума МШУ. Причем коэффициент шума МШУ не должен превышать 3 дБ, так как половина коэффициента шума приемника в первом приближении отводиться на МШУ, вторая половина отводиться на потери в пассивных элементах, стоящих перед МШУ.
1.5 Выбор средств обеспечения избирательности приемника
В супергетеродинных приемниках частотная избирательность определяется в основном ослаблениями зеркального Seзк и соседнего канала Seзк. В приемниках с двойным преобразованием частоты рационально выбирать частоту настройки 1-ого гетеродина выше частоты сигнала.
При этом вычитаются вызванные однозначными уходами частот 1-ого и 2-ого гетеродинов изменения второй промежуточной частоты fп2. Для обеспечения однозначности уходов частоты 1-ого и 2-ого гетеродинов можно образовать эти частоты путем умножения частоты общего задающего генератора, при этом использовать один кварцевый резонатор для стабилизации частот 1-ого и 2-ого гетеродинов. При такой расстановке частот, могут появиться зеркальная помеха относительно частоты 1-ого гетеродина fзк1=fc+2fп1 и помеха fзк2=fc-2fп2, которая после первого преобразования частоты превращается в fп1+2fп1 и становиться зеркальной относительно частоты 2-ого гетеродина. Помеха fзк1 должна быть ослаблена в преселекторе. Помеха fзк2 может быть ослаблена в преселекторе и в УПЧ-1, но так как fп2<<fc и fп1<<fc, то fзк2 ослабляется главным образом в УПЧ-1.
В нашем случае частота сигнала fc=808 МГц, первая промежуточная частота fп1=5 МГц, следовательно первая зеркальная помеха будет на частоте:
fзк1=fc+2fп1=808+2·5=818 МГц – эта помеха должна как сказано выше должна подавляться в преселекторе до смесителя.
Вторая помеха, которая после преобразования частоты становиться зеркальной относительно частоты 2-ого гетеродина, расположена достаточно близко к частоте принимаемого сигнала, поэтому в преселекторе существенно не ослабляется.
Рассмотрим средства обеспечения избирательности по первой зеркальной помехе.
По техническому заданию предъявлены следующие требования :
полоса пропускания по уровню –3 дБ - 
МГц,
полоса пропускания по уровню –50дБ - 
МГц.
Эти технические требования должны реализоваться в преселекторе.
Для обеспечения высокой селекции применим фильтр на поверхностно-акустических волнах (ПАВ-фильтр), т.к. требуется узкая относительная полоса пропускания – 1,8 %, коэффициент прямоугольности – 2,7 по уровням (60/3) дБ, высокая рабочая частота 808МГц. Фильтр должен быть реализован на базе технологии ИМС. Выбор произведен по данным источника (таблица 1.1 [7] ).
ПАВ-фильтр состоит из передающего и приемного преобразователей, трансформирующих электрический сигнал в акустическую волну на входе и обратно на выходе устройства. Средой для поддержания ПАВ служит пьезоэлектрический звукопровод, на полированной рабочей поверхности которого располагаются преобразователи. Поскольку большинство типов преобразователей ПАВ обладает двунаправленностью излучения, то во избежание паразитных отражений на торцы звукопроводов наносят поглотители. В результате многократных отражений от краев электродов и несогласованности фильтра с внешними нагрузками возникают волны, отраженные от преобразователей. Известно, что наибольшие искажения характеристик фильтра вызывают сигналы тройного прохождения. Но т.к. РЛС работает в режиме непрерывного излучения, то этот эффект мало влияет на точность измерений.
Один ПАВ-фильтр поставим перед МШУ для селекции внешних помех и предохранения МШУ от перегрузки.
Из определения коэффициента шума N четырехполюсника следует, что шумы зеркального канала, так называемые зеркальные шумы, в режиме однополосного приема увеличивают N, поскольку мощность этих шумов попадает на выход смесителя и не может быть отнесена к мощности шумов источника сигнала. При использовании широкополосного МШУ перед смесителем зеркальные шумы значительно (примерно на 3 дБ) ухудшают общий коэффициент шума, так как их мощность в этом случае равна приблизительно половине общей мощности шумов на выходе приемника. Поэтому второй ПАВ–фильтр поставим после МШУ, для подавления зеркальных шумов на его выходе.
Таким образом исходя из выше приведенных соображений можно сформулировать технические требования для ПАВ-фильтра:
центральная частота 808 МГц,
полоса пропускания МГц,
полоса пропускания по уровню –25дБ - МГц, так в преселекторе стоит два
ПАВ-фильтра, то они обеспечат избирательность при расстройке ±20 МГц - 50 дБ, что требуется в техническом задание.
прямые потери не более 0,2-0,5 дБ, чтобы фильтр не сильно увеличил коэффициент шума приемника.
Рассмотрим средства обеспечения избирательности по второй зеркальной помехе, она будет в диапазоне частот от 807,840 МГц до 808 МГц. После первого преобразование частоты спектр помехи перенесется на частоты от 4,840 МГц до 5 МГц.
Простейшим и часто используемым методом решения этой задачи является использование на выходе смесителя фильтра того или иного типа, затухание которого в полосе частот сигнала мало (L<1..1,5 дБ), а в полосе частот зеркального канала велико (L>13..15 дБ). Однако при промежуточной частоте 5 МГц и при полосе частот сигнала 160 кГц, у фильтра относительная полоса пропускания должна быть около 3,2 % и коэффициент прямоугольности около 1,5 по уровням (20/3)дБ. Создание LC-фильтра с такими параметрами трудно и нецелесообразно вследствие большой добротности катушек и температурной нестабильности элементов. Применение пьезоэлектрических и пьезокерамических фильтров также неоправданно из-за дороговизны разработки и производства этих фильтров.
Применение УПЧ с настроенными контурами, с двухконтурными каскадами, с попарно расстроенными одноконтурными каскадами, с одноконтурными каскадами, настроенными на три частоты и т.п., конструктивно неприемлемо из-за большого числа каскадов 7-8, также из-за сложностей настройке.
При третьем методе подавление зеркального канала применяют схему фазового подавления зеркального канала. Преобразователь с компенсацией помех зеркального канала можно построить по схеме, приведенной на рисунке 1.2. Принцип работы такого двухканального компенсатора с фазовым подавлением состоит в том, что принимаемый сигнал в разных каналах имеет одинаковую фазу и при суммирование в общем тракте удваивается, а зеркальные помехи противоположны по фазе и компенсируют друг друга.