Проектирование радиолокационной станции для обнаружения надводных целей в пределах речного шлюза Усть-Каменогорской гидроэлектростанции
СОДЕРЖАНИЕ
|Введение………………………………………………………………………. |7 |
| 1 Анализ существующих систем ближней радиолокации………………... |9 |
| 2 Выбор вида обзора………………………………………………………… |13 |
| 3 Предварительный расчет …………………………………………………. |15 |
|3.1 Расчет основных тактико-технических РЛС………….…………….. |15 |
|3.2 Расчет влияния отражений от поверхности воды…………………... |19 |
| 4 Разработка структурной схемы РЛС……………………………………... |22 |
|4.1 Разработка структурной схемы передатчика……………………….. |22 |
|4.2 Разработка структурной схемы приемника…………………………. |23 |
| 5 Расчет автогенератора……………………………………………….……. |26 |
| 6 Расчет усилительного тракта……………………………………………... |31 |
|6.1 Расчет оконечного каскада усилительного каскада.……………….. |31 |
|6.2 Расчет предоконечного каскада с использованием компьютера….. |35 |
| 7 Расчет выходной колебательной системы………………………….……. |40 |
| 8 Расчет антенно-фидерной системы…..…………………………………... |43 |
| 9 Уточненные тактико-технические характеристики РЛС………….……. |49 |
|10 Бизнес-план………...……………………………………………………… |51 |
|10.1 Сущность проекта…………………………………………………… |51 |
|10.2 Характеристика проекта……………………………………………. | |
|10.3 Маркетинг………………………………………………………….… | |
|10.4 Бизнес-план………………………………………………………….. | |
|10.5 Сравнение………………………………………………………….… | |
|11 Безопасность жизнедеятельности………………………………………… | |
|4.1 Разработка системы естественного освещения в помещении контроля | |
|и управления шлюзом……………….……………………. | |
|4.2 Меры защиты от действия электромагнитных излучений………… | |
|4.3 Меры пожарной профилактики…………………………………….... | |
|Заключение…………….……………………………………………………… | |
|Список литературы….………………………………………………………... | |
|Приложение А..……………………………………………………………….. | |
ВВЕДЕНИЕ
Где-то в тридцатые годы большинство жителей нашей планеты впервые
услышали слово радиолокация. Шло время и, как это всегда бывает, массовый
интерес к радиолокации угас, его вытеснили новые научные и технические
успехи, а сама радиолокация стала оформляться в строгую научную дисциплину
с четко очерченными границами возможностей и приложений.
Потребовалось немало времени, чтобы усовершенствовать способы и
технику радиообнаружения целей. Приборы радиообнаружения получили массовое
применение только во второй мировой войне.
В наше время радиолокация получила широчайшее применение. Ее методы и
средства используются для обнаружения объектов и контроля обстановки в
воздушном, космическом, наземном и надводном пространствах, используются в
метеорологии и разведке полезных ископаемых. Современная техника позволяет
с большой точностью измерять координаты положения целей, следить за их
движением, определять не только формы объектов, но и структуру их
поверхности. Не говоря уже об использовании радиолокации в астрономии. И с
каждым днем радиолокация находит все новые и новые применения в жизни
человека. Но если говорить о чисто "земных делах", то основное применение
радиолокации это организация управления движением.
Итак, управление движением. Чтобы управлять движением, необходимо
иметь информацию об объектах управления, а точнее: их расположение
относительно других объектов, их местонахождение и возможное отклонение от
заданного маршрута, их скорости, ускорения, их линейные размеры и др. Но
не всегда эту информацию можно получить лишь визуально наблюдая за
движением объектов. Ограничением этому служат как погодные условия и время
суток, так и ограниченные возможности человека, не говоря уже о множестве
причин, характерных для отдельных видов транспорта, движением которого
приходится управлять. Рядом таких ограничений обладает речной транспорт,
при прохождении через систему речных шлюзов.
Речной шлюз – гидротехническое сооружение для подъема или опускания
судов с одного уровня воды на другой. Представляет собой, узкий канал с
воротами входа и выхода.
Основное наблюдение за движением судов в шлюзе осуществляется из
помещения управления, расположенного непосредственно около шлюзового канала
и с помощью видеокамер установленных вдоль шлюза. Однако зачастую не
достаточно только визуального наблюдения, так как глубина канала не всегда
позволяет видеть находящиеся там мелкие суда. Кроме того, на эффективность
наблюдения влияют и погодные условия. Все это может привести к
несвоевременному закрытию ворот шлюза, что повлечет за собой трагические
последствия.
Выходом из сложившейся ситуации может служить установка
радиолокационного оборудования, которое позволит не только полноценно
наблюдать за происходящим внутри шлюза движением в любое время суток и в
любую погоду, но и существенно облегчит работу диспетчеров, управляющих
работой шлюза.
В настоящее время, на сколько мне известно, подобное не было применено
на практике, однако существуют береговые радиолокационные станции,
навигационные станции, устанавливаемые на речных судах, охранные
радиолокационные системы и станции обнаружения, тактико-технические
характеристики которых призваны выполнять задачи, сравнимые с задачей
данного дипломного проекта.
1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ БЛИЖНЕЙ РАДИОЛОКАЦИИ
В настоящее время радиолокационные станции нашли широчайшее применение
во многих сферах деятельности человека. Они используются не только для
определения координат, характеристик движения различных объектов и
навигационных целей, так же радиолокационные станции применяются для
разведки полезных ископаемых, для охраны территорий, для космических
исследований и многого другого. Далее описываются основные тактико-
технические характеристики и область применения радиолокационных станций
подобных той, что разрабатывается в дипломном проекте.
В настоящее время на вооружении армии иностранных государств имеется
боевой парк РЛС разведки наземных целей, подразделяемые на классы:
- РЛС ближнего действия (типа AN/PPS 15 США);
- РЛС малой дальности (типа RB 12B Франция);
- РЛС средней дальности (типа «Монитор» Россия и АN/PPS-5 CША);
- РЛС большой дальности (типа Rasit и Ratak Германия).
Парк РЛС разведки наземных целей, разработанных в 70-80 годы,
представлен в основном станциями ближнего действия (до 20 наименований). В
настоящее время большое внимание уделяется созданию РЛС средней дальности,
обеспечивающих обнаружения одиночного человека на удалении 4-5 км и
бронетехники на удалении до 10-12 км. При этом в процессе создания
современных РЛС средней дальности основное внимание уделяется:
автоматизации процесса обнаружения цели, что придает им принципиально новое
качество по отношению к парку существующих РЛС этого класса; возможности
установки этих РЛС на автотранспорте с обеспечением автоматического
горизонтирования антенной системы; повышение надежности, уменьшения ее
массы и энергопотребления РЛС при обеспечении высокой разрешающей
способности и точности измерения координат цели.
РЛС разведки наземных целей 111L1 «Лис».
На решение вышеперечисленных задач была направлена разработка ХК
«Укрспецтехника» РЛС разведки наземных целей средней дальности 111L1 «Лис».
Главная отличительная черта РЛС «Лис» - работа в миллиметровом диапазоне
длин волн, что облегчает решение ряда технических задач: не создает помех
радиотехническим средствам; повышает невосприимчивость к случайным и
преднамеренным помехам; практически безвредна для здоровья человека.
По принципу действия станция разведки является когерентно-доплеровской
РЛС непрерывного излучения миллиметрового диапазона с фазо-
кодоманипулированным сигналом. РЛС «Лис» - это мобильное средство
обнаружения цели и устанавливается на автотранспорте. Она обеспечивает
автоматическое обнаружение движущихся целей (людей и техники) в любое время
года и суток, в дождь, в пыли и в тумане при отсутствии оптической
видимости.
Антенная система РЛС представляет собой пару раздельных антенн
(приемная и передающая антенны), чем обеспечивается необходимая развязка
между передающим и приемным каналом. Антенны выполняются в виде
параболоидов вращения. Облучатель – круглый волновод. Приемная передающая
антенна расположены симметрично относительно вертикальной оси вращения всей
антенной системы. Диаграмма направленности антенны близка к игольчатой.
Малая ширина диаграммы направленности обеспечивает необходимую угловую
разрешающую способность РЛС.
Приемопередающее устройство РЛС выполнено на основе транзисторов.
Усилитель мощности передатчика и малошумящий усилитель высокой частоты
приемника разработаны в микрополосковом исполнении. Процесс обнаружения
цели РЛС «Лис» осуществляет при автоматической адаптации порога обнаружения
местности и метеоусловия. Обнаруженные цели (до 10) отображаются на
жидкокристаллическом дисплее в наглядном виде: яркостная отметка,
соответствующая положению цели с определенными координатами пеленга и
дальности. Радом с яркостной отметкой отображается номер цели, на свободном
пространстве экрана монитора отображается формуляр обнаруженных целей в
цифровом виде. Используемые в РЛС алгоритмы и программы цифровой обработки
сигналов позволяют осуществлять автоматическое обнаружение и распознавание
движущихся целей и обеспечивает надежное подавление помех. Характеристики
РЛС разведки наземных целей «Лис» приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 – Тактико-технические характеристики РЛС «Лис»
|Параметр |Значение |
|Зона обзора: | |
|- по азимуту, ? |120 |
|- по дальности, км |0…12 |
|Время полного обзора: | |
|- в нормальных условиях, с |25 |
|- в сложной помеховой обстановке, с |50 |
|Дальность обнаружения целей: | |
|- одиночный человек, км |5,4 |
|- автомобиль, моторная лодка, км |11,5 |
|- вертолет, км |12 |
|Разрешающая способность: | |
|- по пеленгу, не хуже ? |2 |
|- по дальности, не хуже, м |25 |
|Частота, ГГц |36 |
|Мощность передатчика, Вт |0,2 |
|Диаметр раскрыва антенны, мм |400 |
|Энергопотребление, Вт |60 |
|Масса аппаратуры, кг |30 |
Радиолокационная станция охраны (РЛСО) предназначена для обеспечения
охраны складов техники и имущества, аэродромов и морских портов, авиабаз и
морских баз, полигонов, нефтебаз, электростанций, участков государственной
границы и границ частных владений.
РЛСО предназначена для обеспечения охраны как границ охраняемой
территории, так и подступов к ней и всей площади территории от
проникновения и перемещения по ней нарушителей. РЛСО обеспечивает
автоматическое обнаружение нарушителей, измерение их координат и наглядную
индикацию с привязкой к конфигурации охраняемой территории. РЛСО
обеспечивает обнаружение движущихся людей и автотранспорта в любое время
года и суток, при дожде с интенсивностью 10 мм/час, в тумане с видимостью
10 метров и в дыму. Площадь охраняемой территории 1-1,5 км2. Границы зоны
охраны могут оперативно изменяться при изменении конфигурации охраняемой
территории. РЛСО позволяет классифицировать тип обнаруженных нарушителей
(одиночный человек, группа людей, автотранспорт, животное) по звуковой
индикации доплеровских сигналов и позволяет исключить ложные цели. РЛСО
работает в миллиметровом диапазоне длин волн, что позволяет эффективнее
решать задачи обнаружения движущихся объектов и обладает рядом преимуществ:
малая масса и габариты, экологическая чистота из-за малой глубины
проникновения излучений миллиметрового диапазона в организм человека,
невосприимчивость к помехам, создаваемым техническими средствами,
отсутствие помех для технических средств, работающих вблизи от охраняемой
территории.
РЛСО состоит из стационарной РЛС, обеспечивающей автоматическое
обнаружение нарушителей, и патрульной мини-РЛС, обеспечивающей допоиск
нарушителей патрулем, оперативно выехавшим на место нарушения. Стационарная
РЛС состоит из информационного модуля и вынесенного пульта управления,
связь между которыми обеспечивается по радиоканалу до удаления 3 км.
Модификации стационарной РЛС могут монтироваться на автотранспорте.
Комплектующие РЛСО РЛС являются автоматическими миллиметровыми когерентно-
доплеровскими гомодинными РЛС с аналоговыми фильтрами подавления помех от
подстилающей поверхности, адаптивным цифровым обнаружителем, работающим с
учетом измерения уровня помех в каждом элементе пространства и с
автоматическим измерением координации.
Таблица 1.2 – Тактико-технические характеристики РЛСО
|Параметр |Стационарная РЛС |Патрульная РЛС |
|Дальность обнаружения: | | |
|- человека |1,2 |0,6 |
|- автотранспорта |2 |1 |
|Разрешающая способность: | | |
|- по азимуту |4? |8? |
Продолжение таблицы 1.2
|Параметр |Стационарная РЛС |Патрульная РЛС |
|- по дальности |20 м |20 м |
|Излучаемая мощность: |25 мВт |25 мВт |
|Потребляемая мощность: |100 Вт |25 Вт |
|Масса |20 кг |6 кг |
Вышеприведенные радиолокационные системы сходны с той, что
разрабатывается в дипломном проекте по назначению, основным функциям и
техническим характеристикам. Проектируемая РЛС так же предназначена для
наблюдения за целями на земной или водной поверхности и характеризуется
схожими техническими параметрами, такими как дальность действия, излучаемая
мощность, разрешающая способность и время обзора. То есть существование
подобных станций не исключает возможности реализации подобного проекта.
2 ВЫБОР ВИДА ОБЗОРА
Как уже говорилось, в дипломном проекте требуется разработать
радиолокационную станцию обнаружения надводных целей, чему и будет
посвящена основная часть.
На рисунке 2.1 приведена карта-схема усть-каменогорской ГЭС, на
которой видно размещение шлюза, его размеры и разность уровней воды.
Рисунок 2.1- Усть-Каменогорска ГЭС
Одним из первых вопросов, на которые нужно ответить, приступая к
проектированию станции, является вопрос о виде излучаемых колебаний:
непрерывные или импульсные. РЛС с непрерывным излучением характеризуются
(по сравнению с импульсными) более низкой чувствительностью, трудностями
измерения и разрешения по дальности; их достоинствами являются относительно
низкая мощность излучаемых колебаний и лучшее качество селекции целей по
скорости. Так как нет потребности в высокой чувствительности на подобных
расстояниях; разрешение по дальности на малых расстояниях требует импульсов
длительностью порядка нескольких наносекунд, что очень сложно реализовать,
то целесообразно реализовать радиолокационную станцию с непрерывным
излучением. А разрешение по дальности обеспечим с помощью двухпозиционной
системы.
Для наилучшего обзора всего шлюза приемную и передающую антенны лучше
расположить у ворот входа или выхода шлюза, и на некотором возвышении,
чтобы они не мешали проплывающему транспорту. Удобно разместить их на
здании, в котором находятся установки по подъему ворот.
Для лучшего разрешения по дальности необходимо достаточно большое
расстояние (базис) между антеннами, однако, по понятным причинам, для
полноценного обзора базис не должен превышать ширину шлюзовой камеры,
которая составляет 18 м.
Рисунок 2.2 – Схема размещения антенн на речном шлюзе
На рисунке 2.2 приведена схема размещения приемной и передающей антенн
на шлюзе, где: 1 – ворота шлюза; 2 – здание-арка; 3 – приемная и передающая
антенны; 4 – шлюзовая камера; 5 – водохранилище гидроэлектростанции; 6 –
элемент разрешения РЛС.
3 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАССЧЕТ
3.1 Расчет основных тактико-технических РЛС
Произведем расчет основных тактико-технических характеристик
проектируемой РЛС с учетом предъявляемых к ней требований и выполняемых
функций.
Длина волны и геометрические размеры антенны определяют ширину
диаграммы направленности антенны РЛС. Для наиболее распространенных в
настоящее время зеркальных антенн справедливо соотношение:
(2.1.1)
где ?0,5 – ширина диаграммы направленности по половинной мощности;
dа – размер раскрыва антенны в соответствующей плоскости;
? – длина волны.
При заданном максимальном размере антенны реализовать значение ширины
луча, требуемое для обеспечения желаемого разрешения, можно вариацией длины
волны. Так как реальная разрешающая способность по угловой координате:
где ?? – коэффициент ухудшения потенциальной разрешающей способности, то
для обеспечения требуемого разрешения длина волны с учетом (2.1.1) должна
быть равна:
(2.1.2)
Для большинства существующих радиолокационных станций значение ??=1…1,5.
Формула (2.1.2) определяет значение длины волны, при котором обеспечивается
требуемая разрешающая способность по угловой координате.
Зададимся ??=1,25, размер антенны dа=1,5м. и ширина диаграммы
направленности в горизонтальной плоскости ?E0,5=2? , тогда длина волны:
Вертикальный размер антенны определяется шириной диаграммы
направленности в вертикальной плоскости, которую выбираем исходя из
необходимости облучать сразу всю зону обзора по дальности. Зона обзора по
дальности есть длина шлюзовой камеры.
Так как длина шлюза составляет 100 м, а высота подвеса сканирующей
антенны 15 м, то:
Уже зная длину волны и ширину диаграммы направленности в вертикальной
плоскости, из формулы (2.1) найдем вертикальный размер антенны:
На практике при определении длины волны РЛС, как правило, приходится
исходить из требований, связанных с выбором энергетических показателей
станции, определяющих дальность действия РЛС.
На рисунке 2.1.1 приведены графики, иллюстрирующие зависимость
требуемой энергии передатчика от длины волны. При построения графиков
энергия излучения на волне (=25 см (Е25) принималась за единицу и
определялось отношение Е(/Е25 с учетом поглощения энергии в дожде
интенсивностью 4 мм/ч и в кислороде на всей дальности действия. Из рисунка1
видно, что для каждой дальности действия Rmax существует оптимальное
значение длины волны ( при котором требуемая энергия излучаемых колебаний
достигает минимума. Если длину волны брать больше оптимальной, то
необходимая энергия излучения увеличивается относительно медленно, но при
уменьшении длины волны по сравнению с ( необходимая энергия излучения
возрастает очень быстро.
Рисунок 3.1 – Зависимость излучаемой энергии от длины волны
Из рисунка видно, что длина волны ?=4 см находится правее минимальной
энергии для необходимого расстояния и не требует больших энергетически
затрат.
Положение цели в зоне обзора будет находиться по двум азимутальным
углам, определенным передающей и приемной сканирующей антенной, и базису –
расстоянию между этими антеннами.
Определим мощность излучения, необходимую для обнаружения целей с
заданными вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги на
требуемом расстоянии. Это не сложно сделать, воспользовавшись уравнением
дальности для двухпозиционной системы [8]:
(2.1.3)
где Pt –мощность передатчика РЛС;
Rmax – максимальная дальность обнаружения целей;
Gt – коэффициент направленного действия передающей антенны;
Gr – коэффициент направленного действия приемной антенны;
? – длина волны;
Pt – мощность отраженного от цели сигнала на входе приемника;
?ц – эффективная площадь рассеяния цели (по таблице 2.2 из [11] для
лодки ?ц=5 м2).
Рассчитаем недостающие составляющие в уравнение (2.1.3).
Мощность отраженного от цели сигнала на входе приемника или пороговый
сигнал обнаружения выразим через характеристики приемника:
где q – отношение сигнал/шум на входе приемника, необходимое для
обнаружения целей с заданными вероятностями;
k0 – постоянная Больцмана 1,38·10-23 Дж/К;
Fs – коэффициент шума (для большинства приемников равен 6…9);
T0 – температура окружающей среды 290 К;
Вn – шумовая полоса пропускания преддетекторного фильтра приемника;
Так как вероятность правильного обнаружения Рпо=0,95 и вероятность
ложной тревоги Рлт=10-4, то по рис. 4.3 из [11] определяем отношение
сигнал/шум q=32 дБ или q=1585. Зададимся шумовой полосой пропускания
приемника, Вn=(100 Гц, так как скорость движения целей в шлюзе не превышает
2 м/с, то максимальный доплеровский сдвиг при длине волны (=0,04 м составит
fд=100Гц.
Рассчитаем коэффициент направленного действия передающей и приемной
антенны по формуле [9]:
где Sэф – эффективная площадь раскрыва антенны равная Sэф=0,25·?·l1· l2, l1
и l2 линейные размеры антенны.
Таким образом, с учетом вышеприведенных соотношений, уравнение
дальности примет вид:
Мощность передатчика составляет 30 мВт.
Радиолокационная система будет производить последовательное
сканирование зоны обзора. Местоположение цели будет определяться по
пересечению узконаправленных лучей диаграмм направленности приемной и
передающей антенн. На каждый элемент разрешения передающей антенны
приходится один период обзора приемной антенны (см. рис. 2.1.2).
Рисунок 3.2 –Метод обзора шлюзовой камеры
Чтобы определить период обновления информации зададимся периодом
обзора приемной антенны. Пусть он равен Тобз. пр.=1 с, так как меньший
период обзора сложно будет реализовать ввиду инерционных свойств антенны, а
увеличение периода обзора негативно влияет на время обновления информации.
Таким образом, если Тобз. пр.=1 с, и за это время передающая антенна
должна “освещать” один элемент разрешения по азимуту, то:
(3.4)
где Фаз – зона обзора по азимуту;
?аз – разрешающая способность по азимуту.
Период обзора передающей антенны равен времени обновления информации
на индикаторе.
Из (2.1.4) следует что, время облучения цели равно Тобл.=1 с, а время
наблюдения отраженного сигнала Тнаб.=1/45=0,022 с.
Из произведенных расчетов видно, что тактико-технические характеристики не
противоречат техническому заданию и сравнимы с параметрами аналогичных РЛС,
рассмотренных в первой главе.
3.2 Расчет влияния отражений от поверхности воды
Проектируемая радиолокационная станция осуществляет наблюдение за
объектами внутри шлюза.
При обзоре водной поверхности, поступающие на вход РЛС отраженные
сигналы, несут информацию как о находящихся в зоне обзора объектах, так и о
физических свойствах водной поверхности, что в данном случае является
нежелательным фактором. Необходимо учитывать отражения от водной
поверхности.
В данном разделе произведем анализ отражений радиолокационного сигнала
от водной поверхности, для чего воспользуемся коэффициентом отражения ?0,
значения, которые приведены в таблице 2.1 [9]. Для водной поверхности
коэффициент отражения равен ?0= -40 дБ. Зная это можно определить удельную
эффективную площадь рассеяния воды:
где ?н – угол обзора поверхности (в данном случае воды).
Максимальный уровень помех в результате отражения радиолокационного
сигнала от поверхности воды возникает при наибольшей эффективной площади
рассеяния, то есть в случае наибольшей “освещаемой” поверхности или при
наихудшей разрешающей способности.
Рисунок 3.3 – Элемент обзора РЛС
Найдем максимальную площадь водной поверхности, которая одновременно
попадает под обзор радиолокационной станции, это происходит при обзоре
наиболее удаленной части шлюзовой камеры. Площадь образуется в результате
пересечения диаграмм направленности приемной и передающей антенны на
противоположном краю шлюза (см. рис. 3.3).
Из рисунка видно, что площадь:
где из геометрических формул:
тогда:
где:
учитывая вышеизложенное:
И так, эффективная площадь рассеяния участка воды, площадь которого
dS, составляет (угол обзора ?н лежит в пределах 10…90?, выбираем
максимальное значение):
Как видно, эффективная площадь рассеяния воды гораздо меньше
эффективной площади рассеяния целей, которые необходимо обнаруживать.
Следовательно, мощность, отраженного от водной поверхности,
радиолокационного сигнала будет много меньше полезного сигнала.
Проведя подобные же расчеты для стен шлюзовой камеры, коэффициент
отражения ?0 для которых (для бетона ?0= -32 дБ) тоже очень мал, можно
убедится, что эффективная площадь рассеяния целей гораздо больше ЭПР стен
шлюза и отражения от них не повлияют работу радиолокационной станции.
Найдем из (2.1.3) мощности шумового сигнала на входе приемника:
Мощность полезного сигнала на входе приемника:
Зная значения мощностей шума и полезного сигнала на входе приемника
можно найти их отношение и сравнить с требуемым.
что удовлетворяет требованию к отношению сигнал/шум, которым мы задавались
при предварительном расчете тактико-технических характеристик. Это говорит
о том, что на фоне шумового сигнала, отраженного от водной поверхности,
радиолокационная станция будет различать необходимые цели с заданными
вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги.
4 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ РЛС
4.1 Разработка структурной схемы передатчика
Произведем разработку структурной схемы радиолокационной станции с
учетом требований к ее функциональным обязанностям. РЛС должна обнаруживать
надводные цели с эффективной площадью рассеяния большей заданной и
определять, в случае движущихся целей, их скорости и направление движения.
Как было сказано ранее, радиолокационная станция работает в режиме
непрерывного излучения. Передатчик РЛС излучает в пространство
немодулированные колебания с частотой f0=7,5 ГГц и мощностью P=30 мВт. В
передатчике осуществляется генерация заданной частоты и усиление.
На такой большой частоте очень сложно реализовать генератор с
необходимой стабильностью, поэтому необходимо генерировать меньшую частоту,
а потом увеличивать её в умножителях частоты до нужного значения. Для
стабилизации частоты наиболее целесообразно применить кварцевый резонатор
(рисунок 4.1).
Чтобы избежать громоздкого многокаскадного умножителя, нужно
генерировать как можно большую частоту в кварцевом автогенераторе. Их
частота составляет порядка нескольких сотен мегагерц при использовании
высших гармоник кварцевого резонатора. В данном случае выберем рабочую
частоту генератора 150 МГц. Чтобы получить необходимую частоту излучения
станции, требуется умножить колебания генератора в пятьдесят раз, для этого
устанавливаются три последовательных каскада умножения частоты в 5, в 5 и в
2 раза. Затем полученные колебания усиливаются в усилительном каскаде до
нужного уровня мощности.
Рисунок 4.1 – Блок-схема передатчика РЛС
После усиления необходимо отфильтровать полученный сигнал от высших
гармоник, появившихся в результате работы нелинейного элемента
(транзистора) в усилительном каскаде. Эту функцию выполняет выходная
колебательная система, выполненная в виде фильтра низких частот. Кроме
того, она обеспечивает согласование антенны с усилителем, то есть
преобразовывает нагрузочное сопротивление антенны в эквивалентное
сопротивление нагрузки оконечного каскада.
С выходной колебательной системы готовый радиолокационный сигнал
поступает в антенну и излучается в пространство.
4.2 Разработка структурной схемы приемника
Приемный тракт проектируемой радиолокационной станции должен усилить
принятые приемной антенной отраженные от цели сигналы, произвести их
фильтрацию, при которой обеспечивается максимальное различение полезных эхо-
сигналов и помех, и извлечь из него полезную информацию.
Можно было бы реализовать супергетеродинный приемник с нулевой
промежуточной частотой, функцию гетеродина в котором выполняет
просачивающийся сигнал от передатчика, но такие приемники не достаточно
чувствительны вследствие повышенного шума на низких промежуточных частотах,
обусловленного так называемым фликкер-эффектом (мерцательный шум). Величину
мерцательных шумов можно сделать небольшой по сравнению с нормальным шумом
супергетеродинного приемника, используя достаточно большую промежуточную
частоту, это объясняется обратно пропорциональной зависимостью мерцательных
шумов от частоты
Радиолокатор должен измерять скорости движения целей, что
реализовывается на основе эффекта Доплера.
Рисунок 4.2 – Блок-схема простого доплеровского измерителя скорости
На рисунке 4.2 приведена блок-схема приемника радиолокатора с
непрерывным излучением, который работает на ненулевой промежуточной
частоте. Вместо обычного местного гетеродина используется опорный сигнал,
получаемый при смешении части сигнала передатчика и местного сигнала,
частота которого равна промежуточной частоте приемника. Так как выходной
сигнал смесителя состоит из двух боковых полос, расположенных по обе
стороны от несущей, а так же более высоких гармоник, то в качестве опорного
сигнала с помощью узкополосного фильтра выбираем верхнюю из боковых полос.
В данной схеме стабильность частоты передатчика не влияет на работу
приемника, так как отклонение частоты f0 компенсируется таким же
отклонением опорной частоты, и промежуточная частота остается неизменной.
Гораздо легче обеспечить стабильность частоты местного гетеродина, чем
приемника, так как она гораздо меньше. Промежуточная частота fп=5 МГц.
Однако подобный приемник определяет только модуль скорости и не может
определить направление.
Рисунок 4.3 – Блок-схема приемника определения направления радиальной
скорости и её значения.
Знак доплеровского сдвига частоты и, следовательно, направление
движения цели можно определить, разделив принятый сигнал по двум каналам
(рисунок 4.3). Принятый сигнал разветвляется по каналам А и В и подводится
к отдельным смесителям. Часть сигнала передатчика подается непосредственно
к смесителю канала А. В канале В опорный сигнал от передатчика претерпевает
сдвиг на 90?. В результате между доплеровскими частотами, возникающими в
обеих каналах, имеется сдвиг фазы на 90?. Знак фазового сдвига определяет
направление движения цели.
Для определения знака фазового сдвига на 90? оба сигнала сначала
усиливаются и ограничиваются. Сигнал от ограничителя В дифференцируется,
кроме того изменяется его полярность. Выходной сигнал от ограничителя А и
дифференцированный выходной сигнал от В сравниваются в схеме совпадения,
обозначенной «верхний селектор». При положительных сигналах верхний
селектор генерирует импульс, что указывает на удаление цели. При
приближении цели схема совпадений верхнего селектора не дает выходного
сигнала. Появление сигнала на выходе схемы совпадения «нижний селектор»,
возникающего при сравнении выходного сигнала ограничителя А с выходным
сигналом инвертирующей схемы, указывает на приближение, а не на удаление
цели. Подсчет импульсов от двух схем совпадения позволяет определить
направление и величину доплеровского сдвига частоты.
Каждый из приемников имеет свои достоинства и недостатки, объединение
первого и исключение второго, приводит к совмещению двух схем приемников.
Кроме того, радиолокационная станция должна обнаруживать ещё и неподвижные
цели, то есть не имеющих доплеровского сдвига. Для этого вводится канал С,
в котором производится усиление промежуточной частоты в усилителе УПЧ,
после чего пороговое устройство принимает решение о наличии или отсутствии
цели (рис. 2.3.4)
Рисунок 4.4 – Структурная схема РЛС.
Рисунок 4.4 представляет собой структурную схему радиолокационной
станции. Антенны снабжаются устройствами измерения угла поворота, которые
определяют азимутальные углы поворота антенн, а следовательно, координаты
цели. Сигналы с измерителей угла поворота и все обработанные в приемнике
сигналы приходят на аналогово-цифровой преобразователь и затем уже
информация, преобразованная в цифровой сигнал, поступает на индикатор, в
роли которого выступает персональный компьютер.
5 РАСЧЕТ АВТОГЕНЕРАТОРА
Рассчитаем задающий генератор. Его основной функцией является
генерация синусоидальных колебаний заданной частоты с необходимой
стабильностью. Рабочая частота генератора fр=150 МГц,
Расчет производится по методике изложенной в [5]. Необходимую
стабильность частоты обеспечиваем с помощью кварцевого резонатора.
Выберем транзистор. Для увеличения стабильности частоты в задающих
автогенераторах выбирают транзисторы малой мощности. Чтобы фазовый сдвиг
между колебаниями тока коллектора и напряжения базы можно было устранить с
помощью корректирующей цепочки, следует выбирать транзистор, граничная
частота fт которого больше, чем заданная частота колебаний fр. Этим
требованиям удовлетворяет транзистор 2Т368А со следующими параметрами:
|граничная частота, fт, МГц |900; |
|постоянная времени цепи внутренней обратной связи ?ос, пс |4,5; |
|емкость коллекторного перехода Cк, пФ |1,2; |
|емкость эмиттерного перехода Cэ, пФ |3; |
|статический коэффициент передачи по току в схеме с ОЭ |50; |
|крутизна переходной характеристики в граничном режиме Sгр, мА/В |30; |
|допустимый ток коллектора Iк доп., мА |30; |
|допустимое напряжение на коллекторе Uк доп., В |15; |
|допустимое напряжение на базе Uб доп., В |4; |
| допустимая мощность рассеяния Pрас доп., мВт |225; |
| напряжение отсечки Uотс., В |0,6; |
Произведем расчет корректирующей цепочки.
Граничные частоты:
Активная часть коллекторной емкости и сопротивление потерь в базе:
Рассчитаем элементы корректирующей цепочки:
Эффективность применения корректирующей цепи зависит от соотношения
между Rкор и Rз – требуется выполнение условия Rкор>Rн. На практике достаточно, чтобы R`н=3Rн, обычно Rн = 50 Ом.
Тогда R`н=150 Ом.
Добротность последовательной цепочки CсвRн:
емкость связи:
емкость связи, пересчитанная в параллельную к емкости C2:
емкость делителя (без учета емкости связи с нагрузкой):
Расчет цепи смещения.
Чтобы делитель R1R2 не шунтировал колебательную систему, должно
выполнятся неравенство Rр(C?/C1)2ukdop/2 then goto 70
30 input "Задайте максимальный ток коллектора, А ",ikmax
if ikmax>0.9*ikdop then goto 40
input " Граничная частота F betta, МГц ",fb
input "14 - Задайте угол отсечки, град ",tet
tetta=tet*pi/180
print "Измените заданные параметры да - 1"
print " нет -
0"
input " ",art
if art = 0 then goto 35
33 print " Какой из заданных параметров измените? "
input " ",ert
if ert = 1 then input pkdop
if ert = 2 then input f
if ert = 3 then input b
if ert = 4 then input uots
if ert = 5 then input sgr
if ert = 6 then input ce
Продолжение приложения А
if ert = 7 then input ck
if ert = 8 then input ubdop
if ert = 9 then input ikdop
if ert = 10 then input ukdop
if ert = 11 then input lb
if ert = 12 then input le
if ert = 13 then input fb
if ert = 14 then input tet
cls
35 ksy=1-ikmax/sgr/ep
uk1=ksy*ep
ik1=fnalfa1(tetta)*ikmax
ik0=fnalfa0(tetta)*ikmax
p1=ik1*uk1/2
p0=ep*ik0
pr=p0-p1
if pr>pkdop then goto 50
kpd=p1/p0
ft=fb*b
qu=ikmax/2/pi/ft/(1-cos(tetta))/1000000
uemin=uots-qu/ce*(1-cos(pi-tetta))*10^12
if uemin>abs(ubdop) then goto 60
ue0=uots-fngamm0(pi-tetta)*qu/ce*10^12
rk=uk1/ik1
kappa=1+fngamm1(tetta)*2*pi*ft*ck*rk/1000000
ibsr=2*pi*f*qu*kappa*1000000
rz=1/2/pi/fb/ce*10^6
pwsr=0.5*fngamm1(pi-tetta)/rz/ce*qu*qu/ce*10^24
rw=fngamm1(tetta)*2*pi*ft*le/kappa/1000
pw2sr=ibsr*ibsr*rw/2
pw=pwsr+pw2sr
kp=(p1+pw2sr)/pw
lw=lb+le/kappa
cw=kappa*ce/fngamm1(pi-tetta)
rpar=fngamm1(pi-tetta)*rz
print " Режим работы:"
print " Коэффициент использования напpяжения, B......…… ";ksy
print " Напpяжение первой гармоники на коллекторе, В……";uk1
print " Амплитуда 1-й гаpмоники коллекторного тока, А……";ik1
print " Постоянная составляющая коллекторного тока, А……";ik0
print " Мощность первой гармоники на выходе, Вт......……....";p1
print " Мощность, потpебляемая коллекторной цепью, Вт…...";p0
print " Мощность, pассеиваемая на коллекторе, Вт.....………..";pr
Продолжение приложения А
print " КПД коллекторной цепи........................…………………";kpd
print " Управляющий заряд, нКл.......................………………...";qu
print " Минимальное мгновенное напpяжение на эмиттерном"
print " переходе, В..........................…………………………....... ";uemin
print " Постоянная составляющая на эмиттере, В.......………....";ue0
print " Сопротивление коллекторной нагрузки, Ом......………..";rk
print " Амплитуда первой гармоники суммарного тока базы "
print " учетом тока емкости коллекторного перехода, А……..";ibsr
print " Сопротивление коррекции закрытого перехода, Ом…..";rz
print " Мощность,потребляемая цепью коррекции, Вт....……..";pwsr
print " Входное сопротивление, Ом....................……………….";rw
print " Мощность, потребляемая на входе, Вт...........………….";pw2sr
print " Мощность на входе, потребляемая каскадом, Вт.……..";pw
print " Коэффициент передачи по мощности............…………..";kp
print " Входная индуктивность, нГн...................……………….";lw
print " Входная емкость, пФ.........................……………………";cw
print " Усредненн. за период сопротивление коррекции, Ом ...";rpar
print "Измените заданные параметры Да - 1"
print " Нет - 0"
input " ",arf
if arf = 0 then goto 36
print " 1- Допустимая мощность рассеяния на коллекторе, Вт ",pkdop
print " 2 - Рабочaя частоту, МГц………………………………...",f
print " 3 - Статический коэффициент усиления по току ……...",b
print " 4 - Напряжение отсечки, B………………………………",uots
print " 5 - Крутизна в граничном режиме, A/B………………...",sgr
print " 6 - Емкость эмиттерного перехода, пФ…………………",ce
print " 7 - Емкость коллекторного перехода, пФ……………….",ck
print " 8 - Допустимое напряжение на базе, В………………….",ubdop
print " 9 - Допустимый ток коллектора, А ……………………..",ikdop
print "10 - Допустимое напряжение на коллекторе, В…………",ukdop
print "11 - Индуктивность базового вывода, нГн………………",lb
print "12 - Индуктивность эмиттерного вывода, нГн ………….",le
print "13 - Граничная частота F betta, МГц ……………………..",fb
print "14 - Задайте угол отсечки, град …………………………..",tet
goto 33
36 print #1, " Исходные данные для расчета" : print #1,
print #1, " 1- Допустимая мощность рассеяния на коллекторе, Вт ",pkdop
print #1, " 2 - Рабочaя частоту, МГц…………………………………",f
print #1, " 3 - Статический коэффициент усиления по току ………",b
print #1, " 4 - Напряжение отсечки, B………………………………..",uots
print #1, " 5 - Крутизна в граничном режиме, A/B ………………….",sgr
print #1, " 6 - Емкость эмиттерного перехода, пФ…………………..",ce
Продолжение приложения А
print #1, " 7 - Емкость коллекторного перехода, пФ………………...",ck
print #1, " 8 - Допустимое напряжение на базе, В …………………..",ubdop
print #1, " 9 - Допустимый ток коллектора, А ……………………….",ikdop
print #1, "10 - Допустимое напряжение на коллекторе, В …………..",ukdop
print #1, "11 - Индуктивность базового вывода, нГн ………………..",lb
print #1, "12 - Индуктивность эмиттерного вывода, нГн ……………",le
print #1, "Напряжение источника питания, В...............………………",ep
print #1, "Максимальный ток коллектора, А................………………",ikmax
print #1, "Граничная частота F betta,Њѓж...............………………….",fb
print #1, "Угол отсечки,
град............................……………………….",tet
print #1, "Коэффициенты Берга для угла отсечки: "
print #1, "Alfa0= ";fnalfa0(tetta)
print #1, "Alfa1= ";fnalfa1(tetta)
print #1, "Gamma0= ";fngamm0(tetta)
print #1, "Gamma1= ";fngamm1(tetta)
print #1, : print #1,
print #1, " Режим работы:" : print #1,
print #1, " Коэффициент использования напpяжения, B....………….. ";ksy
print #1, " Напpяжение первой гармоники на коллекторе, В ………...";uk1
print #1, " Амплитуда 1-й гаpмоники коллекторного тока, А……….. ";ik1
print #1, " Постоянная составляющая коллекторного тока, А………...";ik0
print #1, " Мощность первой гармоники на выходе, Вт......…………...";p1
print #1, " Мощность, потpебляемая коллекторной цепью, Вт………..";p0
print #1, " Мощность, pассеиваемая на коллекторе, Вт.....…………….";pr
print #1, " КПД коллекторной
цепи.......................……………………...";kpd
print #1, " Управляющий заряд, нКл.......................…………………….";qu
print #1, " Минимальное мгновенное напpяжение на эмиттерном"
print #1, " переходе, В..................................…………………………….
";uemin
print #1, " Постоянная составляющая на эмиттере, В.......……………..";ue0
print #1, " Сопротивление коллекторной нагрузки, Ом......……………";rk
print #1, " Амплитуда первой гармоники суммарного тока базы "
print #1, " учетом тока емкости коллекторного перехода, А…………..";ibsr
print #1, " Сопротивление коррекции закрытого перехода, Ом………..";rz
print #1, " Мощность,потребляемая цепью коррекции, Вт....…………..";pwsr
print #1, " Входное сопротивление, Ом....................…………………….";rw
print #1, " Мощность, потребляемая на входе,
Вт...........……………….";pw2sr
print #1, " Мощность на входе, потребляемая каскадом, Вт.…………..";pw
print #1, " Коэффициент передачи по мощности............………………..";kp
print #1, " Входная индуктивность, нГн...................…………………….";lw
print #1, " Входная емкость,
пФ..........................…………………………";cw
print #1, " Усредненн. за период сопротивление коррекции, Ом
……...";rpar
goto 80
40 print "Максимальны ток коллектора не должен"
Продолжение приложения А
print "Превышать ";0.8*ikdop;" A" : goto 30
50 print "Мощность рассеяния на коллекторе превышает допустимую"
print " Измените исходные данные "
goto 10
60 print "Мгновенное напряжение на базе превышает допустимое"
print " Измените исходные данные "
goto 10
70 print "Напряжение питания не должно превышать";ukdop/2;" B"
goto 20
80 end
-----------------------
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
?????????"???–??/?????†???????????"???–??/?????†???????????"???–??/?????†???
????????"???–??/?????†???????????"???–??/?????†???????????"???–??/?????†????
?????
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic] |
