Импульсные передатчики РЛС-обнаружения с оптимальной обработкой

Министерство образования  Республики Беларусь

 

Учреждение образования

 

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

 

Кафедра радиотехнических систем

 

 

К защите допустить:

Руководитель проекта

______ В. В. Ползунов

 

 

 

 

Пояснительная записка

к курсовому проектированию

на тему:

 

«Импульсные передатчики РЛС-обнаружения с оптимальной обработкой»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:        Руководитель проекта:

студент гр. 941202      Ползунов В.В. 

Клеперсон Т.А.     

 

 

 

        

 

 

 

 

Минск 2012 

Оглавление

Введение 3

2. Выбор, обоснование технических требований и структурной схемы. 4

2.1 Выбор структурной  схемы 4

2.2 Расчёт  функциональной схемы 5

3. Расчет выходного каскада 10

4. Расчет задающего генератора 20

5. Умножители  частоты 25

6. Промежуточные  каскады 27

7. Импульсный  модулятор 29

7.1 Выбор схемы 29

7.1.Выбор типа  модуляторной лампы и ее режима  работы. 30

7.2. Расчет  элементов схемы. 33

7.2.1 Оценка  формы выходного импульса. 33

7.2.2Энергетические  соотношения в модуляторе. 34

7.2.3 Требования к источнику питания (выпрямителю). 35

7.2.4 Требования к подмодулятору. 35

8. Конструктивный  расчет катушки индуктивности. 36

9. Система контроля, защиты и управления передатчика. 37

Заключение 41

Литература 42

Приложения 43

 

 

Введение

 

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. Современная  техника позволяет с большой  точностью измерять координаты положения  самолета или ракеты, следить за их движением, определять не только формы  объектов, но и структуру их поверхности. Радиолокационные методы открывают  возможность изучать недра Земли  и даже внутренние неоднородности поверхностных  слоев на других планетах, а также  в организации управления воздушным  движением, наведении, распознавании  объектов, определении их принадлежности.

В зависимости от конкретного  назначения современные радиолокационные станции (РЛС) имеют характерные  особенности. Из всего их разнообразия значительную долю составляют РЛС обнаружения. Связано это с тем, что радиолокационный метод обнаружения является основным как на Земле, в воздухе, на море, так и в космосе.

За последние годы широкое  распространение получил импульсный способ работы радиотехнических устройств, в частности радиопередающих  устройств. При этом антенна передатчика  излучает энергию высокочастотных  колебаний в течение коротких промежутков времени, разделенных  относительно большими интервалами  времени, когда излучение отсутствует. Импульсная работа передатчиков используется для радиолокации, радионавигации, радиоретрансляционной связи  и  т. д. Наибольший интерес представляет использование импульсов весьма малой длительности, в связи с  чем импульсная работа возможна только в диапазоне СВЧ. Поэтому импульсные радиопередатчики, как правило, являются радиопередатчиками СВЧ.

 

2. Выбор, обоснование технических требований и структурной схемы.

2.1 Выбор структурной схемы

 

Проектирование  передатчика начинается с выбора структурной схемы. При этом исходят  из назначения передатчика, условий  его работы и заданных параметров:

 

  Мощность в импульсе – 100кВт

Длительность импульса–1мкс 

Диапазон рабочих частот – 1200-1400ГГц

Частота следования–1000Гц

Нестабильность фазы – 1,7град.

КСВН нагрузки – 1

 

 

Задача составления структурной  схемы состоит в том, чтобы  определить рациональное число каскадов высокой частоты между возбудителем (автогенератором) и выходом передатчика (антенной), обеспечивающее выполнение заданных технических требований к  передатчику.

Однокаскадные импульсные передатчики  РЛС с оптимальной обработкой сигналов на магнетронных генераторах  не всегда позволяют получить удовлетворительное подавление сигналов от неподвижных  объектов ввиду низкой кратковременной  нестабильности фазы и частоты. Для  устранения этого недостатка необходимо перейти от однокаскадной схемы  к многокаскадной.

Структурная схема каскадного импульсного передающего устройства изображена на рисунке 1

Маломощный возбудитель  работает в непрерывном режиме, что  облегчает получение высокой  стабильности частоты. В качестве возбудителя (задающего генератора) могут использоваться: стабилизированные внешним высокодобротным  резонатором полупроводниковый  генератор СВЧ, автогенератор на пролетном клистроне, маломощный магнетрон  непрерывного режима или кварцевый  генератор с умножителями частоты.

В промежуточных каскадах усиления применяются ЛБВ и МРК. В последних мощных каскадах передатчика  целесообразно использовать амплитроны, так как помимо широкополосности, они обладают высоким КПД. В оконечном  каскаде для увеличения выходной мощности амплитроны могут включаться параллельно. Оконечный и предоконечный  усилители, как правило, работают в  импульсном режиме.

В промежуточных каскадах СВЧ на ЛБВ и МРК имеют место  значительные искажения фазы на переднем фронте и спаде импульса. Эти искажения  устраняются путем стробирования  плоской части импульса, т.е. последовательным увеличением длительности импульсов  от первого к выходному каскаду. Межкаскадные ферритовые вентили обеспечивают повышение устойчивости работы и  стабильности частоты и фазы СВЧ  колебаний передатчика. В качестве источника питания генератора используется импульсный модулятор (импульсный усилитель УИ).

Недостатком данной схемы  является большое количество каскадов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 Структурная схема  каскадного импульсного передающего  устройства

2.2 Расчёт функциональной  схемы

 

Расчет структурной схемы  высокочастотной части каскадного передатчика начинается с выходного  каскада, исходя из заданной мощности в антенне Р_а, коэффициента отражения нагрузки передатчика (антенно-фидерного устройства) Г_Н.

Выходная мощность, которую  должен обеспечить выходной каскад, определяется по формуле:

 

(1.1)

где α₁>1 – прямое затухание ферритового устройства. КПД антенно-фидерного тракта принимается равным η_Ф=0,85-0,95.

Коэффициент отражения нагрузки равен

   

(1.2)

На выходе передатчика, как  правило, включается циркулятор, который  выполняет функции антенного  переключателя, или ферритовый вентиль. Оба устройства уменьшают влияние изменения параметров нагрузки на частоту (фазу) и выходную мощность. Прямое и обратное затухание серийных ферритовых устройств составляет соответственно α₁=(0,5-0,8) дБ, α₂=(20-30) дБ. Конкретная величина обратного затухания определяется требованиями к стабильности частоты и фазы.

Для нашего случая коэффициент  отражения нагрузки равен

 

 

КПД антенно-фидерного тракта принимается равным η_Ф=0,95 (будем считать, что передача сигналов в антенно-фидерный тракт наихудшая).

Суммарное затухание серийных ферритовых устройств составляет α₂=20дБ, а α₁=0,7дБ=1,175. В дальнейших расчетах усилительных каскадов рассчитаются точно прямое и обратное затухание ферритового вентиля

Подставив значения в формулу 1.1 получим:

 

 

По величине   Р₄ = Р_ВЫХ = Вт = 0,1237 МВт   выбираем амплитрон QKS-1012 из справочной литературы [7]. Его основные характеристики:

 

 

Полоса частот f      1,2 – 1,4ГГц;

Выходная импульсная мощность P_{ВЫХ.ИМП} 0,1 МВт;

Выходная средняя мощности  P_ВЫХ.СР 2,5 КВт;

КПД        65 %;

Коэффициент усиления К    12 дБ;

Длительность импульса τ    1-300 мкс;

Напряжение анода U₀     21кВ; 
 Ток анода I₀      9А.

 

Зная номинальную мощность выходного усилителя СВЧ Р_ВЫХ , находят величину мощности, которую должен иметь предоконечный усилитель:

      

(1.3)

 

где Г_m – коэффициент отражения входа оконечного усилителя; α_1,m>1 – прямое затухание межкаскадного развязывающего устройства (ферритового вентиля).

Исходя из величин мощности Р_1,(m-1), аналогично предыдущему определяется выходная мощность следующего каскада Р_1,(m-2), выбирается тип усилителя СВЧ, его коэффициент усиления, номинальные значения коэффициента усиления К_1,(m-1), напряжения U₀ и ток анода I₀. Так продолжается до тех пор, пока необходимая мощность очередного каскада не окажется равной (или несколько меньшей) мощности Р_ВОЗБУД, которую должен обеспечить возбудитель (обычно Р_ВОЗБУД=0,1-0,5 мВт).

 

Рассчитаем мощности предоконечных  каскадов.

 

Мощность, которую должен обеспечить третий каскад:

 

 

 

По величине Р₃ = Вт выбираем многорезонаторный пролетный клистрон SAX-4410 из справочной литературы [7], который будет работать в импульсном режиме. Его основные характеристики:

 

полоса частот f      10 ГГц;

выходная импульсная мощность P_{ВЫХ.ИМП} 15кВт;

КПД        35 %;

коэффициент усиления К    60 дБ;

напряжение анода U₀     25 КВ;

ток анода I₀       2 А.

девиация частоты Δf/f     0,2

 

 

Мощность, требуемая на входе  клистрона третьего каскада:

 

 

Следственно, мощность второго  каскада  Р₂ = 0,011Вт

 

Выбираем ЛБВ 314H из справочной литературы [1], которая будет работать в непрерывном режиме. Ее основные характеристики:

полоса частот f      1.5-2.5 ГГц;

выходная средняя мощности  P_ВЫХ.СР  2,5 Вт;

коэффициент усиления К    33 дБ;

напряжение анода U_{а 1}     0,72 КВ;

U_а2= U₀       0,63 КВ

напряжение катода U_К     0,4 КВ;                              

ток анода I₀       22 мА.

 

Мощность, требуемая на выходе первого каскада:

 

 

 

Мощность первого каскада  Р₁ = ≈ 6,46 мкВт

Выбираем ЛБВ IIW17A из справочной литературы , которая будет работать в непрерывном режиме. Ее основные характеристики:

 

полоса частот f      10.7-11.7 ГГц;

выходная средняя мощности  P_ВЫХ.СР  1 Вт;

коэффициент усиления К    30 дБ;

напряжение анода U_{а 1}     1,1кВ;

U_а2= U₀       2,2 кВ

напряжение катода U_К     2,3 кВ;                              

ток анода I₀       8 мА.

 

Итак, определим входную  мощность СВЧ усилителей (входную  мощность первого каскада):

 

 

Входная мощность Р_ВХ = ∙10^-9 Вт. Значит такой мощности должен  быть сигнал от задающего генератора, проходящий через три умножителя частоты (х3, х3, х3). Так как, частота сигнала задающего генератора   равняется   f_C.ЗГ = 50 МГц, то   сигнал,   проходя через   эти умножители, будет иметь частоту, равную:

f_C = f_C.ЗГ ∙ 3 ∙ 3 ∙ 3 =50 ∙10⁶∙4∙4∙3=1350МГц.        (1.4)

Задающий генератор (Г) создает  непрерывные гармонические колебания  частотой 60 МГц, которые затем проходят через три умножителя частоты (при  этом частота колебания составит 1350 МГц – несущая частота сигнала) и усиливаются в каскадах УСВЧ. Сам усилитель состоит из четырех каскадов УСВЧ. Первые два каскада собраны на ЛБВ и работают в непрерывном режиме.

Два последних каскада  собраны на клистроне и амплитроне, работают в импульсном режиме. Их работой  управляют два импульсных модулятора (ИМ1, ИМ2), которыми в свою очередь  управляют подмодуляторы (ПМ1, ПМ2). Благодаря  такому расположению формируются импульсы практически прямоугольной формы.  Между каскадами УСВЧ стоят межкаскадные ферритовые вентили, которые обеспечивают повышение устойчивости работы и  стабильности частоты и фазы СВЧ  колебаний передатчика. Кроме этого  ферритовые вентили предотвращают  самовозбуждение каскадов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 Структурная схема  для разрабатываемого передатчика