Расчет параметров приемного устройства станции предупреждения об облучении

Задание

• выбор типа приемного устройства для станции предупреждения об облучении;
• расчет параметров приемного устройства;
• расчет канала амплитудного пеленгатора;
• расчет канала измерителя частоты.

Исходные данные: Вариант  №2

1. Центральная частота – 4ГГц
2. Полоса пропускания – 3ГГц
3. Погрешность измерения частоты – 25МГц
4. Погрешность измерения фазы – 20⁰
5. К_ш – 2дБ

 

Содержание

Задание 2

Введение 4

Тип приемного  устройства для станции предупреждения об облучении 6

Расчет параметров приемного устройства 7

Расчет параметров мгновенного измерителя частоты 8

Алгоритм  работы измерителя частоты 10

Заключение 13

Список литературы 14

 

 

Введение

За десятилетия после  изобретения радара, наука радиолокации стремительно развивалась. Кроме локаторов  обнаруживающих надземные цели были изобретены, например такие различные  устройства, как георадары, загоризонтные  станции и прочие устройства локации. Обширная часть такой техники  имеет военное предназначение. Параллельно  развивались устройства предупреждения и противодействия радиолокационным средствам противника. Одно из них  – станция предупреждения об облучении  или радар детектор. Предупрежден, значит вооружен. Если оператор, например летчик, знает, что находится в  зоне действия РЛС противника –  это может помочь ему принять  определенные, верные решения, в том  числе и в бою. Главный принцип  работы станции — детектирование электромагнитного излучения определенных частот и определение направления  на источник. Любой радар, предназначенный  для обнаружения объектов, в рабочем  режиме, т.е. во время излучения электромагнитных импульсов, сам может быть обнаружен.

Станция предупреждения состоит  из нескольких блоков. Прежде всего  – комплекта антенн. У современных  типов их может быть несколько  десятков. Далее блоки пеленгаторов. Их тоже несколько – грубые и  точные. Приемник, компьютер для  обработки информации, ну и блок ее отображения.

Отличаются станции по точности пеленга – определения  направления на источник излучения, сектору обзора, частотному диапазону  детектируемых сигналов, и чувствительности, от которой зависит дальность  определения источника. В идеале она должна быть больше, чем радиус действия самой обнаруженной РЛС.

Как ни странно, впервые радар  детекторы стали применяться  на подводных лодках. Точнее на немецких субмаринах Второй Мировой. Следуя в  надводном положении или на перископной  глубине, лодка была уязвима для  авиации противника, ее РЛС могла  засечь приближающиеся самолеты значительно  позже, чем сама лодка была бы обнаружена радаром самолетов. Но его излучение  субмарина могла обнаружить достаточно быстро, поэтому на них стали устанавливать первые станции предупреждения. Позже устройство перекочевало на самолеты. Поначалу удавалось определить только сам факт наличия облучения и сторону света, с которой оно поступает. Сейчас блок приема стал более точен – точность пеленгации примерно 3 градуса, и он может выдавать подробную информацию блоку обработки – бортовому компьютеру, который в настоящее время, после анализа может выдавать пилоту много различной информации. В его памяти хранятся параметры излучения основных РЛС. Сравнивая с ними принимаемый сигнал, определяется не только точное направление на источник или источники, но и их тип (например, наземная РЛС или бортовая перехватчика), режим работы (например, поиск или наведение). Определяется даже наиболее опасные из них, например, ракеты. Соответственно, можно принять определенное решение, уйти из зоны возможной зенитной атаки, или, если самолет захвачен как цель – начать постановку помех или сброс ложных целей – отражателей.

Это военное применение, а существует ли гражданское? Да, простенькие  радар детекторы используют некоторые  непростые водители. Установив радар  детектор в машине, такой водитель получает информацию о входе в  зону действия полицейского радара. Впрочем, в большинстве стран эти устройства запрещены, их использование не приветствуется. Хотя можно использовать радар детектор и против злоумышленников, например, устанавливая источник вещания вредоносного сигнала.

Виды станций предупреждения об облучении:

1. Облучающая РЛС класса «Воздух-Воздух»;
2. РЛС дальнего радиуса действия;
3. РЛС среднего радиуса действия;
4. РЛС ближнего радиуса действия;
5. Наземная РЛС системы раннего обнаружения;
6. РЛС системы ДРЛО.

 

Тип приемного устройства для станции  предупреждения об облучении

При модернизации аппаратуры непосредственной радиотехнической разведки (НРТР) начали работу с замены СВЧ  тракта мгновенного измерителя частоты (МИЧ), как самого узкого места системы. На Рисунке 1 приведена схема, в которой  меняли узлы, и расчёт характеристик  которой рассматривается в данной статье.

Рисунок 1 Структурная схема СВЧ канала изделия

При вычислении частоты в  системе СПО участвуют два  канала - амплитудный и фазовый.

Амплитудный канал содержит логарифмические усилители амплитудного. СВЧ усилитель (ШУС) амплитудного пеленгатора должен работать в линейном режиме во всем динамическом диапазоне СПО для обеспечения пеленгационных характеристик амплитудного пеленгатора.

Фазовый канал заканчивается  выходом частотных детекторов (ЧД). Он содержит все СВЧ усилители  и рассчитан на работу в режиме ограничения мощности на входе ЧД. В линейном режиме работы СВЧ усилителей УЧС увеличивается погрешность  измерения частоты. Весь дальнейший расчет предназначен для оценки правильности выбора коэффициентов передачи элементов СВЧ тракта.

 

Расчет параметров приемного устройства

1. Антенна. Полоса 2,5-5,5 ГГц - минимальный уровень шума на выходе элемента определяется тепловыми шумами. Мощность теплового шума определяется как:

,

где P_ш – доступная мощность (Дж/сек или Вт);

k – постоянная Больцмана (1.38*10^-23Дж/К);

T – абсолютная температура  (К);

B – полоса частот (Гц) (4*10⁹Гц).

По формуле при Т=300°К, получим на выходе антенны мощность шума:

Р_ш = -107 дБ/Вт.

Тепловой шум в постоянной полосе частот имеет линейные характеристики.

2. Модулятор. К_{затухания} сигнала для нижнего диапазона – 2.5дБ.

3.ЛВУ  Р_мин= -50дБ/Вт.

4. Коэффициент делителя  мощности (-4дБ).

5. ЧД Р_мин=100мВт

10 lg(0,1)=-10дБ/Вт

6. Плата АЦП. Нет параметров, влияющих на расчет.

7. Коэффициент передачи по сигналу определяется суммарным коэффициентом передачи всех элементов амплитудного канала: затухание в модуляторе, коэффициент усиления ШУС, потери в делителях, коэффициент усиления в детекторном устройстве, коэффициент усиления ШУС МИЧ, потери в делителях мощности в УЧС.

Для диапазона коэффициент передачи по сигналу на входе ЛВУ составит:

КП = КПМ+ КУ+ КПД

КУ= КП- КПМ- КП

Р_ч=Р_ш+10дБ=-107+10= -97дБ;

КП=Р_мин-Р_ч=-50-(-97)=47дБ;

КУ=47-(-4)-(-2.5)=53.5дБ.

Коэффициент усиления равен 53.5дБ 

Расчет параметров мгновенного  измерителя частоты

Необходимость проведения расчетов обусловлена новыми требованиями к  максимальной погрешности измерения  частоты =25 МГц.

Для определения количества линий задержек и их длин воспользуемся  следующей формулой

,

где l -длина линии задержки на входе фазового детектора (без учета длины линии по второму входу), λ -длина волны измеряемого сигнала.

Погрешность измерения частоты  сигнала обуславливается погрешностью фазового детектора, значением частоты  сигнала и длиной линии задержки.

Перейдя к погрешностям выражение  можно записать следующим образом

,

или ;

где Δf - погрешность измерения частоты, c_x - скорость распространения электромагнитной волны в среде (для поликора - м/с), Δφ - погрешность фазометра 20°.

Преобразуем полученное выражение  для вычисления длины линии задержки:

Подставляя исходные данные получаем:

 

Таким образом, для того, чтобы обеспечить погрешность измерения  частоты  =±25МГц, при погрешности фазометра Δφ=±20⁰ необходима линия задержки длинной l=0,26м.

Для заданного диапазона  набег фазы на такой длине линии рассчитаем, используя формулу:

.

Границы диапазона: нижняя частота  – 2500 МГц; верхняя частота– 5500 МГц. Ширина диапазона таким образом составляет 3000 МГц.

Значение фазы на частоте  2500МГц составляет:

,

на частоте 5500МГц составляет:

,

Таким образом, диапазон изменения разности фаз составляет:

φ°0,26=4477 - 2035 =2442°.

Это составляет 6 целых периодов плюс 282°.

График зависимости набега фазы на линии задержки от частоты:

 

Алгоритм работы измерителя частоты

Для разрабатываемого измерителя частоты предлагается использовать матричный алгоритм работы. Он реализуется  следующим образом:

1. Запуск схемы обработки  измерителя частоты. Запуск этой  схему будет внешним. Т.е. запуск  происходит по амплитудным каналам  приемника. После формирования  сигнала запуска сразу должно  происходить  считывание  информации  с АЦП.

2. Оцифровка аналоговых  сигналов. Так как работает две  линии задержки, каждая из которых  подключена к своему фазовому  детектору. Фазовый детектор в  свою очередь формирует 4 видеосигнала. Таким образом набирается 12 АЦП. Это очень большое количество. Для сокращения можно использовать АЦП с дифференциальным входом для парных сигналов. Таким образом, количество АЦП сокращается до приемлемых 6 штук. Кроме того такое решение сразу осуществляет операцию вычитания, что существенно сокращает и аппаратные затраты и время обработки.

Рисунок 2

 

3. Далее по значениям  sin и cos для каждой линии задержки нужно определить значение разности фаз. Эту операцию можно выполнять матричным методом, подавая значения sin и cos на адресные входы микросхемы FLASH, в которую заранее записаны значения функции .  На рисунке 1 это Flash Short, Flash Medium и Flash Long. Все три микросхемы имеют одинаковую прошивку, которая разрабатывается только один раз для всех блоков. Код фазы должен содержать минимум 8 разрядов. Кроме непосредственного вычисления значения фазы такое решение позволяет производить оценку мощности сигналов на входе частотного детектора по длине вектора фазы (Рисунок 2). Если длина вектора фазы по одной из линий задержек уменьшается до 1/3 от максимального значения, то результат измерения частоты считается неправильным и не выдается из блока. Вместо результата выдается код «не измерено». Так как для признака «не измерено» требуется еще один разряд данных, то эти FLASH необходимо выбирать с количеством разрядов данных больше 9-ти.

Рисунок 3

4. Операция вычисления  частоты по значениям фазы. Также  производится матричным методом  в микросхеме  Flash. Количество адресных входов этой микросхемы можно рассчитать следующим образом: фазы 6*8=48 разрядов. Прошивка для этой микросхемы формируется для каждого блока по результатам измерения значений фазы по трем линиям задержки в опорных частотных точках. Опорные точки берутся во всем частотном диапазоне через 100 МГц при ручной перестройке генератора. Программа, формирующая прошивку должна аппроксимировать массив данных, между опорными частотными точками, полученными при настройке и формировать разделительные линии между частотными линиями в прошивке (матрице). В разделительных линиях записываются нулевые значения, которые являются признаком «не измерено», как и в случае с малой амплитудой сигналов на входе частотного детектора.

 

Заключение

В данной курсовой работе проведены  расчеты параметров приемного устройства, канала измерителя частоты. Мощность теплового шума равна: -107дБ/Вт, коэффициент затухания сигнала для нижнего диапазона (-2,5дБ), коэффициент делителя мощности (-4дБ), коэффициент передачи 47дБ, коэффициент усиления 53.5дБ. Линия задержки равна 0,26м, диапазон изменения разности фаз составляет φ°0,26 =2442°. Это 6 целых периодов и 282°.