Расчет предоконечного каскада с использованием компьютера

6.2 Расчет предоконечного каскада с использованием компьютера

Произведем расчет предоконечного каскад усилительного тракта передатчика проектируемой РЛС с помощью компьютера, программа составлена на основе методики расчета изложенной в [6].

Предоконечный каскад нагружается на оконечный каскад и исходя из вышеизложенных расчетов и должен обеспечивать на его входе мощность Р_вх (2.5.1) равную 41,2 мВт на частоте 7,5 ГГц, исходя из чего выбираем маломощный биполярный транзистор 2Т3124А-2 со следующими характеристиками:

-статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ	100;
-граничная частота, ГГц	8;
-емкость коллекторного перехода, пФ	0,42;
-емкость эмиттерного перехода, пФ	0,69;
-индуктивность базового вывода, нГн	1;
-индуктивность эмиттерного вывода, нГн	2;
-напряжение отсечки, В	0,4;
-допустимое напряжение на базе, В	1;
-допустимое напряжение на коллекторе, В	10;
-допустимый ток коллектора, мА	12;
-допустимая мощность рассеяния, мВт	70;
-крутизна переходной характеристики в граничном режиме, мА/В	40;

Производим расчет предоконечного каскада, задавшись напряжением питания и током в цепи коллектора:

-Допустимая мощность рассеяния на коллекторе, Вт	7.00E-002;
-Рабочaя частота, МГц	7500;
-Статический коэффициент усиления по току	100;
-Напряжение отсечки, B	.400;
-Крутизна в граничном режиме, A/B	3.99E-002;
-Емкость эмиттерного перехода, пФ	.689;
-Емкость коллекторного перехода, пФ	.419;
-Допустимое напряжение на базе, В	1;
-Допустимый ток коллектора, А	1.19E-002;
-Допустимое напряжение на коллекторе, В	10;
-Индуктивность базового вывода, нГн	1;
-Индуктивность эмиттерного вывода, нГн	2;
-Напряжение источника питания, В	3;
-Максимальный ток коллектора, А	6.99E-003;
-Граничная частота F betta, МГц	8000;
-Угол отсечки, град	180;
-Коэффициенты Берга для угла отсечки:
-Аlfa0= 0.5;
-Alfa1= 0.5;
-Gamma0= 1;
-Gamma1= 1.
Режим работы:
-Коэффициент использования напpяжения, B	.686;
-Напpяжение первой гармоники на коллекторе, В	2.76;
-Амплитуда 1-й гаpмоники коллекторного тока, А	3.74E-003;
-Постоянная составляющая коллекторного тока, А	1.26E-003;
-Мощность первой гармоники на выходе, Вт	7.14E-003;
-Мощность, потpебляемая коллекторной цепью, Вт	9.07E-003;
-Мощность, pассеиваемая на коллекторе, Вт	2.40E-003;
-КПД коллекторной цепи	.723;
-Управляющий заряд, нКл	1.88E-015;
-Минимальное мгновенное напpяжение на эмиттерном переходе, В	.397;
-П-остоянная составляющая на эмиттере, В	.399;
-Сопротивление коллекторной нагрузки, Ом	581.5;
-Амплитуда первой гармоники суммарного тока базы с четом тока емкости коллекторного перехода, А.	7.55E-002;
-Сопротивление коррекции закрытого перехода, Ом.	28.8;
-Мощность, потребляемая цепью коррекции, Вт	6.50E-008;
-Входное сопротивление, Ом	8.17;
-Мощность, потребляемая на входе, Вт	1.22E-002;
-Мощность на входе, потребляемая каскадом, Вт	1.22E-002;
-Коэффициент передачи по мощности	1.53
-Входная индуктивность, нГн	1.00;
-Входная емкость, пФ	848.5;
-Усредненн. за период сопротивление коррекции, Ом	16.3.

Результаты оказались неудовлетворительными, с такой выходной мощностью он не сможет раскачать оконечный каскад. Попробуем увеличить выходную мощность предоконечного каскада, повысив напряжение питания и коллекторный ток. Производим расчет заново:

-Допустимая мощность рассеяния на коллекторе, Вт	7.00E-002;
-Рабочaя частота, МГц	7500;
-Статический коэффициент усиления по току	100;
-Напряжение отсечки, B	.400;
-Крутизна в граничном режиме, A/B	3.99E-002;
-Емкость эмиттерного перехода, пФ	.689;
-Емкость коллекторного перехода, пФ	.419;
-Допустимое напряжение на базе, В	1;
-Допустимый ток коллектора, А	1.19E-002;
-Допустимое напряжение на коллекторе, В	10;
-Индуктивность базового вывода, нГн	1;
-Индуктивность эмиттерного вывода, нГн	2;
-Напряжение источника питания, В	4;
-Максимальный ток коллектора, А	7.49E-003;
-Граничная частота F betta, МГц	8000;
-Угол отсечки, град	180;
-Коэффициенты Берга для угла отсечки:
-Аlfa0= 0.5;
-Alfa1= 0.5;
-Gamma0= 1;
-Gamma1= 1.
Режим работы:
-Коэффициент использования напpяжения, B	.953;
-Напpяжение первой гармоники на коллекторе, В	3.81;
-Амплитуда 1-й гаpмоники коллекторного тока, А	4.74E-003;
-Постоянная составляющая коллекторного тока, А	2.38-003;
-Мощность первой гармоники на выходе, Вт	6.56E-003;
-Мощность, потpебляемая коллекторной цепью, Вт	9.54E-003;
-Мощность, pассеиваемая на коллекторе, Вт	2.91E-003;
-КПД коллекторной цепи	.798;
-Управляющий заряд, нКл	1.49E-015;
-Минимальное мгновенное напpяжение на эмиттерном переходе, В	.697;
-Постоянная составляющая на эмиттере, В	.699;
-Сопротивление коллекторной нагрузки, Ом	1016.6;
-Амплитуда первой гармоники суммарного тока базы с учетом тока емкости коллекторного перехода, А.	5.47E-002;
-Сопротивление коррекции закрытого перехода, Ом.	28.8;
-Мощность, потребляемая цепью коррекции, Вт	4.05E-008;
-Входное сопротивление, Ом	4.67;
-Мощность, потребляемая на входе, Вт	1.33E-002;
-Мощность на входе, потребляемая каскадом, Вт	1.33E-002;
-Коэффициент передачи по мощности	2.03;
-Входная индуктивность, нГн	1.00;
-Входная емкость, пФ	1482.3;
-Усредненн. за период сопротивление коррекции, Ом	14.4.

Повышение наряжения питания дало свои результаты, однако все равно выходная мощность не так высока как хотелось бы. Попробуем ещё повысить напряжение питания и ток колектора. Вообще ток коллектора не должен превышать 80% от максимально допустимого значения и напряжение питания должно быть в половину меньше допустимого. Производим расчет:

-Допустимая мощность рассеяния на коллекторе, Вт	7.00E-002;
-Рабочая частота, МГц	7500;
-Статический коэффициент усиления по току	100;
-Напряжение отсечки, B	.400;
-Крутизна в граничном режиме, A/B	3.99E-002;
-Емкость эмиттерного перехода, пФ	.689;
-Емкость коллекторного перехода, пФ	.419;
-Допустимое напряжение на базе, В	1;
-Допустимый ток коллектора, А	1.19E-002;
-Допустимое напряжение на коллекторе, В	10;
-Индуктивность базового вывода, нГн	1;
-Индуктивность эмиттерного вывода, нГн	2;
-Напряжение источника питания, В	5;
-Максимальный ток коллектора, А	9.51E-003;
-Граничная частота F betta, МГц	8000;
-Угол отсечки, град	180;
-Коэффициенты Берга для угла отсечки:
-Аlfa0= 0.5;
-Alfa1= 0.5;
-Gamma0= 1;
-Gamma1= 1.
Режим работы:
-Коэффициент использования напpяжения, B	.986;
-Напpяжение первой гармоники на коллекторе, В	4.85;
-Амплитуда 1-й гаpмоники коллекторного тока, А	8.89E-003;
-Постоянная составляющая коллекторного тока, А	3.18E-003;
-Мощность первой гармоники на выходе, Вт	4.31E-002;
-Мощность, потpебляемая коллекторной цепью, Вт	1.90E-002;
-Мощность, pассеиваемая на коллекторе, Вт	4.72E-003;
-КПД коллекторной цепи	.852;
-Управляющий заряд, нКл	8.84E-016;
-Минимальное мгновенное напряжение на эмиттерном переходе, В	.998;
-Постоянная составляющая на эмиттере, В	.999;
-Сопротивление коллекторной нагрузки, Ом	1150.3;
-Амплитуда первой гармоники суммарного тока базы учетом тока емкости коллекторного перехода, А.	.013;
-Сопротивление коррекции закрытого перехода, Ом.	25.6;
-Мощность, потребляемая цепью коррекции, Вт	1.60E-008;
-Входное сопротивление, Ом	4.13;
-Мощность, потребляемая на входе, Вт	1.69E-002;
-Мощность на входе, потребляемая каскадом, Вт	1.69E-002;
-Коэффициент передачи по мощности	2.53;
-Входная индуктивность, нГн	1.00;
-Входная емкость, пФ	3770.5;
-Усредненн. за период сопротивление коррекции, Ом	12.8.

На этот раз результаты расчета удовлетворяют требованиям оконечного каскада к мощности, то есть реализация предоконечного каскада на основе транзистора 2Т3124А-2 возможна.

7 РАСЧЕТ ВЫХОДНОЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Выходная колебательная система необходима для фильтрации высших гармоник на выходе усилительного каскада перед подачей полезного сигнала в антенно-фидерную систему. Кроме того она обеспечивает согласование источника с нагрузкой, то есть трансформирует резистивную составляющую сопротивления нагрузки R_А­ в R_ЭК с одновременной компенсацией реактивной составляющей X_А.

Исходными данными для расчета выходной колебательной системы служат: сопротивление нагрузки R_А=75 Ом; эквивалентное сопротивление нагрузки, известное из расчета усилительного каскада, R_ЭК=45,3 Ом; рабочая частота f_р=7,5 ГГц; требуемое затухание высших гармоник a_ф=50 дБ (современные требования на фильтрацию 40…80 дБ). Расчет произведем по методике изложенной в [6].

Наиболее интенсивными являются вторая и третья гармоники, именно их надо ослаблять в выходной колебательной системе.

Необходимый коэффициент фильтрации, который должна обеспечивать выходная колебательная система, можно найти из соотношения:

У фильтров Баттерворта и Чебышева минимальные потери, а следовательно максимальный КПД, достигаются при оптимальном числе звеньев (m=m_опт), которое определяется только требуемым затуханием a_ф:

m_опт=(0,05…0,1)a_ф=0,1·50=5

Выбираем фильтр Чебышева в виде двух последовательно соединенных П-цепочек (рис. 2.6.1)

Рис 2.6.1 – Эквивалентная схема ВКС.

Выходная колебательная система последовательно трансформирует сопротивление нагрузки сначала в R^*_Н, а затем в R_эк. Причем:
Для расчета LC элементов сначала рассчитаем вспомогательные величины R₀₁ R₀₂ соответственно для первой и второй П-цепочки. Причем R₀₁ (R₀₂) выбирают в 3…5 раз меньше по сравнению с наименьшим из сопротивлений R_эк и R^*_Н (R^*_Н и R_А).

Рассчитаем сопротивления элементов цепи:

Исходя из найденных реактивных сопротивлений и рабочей частоты передатчика, найдем значения емкостей и индуктивностей элементов.
тогда:
Фактическая емкость C1 отличается от расчетной на емкость С_ск известную из расчетов оконечного каскада, который нагружается на выходную колебательную систему, и так, С1=С1_расч-С_ск=0,67-0,08=0,59 нФ. Кроме того, емкости С21 и С22 собой образуют одну емкость С2=С21+С22=0,62+0,5= =0,112 нФ. Все остальные элементы сохраняют свои значения.

Рис. 2.6.2 - ВКС

Определим КПД системы. Коэффициент полезного действия первой:
и второй:

цепочек, где Q=500 добротность катушек индуктивности.

Определяем нагруженные добротности первой и второй П-цепочек фильтра:

Фактический коэффициент фильтрации первой и второй цепочки:
Общий коэффициент фильтрации:

то есть полученный коэффициент фильтрации удовлетворяет требованию на мощность побочного излучения.

8 РАСЧЕТ АНТЕННО-ФИДЕРНОЙ СИСТЕМЫ В данном разделе произведем более подробный расчет антенно-фидерной системы.

Радиолокационная станция имеет две одинаковые однозеркальные параболические антенны. Определим их геометрические размеры.

Для начала определим тип фидера его шумовую температуру и КПД.

В качестве линии передачи выбираем прямоугольный волновод с сечением 2,8´1,3 см и коэффициентом затухания α=0,0794 дБ/м

Т_афу=67^°al_ф=67^°·0.0794·30=160˚.

где l_ф-длина фидерой линии (принимаем расстояние от технического здание до шлюза, с запасом)

Т_афу=290^°(1-КПД); КПД=1-(Т_афу /290^°)=1-0,55=0,45

Вычисление шумовой температуры антенной системы выполняется по формулам

Т_а=Т_афу+КПД·Т_Н.СР­+КПД·Т_о(1-a₁+a₁·u)=

=160+0,45·10­+0,45·290(1-0,925+0,925·0,025)=177,3

T_a=177,3˚K

Т=Т_а­+Т_пр

T=2277,3˚K

Определим диаметр раскрыва зеркала. Ширина диаграммы направленности в случае неравномерного возбуждения раскрыва зеркала определяется:

Q_0,5^Е = 1,3l / l₁­­­

Q_0,5^H = 1,2l / l₂­­­

где 2Q_0,5^Н ,2Q_0,5^E – ширина ДН в плоскостях Н и Е соответственно, рад;

l - длина волны;

l₁ и l₂­ –­ горизонтальный и вертикальный размеры антенны;

­l₁­=1.3 l/Q_0,5^E_­­­=(1,3*3*10⁸/7,5*10⁹)/ 0,035=1,49 м

l₂­=1.2 l/Q_0,5^H_­­­=(1,2*3*10⁸/7,5*10⁹)/ 1,41=0,14 м

Определение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны.

С точки зрения оптимизации геометрии антенны по максимальному отношению сигнал/шум необходимо произвести следующий расчет:

Чувствительность g определяется формулой g=Sa₂a₃hg’

где первые четыре коэффициента не зависят от угла раскрыва Y₀,а g’ вычисляется:

g’=ga₁/(T₁+КПД*Т₀*(cosⁿ⁺¹Y₀+u(1-cosⁿ⁺¹Y₀)))

где Т₁=Т_пр+Т₀(1-КПД)+КПД Т_нср

Т₀=290^°К

u=(0.2-0.3)-коэффициент учитывающий “переливание” части мощности облучателя через края зеркала,

a₁=1-cosⁿ⁺¹Y₀

S=0,25pl₁l₂ - площадь апертуры зеркала

n=6 – число характеризующее тип облучателя, в данном случае пирамидальный рупор.n=0.81;

Строим график функции g(Y₀) и по максимальному значению определяем угол раскрыва зеркала.

Рисунрк 8.1 – Зависимость отношения сигнал/шум от угла раскрыва

Из зависимости видно, что функция γ(Y₀) достигает максимума при Y₀=0,81 радиан (46˚).

Зная угол раскрыва и поперечные размеры можно найти фокусное расстояние зеркала:

Таким образом, основные геометрические размеры зеркала рассчитаны.

Рассчитаем геометрические и электродинамические характеристики облучателя.

Расчёт сводится к определению геометрических размеров облучателя, при которых уменьшение амплитуды поля на краю раскрыва зеркала происходит до одной трети амплитуды поля в центре раскрыва, и диаграммы направленности облучателя.

Рупор пирамидальный

Рисунок 8.2 – Облучатель. Пирамидальный рупор

Диаграммы направленности рупорной антенны рассчитываются по формулам:

В Е плоскости (Рис 2.7.3 а)

В Н плоскости (Рис 2.7.3 б)

Где β₀=2π/λ – волновое число β₀=2*3,14/(3*10⁸/7,5*10⁹)=157,1

а	б
Рисунок 8.3 – ДН облучателя: а – в Е плоскости; б – в Н плоскости.

Множители a_p и b_p в уравнениях диаграмм направленности – поперечные размеры рупора выбираются из условия спадания поля на краю раскрыва до одной третей по отношению к полю в центре раскрыва. В данном случае a_p=5,15 см и b_p=3,76 см.

Для оптимального рупора (наибольший КНД) продольные и поперечные размеры связаны между собой соотношениями:

в Е плоскости
в Н плоскости

Распределение поля в апертуре зеркала.

Расчёт распределения поля в апертуре зеркала осуществляется по следующим формулам:

Где F₀(Ψ) - диаграмма направленности облучателя

Ψ_{0 ­}– угол раскрыва

Ψ – текущий угол

Таким образом, поле в апертуре зеркала распределено по следующим законам:

в Е плоскости (рисунке 8.4 а)

в Н плоскости (рисунке 8.4 б)

а	б
Рисунок 8.4 – Распределение поля в апертуре зеркала: а – в Е плоскости; б – в Н плоскости.

Теперь рассчитаем пространственную диаграмму направленности и определим параметры параболической антенны.

Инженерный расчет пространственной диаграммы направленности параболической антенны часто сводится к определению диаграммы направленности идеальной круглой синфазной площадки с неравномерным распределением напряженности возбуждающего поля. В данном случае распределение напряженности возбуждающего поля в основном определяется диаграммой направленности облучателя в соответствующей плоскости. Выражение для нормированной ДН зеркальной параболической антенны при этом имеет вид:

где J₁ и J₂ – цилиндрические функции Бесселя первого и второго порядка;

k₁=Е_кр/Е_max=cos²(Ψ₀/2)F_обл(Ψ₀) – коэффициент, показывающий во сколько раз амплитуда возбуждающего поля, на краю раскрыва меньше амплитуды в центре раскрыва, в соответствующей плоскости с учётом различий расстояний от облучателя до центра и края зеркала.

Таким образом, пространственная ДН принимает вид в плоскости Е рисунок 8.5 а. и в плоскости Н рисунок 8.5 б.

Рисунок 8.5 а – ДН антенны в Е плоскости.

Рисунок 8.5 б - ДН антенны в Н плоскости.

Таким образом, реальная ширина диаграммы направленности составляет: в горизонтальной плоскости 0,034 радиана или 1,97˚;

в вертикальной плоскости 1,54 радиана или 88,2˚;

что вполне удовлетворяет требованиям.

 
9 УТОЧНЕННЫЕ ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЛС

В вышеприведенных пунктах дипломного проекта были рассчитаны основные тактико-технические характеристики радиолокационной станции обзора водной поверхности речного шлюза.

Теперь учтем влияние метеорологических условий среды на работу радиолокационной станции, а точнее, их влияния на характеристики обнаружения.

На пути распространения зондирующего и отраженного сигнала могут быть такие метеообразования как дождь или туман.

Из рисунков 5.6 и 5.7 [12] находим коэффициенты поглощения энергии радиоволн в различных средах. Зная длину волны l=4 см, зададимся наихудшими условиями: сильный дождь (16 мм/ч), туман с видимостью 30м и так же учтем затухание в кислороде. Поглощение энергии радиоволн с данной длиной волны в парах воды несущественно, поэтому его можно не учитывать.

В итоге суммарный коэффициент поглощения равен:

Общее затухание энергии на пути распространения, равном 2км (так как учитывается распространение сигнала от передающей антенны до цели и от цели до приемной антенны), составит 0,41 дБ или 1,01 раза.

Тогда мощность полезного эхо-сигнала на входе приемника составит:
где Р^S_r – мощность сигнала на входе приемника без учета затухания при распространении, известно из главы 2.2; и отношение сигнал/шум составит:

где Р^N_r – мощность шумов на входе приемника.

Зная отношение сигнал/шум и необходимую вероятность правильного обнаружения, находим из графика рис 4.3 [12] вероятность ложной тревоги, Р_лт=1,1·10^-4, что практически совпадает со значением в задании и не оказывает существенного влияния на параметры обнаружения.

Тактико-технические характеристики спроектированной радиолокационной станции сведены в таблицу 2.8.1.

Таблица 9.1 – Тактико-технические характеристики РЛС

Параметр	Значение
Дальность действия, м	1000
Вероятность правильного обнаружения	0,95
Вероятность ложной тревоги	1,1·10-4
Мощность передатчика, мВт	122
Ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости, ˚	88
Ширина диаграммы направленности в горизонталной плоскости, ˚	1,97
Период обзора приемной антенны, с	1
Период обзора передающей антенны, с	45
Время обновления информации, с	45
Частота, ГГц	7,5
Раскрыв антенны в горизонтальной плоскости, м	1,4
Раскрыв антенны в вертикальной плоскости, м	0,04
Зона обзора по азимуту, ˚	90
ЭПР целей,	5
Разрешение по угловой координате	2
Индикация цели	Яркостная отметка, с цифровыми данными о скорости

Итак, спроектированная радиолокационная станция обнаружения надводных целей в речном шлюзе по своим параметрам удовлетворяет техническому заданию и выполняет возложенные на неё функции.

10 БИЗНЕС-ПЛАН