Передающий модуль бортового ретранслятора станции активных помех

Передающий модуль бортового ретранслятора станции активных помех

Московский ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ Авиационный

Институт имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

(технический университет)

Кафедра 406

“Радиопередающие устройства”

Курсовой проект

на тему

|Передающий модуль бортового ретранслятора станции |

|активных помех |

| |

|Выполнил: |студент группы |

| |04-419 |

| |Гуренков Дмитрий |

|Проверил: |руководитель |

| |проекта |

| |Давыдова Н. С. |

Москва 2003 год

Содержание

Введение 3

СОВРЕМЕННАЯ КОНЦЕПЦИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ПОДАВЛЕНИЯ 3

Анализ технического задания 5

Задание 5

Полезные сигналы 5

Помеховые сигналы – активные помехи 5

Станции активных помех 6

Электрический расчет ПП 10

Расчет выходного усилителя мощности 10

Выбор типа транзистора 10

Расчет электронного режима транзистора 2Т919А 11

Расчет ВЧ-цепи выходного усилителя мощности 14

Расчет цепи питания 17

Расчет промежуточного каскада усиления мощности 19

Выбор типа транзистора 19

Расчет электронного режима транзистора 2Т919В 19

Расчет ВЧ-цепи промежуточного усилителя мощности 22

Расчет цепи питания 24

Ключ модулятор 25

Схема преобразователя частоты 25

Схема задержки 26

Разработка конструкции передатчика 26

Пленочные элементы 27

Толстопленочные индуктивности 27

Толстопленочные емкости 28

Контактные площадки на МСБ 29

Разработка топологии МСБ 30

Компоновка корпуса 30

Описание устройства 31

Список литературы 31

Введение

В связи с широким внедрением радиоэлектроники в оборону и экономику

неотъемлемой частью экономической и политической конкуренции различных

государств является радиоэлектронная борьба (РЭБ), под которой понимают

искажение или полное устранение информации, получаемой конкурентом с

помощью различных информационных радиоэлектронных систем (РЭС), т. е.

информационное подавление (ИП) РЭС. В настоящее время наиболее эффективно

ИП РЭС осуществляется путем воздействия на приемник подавляемой РЭС

специальных «ложных» радиосигналов – активных помех, источником которых

является специально разрабатываемые радиоэлектронные системы

информационного подавления (РЭС ИП) – станции активных помех (САП) и

передатчики помех (ПП).

СОВРЕМЕННАЯ КОНЦЕПЦИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ПОДАВЛЕНИЯ

Основной задачей РЭБ является информационное подавление информационных

радиоэлектронных систем, под которым понимают уменьшение "качества"

передаваемой информации в условиях воздействия активных помех.

Обобщенная функциональная схема РЭС показана на Рисунок 1. При

воздействии сигнала помехи принимаемая информация может искажаться,

"качество" передаваемой информации падает.

[pic]

Рисунок 1

Для оценки "качества" передаваемой информации используется один из

параметров РЭС — так называемый информационный показатель качества ИПК.

Основными объектами ИП являются:

РЭС системы ПВО: обзорные РЛС и РЛС автоматического сопровождения по

направлению (АСН) — "угловые координаторы", командные радиолинии управления

(КРУ), а также связные радиостанции.

[pic]

Рисунок 2 А50

Для обзорной РЛС информационным показателем "качества" является

вероятность правильного обнаружения цели ([pic]) при заданной вероятности

ложной тревоги ([pic]). Функциональная схема РЛС показана на Рисунок 3.

Большинство обзорных РЛС работают с импульсным зондирующим сигналом (ЗС),

при этом принимаемая информация заключается в обнаружении отраженного

сигнала и измерении времени его задержки [pic] и, следовательно, дальности

цели - [pic], где [pic] — дальность до цели, [pic] — скорость

распространения электромагнитной волны.

[pic]

Рисунок 3

При отсутствии шума вероятность обнаружения [pic], так как при приеме

отраженного сигнала (ОС) на выходе детектора приемника появляется

постоянное напряжение [pic]. При наличии шума [pic] появляется вероятность

ложной тревоги [pic], когда [pic] при отсутствии ОС, и вероятность пропуска

цели, когда [pic] при наличии ОС.

Анализ технического задания

Задание

В данном проекте требуется разработать передающий модуль бортового

ретранслятора САП.

Исходные данные:

1. Назначение передатчика: информационное подавление РЛС обнаружения и

сопровождения цели;

2. Мощность: 2 Вт (средняя в полосе частот РЛС);

3. Диапазон частот: 1.3 ГГц ± 80 МГц;

4. Характеристика сигнала излучения: имитационная импульсная помеха [pic],

[pic];

5. Место установки: борт самолета;

6. Антенна ФАР из [pic] элементов;

7. [pic], [pic].

Полезные сигналы

Простые импульсные сигналы, где [pic] - длительность импульса; [pic] -

период повторения; [pic] - амплитуда, частота и фаза «заполнения» (несущей)

соответственно [2].

[pic]

Рисунок 4 Полезный сигнал

Такие сигналы обладают очень широким и сложным спектром, что позволяет

при использовании определенного метода обработки сигнала (например,

оптимальной фильтрации) существенно повысить ИПК РЛС.

Помеховые сигналы – активные помехи

По характеру воздействия на подавляемую РЭС активные помехи

классифицируются на маскирующие и имитационные помехи. По соотношению

ширины спектра помехи [pic] и полосы пропускания приемника подавляемой РЭС

[pic] активные помехи делятся на прицельные, когда [pic] и заградительные,

когда [pic]. Исходя из задания, нам необходимо спроектировать САП с

помеховым сигналом в виде имитационно-прицельной помехи.

Определим параметры сигнала излучения, исходя из заданной

характеристики:

1. Мощность на выходе ПП [pic] (средняя в полосе частот РЛС). В

радиолокации за ширину спектра прямоугольного импульса принято брать

[pic]. Средний спектр сигнала представленного на Рисунок 4 вычисляется

по выражения [pic], где [pic] - огибающая спектра сигнала, причем

[pic]. Мощность первой гармоники приблизительно равна [pic]. В нашем

случае ширина спектра равняется [pic], мощность первой гармоники

выходного сигнала должна быть равна не менее [pic], входного сигнала

не более [pic].

2. Диапазон частот: 1.3 ГГц ± 80 МГц. Это означает, что несущая частота

меняется в диапазоне [pic].

3. Характеристика сигнала излучения: имитационная импульсная помеха [pic],

[pic]. Ширина спектра такого сигнала, как уже было сказано [pic].

Станции активных помех

Генерацию и излучение помехового сигнала осуществляют

специализированные РЭС ИП или станции активных помех. По принципу

формирования несущей частоты помехового сигнала все станции активных помех

делятся на САП ретрансляционного типа и САП генераторного типа.

В нашем случае мы имеем дело со станцией малой мощности

ретрансляторного типа. Станция импульсных ответных помех (для ИП обзорных

РЛС):

Имитационная импульсная помеха (ИИП) представляет собой радиоимпульс,

излучаемый с некоторой задержкой [pic] относительно принятого полезного

сигнала. Такая помеха создает на выходе приемника РЛС сигнал ложной цели

(наряду с истинным). Возможны два варианта помехи: 1) с запаздыванием

ложных целей; 2) с упреждением ложных целей, когда задержка [pic] меняется

с определенной скоростью, имитирующей реально движущуюся цель ([pic]).

[pic]

Рисунок 5 Помеховый сигнал

Функциональная схема такой станции активных помех может быть

представлена в виде Рисунок 6.

[pic]

Рисунок 6 Функциональная схема САП

Антенны (приемная и передающая) – (А1, А2) принимают и излучают

электромагнитные волны, чаще всего с круговой поляризацией. Тип антенны

определяется рабочим диапазоном частот, подавляемых РЭС. У нас антенна

задана в виде ФАР, в качестве которой разумно выбрать волноводно-щелевую

решетку (ВЩР). ВЩР достаточно легко встраивается в фюзеляж самолета, на

борту которого предполагается установить передатчик помех (ПП). Входное

сопротивление ВЩР определяется по формуле [5]:

[pic], (1)

где [pic], [pic] – внутренние размеры волновода, [pic] - длина волны. Для

заданного диапазона частот [pic], [pic]. Размеры волновода выбираем из

условия:

[pic], [pic].

Пусть [pic], [pic], тогда из выражения (1) следует что [pic]. Однако,

разработчики антенн согласовывают входное сопротивление своего изделия с

[pic]. В качестве примера ВЩР можно привести Рисунок 7.

[pic]

Рисунок 7 ВЩР с механическим сканированием

Разведывательный приемник (РП) служит для усиления принимаемых

сигналов. В зависимости от назначения станции помех он выполняется либо по

схеме прямого усиления, либо по супергетеродинной схеме. Наиболее важными

характеристиками РП являются: полный рабочий диапазон частот, время

перестройки (пропускная способность), чувствительность, точность

определения параметров принимаемых сигналов, разрешающая способность,

способ поиска разведывательного сигнала по частоте и вероятность его

обнаружения.

Усилитель мощности (УМ) обеспечивает заданную мощность помехового

сигнала и амплитудную модуляцию его по заданному закону. В нашем случае

прямоугольные импульсы.

Модулятор позволяет формировать низкочастотные модулирующие колебания

заданной формы, величины и параметров. У нас он представляет собой

импульсный усилитель сигнала, подаваемый вход с выхода РП.

Преобразователь частоты (ПЧ). В преобразователь частоты входит

смеситель, на который подается входной сигнал и сигнал с диапазонного

передатчика. Диапазонные передатчики (ДП) классифицируются по величине

перекрываемого диапазона [pic] [2]:

1) узкодиапазонные - [pic];

2) широкополосные - [pic];

по способу перекрытия диапазона ДП бывают:

1) с плавной перестройкой;

2) с дискретной перестройкой;

3) с сеткой фиксированных частот (применяемых в широкодиапазонных

передатчиках).

В широкодиапазонных передатчиках перестройка осуществляется либо с

помощью комбинации дискретной (по поддиапазонам) и плавной (внутри каждого

поддиапазона) перестройки, либо с помощью синтезаторов частот-возбудителей,

формирующих сетку высокостабильных фиксированных частот.

Синтезаторы частот выполняют по сложной многокаскадной схеме, структура

которой определяется принципом действия синтезатора. В настоящее время

практическое применение находят два вида синтезаторов.

1. Синтезаторы частот прямого когерентного синтеза выполняют по схеме,

использующей один высокостабильный опорный генератор и серию

когерентных преобразователей колебаний с частотами, кратными частоте

опорного генератора. Сущность выполняемых преобразований сводится к

алгебраическим операциям сложения, вычитания, умножения, деления

когерентных колебаний. При этом формируется сетка частот вида: [pic],

[pic], [pic], [pic], где [pic], [pic] — любые целые числа.

Обобщенная функциональная схема синтезатора показана на Рисунок 8.

[pic]

Рисунок 8

2. Синтезаторы частот косвенного некогерентного синтеза выполняются по

схеме синхронизации колебаний автономного перестраиваемого генератора,

работающего на заданной фиксированной частоте, с заданной выходной

мощностью, колебаниями высокостабильного опорного генератора с помощью

системы ФАПЧ (Рисунок 9). Таким образом, перестройка частоты

осуществляется путем выбора соответствующих значений [pic], [pic]:

[pic], где [pic] — коэффициент умножения частоты опорного генератора;

[pic] — коэффициент деления делителя частоты.

Основные преимущества синтезатора косвенного некогерентного синтеза:

- высокая стабильность [pic];

- лучшие габаритно-массовые характеристики по сравнению с синтезатором

частот прямого когерентного синтеза.

[pic]

Рисунок 9

Схема запоминания частоты (СЗЧ) запоминает несущую частоту полезного

сигнала подавляемой РЭС на заданное время. Различают устройства-схемы

кратковременного и длительного запоминания частоты. Принцип действия этих

устройств основан на рециркуляции или регенерации колебаний,

распространяющихся в электромагнитной системе СВЧ какого-либо типа.

Например, известны устройства СЗЧ на ЛОВ ЖИГ-фильтрах и др. Простейшей СЗЧ

является схема АПЧ генератора. В простейших САП схема запоминания частоты

отсутствует, и запоминание несущей частоты и настройка ПП на неё

осуществляется оператором. К СЗЧ предъявляются следующие требования: время

запоминания, точность фиксирования и удержания частоты, диапазон

запоминания, разрешающая способность (одновременного запоминания частоты).

Передатчик помех (ПП) состоит из источника колебаний несущей частоты

(усилителя мощности) и источника низкочастотных модулирующих колебаний

(модулятора).

Электрический расчет ПП

Составим структурную схему усилителя мощности (УМ).

[pic]

Рисунок 10 Структурная схема ВЧ тракта

При расчете электронного режима транзисторов воспользуемся методикой

предназначенной для расчета режима мощного транзистора СВЧ [3].

Рассмотренная методика может быть использована для расчета режима мощного

транзистора усилителя, работающего на частотах порядка сотен мегагерц, и

позволяет получить параметры режима, достаточно близкие к

экспериментальным. На значениях частот 1…3 ГГц погрешность расчета

возрастает из-за использования упрощенной эквивалентной схемы транзистора и

недостаточной точности при определении её параметров. Выберем схему

подключения транзистора с ОБ, т.к. при таком включение значительно

возрастает верхняя рабочая частота до [pic] и др. Эквивалентная схема

усилителя ОБ для тока и напряжения первой гармоники представлена как

Рисунок 11.

[pic]

Рисунок 11 Эквивалентная схема усилителя

Расчет выходного усилителя мощности

Выбор типа транзистора

Выбор транзистора осуществляется с учетом типа модуляции, диапазона

рабочих частот, полосы пропускания, требований к управлению (способа

перестройки), характера и параметров нагрузки, а также возможностей

обеспечения заданного уровня выходной мощности.

Так же при выборе транзистора необходимо руководствоваться следующими

соображениями. Коэффициент усиления обратно пропорционален квадрату

частоты. Поэтому, если известно из справочных данных, что транзистор на

частоте [pic] имеет коэффициент усиления [pic], то на некоторой, более

низкой рабочей частоте [pic], его коэффициент усиления можно оценить

примерно, как [pic]. Схема включения транзистора определяется, как правило,

его конструкцией, в которой с корпусом соединяется один из электродов

(эмиттер, база). Рекомендуется использовать СВЧ-транзистор на мощность не

менее [pic], указанной в справочнике. Сильное недоиспользование транзистора

приводит к снижению его усилительных свойств. Предлагаемая в [3] методика

расчета исходит не из [pic], а из мощности [pic], развиваемой эквивалентным

генератором тока [pic]. Мощность [pic] в схеме ОБ следует взять больше, чем

требуемая [pic], так как значительная часть мощности, развиваемая

генератором тока поступает во входную цепь усилителя. На [pic] в схеме ОБ

[pic] берется на [pic] больше [pic], на [pic] эта доля меньше.

Как мы уже выяснили ранее, необходимая выходная мощность по первой

гармоники должна быть [pic], диапазон рабочих частот [pic], тип модуляции –

импульсная. С учетом потерь в согласующей СВЧ-цепи (возьмем их равными

[pic], дальнейший расчет покажет более точное значение), необходимая

мощность, на выходе транзистора, по первой гармоники определяется, как

[pic]. Тогда выходная мощность равна [pic]. Всем этим требованиям в полной

мере удовлетворяет транзистор 2Т919А [9].

Таблица 1 Параметры транзистора 2Т919А (ВУМ)

| |Предельные эксплуатационные |Типовой режим |

|Одновитков|[pic] |[pic] |

|ая | |[pic] |

|Плоская |[pic] |[pic] |

|квадратная|[pic] | |

|спираль |где [pic], | |

| |n – число витков, мм; S – шаг | |

| |спирали, мм | |

|[pic] |[pic] |

Рисунок 23 Катушки: одновитковая 0.5-4 нГн, спиральная квадратной формы до

100 нГн.

Воспользовавшись данными из Таблица 4 и Рисунок 23 при [pic], [pic] и

[pic], рассчитаем значения параметров индуктивностей СВЧ-тракта:

Таблица 5

|Поз|тип|Параметры |

|. | | |

|обо| | |

|з. | | |

|L2 |Одн|пусть [pic], тогда |

| |. |[pic] |

| | |[pic], [pic] |

|L3 |Спи|пусть [pic], [pic], тогда |

| |р. |[pic] |

| | |[pic], [pic] |

|L4 |Спи|пусть [pic], [pic], тогда |

| |р. |[pic] |

| | |[pic], [pic] |

|L5 |Одн|пусть [pic], тогда |

| |. |[pic] |

| | |[pic], [pic] |

|L6 |Спи|пусть [pic], [pic], тогда |

| |р. |[pic] |

| | |[pic], [pic] |

|L7 |Спи|пусть [pic], [pic], тогда |

| |р. |[pic] |

| | |[pic], [pic] |

|L8 |Одн|пусть [pic], тогда |

| |. |[pic] |

| | |[pic], [pic] |

Толстопленочные емкости

Толстопленочные емкости разумно выполнить в виде трехслойной пленочной

структуры металл-диэлектрик-металл, изображенной на Рисунок 24. Такие

конденсаторы могут обладать емкостью до нескольких сотен пФ.

[pic]

Рисунок 24 Конфигурация конденсатора в пленочном исполнении

Расчет данных элементов начинается с выбора диэлектрика и определения

его минимальной толщины (из соображений электрической прочности) по

формуле:

[pic],

где [pic] – рабочее напряжение между обкладками конденсатора, [В]; [pic] -

пробивная напряженность электрического поля, [В/мм]; N – коэффициент запаса

(0.5 ( 0.7).

Рабочее напряжение между обкладками конденсатора будем считать, что не

превышает [pic]. В качестве диэлектрика возьмем SiO, обладающего следующими

параметрами [4]: [pic], [pic]. Коэффициент запаса возьмем равным [pic].

Тогда толщина диэлектрической пленки, [мм]:

[pic]

выбранная нами технология не позволяет делать такие толщины, поэтому

толщину диэлектрика и металлической обкладки возьмем равным [pic].

Требуемую площадь перекрытия обкладок конденсатора можно рассчитать по

выражению:

[pic] и [pic],

где a – стороны обкладки конденсатора [мм], C – [пФ], S – [мм2]. Результаты

расчетов, приведены Таблица 6.

Таблица 6

| |C4 = |C6 = 10|C7 = |C8 = 40|C9 = |C10 = |C11 = |

| |4.65 пФ|пФ |7.78 пФ|пФ |103 пФ |2.04 пФ|8.7 пФ |

|S, мм2 |0.88 |1.89 |1.47 |7.54 |19.42 |0.38 |1.64 |

|a, мм |0.94 |1.38 |1.21 |2.75 |4.41 |0.62 |1.28 |

Контактные площадки на МСБ

Размеры контактных площадок для выводов микросхем будут определяться

типом монтажного соединения. Для крепления выводов на подложке наиболее

рационально использовать сварку. Это обуславливается тем, что выводы

микросхемы, как правило, выполняются из золота, которое способно

растворяться в некоторых припоях, используемых при пайке. Средние размеры

контактных площадок при указанном типе монтажа 0.2 x 0.3.

Помимо упомянутых в данном пункте контактных площадок, называемых

внутренними, на МСБ будут располагаться еще контактные площадки,

предназначенных для ее соединения с внешним оборудованием. Такие площадки

называются внешними и имеют размер 1x1.

Разработка топологии МСБ

МСБ будет включать в себя усилитель мощности и смеситель, остальное

предназначено для навесного монтажа. При разработке топологии будем

руководствоваться следующими принципами:

- длина соединительных проводников должна быть минимальна, для сокращения

величин паразитных реактивностей;

- соединительные проводники должны иметь минимально извилистую

конфигурацию;

- избегать по возможности пересечения проводников;

- выход и вход схемы должны быть пространственно разнесены;

- ширина проводников должна быть такой, чтобы они имели малую

индуктивность.

Топология МСБ представлена на 04419.М1.001. В качестве подложки можно

использовать ситалловую (СТ50-1 ОСТ 11.094.022-75) пластину стандартных

размеров 20мм x 32 мм (толщиной 0.5 мм). Для защиты МСБ от внешних

воздействий ее необходимо поместить в металлостеклянный корпус 157.29-1.

[pic]

Компоновка корпуса

Разработанную и выбранную элементную базу можно смонтировать на

печатной плате из стеклотекстолита размером 150 мм x 120 мм [6] в

соответствии с принципиальной схемой передатчика помех. Разрабатываемый

передатчик предназначен для использования на борту самолета, поэтому его

корпус выберем на основании соответствующей БНК [6]. Габариты корпуса

170 мм x 150 мм x 70 мм. Сборочный чертеж представлен на 04419.ПП1.00 СБ.

Описание устройства

Разработанное устройство отвечает всем требованиям ТЗ без ограничений.

Для управления передатчиком помех необходим оператор, который будет

регулировать несущую частоту и время задержки сигнала в пределах заданного.

Список литературы

1. «Методические указания к курсовому проектированию радиопередающих

устройств», Н. С. Давыдова. – М.: Изд-во МАИ, 1991 г.

2. Давыдова Н. С., «Информационное подавление радиоэлектронных систем.

Активные помехи, передатчики и станции активных помех». Учебное

пособие. – М.: Изд-во МАИ, 2002 г.

3. Грановская Р. А., «Расчет каскадов радиопередающих устройств». Учебное

пособие. – М.: Изд-во МАИ, 1993 г.

4. Р. А. Грановская, С. Б. Петров, «Проектирование СВЧ-цепей транзисторных

генераторов с внешним возбуждением, выполненных в виде гибридных

интегральных схем». Пособие по курсовому проектированию радиопередающих

устройств СВЧ. – М.: Изд-во МАИ, 1976 г.

5. «Антенны и устройства СВЧ», под ред. Д. И. Воскресенского и др., - М.,

1999 г.

6. Борисов В. Ф., Мухин А. А., Чермошенский В. В. и др. Основы

конструирования и технологии РЭС: Учебное пособие для курсового

проектирования. – М.: МАИ, 2000 г.

7. Кийко Г. И., Либ Ю. Н. Исследование широкополосного транзисторного

усилителя мощности с распределенными параметрами. – В сб.

«Полупроводниковые приборы в технике электросвязи», вып. 15, «Связь»,

1975 г., стр. 19-26.

8. Грей П., Грэхем Р. «Радиопередатчики». Связь, 1965 г., стр. 116-123.

9. Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы: справочник /

Б. А. Бороздин, В. М. Ломакин, В. В. Мокряков и др.: под ред.

А. В. Голомедова. –М.: Радио и связь, 1985 г.

10. http://mxs.tlk.ru

11. http://shustikov.by.ru

-----------------------

29

22.5

20

39

34

5

8

28

15

14

1

Корпус 157.29-1

Монтажная площадка