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 Рвх (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.
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 RА в RЭК с одновременной компенсацией реактивной составляющей XА.
Исходными данными для расчета выходной колебательной системы служат: сопротивление нагрузки RА=75 Ом; эквивалентное сопротивление нагрузки, известное из расчета усилительного каскада, RЭК=45,3 Ом; рабочая частота fр=7,5 ГГц; требуемое затухание высших гармоник aф=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.
У фильтров Баттерворта и Чебышева минимальные потери, а следовательно максимальный КПД, достигаются при оптимальном числе звеньев (m=mопт), которое определяется только требуемым затуханием aф:
mопт=(0,05…0,1)aф=0,1·50=5
Рис 2.6.1 – Эквивалентная схема ВКС.
Рассчитаем сопротивления элементов цепи:
Рис. 2.6.2 - ВКС
цепочек, где Q=500 добротность катушек индуктивности.
Определяем нагруженные добротности первой и второй П-цепочек фильтра:
то есть полученный коэффициент фильтрации удовлетворяет требованию на мощность побочного излучения.
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
Тафу=67°alф=67°·0.0794·30=160˚.
где lф-длина фидерой линии (принимаем расстояние от технического здание до шлюза, с запасом)
Тафу=290°(1-КПД); КПД=1-(Тафу /290°)=1-0,55=0,45
Вычисление шумовой температуры антенной системы выполняется по формулам
Та=Тафу+КПД·ТН.СР+КПД·То(1-a1+a1·u)=
=160+0,45·10+0,45·290(1-0,925+0,925·0,025)=177,3
Ta=177,3˚K
Т=Та+Тпр
T=2277,3˚K
Определим диаметр раскрыва зеркала. Ширина диаграммы направленности в случае неравномерного возбуждения раскрыва зеркала определяется:
Q0,5Е = 1,3l / l1
Q0,5H = 1,2l / l2
где 2Q0,5Н ,2Q0,5E – ширина ДН в плоскостях Н и Е соответственно, рад;
l - длина волны;
l1 и l2 – горизонтальный и вертикальный размеры антенны;
l1=1.3 l/Q0,5E=(1,3*3*108/7,5*109)/ 0,035=1,49 м
l2=1.2 l/Q0,5H=(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=Тпр+Т0(1-КПД)+КПД Тнср
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
Строим график функции g(Y0) и по максимальному значению определяем угол раскрыва зеркала.
Из зависимости видно, что функция γ(Y0) достигает максимума при Y0=0,81 радиан (46˚).
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
Диаграммы направленности рупорной антенны рассчитываются по формулам:
В Е плоскости (Рис 2.7.3 а)
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 ap и bp 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 ap=5,15 см и bp=3,76 см.
Для оптимального рупора (наибольший КНД) продольные и поперечные размеры связаны между собой соотношениями:
Распределение поля в апертуре зеркала.
Расчёт распределения поля в апертуре зеркала осуществляется по следующим формулам:
Где F0(Ψ) - диаграмма направленности облучателя
Ψ0 – угол раскрыва
Ψ – текущий угол
Таким образом, поле в апертуре зеркала распределено по следующим законам:
в Е плоскости (рисунке 8.4 а)
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.
где J1 и J2 – цилиндрические функции Бесселя первого и второго порядка;
Таким образом, пространственная ДН принимает вид в плоскости Е рисунок 8.5 а. и в плоскости Н рисунок 8.5 б.
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.
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.
где РNr – мощность шумов на входе приемника.
Зная отношение сигнал/шум и необходимую вероятность правильного обнаружения, находим из графика рис 4.3 [12] вероятность ложной тревоги, Рлт=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.
0 комментариев