Контрольная работа №1 за VI курс по предмету: «радионавигационные приборы»

Скачать 0.64 Mb.

Название	Контрольная работа №1 за VI курс по предмету: «радионавигационные приборы»
страница	1/7
Тип	Контрольная работа

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Контрольная работа

1 2 3 4 5 6 7

Контрольная работа №1 за VI курс по предмету:

«РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ»

Курсанта Вечернезаочного отделения

Борискина Олега Ивановича

группа 62-ШМ

Код ШМ8559

Вечерне-Заочное Отделение

Специальность: «Морское судовождение»

Вариант 2

2002 год

КОЛЛЕДЖ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СПЕЦИАЛИСТОВ ФЛОТА СПбГУВК

1. Приемник РЛС. Общие сведения

В приемнике РЛС производится преобразование поступающих из антенны отраженных от объектов импульсов СВЧ в импульсы промежуточной частоты, усиление импульсов промежуточной частоты и их детектирование. Кроме того, в приемнике предусматривается временная регулировка усиления (ВРУ), укорочение видеоимпульсов с помощью дифференцирующей цепи с малой постоянной времени (МПВ), автоматическая подстройка частоты (АПЧ) и некоторые другие регулировки.

Преобразователь частоты. Преобразование частоты в радиолокационном приемнике производится с помощью кристаллических диодных смесителей, размещенных в специальных волноводных секциях, к которым подводятся непрерывные колебания СВЧ от гетеродина и отраженные импульсы из антенны (или ослабленные импульсы магнетрона — в смесителе АПЧ). Гетеродин, смеситель приемника и смеситель АПЧ располагаются в одном общем блоке СВЧ, в котором конструктивно размещен и антенный переключатель.

В качестве маломощного непрерывно работающего генератора СВЧ в приемнике используют отражательный клистрон или генератор на диоде Ганна.

Отражательный клистрон представляет собой вакуумный прибор, конструктивно объединенный в одно целое с объемным резонатором. Частота колебаний клистрона в основном обусловлена собственной частотой резонатора и в некоторой степени — величиной напряжения на отражательном электроде. Поэтому для изменения частоты клистрона в широких пределах (несколько сот мегагерц) применяют механическую настройку, в процессе которой изменяют размеры и форму резонатора. Изменение напряжения на отражателе позволяет регулировать частоту колебаний клистрона в пределах нескольких десятков мегагерц.

Регулировка напряжения на отражателе клистрона может осуществляться вручную с помощью потенциометра РПЧ, размещенного на панели управления индикатора, или автоматически от блока АПЧ, имеющегося в приемопередатчике.

Генератор на диоде Ганна. Диод Ганна представляет собой пластину однородного кристалла арсенида галлия, подключаемую через контакты к внешней цепи. Под действием постоянного напряжения, приложенного к диоду, при малой длине полупроводника в нем создается сильное электрическое поле, способствующее возникновению колебаний СВЧ.

Генератор СВЧ на диоде Ганна — это сочетание диода с объемным резонатором. Частота генератора зависит от длины кристалла, приложенного напряжения, объема резонатора и может изменяться как механическим, так и электрическим способом. Существуют генераторы на диодах Ганна в диапазоне частот 1 ... 40 ГГц. Мощность генерируемых колебаний может быть получена от сотни милливатт в непрерывном режиме до единиц ватт, а в импульсном режиме — десятки и сотни ватт.

К
Рис. 1. Смеситель на одном диоде:

а — устройство; б — схема

ристаллический смеситель. Обычные электронные лампы в качестве смесителей на СВЧ применены быть не могут из-за сравнительно большого времени пролета электронов (относительно периода колебаний) и большой межэлектродной емкости самой лампы (ее параллельное подключение к контуру понижает частоту собственных колебаний). Кремниевый диод имеет миниатюрные электроды, которые создают малую емкость, несмотря на очень малое расстояние между ними. Работает диод с малым уровнем собственного шума. Вольт-амперная характеристика диода содержит нелинейный участок, благодаря чему становится возможным смешивание на нем двух частот, одновременно поступающих в цепь диода. Преобразование частоты происходит наилучшим образом (ток разностной частоты в цепи диода при этом максимален), если рабочая точка диода выбрана на нелинейном участке с наибольшей крутизной. Выбор рабочей точки обычно осуществляется регулировкой уровня колебаний, подводимых от гетеродина.

Колебания промежуточной частоты, равной 60 МГц, выделяют с помощью колебательного контура, настроенного на эту частоту и включенного в цепь диода. Размещается диод в волноводе таким образом, чтобы его внутренний проводник был расположен вдоль силовых линий электрического поля подводимых к волноводу колебаний.

Смеситель на одном диоде. В таком смесителе (рис. 1, а, б) диод, конструктивно оформленный в виде небольшого патрончика цилиндрической формы, устанавливается внутри волновода посредине его широкой стенки. Гнездо, в которое устанавливается диод, обеспечивает контакт с обоими выводами диода. В данной схеме один вывод соединен с волноводом, т. е. с корпусом, другой — с внутренней жилой коаксиального кабеля.

Колебания клистрона и отраженные импульсы СВЧ из антенны поступают в волновод с разных его концов или с одной стороны. Регулировку уровня колебаний клистрона осуществляют аттенюатором, установленным в волноводе, через который они подаются (на рис. 4.10 аттенюатор не изображен). Входной контур УПЧ, настроенный на промежуточную частоту, при протекании по нему тока разностной (промежуточной) частоты fп.ч, выделяет напряжение промежуточной частоты Uп.ч, которое за счет индуктивной связи поступает на вход первого каскада УПЧ.

Недостатком рассмотренного смесителя является сравнительно большой уровень шумов на его выходе из-за детектирования диодом колебаний клистрона, которые имеют не постоянную, а хаотически изменяющуюся амплитуду. Изменение амплитуды происходит с частотой, попадающей в полосу частот контура УПЧ, поэтому на нем выделяется переменное (непрерывно действующее) напряжение шумов Uш, которое мешает выделению слабых импульсов промежуточной частоты.

Уменьшают шумы клистрона на выходе смесителя, применяя балансный смеситель на двух диодах в двух параллельных волноводах со щелевым мостом. Колебания гетеродина и отраженные импульсы (или ослабленные импульсы магнетрона) поступают в два различных волновода таким образом, чтобы сигнал промежуточной частоты на выходе сохранился, а напряжения шумов взаимно компенсировались.

Усилитель промежуточной частоты. Усиление импульсов промежуточной частоты, поступающих из смесителя, производится многокаскадным транзисторным УПЧ, контуры которого настроены на фиксированную частоту 60 МГц и имеют полосу пропускания до 4—18 МГц.

Импульсы на входе приемника в зависимости от расстояния до объекта и его отражающей поверхности изменяются по мощности в 10¹⁰… 10¹² раз (на 100 … 120 дБ) или по амплитуде напряжения в 10⁵…10⁶ раз. Равномерное усиление приемника в таком диапазоне входных напряжений иметь не обязательно, так как в индикаторе РЛС используют ЭЛТ, у которых управляющий сигнал превышающий шум в 3 ... 5 раз, вызывает насыщение яркости луча на экране.

В настоящее время в приемниках РЛС применяют линейные и логарифмические УПЧ, отличающиеся друг от друга характером амплитудных зависимостей выходного напряжения от входного.

Рис. 2. Линейный УПЧ:

а – амплитудная характеристика:

б – вид сигналов на входе и на выходе

Линейный УПЧ. Этот усилитель имеет линейную зависимость выходного напряжения от входного в пределах не более 50-кратного значения амплитуды собственных шумов. При превышении этого значения наступает насыщение (или перегрузка) и входной сигнал не вызывает дальнейшего увеличения выходного сигнала (рис. 2 ,а, б). Регулировкой коэффициента усиления (К) УПЧ можно устанавливать различный наклон линейного участка характеристики, а следовательно, и наилучшие условия для приема слабых или сильных сигналов. При малом усилении К₁ ближние объекты будут обнаруживаться хорошо, а дальние затеряются в шуме. Если коэффициент усиления К₂ установлен достаточным для приема сигналов дальних объектов, то будут потеряны сигналы от ближних объектов, находящиеся в зоне помех от моря. Устранить частично этот недостаток можно с помощью схемы ВРУ, уменьшающей усиление линейного УПЧ для ближних объектов в большей степени, чем для дальних.

Эффективна ВРУ лишь для ослабления помех от моря, уровень которых зависит от дистанции. Если же на данном расстоянии имеются объекты с различными отражающими поверхностями, то будут теряться слабые сигналы или ограничиваться сильные.

Конструктивно УПЧ (вместе с детектором) оформляется в виде отдельного хорошо экранированного блока. Количество каскадов УПЧ достигает 8. . . 10; каждый каскад имеет полосовой фильтр, настроенный на промежуточную частоту. Необходимая широкая полоса частот обеспечивается шунтированием контуров полосовых фильтров активными сопротивлениями. Переключение полосы, осуществляемое в некоторых приемниках при изменении длительности излучаемых импульсов, обычно осуществляется ее сужением в одном из каскадов. Этого достаточно, чтобы общая резонансная кривая УПЧ была более острой.

У

Рис. 3. Принцип действия ВРУ (штриховыми линиями показаны форма импульса ВРУ и кривая Купч при различных значениях регулировки) :

J1 — импульс передатчика; J2 — импульсы отраженные

ПЧ имеет общую регулировку усиления и ВРУ. Общая регулировка осуществляется вручную изменением коэффициента усиления нескольких каскадов УПЧ с помощью соответствующего потенциометра, размещенного на панели управления РЛС. Временная регулировка усиления достигается специальной схемой ВРУ, запускаемой синхроимпульсом несколько раньше запуска передатчика. Вырабатывает эта схема импульс экспоненциальной формы, плавно спадающий до нуля за несколько десятков микросекунд (рис. 3). В результате воздействия импульса ВРУ на 2 ... 3 первых каскада УПЧ их усиление изменяется во времени после излучения импульса передатчиком определенным образом. На время излучения передатчика приемник запирается (для этого в начальной части импульса ВРУ имеется прямоугольный участок с постоянной амплитудой), а затем при спаде импульса усиление плавно увеличивается. В результате импульсы, отраженные от ближних объектов, усиливаются слабее, чем импульсы, отраженные от более удаленных объектов. С помощью отдельной ручки «Помехи от моря» или «Волны» можно изменять амплитуду импульса ВРУ и в каждом конкретном случае подбирать вариант наилучшего обнаружения ближних объектов, маскируемых отражением от морских волн.

Детектор и МПВ.

Рис. 4. Принцип действия МПВ:

а — схема; б — временные диаграммы

Детектор радиолокационного приемника (рис. 4, а) преобразует импульсы промежуточной частоты в видеоимпульсы. Амплитуда видеоимпульсов в некоторых пределах пропорциональна амплитуде поступающих импульсов промежуточной частоты. Обычно применяют схему диодного детектирования, на которую подаются колебания с последнего каскада УПЧ. Нагрузкой детектора является резистор R₁, зашунтированный конденсатором C₁ небольшой емкости.

После детектора по желанию оператора может быть включена дифференцирующая цепь С₂, R₂ (выключатель при этом должен быть в верхнем положении), у которой постоянная времени τ =С₂*R₂ меньше длительности приходящих импульсов. Поэтому импульсы на выходе схемы получаются кратковременными (укороченными) отрицательной полярности. Длительность этих импульсов тем меньше, чем меньше установлена величина сопротивления резистора R₂ (предусмотрена ее регулировка с панели управления). Диод VD₂, подключенный параллельно резистору R₂, срезает импульсы положительной полярности, а отрицательные видеоимпульсы создают на экране индикатора изображение.

На рис. 4, б показаны временные диаграммы напряжений на входе детектора U₁, на его выходе U₂ и после цепи МПВ для трех различных случаев: при подаче на входе одиночного отраженного импульса (положение I), двух сливающихся импульсов (положение II), а также при наложении на отраженный импульс длительной помехи (положение III). При двух сливающихся импульсах на входе, например на выходе цепи МПВ, получают два раздельных кратковременных импульса положительной полярности, создающих на экране индикатора две раздельно светящиеся точки (импульсы отрицательной полярности срезаются диодом VD₂ практически на нулевом уровне, на изображение на экране не влияют).

Рис.5. Логарифмический УПЧ:

а—амплитудная характеристика;

б – сигналы на входе и на выходе

Цепь МПВ включают в схему по мере надобности. При постоянном ее включении уменьшается амплитуда видеоимпульсов на выходе приемника, поэтому изображение на экране РЛС получается менее ярким. Из-за укорочения импульсов при дифференцировании береговая черта может иметь разрывы и опознавание ее становится затруднительным.

Логарифмический УПЧ. Усилитель этого типа имеет логарифмическую зависимость между выходным и входным напряжениями (рис. 5, а). Благодаря этому при большом диапазоне изменения амплитуд входных сигналов на выходе УПЧ амплитуды сигналов изменяются лишь в несколько раз. Такой УПЧ действует безынерционно и позволяет ослабить как регулярные, так и случайные помехи. Это дает возможность использовать его для уменьшения помех от моря и дождя, а кроме того, для лучшего различения объектов с различными отражающими свойствами.

Рис. 6. Логарифмический УПЧ:

а—схема; б—зависимость суммарного сигнала от амплитуды входного

Применение логарифмического УПЧ с дифференцирующей цепью, имеющей малую постоянную времени (МПВ), позволяет снизить уровень отражений от моря и дождя до уровня собственных шумов (рис. 5, б). Отражение от моря и дождя (снега) складывается из множества отдельных отражений в облучаемой площади. Непрерывное изменение (флюктуация) суммарного уровня такого отраженного сигнала подчиняется определенному закону, а именно: среднее квадратическое отклонение флюктуаций от среднего значения сигнала пропорционально среднему значению. На рис. 5, б для диаграммы входного сигнала это дает большой размах ее заштрихованной части и большую приподнятость при меньшем расстоянии.

На выходе логарифмического УПЧ среднее квадратическое отклонение флюктуаций становится постоянным (равным уровню шумов) и не зависит от среднего значения мешающего отражения от моря.

После дифференцирующей цепи с МПВ из выходного сигнала УПЧ исключается постоянная составляющая (удаляется среднее значение), и амплитуда помех от моря будет при любых расстояниях на одном уровне с шумом.

Следовательно, на выходе логарифмического УПЧ помехи значительно ослаблены, а амплитуды слабых и сильных отраженных импульсов выравниваются; регулировка усиления в процессе работы не требуется. Для более эффективного подавления помех от моря применяется ВРУ, которая осуществляется в нескольких линейных каскадах, включенных перед логарифмическим УПЧ.

Возможны различные схемы, обеспечивающие получение логарифмической характеристики в УПЧ. Наиболее распространена схема логарифмического УПЧ с последовательным детектированием сигналов отдельных каскадов усиления и их суммированием (рис. 6 а, б). Суммарный сигнал выделяется на общей нагрузке Рн, с которой поступает на дифференцирующую цепь с малой постоянной времени, как в линейном УПЧ.

Линия задержки позволяет всем импульсам с выхода диодов VD₁—VD_n приходить к нагрузке одновременно (учитывается задержка в каждом каскаде УПЧ). Амплитудная характеристика каскадов линейна для малых амплитуд и имеет ограничение при каком-то значении f_orp. Следовательно, импульсы большой амплитуды ограничиваются и на сумматор поступают с одинаковой амплитудой, равной f_orp. Входные импульсы различной амплитуды (в большом диапазоне изменения) ограничиваются в различных каскадах УПЧ (самый слабый — в последнем, самый сильный — в первом), и прирост амплитуды выходных импульсов при большой амплитуде происходит в меньшей степени, чем при малой амплитуде. В результате амплитудная характеристика состоит из отдельных линейных участков с постепенно уменьшающимся наклоном (см. рис. 5, а), приближаясь по форме к логарифмической характеристике.

Автоматическая подстройка частоты. Изменение частоты магнетрона и гетеродина в процессе работы, вызванное изменением температуры или питающих напряжений, приводит к изменению промежуточной частоты. В результате этого коэффициент усиления УПЧ, настроенного на номинальную промежуточную частоту, может так сильно уменьшиться, что импульсы на выходе приемника будут иметь очень малую амплитуду или совсем отсутствовать. Поэтому возникает необходимость подстраивать частоту гетеродина (в магнетронах, применяющихся в судовых РЛС, изменение частоты невозможно).

Рис. 7. Автоматическая подстройка частоты:

а—функциональная схема; б—частотная характеристика дискриминатора

Как отражательный клистрон, так и генератор на диоде Ганна имеют возможность подстройки частоты либо механическим, либо электрическим способом. Механическая подстройка частоты гетеродина производится обычно при его замене или смене магнетрона. Осуществляется она изменением частоты объемного резонатора непосредственно в блоке СВЧ приемопередатчика. Электрическая подстройка производится изменением напряжения, дистанционно с панели управления индикатора РЛС.

Если стабильность частоты клистрона или магнетрона невысока, то слишком частая подстройка вручную отвлекает внимание оператора и делает всю РЛС малонадежной. Этот недостаток устраним при наличии в РЛС автоматической подстройки частоты.

Для осуществления АПЧ применяют специальную схему, которая изменяет частоту клистрона таким образом, чтобы промежуточная частота всегда оставалась постоянной.

Схема АПЧ работает обычно от собственного смесителя СМ (рис. 7, а). К смесителю АПЧ поступают непрерывно вырабатываемые колебания гетеродина Г с частотой fr и импульсные колебания магнетрона с частотой fм, ослабленные до уровня, не опасного для смесителя. Применение отдельного смесителя АПЧ обеспечивает независимость работы схемы АПЧ от уровня отраженных импульсов.

Импульсы промежуточной частоты, полученные на выходе смесителя, поступают в УПЧ, где усиливаются двумя-тремя каскадами, а затем подаются на дискриминатор Д—частотный детектор.

Дискриминатор представляет собой детектор, вырабатывающий видеоимпульсы, полярность и амплитуда которых зависят от знака и величины отклонения (расстройки) промежуточной частоты fn.ч.=fг,—fм относительно ее номинального значения. Если промежуточная частота не равна ее номинальному значению, то на выходе дискриминатора появляются импульсы либо положительной полярности при fn.ч. <fn. ч. ном. либо отрицательной при fn.ч. >fn.ч.ном. Амплитуда этих импульсов при расстройке в пределах нескольких мегагерц от номинального значения промежуточной частоты возрастает, а затем падает. Амплитуда импульсов на выходе дискриминатора равна нулю, если fn.ч.=fn.ч.ном., а также при очень значительной расстройке (рис. 7, б). Вблизи от точки fn.ч.=fn.ч.ном. характеристика линейна и при переходе через эту точку напряжение на выходе дискриминатора меняет знак.

Если на вход дискриминатора подается синусоидальное напряжение с частотой fn.≠fn.ч.ном. в виде периодически повторяющихся радиоимпульсов с частотой повторения РЛС, то на выходе дискриминатора появятся видеоимпульсы, амплитуда и полярность которых зависят от знака и величины расстройки подводимой промежуточной частоты от ее номинального значения. В некоторой полосе слежения зависимость получается линейной.

После усиления импульсов дискриминатора видеоусилителем они поступают в исполнительную схему И, которая преобразует эти импульсы в постоянное напряжение, управляющее частотой гетеродина. Исходное напряжение, подаваемое на гетеродин, устанавливается потенциометром РПЧ таким образом, чтобы работа схемы АПЧ происходила в пределах полосы слежения. При этом малейшие отклонения частоты от номинального значения отслеживаются схемой, и промежуточная частота сохраняется всегда постоянной и равной 60 МГц.

Качество подстройки частоты приемника всегда может быть проверено с помощью различных контрольных приборов РЛС или непосредственно по изображению на ее экране. В случае неисправности схемы АПЧ переходят на ручную подстройку, добиваясь наиболее качественного изображения на экране окружающей обстановки с максимальной дальностью обнаружения удаленных объектов.