Радиолакационный приемник

 

g_11э = [1+h_21эγ_грγ_s]/[h_21эh_11Б(1+γ_s²)] = 4,5 мCм

С_11э = [h_21эγ_гр - γ_s]/[2πf_c h_21эh_11Б(1+γ_s²)] = 50 пФ

g_22э = [2πf_cτ_ос γ_s]/ [h_11Б(1+γ_s²)] = 1,5 мСм

С_22э = С_к + τ_ос/[h_11Б(1+γ_s²)] = 19,8 пФ

|Y₁₂| = 2πf_cС_к = 1,9 мСм

R_ш = 20α₀ I_э/|Y₂₁|² = 62,7 Ом

t₁₁g_11э = 20I_э(1-α₀) + r_б(2πf_c С_11э)² = 0,943

 

      Поскольку K_уст = 1,632  оказался меньше требуемого (для видеоусилителя  необходимо 100), то от схемы с ОЭ переходим к каскадной схеме ОЭ – ОБ. Каскадная схема реализует преимущества Каскадов с ОЭ и ОБ – больший коэффициент усиления по напряжению и высокое выходное сопротивление.

      Ниже  приведен пример каскадной схемы  ОЭ-ОБ: 

 
 

      Расчет  параметров каскадной схемы: 

g_11кас = g_11э = 4,5 мСм

С_11кас = С_11э = 50 пФ

g_22кас = g_22э = [2πf_cτ_ос(h_21э γ_гр - γ_s)]/[h_21эh_11Б(1+γ_s²)] = 9,2 мСм

|Y_21кас| = |Y_21э| = 0,025 См

|Y_21кас| = 2,5(|Y_12э|²/|Y_21э|) = 0,36 мкСм

С_22кас = С_к + [τ_ос(1 + h_21эγ_грγ_s)]/[ h_21эh_11Б(1+γ_s²)] = 14,3 пФ

 

      В режиме преобразования: 

g_11пр = g_{11э =} 4,5 мCм

g_22пр = 0,65 g_22э = 0,98 мСм

С_{22 пр =} С_{22э =}19,8 пФ

С_{11пр =} С_11э = 50 мФ

|Y_21пр| = 0,8|Y₂₁| =0,02

|Y₂₁| = 0,25|Y₂₁| =0,48

3.3. Расчет преобразователя  частоты (смеситель)

 

      На  частотах до 7 ГГц в транзисторных  преобразователях широко   используются биполярные транзисторы (БП), на более высоких частотах, включая миллиметровый диапазон - полевые транзисторы с барьером Шотки (ПТШ). Имея выбор между БП и ПТШ предпочтение отдают ПТШ, так как они обладают лучшими  шумовыми и усилительными показателями, поэтому используем транзисторный преобразователь частоты на двухзатворном ПТШ. Для применения в смесителе был выбран арсенид-галиевый ПТШ  АП 328-2, альтернативы которому отечественная промышленность не выпускает.

      Исходные  данные для расчёта:

• частота входного сигнала f_c = 6 ГГц;
• коэффициент шума  транзистора Ш_тр= 1,5 (ориентировочно)
• частота гетеродина f_г = 5,97 ГГц

      Схема преобразователя частоты на полевом  транзисторе с внешним гетеродином ([4]): 

 

    В преобразователе частоты на двухзатворном  ПТШ АП 328-2 напряжения сигнала и гетеродина подаются на разные затворы, что позволяет добиться лучшей развязки между сигнальной и гетеродинной цепью по сравнению со смесителем на однозатворном ПТ. Преобразование частоты обеспечивается за счет изменения крутизны сток-затворной характеристики по сигнальному затвору под воздействием переменного напряжения на гетеродинном затворе. 

 
 

Основные  параметры  транзистора  берём  из  справочника. 

U_си = 2 В

R_и = 200 Ом

I_{с о} = 5 мА

U_{зи о} = 0,5 В

S_нач = 6 мА/В 

      Пользуясь характеристиками ПТ (рис. 1), выбираем напряжение смещения:  

E_см = U_ЗИотс/2 = 0,5/2 = 0,25 В 

      Сумма амплитуд сигнала и гетеродина не должна превышать E_см.

Полагаем, что для ПТ крутизна при U_ЗИ = 0:

 

S_нач = 6 мА/В,

при U_ЗИ = U_ЗИотс/2

S_нач/2 = 1,5 мА/В 

      Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток  U_ЗИ имеет вид: 

I_С = 0,5×S_нач×(1 + U_ЗИ / U_ЗИотс)² 

      При подаче на вход смесителя напряжений сигнала u_c = U_сcosw_ct и гетеродина u_г = U_гcosw_гt получаем амплитуду тока частоты w_п=w_г – w_с:  

I_п = 0,5×S_нач×U_с×U_r/ U_ЗИотс  

      Крутизна  преобразования: 

S_пр = 1/2×S_м1 = 1/2×( S_макс – S_мин)/2 = (6 – 1,5)/4 = 1,12 мА/В 

      Зададимся L₁ = L₂ = 1 мкГн; 

С₃ = С₄ = 1/((2×f₀)²×L) = 1/((2×3,14×3×10⁷)²×10^-6) = 28×10^-12 = 28 пФ 

      Характеристическое  сопротивление контуров: 

 

По таблице  6.1 [3] находим отношение полосы пропускания двухконтурного резонансного каскада к полосе приёмника:

 

Y(n) = 1,56 

Полоса пропускания  одного каскада УПЧ по уровню –3 дБ: 

П_iупч=П×Y(n)=6×1,56=9,3 МГц 

Эквивалентное затухание контуров: 

 

Полагаем коэффициент  включения транзистора в резонансный контур m₁= 1; 

d_э/r_к = d₀ + m₁²× g_вых.ПТ + m₂²× g_вх.УПЧ  

Исходя из условий [3] зададимся собственными затуханиями:

d₀ @ 0,006...0,01. Принимаем: d₀ = 0,006; g_выхПТ @ 0.

Коэффициент  подключения  m₂:  

 

Коэффициенты  передачи смесителя:

• по напряжению:

         К_u= m₁×m₂×S_пр× r_к /2×d_э = 1×0,8×1,12×10^-3×1,9×10²/2×0,05 = 1,7

• по мощности:

         К_р= К_u²×R_а/ R_вхУПЧ = 1,7×75/1×10² = 2,2 

      Для расчета коэффициента шума смесителя  на ПТШ необходимы матрицы S-параметров транзистора АП328А2, которые, как правило, определяются экспериментально (в справочной литературе не обнаружены). Поэтому оценим коэффициент шума транзистора в режиме преобразования частоты:

Ш_ПЧ = (2...3)×Ш_тр = (2...3)×1,5 @ 3 дБ 

Расчёт  смесителя  по  постоянному  току:

• напряжение смещения:

         Е_см = U_си0 = I_{c о}×R₂ = 0,25 В

         R₂ = 0,25/5×10^-3 = 50 Ом 

• напряжение источника питания:

         Е_п = U_си0 + I_{c о}×R_и = 0,25 + 5×10^-3×0,2×10³ = 1,25 В 

    Так как необходимо согласовать ВЦ и  вход смесителя с  волновым сопротивлением антенно-фидерного тракта 75 Ом,  то   взяв  R₁ = R_ут = 75 Oм  получим   входное  сопротивление смесителя R_вх = 75  Ом (т.к. входное сопротивление ПТШ достаточно велико).

3.4. Расчет УПЧ

 

      Для применения в УПЧ остановимся  на отечественных ИМС серии К175. Серия ИМС 175 представляет собой комплект интегральных микросхем, предназначенных для применения в трактах промежуточной частоты радиолокационной и связной техники, а так же в других узлах РЭА.

      ИМС К175УВ2 – универсальная усилительная схема, обладает следующими характеристиками:

• напряжение источника питания 6,6 В
• ток потребления 3,5 мА
• коэффициент усиления 10
• входное сопротивление 1 кОм
• выходное сопротивление 1,9 кОм
• верхняя граничная частота 40 МГц
• коэффициент шума 10 дБ

 

      ИМС К175УВ4 – универсальная усилительная схема, обладает следующими характеристиками (при 25 + 10 ^оС и U_пит = 6,3 В):

• ток потребления I_пот,мА при U_вх=0 В, не более 1,8...3;
• напряжения на выводах, В:     9 3,5...4,5;

      11 2...2,9;

           12 1,3...1,5;

      13 0,9...1,5;

      между выводами 2 и 10 –2...+2;

• крутизна вольт-амперной характеристики

      S_э, мА/В, при U_вх=10 мВ и f_вх=1 МГц 10;

• коэффициент шума K_ш, дБ при

      f_вх = 20 МГц, не более 8;

• верхняя граничная частота f_в, МГц,

      при U_вх=10 мВ 150 

Предельные  эксплуатационные параметры ИМС  К175УВ4:

• напряжение питания U_пит, В: минимальное 3;

      максимальное 9,5;

            номинальное 6,3;

• максимальное  напряжение, В, на выводах:  2,10 12,5;

            13 1,2;

• входное напряжение, В:  синфазное 2...4,4;

      дифференциальное –2...+2; 

      Исходя  из необходимости обеспечения таких параметров УПЧ, как

• низкий коэффициент шума;
• малые искажения переднего фронта радиоимпульсов;
• заданный коэффициент усиления при минимальном числе каскадов

для  использования  в  УПЧ  выбираем [7]  ИМС  К175 УВ 4  

 

Назначение выводов:

      1 – общий;

2 – выход 1;

3 – внутренний нагрузочный резистор 1;

4 – вход 1;

5 – общая точка внутренних нагрузочных резисторов;

6 – вход 2;