1
Дипломная работа
Радиопередающее устройство РЛС сантиметрового диапазона
АННОТАЦИЯ
В данном дипломном проекте спроектировано радиопередающее устройство РЛС сантиметрового диапазона.
Цель дипломного проекта на основе анализа современных и перспективных средств воздушного нападения обосновать требования к основным параметрам перспективной РЛС обнаружения, а также спроектировать радиопередающее устройство этой РЛС.
устройство радиопередатчик радиолокация станция диапазон
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Анализ современных и перспективных средств воздушного нападения
2. Тактико-техническое обоснование основных параметров РЛС
2.1 Основные технические характеристики импульсного передатчика
2.2 Влияние структур и параметров зондирующих радиоимпульсов на технические характеристики РЛС
2.3 Влияние структур и параметров зондирующих радиоимпульсов на помехозащищенность РЛС
3. Разработка структурной схемы РЛС
3.1 Тракт генерирования и излучения радиолокационных сигналов
3.1.1 Антенное устройство
3.1.2 Высокочастотный тракт РЛС
3.2 Тракт приема и выделения сигнала
4 Расчет требуемой импульсной мощности РПУ и коэффициента усиления антенны
4.1 Выбор типа антенны, расчет размеров и коэффициента усиления антенны
4.2 Расчет требуемой мощности передатчика
4.3 Приблизительный расчет потребляемой от сети мощности
5 Разработка структурной схемы РПУ
5.1 Функции, выполняемые радиопередающим устройством
5.2 Структурные схемы РПУ. Однокаскадная и многокаскадная схема передатчика
5.3 Разработка структурной схемы РПУ
ВВЕДЕНИЕ
Для обеспечения надежной защиты государства развиваются все виды вооруженных сил. Вместе с тем, в современных условиях, когда на первое место среди средств ведения войны выдвинулось ядерное оружие и разнообразные средства доставки его к объектам – баллистические и крылатые ракеты, неизмеримо возросла роль противовоздушной обороны.
Опыт локальных войн в Ираке, Югославии неоспоримо показал, что противовоздушная оборона в современных условиях превратилась в фактор стратегического значения. Совершенствование средств воздушного нападения и тактики их применения вызвало новые требования к противосамолетной обороне. Она должна быть помехоустойчивой, достаточно эффективной для всего практически достижимого диапазона высот и скоростей, обеспечивать борьбу с малоразмерными целями.
Одним из главных направлений на пути решения задач ПВО – обеспечения надежного обнаружения и проводки воздушных целей при полетах на любых высотах, вплоть до предельно малых, в условиях радиоэлектронного противодействия.
В данной дипломной работе будет, на основе анализа современных и перспективных средств воздушного нападения, обоснованы требования к основным параметрам перспективной РЛС обнаружения. Спроектировано радиопередающее устройство этой РЛС и разработан возбудитель многочастотного ФКМ сигнала с дискретно изменяемой девиацией частоты.
1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ СРЕДСТВ ВОЗДУШНОГО НАПАДЕНИЯ
В последние годы значительно расширен диапазон форм угрозы военной силой. Все большее внимание уделяется увеличению количества районов присутствия крупных группировок вооруженных сил США на постоянной или временной основе и наращиванию возможностей для их быстрого усиления в целях решения международных проблем путем угрозы или прямого использования военной мощи.
В условиях кардинальных изменений, происходящих на международной арене и связанных с активизацией договорных процессов по сокращению различных видов вооруженных сил и вооружения, улучшения отношений между США и Россией, американское военно-политическое руководство завершает пересмотр военной стратегии, основу которой составляют четыре главных положения: обеспечение стратегического сдерживания путем устрашения, сохранение передового развертывания в ключевых регионах, эффективное реагирование на кризисную обстановку, сохранение способности быстро нарастить численность и мощь вооруженных сил в случае необходимости.
В девяностые годы в американской военной стратегии появился новый подход к определению типа войн, в которых могут участвовать вооруженные силы США. Наряду с классификацией войн по масштабам и средствам их ведения военная доктрина США подразделяет все возможные в межгосударственных отношениях формы вооруженной борьбы по интенсивности. При этом выделяется три группы конфликтов: высокой, средней и низкой интенсивности. К конфликтам высокой интенсивности относятся войны глобального охвата между государствами или их коалициями, в которых противоборствующие стороны применяют для достижения решительных политических целей все имеющееся ядерное, химическое и биологическое оружие.
К конфликтам средней интенсивности относятся войны между государствами или коалициями государств с применением всех сил и средств, включая ограниченное использование оружия массового поражения.
Американское Военно-политическое руководство считает, что в настоящее время вероятность крупномасштабного столкновения между США и Россией в силу сложившегося ядерного паритета и в связи с улучшением отношений между двумя странами является низкой за последние годы. Одновременно с этим признается, что возросла возможность участия США в конфликтах низкой интенсивности, под которыми понимаются как формы применения вооруженных сил (ограниченные боевые действия, демонстрация силы), так и экономические, политические и идеологические акции, которые могут предприниматься США в различных регионах мира в целях «защиты американских интересов». При этом США присваивают себе право не только вмешиваться по собственному усмотрению в дела суверенных государств, но и определить, в какой форме это делать.
Пентагон предусматривает три аспекта такого вмешательства:
– против развивающихся стран, во главе которых стоят неугодные Вашингтону правительства;
– поддержку проамериканских режимов, стабильность которых находится под угрозой;
– против государств, в которых, по определению США имеются «террористические элементы», угрожающие американским интересам.
Несмотря на значительное снижение возможности глобального ядерного конфликта и перенос акцента в подготовке вооруженных сил США к участию в конфликтах низкой интенсивности американское руководство не исключает вероятности крупномасштабной войны против России, которая, по американским оценкам, «обладает физической возможностью уничтожить США одним сокрушительным ударом».
В качестве возможного способа развязывания войны на основных театрах считается перерастание конфликтов низкой интенсивности в военные действия более крупного масштаба, вплоть до всеобщей войны. Однако главным способом развязывания крупномасштабных войн военное руководство США считает внезапное нападение заблаговременно развернутыми в мирное время группировками войск.
В целом, осуществляемые США мероприятия по достижению военно-стратегического и военно-технического превосходства над нашей страной, а также ставка на использование военной силы для достижения внешнеполитических целей позволяют, по убеждению Вашингтона, проводить предусмотренный стратегией национальной безопасности курс, направленный не только на «глобальное сдерживание» России, но и на максимальное использование нынешней обстановки для создания новой системы международных отношений, в которой США отводилась бы роль бесспорного лидера, обладающего особыми полномочиями в следствии огромного экономического и военного имущества. Из рассмотренного выше следует, что одним из вероятных противников для России являются ВС США и блока НАТО в целом.
Опыт последних локальных войн показывает, что основную роль при проведении военных операций американское руководство отводит ВВС США и НАТО. Основной же силой способной сдерживать авиацию являются войска ПВО, необходимо учитывать как тактику применения, как и технические возможности средств воздушного нападения.
В настоящее время средства воздушного нападения состоят из средств стратегической авиации, средств тактической авиации, средств авиации ВМС, средств армейской авиации, беспилотных летательных аппаратов (БЛА) и авиационных средств поражения (рисунок 1). ТА и палубная авиация рассматриваются командованием США и НАТО как главная ударная сила на ТВД во всех видах войн с применением и без применения ЯО. Тактика действий тактической и палубной авиации при прорыве ПВО ВВС предусматривает определенное оперативное построение, включающее несколько групп самолетов различного стратегического назначения:
– группа огневого подавления средств ПВО ВВС;
– ударные группы;
– группы непосредственного прикрытия ударных групп от истребителей ПВО ВВС;
– группы радиоэлектронного подавления средств ПВО ВВС;
– группы контроля и разведки результатов удара;
– группы дальнего радиолокационного обнаружения и управления.
Рисунок 1 – Классификация средств воздушного нападения
Ударные группы самолетов ТА и СА предназначены для нанесения ударов по объектам самолетами F-111, F-117, «ТОРНАДО», «ЯГУАР», «ХАРРИЕР», а также А-7D, А-10, «АЛЬФА-ДЖЕТ» (таблица 1).
Группы огневого подавления средств ПВО ВВС предназначены для уничтожения или вывода из строя средств ПВО ВВС с целью «ослепить» систему ПВО ВВС, нарушить систему огня ЗРВ, проделать бреши в системе ПВО ВВС. Объектами огневого воздействия могут быть РЛС, командные пункты, аэродромы, пункты наведения истребительной авиации и позиции ЗРВ.
Наиболее распространенным способом огневого подавления средств ПВО ВВС считается групповая атака звеном самолетов с прикрытием и применением как обычных так и противорадиолокационных ракет типа «ШРАЙК», «СТАНДАРТ-АРМ», «ХАРМ», «АЛАРМ», «ТЕССИТ РЕЙНБОУ».
Таблица 1
|
Тип |
Практический потолок |
Скорость (макс.) |
ЭПР |
Диапазон средств РЭП |
|
|
F-111 |
18000 |
1430 |
8-12 |
См |
|
|
F-117 |
13700 |
1040 |
0,1-0,3 |
– |
|
|
«ТОРНАДО» |
15000 |
2350 |
8-9 |
См |
|
|
«ЯГУАР» |
14200 |
1000 |
3-4 |
См |
|
|
«ХАРРИЕР» |
15200 |
1300 |
4-5 |
См |
|
|
А-7D |
13600 |
1100 |
3-4 |
См |
|
|
А-10 |
|||||
|
«АЛЬФА-ДЖЕТ» |
15000 |
1000 |
10 |
См |
Основной противорадиолокационной ракетой состоящей на вооружении в настоящее время на вооружении ВВС и ВМФ США является ПРЛР «ХАРМ» (AQM-88А). Она предназначена для уничтожения РЛС ЗРВ, ПВО ВВС, работающих в дециметровом и сантиметровом диапазоне. Основные ТТХ ПРЛР приведены в таблице 2.
Таблица 2
|
Наименование |
Дальность стрельбы, км |
Скорость полета, м/с |
Точность стрельбы, м |
Носители |
|
|
ШРАЙК |
75 |
3-3,5 |
9 |
||
|
СТАНДАРТ-АРМ |
100 |
3-3,5 |
9 |
||
|
ХАРМ |
80 |
670 км/ч |
9 |
||
|
МАРТЕЛЬ |
130 |
1000 |
3-6 |
||
|
АЛАРМ |
70 |
||||
|
ТЕССИТ-РЕЙНБОУ |
600 |
Малая (до 830 км/ч) |
9 |
Группа непосредственного прикрытия ударных групп от истребителей ПВО ВВС. На вооружении ВВС США состоят истребители-перехватчики, а также многоцелевые истребители типа: «торнадо» F-2; «фантом» FGR, 2F-15
ТТХ данных самолетов приведены в таблице 3.
Таблица 3
|
Тип |
Практический потолок |
Скорость (макс.) |
ЭПР |
Диапазон средств РЭП |
|
|
«ТОРНАДО» F-2 |
15500 |
2350 |
8-9 |
См, Дм |
|
|
«ФАНТОМ» FGR-2 |
21000 |
2500 |
9-10 |
См, Дм |
|
|
«МИРАЖ» F-1 |
15000 |
2250 |
4-7 |
См, Дм |
Группа радиоэлектронного подавления средств ПВО ВВС предназначена для проведения комплекса мероприятий и действий по радиоэлектронному подавлению противника и защите своих войск (сил) и систем оружия от радиоэлектронного подавления. Представляет собой мероприятия и действия, проводимые войсками по подавляющему и дезинформирующему воздействию на РЭС и системы противника энергией электромагнитных излучений.
Радиодезинформация в системе РЭП проводится для введения противника в заблуждение путем ложной работы РЭС своих войск, изменения режимов их работы и имитации работы РЭС противоборствующей стороны. основными способами радиодезинформации считаются:
– показ ложных демаскирующих признаков РЭС, объектов и обстановки;
– преднамеренное вхождение в радиосети и радионаправления противника, передача в них ложной информации и команд;
– искажение сведений, сигналов и позывных;
– повышение интенсивности работы РЭС на второстепенных направлениях при сохранении режима работы на главном.
Перечисленные мероприятия в совокупности с другими мерами по дезинформации могут вызвать у противника впечатление о сосредоточении войск и подготовки операции там, где в действительности этого нет. Мероприятия по обеспечению РЭБ предусматривают поиск, перехват и анализ излучений, опознавание и определение местоположения РЭС противника, оценку создаваемой им угрозы для последующего радиоэлектронного подавления и выдачи целеуказание средствам поражения, а также управление своими силами и средствами РЭП.
На вооружении ВВС США приняты: самолет-разведчик RF-4C, а также самолеты радиоэлектронного подавления EF-111, EC-130H. Характеристики самолетов данного типа приведены в таблицах 4, 5.
Таблица 4
|
Тип |
Высота разведки |
Рабочий диапазон |
Линейное разрешение на местности |
|
|
RF-4C |
150-3000 |
8-14 |
Таблица 5
|
Тип |
Станция РЭП |
Диапазон, МГц |
|
|
EF-111A |
AN/ALQ-99 |
70-222, 550-3500, 4000-10500 и 2000-16000 |
|
|
EC-130H |
Несколько мощных передатчиков |
20-1000 |
Таким образом, анализируя особенности применения ВВС США и НАТО, а также исходя из опыта локальных войн, можно увидеть, что ВВС США активно используют все технические возможности авиации. При массированном применении СВН учитывается все, начиная от рельефа, местности и погодных условий и заканчивая тактикой действий.
Для тактики действий воздушного противника в локальных войнах характерно массированное применение СВН, отсутствие шаблона в выборе варианта удар, тактических приемов и способов действий, всестороннее обеспечение действий ударных групп, стремление к достижению внезапности, сокращение времени нахождения самолетов в зоне огня зенитных средств и т. д. Комбинированные удары с воздуха становятся сложными, широко используются для решения различных задач БЛА, малозаметные летательные аппараты, ВТО в РЛ и ИК диапазоне, постановщики радиоэлектронных помех. Для обеспечения своевременного вскрытия противника на дальних границах обнаружения необходимо активно использовать РЛС обнаружения, которые обеспечат вскрытие состава противника на высотах вплоть до предельно малых на максимально дальних рубежах. Данная станция должна обладать высокой энергетикой излучаемого сигнала, помехозащищенностью.
2 ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЛС
2.1 Основные технические характеристики импульсного передатчика
Основная задача эскизного проектирования радиопередающего устройства состоит в обосновании требований к его техническим характеристикам на основе анализа требований к тактическим характеристикам проектируемой РЛС, а также в выборе структуры передатчика, обеспечивающей реализуемость обоснованных требований. Поэтому в данном вопросе основное внимание уделяется анализу влияния параметров зондирующих сигналов на основные тактические характеристики проектируемой РЛС.
В радиолокационных системах находят применение различные виды зондирующих сигналов:
– непрерывные немодулированные;
– непрерывные амплитудно-модулированные;
– непрерывные частотно-модулированные;
– импульсные.
Выбор того или иного вида зондирующего сигнала зависит от характера решаемых радиолокационной системой задач и условий ее функционирования. Однако в РЛС РТВ , как впрочем и в большинстве РЛС другого назначения, применяются импульсные зондирующие сигналы. Это связано с тем, что их применение позволяет достаточно точно обеспечить измерение дальности до цели и упростить конструкцию РЛС за счет использования общей системы на передачу и прием.
Основными параметрами зондирующих радиоимпульсов являются:
– длина волны (частоты) генерируемых колебаний;
– диапазон перестройки;
– импульсная мощность РИ;
– длительность импульса фИ;
– частота FП или период ТП повторения зондирующих импульсов;
– ширина спектра ПИ.
По своей структуре радиоимпульсы могут быть:
– когерентными и некогерентными;
– простыми и сложными.
Радиоимпульсы называют когерентными, если начальная фаза колебаний каждого радиоимпульса одинаковая или от импульса к импульсу изменяется по определенному закону. Если же начальная фаза высокочастотных колебаний от импульса к импульсу является случайной величиной, такие радиоимпульсы являются некогерентными.
Спектр последовательности некогерентных радиоимпульсов всегда сплошной, его форма определяется формой спектра одиночного радиоимпульса. Спектр когерентной последовательности ограниченного числа радиоимпульсов является гребенчатым, его огибающая повторяет форму спектра одиночного радиоимпульса. При увеличении числа импульсов в пачке когерентных радиоимпульсов ширина гребней спектра уменьшается, и он приближается к линейчатому.
Радиоимпульсы называют простыми, если произведение ширины спектра ПИ и длительности импульса фИ, называемой базой сигнала, имеет величину порядка единицы:
(2.1)
Если же В>>1, такой сигнал называется сложным. Достоинством простых сигналов является простота их формирования и оптимальной обработки. Однако их применение ограничивает возможность по технической реализации предъявляемых требований к тактическим характеристикам проектируемой РЛС. Поэтому в современных и тем более перспективных РЛС применяются в основном сложные сигналы двух видов:
– радиоимпульсы с внутриимпульсной линейной (ЛУМ) или нелинейной (НУМ) частотной модуляцией;
– радиоимпульсы с внутриимпульсной фазовой манипуляцией (от латинского «manus» – рука), при которой фаза колебаний в пределах импульса через определенные временные интервалы скачком изменяется на 180є. Поскольку эти скачкообразные изменения происходят по определенному двоичному коду, такие импульсы называются фазокодоманипулированными (ФКМ).
Обоснование требований к техническим характеристикам передатчика осуществляется на основе предъявляемых к РЛС требований к тактическим характеристикам. Поэтому необходимо проанализировать влияние структур и параметров зондирующих радиоимпульсов на основные тактические характеристики РЛС. Поскольку длина волны является параметром, общим для передатчика, приемника и антенно-волноводной системы, требования к ней должны быть обоснованы на этапе системотехнического проектирования РЛС в целом.
2.2 Влияние структур и параметров зондирующих радиоимпульсов на тактические характеристики РЛС
Как известно, максимальная дальность действия РЛС определяется соотношением:
,(2.2)
где ЭС – энергия сигнала передатчика;
GПЕР – коэффициент усиления передающей антенны;
АПР – эффективная площадь приемной антенны;
уЦ – ЭПР цели;
г – коэффициент различимости (или параметр обнаружения);
N0 – спектральная плотность мощности собственного шума приемника, пересчитанная к его входу.
Рассмотрим подробнее входящие в выражение (2.2) параметры.
Величины GПЕР и АПР обосновываются при эскизном проектировании антенны. Если на передачу и прием используется одна антенна, между ними существует связь
.(2.3)
Как уже говорилось, длина волны должна быть уже выбрана на этапе системотехнического проектирования РЛС в целом. Эффективная площадь антенны связана с ее геометрической площадью соотношением
,(2.4)
где н – коэффициент использование площади раскрыва антенны. Его значение имеет величину порядка 0,5 .. 0,6. Геометрическая площадь ограничена допустимыми габаритами антенны.
Спектральная плотность мощности шумов:
,(2,5)
где k = 1,38·10-23 Дж/к – постоянная Больцмана,
Т0 – абсолютная температура эквивалентного источника шума (при расчетах принимается Т0=290 к),
Ш – коэффициент шума приемника.
С учетом полосы пропускания приемника N0 определяют предельную чувствительность приемника.
Коэффициент различимости представляет собой отношение сигнал-шум по мощности необходимое для обнаружения сигнала с заданными показателями качества – вероятностью правильного обнаружения и ложной тревоги.
Непосредственно к передатчику относится энергия сигнала генерируемая передатчиком за время облучения цели:
,(2.6)
где РИ – импульсная мощность передатчика,
фИ – длительность зондирующего импульса,
М – число импульсов, облучающих цель (число импульсов в пачке).
Число импульсов:
,(2.7)
где Дв0,5 – ширина диаграммы направленности антенны в азимутальной плоскости (в радианах),
ТОБЗ – период обзора пространства по азимуту.
Параметры Дв0,5 и ТОБЗ непосредственно к передатчику не относятся. К нему относятся РИ, фИ, ТП. С точки зрения обеспечения заданной дальности обнаружения необходимо увеличивать РИ, фИ и уменьшать ТП (или увеличивать FП=1/ ТП).
Увеличение FП ограничено значением однозначно измеряемой дальности:
. (2.8)
Увеличение импульсной мощности сопровождается повышением требований к электрической прочности тракта генерирования и излучения сигнала, а также приводит к снижению скрытности РЛС и защищенности ее от самонаводящегося оружия.
Увеличение длительности импульса (если это простой импульс) приводит к снижению разрешающей способности по дальности. разрешение противоречий между требованиями по дальности обнаружения и разрешающей способности по дальности возможно на основе перехода к сложным радиоимпульсам, так как разрешающая способность по дальности определяется шириной спектра сигнала ПС:
.(2.9)
Как известно, потенциальная точность измерения дальности (т.е. предельно достижимая средняя квадратическая ошибка) определяется соотношением
.(2.10)
Отсюда видно, что для повышения потенциальной точности необходимо одновременно увеличивать энергию принимаемого сигнала (т.е. увеличивать отношение сигнал-шум
г) и ширину спектра сигнала, что невозможно в случае применения простых радиоимпульсов.
Поэтому, как и для обеспечения заданного значения дальности обнаружения, для реализации требований к точности измерения дальности необходимо применять сложные сигналы.
2.3 Влияние структур и параметров зондирующих радиоимпульсов на помехозащищенность РЛС
Помехозащищенностью РЛС называется способность выполнения ею заданных функций с требуемыми показателями качества в условиях воздействия активных и пассивных помех, как преднамеренных, так и непреднамеренных.
Данная характеристика определяется скрытностью работы РЛС и ее помехоустойчивостью.
Скрытность измеряется вероятностью обнаружения работающей на излучение РЛС средствами радиотехнической разведки противника. Снижение этой вероятности обеспечивается уменьшением импульсной мощности излучаемого сигнала и скачкообразным изменением основных его параметров.
Количественной оценкой помехоустойчивости РЛС является отношение мощности сигнала к мощности помехи на выходе оптимального фильтра, при которой обеспечиваются требуемые значения характеристик обнаружения и точности измерения координат.
Помехоустойчивостью по отношению к активной шумовой помехе обеспечивается увеличением энергии зондирующего сигнала. При этом для обеспечения скрытности необходимо не увеличивать его импульсную мощность. Это противоречие разрешается на основе применения сложных зондирующих сигналов.
Повышение помехоустойчивости РЛС по отношению к воздействию пассивных маскирующих помех достигается повышением разрешающей способности по дальности и скорости. Повышение разрешающей способности по дальности (наряду с повышением разрешающей способности по угловым координатам) приводит к уменьшению разрешаемого объема, а, следовательно, к уменьшению среднего значения ЭПР источника пассивной помехи ( облака дипольных отражателей, подстилающей поверхности и т.д.).
Разрешающая способность по скорости позволяет выделять полезный сигнал на основе использования эффекта Доплера. Обеспечение разрешения одновременно по дальности и по скорости связано с необходимостью преодоления известного из теории радиолокации принципа неопределенности. Наиболее полно этому требованию удовлетворяют пачки сложных радиоимпульсов при условии, что длительность пачки фпач=МТп значительно превышает временную протяженность пассивной помехи
,(2.11)
где ДRпп – радиальный размер пассивной помехи.
Системы, реализующие разрешение целей на фоне пассивных помех на основе использования эффекта Доплера, называются системами селекции движущихся целей (СДЦ). Технически реализация систем СДЦ возможна при использовании когерентных пачек зондирующих радиоимпульсов. При этом возможны различные варианты построения когерентно-импульсных РЛС:
– истинно когерентные РЛС (передатчик формирует когерентную последовательность радиоимпульсов);
– псевдо когерентные РЛС с внутренней когерентностью (передатчик формирует некогерентные радиоимпульса, фазы которых запоминаются так называемым когерентным гетеродином на период повторения зондирующих импульсов);
– псевдо когерентные с внешней когерентностью (для обеспечения когерентности используются сигналы от неподвижных объектов, находящихся в одном элементе разрешения с движущейся целью).
Выбор того или иного варианта построения когерентно-импульсной РЛС определяется требованиями к эффективности функционирования системы СДЦ.
Из изложенного следует, что параметры и структура зондирующих импульсов оказывает существенное влияние на дальность действия РЛС, ее точностные характеристики и разрешающую способность по дальности и скорости. Для обеспечения заданных значений дальности действия и точности измерения координат необходимо увеличивать энергию принимаемого сигнала, для чего при фиксированном значении импульсной мощности зондирующего сигнала необходимо увеличивать длительность одиночного импульса и количество принимаемых импульсов в пачке. Одновременное разрешение по дальности и скорости возможно на основе применения сложных радиоимпульсов.
В данной работе при разработке передающего устройства, мною будет использован ФКМ сигнал, который обеспечит высокую энергетику сигнала, а также помехозащищенность.
3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ РЛС
Импульсными РЛС называются такие, в которых дальность до цели определяется путем измерения времени задержки эхо-сигнала относительно зондирующего импульсного сигнала.
Состав структурной схемы радиолокационной станции определяется ее функциями (рисунок 3.1).
В общем случае, для получения информации о целях радиолокационным методом станция должна обеспечивать выполнение следующих функций:
– облучение целей электромагнитной энергией (зондирование зоны обзора);
– прием отраженных от цели эхо-сигналов и выделение их из помех;
– отображение получаемой радиолокационной информации и измерение координат целей;
– определение государственной принадлежности;
– ввод радиолокационной информации в устройство обработки и выдачу ее в каналы связи.
Рисунок 3.1
Выполнение первой функции обеспечивается трактом генерирования и излучения, последовательно осуществляющим ФКМ сигналов, передачу их к антенне и излучение их в пространство. В состав тракта входят: передающее устройство, фидерное устройство и антенна. Функции приема отраженных от цели сигналов и выделение их из помех осуществляются трактом приема и выделения сигналов из помех. Здесь решаются задачи фильтрации, усиления, преобразования сигналов и выделения их из шумов, пассивных и активных помех. Основными элементами тракта являются: антенно-фидерное устройство, приемное устройство, устройство защиты от помех.
Отображение воздушной обстановки в зоне обзора РЛС и определение координат целей решается с помощью оконечных устройств РЛС. Оконечными устройствами РЛС могут быть устройства автоматического измерения и съема координат, индикаторные или другие устройства отображения. Для синхронизации работы передающих, индикаторных устройств и других систем РЛС во времени необходима система запуска.
Для измерения координат с индикаторных устройств или путем автоматической обработки сигналов необходимо формирование специальных масштабных отметок или кода дальности, азимута, высоты.
Опознавание цели осуществляется в специальной системе опознавания, составной частью которой являются наземные радиолокационные запросчики, сопрягаемые с РЛС. Конкретизация элементов структурной схемы импульсной РЛС, состава, назначения и взаимодействия отдельных систем будет рассмотрена далее.
3.1 Тракт генерирования и излучения радиолокационных сигналов
Основными задачами, решаемыми трактом генерирования и излучения импульсной РЛС являются:
– создание импульсов СВЧ высоких энергий заданной структуры, длительности и периодичности;
– канализации энергии этих импульсов от передающего устройства к антенной системе с минимально возможными потерями;
– направленное излучение импульсов электромагнитных волн.
Составными частями тракта, в соответствии с решаемыми задачами, являются передающие устройства, высокочастотные тракты и антенные системы РЛС (рисунок 3.2).
В трактах генерирования и излучения кроме основных перечисленных решаются дополнительные специфические задачи:
– развязка передающего и приемного устройства при работе на излучение и прием;
– ответвление энергии СВЧ дл контроля мощности и спектра зондирующего сигнала, переключение передающего устройства к антенной системе или эквиваленту;
– изменение уровня, структуры сигналов и несущей частоты;
– защита личного состава от облучения.
Рисунок 3.2
3.1.1 Антенное устройство
Антенное устройство РЛС предназначено для:
– преобразование энергии колебаний, генерируемых передатчиком, в энергию электромагнитных волн в пространстве (излучение);
– улавливание энергии электромагнитных волн (эхо-сигналов) с определенного телесного угла пространства и концентрации ее на входе линии приема;
– концентрации энергии электромагнитных волн в определенном телесном угле при излучении;
– выбор направления излучения и приема энергии электромагнитных волн в соответствии с принятым способом обзора пространства.
В импульсной РЛС моменты времени измерения зондирующего сигнала и приема эхо-сигналов разделены, что позволяет обеспечить работу одной и той же антенны на прием и передачу.
Параметры антенных систем в значительной степени определяют боевые возможности радиолокационной станции, такие как дальность действия, форма зоны обзора, время обзора пространства, точность определения угловых координат, разрешающая способность по угловым координатам, помехозащищенность.
Основными параметрами антенного устройства РЛС являются:
– коэффициент усиления антенны;
– форма диаграммы направленности;
– уровень боковых лепестков, диапазонность;
– устойчивость к ветровым нагрузкам, обледенению, воздействию ударных волн;
– возможность быстрой разборки и сборки;
– удобство транспортировки.
Коэффициент усиления антенны G позволяет увеличить дальность действия РЛС, и обеспечивается физическими размерами антенны. Между усилением, размерами антенны и длиной волны существует известное соотношение:
,(3.1)
где А – площадь антенны;
л – длина волны;
КА – коэффициент использования поверхности антенны;
зА – коэффициент полезного действия антенны.
Коэффициент усиления антенны связан с коэффициентом направленного действия GН соотношением:
.(3.2)
Форма диаграммы направленности является важной характеристикой антенны. Диаграммой направленности антенны по мощности называется зависимость коэффициента усиления от угловых координат.
Диаграмма направленности характеризуется шириной главного лепестка в горизонтальной и вертикальной плоскости по уровню половинной мощности, а также уровнем боковых лепестков. Эти параметры тесно связаны с коэффициентом усиления и геометрическими размерами антенны Lr
, (3.3)
,(3.4)
где Lr – размер сечения в соответствующей плоскости;
Кr – коэффициент, зависящий от распределения поля в раскрыве антенны (обычно Кr =50є..80є).
Форма диаграммы направленности антенны РЛС в вертикальной плоскости оказывает существенное влияние на такие характеристики РЛС, как точность измерения и разрешающую способность по угловым координатам, помехозащищенность и скорость обзора. Для радиолокационных станций обнаружения, осуществляющих круговой обзор пространства, наиболее рациональной является диаграмма направленности широкая в вертикально и узкая в горизонтальной плоскости.
На изодальностном участке зоны обнаружения коэффициент усиления антенны должен быть приблизительно постоянным. На изовысотном участке зоны обнаружения коэффициент усиления по углу места должен изменятся по закону «косеканс квадрат». При этом на вход приемника при постоянной высоте полета цели и разной дальности приходит сигнал постоянной интенсивности.
Уровень боковых лепестков влияет на интенсивность принимаемых активных помех от помехопостановщиков, пассивных помех от местных предметов и тем самым ухудшает помехозащищенность РЛС. Прием эхо-сигналов целей по боковым лепесткам затрудняет определение их истинного местоположения.
Кроме ухудшения помехозащищенности боковые лепестки вызывают понижение чувствительности приемных каналов за счет приема дополнительных шумов из окружающего пространства. Уровень боковых лепестков существенно зависит от закона распределения поля в раскрыве зеркальной антенны, мощности в отдельных излучателях антенной решетки.
В зеркальных антеннах допустимое значение уровня боковых лепестков составляет 17-23 дБ, в директорных антеннах около 15 дБ. Для ослабления влияния боковых лепестков на помехозащищенность РЛС применяют специальные схемы подавления.
3.1.2 Высокочастотный тракт РЛС
Высокочастотный тракт РЛС осуществляет передачу высокочастотной энергии зондирующих импульсов от передатчика к антенне и принятых эхо-сигналов от антенны на вход приемника.
К основным техническим данным высокочастотных трактов относятся следующие:
– степень согласования высокочастотного тракта с нагрузкой;
– потери энергии в высокочастотном тракте;
– максимальная передаваемая мощность.
Степень согласования высокочастотного тракта с нагрузкой характеризуется коэффициентом стоячей волны напряжения
,(3.5)
где – коэффициент отражения;
– комплексные сопротивления нагрузки и линии передачи;
или обратной КСВ величиной – коэффициентом бегущей волны.
Обычно считают, что нагрузка хорошо согласованна с линией передачи, если КСВ< 1,2 и согласована удовлетворительно, если КСВ= 1,2- 2. при КСВ менее 2 от нагрузки отражается менее 11% падающей мощности.
Потери энергии в высокочастотном тракте обусловлены тепловыми потерями в металлических проводящих поверхностях и диэлектрическими потерями линии передачи.
Величину потерь принято характеризовать коэффициентом поглощения. Для линии передач пользуются величиной погонного ослабления, выраженной в децибелах на один метр длины.
Для волноводов рабочее значение величины погонного ослабления составляет 0,01-0,05 дБ/м, для полосковых и коаксиальных линий передач 0,05-0,5 дБ/м. потери тракта РЛС составляют 0,5-1 дБ на передачу и 2-3 дБ на прием.
Предельная мощность высокочастотного тракта ограничивается условиями пробоя и допустимым нагревом диэлектрика линии передачи.
3.2 Тракт приема и выделения сигнала
Тракт приема и выделения эхо-сигналов предназначен для передачи энергии сигналов целей и помех с антенных систем на вход приемных устройств РЛС, усиления и фильтрации сигналов целей на фоне помех. К помеховым сигналам относятся энергия собственных шумов приемных устройств и внешних естественных и преднамеренных источников шума.
4. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ РПУ. РАСЧЕТ ТРЕБУЕМОЙ ИМПУЛЬСНОЙ МОЩНОСТИ РПУ И КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ АНТЕННЫ
Расчет требуемой импульсной мощности радиопередающего устройства и коэффициента усиления антенны будет произведен для трех диапазонов волн: сантиметрового, дециметрового и метрового.
Вначале сделаем выбор типа антенны и расчет размеров антенны.
4.1 Выбор типа антенны, расчет размеров антенны и коэффициента усиления
Антенна радиолокатора должна иметь диаграмму направленности, обеспечивающую высокую разрешающую способность по угловым координатам. В качестве антенны импульсных РЛС наиболее широкое распространение получили зеркальные параболические антенны. Эти антенны позволяют сравнительно несложно получить диаграмму направленности, обеспечивающую высокие разрешающие способности по угловым координатам и малый уровень боковых лепестков диаграммы направленности. Для трехкоординатной РЛС с параллельным обзором по углу места рекомендуется выбрать в качестве формы зеркала либо симметричную вырезку из параболоида вращения, либо параболический цилиндр с фазированной антенной решеткой в качестве облучателя.
При определении размеров антенны рекомендуется исходить из формулы
,(4.1)
а для директорных антенн
,(4.2)
где Ди – ширина диаграммы направленности антенны по уровню половинной мощности в соответствующей плоскости;
л – длина волны;
а – размер антенны в соответствующей плоскости;
L – продольный размер директорной антенны.
Следует учитывать, что минимальному значению коэффициента в выражении (4.1) соответствует наибольший уровень боковых лепестков, максимальному значению коэффициента соответствует минимальный уровень боковых лепестков, поэтому для обеспечения высокой помехозащищенности РЛС по боковым лепесткам следует избрать значение коэффициента в выражении (4.1) в пределах 70..90.
Таблица 4.1
|
Дил |
См л=14 см |
л=32 см |
М 55Ж6 л=1,6 м |
|
После того, как определены вертикальный (а)и горизонтальный(в) размеры зеркала, следует определить геометрическую площадь антенны
S=(0.8..0.9)ab.(4.3)
Таблица 4.2
|
л=14 см |
л=32 см |
л=1,6 м |
||
|
S |
Определив геометрическую площадь антенны S, можно подсчитать ее эффективную площадь
А=(0,6..0,8)S.(4.4)
Таблица 4.3
|
S= |
S= |
S= |
||
|
А |
Выбор антенны заканчивается расчетом коэффициента усиления антенны
.(4.5)
Таблица 4.4
|
л=14 см |
л=32 см |
л=1,6 м |
||
|
G |
4.2 Расчет требуемой мощности передатчика
При расчете требуемой мощности передатчика следует исходить из формулы
,(4.6)
величины G, А определены ранее;
N0 – величина спектральной плотности мощности шума.
N0=KT0KШ, (4.7)
(4.8)
Таблица 4.5
|
см |
дм |
м |
||
|
N0 |
Для определения величины суммарного коэффициента различимости (г?) следует, воспользовавшись кривыми обнаружения (приложение А), по заданным вероятностям правильного обнаружения D и ложной тревоги FЛ определить коэффициент различимости при оптимальной обработке г.
Для простого немодулированного радиоимпульса и ФКМ сигнала оптимальная фильтрация одиночного импульса (одиночной дискреты ФКМ сигнала) заменяется квазиоптимальной. При этом возникают потери в отношении сигнал/шум, равные
гС=0,8 дБ.(4.9)
Далее, вместо когерентного накопления используется некогерентное. Потери на некогерентное накопление (гН) пачки можно определить по соответствующим графикам (приложение Б). если производится цифровая обработка, то следует учесть и потери, вызываемые цифровой обработкой, т.е. учесть шум квантования гЦ. Окончательно:
г?= г + гС + гН + гЦ.(4.10)
Таблица 4.6
|
см |
дм |
м |
||
|
г? |
После определения г? может быть найдена энергия зондирующего сигнала по формуле (4.6). энергия зондирующего сигнала связана с импульсной мощностью соотношением
Э=б РИ фИ М,(4.11)
где б – коэффициент, учитывающий непрямоугольность пачки. Рекомендуется выбрать б
Из выражения (4.11) может быть определена импульсная мощность. Для трехкоординатной РЛС полученное значение импульсной мощности необходимо умножить на число каналов по углу места.
(4.12)
4.3 Приблизительный расчет потребляемой от сети мощности
по импульсной мощности можно определить мощность, потребляемую выходным каскадом радиопередающего устройства РЛС от агрегатов питания
,(4.13)
где Q=Т/фИ – скважность сигнала,
зГ – КПД генераторного прибора,
зМ – КПД модулятора (зМ = 0,7..0,8),
зВ – КПД выпрямителя (зВ = 0,8..0,9),
зТ – КПД трансформатора (зТ = 0,6)
5. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ РПУ
5.1 Функции, выполняемые радиопередающим устройством
Радиопередающее устройство выполняет следующие функции:
– создает колебания высокой частоты (носитель полезной информации), которые получаются в результате преобразования энергии источников постоянного тока в энергию тока высокой частоты. Этот процесс называется генерацией, а устройство, в котором создается ток высокой частоты, – генератором.
– осуществляется управление высокочастотными колебаниями.
Необходимость в управлении высокочастотными колебаниями возникает в любой из радиолиний, все многообразие которых может быть приведено к двум основным разновидностям: связным и радиолокационным.
В связных радиолиниях полезная информация закладывается на их передающих концах путем изменения одного или нескольких параметров высокочастотных колебаний (амплитуды, частоты или фазы) по соответствующему закону. Процесс управления высокочастотными колебаниями называется модуляцией, а устройство, с помощью которого осуществляется данный процесс,- модулятором. В радиолокационных системах полезная информация не закладывается на их передающих концах, а возникает при отражении электромагнитных волн от объектов (целей). Тем не менее и в этой разновидности радиолиний также возникает необходимость в первичной модуляции или манипуляции тока высокой частоты для обеспечения возможности извлечения полезной информации в приемном тракте. Радиопередающее устройство состоит из комплекса аппаратуры, обеспечивающей создание модулированного тока высокой частоты. Применительно к радиолокационной системе передатчик предназначен для формирования зондирующего сигнала, а в общем случае – для формирования радиосигнала в соответствии с требованиями, сформулированными при разработке конкретной радиотехнической системы. Кроме отмеченных выше функций – генерации и модуляции – радиопередающее устройство с помощью антенно-фидерной системы осуществляет канализацию и излучение в нужном направлении модулированного или манипулированного тока высокой частоты в виде электромагнитных волн.
5.2 Структурные схемы радиопередающих устройств. Однокаскадная и многокаскадная схемы передатчика
Для выполнения перечисленных выше функций радиопередающее устройство должно состоять из модулятора, высокочастотного генератора, антенны и источников питания. Кроме того, в состав большинства современных передатчиков входит система УБС (управления, блокировки и сигнализации), которая имеет элементы автоматики, контроля и блокировки, обеспечивающие необходимую последовательность включения, возможность поддержания нормального режима работы и управления функционированием радиопередающего устройства.
В зависимости от требований к передатчику они могут выполняться по однокаскадной и многокаскадной схеме. Структурная схема однокаскадного передатчика приведена на рисунке 5.1, в состав которой входят модулятор, генератор с самовозбуждением, фидерный тракт, источник питания, система автоматической подстройки частоты и система управления, блокировки и сигнализации.
Рисунок 5.1 – Однокаскадная схема передатчика
Для повышения выходной мощности передатчика и стабильности частоты генерируемых колебаний передатчики выполняют по многокаскадной схеме (рисунок 5.2) или, как их называют, в виде усилительных цепочек.
Рисунок 5.2 – Многокаскадная схема передатчика
Электромагнитные колебания необходимой стабильности создаются в задающем генераторе (ЗГ), а затем путем умножения их по частоте (УЧ) и усиления по мощности в предварительном усилителе и усилителе мощности первоначальный сигнал доводится до требуемых параметров.
5.3 Разработка структурной схемы радиопередающего устройства
Данное устройство предназначено для формирования в каждом зондировании от одного до четырех ФКМ радиоимпульсов на разных частотах, следующих друг за другом без временного интервала (рисунок 5.3).
Рисунок 5.3
Для обеспечения высокой стабильности частоты зондирующих сигналов передающее устройство выполнено по схеме «маломощный высокостабильный возбудитель – усилитель мощности» (рисунок 5.4).
Возбудитель формирует ансамбль простых и сложных сигналов. На выходе формирователя при настройке полосовых фильтров на первую, (п-1) и п-ю составляющие выходного сигнала модулятора формируется ансамбль простых радиоимпульсов и ФКМ радиоимпульсов с одинаковыми законами фазовой манипуляции: на выходе 1 – с частотой щ0+ ЩМ (ФКМ), на выходе 2 – с частотой щ0+ (п-1)ЩМ (ФКМ при четном п, простой при нечетном п), на выходе 4 – с частотой щ0– пЩМ (ФКМ при нечетном п, простой при четном п), на выходе 3 – с частотой (2п-1)ЩМ (ФКМ при любом п). возможны и другие комбинации сигналов в зависимости от настройки полосовых фильтров.
Когерентность импульсов промежуточной частоты обеспечивается следующим образом. Непрерывное напряжение промежуточной частоты от синтезатора частоты поступает в систему синхронизации, где преобразуется в последовательность тактовых импульсов (ТИ), из которых в каждом периоде повторения формируются строб-импульсы. Строб-импульсы, длительностью фИ каждый, следуют друг за другом без временного интервала. Фронт каждого из них жестко связан с фазой напряжения промежуточной частоты. Ключевые схемы открываются на время соответствующее длительности строб-импульса.
Рисунок 5.4 – Радиопередающее устройство
Таким образом, использование одного и того же высокостабильного по частоте напряжения промежуточной частоты для формирования зондирующих импульсов обеспечивает получение когерентной последовательности импульсов и высокую стабильность их повторения.
Усилитель мощности служит для усиления до необходимого уровня высокочастотных импульсных сигналов, поступающих с возбудителя.
С целью ослабления эффекта «слепых» скоростей, а также для защиты РЛС от противорадиолокационных ракет, применяется вобуляция частоты посылок зондирующих импульсов. Регулировка полосовых фильтров позволяет формировать различную комбинацию сигналов, что увеличивает помехозащищенность РЛС.
Заключение
Военно-политическая обстановка в мире несмотря на все усилия нашей страны продолжает оставаться напряженной, в следствии расширения блока НАТО на Восток за счет стран бывшего социалистического содружества ( Чехии, Венгрия, Польша), а также стран бывших Республик СССР. Следовательно не снижается вероятность того, что противник в любой момент способен нанести массированный удар по важным военным государственным объектам.
В тоже время вероятный противник не прекращает совершенствование боевой техники, создаются новые типы ПРЛР, истребителей, бомбардировщиков, КР, УР, авиабомб. Совершенствуется аппаратура защиты летательных аппаратов в том числе комплексы РЭБ, включающие в свой состав аппаратуру постановки активных и пассивных помех.
Для эффективного противодействия СВН вероятного противника, необходимые средства разведки, которые были бы способны обнаруживать воздушные объекты на максимальных дальностях и были бы защищены от активных и пассивных помех.
В результате выполнения данной работы был произведен анализ тактики применение СВКН и их влияния возможности обнаружения воздушных объектов. Произведен анализ способов формирования и видов зондирующих сигналов, на его основе произведен расчет характеристик и разработана предложение по совершенствованию передающего устройства. Разработанный возбудитель ФКМ сигнала, обеспечивает формирование ансамбля простых и ФКМ сигналов. Данное устройство позволяет увеличить помехозащищенность РЛС от активных и пассивных помех, а также обеспечивает обнаружение СВКН противника на дальних рубежах обнаружения.
Приложение А
Показатели качества оптимального обнаружения когерентных сигналов со случайными параметрами
– сигнал с полностью известными параметрами
– сигнал с равномерным распределением фазы
Приложение Б
График усредненных потерь, получающихся при накоплении некогерентной пачки, состоящей из М импульсов и используемый для расчета потерь при визуальном отображении сигнала на экране ИКО
График потерь цифрового некогерентного накопления
(п – число накапливаемых импульсов)
