Book1 (Материалы для студентов по курсу ОКТРЭС), страница 6

Пример 1.2. Требуется провести оптимальное конструирование
приемопередающего устройства РЛС самолета.

1. Составление перечня исходных данных

Подгруппа данных У, определяющих назначение устройства и воздействия внешней среды: назначение — авиационная техника (самолет с дальностью полета L и скоростью v); тип устройства — приемопередающее устройство РЛС для обнаружения целей по скорости.

Подгруппа структурных ограничений O_S : зондирующий сигнал передатчика РЛС — непрерывный (или квазинепрерывный); отраженный от цели сигнал — медленно флуктуирующий; направление на цель известно; приемопередатчик должен частично или полностью выполняться на микросборках; должна рассматриваться возможность использования принципа многоканальности.

28

Установлены и обоснованы следующие исходные энергоинформационные данные: R — дальность обнаружения цели; σ — эффективная поверхность рассеяния цели;f ₀ — несущая частота передатчика; f_ПР — промежуточная частота приемника; Δ_{V ц} — пределы измерения радиальной скорости цели; Q — отношение сигнал/шум; Р_{Ш 0} — плотность мощности шума приемника; Т_ОБЗ — время обзора по скорости; L _пот потери сигнала в приемопередатчике; К_У — коэффициент усиления напряжения в приемнике; m _ПРМ — масса приемника.

Показатели качества (подгруппа К) — функциональные параметры:.р_изл — мощность излучения передатчика, N — число приемных каналов; материальные параметры: m _рлс — масса приемопередатчика; Λ его интенсивность отказов.Ограничения на показатели качества (подгруппа О _к):P=P_{доп ,} m≤m _доп ,Λ ≤ Λ _доп

где первые части неравенств представляют собой допустимые значения функциональных и материальных параметров. Будем считать, что

P _доп = 100 Вт, m _доп =5 кг , Λ _доп =10^-4 1/ч

2. Формирование математической модели приемопередатчика

На основании общего уравнения радиолокации устанавливаем связь
между O_S и К:

Q=PT_обз

где S _A — площадь поверхности антенны приемопередатчика; λ, — дли-на волны.

При одноканальной структуре приемопередатчика ширина полосы приемника

где с ₀ — скорость света; ΔF_Ц — диапазон доплеровских частот, а не-
обходимое время обзора составит T_ОБЗ= 1/ΔF_Ц = 1/ΔF_Ф .

29

При многоканальной структуре приемопередатчика предусматрива-
ются N параллельно включенных приемных каналов с более узкими по-
лосами ΔF_Фк

Поэтому возможное время пребывания сигнала в каждом из каналов

(время наблюдения) T_наб= 1/ΔF_фк, время обзора Т_обз = N Т_наб =

После введения (1.5) и решения уравнения модели относительно
показателей качества приемопередатчика окончательно получим

По условиям задачи правая часть является постоянной величиной

PN=A = const.

В дальнейшем будем считать, что А = 100 Вт.

3. Составление электрической структурной схемы
приемопередатчика

В качестве первого варианта приемопередатчика рассмотрим одноканальную структуру с поиском по частоте. Электрическая структурная схема одноканального приемопередатчика приведена на рис. 1.3.

Принимаем решение строить передатчик на основе электровакуумных приборов (ЭВП), поскольку на полупроводниковой элементной базе трудно получить требуемую мощность передатчика.

Рис. 1.3. Электрическая структурная схема одноканального приемопередатчика бортовой РЛС.

30

Приемный тракт приемопередатчика ПРД может быть выполнен на элементной базе радиоаппаратуры IV поколения. В качестве конструктива тракта выбираем микросборку (на схеме рис. 1.3 выделена пунктиром), состоящую из функциональных элементов: смесителя СМ, гетеродина Г, усилителя Ус и фильтра Ф.

Произведем оценку принятого решения, считая, что критерием предпочтения является суммарная масса приемопередатчика. Как показано в [7], для передатчиков на ЭВП удельный коэффициент массы (с учетом вторичного источника питания (ВИП) и коэффициента дезинтеграции) k p = 0,5 кг/Вт.

Функциональным параметром приемника будем считать количество приемных каналов N_прм При выполнении канала в виде микросборки легко определить ее массу т _МСБ = 0,05 кг и, следовательно, удельный коэффициент массы приемника k _N = 0,05 кг/канал.

Таким образом, суммарная масса одноканального приемопередатчика может быть определена как

m₁ =k_pP + k_NN_npu = 0,5•100+0,05•1 =50,05кг .

Поскольку m_доп= 5 кг, требование к массе приемопередатчика при

принятом структурном построении не выполняется. Одновременно не выполняется и требование к надежности. Интенсивность отказов передатчика на ЭВП составляет 10^-4 1/ ч, приемника в виде МСБ 10^-6 1/ ч. Отсюда Λ₁ = 10^-4 + 0,01•10^-4=1,01•10^-4>Λ_доп

Поэтому рассмотрим второй ва-
риант структурной схемы (рис. 1.4) с
многоканальным приемником. Ис-
пользование многоканального при-
емника дает возможность за счет не-
значительного увеличения массы
приемной части существенно сни-
зить массу передатчика. Каждый
приемный канал выполняется в виде
микросборки и содержит гетеродин,
перестраиваемый в пределах
ΔF_ц /N_прм , смеситель, усилитель и

Рис. 1.4. Электрическая

структурная схема

приемопередатчика бортовой РЛС с

многоканальным приемником

фильтр с полосой ΔF_Фк . Как и в первом варианте, для построения
передатчика используем ЭВП.

31

Суммарная масса (критерий предпочтения) приемопередатчика с
многоканальным приемником определяется по уже известной формуле

m=k_PP+k_NN_прм (1.7)

и зависит от числа приемных каналов N_прм .

Оптимальное количество каналов, которому соответствует минимальная суммарная масса приемопередатчика, можно найти простым перебором или с помощью одного из методов нелинейного программирования. Воспользуемся методом множителей Лагранжа [2]. По условию задачи целевая функция (1.7) должна быть минимизирована при ограничении φ = РN_прм - А = 0.

Функция Лагранжа записывается в виде

Ф=k_p+k_NN_прм+β(PN_прм-A) (1.8)

где β— неопределенный множитель Лагранжа.

Условием экстремума функции (1.8) является следующая система
уравнений:

δФ/δР =k_P+βNпрм =0;

δФ / δN_прм = k_N+βP = 0; (1.9)

δФ / δβ = PNпрм-А = 0.

В результате ее решения находим

Требуемая мощность передатчика

Суммарная масса приемопередатчика т₂ = 0,5- 3,3 + 0,05- 30 = 3,15 кг.

Если составить уравнение относительно масс, то нетрудно убедить-
ся, что при многоканальной структуре приемника массы передатчика и приемника разделились поровну.

Проверка ограничений на материальные параметры приемопередатчика показывает, что т ₂ < т _доп , однако ограничение на интенсивность отказов, как и в первом варианте, не выполняется:
Λ₂=10^-4 + 30·10^-6=1,3-10^-41/ч>Λ_доп.

Продолжаем поиск лучшего варианта структурной схемы приемопередатчика. Замечаем, что в приемопередатчике с многоканальным при-

32

емником уровень мощности передачи (Р = 3,3 Вт) позволяет пересмотреть его элементную базу.

Рассмотрим вариант
структурной схемы приемо-
передатчика (рис. 1.5), в ко-
торой передатчик выполнен
по схеме сложения мощно-стей отдельных маломощ-
ных генераторов. Каждый
из них отдает в антенну
мощность Р /N и реализу-

Рис. 1.5. Электрическая структурная схема

приемопередатчика бортовой РЛС

на микросборках СВЧ-модулей

ется в виде СВЧ-микро-

сборки. Для построения передатчика выбираем микросборку типа СВЧ-модуля MERA. Выходная мощность модуля Р_м = 0,7 Вт, удельный коэффициент мощности k_p =0,14 кг/Вт.

Заданная мощность передатчика обеспечивается при количестве модулей N _м = 3,3/0,7 = 4,8 . Однако, принимая во внимание неизбежные потери в схеме сложения и необходимость применения четного количества пар генераторов, полагаем N _м =8.

При выбранных параметрах передатчика суммарная масса приемопередатчика составит

m₃=k_pм·P_M·N_M + k_NN_npu = 0.l4·0.7·8 + 0.05·30 = 2.26 кг.

Следовательно, использование СВЧ-микросборок в передатчике позволяет получить дополнительный выигрыш в массе устройства.

Поскольку интенсивность отказов СВЧ МСБ равна 10~⁶1/ч, интенсивность отказов приемопередатчика

Λ₃ = 8·10^-6 + 30·10^-6 ≈ 0.4∙10^-4 1/ч,

что значительно меньше допустимого значения.

Заметим, что выход из строя одного из каналов в приемнике или передатчике не ведет к нарушению работоспособности устройства в целом. Поэтому фактическая надежность многоканального приемопередатчика, оцениваемая интенсивностью отказов, будет выше расчетной.

33

4. Оценка схемно-конструкторских решений приемопередатчика по комплексному показателю качества

Исходя из назначения и условий эксплуатации приемопередатчика установим весовые коэффициенты показателей качества конструкции.Поскольку масса приемопередатчика рассматривалась в качестве критерия предпочтения, полагаем φ_т = 1,0. Весовой коэффициент интен-
сивности отказов принимаем равным 0,8. Тогда комплексные показатели качества, соответствующие трем вариантам построения приемопередатчика, будут иметь следующие значения: