Назаров_Конструирование_РЭС (Конструирование Радиоэлектронных Средств), страница 6

Составление электрической структурной схемыприемопередатчикаВ качестве первого варианта приемопередатчика рассмотримодноканальную структуру с поиском по частоте. Электрическаяструктурная схема одноканального приемопередатчика приведена нарис. 1.3.Принимаемрешениестроитьпередатчикнаосновеэлектровакуумныхприборов(ЭВП),посколькунаполупроводниковой элементной базе трудно получить требуемуюмощность передатчика.Рис. 1.3. Электрическая структурная схема одноканальногоприемопередатчика бортовой РЛС.30Приемный тракт приемопередатчика ПРД может бытьвыполнен на элементной базе радиоаппаратуры IV поколения. Вкачестве конструктива тракта выбираем микросборку (на схеме рис.1.3 выделена пунктиром), состоящую из функциональныхэлементов: смесителя СМ , гетеродина Г, усилителя Ус ифильтра Ф .Произведем оценку принятого решения, считая, чтокритериемпредпочтенияявляетсясуммарнаямассаприемопередатчика.

Как показано в [7], для передатчиков на ЭВПудельный коэффициент массы (с учетом вторичного источникапитания (ВИП) и коэффициента дезинтеграции) k p = 0,5 кг/Вт.Функциональным параметром приемника будем считатьколичество приемных каналов Nпрм При выполнении канала в видемикросборки легко определить ее массу т МСБ = 0,05 кг и,следовательно, удельный коэффициент массы приемника k N = 0,05кг/канал.Такимобразом,суммарнаямассаодноканальногоприемопередатчика может быть определена какm1 =kpP + kNNnpu = 0,5•100+0,05•1 =50,05кг .Поскольку mдоп= 5 кг, требование к массе приемопередатчика припринятом структурном построении не выполняется.

Одновременноне выполняется и требование к надежности. Интенсивность отказовпередатчика на ЭВП составляет 10-4 1/ ч, приемника в виде МСБ 10-61/ ч. Отсюда Λ1 = 10-4 + 0,01•10-4=1,01•10-4>ΛдопПоэтому рассмотрим второй вариант структурной схемы (рис. 1.4) смногоканальным приемником. Использование многоканального приемника дает возможность за счет незначительного увеличения массыприемной части существенно снизить массу передатчика. Каждыйприемный канал выполняется в видемикросборки и содержит гетеродин,п ер ес т р а и в а ем ы й в п р ед ел а хΔFц /Nпрм , смеситель, усилитель иРис. 1.4. Электрическаяфильтр с полосой ΔF Фк .

Как иструктурная схемав первом варианте, для построения приемопередатчика бортовойРЛС спередатчика используем ЭВП.многоканальным31Суммарная масса (критерий предпочтения) приемопередатчика смногоканальным приемником определяется по уже известной формулеm=kPP+kNNпрм(1.7)и зависит от числа приемных каналов Nпрм .Оптимальное количество каналов, которому соответствуетминимальная суммарная масса приемопередатчика, можнонайти простым перебором или с помощью одного из методовнелинейногопрограммирования.Воспользуемсяметодоммножителей Лагранжа [2].

По условию задачи целевая функция (1.7)должна быть минимизирована при ограничении φ = РNпрм - А = 0.Функция Лагранжа записывается в видеФ=kp+kNNпрм+β(PNпрм-A)(1.8)где β— неопределенный множитель Лагранжа.Условием экстремума функции (1.8) является следующая системауравнений:δФ/δР =k P +βNпрм =0;δФ / δNпрм = k N +βP = 0;δФ / δβ = PNпрм-А = 0.(1.9)В результате ее решения находимN=kPA=kN0.5 ⋅ 100≈ 300.05Требуемая мощность передатчика P = A / N ПРМ =100= 3,3Вт30Суммарная масса приемопередатчика т2 = 0,5- 3,3 + 0,05- 30 = 3,15 кг.Если составить уравнение относительно масс, то нетрудно убедиться, что при многоканальной структуре приемника массыпередатчика и приемника разделились поровну.Проверкаограниченийнаматериальныепараметрыприемопередатчика показывает, что т 2 < т доп , однако ограничениена интенсивность отказов, как и в первом варианте, не выполняется:Λ2=10-4 + 30·10-6=1,3-10-41/ч>Λдоп.Продолжаем поиск лучшего варианта структурной схемыприемопередатчика.

Замечаем, что в приемопередатчике смногоканальным при32емником уровень мощностипередачи (Р = 3,3 Вт)позволяет пересмотреть егоэлементную базу.Р а ссм от р и м ва р иа н тструктурной схемы приемопередатчика (рис. 1.5), в которой передатчик выполненпо схеме сложения мощностей отдельных маломощных генераторов. Каждыйиз них от да ет в ант енн умощность Р /N и реализу-Рис. 1.5. Электрическаяструктурная схемаприемопередатчика бортовой РЛСна микросборках СВЧ-модулейется в виде СВЧ- микр осборки. Для построения передатчика выбираем микросборку типаСВЧ-модуля MERA. Выходная мощность модуля Рм = 0,7 Вт,удельный коэффициент мощности kp =0,14 кг/Вт.Заданная мощность передатчика обеспечивается приколичестве модулей N м = 3,3/0,7 = 4,8 . Однако, принимая вовнимание неизбежные потери в схеме сложения и необходимостьприменения четного количества пар генераторов, полагаем N м =8.При выбранных параметрах передатчика суммарная массаприемопередатчика составитm3=kpм·PM·NM + kNNnpu = 0.l4·0.7·8 + 0.05·30 = 2.26 кг.Следовательно,использованиеСВЧ-микросбороквпередатчике позволяет получить дополнительный выигрыш вмассе устройства.Поскольку интенсивность отказов СВЧ МСБ равна 10~61/ч,интенсивность отказов приемопередатчикаΛ3 = 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 илипередатчике не ведет к нарушению работоспособности устройствав целом.

Поэтому фактическая надежность многоканальногоприемопередатчика, оцениваемая интенсивностью отказов, будетвыше расчетной.334. Оценка схемно-конструкторских решений приемопередатчика покомплексному показателю качестваИсходяизназначенияиусловийэксплуатацииприемопередатчикаустановимвесовыекоэффициентыпоказателейкачестваконструкции.Посколькумассаприемопередатчика рассматривалась в качестве критерияпредпочтения, полагаем φт = 1,0.

Весовой коэффициент интенсивности отказов принимаем равным 0,8. Тогда комплексныепоказателикачества,соответствующиетремвариантампостроения приемопередатчика, будут иметь следующиезначения:K1 = ϕ mΛ1m11,04 ⋅ 10 −450,05+ ϕΛ= 1⋅+ 0,8 ⋅= 10,85Λ ДОПm ДОП10 − 4K1 = ϕ mΛ2m21,3 ⋅ 10 −43,15+ ϕΛ= 1⋅+ 0,8 ⋅= 1,675Λ ДОПm ДОП10 − 4K1 = ϕ mΛ3m30,4 ⋅ 10 −42,26+ ϕΛ= 1⋅+ 0,8 ⋅= 0,775Λ ДОПm ДОП10 − 4Ввиду того что уменьшение суммарной массы т иинтенсивности отказов Λ приемопередатчика способствуетповышению его качества, лучший вариант определяется поменьшему значению комплексного показателя.Таким образом,выбирается третий вариант приемопередатчика.1.3. Ограничения на показатели качества конструкций РЭСЧасть показателей качества по тем или иным причинам можетбыть переведена в состав ограничений.

Каковы же эти причиныи какие из показателей качества чаще всего могут попасть вгруппуограничений?Рассмотримнекоторыепримерыконструкций РЭС разного уровня иерархии системы, начиная сверхнего.Уровень 5 д — составляющие подсистемы самолета. К ним относятся планер, двигатель, топливо, полезная нагрузка и бортовоерадио- и электрооборудование (РЭО). Масса самолета состоит изсуммы масс его составляющих, т.е.

т сам = т пл + mДВ + т т + т н+ m рэо . Разделив обе части уравнения на массу самолета,получим так называемое «уравнение существования самолета»: 1=μпл + μдв + μт + μн+ μрэо ,где μi=mi/mсам mi,- составляющая массасамолета.34В табл. 1.2 по зарубежным и отечественным [8] рекламнымданным приведены технические характеристики и долисоставляющих массы условных тяжелого, среднего и легкогосамолетов.Таблица 1.2Технические характеристики самолетаВзлетный вес (масса), тДальность полета, тыс.

кмКрейсерская скорость, км/чТяга, т (на 1 двигатель)Расход топлива, кг/ (кг тяги • ч)Число двигателейМасса планера/ взлетная массаМасса двигателя/взлетная массаМасса топлива/взлетная массаМасса нагрузки/ взлетная массаМасса РЭО/взлетная массаТип самолетатяжелый средний160ПО1838908508,710,50,750,72... 42...30,350,50,10,10,450,250,050,150,050,01легкий181224507,00,951 ...20,250,150,200,250,15По приведенным данным можно определить в конкретныхслучаях допустимые массы на РЭО, при которых для самолетовсуществуетвозможностьподнятьсяввоздух.Любоеперераспределение масс составляющих самолета может бытьпересчитано в изменения его технических характеристик спомощью формул, приведенных в [8].Уровень S3π— антенное устройство РЛС самолета. Размещениеантенны зеркального типа (вращающегося параболоида) в носусамолета определяется ее средним сечением (миделем), аследовательно, определяет ее площадь раскрыва S А = π D2 /4 илидиаметр раскрыва D.Ометаемый объем «зеркала» равен V3 = 0,25D .

Мощность излученияРизл антенны прямо пропорциональная площади раскрыва, амаксимальная дальность обнаружения целиR = 4 Pизл G 2 λσ /(4π ) 3 Pminгде Ризл, Рmin— мощности излучаемого и принимаемого сигналов;G — коэффициент усиления антенны; λ, — длина волны; σ —«эффективная площадь» цели.35Таким образом, при заданном тактическом показателе R max объем,занимаемый антенной, должен иметь ограничение «не менее», чтоне всегда возможно.

И в этом случае на помощь приходитмикроэлектроника, а именно: применение плоской антеннойфазированной решетки (АФР) с VАФР = (0,01... 0,04) D3 илиполучение в 6...25 раз меньшего объема по сравнению с зеркальнымтипом. Такой значительный выигрыш можно использоватьследующим образом: АФР может быть отодвинута ближе к кабинелетчика, так как освобождается место от двигателя, редуктора икарданной системы параболической антенны, при этом площадь еераскрыва увеличивается, мощность — также увеличивается, и вконечномитогеувеличиваетсямаксимальнаядальностьобнаружения.Уровень S2— блок цифрового вычислителя самолета.

Будемсчитать, что блок сконструирован на бескорпусных МСБ с объемом 5дм 3 и рассеивает за счет конвекции и излучения 50 Вт. На рис. 1.6при-Рис. 1.6. Зависимости допустимой мощностирассеяния блока IV поколенияот объема корпуса и условий теплопередачи:I — излучение и естественная конвекция;2 — излучение и обдув воздуха вокруг корпуса (V= 0,1 м/с);3 — только излучение36ведены ориентировочные зависимости допустимой мощностирассеяния блока IV поколения при температуре среды +60°С иперегреве корпуса относительно среды на 20°С от объема корпусаи условий теплопередачи. Как видно из графика, для заданныхусловий (кривая 1) такую мощность рассеивает блок с объемом неменее 7дм3 .В общемслучае можно считать, что причинойограничения объема блока является допустимая тепловаянапряженность, т.е.Vдоп≥Ррасс /Руд,расс,допУровень S1- субблок (микросборка) приемоусилительного тракта.В работе [9] показано, что уменьшение размеров усилительной МСБв k l раз приводит вначале к увеличению паразитных емкостей(Cпар к/ Cпар 0; Cпар к/ Cпар0 паразитные емкости между проводникамимикросборки в первоначальномварианте,ввариантесуменьшеннымиразм ерамисоотв етств енн о) и уменьшениюустойчивой работы схемы дозначения k1 = 2,36, а далеепроисходитобратное(рис.1.7).

Практический вывод из этого: при высоте корпуса МСБ, равной 7...10 мм, уменьшение ее линейных размеров в 2—4 раза крайне нежелательно, так как устойчивость усиления ухудшается в 7ра з, п оэ т ом у р ек ом ен ду ем о еуменьшение должно быть не менее, чем в 8...10 раз. Иными словами, имеем ограничение на массогабаритные показатели МСБ дляобеспечения их устойчивой работы. Более конкретно это означает, что возможен переход от МСБк минимикросборкам (разд. 3.10) Рис. 1.7. Зависимостьотносительного измененияили линейным интегральным схе- паразитныхемкостей МСБмам в виде кристаллов.от относительногоуменьшенияУровень S 0 — логические ИС,полупроводниковые генераторы крайне высоких частот.371. Логические ИС. От ихбыстродействия и задержексигнала в линиях связи (ориентировочно 0,1 нс на 1 смпроводника) в сильной степени зависят быстродействие ипроизводительность бортовых и наземных ЭВМ.

С ростом миниатюризации конструкций ФЯ и увеличениемплотности монтажа в МСБ задержки сигналов становятсявсе более сравнимы с временем переключения единичного логического элемента τэ.Выясним, от чего зависит этоРис. 1.8. Взаимное расположение структур ИСвремяи чем оно ограничивав сетке уровней работы переключения:ется. Во-первых, для полупро7 — биполярные ИС; 2 —КМДП ИС;3 — р - МДП БИС; 4 — И2Л БИСводниковых приборов существует теоретический предел наработу переключения А = Рэ τ э = k Тэ In 2 = 2·10-14 Дж, где РЭ —мощность потребления элемента; k — постоянная Больцмана; Тэ —температура элемента, К. Реальные уровни этого показателя (рис. 1.8)на один-три порядка ниже (для биполярных транзисторныхключей А=10 - 1 0 Дж , для комплементарных МДП-структур(КМДП) А=10-11 Дж; для интегральной инжекционной логики (И2Л)А = 10-13 Дж).