Введение
Терминлокация (и его всевозможные производные) произошел от латынского слова locatio –размещение, распределение и означает определение местоположения объекта посигналам (звуковым, тепловым, оптическим, электромагнитным волнам и др.),излучаемым самим объектом (пассивная локация) иои отраженным от него сигналом,излучаемым самим устройством (активная локация).
Следуетотметить, что свойствами локации (способностью определять положениеколичественного объекта по отношению к себе или свое положение в пространстве)обладают многие животные и человек – бинауральный эффект или т.н. биолокация.
В зависимостиот применяемых методов и технических средств различают звуковую локацию (гидро,звуко, эхо), радиолокацию (электромагнитную) и, позднее появившиеся: оптическая(лазерная) локация, планетная (радиолокационная астрономия) и загоризонтная(ионосферная) радиолокации.
Первоначально,в годы 1‑й мировой войны появились гидролокаторы (приборы, которые могутобнаруживать самолет по звуку двигателей) – т.н. звукоулавливатели.
Над созданиемзвукоулавливателей, которые вошли в состав приборов управления артилллерийскимзенитным огнем (ПУАЗО), в СССР работали: Центральная радиолаборатория (ЦРЛ),Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ), Военная артиллерийская академия(ВАУ) им. Ф.Э. Дзержинского и Научно-исследовательская лабораторияартиллерийского приборостроения Главного артиллерийского управления (НИЛАПГАУ). Образцы первых звукоулавливателей испытывались на подмосковном полигоне в1929–1930 годах. В 1931 г. были созданы опытные образцы системы «Прожзвук»(крупногабаритный звукоулавливатель и полутораметровй электрический прожектор).
Предпосылкамиработ по созданию и дальнейшему развитию радиолокации послужили несколькоисторических фактов:
– явлениеотражения радиоволн наблюдал еще Г. Герц в 1886–1889 годах, а в 1897 г.А.С. Попов (во время опытов по радиосвязи на Балтийском море)зарегистрировал влияние корабля, пересекающего трассу радиоволн, на силусигнала (передатчик был установлен на верхнем мостике транспорта «Европа», априемник – на крейсере «Африка»);
– в 1904 г.немецкий ученый-изобретатель Кристиан Хюльсмэйер (Christian Hulsmeyer) [1881–1957]в своей авторской заявке (патент N165546 от 30 апреля 1904 г.) четкосформулировал идею обнаружения корабля по отраженным от него радиоволнам исодержащей также подробное описание устройства для ее реализации. Позднее, втом же 1904 г., им был получен и второй патент (N169154) наусовершенствование своего устройства для радиолокации.
– в 1914 г.росиянин И.И. Ренгартен проводил работы по макетированию радиопеленгатора;
– в 1916 г.французами П. Ланжевеном и К. Шиловским был создан ультразвуковойгидролокатор;
– всентябре 1922 г. два экспериментатора, служившие в ВМФ США, – Хойт Э. Тейлори Лео К. Янг проводили опыты по радиосвязи на декаметровых волнах (3–30 МГц)через реку Потомак. В это время по реке прошел корабль, и связь прервалась –что натолкнуло их на мысль о применении радиоволн (метод интерференциинезатухающих колебаний) для обнаружения движущихся объектов;
– в 1921 г.америкаец А.У. Хэлл изобрел магнетрон (промышленный его вариант был готовк 1928 г.) – что дало возможность последующего развития радиолокационныхстанций (РЛС) на СВЧ.
– в 1924 г.английский ученый Э. Эплтон провел на декаметровых волнах измерения высотыслоя Кеннелли-Хевисайда (слой «Е» ионосферы, от которого отражаютсярадиосигналы);
– в 1925 г.английские ученые Г. Брейт и М. Тьюков опубликовали результаты работпо определению высоты слоя Кеннелли-Хевисайда измерением времени запаздыванияимпульсного сигнала, отраженного от слоя, относительно сигнала, пришедшеговдоль поверхности Земли;
– в июне1930 г. моряк ВМФ США Лоренс Э. Хайленд, проводя эксперименты поопределению направления с помощью декаметровых волн, обнаружил, что когда надпередающей антенной пролетает самолет, поле радиосигнала сильно искажается, и врезультате чего, Хайленд предложил использовать декаметровые волны дляпредупреждения о приближении вражеских самолетов;
– вянваре 1931 г. Авиационная радиолаборатория ВМС в Вашингтоне приступила квыполнению проекта, имевшего целью «обнаружение вражеских судов и самолетов спомощью радио»;
– вначале 1931 г. проводились (к сожалению неудачные) опыты по установлениюсвязи между городами – английским Дувром и французским Кале при помощи волндлиною 18 см;
– в 1932–1933годах английское морское ведомство стало применять приборы АСДИК,регистрирующие ультразвуки высокой частоты, создаваемые шумом винтов подводныхлодок;
– в 1932 г.большой объем работ по изучению интерференции при отражении радиоволн отсамолета выполнили американские инженеры Б. Тревор и П. Картер;
– в 1934 г.сотрудник Морской исследовательской лаборатории США Роберт Пейдж первымзарегистрировал (сфотографировал) отраженный от самолета сигнал на частоте 60МГц.
– в 1935 г.,независимо друг от друга, работы по импульсной радиолокации проводили: П.К. Ощепков(СССР) и Р. Ватсон-Ватт (Великобритания. Изготовленная им аппаратураполучила отраженный сигнал от самолета на расстоянии 15 км).
– в 1935 г.радиолокация получила первое коммерческое применение: во Франции фирма «SocieteFrancaise Radioelectrique» установила на лайнере «Нормандия» т.н. «Детекторпрепятствий», а в 1936 г. в порту Гавра был установлен т.н. «Радиопрожектор»для обнаружения судов, входящих в гавань и покидающих ее;
– в 1936 г.американцами – Р. Колвеллом и А. Френдом были зафиксированы отражениярадиоимпульсов от турбулентных и инверсионных слоев в тропосфере.
В 1936 г.макет американской РЛС, работавшиц на частоте 80 МГц, обнаружил самолет нарасстоянии 65 км (в 1937 г. у немцев была достигнута дальность 35 км).
2 июля 1936 г.в США была изготовлена первая небольшая РЛС, работавшая на частоте 200 МГц,которая в апреле следующего года была установлена на борту эсминца «Лири». РЛСполучили название РАДАР (сокращенное обозначение от «Radio Detection AndRanging», т.е. «Прибор для радиопеленгации и измерения»). Hа базе данной РЛС в1938 г. была разработана модель XAF, прошедшая широкие бортовые испытанияв 1939 г. (прототип модели 1940 г. – CXAM, которая была установленана 19 военных кораблях).
Первые пятьимпульсных РЛС (работали на метровых волнах) для обнаружения самолетов былиустановлены на юго-западном побережье Великобритании в 1936 г.
Первые работыпо радиолокационному обнаружению самолетов в СССР были начаты в 1933 г. поинициативе М.М. Лобанова. С 1934 г. данные работы возглавили Ю.К. Коровин,П.К. Ощепков (Ленинградский электрофизический институт) и Б.К. Шембель.Первая серийная РЛС (РУС-1) появилась в 1938 г. в КБ, которым руководилД.С. Стогов. РУС-1 были применены во время финской военной кампании 1939–1940 гг.
В 1937 г.в Лениградском ФТИ под руководством Ю.Б. Кобзарева был разработанимпульсный метод радиолокации.
В 1940 г.было начато серийное производство первой импульсной радиолокационной станциидальнего обнаружения самолетов РУС-2 («Редут»), разработкой которой с 1935 г.занимались П.А. Погорелко и Н.Я. Чернецов. Во время ВОВ былоразвернуто производство портативных РЛС «Пегматит».
4 июля 1943 г.вышло Постановление Государственного Комитета Обороны (ГКО) об учреждении принем Совета по радиолокации. Практическое
руководствоповседневной деятельностью Совета осуществлял Аксель Иванович Берг(впоследствии – академик), а отвественным секретарем Совета был АлександрАлександрович Турчанин.
В 1943 г.по инициативе Совета по радиолокации был создан Институт локационной техники,который возглавил П.З. Стась. Главным инженером стал профессор А.М. Кугушев.
В июне 1947 г.Совет по радиолокации был преобразован в Комитет по радиолокации при СHК СССР иего председателем стал М.З. Сабуров.
Загоризонтнаярадиолокация базируется на открытии в 1947 г. советским ученым H.И. Кабановымявления дальнего рассеянного отражения от Земли декаметровых волн (с ихвозвратом после отражения от ионосферы к источнику излучения).
Hеоценимыйвклад в создание и разработку советской радиолокационной техники также внесли:В.Д. Калмыков, А.И. Шокин (в течении ряда лет был министромэлектронной промышленности СССР), А.Н. Щукин и мн. др.
Послеокончания Второй мировой войны начался этап активной разработки планетнойрадиолокации и первыми ее объектами стали Луна и метеоры. Первые эхо-сигналы отсолнечной короны были получены в 1959 г. (США), а от Венеры – в 1961 г.(Великобритания, СССР и США). В СССР радиолокацию Венеры, Меркурия, Марса иЮпитера выполнил в 1961–1963 гг. коллектив ученых во главе с В.А. Котельниковым.
Большой вкладв развитие отечественной оптической локации внесли ученые: Н.Г. Басов,Ф.М. Прохоров, А.Л. Микаэлян и др.
1. Принципдействия детектора АМС
Амплитуднымдетектором(АД) называется устройство, предназначенное для получения на выходе напряжения,изменяющегося в соответствии с законом модуляции амплитуды входногогармонического сигнала. Процесс детектирования амплитудно-модулированных (АМ)сигналов вида
uc (t) = ua(t) cos(ωct)
Схемаамплитудного диодного детектора изображена на рис. 1. На вход детекторапоступает высокочастотный сигнал uc(t). Детекторпредставляет собой последовательное соединение диода VD и нагрузочнойцепи (фильтра): конденсатора Сн и резистора Rн, включенных параллельно. С нагрузочной цеписнимается выходное колебание uвых(t).
Значение токачерез диод ig для режима покоя (uc(t)=0) может быть найденоиз уравнений:
/> (5)
где Ug – напряжение на диоде VD (рис. 1).
Первоеуравнение является уравнением вольтамперной характеристики (ВАХ) диода какбезынерционного нелинейного элемента. Из-за нелинейного характера ВАХ, форматока через диод ig при синусоидальной форме сигнала uc(t) не являетсясинусоидальной.
В составетока появляется постоянная составляющая, которая, протекая по резистору Rн, создает падениенапряжения U=, смещающая положение рабочей точки. При увеличении амплитудывходного напряжения смещение рабочей точки увеличивается, и ток через диодбудет приближаться по форме к однополярным импульсам, открывающим диод приположительных значениях входного напряжения.
/>
g На рисунке 2приведены формы напряжений и токов на входе детектора для двух случаев, когдаамплитуды входных сигналов удовлетворяют неравенству Uc(1) Uc(2).
Тогдапостоянные составляющие напряжений U=(1)U=(2) и I=(1)I=(2).
На этом жерисунке условно изображена зависимость ig=f(t).
Вольтампернаяхарактеристика диода в широком диапазоне токов достаточно точноаппроксимируется экспоненциальной зависимостью:
/>, (6)
где Iоб – абсолютное значениевеличины обратного тока диода, φT – температурный потенциал, равный при Т=293˚ K примерно 26 мВ.
Зависимостьпостоянной составляющей U= от амплитуды приложенногонапряжения Uc дается детекторнойхарактеристикой (рис. 3).
Анализ выражения (6)позволяет сделать два основных вывода:
· сувеличением Rн возрастаеткрутизна детекторной характеристики,
· сувеличением уровня сигнала снижается степень нелинейности детекторнойхарактеристики, и наоборот, детектирование «слабых» сигналов сопровождаетсязначительными нелинейными искажениями закона модуляции.
В этой связиразличают два режима работы диодного амплитудного детектора:
· детектирование«слабых» сигналов,
· детектирование«сильных» сигналов.
В режиме«слабых» сигналов, нетрудно показать, что детекторная характеристика имеетквадратичный вид, т.е.
/>, (10)
и,соответственно, коэффициент нелинейных искажений в этом случае при x(t) = 0 равен:
/>. (11)
Например,допустимое значение kн всистемах радиовещания не превышает нескольких процентов (kн £ 5%), что налагаетограничения на допустимый коэффициент глубины амплитудной модуляции впередатчике. Дополнительным недостатком работы на квадратичном участке детекторнойхарактеристики является малый коэффициент передачи, затрудняющий работупоследующих усилительных каскадов.
В режиме«сильных» сигналов вольтамперная характеристика диода аппроксимируется линейнойзависимостью ig=f(ug) (5). В этом случае появляетсязаметное напряжение смещения на анод диода из-за значительной величины U=,т.е. диод работает в режиме отсечки, и ток проходит через него только в течениетех интервалов времени, когда />.
На рис. 4показан угол отсечки θ тока диода. На интервале времени, соответствующемуглу 2θ, происходит быстрый заряд конденсатора Cн (рис. 1) черезоткрытый диод. В течение времени, когда диод закрыт, конденсатор Cн разряжается через резисторRн.
Т.о.,несмотря на наличие угла отсечки, диодный детектор и в режиме «сильных»сигналов является линейным детектором и при малых значениях угла qне создает нелинейныхискажений модулирующего сигнала x(t).
Нелинейныеискажения при детектировании «сильных» сигналов определяются:
· нелинейностьюначального участка вольтамперной характеристики диода. При этом, чтобыгарантировать работу вне существенно нелинейного участка, например, в области 0≤Uc≤Uc(1) на рис. 2,необходимо выбирать значение Uc исходя из неравенства:
/>; (16)
различиемсопротивлений детектора по постоянному и переменному токам.
Прииспользовании усилителя с входным сопротивлением
RУНЧ ³ (5 – 10) Rн
и выборевеличины емкости разделительного конденсатора Cp, обеспечивающей егомалое сопротивление по переменному току по сравнению с RУНЧ из условия:
/>, (17)
где Ωmin – минимальная частотамодулирующего сигнала,
этим видомнелинейных искажений можно пренебречь;
· нелинейностьюпроцесса заряда и разряда конденсатора Cн.
При этомвозникает фазовый сдвиг между напряжениями U= и ua(t). В моменты времени, когда ua(t) U=, конденсатор Cн будет разряжаться черезрезистор Rн поэкспоненциальному закону. Анализ показывает, что малый уровень нелинейных искаженийэтого вида обеспечивается при условии:
/>, (18)
где Ωmax – максимальная частотамодулирующего сигнала.
Кромерассмотренных выше нелинейных искажений в режиме детектирования «сильных»сигналов возникают частотные искажения, обусловленные присутствием в выходномнапряжении гармоник высокочастотного колебания. С целью уменьшения уровняколебания высокой частоты на выходе амплитудного детектора величина емкостиконденсатора Cн выбираетсяиз условия:
/>, (19)
а коэффициент фильтрациив этом случае определяется выражением:
kф = ωcCнrg, (20)
где rg – сопротивление диода воткрытом состоянии./>
2.Виды схем амплитудных детекторов 2.1Амплитудный детектор на диоде
Классическаясхема «последовательного» детектора дана на рисунке (собственно, этооднополупериодный выпрямитель). Если представить ламповый диод как идеальныйвентиль, то такая модель («линейного» детектирования) сразу же дает дляпостоянной составляющей выходного напряжения:
/>,
гдеuBX – амплитуда напряжения несущей на входе детектора. Амплитуданизкочастотного напряжения на выходе:
uВЫХ= mUH (m – коэффициент модуляции АМ сигнала).
Приполярности включения диода как на схеме – выпрямленное напряжение будетположительным. 2.2Параллельный детектор
Присоединим«нижний» вывод резистора нагрузки к ВЧ входу, как на рис. слева. Ни дляпостоянной составляющей тока, ни для модулирующего колебания – в схеме, по сутидела, ничего не изменилось. Перевернув теперь схему (справа), получим известныйпо книгам параллельный детектор.
Вновой схеме резистор R дополнительно подгружает ВЧ вход. Соответственноснижается входное сопротивление для резонансных цепей:
/>
Отличиемэтой конфигурации является также присутствие на ее выходе, помимонизкочастотного напряжения, еще и полного входного сигнала. Поэтому впрактических схемах предусматривается дополнительная фильтрующая ячейка RФСФдля снятия нежелательной ВЧ составляющей.
Кпараллельному детектору обращаются нередко. Во-первых, если схема диктуетнеобходимость непременно емкостной связи с источником сигнала. Во-вторых, этоестественное решение для комбинированных ламп (таких как 6Г2), а такжепрямонакальных, то есть тех, где катод диода вынужденно заземлен.
Впрочем,в этих последних случаях вполне возможно и последовательное детектирование –если только контур может быть отвязан от «земли» (см. последний рис.).
Приуказанной полярности включения диода выпрямленное напряжение – минусовое.2.3Сеточный детектор
Этасхема типична для простых малоламповых приемников. Она эквивалентна сочетаниюобычного детектора и усилительного каскада; только роль анода диода играетуправляющая сетка. По понятным причинам ВЧ фильтрацию приходится осуществлятьуже в анодной цепи.
Вкнигах мы читаем, что сеточный детектор обладает повышенной чувствительностью;это действительно так. Дело в том, что отказ от регулятора громкости вслед задетектором – позволяет увеличить сопротивление нагрузки (R). Тем самыми сохранить высокую добротность контура, и снизить до минимума ток через «диод».Правда, это оборачивается и негативной стороной: возможностью перегрузкикаскада сильными сигналами, размах которых превысит раствор характеристикилампы. В предельном случае выделенная НЧ огибающая (на отрицательной «подставке»)вообще выносится в область отсечки характеристики, а слушатель раритетногоприемника недоумевает: почему при точной настройке на очень мощную станциюпередача пропадает?2.4Катодный детектор
Еслисеточный детектор по принципу работы – диодный, то катодный и анодный детекторыдействуют иначе.
Взглянемна эту схему как на катодный повторитель с емкостной нагрузкой. В отличие отлинейного случая, ток покоя в детекторе всегда должен быть выбран «неправильно»,чтобы не позволять емкости разряжаться в промежутке между двумя положительнымиполуволнами колебаний несущей:
I i'.
Здесьi' – снова амплитуда тока несущей частоты f в катоде, какесли бы не было отсечки колебаний, I – ток покоя лампы.
Будемсчитать, что фильтрующий конденсатор CH имеет достаточнобольшую емкость, чтобы выполнялось:
/>
Практическиэто достижимо, если несущая и модулирующая частоты различаются на порядки.Такой режим катодного детектора наиболее выгоден в отношении чувствительности.
Вданном случае повторитель нагружен (для несущей частоты) на сопротивление,значительно меньшее его выходного сопротивления, равного 1/S.Следовательно, гипотетическую величину i', соответствующую линейному режимуработы, записать просто:
i' = SuBX
какв любом каскаде, где катодный резистор заблокирован конденсатором большойемкости.
Получаемзнакомое уже условие эффективного детектирования, противоположное условиюработы без отсечки:
SuBX>> I, т.е.uBX >> I/S
Рассмотримкаскад с триодом 6Н1П, пусть анодный ток равен 1 мА, при этом крутизна2 мА/В. Тогда порог детектирования получается 0,5 В.Чувствительность будет повышаться с уменьшением тока покоя: при снижении тока в8 раз она повышается вчетверо (почему – надеюсь, пояснять не надо). Впрактических схемах номинал катодного резистора выбирают поэтому от 50 до 200 кОм.
Катодныйдетектор легко рассчитать с позиции отсутствия искажений, вызванных какактивной, так и реактивной внешней нагрузкой, при безусловном сохраненииначальной добротности контура. Однако никаких других особенных достоинств унего нет (зато имеются недостатки), поэтому заметного распространения он ненашел.2.5Анодный детекторРассмотренныевыше схемы детектирования имеют общую особенность: напряжение на открытомнелинейном элементе представляет собой только разность между огибающей АМколебания и величиной выходного напряжения (тот же «сигнал ошибки», аналогичноусилительным схемам с обратной связью). Потому детекторы обеспечивают малыеискажения, причем форма характеристики нелинейного элемента совершенно неважна! Условие «линейности» детектирования сформулировано выше. Если оно несоблюдается (сигнал слабый), детектор превращается в нелинейный («квадратичный»).
Влитературе можно встретить утверждение: любой детектор является линейным для «сильных»сигналов. Причина, якобы, в том, что для таких сигналов характеристикадетектирующего элемента аппроксимируется кусочно-линейной, состоящей из двухпрямых.
Этоневерно. Ни при каких условиях полиномиальная характеристика не эквивалентнасоставленной из двух прямых. Применявшийся изредка в старой аппаратуре анодныйдетектор, в частности, осуществляет нелинейное преобразование сигнала всоответствии с формой характеристики лампы, при этом отсутствует отрицательнаяобратная связь. Ни при каких самых «сильных» сигналах здесь не обеспечиваетсялинейная демодуляция. Не буду даже приводить эту мерзкую схему; впрочем, онаотличается от сеточного детектора лишь подачей на лампу смещения, почти запирающегоее (для выполнения навязшего в зубах условия детектирования).
3.Современная элементная база детекторов
Одна изважнейших задач современной науки и техники – регистрация и формированиевидеоизображения объектов с помощью различного вида излучений – от видимогосвета до частиц высоких энергий. Детекторы излучения применяются во многихсферах человеческой деятельности: физике элементарных частиц и астрофизике,ядерной физике и технике, таможенном контроле, медицине и биологии, лазернойфизике и технике, технике оптической связи. Весьма актуальны датчики,используемые в медицине для получения высококачественных рентгеновскихизображений. В современных рентгеновских диагностических установках, какправило, до сих пор изображение органов человека переносится на рентгеновскуюфотопленку с высокой разрешающей способностью, обеспечивающей и передачуплотности тканей (в соответствии с уровнем шкалы серого цвета). Поэтому сегодняосновное направление развития рентгеновской диагностической техники – разработкавоспроизводящих рентгеновское изображение плоских твердотельных экранов,способных заменить рентгеновскую фотопленку и позволяющих в режиме реальноговремени обрабатывать полученное изображение на компьютере, хранить и пересылатьего по компьютерным сетям. Твердотельные датчики рентгеновского и радиационногоизображения разрабатывают все ведущие в области микроэлектроники инанотехнологии фирмы мира. Немалые успехи достигнуты и российскими учеными.
Исследованиязарубежных и российских специалистов последних лет показали, что для примененияв рентгенотехнике наиболее перспективны твердотельные экраны, построенные наоснове полупроводниковых детекторов, содержащих принимающую излучениепиксельную матрицу, и периферийных устройств. При этом в детекторах могутприменяться матрицы «прямого» или «непрямого» преобразования рентгеновскогоизлучения. В первом случае детектор содержит рентгеновский фоторезистор,например на основе аморфного селена или кадмий-ртути-теллура, которыйнепосредственно преобразует фотоны рентгеновского излучения в электрическийсигнал.
Последниедостижения в области микроэлектроники позволили изготавливать на стекляннойподложке размером 50х50 см многослойные матрицы детекторов, содержащиеаморфные тонкопленочные транзисторы. Поскольку под действием электрическогополя возбужденный в селеновом слое заряд направленно движется к коллекторутранзистора, формирующего пиксель, координатное разрешение такого детекторавысокое.
Слойаморфного селена может быть нанесен достаточно простым и дешевым методомиспарения.
В детекторы(панели) «непрямого» преобразования входят сцинтилляторы, преобразующиерентгеновское излучение в оптическое, которое возбуждает в пиксельной матрицена основе аморфных кремниевых фотодиодов, МОП-транзисторов или ПЗС носителизаряда (электроны и дырки). Генерированный заряд накапливается в конденсаторахи затем с помощью транзисторной матрицы последовательно передается на выходдетектора для преобразования в цифровой сигнал. Сцинтиллятор детектора можетбыть выполнен на так называемом структурированном или аморфном материале. Внеструктурированном сцинтилляторе свет попадает и в соседний пиксель, чтоприводит к ухудшению разрешения. Для решения этой проблемы используютструктурированный материал на основе цезия (или иодида цезия – CsI), состоящийиз трубок шириной ~5–10 мкм, препятствующих боковому распространению света.
Однакорентгеновские панели с тонкопленочными пиксельными матрицами на аморфномкремнии имеют серьезные недостатки. Это – относительно высокий уровень шумов,создаваемых токами утечки транзисторов и диодов на аморфном кремнии, а главноенеобходимость подключения к каждой строке и столбцу матрицы внешних электронныхсхем (зарядовых усилителей, мультиплексоров и драйверов), что ограничиваетвозможности повышения координатного разрешения и удешевления панели. Из-за этихнедостатков тонкопленочные экраны, по-видимому, не могут удовлетворять требованиям,предъявляемым к экранам нового поколения.
Ведущимироссийскими исследовательскими группами НТЦ «Курчатовский институт»,Физического института им. Лебедева (ФИАН), Института ядерных исследований (ИЯИ)проведены поисковые работы по созданию элементной базы координатных детекторовнового поколения – так называемых функционально-интегрированных структур[1–12].
Рассмотрим возможнуюреализацию твердотельных рентгеновских экранов на основе мозаики координатныхдетекторов, представляющих собой специализированные кремниевые микросхемы,способные непосредственно (или косвенно, с помощью дополнительныхполупроводниковых материалов) регистрировать радиационное излучение. Такойподход позволяет достичь экстремально высоких характеристик рентгеновскихэкранов. Однако, к сожалению, предлагаемое техническое решение имеетсущественный недостаток, заключающийся в образовании в рентгеновской панелибольшого формата так называемой «мертвый зоны», что приводит к появлению на одиночномрентгеновском снимке решетки.
По мересовершенствования технологии изготовления кремниевых чипов размер «мертвой зоны»может быть сведен к минимуму и практически мало влиять на качество изображения.Более того, появление «мертвой зоны» можно легко исключить путем проведенияповторного снимка при механическом смещении панели под углом 45 градусов на 1/2длины пикселя и соответствующей компьютерной обработки полученных снимков. Ксожалению, такая процедура приводит к увеличению дозы облучения объекта в двараза. Правда, во многих случаях это допустимо.
Существуюттри основных варианта построения мозаичных рентгеновских экранов на основекремниевых специализированных микросхем координатных детекторов, а именноквантового, аналогового и цифрового. Квантовый детектор [10] создан врезультате попытки реализовать теоретически идеальный способ регистрациирадиационного (рентгеновского) излучения, о котором с теоретически максимальнойточностью известно «все»: энергия, координаты и время прихода. Квантовыйдетектор представляет собой прямоугольную матрицу функционально-интегрированныхбиполярных транзисторных структур с двумя эмиттерами. При попадании втранзисторную структуру детектора радиационной частицы-кванта возбуждается,преимущественно в области пространственного заряда, ток ионизации, амплитуда ивремя нарастания которого регистрируются в цепи питания общего коллекторабиполярных транзисторов, образующих пиксели матрицы. Координаты пикселяопределяются по появлению электрических сигналов в соответствующих адресныхлиниях Xi и Yi.
Скоростьпоступления рентгеновских квантов составляет ~500 квантов/с на пиксель размером140х140 мкм, т.е. скорость поступления квантов на адресную линию Pх» 2·106квантов/с [2]. Это на два порядка ниже быстродействия детектора tм, котороеопределяется двумя параметрами: временем сбора и усиления ионизационного зарядав пикселе tсб» 5 нс и временем распространения сигнала в адресных линиях tр» 5нс (при длине адресной линии l ~ 1 см), т.е.:
Отсюдаследует, что матрица площадью 1 см2 способна регистрировать иопределять все параметры каждого кванта рентгеновского излучения, применяемогов медицинской технике. Однако с увеличением площади матрицы до S = 10х10 смвозникает проблема, связанная с быстродействием, поскольку в этом случае tм @1/Px. Очевидно, площадь матрицы S @ 10х10 см следует считать предельной.Таким образом, экран большего формата, например 43х43 см, может иметьтолько мозаичную конструкцию.
Как ужеотмечалось, матрица способна воспринимать рентгеновское излучение как с помощьюнанесенных на ее поверхность сцинтиллятора или фотопроводника, так инепосредственно, т.е. с использованием в качестве элемента, регистрирующегорентгеновское излучение, области пространственного заряда коллектора (иликомбинацию этих способов). Рентгеновские кванты с энергией E = 60 кэВэффективно поглощаются кремнием только на глубине более 100 мкм, поэтому,очевидно, интерес представляет возможность изготовления матрицы, состоящей изфункционально-интегрированных структур на основе менее технологическиотработанных в сравнении с кремнием полупроводниковых соединений, напримерарсенида галлия.
Следуетотметить, что поскольку матрица имеет большое число адресных выводов X, Y (каки традиционные «аморфные» матрицы), с помощью периферийных устройств детекторанеобходимо обеспечить быстрое цифровое кодирование адресов Xi, Yi строк истолбцов матрицы. Это позволит резко сократить число выводов микросхемыдетектора, которые связывают компоненты панели с внешними устройствами –аналого-цифровым преобразователем и компьютером. К сожалению, реализация вмикросхеме детектора цифровых кодирующих устройств усложняет технологию егоизготовления. Особенность детектора этого типа – отсутствие «памяти» у матрицы,в результате чего он передает внешним устройствам чрезмерно большой объеминформации, в том числе и не нужную для формирования рентгеновскоговидеоизображения «избыточную информацию» о времени прихода каждого кванта. Этоусложняет работу внешних устройств. Однако возможность регистрации такимдетектором энергии отдельных квантов может оказаться весьма полезной дляреализации «суперэкранов» с трехмерным голографическим изображением объекта,требующих использования монохроматического рентгеновского излучения.
Достоинствоквантового детектора – возможность получения рентгеновских или иныхрадиационных изображений объекта теоретически максимально высокого качества.Недостатки – необходимость применения быстродействующих внешних устройств икомпьютера, а также ограничение размеров элемента мозаики – не более 10х10 см.
В детектораханалогового типа используется матрица, элементы которой способны «запоминать»суммарный заряд, возбужденный потоком рентгеновских квантов. Аналоговыедетекторы, реализованные на монокристаллическом кремнии, как и квантовыйдетектор, регистрируют излучение с помощью люминофора экрана илинепосредственно в области пространственного заряда транзистора.
На рис. 6соответственно показаны электрическая схема и структура пикселя аналоговогодетектора. Достоинство таких детекторов, по сравнению с предыдущими, –отсутствие жестких требований к быстродействию внешних устройств; возможностьприема излучения высокой интенсивности, когда временное отделение одного квантаот другого невозможно, что обычно имеет место при приеме излучения в оптическомдиапазоне частот. Недостатки – меньшая контрастность (динамический диапазон)из-за потерь, связанных с самопроизвольной релаксацией информационного заряда впикселях матрицы и неточностью преобразования аналоговых сигналов в цифровые;технологические проблемы, аналогичные квантовому детектору.
Работацифрового детектора мозаичного экрана основана на цифровом отсчете(запоминании) числа квантов, поступивших в каждый элемент матрицы, изапоминании аналогового сигнала, пропорционального выделенной ими энергии.Трехмерная конструкция детекторов этого типа состоит из двух изолированных имеханически соединенных с помощью индиевых столбцов пиксельных матриц. При этомпервая матрица только принимает излучение, а вторая обрабатывает сигналпикселя. Обе матрицы изготавливаются с помощью независимых технологическихпроцессов, что позволяет наилучшим образом оптимизировать качество ихисполнения. Очевидно, мозаичный экран, построенный на цифровых детекторах,позволяет получить теоретически максимально высокое качество изображенияобъекта в рентгеновском спектре излучений.
Следуетотметить, что возможна и другая, более простая, реализация детектора, напримеркогда принимающая излучение матрица представляет собой сборку из аморфныхдиодов и сцинтилляторов или матрицу прямого действия на p-i-n‑диодах ирезисторах. Такой детектор не требует размещения по периферии кристалласпециальных выводов для подключения управляющих устройств. Однако прииспользовании такой приемной матрицы нельзя получить теоретически предельноекачество изображения.
В целомдостоинства экрана на цифровом детекторе заключаются в наилучшем, по сравнениюс экранами других типов, отношении сигнал/шум, в высокой контрастности, большомдинамическом диапазоне, координатной точности и т.п. Его недостатки – высокаястоимость и сложность изготовления.
Израссмотренного следует, что для создания высококачественных рентгеновскихэкранов нового поколения наиболее перспективны мозаичные панели на детекторах спиксельными матрицами на основе функционально-интегрированных структур. Каждоеиз приведенных здесь технических решений представляется весьма перспективнымдля создания таких мозаичных рентгеновских экранов, хотя сейчас сложно определитькакое из них окажется наиболее конкурентоспособным и рентабельным в будущем.Возможно, наиболее перспективны панели, построенные на основе «квантовых»детекторов, поскольку они дают полную информацию о рентгеновском излучении,проходящем через исследуемый объект. В любом случае необходимо проведениеисследовательских работ по анализу эффективности предложенных техническихрешений.
Следуетотметить, что в отечественной промышленности сегодня сложно использоватьтрадиционные технические решения, поскольку в стране отсутствует технологияформирования высококачественных аморфных полупроводниковых слоев, требуемых длярентгеновских экранов.
4.Предварительный расчет приемника
Распределениемежду трактами приёмника частотных и нелинейных искажений. Частотные искажениясоздаются всеми каскадами приёмника. Общую величину частотных искаженийвысокочастотной части приёмника определяют из выражения.
Мвч= Мпрес + Мфси + Мупч [дБ], (3)
где Мвч– общая величина частотных искажений высокочастотной части;
Мпрес –частотные искажения преселектора;
Мфси –частотные искажения фильтра сосредоточенной селекции;
Мупч– частотные искажения усилителем промежуточной частоты.
Принимаемзначения Мвх.ц = 5, Мфси = 4, Мупч = 3.
Мвч= 3 + 4 + 3 = 12 дБ
Общаявеличина частотных искажений приёмника (без искажений, вносимыхгромкоговорителем)
Мобщ= Мвч + Мунч, (4)
где Мунч– частотные искажения в УНЧ, величина которых 2 – 3 дБ.
Принимаемзначение Мунч = 2 дБ.
Мобщ= 12 + 2 = 14 дБ.
Должновыполняться условие
Мобщ= М,
где М –заданные частотные искажения на весь приёмник.
14 дБ = 14 дБ
Причинойнелинейных искажений является нелинейность характеристик усилительных приборови диодов. Наибольшие нелинейные искажения создаются в детекторе и УНЧ. Общуювеличину нелинейных искажений детектора и УНЧ определяют из выражения
Кг.общ= Кгд + Кгунч, (5)
где Кгд– нелинейные искажения в детекторе Кгд= 1 – 2%;
Кгунч– нелинейные искажения в усилителе низкой частоты
Принимаемследующие значения:
Кгд= 1%, Кгунч = 5%.
Кг.общ= 1% + 5% = 6%.
Порезультатам расчётов должно выполняться условие
Кг.общ≤ Кг,
где – Кг– заданные нелинейные искажения на весь приёмник.
6% = 6%.
Определениеэквивалентной добротности контуров преселектора и вывод о необходимостиприменения УРЧ.
В зависимостиот заданной величины ослабления зеркального канала определяется минимаотнаянеобходимая добротность контура преселектора. Сначала выбирают минимальноеколичество контуров и определяют минимальную эквивалентную добротность контура,обеспечивающую заданное ослабление зеркального канала.
/>, (6)
где Seзк – заданное ослаблениесигнала зеркального канала в относительных единицах;
nc – минимальное количествоконтуров;
fcmax – максимальная частотасигнала, заданного рабочего диапазона частот, кГц;
fзк – частота зеркальногоканала, кГц;
fзк= fcmax + 2fпр (7)
Принимаемследующие значения nc = 1, fcmax = 0,285 МГц, Seзк = 18
fзк = 0,285×106 + 2 (465×103) = 0,378МГц.
Qэк.зк=Ö18/(0,378×106)2/(0,285×106)2-1=39,4[дБ]
Далеевыбирают конструктивную добротность контуров преселектора Qкон.
Принимаем длядиапазона гектометровых волн Qкон.=100
Должновыполняться условие
Qэк.зк
где Qэк.зк – эквивалентнаядобротность контура преселектора, дБ;
Qкон – конструктивная добротностьконтура преселектора, дБ;
Qэк.зк
39,4
Условие выполняется,следовательно УРЧ в приёмнике не применяется.
Расчёт полосычастот входного сигнала П и максимальной добротности контура входной цепи Qэкп, при которой частотныеискажения в заданной полосе не превышают допустимых, полученных прираспределении их между каскадами.
П = 2 (Fмmax + ∆fсопр + ∆fг), (9)
где ∆fсопр – допустимая неточностьсопряжения настроек контуров, которую для декаметрового диапазона выбирают 10 –15 кГц, километрового и гектометрового 3 – 5 кГц;
∆fг – возможное отклонениечастоты гетеродина, равное
∆fг =(0,5 – 1)×10-3 fсmax.
∆fг = 0,7×10-3××0,285×106 = 0,2×103 Гц
Принимаем ∆fсопр=4 кГц
П = 2 (3,5×103 + 4×103 + 0,2×103) = 15,4×103 Гц
Значение Qэкп определяем по формуле
/>, (10)
где М –частотные искажения преселектора;
П – полосачастот, кГц;
fсmin– минимальная частотасигнала, МГц;
Приотсутствии в прёимнике УРЧ
М = Мпрес/2,
Так как УРЧ вприёмнике не применяется, то
М = 5/2 = 2,5
Qэкп=0,285×106Ö2,52-1/15,4×103=42,4 [дБ]
Должновыполняться условие
Qэкп >Qэкзк (11)
42,4 >39,4
Условиевыполняется.
Если условиевыполняется, то принимаем рассчитанная Qэкп.
Затемвыбирают блок конденсаторов переменной ёмкости, двух- или трёхсекционный, взависимости от количества контуров, настраиваемых на частоту принимаемогосигнала.
Для расчётачисла поддиапазонов определяют коэффициент диапазона Кд, которыйможет обеспечить выбранный конденсатор переменной ёмкости, и требуемыйкоэффициент диапазона по частоте Кд.с:
/>, (12)
где Ссх– принимается диапазонах гектометровых волн 25 – 30 пФ.
Для расчётапринимаем следующие значения Ссх = 25 пФ, Cкmin = 12 пФ, Cкmax= 495 пФ.
________________
Кд=Ö495+25/12+25=3,7
Затемопределяем значение Кд.с по формуле:
Кд.с= f 'cmax/f 'cmin, (13)
f 'cmax = 1,02 fcmax, (14)
f 'cmin = f 'cmin/1,02, (15)
f 'cmax = 1,02×0,285×106=0,2907 МГц
f 'cmin =0,285×106/1,02=0,279МГц
Кд.с= 0,2907 / 0,279 =1,04
Если Кд≥ Кд.с, то в приёмнике применяется 1 диапазон. Если Кд≤ Кд.с, то заданный диапазон частот входного сигнала следуетразбить на поддиапазоны.
Кд> Кд.с,
3,7 >1,04.
Условиевыполняется, следовательно, в приёмнике достаточно иметь один диапазон.
Выбор схемыдетектора и типа диода. Выбираем последовательную схему диодного детектора.
Так как позаданным техническим условиям проектируемый приёмник можно отнести ко второмуклассу, то в соответствии принимаем значения
Uвхd = 0,3 В, Kd =0,4.
Напряжение навыходе детектора рассчитываем по формуле:
Uвыхd = KdmUвхdk, (16)
где k = 0,5 – 0,6 –коэффициент, учитывающий потери части выходного напряжения детектора нарезисторе,
m = 0,3 – коэффициентмодуляции.
Задаёмсяследующими коэффициентами k = 0,5, m = 0,3.
Uвыхd = 0,3×0,4×0,5×0,3 = 0,018 В
Выбираемточечный диод типа Д9Б.
Определениенеобходимого коэффициента усиления от входа до детектора. Для преобразования частотывыбираем транзистор КТ357А для которого fт=80 МГц, Екмах =10В.Проверяем выполнения условий.
fмах=0,1 fт=0,1×80=8 МГц
Uк =12В>Еи=9В
где fмах – максимальная частотазаданного рабочего диапозона частот;
fт – предельная частотаусиления тока для схемы с общим эммитером при котором h21э=1
Uк — предельно допустимоенапряжение на коллекторе транзистора
Условиевыполняется, следовательно, транзистор выбран правильно. Из справочника длятранзистора КТ357А выписываем основные параметры:
Iк =10мА, Uк=6В, h21э=120, С12=4пФ,S =│Y21э│ = 26 мА/В.
Определяемвходное сопротивление транзистора в режиме преобразования
Rвх = 1/0,8g11э (17)
Rвх=1/0,53×10-3= 1,8 кОм
Определяемхарактеристическое сопротивление контура на частоте f 'cmax
ρmax = 159/fcmax [МГц]× (Cкmin + Cсх) [пФ], (18)
ρmax = 159/0,285×(12 + 25) = 15,14 кОм
Определимэквивалентное и конструктивное затухание контура:
dэп = 1/Qэп; (19)
dкон = 1/Qкон; (20)
dэп = 1/11,3=0,088;
dкон = 1/100=0,01.
Определяемкоэффициент включения контура m1 по формуле
/>, (21)
где Rвх – входное сопротивлениетранзистора 1 каскада радиоприемника;
rmax – характеристическое сопротивление контура;
dэп и dкон – затухание контура.
________________________
m1=Ö(0,088–0,01)×1,8 /15,14=0,096
Напряжение сигнала на входепервого каскада радиоприёмника можно определяется по формуле:
Uвх = EhдQэк.пm1, В, (22)
где E – напряжённостьэлектрического поля в точке приёма В/м, равная 100мкВ;
hд – действующая высотамагнитной антенны, равная 0,02 – 0,04 м;
Qэк.п – максимальнаядобротность контура входной цепи, дБ;_
Принимаемдействующую высоту антенны hд = 0,03 м
Uвх = 120∙10-6××0,03×0,096×42,4 =0,14 мВ.
Необходимыйкоэффициент усиления при приёме сигнала на магнитную антенну определяется поформуле
Кн= (Uвхd/ Uвх)×106, (23)
Кн= (0,3/0,14∙10-6)×106=2142
Необходимыйкоэффициент усиления Кн' берут с запасом из-за разброса параметровтранзистора, неточной настройки контуров и т.д.:
Кн'= (1,4 – 2) Кн., (24)
где Кн– необходимый коэффициент усиления;
Кн'– необходимый коэффициент усиления с запасом.
Кн'= 2×2142=4284
Определениечисла каскадов УПЧ. Для определения числа каскадов УПЧ необходимо знатькоэффициенты передачи входной цепи и преобразователя частоты.
Принимаемкоэффициент передачи входной цепи приёмника – 2
Коэффициентусиления ПЧ, нагруженного на фильтр сосредоточенной избирательности,рассчитывают оп формуле:
Кпч= m1m2KфY21пчR, (25)
где m1 – коэффициент включениянагрузки в коллекторную цепь смесителя m1= (0,6 – 0,8); принимаем m1=0,7
m2 – коэффициент включениянагрузки в цепь базы первого УПЧ
m2= (0,1 – 0,2); принимаем m2=0,15
Y21пч – крутизна характеристикитранзистора в режиме преобразования, мА/В;
Y21пч = 0,5×Y21э, (26)
где R = (10 – 15)×103 Ом –характеристическое сопротивление контуров фильтра сосредоточенной селекции;принимаем R=12кОм
Kф = 0,2 – 0,25 –коэффициент передачи ФСИ; принимаем Kф = 0,25
Y21пч = 0,5×26 = 13 мА/В;
Принявследующие значения m1 = 0,7; m2 = 0,15; Kф = 0,25; R = 12кОм определяем коэффициент усиления ПЧ
Кпч= 0,7×0,15×0,25×0,013×12×103 = 4,095
Дляопределения коэффициента усиления каскада УПЧ рассчитывают устойчивыйкоэффициент усиления по формуле
/>, (27)
где Ск –проходная ёмкость транзистора, принимаем 4 пФ;
fпр – промежуточная частота,равная 465кГц;
Y21Э – крутизнахарактеристики транзистора, мА/В
В каскаде УПЧприменяем транзистор КТ 357А
Рассчитываем устойчивыйкоэффициент усиления УПЧ
Купчуст=6,3Ö26×10-3/465×103×4×10-12=23,54
Необходимоеколичество каскадов УПЧ определяется по формуле
Nупч =(lg Кн' – lg Кпч)/lg Купчуст, (28)
Nупч =(lg 4284 – (lg4,095+lg 3+lg2) /lg 23,54 =1,63
Такимобразом, для обеспечения заданной чувствительности приёмника должно быть 2каскада УПЧ.
Избирательностьпо соседнему каналу Se, создаваемую входной цепью приёмника определяем по формуле:
/>, дБ, (29)
где N – число каскадов УРЧ;
∆f – стандартнаярасстройка, равная 9 кГц для километрового; гектометрового и декаметровогодиапазонов;
fcmax – максимальная частотасигнала, МГц;
Qэк. – ранее выбраннаядобротность контуров входной цепи и УРЧ
____________________________
Se¢=(0+1) 20lgÖ1+2×9×103×1,17/0,285×106=1,7 дБ
Избирательностьпо соседнему каналу Seфси, которую должен обеспечить ФСИ определяется по формуле
Seфси = Se – (Se' + Seупчобщ), [дБ] (30)
где Se – заданнаяизбирательность по соседнему каналу, [дБ]
Seфси = 45 – (0,17 + 6) =38,83 дБ
Выбираем типпьезокерамического фильтра, у которого избирательность по соседнему каналу неменее полученного выше значения и полоса пропускания
Пфси= П/α, (31)
где α =0,8 – 0,9 – коэффициент расширения полосы.
Пфси= 15,4/0,8 = 19,25кГц
В качестве нагрузкипреобразователя частоты используется ФСИ, состоящий изпьезокерамических-звеньев, то необходимо определить количество звеньев (nфси), при котором будутобеспечиваться частотная избирательность Seфси и полоса пропускания Пфси.Для определения количества звеньев фильтра рассчитывают необходимуюэквивалентную добротность контуров ФСИ:
Qэк.фси = (2×√2)×465/ Пфси, (32)
Qэк.фси = (2×√2)×465/12,5 =68,32
Должновыполняться условие
Qэк.фси
где Qконфси = 200 – максимальнаядобротность контуров ФСИ
68,32
68,32
Относительнуюрасстройку αе и обобщённое затухание βе находимпо формулам:
αе= 2∆f/Пфси;(34)
βе= 2fпр/(Qэк.фси×Пфси). (35)
αе= 2×9/19,25 = 0,93;
βе= 2×465/(68,32×19,25) = 0,7
По семействуобобщённых резонансных характеристик для полученных значений αеи βе определим избирательность по соседнему каналу на однозвено фильтра: Se1 = 6,5 дБ.
Определяемколичество звеньев ФСИ по формуле:
nфси = Seфси/ Se1, (36)
nфси = 38,83/6,5 =4,18
Применяем 5звеньев ФСИ
В результатепредварительного расчета ВЧ – трака приемника получилось:
5 звеньевфильтра сосредоточенной избирательности, каскад усилителя радиочастоты порасчету отсутствует, в качестве регулируемых каскадов используем первый ипоследний каскады УПЧ, т.е. один апериодический, другой резонансный.
nн = Д – В, (37)
где Д –заданное изменение сигнала на входе приёмника, [дБ];
В-заданноеизменение сигнала на выходе приёмника, [дБ].
Согласно ГОСТ5651–76, для стационарных радиовещательных приёмников 2‑го класса Д = 30дБ, В = 10 дБ.
Рассчитываемнеобходимые пределы изменения коэффициента усиления регулируемых каскадов
nн = 30 – 10 = 20 дБ.
Считая, чторегулируемые каскады идентичны, определяют необходимое количество регулируемыхкаскадов:
Nару = nн/20lgn. (38)
Задаёмсяизменением коэффициента усиления одного регулируемого каскада n = 10 и определяемколичество регулируемых каскадов
Nару = 20/20lg10 = 1.
В результатепредварительного расчета приемника получилось:
5 звеньевфильтра сосредоточенной избирательности, каскад усилителя радиочастоты порасчету отсутствует, в качестве регулируемого каскада используем УПЧ, каскадбудет резонансный.
Выбор иобоснование структурной схемы усилителя низкой частоты.
Схемувыходного каскада выбираю из следующих данных:
Так каквыходная мощность 0,25 Вт, берем схему класса А-В на мощном транзисторе.Выбираем транзистор из справочника КТ 818Б.
Определиммаксимальную мощность рассеивания на коллекторе транзистора одного плечаусиления.
Рк = 0,6×Рвых/hтрx (39)
Рк = 0,6×0,25/0,7×0,8 = 0,26 Вт
где hтр — коэффициенттрансформации равное (0,7-0,8);
x-коэффициент использования напряжения источника питания равное (0,8-0,9).
Выбираем hтр = 0,7; x = 0,8
Рвых. =Рвых./2 (40)
Рвых. =0,25/2 =0,125 Вт
Определяемкоэффициент усиления мощности УНЧ.
Крунч = Рвых /Рвх (41)
Крунч =0,125/10×10-6= 12500
где Рвх =мощность сигнала низкой частоты потребляемой входной цепью УНЧ.
Дляпромышленных приемников не превышает 10-20 мВ. При входном сопротивлениитранзисторного каскада порядка 500 Ом.
Выбираем Рвх= 1мкВт.
Рассчитатькоэффициент усиления мощности и число каскадов предварительного усиления.
Крпред =Крунч / Крвых (42)
Крпред = 125×103/100 = 125
Определяемчисло каскадов
n = Крпред / Кр (43)
n = 150/100 = 1,25
Таким образом,выбираем два каскада усилителя низкой частоты.
5.Электрический расчет амплитудного детектораИскаженияв детекторе.
Невсегда осознают, что низкочастотный ток, проходящий через резистор нагрузки,протекает также и через нелинейный элемент – диод! Это может явиться причинойискажений продетектированного сигнала.
Каки для любой схемы, где есть элемент с односторонней проводимостью,нежелательное закрывание диода на пиках огибающей будет возникать, еслинарушается известное условие: I > i, где I –постоянная составляющая тока через диод, а i – амплитуданизкочастотного тока.
Вдетекторе на диоде оба эти тока создаются только входным высокочастотнымсигналом. Посмотрите на схему наверху. Пусть на нагрузке детектора R1имеется постоянная составляющая продетектированного напряжения UHи переменная mUH, тогда очевидно:
/>
Еслирегулятор громкости R1 выведен до предела (движок – в крайнем нижнемпо схеме положении), то:
/>
Условиеотсутствия искажений I > i выполняется автоматически: ведьвсегда m
Еслитеперь движок потенциометра перемещен в положение, соответствующее максимумугромкости, то нагрузка детектора для напряжения низкой частоты будет состоятьуже из параллельно соединенных R1 и R2, и:
/>
Получается,что при m > R2/(R1 + R2) (врассматриваемой схеме – при m > 0,5) нарушается условиенеискаженного детектирования.
Чтобыуравнять в этом случае нагрузки для постоянного и переменного напряжений, можноувеличить R2: так при R2 = 1 МОм искажения будут отсутствоватьдаже при 80-процентной модуляции.
Другойспособ пояснен на нижней схеме: сопротивления нагрузки детектора дляпостоянного и переменного напряжений различаются здесь (когда регуляторустановлен на максимум) всего на 16%, т.е. до m Полосамодулирующих частот.
Дополнительныеискажения в детекторе могут возникать для наивысших частот модулирующегонапряжения, когда заметная доля тока выделенного сигнала будет протекать череземкость нагрузки CH. Амплитуда общего тока составит, сучетом этой емкости:
/>
Оказывается,при m, близком к единице, условие I > i опятьнарушается – с ростом частоты F. В то же время слишком уменьшить CHнельзя (во всяком случае, она должна быть на порядок больше емкости диода).Путаницас «входным сопротивлением».
Длясхемы «последовательного» детектора в книгах обычно дается формула: RBX= 0,5 R.
Свходным сопротивлением нелинейных схем дело обстоит непросто. При гармоническомнапряжении входной ток детектора является резко несинусоидальным. В этихусловиях, если уж вести речь о входном сопротивлении, следует прежде яснооговорить, какой смысл будет придаваться этому понятию.
Допустим,источник сигнала имеет внутреннее сопротивление RИ. Следуетожидать, что выпрямленное напряжение UH будет (даже при «идеальном»диоде) теперь заметно меньше амплитуды ЭДС сигнала eBX, итем меньше, чем больше RИ. Этот факт можно приписатьвлиянию «входного сопротивления» детектора RBX, снижающемунапряжение пропорционально RBX /(RИ + RBX).
Дажене решая сложное уравнение, можно будет сделать вывод: искомая величинавходного сопротивления не является постоянной; с увеличением RИэффект детектирования снижается медленнее, чем можно было бы ожидать. Заметим,однако, что здесь RBX получается принципиально во много разменьше, чем 0,5 R (особенно при малых сопротивлениях источникасигнала).
Витоге, при низкоомном источнике расчет «входного сопротивления» детекторавообще теряет смысл, так как в большинстве случаев оказывается верным простоесоотношение:
UH= (0,8…0,9) uBX.
Другоедело, если детектор подключен к колебательному контуру, как чаще всего и бываетв ламповых схемах. Главное, что при этом интересует – снижение добротности,связанное с отбором энергии. Здесь потребуется по-иному определить входноесопротивление детектора:
/>,
гдеР – мощность, отбираемая детектором из контура. Из условия балансамощностей, учитывая, что:
P = U2H/R,
ипринимая UH = uBX, получаем знакомое:
RBX= 0,5 R.Чувствительностьдетектора.
Длятого, чтобы существовал эффект детектирования, требуется выполнение условия,противоположного условию отсутствия отсечки (для линейных схем):
I i'
Здесь:
I – постояннаясоставляющая тока через диод (примерно равная uBX/R);
i' – переменнаясоставляющая, условно принимая диод линейным (равна uBX/Ri,Ri – дифференциальное сопротивление диода при токе I).Вводя крутизну характеристики диода S = 1/Ri,получаем условие линейного детектирования:
SuBX>> I
Располагаяхарактеристикой диода, мы смогли бы теперь получить какие-то количественныеоценки.
Всвязи со специфической характеристикой лампового диода (полином степени 3/2),его чувствительность в принципе растет со снижением уровня детектируемыхсигналов (S уменьшается намного медленнее, чем I). Однакоэтот ток никак не может быть сделан меньше начального тока диода, составляющегонесколько микроампер.
Понятно,что увеличение нагрузки детектора R повышает чувствительность, так какснижается ток диода.Уровеньпульсаций.
Впромежутке между соседними пиками напряжения конденсатор разряжается нанагрузку. Считая процесс разряда линейным, а его длительность равной половинепериода частоты сети (это для двухполупериодного выпрямителя, а дляоднополупериодного – целому периоду), получаем спад напряжения на емкости:
/>,
где,например, для частоты сети 50 Гц />.
Принятыедопущения приведут к тому, что размах пульсаций по приведенной формулеполучится слегка завышенным, но это обеспечит полезный запас расчета.
6. Обоснованиевыбора схемы приёмника
Порезультатам предварительного расчёта была составлена электрическая принципиальнаясхема приёмника ДВ диапазона. В этой схеме входная цепь с внутренней магнитнойантенной содержит один диапазон километровых волн.
/>
Рисунок 11Входная цепь с внутренней магнитной антенной
Настройка назаданные частоты осуществляется двухсекционным блоком конденсаторов переменнойёмкости с воздушным диэлектриком. Связь контура входной цепи с антеннойиндуктивная. Связь входной цепи с преобразователем частоты емкостная. Выбрал именноэту схему, потому что плюсом этой входной цепи с внутренней магнитной антенной являетсявысокая чувствительность.
Преобразовательчастоты
Преобразовательчастоты выполнен на транзисторе VT1 типа КТ357А по схеме с совмещённым гетеродином.
Выбрал такое схемноерешение т. к. он работает в диапазоне километровых волн более устойчиво,содержит меньше деталей и более прост в налаживании, так как при обеспечении режимасамовозбуждения автоматически устанавливается в режим, близкий к оптимальному дляпреобразования частоты.
/>
Рисунок 12Преобразователь частоты с совмещенным гетеродином
Усилитель промежуточнойчастоты
В данномприёмнике используются два каскада УПЧ. Рисунок 7 Первый каскад УПЧ выполнен поапериодической схеме на транзисторе КТ357А, работающий как простой усилительныйкаскад не имеющий частотной избирательности.
/>
Рисунок 13Двухкаскадный усилитель промежуточной частоты
Связь первогокаскада УПЧ со вторым – емкостная. Второй каскад резонансный, выполнен натранзисторе КТ357А. Связь последнего каскада УПЧ с детектором индуктивная,обеспечивающая согласование между ними. Такое схемное решение обеспечивает равномерноеи стабильное усиление частоты.
Фильтр сосредоточеннойизбирательности
Нагрузкой УПЧявляется пятизвенный фильтр сосредоточенной избирательности (ФСИ). Связьтранзисторов УПЧ с ФСИ индуктивная.
Детектор
Диодныйдетектор на точечном диоде VD1 типа Д9Б выполнен по последовательной схеме сразделенной нагрузкой. Связь детектора с УПЧ индуктивная. Так как в приёмнике АМ дляпростоты схемы выбираем диодный детектор.
/>
Рисунок 14Детектор
Усилитель низкойчастоты
/>
Рисунок 15Усилитель низкой частоты
Каскад УНЧвыполнен по схеме с трансформаторным выходом. УНЧ представляет собойпредоконечный каскад на VT4 (работает в режиме класса В) и оконечныйоднотактный – на VT5 (работает в режиме класса АВ).
Связь междукаскадами емкостная. Выбор такого вида связи заключается в том, что она создаётменьшие частотные и нелинейные искажения, а так же имеет меньший вес и габаритыконструкции в отличие от трансформаторной связи.
/>
Рисунок 16Оконечный УНЧ
Заключение
В ходекурсового проектирования были проанализированы исходные данные на основаниикоторых был проведен предварительный расчет приемника, составлены структурные ипринципиальные схемы приемника по расчету. Приведено обоснование выборпринципиальных схем. Была рассмотрена сущность транзисторного приема и еёсовременные схемотехнические решения.
Так же былпроизведен электрический расчет преобразователя частоты. По предварительному расчетуприёмника была составлена структурная схема, а также электрическая принципиальная.В этой схеме входная цепь с внутренней магнитной антенной содержит одиндиапазон километровый волн.
Настройка назаданные частоты осуществляется двухсекционным блоком конденсаторов переменнойёмкости с воздушным диэлектриком. Связь входной цепи с преобразователем частотыемкостная. Выбрал эту схему, потому что плюсом этой входной цепи с внутренней магнитнойантенной является высокая чувствительность.
Преобразовательчастоты выполнен на транзисторе VT1 типа КТ357А по схеме с совмещённым гетеродином.Выбрал так как содержит меньше деталей и более прост в налаживании.
В данномприёмнике используются два каскада УПЧ. Первый каскад УПЧ выполнен поапериодической схеме на транзисторе типа КТ357А, работающий как простойусилительный каскад не имеющий частотной избирательности. Связь первого каскадаУПЧ со вторым – емкостная. Второй каскад выполнен на транзисторе КТ315А. Связьпоследнего каскада УПЧ с детектором индуктивная, обеспечивающая согласованиемежду ними. Такое схемное решение обеспечивает равномерное и стабильное усилениечастоты. Нагрузкой УПЧ является пятизвенный фильтр сосредоточенной избирательности(ФСИ). Связь транзисторов УПЧ с ФСИ индуктивная.
Диодныйдетектор на точечном диоде VD1 типа Д9Б выполнен по последовательной схеме. Связьдетектора с УПЧ индуктивная. Так как в приёмнике АМ для простоты схемы выбираемдиодный детектор.
Каскад УНЧвыполнен по схеме с трансформаторным выходом. УНЧ представляет собой предоконечныйкаскад на VT5 (работает в режиме класса В) и оконечный однотактный – на VT6 (работает в режимекласса АВ). Связь между каскадами емкостная. Выбор заключается в том, что онасоздаёт меньшие частотные и нелинейные искажения, а так же имеет меньший вес игабариты конструкции.
Списокиспользованной литературы
1 Ю.А. Буланов, С.Н. Усов«Усилители и радиоприемные устройства». М. Высшая школа.
2 Г.В. Куликов «Бытоваяаудиоаппаратура». М. 2006, ДМК-пресс
3 В.Ф. Баркан, В.К. Жданов.«Радиоприемные устройства». Москва. «Совецкое Радио» 1978 г.
4 Бобров Н.В.,Максимов Г.В., Мичурин В.И., Николаев Д.П. «Расчёт радиоприемников».Москва 1971 г.
5 И.Ф. Белов. Справочникпо переносным и автомобильным радиоприемникам и магнитолам. М. Радио исвязь, 2000 г.
6 Ю.А. Буланов, С.Н. Усов.Усилители и радиоприемные устройства. Москва. Высшая школа, 2005 г.
7 О.В. Головин. Радиоприемныеустройства. Москва. Горячая линия – Телеком, 2002 г.
8 В.Д. Екимов, К.М. Павлов.Проектирование радиоприемных устройств. Москва. «Связь», 1970 г.
9 А.П. Жуковский. Радиоприемныеустройства. Москва. «Высшая школа» 2002 г.
10 В. Иоффе, М. Лизунков.Бытовые акустические системы. М. Радио и связь, 2002 г.
11 Г.В. Куликов. Бытоваяаудиоаппаратура. Москва. ДМК – пресс, 2006 г.
12 А.Л. Кульский КВ-приемник мировогоуровня. М. наука и техника, 2000 г.
13 Е.М. Купряков Сто лет радио. Москва.«Высшая школа 2001 г.
14 Р.М. Малинин. Справочник радиолюбителя-конструктора.Москва. Массовая радиобиблиотека, 2004 г.
15 А.А. Петров Звуковая схемотехникадля радиолюбителей. Наука и техника, Санкт-Петербург 2003 г.