Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах и улицах «Добрая дорога детства» 2
Скачать 1.38 Mb.
|
Содержание
Аннотация На сегодняшний день существуют РЛС дальнего обнаружения целей. Станция служит для обнаружения и сопровождения космических объектов. Темой данного проекта является составная часть антенно-фидерного устройства, входящую в радиолокационную станцию. В дипломном проекте была разработана программа проверки параметров (ППП) ячейки спецвычислителя модуля антенно-фидерного устройства на инструментальном языке. Инструментальный язык позволяет разработать текстовые файлы для проверки аппаратуры и включает в себя средства символического кодирования в соответствии с алгоритмами проверки. В дипломном проекте представлена ячейка спецвычислителя модуля антенно-фидерного устройства, для которой была создана программа управления модулем при его испытании. Программа загружается на специализированный стенд, предназначенный для проверки ячейки и управления ею в составе модуля. Инструментальный язык был разработан на предприятии ОАО НПК НИИДАР. Так же был произведен расчет параметров ячейки в программе АСРН (Автоматизированная система расчета надежности), разработанной в ОАО «Российский научно-исследовательский институт «ЭЛЕКТРОНСТАНДАРТ»». АСРН разработана на базе справочника "Надежность электрорадиоизделий" и позволяет рассчитывать надежность модулей 1-го и 2-го уровней без резервирования в режиме эксплуатации (только для отечественных ЭРИ) и хранения в составе подвижных и неподвижных объектов. Перечень сокращений
Введение В настоящее время широкое применение в радиолокационных комплексах получили антенны, построенные по принципу фазированных антенных решеток. Главным отличием фазированных антенных решеток является включение в антенный тракт систем фазовращателей и коммутаторов, осуществляющих управление фазовым или амплитудно-фазовым распределением для электрического сканирования[13]. Тракт предназначен для управления модулями антенно-фидерного устройства и распределения фазовых сдвигов в зависимости от расположения излучателя в фазовой решетке. Фазовые сдвиги рассчитываются в ячейке спецвычислителя в зависимости от координат нахождения излучателя в фазовой решетке[2]. Информация управления спецвычислителем поступает от вычислительного комплекса. Вычислительный комплекс должен обладать высокой производительностью и большим объемом оперативной и командной памяти, поскольку в нем осуществляется вторичная обработка информации, поступающей со всех основных трактов станции, а также решаются задачи контроля их работы, управления и документирования. Для качественной работы вычислительного комплекса необходимо проводить регулярные проверки правильности работы как комплекса в целом так и отдельных его ячеек. Это позволяет эффективно выявлять сбои в работе системы и цепях передачи данных, возникающих от различных помех, и быстро их устранять. Целью данного дипломного проекта является разработка программы управления ячейкой спецвычислителя в составе модуля антенно-фидерного устройства при его испытаниях на инструментальном языке. Эта программа позволяет осуществить проверку работоспособности и надежности модуля антенно-фидерного устройства при его испытании на стендовом оборудовании. Необходимо произвести расчет надежности параметров ячейки с помощью специализированной программы АСРН (Автоматизированная Система Расчета Надежности), разработанной в ОАО «Российский научно-исследовательский институт «ЭЛЕКТРОНСТАНДАРТ»»[23]. Это нужно для повышения надежности всей системы, а так же для того чтобы заранее выявить слабые места конструкции. 1 Исследовательский раздел 1.1 Понятия и определения Антенна – устройство для излучения и приема радиоволн. Передающая антенна преобразует энергию электромагнитных колебаний высокой частоты, сосредоточенную в выходных колебательных цепях радиопередатчика, в энергию излучаемых радиоволн. Приемная антенна выполняет обратную функцию: преобразует энергию распространяющихся радиоволн в энергию, сосредоточенную во входных колебательных цепях приемника. Фазовращатель – устройство, предназначенное для изменения фазы электромагнитных колебаний на выходе линии передачи СВЧ или КВЧ (полного или диэлектрического радиоволновода, коаксиальной длинной линии, полосковой линии) относительно фазы колебаний на ее входе, осуществляемого посредством изменения электрической длины этой линии. ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы) представляют собой цифровые интегральные микросхемы (ИС), состоящие из программируемых логических блоков и программируемых соединений между этими блоками. Возможность конфигурировать эти устройства позволяет инженерам-разработчикам решить множество различных задач. ПЗУ (постоянное запоминающие устройство) – энергонезависимое устройство, в котором хранимая информация не разрушается при отключении питания системы. Другие компоненты системы могут считывать информацию из устройств ПЗУ, но не могут записывать в них новые данные. В отличие от ПЗУ, в ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) данные могут как записываться, так и считываться. Такие устройства являются энергозависимыми, так как при отключении питания вся информация, хранимая в ОЗУ, будет потеряна. Антенная решётка (АР) — сложная направленная антенна, состоящая из совокупности отдельных слабонаправленных антенн (излучающих элементов), расположенных в пространстве особым образом. Антенные решётки применяются для повышения усиления всей системы в сравнении с отдельным антенным элементом, а также получения возможности управления формой диаграммы направленности. Фазированная антенная решётка — тип антенн, в виде группы антенных излучателей, в которых относительные фазы сигналов изменяются комплексно, так, что эффективное излучение антенны усиливается в каком-то одном, желаемом направлении и подавляется во всех остальных направлениях. Антенно - фидерные устройства (АФУ) — предназначаются для передачи сигналов в системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, а также других радиотехнических системах, использующих для передачи информации свободное распространение радиоволн. 1.2 Передающие и приемные антенны Антенной называется устройство, служащее для излучения и приема радиоволн. Общая схема радиокомплекса показана на рисунке 1.  Рис. 1 – Схема радиокомплекса На рисунке 1 обозначено: 1 - передающее устройство (передатчик); 2,5 – линии связи; 3 – передающая антенна; 4 - приемная антенна; 6 - приемное устройство (приемник) На входные устройства передатчика попадает управляющий низкочастотный сигнал s(t). В передатчике сигнал s(t) частотой Ω накладывается на высокочастотный несущий сигнал частотой f, и в результате чего образуется радиосигнал а[4]. Пройдя линию связи (фидер) 2 между передатчиком 1 и передающей антенной 3, радиосигнал а попадает в передающую антенну 3 и излучается в пространство между передающей 3 и приемной 4 антеннами, т.е. в канал связи. Таким каналом может служить свободное пространство у поверхности Земли, космическое пространство, волоконно-оптическая линия, волновод и т.п. По мере прохождения радиосигнала а по каналу связи на этот сигнал накладываются помехи, поэтому к приемной антенне 4 подходит несколько измененный радиосигнал а. Пройдя линию связи 5, этот радиосигнал попадает на входные устройства приемника 6. После преобразований в приемнике на его выходе получается некоторый сигнал s(t), измененный по отношению к исходному управляющему сигналу s(t). Общей задачей радиотехники как науки о передачи сообщений с помощью высокочастотных колебаний на большие расстояния является обеспечение минимальной разности между исходным и полученным сигналами [10]. Различают антенны двух типов: передающие и приемные. Передающая антенна преобразует энергию электромагнитных колебаний высокой частоты, сосредоточенную в выходных колебательных цепях радиопередатчика, в энергию излучаемых радиоволн – радиосигнал а. Преобразование основано на свойстве переменного электрического тока быть источником электромагнитных волн. Приемная антенна выполняет обратную функцию – преобразует энергию приходящих к ней радиоволн в энергию, сосредоточенную во входных колебательных цепях приемника. Формы, размеры и конструкции антенн весьма разнообразны и зависят от длины излучаемых или принимаемых волн, назначения антенн и типа канала связи [2]. 1.3 Принципы построения фазированных антенных решеток Сложность антенных систем приводит к их высокой стоимости. Поэтому процесс проектирования в значительной мере сводится к изысканию таких решений, который с учетом класса радиолокационной станции, требований размещения, мобильности, серийности производства, изменения внешних воздействий позволят найти приемлемый компромисс между стоимостью антенной системы и ее характеристикам [1]. На первый вопрос при проектировании фазированных антенных решеток выдвигается вопрос о создании еще в процессе разработки опытного образца радиолокационной станции крупной серии элементов антенн с требуемыми параметрами и невысокой стоимостью. Поэтому уже в начале проектирования фазированные антенные решетки должны быть рассмотрены технологические возможности отраслевой промышленности, создающей массовую элементную базу фазированных антенных решеток, определены варианты элементной базы для данного типа радиолокационной станции и выработаны технические и экономические требования к каждому элементу с учетом серийного производства. Особенно важно на этом этапе определить возможность получения в процессе промышленного выпуска элементов фазированных антенных решеток повторяемости значений их параметров от экземпляра к экземпляру и сохранения этой повторяемости во всем диапазоне изменений внешних воздействий [5]. Следующий этап проектирования - разработка вариантов функциональных схем фазированных антенных решеток, отвечающих заданным техническим требованиям, а также учитывающих конструкторско-технологические особенности построения антенны. На этом целесообразно рассмотреть варианты построения, имеющие существенные различия, например пассивная фазированная антенная решетка (на передачу или прием), приемная фазированная антенная решетка с обработкой сигнала управлением лучом на несущей или промежуточной частотах и т. п. Это позволит более тщательно и детально оценить возможности существующей технологии и выбрать в дальнейшем наиболее оптимальный для данного типа радиолокационной станции вариант такой сложной системы. Существенным моментом проектирования на этом этапе является расчет потерь потенциала, вызванных применением в радиолокационной станции той или иной схемы антенной решетки [10]. Должны быть учтены как прямые потери энергии, например в системе распределения мощности или управления лучом, так и потери коэффициента усиления антенны, вызванные дискретностью фазирования, ступенчатой аппроксимацией линейного фазового фронта: отклонением луча от нормали или ошибками амплитуд но-фазового распределения. Эти потери влияют на тактические характеристики системы. Прямые потери можно пересчитать в потери коэффициента усиления фазированной антенной решетки и потенциала радиолокационной станции. На потери потенциала в радиолокационной станции с фазированной антенной решеткой сильно влияют ошибки фазового распределения, возникающие в раскрыве решетки и достигающие значительных размеров. Статистическая теория антенн позволяет оценить падение коэффициента усиления и других характеристик фазированной антенной решетки в зависимости от статистики фазового распределения в ее раскрыве. Для получения оценки необходимо знать эту статистику. В многоканальных системах, какими являются фазированные антенные решетки, эта задача решается достаточно сложно [1]. Результаты расчета характеристик нескольких схем фазированных антенных решеток, каждая из которых отвечает заданным техническим требовани ям, позволяют на завершающем этапе проектирования сопо ставить их и выбрать наилучшую. Опыт проектирования фазированных антенных решеток показывает, что такое сопоставление целесообразнее делать по энергопотреблению (КПД, если речь идет о передающей фазированной антенной решетке, или суммарным потерям, если рассматривается приемная фазированная антенная решетка), надежности, стоимости и массогабаритным характеристикам. В зависимости от класса РЛС каждой из этих характеристик должен быть придан соответствующий вес. Интегральное оценивание позволяет принять окончательное решение о выборе наиболее оптимального варианта фазированной антенной решетки. 1.4 Ферритовые фазовращатели Фазовращатели наиболее широко применяются в фазированных антенных решетках радиолокационных станций. Современные фазированные антенные решетки состоят из нескольких тысяч элементов, каждый из которых содержит фазовращатель. В настоящее время в основном используют ферритовые и полупроводниковые фазовращатели. Фазовращатели на основе сегнетоэлектриков, электронных пучков и плазмы еще не столь совершенны и области их применения весьма ограничены.[4] К фазовращателям, предназначенным для использования в многоэлементных фазированных антенных решетках, предъявляются многообразные и жесткие требования. Основными среди них являются: минимальное время переключения (изменение фазового состояния) при возможно меньшей мощности управляющего сигнала; достаточная точность установки фазового сдвига; электрическая прочность, которая должна быть достаточной для пропускания требуемой импульсной мощности; поперечные габариты фазовращателя, которые, как правило, не должны превышать 0,5×0,5 λ0 с учетом возможности размещения их в полотнах с периодом не более (0,7…0,8) λ0; минимальные потери СВЧ энергии в волноводных элементах фазовращателя; система охлаждения, которая должна обеспечивать работу на заданной средней мощности. Снижение потерь СВЧ мощности и энергии, затрачиваемой на переключение фазы, обеспечивает решение одной из сложнейших проблем в конструировании передающих фазированных антенных решетках - отвод тепла от фазовращающих элементов и стабилизацию их температуры. Применение ферритовых фазовращателей в большинстве случаев становится целесообразным на частотах 1…2 ГГц и выше. На более низких частотах требуется намагничивать ферритовые элементы до значений, превышающих точку резонанса, что приводит к неизбежности применения весьма мощных и громоздких управляемых магнитных систем.[2] Наиболее экономичными по затратам энергии на управление являются фазовращатели с замкнутой магнитной цепью, обла дающие магнитной памятью. В таких фазовращателях изменение намагниченности феррита, а следовательно, и вносимого фазового сдвига осуществляется короткими импульсами тока, по окон чанию которых фазовый сдвиг остается неизменным в течение длительного времени. Фазовращатели с незамкнутой магнитной цепью применя ются лишь в ряде специальных устройств, например, когда тре буется непрерывно изменять фазу волны в очень широких пре делах или если по условиям технологии производства сформировать замкнутую магнитную цепь невозможно. Ферритовые фазовращатели подразделяют на два класса: невзаимные, которые создают фазовый сдвиг, зависящий от направления распространения волны, и взаимные. В невзаимных фазовращателях феррит подмагничивается поперечно относительно направления рас пространения волны, во взаимных — продольно (за исключени ем «синхронных»). Взаимные фазовращатели подразделяются на проходные и отражатель ные. Последние, как правило, имеют более простую конструк цию, меньший продольный размер. При их использовании в полотне отражательной фазированной антенной решетки проще разместить электронные блоки системы управления, что особенно важно при создании антенн миллиметрового диапазона волн. К недостаткам отра жательных фазовращателей следует отнести меньшую точность установки фазовых сдвигов по сравнению с проходными при одинаковом уровне согласования. Наибольшее распространение по сравнению с коаксиальными, полосковыми и микрополосковыми фазовращателями к настоящему времени получили волноводные фазовращатели, характеризующиеся значительно меньшими потерями и лучшим согласованием. Ферриты, используемые в фазовращателях, являются магнитодиэлектрическими материалами с кристаллической струк турой.[5] С увеличением напряженности внешнего ВЧ поля в ферро магнитных материалах начиная с некоторого значения наблю даются пороговые явления — резко увеличиваются потери из-за возбуждения спиновых волн. В связи с этим при разработке фазовращателя, рассчитанного на высокую импульсную мощность, необхо димо определить максимальную напряженность ВЧ магнитного поля в ферритовом стержне и с учетом его выбрать ферромаг нитный материал. Поперечные размеры волновода и ферритового стержня фазорегулирующей секции фазовращателя выбираются такими, чтобы в задан ном рабочем диапазоне частот распространялся лишь низший тип электромагнитной волны. [8] 1.4.1 Управляющие устройства ферритовых фазовращателей Управляющие устройства (УУ) должны обеспечивать уста новку заданного значения фазового сдвига с необходимой точ ностью и с учетом формы фазовой характеристики (ФХ), ее из менения в диапазоне частот и температур. Форму и изменения ФХ в диапазоне частот обычно учитывают алгоритмическими методами. Изменение же свойств фазовращателя в диапазоне температур таким способом учесть и устранить чрезмерно труд но, а иногда и невозможно. Поэтому фазовращатели либо снабжаются системой термостабилизации, либо система управления строится так, что изменения параметров феррита в зависимости от тем пературы учитываются автоматически. Это усложняет и удоро жает фазовращатели в целом. [9] Для управления фазовращателями применяются системы с переменными амплитудой или длительностью управляющего импульса и си стемы с обратной связью по магнитному потоку. При управле нии импульсами с переменной длительностью (время-импульс ный метод) относительно просто реализуется цифровой метод формирования управляющего сигнала и обеспечивается сравни тельно высокий коэффициент полезного действия выходных устройств системы управления[2]. Цикл установки фазы поясняет рисунок 2. Сначала сердечник переводится в состояние остаточной намагниченности (характе ризующейся точкой Br) достаточно мощным импульсом тока, создающим магнитное поле, в несколько раз превышающее Hc. Затем подается импульс тока противоположного направления, длительность которого и определяет остаточную намагничен ность Вs(процесс перемагничивания показан стрелками). Ана логично управляют намагниченностью феррита при использова нии управляющих импульсов регулируемой амплитуды. Система с обратной связью по магнитному потоку позволяет ослабить зависимость управляемого фазового сдвига от темпе ратуры ферритового сердечника, изменяющихся в процессе ста рения параметров феррита, амплитуды управляющего напряже ния и ряда других внешних воздействий.  Рис. 2 - Зависимость магнитной индукции от внешнего магнитного поля 1.4.2 Перспективы совершенствования и применения ферритовых фазовращателей Электрические характеристики ферритовых фазовращателей сантиметрового диапа зона определяются параметрами ферритовых материалов и схемными ре шениями. Ферритовые фазовращатели еще не удовлетворяют современным требовани ям по быстродействию, вносимым потерям и энергии, потребляемой по це пям управления. Остается высокой их стоимость, что, в частности, огра ничивает область использования ФАР. Конкурентом ферритовых фазовращателей в диа пазонах частот ниже 2 ... 3 ГГц являются прежде всего диодные фазовращатели. На частотах 3... 5 ГГц диодные и ферритовые фазовращатели экономически равноценны и их применение определяется дополнительными эксплуатационными сообра жениями. По-видимому, в ближайшем будущем ферритовые фазовращатели не будут испытывать реальной конкуренции в коротковолновой части миллиметрового диапазона волн. [4] Совершенствование, вероятнее всего, будет идти в направ лении улучшения их массогабаритных характеристик (в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн) и упрощения их конструкции и техноло гии производства. Можно ожидать появления более совершенных конструк ций фазовращателей на основе коаксиальных, полосковых линий и линий поверхностных волн с продольным и поперечным управляющим магнитным полем. Приме нение коаксиальных и полосковых линий передачи в ферритовых фазовращателях целе сообразно в дециметровом и метровом диапазонах волн в тех случаях, когда требуются повышенная электрическая прочность и радиационная стой кость, недостижимые для полупроводниковых фазовращателей. В коротковолновой ча сти сантиметрового и в миллиметровом диапазонах волн следует обратить внимание на перспективность повышения степени интеграции фазовращателей с излуча ющими устройствами и элементами системы управления[5]. С экономической точки зрения, а также для улучшения надежности и электрических харак теристик ФАР в целом целесообразно применять интегрированные блоки фа зирования, изготовляемые в едином технологическом цикле и эквивалент ные по функциональным возможностям нескольким десяткам или даже сотням отдельных ФВ и излучателей[9]. Такая интеграция неизбежна при создании устройств для коротковолновой части миллиметрового диапазона волн. 2 Специальный раздел 2.1 Тракт управления приемными модулями АФУ 2.1.1 Назначение тракта Тракт предназначен для управления модулями антенно-фидерного устройства (АФУ) и распределения фазовых сдвигов в зависимости от расположения излучателя в фазовой решетке. Фазовые сдвиги рассчитываются в зависимости от координат нахождения излучателя в фазовой решетке. 2.1.2 Состав и структурная схема Обмен модулей с ВК производиться по последовательным линиям связи, при этом каждое место расположения модуля имеет свой адрес. Такое построение позволяет производить групповую запись информации в ячейку каждого модуля и индивидуальное считывание информации состояния выбранного модуля. По отдельным линиям на модуль поступают импульсы синхронизации Пи. Общей частью тракта являются активные узлы размножения последовательных линий связи и синхронизации и непосредственно кабельный монтаж. Таким образом тракт спецвычислителя состоит из 256 распределенных по модулям узлов (ячеек) спецвычислителей, общих узлов (блоков) размножения сигналов информации и синхронизации и линий связи. Структурная схема тракта приведена на рисунке 3. Основным техническим параметром, требующим обоснования, является обеспечение требуемого быстродействия расчета Аху. Время расчета и выдачи на модуль кодов для 8 фазовращателей (1 столбец) по техническим требованиям должно быть не более 12 мкс. Учитывая, что из этого времени 3 мкс требуются аппаратуре модуля для приема и обработки кодов, время, отведенное для расчета кодов должно быть не более 8 мкс. |
