مقاله طراحی و ساخت ترانسپوندرSSR Mode A/C در فرکانس 1030 و 1090 مگا هرتز

بخشی از مقاله

چکیده - در این مقاله طراحی و ساخت ترانسپوندر SSR Mode A/C در فرکانس گیرنده 1030 مگا هرتز و فرکانس فرستنده 1090 مگاهرتز، ارائه شده است. این ترانسپوندر می تواند پالس های ارسالی رادارهای ثانویه - SSR - را آشکار کرده و پاسخ مربوطه را به رادار ارسال کند. قسمت فرکانس بالای گیرنده - RF frontend - به صورت رادیو با فرکانس تنظیم شده - TRF - کار کرده و از چندین RF-IC و فیلتر های SAW استفاده می نماید.

این گیرنده در حقیقت پوش - Envelope - سیگنال ورودی را آشکار می کند. سیگنال آشکار شده نمونه برداری شده و توسط میکروپروسسور وجود فریم های Mode A و Mode C بررسی می شود، که در صورت وجود، سیگنال پاسخ - Reply - مناسب توسط میکرو پروسسور تولید خواهد شد. این سیگنال ها به شکل مدولاسیون ASK - OOK - بر روی فرکانس حامل سوار شده و سپس توسط فرستنده ارسال می شوند. این اطلاعات در Mode A کد Squawk و در Mode C ارتفاع بارومتریک هواپیما می باشد.

-1 مقدمه

برج های مراقب پرواز به منظور کنترل فضای پروازی از هر دو رادار اولیه و ثانویه استفاده می کنند. رادارهای اولیه محدودیت های بسیاری دارند که می توان به چند مورد آنها اشاره نمود: کاهش کارایی رادار با کاهش سطح مقطع راداری هدف و استفاده از مواد کامپوزیت در بدنه هواپیماها- محدودیت برد رادار به دلیل عوارض زمین و شرایط جوی- عدم تمایز و تعیین نوع هدف شناسایی شده که می تواند یک هواپیما، یک کامیون، یک تپه، درختان و موارد دیگر باشد - در یک رادار اولیه فقط فاصله و زاویه یک هدف گزارش می شود و ارتفاع آن مجهول است.

رادارهای ثانویه برای غلبه بر این مشکلات اختراع شده اند. در این نوع رادار یک ترانسپوندر در هواپیما وجود دارد که به پرسش های - Interrogations - ایستگاه زمینی پاسخ می دهد. بسته به نوع پرسش، ترانسپوندر اطلاعات در خواستی را تعیین کرده و پاسخ - Reply - مربوطه را ارسال می کند .که در Mode A کد شناسایی هواپیما - Squawk Code - ارسال شده و در Mode C اطلاعات ارتفاع بارومتریک ارسال می شود.

-2 طرح کلی سیستم

در طرح پیشنهادی، سیستم به سه بلوک اصلی فرستنده، گیرنده و واحد پردازش سیگنال تقسیم شده است. که در بخش های آتی به ترتیب مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

-1-2 طراحی فرستنده

در هر سیستم بی سیم تقویت کننده توان یک عضو کلیدی آن سیستم می باشد. برای کاهش تداخل بین سیستم ها و استفاده بهینه از پهنای باند، فرستنده ها باید خطی باشند .[5] علاوه بر خطی بودن، راندمان و توان مصرفی تقویت کننده های توان مسئله مهمی می باشد. بدین منظور و برای تحقق هر دو هدف گفته شده از تقویت کننده توان با هارمونیک ها کنترل شده GaN HEMT Class-F در فرکانس 1090 مگاهرتز استفاده شده است. [1-3 ] نتایج طراحی نشان می دهند که تقویت کننده پیشنهادی به هنگام تحریک با یک سیگنال حامل در فرکانس 1090 مگاهرتز راندمان % 78 - PAE - و توان خروجی بالاتر از 40 dBm را بدست می دهد. همچنین بهره تقویت کننده 16 دسی بل می باشد.

به منظور اندازه گیری خطی بودن تقویت کننده از دو فرکانس حامل با اختلاف فرکانس 10 مگاهرتز نسبت به یکدیگر استفاده شده است. که فرکانس مرکزی 1090 مگاهرتز می باشد. نتایج حاصل نشان دهنده نسبت C/I - Carrier to Intermodulation - بالاتر از 30 دسی بل با توان ورودی dBm 22 و میزان راندمان % 66 می باشند. طرح تقویت کننده طراحی شده به وسیله نرم افزار ADS در شکل 1 مشخص است. همچنین به منظور تقویت سیگنال ارسالی از واحد پردازش به میزان 24 dBmو بدین ترتیب دستیابی به توان خروجی 40 dBm از تقویت کننده اولیه - preamplifier - خطی بعد از واحد پردازش استفاده شده است، بدین ترتیب سیگنال ورودی تقویت کننده توان به میزان مطلوب می رسد.

-2-2 طراحی گیرنده

قسمت فرکانس بالای گیرنده را می توان به دو قسمت تقسیم کرد . بلوک گیرنده در شکل 2 نمایش داده شده است. وظیفه قسمت اول تقویت و انتخاب کانال بوده که به وسیله ترکیبی از فیلترهای میان گذر SAW و تقویت کننده های کم نویز به منظور حداقل ساختن نویز اضافه شده به سیگنال ورودی، انجام می شود. وظیفه قسمت دوم آشکار سازی پوش سیگنال ورودی است که مانند یک آشکارساز AM عمل می کند . در فرکانس 1030 مگاهرتز دو نوع فیلتر SAW با پهنای باند 30 و 12 مگاهرتز استفاده شده است که پهنای باند این فیلترها برای انتخاب کانال به اندازه کافی باریک می باشند. بنابراین گیرنده را می توان به صورت رادیو با فرکانس تنظیم شده - TRF - طراحی کرد و نیازی به طبقات IF نیست.

از آنجایی که فاصله گیرنده هواپیما و فرستنده زمینی می تواند کمتر از 1 کیلومتر تا چند 100 کیلومتر باشد، بنابراین حساسیت و محدوده دینامیکی طبقه RF می بایست وسیع باشد. پوش سیگنال ورودی توسط آشکارساز لگاریتمی آشکار می شود که محدوده دینامیکی گیرنده به میزان 71 دسی بل بوده و این موضوع به معنای دریافت سیگنال هایی در محدوده - 71 dBm تا 0 dBm می باشد. براساس جلد 4 انکس 10 [4] ICAO حداقل سطح تریگرینگ ترانسپوندر باید به نحوی باشد که به 90 درصد از پرسش ها - Interrogation - به نحو ذیل، پاسخ داده شود.

-1 وقتی پالس اول و سوم که به عنوان یک پرسش تشخیص داده شده اند، دارای دامنه یکسان بوده و پالس دوم وجود نداشته باشد.

-2 دامنه این سیگنال ها به طور اسمی 71 dB کمتر از 1 میلی وات است، که محدوده آن بین 69 dB و 77 dB کمتر از 1 میلی وات می باشد.

-3-2 طراحی واحد پردازش و تولید سیگنال

به منظور پردازش سیگنال دریافتی و ارسال پاسخ مناسب می بایست از پردازنده سرعت بالایی استفاده شود که در طرح پیشنهاد شده از FPGA سری ALTERA CYCLONE III استفاده شده است. این پردازنده وظایف آشکار سازی و پردازش سیگنال دریافتی را به عهده داشته و پس از دریافت و مشخص نمودن اطلاعات در خواستی، پالس های لازم را تولید می کند. سپس این پالس ها توسط یک RF DAC که یکی از جدید ترین پیشرفت ها در زمینه رادیوی تعریف شده توسط نرم افزار - SDR - می باشد، مستقیما به پالس های رادیویی در فرکانس 1090 مگاهرتز تبدیل می شوند. این پالس ها بعد از عبور از یک طبقه فیلتر پایین گذر آنالوگ به منظور حذف سیگنال تصویر به تقویت کننده قدرت ارسال می شوند. براساس جلد 4 انکس [4] ICAO 10، سیگنال های ارسالی و دریافتی دارای مشخصات ذیل می باشند:

ترانسپوندر پس از دریافت پرسش - Interrogation - بلافاصله پاسخ را ارسال می کند، بدین ترتیب که پس از دریافت پالس های P1 ، P2 و P3 و سپس بررسی زمان بین پالس اول و سوم اطلاعات درخواستی مشخص می شود. همچنین پالس دوم P2 به منظور حذف ساید لوب های آنتن رادار زمینی ارسال می شود که به این منظور میکروپروسسور باید دامنه پالس اول و دوم را مقایسه کند. براساس جلد چهارم انکس [4] 10، به منظور ارسال پاسخ تمامی شرایط ذیل می بایست فراهم باشند:

-1 دامنه دریافتی پالس سوم بیشتر از 3dB از پالس اول بزرگتر نباشد و یا دامنه پالس سوم 1dB از پالس اول کمتر باشد.

-2 در بازه 1.3-2.7 ʽs از ابتدای پالس اول هیچ پالسی دریافت نشود یا دامنه آن 9dB کمتر از پالس اول باشد.

-3 دامنه پرسش های درست به میزان 10dB از پالس های تصادفی بیشتر باشد .

ترانسپوندر در صورت وقوع وضعیت های زیر پاسخی ارسال نمی کند :

·    در صورتی که فاصله بین پالس اول و سوم دریافتی به میزان - 1 ʽs از مقادیر نشان داده شده در شکل 3 متفاوت باشد.

·    تغییرات دامنه پالس های تکی دریافتی مانند یک پالس نرمال سوال نباشد.

Mode A -1-3-2

مطابق شکل 3 در صورت وجود فاصله 8 ʽs -1ʽs بین پالس اول و سوم اطلاعات درخواستی Mode A بوده و سپس میکروپروسسور کد Squawk خود را که یک عدد 4 رقمی مبنای - octal - 8 است، ارسال می کند.