К  МШУ современных приёмных систем предьявляются следующие основные требова-ния:

1) Они должны быть пригодны для установки вблизи от облучателя антенны (желательно, перед фидером с потерями), обладать малой шумовой температурой и большим коэффициентом усиления. При этом согласно (2.9) снижается   приёмной системы в целом, а следовательно, увеличивается отношение на выходе канала связи. Если же величину  оставить неизменной, то введение вынесенного к антенне МШУ позволит принимать более слабые сигналы. Однако снижать шумовую температуру усилителя до уровня  нерационально, так как это сопряжено со значительными техническими трудностями и не приводит к существенному уменьшению .

2) Ширина  и  форма  полосы   пропускания  МШУ  должна  обеспечивать  безискажённый

приём сигнала и заданную помехозащищённость. Перестройка МШУ затруднена, поэтому они, как правило, выполняются широкополосными, не перестраиваемыми в рабочем диапазоне. Перестраиваются  или сменяются только пассивные узкополосные фильтры-преселекторы, пропускающие полосу частот принимаемого сигнала и защищающие усилитель от сильных помех вне этой полосы.

3) Коэффициент усиления МШУ максимален при полном согласовании его входа с трактом, а коэффициент шума минимален при некотором их рассогласовании. В связи с этим для минимизации  приёмной антенны в ряде случаев целесообразно некоторое рассогласование входа МШУ с трактом (до КСВ). Все остальные элементы тракта должны быть хорошо согласованы.

4) Уровень сигнала, попадающего на вход МШУ, в условиях эксплуатации аппаратуры  связи может изменятся в весьма широких пределах. Поэтому МШУ должен обладать как можно большим динамическим диапазоном, определяемым отношением мощности входного сигнала , соответствующей насыщению усилителя, к минимальному входному сигналу, определяемому уровнем собственных шумов МШУ.

5) Повышенной линейности амплитудной, амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик. Например, неравномерность АЧХ МШУ некоторых связных станций не превышает дБ в полосе 500 МГц при усилении дБ.

6) Должно быть малое время выхода на рабочий режим и быстрое  восстановление работоспособности усилителей после воздействия сильной помехи.

7) Время наработки на отказ – не менее 100 тыс. часов, а время перехода с основного комплекта на резервный – не более нескольких десятых долей секунды (в многоканальных станциях спутниковой связи).

8) Простота обслуживания, контроля, минимальное число регулировок. Замена МШУ в аппаратуре не должна сопровождаться подстройкой его элементов.

9) Малые габариты, масса и потребляемая мощность – это особенно важно для бортовой и наземной мобильной аппаратуры.

Некоторые из этих требований противоречивы и одновременное их выполнение, как правило не возможно. На практике  при выборе типа усилителя приходится принимать компромиссные решения.

2.5.1. Транзисторные МШУ

В настоящее время в качестве входных МШУ большинства приёмных систем СВЧ применяются тран­зисторные усилители.

На частотах до 3...4 ГГц их активными элементами обычно служат БТ, на более высоких частотах – ПТШ, имеющие здесь меньший коэффициент шума; в некоторых случаях ПТШ приме­няются на частотах, начиная с 1 ГГц и даже с 0 Гц (в монолит­ных ТрУ). Предельно малым  Кш обладают транзисторы с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). К настоящему времени разработаны  ТрУ  СВЧ  на рабочие частоты от 0,1 ГГц до 60 ГГц с коэффициентом усиления не менее

15...5 дБ на каскад и коэф­фициентом шума 0,5...8 дБ соответственно. Полоса усиления ТрУ может быть от нескольких процентов до нескольких октав (монолитное исполнение). Как правило, Кш узкополосных ТрУ на 0,2...0,6 дБ превышает коэффициент шума используемых ПТШ, а широкополосных — на 1,5...4 дБ. ПТ на InGaAs рабо­тоспособны до 100 – 200 ГГц.

Выходная мощность насыщения малошумящих ТрУ обычно имеет значение 0,1... 10 мВт, динамический диапазон у них больше, чем у ТУ и ПУ, на 10...20 дБ. Важным преимуществом ТрУ является более высокая стабильность усиления по срав­нению с регенеративными туннельными и параметрическими усилителями.

Можно считать, что на частотах до 60 ГГц в аппаратуре массового применения транзисторные усилители вытесняют все другие типы МШУ, превосходя их по надёжности, динамическому диапазону, широкополосности, устойчивости к перегрузкам, а также по минимуму массы, габаритов, стоимости, трудоём­кости изготовления.

Конструкция ТрУ сравнительно проста. Например, на поликоровую подложку с напыленными входными, межкаскадными и выходными согласующими цепями, элементами развязки в цепях смещения устанавливают транзистор. Плату, под ко­торой могут быть установлены схемы управления и стабили­заторы питания, помещают в плоский корпус (запредельный волновод). Коаксиальные либо волноводные вход и выход СВЧ сигнала, а также вводы питания, герметичны.

На СВЧ в основном используются усилители на ПТШ, включен­ные по схеме с общим  истоком (ОИ), имеющей такой же коэффи­циент шума, как и схема с общим затвором (ОЗ), но больший коэффициент передачи мощности. Поэтому при использовании схем с ОИ меньше сказываются шумы последующих каскадов.

Иногда, при наличии запаса по усилению, для увеличения полосы пропускания ТрУ на ПТШ используют отрицательную обратную связь, изменяющую входное сопротивление транзис­тора. Вследствие этого, становится возможным применение более простых согласующих цепей (СЦ),

снижается чувстви­тельность ТрУ к изменению параметров транзистора, усилитель становится безусловно устойчивым. Такие каскады могут исполь­зоваться без применения входных и выходных

развязывающих устройств, в частности в монолитных ТрУ. Просто реализуемая широкополосная резистивная обратная связь несколько увели­чивает Кш поэтому в МШУ применяется и обратная связь на реактивных элементах.

В монолитных схемах ТрУ вместо пассивных СЦ применяют активное согласование – на входе МШУ включают каскад с ОЗ, а на выходе – каскад с ОС. В широкополосных ТрУ, при выборе согласующих полевых транзисторов с крутизной S=1/ρ, равной проводимости МПЛ, может быть достигнуто согласование в по­лосе нескольких октав, снижение Кш на 1,5...2 дБ и увеличение усиления. Активные согласующие цепи на ПТШ занимают значительно меньшую площадь по сравнению с пассивными.

Питание ПТШ осуществляется двумя способами: с использо­ванием двухполярного источника напряжения и однополярного – с автосмещением транзистора. Цепь автосмещения R и С является, в

последнем случае, цепью отрицательной обратной связи по постоянному току, стабилизирующей параметры ТрУ. Потери шунтирующих конденсаторов ухудшают параметры усили­тельного каскада, особенно с повышением частоты. Учитывая это, на повышенных частотах предпочитают схему питания с двухполярным источником напряжения.

Шумы ПТШ в основном имеют тепловое происхождение, поэто­му при снижении в несколько раз физической температуры ТрУ примерно во столько же раз уменьшается его шумовая температу­ра. Кроме того, вследствие роста подвижности электронов в GaAs при охлаждении, на несколько децибел возрастает усиление ПТШ.

О параметрах лучших зарубежных МШУ можно судить по рекламным проспектам фирмы NEC. Она выпускает МШУ на ПТШ в литерном исполнении, имеющие следующие значения шумовой температуры и, соответственно, различающиеся по стоимости:

в диапазоне 3,625...4,2 ГГц с ТЭМО – 32, 37, 42, 47 К; без охлаждения – 55, 70, 80 К;

  в диапазоне 18,6... 19,5 ГГц без охлаждения – 200, 250, 300 К.

Можно выделить четыре основных типа  ТрУ:

- однотактные;

- балансные;

- комбинированные;

- отражательные.

Наиболее широкое распространение получили достаточно простые в исполнении однотактные усилители. Как правило, однотактные усилители на биполярных транзисторах требуют применения ферритовых   развязывающих  устройств,  что  приводит к увеличению габаритных размеров   и  является

недостатком этого типа усилителей.

Широкое распространение получили балансные усилители, состоящие из двух однотактных усилителей, включённых параллельно с помощью 3-децибельных мостов.

Балансные транзисторные усилители имеют более широкий динамический диапазон, чем однотактные  ( на   балансный   каскад  поступает   только  половина  общей   мощности   сигнала ),  более

высокую надёжность, так как отказ транзистора в одном плече ведёт лишь к уменьшению Кр  на 6 дБ  при сохранении работоспособности усилителя. Кроме того, балансные усилители легко каскадируются, менее подвержены самовозбуждению, не требуют применения развязывающих ферритовых устройств, дополнительно ограничивающих ширину полосы рабочих частот.

К недостаткам балансного усилителя следует отнести ухудшение его чувствительности из-за потерь на отражение (входной КСВН моста  в полосе не лучше 1,5) и диссипативных потерь в высоко-омных линиях мостов.

3. Разработка функциональной схемы СВЧ тракта

3.1. Характеристика элементов приёмного тракта

Разработку функциональной схемы приёмного тракта произведём на основании выбран-ной супергетеродинной структурной схемы приёмника с двойным преобразованием частоты. Функциональная схема тракта приёма, должна содержать следующие части:

- антенну;

- диплексер;

- МШУ;

- полосно-пропускающие фильтры ;

- усилители промежуточной частоты ;

- смесители.

Рассмотрим более подробно элементы тракта СВЧ, которые используются для построения земной станции.

Антенна представляет собой параболический рефлектор диаметра D = 1.2 м и облучатель для приёма сигналов с круговой поляризацией правого вращения.

Отраженный рефлектором сигнал идет на облучатель. Его назначение – передать приня-тую антенной энергию ЭМВ спутника по волноводу к приёмнику.

Облучатель – один из важнейших узлов антенной системы, поэтому к нему предъяв-ляются определенные требования:

1) диаграмма направленности должна быть осесимметричной и без боковых лепестков;

2) облучатель не должен сильно затенять параболическую антенну, так как это приводит к

искажению её диаграммы направленности и снижению коэффициента использования  поверхности параболоида вращения.

Облучателями параболических антенн служат слабонаправленные антенны. Это могут быть рупоры, щелевые антенны, спирали, диэлектрические антенны и др.

Волновод круглого сечения в большей степени удовлетворяет требованиям, предъявляемым к облучателям антенных систем – диаграмма направленности осесимметрична, в отличие от пирамидального (прямоугольного) волновода.

Электромагнитная волна, распространяющаяся в пространстве от передающей антенны спутника до антенны земной станции, характеризуется поляризацией, т. е. ориентацией вектора

напряжённости электрического поля Е относительно поверхности Земли. Земная станция принимает со спутника «Экспресс-А» сигнал с круговой поляризацией правого вращения, а излучает сигнал с круговой поляризацией левого вращения.

C выхода облучателя сигнал поступает на диплексер, который выполнен на волноводе круглого сечения. Диплексер осуществляет разделение приёмного и передающего трактов,  основанное на поляризационной селекции электромагнитных волн.

Диплексер должен удовлетворять требованию по подавлению сигнала передатчика, просачивающегося в приёмный тракт до необходимого уровня.

Ниже приведены типичные параметры диплексоров С – диапазона:

- развязка между приёмом и передачей: не менее 110 дБ;

- кроссполяризация: не менее – 40 дБ;

- рабочий диапазон частот:

а) на приём: 3600...4200 МГц;

б) на передачу: 5,925...6,525 МГц;

- потери: не более 0,25 дБ;

- диаметр волновода: D = 58 мм.

С выхода диплексора через сигнал поступает на вход Y–циркулятора, представляющего собой симметричное H-плоскостное сочленение трёх прямоугольных волноводов, в центр которого помещён ферритовый цилиндр.

Циркулятор – это устройство, в котором движение потока энергии происходит в строго определённом направлении, зависящем от ориентации внешнего магнитного поля, намагничи-вающего феррит.

Принцип работы циркулятора поясним с помощью рис. 3.1.

Рис. 3.1. Y-циркулятор

Волна Н10, поступающая на вход циркулятора по волноводу 1, преобразуется в области феррита в две волны, которые обегают диск навстречу друг другу, одна по часовой стрелке, другая против неё. Направления вращения вектораобразовавшихся волн противоположны (в точках А и В), поэтому их фазовые скорости при подмагничивании феррита однородным полем

Н0, различны. Параметры феррита и напряжённости поля подбирают так, чтобы обе волны приходили к волноводу 3 в противофазе. При этом электромагнитная энергия будет поступать из волновода 1 в волновод 2 и не попадать в волновод 3. Аналгичным образом поясняется прохождение энергии из плеча 2 в плечо 3, из плеча 3 в плечо 1.

В данном приёмном тракте циркулятор будет использоваться в качестве вентиля для устранения  отражённой от входа полосового фильтра волны, а также для согласования выхода диплексора с волноводным входом полосового фильтра.

Рабочая полоса волноводных Y–циркуляторов достигает 30%, потери в прямом направ-лении составляют 0,15...0,5 дБ, в обратном – свыше 20...30 дБ.

С выхода циркулятора сигнал поступает на вход волноводного полосового фильтра.

  В таблице 3.1 приведены справочные данные волноводных полосовых фильтров, выпускаемых ОАО „Радиофизика”, которые применяются во входных волноводных цепях земных станций спутниковых систем связи С–диапазона. Фильтры выпускаются в четырех модификациях:  WF–12–1, WF–12–2,   WF–12–3, WF–12–3В. Сечение волноводных входов фильтра 58х25 мм.

Таблица 3.1. Справочные данные полосовых фильтров

МШУ предназначен для усиления до необходимого уровня слабых входных сигналов, принимаемых антенной. В диапазоне частот 3600…4200 МГц сигнал с выхода полосового фильтра  поступает на волноводный вход МШУ, а далее через волноводно-микрополосковый переход на вход первого каскада. МШУ выполнен по гибридно-интегральной технологии. Усиленный сигнал с волноводного выхода МШУ  подаётся на вход первого смесителя.

3.2. Определение номиналов промежуточных частот и частот гетеродина

В качестве частоты первого преобразования на  СВЧ выбирают частоту, лежащую в диапазоне 0,8… 2 ГГц, а для второго преобразования – стандартную частоту 70 МГц.

Первый смеситель осуществляет преобразование сигналов из диапазона 3600…4200 МГц на промежуточную частоту 925 МГц. В качестве первого смесителя выберем двухдиодный балансный смеситель (БС) на 3-х децибельных мостах. Основным преимуществом БС является возможность фазового подавления амплитудных шумов гетеродина на  15…30 дБ,  в  следствие

 чего коэффициент шума смесителя снижается на 2…5 дБ, а при большом уровне шумов гетеродина – на 5…10 дБ. Кроме того, благодаря подавлению в балансной схеме чётных гармоник гетеродина уровень побочных продуктов преобразования меньше – повышаются помехоустойчивость и динамический диапазон. Потери преобразования такого смесителя составляют 5…8 дБ, а коэффициент шума 7…10 дБ.

Используя частотный план стволов спутника «Экспресс-А», изображённый на рис. 3.2. определим диапазон перестройки и шаг сетки частот 1-го гетеродина Г1.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6