Волноводно-полосковый переход

 

Волноводно-полосковый переход предназначен для согласования входной микрополосковой линии первого каскада МШУ с выходом поляризатора облучателя антенны. Это наиболее распространенный элемент соединения волновода с микрополосковой линией, позволяющий добиться хороших электрических параметров при малом уровне отражений и потерь в заданной полосе частот.

Волноводно-полосковые переходы, строго говоря, являются переходами сначала на коаксиальный кабель, а затем уже на полосковую линию. Вносимые потери зависят от качества исполнения и составляют около 0,25 дБ. Важным условием является полная герметизация в месте погружения зонда. Примеры исполнения волноводно-полосковых переходов представлены на рис. 4.3. Необходимое согласование в них производится путем подбора глубины погружения зонда (рис. 4.3, а) или положения короткозамкнутого поршня (рис. 4.3, б).

Рисунок.. 4.3. Волноводно-полосковый переход

Малошумящий усилитель

 

МШУ должен обеспечивать равномерное усиление во всем рабочем диапазоне с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) +1 дБ и иметь линейную фазочастотную характеристику (ФЧХ). Необходимо также удовлетворить ряд противоречивых требований: обеспечить минимальный коэффициент шума, согласование усилителя по входу, максимальный коэффициент усиления.

Как известно, качество принятого сигнала в значительной степени определяется суммарной шумовой температурой приемной установки. При оценке шумовых характеристик конвертора используется как шумовая температура Т_ш, так и коэффициент шума к_ш, который связан с шумовой температурой соотношением, где Т_H — нормальная температура окружающей среды (Т_H = 290 К). Если коэффициент шума выражен в децибелах, то:

 

Т_ш =290(10^kш/10-1).

 

Графически данное соотношение представлено на рис. 4.4.

Рисунок.. 4.4. Зависимость коэффициента шума от шумовой температуры

 

На входе конвертора всегда присутствует малошумящий усилитель, состоящий из нескольких усилительных каскадов (обычно 2—4), каждый из которых имеет собственный коэффициент шума и коэффициент передачи номинальной мощностир (kр_ном).

Рассмотрим влияние параметров отдельных каскадов на шумовые характеристики тракта в целом. Для этого объединим все п каскадов в один, с коэффициентом передачи номинальной мощности

 

 

и коэффициентом шума

 

 

где Р_ш.вых — суммарная номинальная мощность шумов на выходе тракта, обусловленная собственными шумами каждого каскада; ∆f_ш— полоса пропускания шумов; T_н — нормальная температура окружающей среды, К (T_Н=290К).

Полагая для простоты рассуждений, что шумовая полоса пропускания практически определяется последним наиболее узкополосным каскадом (в данном случае ПУПЧ), имеем

 

 

 

Поскольку номинальная мощность собственных шумом каскада

 

то

 

Поставив выражение (4.1) в (4.2), получим:

 

 

Из выражения (4.3) следует, что коэффициент шума многокаскадной схемы в основном определяется коэффициентом шума первых каскадов. Справедливость этого утверждения увеличивается с возрастанием коэффициентов передачи их номинальной мощности. Поэтому для получения малого коэффициента шума всего приемного тракта необходимо, чтобы его первые каскады имели малый уровень собственных шумов и обеспечивали большое усиление сигнала по мощности.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод о чрезвычайной важности таких параметров конвертора (в частности, первых каскадов МШУ), как коэффициент усиления и коэффициент шума.

Практически входные и выходные согласующие цепи первого транзистора рассчитываются на минимальный коэффициент шума, второй каскад настраивается из компромиссных соображений: максимальное усиление при минимальном коэффициенте шума. Влияние коэффициента шума третьего каскада практически неощутимо.

Итак, классический МШУ состоит из трех усилительных каскадов: первые два выполнены на НЕМТ-транзисторах, третий — на транзисторе с барьером Шотки.

Все каскады МШУ строятся, как правило, на несимметричных полосковых линиях передачи, которые выполняются методом напыления проводящих материалов на керамическую подложку. В СВЧ-диапазоне паразитные реактивные элементы корпуса транзистора оказывают заметное влияние на характеристики МШУ. Чтобы исключить этот эффект, применяют транзисторы в бескорпусном исполнении.

Каждый усилительный каскад (рис. 4.5) состоит из четырех цепей: входной и выходной цепей, цепи смещения и активного элемента.

 

Рисунок.. 4.5. Усилительный каскад МШУ

 

Входная цепь предназначена для согласования входного сопротивления активного элемента (транзистора) и обеспечения минимума коэффициента шума.

Выходная цепь служит для согласования выходного сопротивления с последующим каскадом.

Цепь смещения обеспечивает режим работы транзистора по постоянному току.

Наибольшее распространение в МШУ получила схема с общим истоком, так как она обладает большей устойчивостью по сравнению с другими способами включения полевых транзисторов.

Активный элемент представляет собой НЕМТ-транзистор или ПТШ и обеспечивает усиление сигнала.

 

Полосовой фильтр

 

Полосовой фильтр обеспечивает прохождение только определенной полосы частот с потерями не более 3 дБ, а также ослабление зеркального канала и сигнала гетеродина на 30 — 40 дБ (рис. 4.6).

В сантиметровом диапазоне волн ПФ выполняют на полосковых и микро-полосковых линиях, так как спиральные индуктивности и сосредоточенные конденсаторы не обеспечивают необходимой добротности. Наиболее часто используются ПФ на микрополосковых параллельно связанных резонаторах.

 

Рисунок.. 4.6. Полосовые фильтры СВЧ: а — лестничные; б — шпилечные; в — решетчатые

Центральная частота фильтра зависит от длины полосковых элементов, а ширина полосы пропускания — от ширины линий и расстояния между ними. Чем больше число звеньев фильтра, тем круче его амплитудно-частотная характеристика, но также выше и вносимое затухание.

Амплитудно-частотная характеристика полосового фильтра, выполненного на связанных полуволновых резонаторах, представлена на рис. 4.7.

 

 

 

Рисунок.. 4.7. Частотная характеристика полосового фильтра:

А₃ — заданная величина затухания, соответствующая полосе заграждения 2∆f₃; А_n — величина затухания, соответствующая полосе пропускания 2∆f_n:f₀—средняя частота полосы пропускания

Гетеродин

 

В большинстве современных конструкций гетеродин — это неперестраиваемый (в отличие от гетеродинов, используемых в радиовещательных приемниках) маломощный высокостабильный генератор электрических колебаний.

Основной характеристикой гетеродина является нестабильность номинальной частоты f_H.

Под нестабильностью частоты понимаются случайные и систематические изменения частоты во времени. Вследствие воздействия дестабилизирующих факторов (температуры, давления, вибрации, отклонения питающего напряжения) частота гетеродина отклоняется от номинального значения. При этом различают абсолютное и относительное отклонение частоты. Под абсолютным отклонением понимают разность между фактической частотой генератора и ее номинальным значением а_Н0М, под относительным отклонением — отношение абсолютного отклонения к номинальному значению частоты генератора f_ном.

Из множества дестабилизирующих факторов наибольшее влияние на отклонение частоты гетеродина оказывает изменение температуры окружающей среды. Для характеристики этого влияния используется температурный коэффициент частоты К_Т в заданном интервале температур (T_max—T_min):

 

 

где f_max — максимальное значение частоты в заданном интервале температур; f_min — минимальное значение частоты в этом интервале; f_H0M — номинальное значение частоты.

Конструкция гетеродина

В первых конструкциях гетеродинов применялись диоды Ганна, которые имели ряд недостатков: КПД генератора составлял 2 — 3 %, нестабильность частоты при термокомпенсации достигала 5 МГц, поэтому приходилось вводить цепь автоподстройки частоты.

Определенное распространение получили также генераторы, работающие на частоте 3 — 4 ГГц, выполненные на биполярном или полевом транзисторе, с последующим умножением частоты на диоде с накоплением заряда. Эти конструкции применялись на этапе, когда добротность диэлектрических резонаторов в диапазоне частот 11 — 12 ГГц была недостаточной для обеспечения требуемой стабильности частоты, а резонаторы на более низкую частоту имели высокую добротность.

Сегодня огромную популярность приобрели генераторы, где в качестве активного элемента используется ПТШ. В настоящее время это практически единственный вид автогенераторов, используемых в бытовых конверторах. Они имеют целый ряд преимуществ: КПД 18 — 20 %, нестабильность частоты 500—700 кГц в интервале температур от — 30 до + 60 °С, невысокая стоимость, возможность регулировки мощности изменением напряжения питания.

Необходимое значение выходной мощности определяется конструкцией выбранного смесителя и составляет в современных конверторах 8 — 15 мВт.

На рис. 4.8 представлена конструкция гетеродина с диэлектрическим резонатором.

Стабилизация частоты в большинстве конверторов осуществляется при помощи диэлектрического резонатора из термостабильной керамики. Он представляет собой пассивное устройство (диэлектрический цилиндр, квадрат и т. п.), обладающее способностью запасать энергию СВЧ электромагнитных волн. Высокая добротность диэлектрических резонаторов позволяет успешно использовать их в качестве высокодобротных колебательных систем СВЧ. В результате удается добиться стабильности частоты до 700 кГц и обойтись без схемы автоматической подстройки частоты.

Рисунок.. 4.8. Конструкция гетеродина с диэлектрическим резонатором

 

В конверторах применяют открытые диэлектрические резонаторы, в которых отражающей поверхностью является граница раздела диэлектрик — воздух. Вблизи резонатора существует небольшое внешнее электромагнитное поле, которое позволяет достаточно просто обеспечивать связь резонатора с полосковыми линиями передачи генератора и осуществлять подстройку частоты в сторону ее повышения путем приближения к одной из торцевых частей резонатора металлической плоскости, например, винта.

Большое распространение получили в настоящее время тороидальные диэлектрические резонаторы на основе титаната кальция и алюмината лантана. Они позволяют получить более чистый спектр сигнала гетеродина, что необходимо для создания конверторов с низким фазовым шумом и высокой стабильностью частоты гетеродина — до 20 — 30 кГц. Необходимость в таких высоких характеристиках возникает при приеме цифровых телепрограмм в стандарте MPEG-2.