Фазовые шумы гетеродина

Любое электрическое колебание, полученное с помощью известных современной науке методов, содержит составляющие фазовой (или частотной) модуляции случайного характера, а спектр шумов видоизменяется при прохождении колебания через электронные схемы.

Одной из основных характеристик, определяющей пригодность конвертора для приема цифровых программ, являются фазовые шумы, величина которых в основном определяется величиной фазового шума гетеродина.

Фазовый шум (флюктуация) — это случайное изменение фазы колебания на выходе гетеродина, вызванное частотной нестабильностью генератора, паразитной модуляцией в цепи обратной связи, изменением температуры, напряжения питания и другими дестабилизирующими факторами. Спектр фазовых шумов гетеродина представлен на рис. 4.9.

Чистота спектра определяется уровнем всех как гармонических, так и шумовых побочных составляющих. Для оценки ухудшения чистоты спектра, т. е. определения шумовых свойств гетеродина, используется отношение мощности фазовых шумов в полосе 1 Гц при расстройке от несущей частоты на величину F_m к полной мощности колебания.

Рисунок.. 4.9. Спектр фазовых шумов гетеродина

Величина фазового шума показывает, как быстро понижается мощность сигнала относительно центральной частоты. Например, если мощность сигнала при отклонении от центральной частоты на 1кГц снизится на 60 дБ, то величина фазового шума составит — 60 дБ. В техническом бюллетене Societe European des Satellites (1994 г.) рекомендуемое значение фазового шума LNB при приеме цифровых телепередач следующее:

> — 50 дБ/Гц при смещении на 1 кГц

> — 75 дБ /Гц при смещении на 10 кГц

> — 95 дБ/Гц при смещении на 100 кГц

Повышенная величина фазового шума конвертора способствует появлению межсимвольной интерференции сигнала, изменению чередования «0» и «1» при демодуляции и других нежелательных явлений, что приводит к невозможности декодирования принятой цифровой программы.

Смеситель

Смеситель в конверторах традиционно выполняется на полупроводниковых диодах или арсенидгаллиевых полевых транзисторах и решает задачу преобразования частоты сигнала 11 — 12 ГГц в диапазон частот 0,75 — 2,15 ГГц. Наиболее важным параметром смесителя являются потери преобразования. Величина этих потерь определяется схемным построением. Использование диодных преобразователей приводит к потерям 5—10 дБ. В случае, если нелинейным элементом преобразователя служит ПТШ, можно осуществить преобразование без потерь и даже с некоторым усилением (3—10 дБ). Стремление упростить конструкцию и улучшить технические характеристики привело к появлению таких схемных решений, которые позволяют использовать транзистор, работающий как смеситель и гетеродин одновременно.

Диодный смеситель обычно строится по балансной схеме на двух парноподобранных диодах с барьером Шотки (ДБШ), так как при этом обеспечивается меньший коэффициент шума по сравнению с однотактной (небалансной) схемой. Наиболее часто применяют балансные диодные смесители на трехдецибельных СВЧ-мостах. На рис. 4.10 показан принцип построения подобных смесителей.

Трехдецибельный мост делит напряжение поступающего сигнала и сигнала гетеродина пополам и подает на диодные цепи. Кроме того, мост автоматически обеспечивает развязку между цепями сигнала и гетеродина и низкое значение коэффициента стоячей волны на входе в рабочей полосе частот. Чем широкополоснее мост, тем проще в настройке смеситель и стабильнее работает выходной каскад МШУ, так как он оказывается согласованным в более широкой полосе частот. Стоящие на выходах моста короткозамкнутые шлейфы (КЗШ) пропускают на диоды напряжения сигнала и гетеродина и шунтируют на землю напряжение промежуточной частоты, препятствуя его прохождению на вход смесителя. Шлейфы с холостым ходом (ХХШ) на концах, напротив, шунтируют напряжения сигнала и гетеродина, а для промежуточной частоты (ПЧ) составляют небольшую емкостную компоненту, которая вместе с индуктивностью L и выходной емкостью С создает полосовой фильтр для промежуточной частоты. Длины полосковых шлейфов должны составлять четверть длины волны для частоты гетеродина, так как сигнал гетеродина более мощный и его просачивание в усилитель промежуточной частоты труднее заблокировать.

Рисунок.. 4.10. Принцип построения балансного смесителя СВЧ

Удачным вариантом балансного смесителя без использования трехдецибельного моста является конструкция, приведенная на рис. 4.11. По сигнальной цепи оба диода размещены на расстоянии полуволны, поэтому их нагрузочные сопротивления включены параллельно. По гетеродинной цепи диоды включены параллельно, что тоже надо учитывать при согласовании этого смесителя с гетеродином.

Обладая многими достоинствами (низким коэффициентом шума, высокой линейностью, простотой конструкции), представленная схема смесителя имеет один существенный недостаток — ослабляет преобразуемый сигнал. Этого недостатка лишены транзисторные смесители, выполненные на ПТШ и обеспечивающие при приемлемом значении коэффициента шума (4,5 — 6,0 дБ) усиление сигнала на 5— 10 дБ. Вначале использовались конструкции смесителей с однозатворными ПТШ, сигнал гетеродина на которые подавался одним из способов, показанных на рис. 4.12.

Схема на рис. 4.12, а требует слабой связи направленного ответвителя и, следовательно, повышенной мощности гетеродина. Недостатком схемы на рис. 4.12, б является наличие в цепи обратной связи сопротивления, вносимого гетеродином, что приводит к снижению усиления и увеличению коэффициента шума. Схема на рис. 4.12, в наиболее удобна с точки зрения подачи напряжения сигнала и гетеродина, однако колебания напряжения ПЧ на стоках оказываются противофазными и полоса пропускания ограничивается полосой суммирующей цепи. Кроме того, требуется тщательное согласование цепи затворов на частотах сигнала и гетеродина. Наилучшие результаты получаются при использовании смесителей с двухзатворными ПТШ. Напряжения сигнала и гетеродина прикладываются к разным затворам, и нужна только одна фильтрующе-согласующая схема в цепи стока (рис. 4.12, г, где СЦ — согласующая цепь, ФНЧ и ФВЧ — фильтры нижних и верхних частот). Главное преимуще ство схемы с двухзатворным ПТШ — ее простота.

Рисунок.. 4.11. Балансный диодный смеситель

Не требуется ответвителей, гибридных соединений, нужны лишь простейшие согласующие схемы. Это особенно важно для монолитных интегральных схем, где согласующие цепи должны быть компактными.

Необходимо отметить одну особенность рассматриваемых конструкций: почти во всех смесителях используется принцип регенерации энергии зеркальной частоты, который получил название «восстановление зеркального канала». В этом режиме полная проводимость нагрузки смесителя на зеркальной частоте имеет чисто реактивный характер, и зеркальная составляющая, полностью отражаясь, преобразуется в составляющую, синфазную с основным компонентом, что дает снижение потерь преобразования и шумовой температуры смесителя.

Основные требования к смесителям конверторов СНТВ:

> Минимальный коэффициент шума

> Минимальные потери преобразования

> Линейность ФЧХ

> Равномерность АЧХ

Рисунок.. 4.12. Смесительные каскады на полевых транзисторах с барьером Шотки