Обеспечение чувствительности приемника.

Чувствительность приемника в Вт;

; ;

    Найдем допустимый коэффициент шума:

, где

P _ч - чувствительность приемника Вт;

g_ВЫХ = 10 - соотношение сигнал/шум на выходе приёмника;

d = 1 – коэффициент, характеризующий уменьшение отношения сигнал/шум по мощности на детекторе (для ИМ d = 1÷3).

k =1.38 × 10^-23 Дж /град - постоянная Больцмана;

Т₀  = 290 К - температура по Кельвину;

Δƒ _Ш ≈ 1.1 × Δƒ = 1.1 × 0,162 =0,1782МГц - эффективная шумовая полоса приемника;

, где  шумовая температура антенны, которая находится из графика, (рис.2.)

Находим допустимый коэффициент шума:

После этого приступаем к расчету реального коэффициента шума:

, где ,

а К_{Р ВХ Ц} = 0.5 - коэффициент шума и коэффициент передачи по мощности входной цепи, для несимметричной микрополосковой линии с диэлектрической подложкой;

 

К_{Р УРЧ} = 10, а N _УРЧ = 8

К_{Р ПЧ} = 0,1, а N _ПЧ = 5

;

    Отсюда найдём N ₀ :   

2.1.3. Выбор средств обеспечения избирательности приемника

           

 

 

Определим количество резонаторов: =70 дБ,

;

;

Количество резонаторов равно n = 4

 

 

Расчет коэффициента усиления линейного тракта приемника.

Коэффициент усиления линейного тракта приемника может быть найден по формуле: , где

 = 1 В - амплитуда на выходе УПЧ (на входе детектора);

R _а = 75 Ом - сопротивление антенного тракта на входе приемника;

При выборе средств обеспечения усиления начинают с определения коэффициента усиления преселектора.

В супергетеродинном приемнике СВЧ коэффициент усиления преселектора по мощности равен:

, где

К_{Р ВХ.Ц.} = 0.5 - коэффициент передачи по мощности входной цепи;

К_{Р УРЧ} = 10 - коэффициент передачи по мощности УРЧ;

n = 4 - число каскадов УРЧ;

К_{Р ПЧ} = 0.1  - коэффициент передачи по мощности преобразователя частоты;

Найдем амплитуду напряжения промежуточной частоты на выходе преселектора (на входе УПЧ);

 , где

- входное сопротивление первого каскада;

После определения коэффициента усиления преселектора определяется коэффициент усиления по напряжению УПЧ;

Для расчета УПЧ необходимо выбрать схему его построения, то есть, конкретизировать распределение усиления и избирательности внутри схемы. УПЧ разделяют на два типа: УПЧ с распределенной избирательностью и УПЧ с фильтрами сосредоточенной избирательности (ФСИ). Т.к. построение УПЧ с ФСИ имеет некоторые преимущества, то воспользуемся им.

Коэффициент усиления УПЧ записывается так:

, где

К_ФСИ = 2 - коэффициент усиления каскада с ФСИ;

К_ОК = 5 - коэффициент усиления широкополосного каскада;

К_О = 2 - коэффициент усиления оконечного слабоизбирательного каскада;

Теперь находим количество широкополосных каскадов:

 

Расчет входной цепи.

На СВЧ в качестве резонаторов используются цепи с распределенными параметрами, а именно, отрезки длинных линий. В диапазоне частот от 300 МГц до 4 ГГц применяются фильтры, состоящие из отрезков коаксиальных, полосковых и микрополосковых линий передач.

Проектирование фильтра преселектора начинается с выбора конструктивного исполнения его элементов (резонаторов). Критериями выбора типа резонатора могут служить габариты, потери, широкополосность, простота изготовления и т.д.

Фильтры на полосковых и микрополосковых отрезках линий имеют большие потери, но более технологичны и широкополосны, а также малогабаритны.

В длинноволновой части СВЧ диапазона целесообразнее применять четвертьволновые резонаторы как имеющие наименьшие габариты.

Рассчитаем полосовой фильтр преселектора приемника по следующим исходным данным [1]:

1. средняя частота настройки приемника f₀=0,645ГГц;

2. полоса пропускания приемника Δf₀=10МГц;

3. промежуточная частота f_п=30МГц;

4. ослабление зеркального канала приемника S_зк=70дБ.

Считая , что L=70, n=4. Так Наш приемник состоит из Вх. цепи и УРЧ, то избирательность по зеркальному каналу поделим поровну м/у входной цепью и УРЧ по 35 дБ с запасом

 

 

N=2, g0=1 , g1=1,82 , g2=0.66, g3=2.65

ρ_A=ρ_B=50 Ом, Y_A=1/ρ_A=0.02 См, Y_A=Y_B=0.02 См.

 

На входе и выходе фильтр должен быть согласован с трактом с волноводным сопротивлением 50 Ом. Габариты фильтра должны быть минимальны.

1. Так как фильтр применяется в приемнике СВЧ, работающем в длинноволновой части дециметрового диапазона волн для сокращения габаритов фильтра используем для его построения четвертьволновые резонаторы и гребенчатую структуру.

2. Ввиду того, что требования к подавлению зеркального канала высокие выберем чебышевскую аппроксимацию характеристики затухания.

3. Зеркальный канал приемника расположен:

f_з=f₀±2·f_п=(645±60)МГц                                                            

Полоса запирания фильтра равна:

ΔF_з=4·f_п=120МГц                                                                     

4. В соответствии с заданием полоса пропускания приемника, определяемая фильтрами УПЧ равна Δf₀=10МГц. Выберем полосу пропускания преселектора в несколько раз больше:

ΔF=8·Δf₀=80МГц.                                                           

5. Находим отношение:

ΔF_з/ΔF-1=0.5                                                                   

Из графиков рис. 2.3 [1] находим, что для подавления зеркального канала, равного L=70дБ, фильтр преселектора должен состоять из n=3 звеньев (резонаторов) при пульсациях на вершине характеристики ΔL=1дБ. поделим заданную избирательность между входной цепью и УРЧ, т.е. 40 и 40 дБ соответственно. Тогда из графика изображенного на рис.4 находим, что n = 3.

 Для реализации выберем микрополосковую несимметричную линию передачи на поликоре с ε_r=9.8.

6. Рассчитаем электрические характеристики фильтра при n=3.

Согласно заданию: ρ_A=ρ_B=50 Ом, Y_A=1/ρ_A=0.02 См, Y_A=Y_B=0.02 См.

Электрическую длину резонатора берем θ₀=π/4.

Волновое сопротивление фильтра принимаем равным ρ_ai=70 Ом.

Y_ai=1/ρ_ai=0.014 См.                                                                  

По формуле (6.6) определяем эффективную диэлектрическую постоянную:

ε_эф=1+q(ε_r-1)=1+0.62(9.8-1)=6.6,                                             

где q=0.55..0.85.

Параметры прототипа находим из таблицы 2.2 [4]:

g₀=1; g₁=2.02; g₂=0.99; g₃=2.02; g₄=1.

Из формулы (6.7) получаем:

                                                      

Находим промежуточные параметры.

w=ΔF/f₀=80/645=0.12                                                     

Y_ai/Y_A=0.014/0.02=0.7                                                              

                       

                                                      

                                                      

                              

                              

Находим нормированные емкости на единицу длины по формулам:

                             

    

  

                             

       

Находим нормированные взаимные емкости между линиями по следующим формулам

                                               

                                              

                                             

                                                     

Сосредоточенные емкости на концах линий находим по формуле:

              

7. Проведем расчет конструкторских параметров.

Зададимся поперечным размером фильтра b=10мм и t/b=0.01.

Расстояние S_i+1 между полосками фильтра находим из графика рис 2.6 [1] и по рассчитанным взаимным емкостям C_i,i+1/ε:

S₀₁/b=0.22; S₁₂/b=0.55; S₂₃/b=0.55; S₃₄/b=0.22

S₀₁=2.2мм; S₁₂=5.5мм; S₂₃=5.5мм; S₃₄=2.2мм

Ширину полосок рассчитаем по следующим формулам:

    

    

 

  

    

S₀=1,9мм; S₁=0,6мм; S₂=0.59мм; S₃=0.64мм; S₄=2.2мм

Найдем уточненное значение эффективной диэлектрической проницаемости по формуле (6.30)

,                                               

где h - высота подложки.

Получаем ε_эф=7.6

Найдем длину резонаторов:

     

8. Рассчитаем потери фильтра в полосе пропускания. Расчет произведем в следующем порядке.

Определим потери в проводниках по выражению :

,                                                                            

где b - поперечный размер резонатора, см, f - частота настройки фильтра, ГГц, α - находится из графика рис. 2.8 [1].

Q_c=2000·1·0.78/2.54=614                                                         

Оценим потери в диэлектрике:

Q_d=1/tgδ=10000                                                                        

Определим добротность микрополосковой линии

                                                                      

Потери на излучение снижают добротность резонатора, поэтому для несимметричной микрополосковой линии добротность вычисляют по формуле

Q_о=ηQ=0.7·578=405,                                                          

где η=0.5..0.7.

Затухание определяется из

d=1/Q_о=1/405=2.4 ·10^-3                                                            

Проведем расчет потерь по (6.38). В результате получим:

 

9. Эскиз фильтра приведен на рис.3

Рис. 3.

4.Усилитель радиочастоты.

 

Рассчитаем усилитель радиочастоты с центральной частотой f₀=0.6ГГц на биполярном транзисторе КТ391.

Из таблицы 2.3 [5], где приведены S-параметры транзистора при токе коллектора I_к=5мА и напряжении коллектора U_к=5В, видно, что на данной частоте транзистор находится в области потенциальной устойчивости (ОПУ). Коэффициент устойчивости транзистора составляет Ку=0,5<1.

S-параметры транзистора: S₁₁=0.377, S₁₂=0.04, S₂₁=7.149, S₂₂=0.756,

                                          Φ₁₁=-90.7,  Φ₁₂=58.8, Φ₂₁=110, Φ₂₂=-21.3

Коэффициент передачи номинальной мощности достигает максимального значения в режиме двустороннего согласования активного элемента:

. (7.2)

Далее рассчитываем , для параллельного включения (рис. 2.16а)

=  =

(2.18)

для последовательного включения (рис.2.16б)

(2.19)

где  – коэффициент устойчивости транзистора, находящегося в ОПУ,  – параметры транзистора на той частоте диапазона, где  принимает наименьшее значение.

Далее рассчитывают S-параметры четырехполюсника, состоящего из стабилизирующего резистора. Для параллельного включения

(2.20)

Затем рассчитывают новые S-параметры составного АЭ, состоящего из каскадно включенных транзистора и стабилизирующего резистора:

;

(2.22)

;

: S₁₁=0.377, S₁₂=0.04, S₂₁=7.149, S₂₂=0.756,

Φ₁₁=-90.7,  Φ₁₂=58.8, Φ₂₁=110, Φ₂₂=-21.3

 

где Д= =1.45

В зависимости от требований к параметрам приемника усилитель может быть рассчитан в одном из двух режимов:

– в режиме минимального коэффициента шума;

– в режиме экстремального усиления.

Режим минимального коэффициента шума рассмотрен, например, в [9]. Рассмотрим режим экстремального усиления.

После расчета параметров усилителя по формулам 2.16-2.22 находят максимальный коэффициент усиления по мощности

(2.23)

В (2.23) знак минус соответствует АЭ, находящемуся в ОБУ, знак плюс, находящемуся в ОПУ.

Экстремальные режимы достигаются при двустороннем комплексном согласовании на входе и на выходе АЭ:

; ;

(2.24)

При этом входные и выходные сопротивления АЭ находят по формулам;

; ;

(2.25)

где Z ₀ – волновое сопротивление тракта (подводящих линий).

;

(2.26)

– оптимальные коэффициенты отражения от генератора и нагрузки. В формулах (2.26)  находятся из выражений:

; ;

;

;

;

В выражениях (2.26) знак минус берется при >0, и знак плюс при <0. После выполнения этих расчетов переходят к расчету согласующих цепейОптимальные коэффициенты отражения составляют Г_{г опт}=-0.64j и

Г_{н опт}=0,65j

Определим входное и выходное сопротивления активного элемента на частоте 0,62ГГц (волновое сопротивление W₀=50 Ом):

                                                

                                          

Для согласования применим Г-образные цепи, состоящие из двух одношлейфовых трансформаторов на МПЛ. Первый шлейф, включенный параллельно, компенсирует реактивную составляющую проводимости АЭ, а второй шлейф, представляющий собой четвертьволновый трансформатор полного сопротивления, согласует действительную составляющую проводимости АЭ с характеристическим сопротивлением подводящих линий W₀₁=W₀₂=50 Ом. Для расчета параллельных шлейфов пересчитаем входное и выходное сопротивления АЭ в проводимости:

Y_{вх АЭ}=1/Z_{вх АЭ}=08,6-j6,8 См,                                                 

Y_{вых АЭ}=1/Z_{вых АЭ}=0,76-j3,5мСм,                                   

Рассчитаем длины шлейфов схемы, полагая ε=5, h=1мм.

Шлейф 1 - четвертьволновый трансформатор с характеристическим сопротивлением

                                                       

Находим ширину полоски из :

                                                                  

Ширина полоски составляет b₁=1.38мм.

Длина полоски определяется из:

l=Λ/4,                                                                                     

где , ε_эф=4,2 - эффективная относительная диэлектрическая проницаемость среды в линии.

Длина полоски составляет l₁=60мм.

Шлейф 2 - четвертьволновый трансформатор с характеристическим сопротивлением

                                                 (7.10)

Ширина полоски составляет b₂=6.1мм, длина полоски - l₂=60мм

Шлейф 3 - четвертьволновый трансформатор с характеристическим сопротивлением

                                                 (7.11)

Ширина полоски составляет b₃=1,61мм, длина полоски - l₃=60мм

Шлейф 4 - четвертьволновый трансформатор с характеристическим сопротивлением

                                                (7.12)

Ширина полоски составляет b₃=16мм, длина полоски - l₃=60мм

Схема УРЧ приведена на рис. 7.1

Рис.7.1.

8. ФСС.

 

Рассчитаем фильтр сосредоточенной селекции предварительного усилителя промежуточной частоты.

Фильтр должен иметь следующие характеристики: полоса пропускания составляет 5 МГц; избирательность по соседнему каналу 60 дБ; соседний канал отстроен от промежуточной частоты приемника на 5 МГц; нагрузкой фильтра служит входное сопротивление микросхемы 219УВ1А (усилитель ПЧ), которое составляет 25 Ом; промежуточная частота 94 МГц.

1. Ввиду высоких требований к избирательности данного фильтра, целесообразно выбрать фильтр с чебышевской характеристикой затухания.

2. Определим нормированную частоту.

Из задания: 2Δf=10МГц; f₀=f_пч=90МГц; f_н=100МГц; f_-н=80МГц. Отсюда по выражению (8.1) рассчитаем нормированную частоту:

Ω=(f_н-f_-н)/2Δf=10/10=1                                                          (8.1)

3. Пересчитаем заданное ослабление S_ск=60дБ в неперы, считая, что 1дБ=0.115неп. В итоге получим а_н=7 неп.

4. По этим значениям по графику определим количество звеньев, класс фильтра n=4.

5. Выберем схему прототипа (рис.1.3а [4]). Схема приведена на рис..

 

Рис.

 

6. Так как вход фильтра нагружен на сопротивление намного большее, чем его выход, будем считать r₁=∞. Параметры фильтра прототипа определим из таблицы 1.10 [2].

Катушки индуктивности возьмем с добротностью Q=100.

Потери в элементах фильтра составляют

δ=f₀/[Q·Δf]=90*10⁶ /100*5*10⁶=0.18                                                 

а₄=1,87; а₃=1,69; а₂=2,82; а₁=0,504;

7. Переходим от элементов прототипа к элементам фильтра по следующим формулам (8.3):

 

          

 

Электрическая схема фильтра без учета потерь в элементах представлена на рис.8.2.

 

Рис.8.2.

 

Величина потерь фильтра в полосе пропускания составляет а_мин=0.25неп=2.174дБ.

 

9. Преобразователь частоты.

Преобразователь частоты состоит из смесителя, к которому подводится принимаемый сигнал, и гетеродина напряжение которого периодически изменяет параметры смесителя. На выходе смесителя выделяется сигнал преобразованной частоты f _П . В преобразователях с внешним гетеродином функции последнего выполняет отдельный электронный прибор. В преобразователях с внутренним гетеродином для смесителя и гетеродина используется общий электронный прибор.

При простом преобразовании частоты f _П = f _Г – f _С  или f _П = f _С – f _Г .