Эскизное моделирование супергетеродинных радиоприемников программой « genesys »

 

Учебно-методическое пособие

для выполнения домашнего задания по дисциплине
 «Устройства приема и преобразования сигналов»

 

 

Москва

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

2019

 

УДК 621.396.62

ББК 32.849

Рекомендовано Редакционно-издательским советом

МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве методических указаний

Рецензент

                 ____________________________________

Н.А. Жаркова, В.А. Ефремов, Я.В. Мыкольников

Эскизное моделирование супергетеродинных радиоприемников программой «GENESYS»: Н.А. Жаркова, В.А. Ефремов, Я.В. Мыкольников – Москва. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2019 -,,,,с.

ISBN

Учебно-методическое пособие «Эскизное моделирование супергетеродинных радиоприемников программой «GENESYS»» предназначено для выполнения домашнего задания по курсу «Устройства приема и преобразования сигналов» и позволяет разрабатывать структурные и функциональные схемы радиоэлектронных систем и комплексов, а также принципиальные схемы узлов радиоэлектронных устройств с помощью современных САПР и пакетов прикладных программ.

УДК 621.396.62

ББК 32.849

© А. Жаркова, В.А. Ефремов, Я.В. Мыкольников, 2019

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019

© Оформление. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ПРЕДИСЛОВИЕ  

ВВЕДЕНИЕ 6

1. ВЫБОР ТИПА ПРИЕМНИКА 13

2. РАСЧЕТ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ ПРИЕМНИКА 16

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ЧАСТОТ ПРИЕМНИКА. 17

4. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ПРИЕМНИКА. 25

4.1 Построение структурной схемы приемника.                                   25

4.2. Анализ структурной схемы приемники. 28

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФИЛЬТРОВ         35

5.1. Обзор инструментов проектирования фильтров в программном комплексе Genesys. 35

5.2. Проектирование микро-полосковых фильтров (M / Filter). 36

5.3. Проектирование фильтров программой прямого синтеза (S / Filter) 46

5.4. Пассивные фильтры на электрических LC контурах (Filter) 54

6 СИНТЕЗ СОГЛАСУЮЩИХ ЦЕПЕЙ 60

6.1 Согласующие цепи на сосредоточенных элементах. 60

6.2 Согласующие цепи на распределенных элементах. 63

6.3. Рекомендации выбора подложек для микрополосковых цепей и фильтров. 66

7. ПОДБОР РЕАЛЬНЫХ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ СОЗДАННОЙ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ПРИЕМНИКА          68

ЗАКЛЮЧЕНИЕ                           

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ                                                              70

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебно-методическое пособие «Эскизное моделирование супергетеродинных радиоприемников программой «Genesys»» служит для выполнения домашнего задания, входящего в программу обязательного курса «Устройства приема и преобразования сигналов» для подготовки по специализации 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы».

Целью учебного пособия является обучение студентов системе автоматического проектирования (САПР) радиоэлектронных устройств. По сравнению с изданными ранее методическими указаниями («Эскизный расчет радиоприемника», издательство МГТУ, 2007 г.) и использующимися в учебном процессе, данная работа включает изучение и применение пакета прикладных программ «GENESYS» фирмы «Keysight Technology» автоматизированного проектирования для радиоприемных устройств и систем. В результате выполнения домашнего задания студенты получают навыки разработки не только структурных, принципиальных электрических схем приемника и его каскадов, но и проводят исследование их составных частей: усилителей, фильтров, преобразователей и других устройств.

Для успешного выполнения домашнего задания необходимо освоение дисциплин учебного плана: электроника (все модули), основы теории цепей (все модули), радиотехнические цепи и сигналы (все модули), схемотехника аналоговых электронных устройств (все модули).

При освоении дисциплины и успешного выполнения домашнего задания рекомендуется применять пакеты программ фирмы «Keysight Technology» [1], использовать дополнительные источники информации, в том числе из Интернет (сайты производителей электронных компонентов), а также справочную литературу по тематике радиоприемных устройств. Рекомендуемые источники приведены в разделе «Список литературы».

ОБОЗНАЧЕНИЯИСОКРАЩЕНИЯ

АМ – амплитудная модуляция.

АЧХ – амплитудно-частотная характеристика.

ВЧ – высокая частота.

ИМ – импульсная модуляция.

МПЛ – микрополосковая линия.

ЧМ – частотная модуляция.

САПР – система автоматического проектирования.

СВЧ – сверх высокая частота.

СМ – смеситель.

СЦ – согласующая цепь.

УВЧ – усилитель высокой частоты.

УНЧ – усилитель низкой частоты.

УПЧ – усилитель промежуточной частоты.

ФСИ – фильтр сосредоточенной избирательности.

ФСС – фильтр сосредоточенной селекции.

ЭМ – электромагнитное моделирование.

S 11, S 21, S 22 – S -параметры четырехполюсников.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важных направлений в научно-исследовательских и проектных задачах в области современной радиотехники стало развитие и применение систем автоматизированного проектирования (САПР). В настоящее время существует множество специализированных программных средств по моделированию и разработке как отдельных узлов и элементов радиотехнических устройств, так и систем, комплексов в целом. В России, к сожалению, долгое время не уделялось внимание развитию систем проектирования радиотехнических систем и устройств, однако в последнее время ведется активная работа в данном направлении. Отечественным полноценным САПР в части сквозного проектирования в настоящее время является «Delta Desi gn» от компании ООО «Эремекс» (Россия, Москва), в части компьютерного моделирования стойкости радиоэлектронных средств к механическим и электромагнитным воздействиям – «Асоника» от ООО «НИИ «АСОНИКА».

Ведущими мировыми производителями программного обеспечения в области сквозного проектирования радиоэлектронных устройств являются: корпорация «Mentor Graphics, Inc» (США); компания «Altium» (Австралия); компания «Cadence Design Systems, Inc» (США); и др. Общепризнанными компаниями в области проектирования СВЧ устройств и их электродинамических характеристик принято считать «ANSYS, Inc» (США), AWR Corporation (США), «Altair Engineering Inc» (США) и др. В области системного проектирования по разработке радиотехнических систем и устройств и связанного с ним программного обеспечения, лидирующие позиции занимают компании: «KEYSIGHT Technologies» (США), «National Instruments» (США), «MathWorks» (США) и многие другие.

В рамках академического сотрудничества с МГТУ им. Н.Э. Баумана компанией «KEYSIGHT Technologies» предоставлена возможность использования своих программных продуктов для обучения студентов радиотехнических специальностей в области проектирования и моделирования радиоэлектронных систем и устройств. Кроме того «KEYSIGHT Technologies» является одним из лидеров разработки и производства измерительного оборудования.

Официальная история фирмы «KEYSIGHT Technologies» начинается с 1939 года, когда 1 января Билл Хьюлетт и Дейв Пакард создают партнерство «Hewlett-Packard» по изготовлению измерительного оборудования, и первым их устройством был RC -генератор звуковых колебаний HP 200 A [1]. На протяжении всего XX-го столетия компания динамично развивалась, предоставляя на рынке широкий спектр современного и высокотехнологичного измерительного оборудования для различных отраслей и производств. Что привело в 1999 году к стратегической перестройке компании «Hewlett-Packard» и созданию независимой измерительной компании «Agilent Technologies», состоящей из испытательных и измерительных компонентов, компаний, занимающихся химическим анализом и медицинским обслуживанием, а также компании «Hewlett-Packard», занимающейся компьютерными технологиями и визуализацией, в которую входят все подразделения HP, занимающиеся компьютеризацией, печатью и изображениями.

В 2013 – 2014 гг. происходит разделение «Agilent Technologies» на две отдельные компании, занимающиеся измерениями. Новая электронная измерительная компания называется «Keysight Technologies». 1 ноября 2014 года Keysight становится полностью отдельной компанией, занимающейся электронными измерениями. Помимо высокоточной и высокотехнологичной измерительной аппаратуры фирма «KEYSIGHT Technologies» выпускает различное программное обеспечение, в том числе и для САПР по ВЧ и СВЧ устройствам [1].

В рамках дисциплины «Устройства приема и преобразования сигналов» рассматривается применимость САПР «Genesys» («Keysight Techno logies») в домашнем задании по проектированию супергетеродинного приемника. 

Целью домашнего задания является освоение студентами методики эскизного проектирования супергетеродинных приемников, осуществляющих прием сигналов с различными видами модуляции, и их типовых узлов [2].

В качестве типовых усилительных элементов предлагается использовать интегральные микросхемы и микросборки, которые в настоящее время находят применение в радиоаппаратуре. В качестве избирательных систем (преселекторы и ФСИ) могут быть использованы готовые фильтры с подходящими характеристиками или рассчитанные по предложенной методике. При выполнении задания предполагается использование пакета программ «Genesys» проектирования ВЧ и СВЧ устройств фирмы Keysight [3].

Исходными данными для проектирования приемника являются его технические характеристики, которые составляют содержание технического задания.

Техническое задание на разработку приемника включает следующие основные разделы:

1) общие характеристики приемника – назначение, особенности эксплуатации, серийность и т.п.;

2) электрические характеристики – диапазон рабочих частот, чувствительность, выходная мощность и т.п.;

3) конструктивные и технологические характеристики – используемые материалы и покрытия, масса, габаритные размеры и т.п.;

4) механические характеристики – вибрационная стойкость, механическая прочность и т.п.;

5) климатические требования.

При промышленном проектировании создание приемника, как правило, проходит три этапа: эскизное, техническое проектирование, реализация приемника, которая обычно начинается с изготовления опытного образца и его испытания.

На этапе эскизного проектирования выбирают структурную схему приемника, рассматривают пути ее реализации, в случае необходимости уточняют и изменяют техническое задание.

В процессе технического проектирования создают полный проект, т.е. осуществляют электрический и конструктивный расчет всех блоков приемника.

В процессе учебного проектирования рассматривают отдельные вопросы эскизного и технического проектирования.

При выполнении предлагаемого домашнего задания по расчету приемника принимают во внимание первый, второй и пятый разделы технического задания на проектирование промышленного приемника.

 

Для типового домашнего задания проектируемый приемник должен иметь следующие электрические характеристики:

- рабочая частота f _c;

- вид модуляции (АМ, ЧМ или ИМ);

- параметры модуляции (F _В– верхняя частота модуляции, ψ – индекс модуляции, τ – длительность импульса, t _у – время установления импульса);

- чувствительность приемника E _А или P _А;

- отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе линейной части приемника P _с / P _ш;

- сопротивление антенны R _А, подключенной к приемнику;

- избирательность по зеркальному каналу σ_зк;

- избирательность по соседней станции σ_сс (при отстройке по частоте входного сигнала на полосу пропускания приемника);

- вид нагрузки – детекторный каскад на входе, которого напряжение U _вхдет.

Домашнее задание должно содержать: выбор типа приемника, выбор полосы пропускания приемника, расчет предельной реальной чувствительности, выбор промежуточной частоты (частот), выбор усилительных элементов, расчет и выбор фильтровых избирательных систем, расчет коэффициента усиления и коэффициента шума высокочастотной части приемника, построение окончательной структурной и принципиальной схемы приемника.

В результате домашнее задание делится на две части и согласно рабочей программе определяются как «ДЗ1» аттестация в первом модуле и «ДЗ2» аттестация во втором модуле дисциплины.

Проектирование супергетеродинного приемника при использовании пакета программ «Genesys» включает в себя несколько этапов.

На первом этапе проектирования супергетеродинного приемника производится выбор промежуточной частоты или промежуточных частот. Число необходимых промежуточных частот зависит от соотношения частоты сигнала f _c и заданной полосы пропускания приемника П _пр и ограничено добротностью Q _экв избирательной системы на последней промежуточной частоте . Обычно полагают эквивалентную нагруженную добротность не более 50, которую реально можно получить в ФСС 3-го – 5-го порядков, построенных на электрических LC контурах. Для реализации полосы приемника 50 кГц не следует выбирать последнюю промежуточную больше 2 …4 МГц. Поэтому для реализации узкой полосы при высокой частоте сигнала приходится использовать двух и более кратное преобразование частоты в приемнике. При этом промежуточные частоты выбираются в частотных диапазонах, где отсутствуют комбинационные частоты, воспринимаемые как помехи сигналу. Комбинационные частоты есть следствие взаимодействия гармоник гетеродина и сигнала на нелинейности смесителя . Причем, чем выше чувствительность проектируемого приемника, тем выше должен быть порядок и меньше амплитуда учитываемых комбинационных частот. Так как , то, как правило, учитывают только комбинационные частоты по гармоникам гетеродина.

На втором этапе разрабатывается структурная схема линейной части приемника до детектора. Производится подбор необходимых усилительных элементов, смесителей. По выбранным на первом этапе промежуточным частотам определяются частоты гетеродинов и уточняются центральные частоты и полосы полосовых фильтров.

На третьем этапе производится расчет фильтров на частоте сигнала и выбранных промежуточных частотах. Программа «Genesys» имеет в своем составе проектирование фильтров: в микро полосковом исполнении (Microwave Filter), многозвенных на электрических LC контурах (Passive Filter), прямого синтеза (S/Filter), активных (Active Filter).

На четвертом этапе производится подбор реальных элементов усилителей, преобразователей, гетеродинов. Элементы производятся различными фирмами и сопровождаются подробным описанием и техническими характеристиками. Эта информация может быть получена из сети интернет или из базы данных программы Genesys. Окончательно формируется структурная схема высокочастотной части приемника, проводится ее анализ. Уточняются параметры элементов схемы, подавления по зеркальному каналу и соседней станции на соответствие заданным значениям, оценивается реализованная чувствительность приемника.

Первый и второй этапа составляют ДЗ1 и оценка по нему оценивается в первом модуле. Третий и четвертый этапы включены в ДЗ2 и оценивается во втором модуле.

Отчет по домашнему заданию представляется для проверки преподавателю в электронном виде и должен содержать расчетную часть и результаты моделирования, удовлетворяющие исходным данным. Оценка определяется на защите на основании оформления и ответов на вопросы по теме домашнего задания.

Критерии оценки ДЗ1 и ДЗ2:

От 10 до 11 баллов: правильное, полное и развернутое решение задания, демонстрирующее хорошее умение студентом самостоятельно применять свои знания в процессе решения практических задач.

От 6 до 9 баллов: правильное, достаточно полное и развернутое решение задания, демонстрирующее удовлетворительное умение студентом самостоятельно применять свои знания в процессе решения практических задач; имеются замечания по оформлению ДЗ.

От 0 до 5 баллов: неудовлетворительное решение домашнего задания; присутствуют грубые ошибки в выборе алгоритма работы исследуемого устройства, оценке его помехоустойчивости; студент не способен исправить ошибки даже с помощью наводящих вопросов преподавателя.

 

 

ВЫБОР ТИПА ПРИЕМНИКА

 

В зависимости от технических характеристик приемник может строиться по одной из следующих основных структурных схем:

1) прямого усиления;

2) супергетеродинный;

3) сверхрегенеративный;

4) регенеративный;

5) с прямым преобразованием.

Основные параметры этих схем приведены в работах [4-7]. Приемники первого, третьего, четвертого и пятого типов из-за существенных недостатков используются в тех случаях, когда требуемые чувствительность и избирательность невелики. Большинство приемников строится по супергетеродинной схеме, как показано на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Структурная схема супергетеродинного приемника

Вх. цепь – входная цепь; УВЧ – усилитель высокой частоты; См. – смеситель; Гет. – гетеродин; УПЧ – усилитель промежуточной частоты; Д – детектор; УНЧ – усилитель низкой частоты; Ок. уст-во – оконечное устройство, f _c – частота сигнала; f _г   – частота гетеродина; f _пч    – промежуточная частота.

 

Основные достоинства супергетеродинного приемника:

1) высокая избирательность;

2) высокая чувствительность;

3) большое устойчивое усиление;

4) удобство перестройки при работе в различных частотных диапазонах.

Эти достоинства обусловлены тем, что основное усиление осуществляется на постоянной частоте f _пч, называемой промежуточной (обычно   f _пч< f _c). В каскадах УПЧ с постоянной настройкой можно использовать сложные резонансные системы, обеспечивающие высокую избирательность приемника.

Выбрав достаточно малую промежуточную частоту, в супергетеродинном приемнике можно получить узкую полосу даже при высокой частоте входного сигнала и большое устойчивое усиление.

Недостаток супергетеродинного приемника – его относительная сложность и наличие дополнительных (по сравнению с другими схемами приемников) специфических помеховых каналов. Это помехи на так называемых комбинационных частотах, которые наряду с частотой полезного сигнала в смесителе образуют промежуточную частоту, комбинируясь с частотой гетеродина или его гармониками. Преобразование по гармоникам сигнала обычно не учитывается, так как мощность сигнала на несколько порядков меньше мощности гетеродина

Наиболее опасными из этих помеховых каналов является канал зеркальной частоты, или симметричный канал, и канал прямого прохождения, поступающий в приемник извне на промежуточной частоте. На рисунке 1.2 показано взаимное расположение полезного сигнала, зеркальной помехи, сигнала гетеродина, а также комбинационных частот второго и третьего порядка. Частота зеркального канала f _зк  отличается от частоты гетеродина так же, как и частота сигнала - на промежуточную частоту.

 

Рисунок 1.2 – Взаимное расположение паразитных и полезных частот приема

Эти помехи могут быть отфильтрованы в приемнике цепями, которые находятся перед смесителем образующими, так называемый преселектор. (Вх.ц.+УВЧ). Частотная характеристика преселектора на рисунке 1.2 показана штриховой линией.

Ослаблением зеркального канала σ_зк называется величина, показывающая, во сколько раз коэффициент передачи преселектора К₀=К(f _c0) на частоте сигнала больше коэффициента передачи преселектора на частоте зеркального канала. Преселектор, как правило, подавляет и все комбинационные помехи более высокого порядка.

Наряду с помехами на комбинационных частотах могут быть опасными помехи станций, частоты которых близки к частоте полезного сигнала f _с. Избирательность приемника относительно этих соседних станций осуществляется в тракте промежуточной частоты в фильтрах сосредоточенной избирательности ФСИ или ФСС. Количественной мерой подавления помехи по соседней станции σ_сс является величина

где f _с0  – центральная частота характеристики избирательности приемника;

П – полоса пропускания приемника; К(f _с0 П)  - коэффициент передачи на частоте соседней станции (по умолчании - при отстройке на полосу приемника).

На рисунке 3 показана характеристика ФСС и расположение соседней станции.

 

Рисунок 1.3 – Помеха «соседняя станция» и характеристика ФСС