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

Имени Н.Э. Баумана

(национальный исследовательский университет)»

 

 

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

 

 

Эскизное моделирование
супергетеродинных радиоприемников
в программе Genesys

 

Учебно-методическое пособие

 

УДК 621.396.62

ББК 32.849

Ж35

 

Издание доступно в электронном виде по адресу

ebooks.bmstu.press/catalog/

 

Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника»

Кафедра «Радиоэлектронные системы и устройства»

 

Рекомендовано Научно-методическим советом

МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия

Жаркова, Н.А.

Ж35 Эскизное моделирование супергетеродинных радиоприемников
в программе Genesys: учеб.-метод. пособие / Жаркова Н.А., Ефремов В.А., Мыкольников Я.В. — Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020. — 72 [00] с.

 

ISBN

Пособие предназначено для выполнения домашнего задания по курсу дисциплины «Устройства приема и преобразования сигналов». Отражены способы разработки структурных и функциональных схем радиоэлектронных систем и комплексов, а также построения принципиальных схем узлов радиоэлектронных устройств, созданные с помощью современных систем автоматического проектирования и пакетов прикладных программ.

Для студентов, обучающихся по специальности 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы».

 

УДК 621.396.62

ББК 32.849

Ó МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020

Ó Оформление. Издательство

ISBN ХХХ-Х-ХХХХ-ХХХХ-Х                                           МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020

 

Предисловие

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

Цель пособия:

· изучение системы автоматического проектирования (САПР) в программе Genesys;

· овладение методикой проектирования радиоэлектронных устройств с применением САПР;

· освоение студентами методики эскизного проектирования супергетеродинных приемников, осуществляющих прием сигналов с различными видами модуляции, и их типовых узлов [3].

По сравнению с указаниями «Эскизный расчет радиоприемника» (2007) и использующимися в учебном процессе, данное учебное издание включает изучение и применение пакета прикладных программ Genesys компании 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 всех модулей следующих дисциплин:

· электроника;

· основы теории цепей;

· радиотехнические цепи и сигналы;

· схемотехника аналоговых электронных устройств.

При освоении дисциплины и для успешного выполнения домашнего задания рекомендуется применять пакеты программ компании Keysight Technology [5], использовать дополнительные источники информации, в том числе из Интернет (сайты производителей электронных компонентов), а также справочную литературу, приведенную в конце данного пособия.

Критерии оценки домашнего задания:

10…11 баллов —правильное и развернутое решение задания, демонстрирующее хорошее умение студентом самостоятельно применять свои знания в процессе решения практических задач;

6…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 домашнего задания;

0…5 баллов — неудовлетворительное решение домашнего задания; присутствуют грубые ошибки в выборе алгоритма работы исследуемого устройства, оценке его помехоустойчивости; студент не способен исправить ошибки.

 

Обозначения и сокращения

 

АМ — амплитудная модуляция

АЧХ — амплитудно-частотная характеристика

ВЧ — высокая частота

ИМ — импульсная модуляция

МПЛ — микрополосковая линия

САПР — система автоматического проектирования

СВЧ — сверхвысокая 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

ЧМ — частотная модуляция

ЭМ — электромагнитное моделирование

S 11, S 12, 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 САПР. В настоящее время существует множество как специализированных программных средств по моделированию и разработке как отдельных узлов и элементов радиотехнических устройств, так и систем и 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 Design (компания «Эремекс», Россия), в части компьютерного моделирования стойкости радиоэлектронных средств к механическим и электромагнитным воздействиям — «Асоника» (компания «НИИ «АСОНИКА», Россия).

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, Inc. (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, данная компания является одним из лидеров разработки и производства измерительного оборудования.

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

1. Краткая информация по выполнению домашнего задания

 

В качестве типовых усилительных элементов используют интегральные микросхемы и микросборки, которые в настоящее время находят применение в радиоаппаратуре. В виде избирательных систем (преселекторы и фильтр сосредоточенной избирательности (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 компании Keysight Technologies, Inc. [4].

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

Техническое задание на разработку приемника включает следующее:

· общие характеристики приемника — назначение, особенности эксплуатации, серийность и т. п.;

· электрические характеристики — диапазон рабочих частот, чувствительность, выходная мощность и т. п.;

· конструктивные и технологические характеристики — используемые материалы и покрытия, масса, габаритные размеры и т. п.;

· механические характеристики — вибрационная стойкость, механическая прочность и т. п.;

· климатические требования.

При промышленном проектировании создание приемника, как правило, проходит три этапа:

· эскизное;

· техническое проектирование;

· реализация приемника — 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 ходе учебного проектирования рассматривают отдельные вопросы эскизного и технического проектирования.

При выполнении предлагаемого домашнего задания по расчету супергетеродинного приемника принимают во внимание главы 1, 2 и 5 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_з.к;

· избирательность по соседней станции σ_с.с (при отстройке по частоте входного сигнала на полосу пропускания приемника);

· вид нагрузки — детекторный каскад, на входе которого напряжение U _вх.дет.

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, которые, 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.

Первый этап. 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 фильтре сосредоточенной селекции (ФСС) 3…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 необходимо 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 и возникающие вследствие взаимодействия гармоник гетеродина и сигнала на нелинейности смесителя . Следует отметить, что 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.

Второй этап. Разрабатывается структурная схема линейной части приемника до детектора и производится подбор необходимых усилительных элементов, смесителей. По выбранным на первом этапе промежуточным частотам определяются частоты гетеродинов и уточняются центральные частоты и полосы полосовых фильтров.

Третий этап. Осуществляется расчет фильтров на частоте сигнала и выбранных промежуточных частотах. Программа Genesys в своем составе содержит проектирование фильтров:

· в микрополосковом исполнении (Microwave Filter);

· многозвенных на электрических LC -контурах (Passive Filter);

· прямого синтеза (S/Filter);

· активных (Active Filter).

Четвертый этап. Производится подбор реальных элементов усилителей, преобразователей, гетеродинов. Элементы производятся различными фирмами и сопровождаются подробным описанием и техническими характеристиками. Эта информация может быть получена из Интернета 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 этапы составляют ДЗ1, которое оценивается в первом модуле. Третий и четвертый этапы включены в ДЗ2 и оцениваются во втором модуле.

Отчет по домашнему заданию представляется для проверки преподавателю в электронном виде и должен содержать:

· расчетную часть;

· результаты моделирования, удовлетворяющие исходным данным.

Оценка определяется на защите на основании оформления и ответов на вопросы по теме домашнего задания.

 

Выбор типа приемника

 

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

· прямого усиления;

· супергетеродинный;

· сверхрегенеративный;

· регенеративный;

· с прямым преобразованием.

Основные параметры этих схем приведены в работах [1, 2, 6, 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 рис. 2.1.

Рис. 2.1. Структурная схема супергетеродинного приемника

ВЦ — входная цепь; УВЧ — усилитель высокой частоты; СМ — смеситель; Г — гетеродин; УПЧ — усилитель промежуточной частоты; Д — детектор; УНЧ — усилитель низкой частоты; ОУ — оконечное устройство; f _c — частота сигнала; f _г   — частота гетеродина;
f _п.ч    — промежуточная частота

 

Основные достоинства супергетеродинного приемника:

· высокая избирательность;

· высокая чувствительность;

· большое устойчивое усиление;

· удобство перестройки при работе в различных частотных диапазонах.

Эти достоинства обусловлены тем, что основное усиление осуществляется на постоянной частоте f _п.ч, называемой промежуточной (обычно f _п.ч< 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 них является канал зеркальной частоты, или симметричный канал, и канал прямого прохождения, поступающий в приемник извне на промежуточной частоте. На рис. 2.2 показано взаимное расположение полезного сигнала, зеркальной помехи, сигнала гетеродина, а также комбинационных частот второго и третьего порядка. Частота зеркального канала f _з.к  отличается от частоты гетеродина так же, как и частота сигнала — на промежуточную частоту.

Рис. 2.2. Взаимное расположение паразитных и полезных частот приема

Эти помехи могут быть отфильтрованы в приемнике цепями, которые находятся перед смесителем образующими, так называемый преселектор
(ВЦ + УВЧ). Частотная характеристика преселектора на рис. 2.2 показана штриховой линией.

Ослаблением зеркального канала σ_з.к называют величину, показывающую, 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_с.с 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 рис. 2.3 показана характеристика ФСС и расположение соседней станции.

Рис. 2.3. Характеристики ФСС и схема расположения соседней станции на частотной оси

 

Проектирование фильтров

Синтез согласующих цепей

В этой главе рассмотрена методика синтеза (построение) согласующих цепей в различных диапазонах частот.

Заключение

В результате выполнения домашнего задания «Устройства приема и преобразования сигналов» по предложенным указаниям и согласно заданным исходным данным с использованием программы Genesys были:

· выбраны промежуточные частоты в участках частного диапазонах свободных от внутренних комбинационных помех, позволяющие реализовать необходимую чувствительность и избирательность приемника;

· разработана структурная схема высокочастотной части (до детектора) супергетеродинного приемника, в состав которой включены реальные усилители и смесители, выпускаемые промышленностью и имеющиеся на рынке;

· рассчитаны фильтры для подавления зеркальных каналов для первой и второй промежуточных частот;

· рассчитан фильтр, обеспечивающий подавление соседней станции при заданной полосе приемника;

· проведено моделирование усиления и коэффициента шума по каскадам приемника с целью определения динамического диапазона и реализации заданной чувствительности.

При выполнении домашнего задания студенты получают навыки работы с современной программой Genesys RF/Microwave Synthesis and Simulation Software, входящей в пакеты программ фирмы Keysight Technology, позволяющей синтезировать и моделировать СВЧ-устройства. Программа полностью интегрирована с другими программами пакета САПР радиоэлектронной аппаратуры этой фирмы, что дает возможность включать, разработанные в ней устройства в более общие системные проекты.

 

Литература

1. Валитов Р.А., Куликовский А.А. Радиоприемные устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет. М.: Сов. радио, 1968. 384 с.

2. Горшелев В.Д. Основы проектирования радиоприемников. Л.: Энергия, 1967. 452 с.; 1977. 384 с.

3. Жаркова Н.А., Кузьмина Е.К. Эскизный расчет радиоприемника: метод. указания к выполнению домашних заданий по курсам «УПиПС, и «РТУиС». М.: Изд-во МГТУ, 2007. 19 с.

4. Интернет-ресурс САПР Genesys компании Keysignt Technology. URL: https://www.keysight.com/ru/pc-1297125/Genesys-rf-and-microwave-design-software?nid=-34275.0.00&lc=rus&cc=RU(дата обращения 20.05.2019).

5. Официальный сайт компании Keysignt Technology. URL: http://www.keysignt.com/ru (дата обращения 20.05.2019).

6. Радиоприемные устройства: учебник для вузов / Н.Н. Фомин [и др.]; под ред. Н.Н. Фомина. 3-е изд., стереотип. М.: Горячая линия – Телеком, 2007. 520 с.

7. Розанов Б.А. Приемники радиосистем. Конспект лекций по курсу «Радиоприемные устройства»: учеб. пособие. В 2-х ч. Ч. 1–2: М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 56 с.; 2003. 152 с.

 

 

Приложение

 

Краткая историческая справка о компании Keysight Technologies

 

Официальная история компании Keysight Technologies начинается с 1939 г., когда 1 января Билл Хьюлетт (William Hewlett) и Девид Пакард (David Packard) создают партнерство Hewlett-Packard по изготовлению измерительного оборудования, и первым их устройством был RC -генератор звуковых колебаний HP200A [5]. На протяжении всего XX столетия компания динамично развивалась, предоставляя на рынке широкий спектр современного и высокотехнологичного измерительного оборудования для различных отраслей и производств. Что привело в 1999 г. 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 г. Keysight становится полностью отдельной компанией, занимающейся электронными измерениями. Помимо высокоточной и высокотехнологичной измерительной аппаратуры компания Keysight Technologies выпускает различное программное обеспечение, в том числе и для САПР по ВЧ- и СВЧ-устройствам [5].

 

Оглавление

 

Предисловие 3

Введение 6

1. Краткая информация по выполнению домашнего задания 8

2. Выбор типа приемника 13

3. Расчет полосы пропускания приемника 16

4. Определение промежуточных частот приемника 22

5. Разработка структурной схемы приемника 30

5.1. Построение структурной схемы приемника 30

5.2. Анализ структурной схемы приемника 32

6. Проектирование фильтров 40

6.1. Обзор инструментов проектирования фильтров в программе Genesys 40

6.2. Проектирование микрополосковых фильтров Miсrowave Filter 41

6.3. Проектирование фильтров программой прямого синтеза 53

6.4. Пассивные фильтры на электрических LC контурах 63

7. Синтез согласующих цепей 70

7.1. Согласующие цепи на сосредоточенных элементах 70

7.2. Согласующие цепи на распределенных элементах 75

7.3. Рекомендации выбора подложек для микрополосковых цепей и фильтров 77

8. Подбор реальных элементов для структурной схемы приемника 79

Заключение 84

Литература 85

Приложение                                                                                                                                  86

Оглавление 87

Учебное издание

Жаркова Надежда Алексеевна

Имени Н.Э. Баумана

(национальный исследовательский университет)»

 

 

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

 

 

Эскизное моделирование
супергетеродинных радиоприемников
в программе Genesys

 

Учебно-методическое пособие

 

УДК 621.396.62

ББК 32.849

Ж35

 

Издание доступно в электронном виде по адресу

ebooks.bmstu.press/catalog/

 

Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника»

Кафедра «Радиоэлектронные системы и устройства»

 

Рекомендовано Научно-методическим советом

МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия

Жаркова, Н.А.

Ж35 Эскизное моделирование супергетеродинных радиоприемников
в программе Genesys: учеб.-метод. пособие / Жаркова Н.А., Ефремов В.А., Мыкольников Я.В. — Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020. — 72 [00] с.

 

ISBN

Пособие предназначено для выполнения домашнего задания по курсу дисциплины «Устройства приема и преобразования сигналов». Отражены способы разработки структурных и функциональных схем радиоэлектронных систем и комплексов, а также построения принципиальных схем узлов радиоэлектронных устройств, созданные с помощью современных систем автоматического проектирования и пакетов прикладных программ.

Для студентов, обучающихся по специальности 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы».

 

УДК 621.396.62

ББК 32.849

Ó МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020

Ó Оформление. Издательство

ISBN ХХХ-Х-ХХХХ-ХХХХ-Х                                           МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020

 

Предисловие

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

Цель пособия:

· изучение системы автоматического проектирования (САПР) в программе Genesys;

· овладение методикой проектирования радиоэлектронных устройств с применением САПР;

· освоение студентами методики эскизного проектирования супергетеродинных приемников, осуществляющих прием сигналов с различными видами модуляции, и их типовых узлов [3].

По сравнению с указаниями «Эскизный расчет радиоприемника» (2007) и использующимися в учебном процессе, данное учебное издание включает изучение и применение пакета прикладных программ Genesys компании 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 всех модулей следующих дисциплин:

· электроника;

· основы теории цепей;

· радиотехнические цепи и сигналы;

· схемотехника аналоговых электронных устройств.

При освоении дисциплины и для успешного выполнения домашнего задания рекомендуется применять пакеты программ компании Keysight Technology [5], использовать дополнительные источники информации, в том числе из Интернет (сайты производителей электронных компонентов), а также справочную литературу, приведенную в конце данного пособия.

Критерии оценки домашнего задания:

10…11 баллов —правильное и развернутое решение задания, демонстрирующее хорошее умение студентом самостоятельно применять свои знания в процессе решения практических задач;

6…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 домашнего задания;

0…5 баллов — неудовлетворительное решение домашнего задания; присутствуют грубые ошибки в выборе алгоритма работы исследуемого устройства, оценке его помехоустойчивости; студент не способен исправить ошибки.

 

Обозначения и сокращения

 

АМ — амплитудная модуляция

АЧХ — амплитудно-частотная характеристика

ВЧ — высокая частота

ИМ — импульсная модуляция

МПЛ — микрополосковая линия

САПР — система автоматического проектирования

СВЧ — сверхвысокая 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

ЧМ — частотная модуляция

ЭМ — электромагнитное моделирование

S 11, S 12, 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 САПР. В настоящее время существует множество как специализированных программных средств по моделированию и разработке как отдельных узлов и элементов радиотехнических устройств, так и систем и 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 Design (компания «Эремекс», Россия), в части компьютерного моделирования стойкости радиоэлектронных средств к механическим и электромагнитным воздействиям — «Асоника» (компания «НИИ «АСОНИКА», Россия).

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, Inc. (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, данная компания является одним из лидеров разработки и производства измерительного оборудования.

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

1. Краткая информация по выполнению домашнего задания

 

В качестве типовых усилительных элементов используют интегральные микросхемы и микросборки, которые в настоящее время находят применение в радиоаппаратуре. В виде избирательных систем (преселекторы и фильтр сосредоточенной избирательности (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 компании Keysight Technologies, Inc. [4].

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

Техническое задание на разработку приемника включает следующее:

· общие характеристики приемника — назначение, особенности эксплуатации, серийность и т. п.;

· электрические характеристики — диапазон рабочих частот, чувствительность, выходная мощность и т. п.;

· конструктивные и технологические характеристики — используемые материалы и покрытия, масса, габаритные размеры и т. п.;

· механические характеристики — вибрационная стойкость, механическая прочность и т. п.;

· климатические требования.

При промышленном проектировании создание приемника, как правило, проходит три этапа:

· эскизное;

· техническое проектирование;

· реализация приемника — 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 ходе учебного проектирования рассматривают отдельные вопросы эскизного и технического проектирования.

При выполнении предлагаемого домашнего задания по расчету супергетеродинного приемника принимают во внимание главы 1, 2 и 5 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_з.к;

· избирательность по соседней станции σ_с.с (при отстройке по частоте входного сигнала на полосу пропускания приемника);

· вид нагрузки — детекторный каскад, на входе которого напряжение U _вх.дет.

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, которые, 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.

Первый этап. 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 фильтре сосредоточенной селекции (ФСС) 3…5-го порядков, построенных на электрических LC -контурах. Для реал