Устройств микроволнового диапазона

Учебное пособие

Новосибирск

2008

УДК 621.396.62

 

Дтн, профессор А.И. Фалько. Расчет преселекторов радиоприемных устройств микроволнового диапазона: Учебное пособие / СибГУТИ. – Новосибирск, 2008 г. – 50 с.

 

Учебное пособие содержит рекомендации по расчету преселекторов деци-метрового и сантиметрового диапазонов. Предназначено для использования при курсовом и дипломном проектировании студентами очной и заочной форм обучения, в том числе и дистанционного.

 

 

Кафедра радиоприемных устройств

Илл. – 22, список лит. – 13 назв.

 

Рецензенты: А.В. Киселев, Ю.А. Пальчун

 

Для специальностей: «Радиосвязь, радиовещание и телевидение», «Средства связи с подвижными объектами», «Радиотехника», «Защищенные системы связи».

 

 

Утверждено редакционно–издательским советом СибГУТИ в качестве учебного пособия.

 

© ГОУ ВПО «Сибирский государственный

университет телекоммуникаций и

  информатики», 2008

© А.И. Фалько

Оглавление

 

Список принятых сокращений                                                                      4 

Введение                                                                                                          5

1. Краткие сведения о транзисторных усилителях СВЧ                                  9

2. Методика расчета усилителей СВЧ                                                          13

2.1. Пример расчета усилителя радиочастоты дециметрового диапазона   15

2.2. Пример расчета усилителя радиочастоты сантиметрового диапазона    17

3. Краткие сведения о фильтрах на поверхностных акустических волнах 19

4. Расчет фильтров на поверхностных акустических волнах                     23

4.1. Пример расчета фильтра на поверхностных акустических волнах дециметрового диапазона                                                                               25

5. Краткие сведения о фильтрах с параллельно связанными микрополосковыми резонаторами                                                                28                             

6. Расчет фильтров с параллельно связанными микрополосковыми резонаторами                                                                                                   32

6.1. Пример расчета фильтра сантиметрового диапазона                           35

7. Согласование в тракте СВЧ                                                                       37

7.1. Узкополосное согласование                                                                    37

7.2. Межкаскадное широкополосное согласование цепей с

комплексными сопротивлениями                                                                  41

8. Методика расчета согласования                                                                42

8.1. Пример расчета согласования выхода фильтра со входом УРЧ         45

8.2. Пример расчета согласования выхода УРЧ с характеристическим сопротивлением тракта СВЧ                                                                          46

Список литературы                                                                                         49

 

 

Список принятых сокращений

 

АЧХ – амплитудно-частотная характеристика

АЭ – активный элемент

В – волновод

ВПП – волноводно-полосковый переход

ВЦ – входная цепь

ВЧ – высокие частоты

ВШП – встречно-штыревой преобразователь

Г – гетеродин

Д – детектор

ДВ – длинные волны

ИМС – интегральная микросхема

КВ – короткие волны

КВЧ – крайне высокие частоты

МК – микроконтроллер

МПЛ – микрополосковая линия

МШУ – малошумящий усилитель

НЧ – низкие частоты

ОБУ – область безусловной устойчивости

ОПУ – область потенциальной устойчивости

П – поляризатор

ПАВ – поверхностные акустические волны

ПТШ – полевой транзистор с затвором Шотки

ПФ – полосовой фильтр

СВ – средние волны

СВЧ – сверхвысокие частоты

СМ – смеситель

СЦ – согласующая цепь

ТВПЭ – транзистор с высокой подвижностью электронов

УВЧ – ультравысокие частоты

УКВ – ультракороткие волны

УПЧ – усилитель промежуточной частоты

УРЧ – усилитель радиочастоты

УЧМ – усилитель частоты модуляции

ФОС – фильтр основной селекции

 

Введение

Структурная схема супергетеродинного приемника приведена на рисунке В1. Она содержит входную цепь (ВЦ), усилитель радиочастоты (УРЧ), преобразователь частоты, в который входит смеситель (СМ), гетеродин (Г) и фильтр основной селекции (ФОС); после преобразователя стоит усилитель промежуточной частоты (УПЧ), детектор (Д) и усилитель частоты модуляции (УЧМ). Далее осуществляется необходимая последетекторная обработка, например, деперемежение, декодирование канальное и речевое и так далее.

Рисунок В1

Преселектор – предварительный селектор состоит из входной цепи и усилителя радиочастоты. Входная цепь связывает антенну (антенный фидер) с первым усилительным или преобразовательным прибором (если нет УРЧ), которым чаще всего является транзистор. В настоящее время транзисторные усилители радиочастоты (в дискретном или интегральном исполнении) практически вытеснили другие виды усилителей: параметрические, на туннельных диодах и прочие. Применение УРЧ позволяет улучшить реальную чувствительность приемника, так как мощность собственных шумов активного элемента (транзистора) в режиме усиления почти в два раза меньше, чем в режиме преобразования.

До частот порядка 6…7 ГГц в УРЧ возможно применение как полевых, так и биполярных транзисторов, хотя предпочтение отдается полевым транзисторам, вследствие их известных достоинств: большее входное сопротивление, меньшие шумы, лучшая линейность усиления. На частотах выше 7 ГГц УРЧ выполняются на полевых транзисторах Шотки (ПТШ), или транзисторах с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ).

Преселектор обеспечивает выделение заданного диапазона частот сигнала и избирательность по зеркальному каналу. Для этого он содержит фильтрующие (избирательные) цепи, которые могут быть как перестраиваемые по частоте, так и неперестраиваемые.

В перестраиваемых преселекторах в качестве избирательных резонанс-ных цепей обычно применяют одиночные LC-колебательные контуры или двухконтурные полосовые фильтры. Количество резонансных контуров (фильтров) определяется избирательностью по зеркальному каналу. Перестройка по диапазону осуществляется чаще всего переменной емкостью: конденсатором или варикапом (варикапной матрицей) сопряженно с контуром гетеродина. На рисунке В1 штриховыми линиями показана сопряженная перестройка резонансных контуров (фильтров) входных цепей, усилителя радиочастоты и гетеродина так, чтобы промежуточная частота была неизменной. Такие преселекторы характерны для радиовещательных приемников умеренно высоких частот, за которыми закрепилось название диапазонов волн: длинные (ДВ; НЧ), средние (СВ; СЧ), короткие (КВ; ВЧ) и ультракороткие (УКВ; УВЧ).

В неперестраиваемых преселекторах выделение всего диапазона частот принимаемого сигнала происходит полосовым фильтром или гребенкой коммутируемых полосовых фильтров с примыкающими амплитудно-частотными характеристиками. Такое построение преселекторов обычно используется в профессиональных приемниках декаметрового и метрового диапазонов. Выделение всего диапазона частот принимаемого сигнала одним неперестраеваемым фильтром преселектора используется также практически во всех приемниках сверхвысоких частот (СВЧ). Заметим, что здесь под термином СВЧ объединены три диапазона: дециметровый (УВЧ), сантиметровый (СВЧ) и миллиметровый (КВЧ). Иногда их объединяют термином "микроволновый" диапазон.

Построение преселекторов с неперестраиваемыми фильтрами более технологично и менее громоздко. Поэтому в последние годы разработчики идут именно по такому пути построения приемников, хотя при этом требования к линейности радиочастотного тракта и стабильности частоты гетеродинов более высокие.

Преселекторы различных диапазонов частот отличаются особенностями построения, поэтому в этом учебном пособии отдельно будут рассмотрены преселекторы приемников ультравысоких частот (дециметровых волн) и сверхвысоких частот (сантиметровых волн).

Особенности построения преселекторов приемников дециметрового диапазона рассмотрены на примере мобильных абонентских аппаратов сотовых и транкинговых сетей. В таких приемниках преселекторы как правило неперестраиваемые. Они содержат фильтр приема и малошумящий усилитель радиочастоты (рисунок В2).

Фильтр приема и фильтр передачи образуют диплексер, который разделяет спектры частот принимаемых и передаваемых сигналов, разнесенных на величину дуплексного разноса. В транкинговых приемниках кроме фильтров еще используют СВЧ-ключи для разделения сигналов приема и передачи.

Фильтр приема выделяет весь диапазон принимаемых частот сигнала (всех абонентов) и обеспечивает требуемую избирательность по зеркальному каналу. Далее сигнал усиливается малошумящим усилителем радиочастоты (УРЧ) и поступает на смеситель (СМ1), на второй вход которого подается частота с синтезатора частоты (f_Г1). Настройка приемников сводится к изменению частоты синтезатора (по командам микроконтроллера) для переноса принимаемого сигнала в фильтр основной селекции (ФОС) на выходе смесителя, где выделяются частоты соответствующих абонентов.

Усиление сигнала в преселекторах мобильных приемников должно быть сравнительно небольшое (≈10…15 дБ), чтобы не было нелинейных явлений типа перекрестной модуляции сигнала помехами и взаимной модуляции между помехами. Поэтому одного каскада УРЧ обычно достаточно.

Рисунок В2

В дециметровом диапазоне применяют фильтры: волноводно-диэлектрические (керамические) [1…3] и на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [4…8]. Более компактны в этом диапазоне фильтры на ПАВ.

Особенности построения преселекторов сантиметровых волн рассмотрены на примере приемников спутникового телевизионного вещания (рисунок В3).

А – антенна; В – волновод; П – поляризатор;

ВПП – волноводно-полосковый переход;

УРЧ – малошумящий усилитель радиочастоты;

ПФ – полосовой фильтр.

Рисунок В3

В таких радиоприемных устройствах непосредственно у раскрыва антенны располагается конвертор. После преобразования принятого сигнала конвертором на более низкую первую промежуточную частоту сигнал с помощью соединительного кабеля подается на внутренний приемник (ресивер). В конверторе важно правильно выбрать усиление. Недостаточное усиление равнозначно применению антенны меньшего диаметра, чрезмерное усиление приводит к перегрузке входных каскадов внутреннего приемника. В целом усиление конвертора должно быть согласованно с длиной соединительного кабеля (с затуханием сигнала в нем) и чувствительностью ресивера. Практически рекомендуемое усиление должно составлять минимум 50 дБ, максимум 60 дБ. Преселектор конвертора обычно состоит из трех или четырех каскадов усиления и полосового фильтра сигнала.

Первые один или два каскада усиления выполняют на транзисторах с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ). У них меньший коэффициент шума, но и меньший коэффициент усиления по сравнению с полевым транзистором с затвором Шотки (ПТШ). Третий и четвертый каскады строятся на ПТШ.

В отличие от преселекторов других диапазонов волн, где велик уровень внешних помех и фильтры сигнала обычно ставятся перед усилителями радиочастоты, в конверторах фильтры сигнала стоят после каскадов усиления. Они выделяют сигнал в заданном диапазоне частот и обеспечивают подавление помех первого зеркального канала.

В сантиметровом диапазоне находят применение фильтры с плоскостными и объемными резонаторами. Наибольшее распространение получили фильтры плоскостные на отрезках микрополосковых линий [9…12] и волноводно-диэлектрические (керамические) [1…3, 9, 10].

Проектирование преселекторов предполагает расчет избирательных (фильтрующих) цепей, расчет усилителей радиочастоты и цепей согласования. Исходными данными к расчету являются: диапазон рабочих частот сигнала, параметры антенны, затухание в полосе пропускания и в полосе заграждения (коэффициент прямоугольности), требуемая избирательность по зеркальному каналу, неравномерность по диапазону.

Исходные данные на проектирование задаются техническим заданием или определяются разработчиком на этапе предварительного расчета и составления структурной схемы приемника.