Уменьшение снижает мощность собственных шумов на входе приёмной системы, улучшая её пороговую чувствительность , т.е позволяет принимать более слабые сигналы. Это следует из определения пороговой чувствительности:
, (2.10)
где - постоянная Больцмана;
- полоса пропускания приёмной системы, Гц.
Снижение приёмной системы – наиболее эффективный и экономичный способ повышения энергетического потенциала радиолинии связи.
Первым элементом выбранной приёмной системы (см. рис. 2.2), характеризуемой выражением (2.9), является антенна, обладающая эффективной шумовой температурой . Поэтому желательно, чтобы второй элемент приёмной системы имел малую шумовую температуру и большой коэффициент усиления . Такими параметрами обладают входные малошумящие усилители (МШУ).
К МШУ современных приёмных систем предьявляются следующие основные требова-ния:
1) Они должны быть пригодны для установки вблизи от облучателя антенны (желательно, перед фидером с потерями), обладать малой шумовой температурой и большим коэффициентом усиления. При этом согласно (2.9) снижается приёмной системы в целом, а следовательно, увеличивается отношение на выходе канала связи. Если же величину оставить неизменной, то введение вынесенного к антенне МШУ позволит принимать более слабые сигналы. Однако снижать шумовую температуру усилителя до уровня нерационально, так как это сопряжено со значительными техническими трудностями и не приводит к существенному уменьшению .
2) Ширина и форма полосы пропускания МШУ должна обеспечивать безискажённый
приём сигнала и заданную помехозащищённость. Перестройка МШУ затруднена, поэтому они, как правило, выполняются широкополосными, не перестраиваемыми в рабочем диапазоне. Перестраиваются или сменяются только пассивные узкополосные фильтры-преселекторы, пропускающие полосу частот принимаемого сигнала и защищающие усилитель от сильных помех вне этой полосы.
3) Коэффициент усиления МШУ максимален при полном согласовании его входа с трактом, а коэффициент шума минимален при некотором их рассогласовании. В связи с этим для минимизации приёмной антенны в ряде случаев целесообразно некоторое рассогласование входа МШУ с трактом (до КСВ). Все остальные элементы тракта должны быть хорошо согласованы.
4) Уровень сигнала, попадающего на вход МШУ, в условиях эксплуатации аппаратуры связи может изменятся в весьма широких пределах. Поэтому МШУ должен обладать как можно большим динамическим диапазоном, определяемым отношением мощности входного сигнала , соответствующей насыщению усилителя, к минимальному входному сигналу, определяемому уровнем собственных шумов МШУ.
5) Повышенной линейности амплитудной, амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик. Например, неравномерность АЧХ МШУ некоторых связных станций не превышает дБ в полосе 500 МГц при усилении дБ.
6) Должно быть малое время выхода на рабочий режим и быстрое восстановление работоспособности усилителей после воздействия сильной помехи.
7) Время наработки на отказ – не менее 100 тыс. часов, а время перехода с основного комплекта на резервный – не более нескольких десятых долей секунды (в многоканальных станциях спутниковой связи).
8) Простота обслуживания, контроля, минимальное число регулировок. Замена МШУ в аппаратуре не должна сопровождаться подстройкой его элементов.
9) Малые габариты, масса и потребляемая мощность – это особенно важно для бортовой и наземной мобильной аппаратуры.
Некоторые из этих требований противоречивы и одновременное их выполнение, как правило не возможно. На практике при выборе типа усилителя приходится принимать компромиссные решения.
2.5.1. Транзисторные МШУ
В настоящее время в качестве входных МШУ большинства приёмных систем СВЧ применяются транзисторные усилители.
На частотах до 3...4 ГГц их активными элементами обычно служат БТ, на более высоких частотах – ПТШ, имеющие здесь меньший коэффициент шума; в некоторых случаях ПТШ применяются на частотах, начиная с 1 ГГц и даже с 0 Гц (в монолитных ТрУ). Предельно малым Кш обладают транзисторы с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). К настоящему времени разработаны ТрУ СВЧ на рабочие частоты от 0,1 ГГц до 60 ГГц с коэффициентом усиления не менее
15...5 дБ на каскад и коэффициентом шума 0,5...8 дБ соответственно. Полоса усиления ТрУ может быть от нескольких процентов до нескольких октав (монолитное исполнение). Как правило, Кш узкополосных ТрУ на 0,2...0,6 дБ превышает коэффициент шума используемых ПТШ, а широкополосных — на 1,5...4 дБ. ПТ на InGaAs работоспособны до 100 – 200 ГГц.
Выходная мощность насыщения малошумящих ТрУ обычно имеет значение 0,1... 10 мВт, динамический диапазон у них больше, чем у ТУ и ПУ, на 10...20 дБ. Важным преимуществом ТрУ является более высокая стабильность усиления по сравнению с регенеративными туннельными и параметрическими усилителями.
Можно считать, что на частотах до 60 ГГц в аппаратуре массового применения транзисторные усилители вытесняют все другие типы МШУ, превосходя их по надёжности, динамическому диапазону, широкополосности, устойчивости к перегрузкам, а также по минимуму массы, габаритов, стоимости, трудоёмкости изготовления.
Конструкция ТрУ сравнительно проста. Например, на поликоровую подложку с напыленными входными, межкаскадными и выходными согласующими цепями, элементами развязки в цепях смещения устанавливают транзистор. Плату, под которой могут быть установлены схемы управления и стабилизаторы питания, помещают в плоский корпус (запредельный волновод). Коаксиальные либо волноводные вход и выход СВЧ сигнала, а также вводы питания, герметичны.
На СВЧ в основном используются усилители на ПТШ, включенные по схеме с общим истоком (ОИ), имеющей такой же коэффициент шума, как и схема с общим затвором (ОЗ), но больший коэффициент передачи мощности. Поэтому при использовании схем с ОИ меньше сказываются шумы последующих каскадов.
Иногда, при наличии запаса по усилению, для увеличения полосы пропускания ТрУ на ПТШ используют отрицательную обратную связь, изменяющую входное сопротивление транзистора. Вследствие этого, становится возможным применение более простых согласующих цепей (СЦ),
снижается чувствительность ТрУ к изменению параметров транзистора, усилитель становится безусловно устойчивым. Такие каскады могут использоваться без применения входных и выходных
развязывающих устройств, в частности в монолитных ТрУ. Просто реализуемая широкополосная резистивная обратная связь несколько увеличивает Кш поэтому в МШУ применяется и обратная связь на реактивных элементах.
В монолитных схемах ТрУ вместо пассивных СЦ применяют активное согласование – на входе МШУ включают каскад с ОЗ, а на выходе – каскад с ОС. В широкополосных ТрУ, при выборе согласующих полевых транзисторов с крутизной S=1/ρ, равной проводимости МПЛ, может быть достигнуто согласование в полосе нескольких октав, снижение Кш на 1,5...2 дБ и увеличение усиления. Активные согласующие цепи на ПТШ занимают значительно меньшую площадь по сравнению с пассивными.
Питание ПТШ осуществляется двумя способами: с использованием двухполярного источника напряжения и однополярного – с автосмещением транзистора. Цепь автосмещения R и С является, в
последнем случае, цепью отрицательной обратной связи по постоянному току, стабилизирующей параметры ТрУ. Потери шунтирующих конденсаторов ухудшают параметры усилительного каскада, особенно с повышением частоты. Учитывая это, на повышенных частотах предпочитают схему питания с двухполярным источником напряжения.
Шумы ПТШ в основном имеют тепловое происхождение, поэтому при снижении в несколько раз физической температуры ТрУ примерно во столько же раз уменьшается его шумовая температура. Кроме того, вследствие роста подвижности электронов в GaAs при охлаждении, на несколько децибел возрастает усиление ПТШ.
О параметрах лучших зарубежных МШУ можно судить по рекламным проспектам фирмы NEC. Она выпускает МШУ на ПТШ в литерном исполнении, имеющие следующие значения шумовой температуры и, соответственно, различающиеся по стоимости:
в диапазоне 3,625...4,2 ГГц с ТЭМО – 32, 37, 42, 47 К; без охлаждения – 55, 70, 80 К;
в диапазоне 18,6... 19,5 ГГц без охлаждения – 200, 250, 300 К.
Можно выделить четыре основных типа ТрУ:
- однотактные;
- балансные;
- комбинированные;
- отражательные.
Наиболее широкое распространение получили достаточно простые в исполнении однотактные усилители. Как правило, однотактные усилители на биполярных транзисторах требуют применения ферритовых развязывающих устройств, что приводит к увеличению габаритных размеров и является
недостатком этого типа усилителей.
Широкое распространение получили балансные усилители, состоящие из двух однотактных усилителей, включённых параллельно с помощью 3-децибельных мостов.
Балансные транзисторные усилители имеют более широкий динамический диапазон, чем однотактные ( на балансный каскад поступает только половина общей мощности сигнала ), более
высокую надёжность, так как отказ транзистора в одном плече ведёт лишь к уменьшению Кр на 6 дБ при сохранении работоспособности усилителя. Кроме того, балансные усилители легко каскадируются, менее подвержены самовозбуждению, не требуют применения развязывающих ферритовых устройств, дополнительно ограничивающих ширину полосы рабочих частот.
К недостаткам балансного усилителя следует отнести ухудшение его чувствительности из-за потерь на отражение (входной КСВН моста в полосе не лучше 1,5) и диссипативных потерь в высоко-омных линиях мостов.
3. Разработка функциональной схемы СВЧ тракта
3.1. Характеристика элементов приёмного тракта
Разработку функциональной схемы приёмного тракта произведём на основании выбран-ной супергетеродинной структурной схемы приёмника с двойным преобразованием частоты. Функциональная схема тракта приёма, должна содержать следующие части:
- антенну;
- диплексер;
- МШУ;
- полосно-пропускающие фильтры ;
- усилители промежуточной частоты ;
- смесители.
Рассмотрим более подробно элементы тракта СВЧ, которые используются для построения земной станции.
Антенна представляет собой параболический рефлектор диаметра D = 1.2 м и облучатель для приёма сигналов с круговой поляризацией правого вращения.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
