Расчет смесителя

2.4 Расчет смесителя

В современных радиоприемных устройствах СВЧ в большинстве случаев применяют двухдиодные балансные смесители (БС). Основным их достоинством является способность подавлять шум амплитудной модуляции колебаний гетеродина, что весьма важно для получения низкого коэффициента шума. Наряду с этим БС обладает и другими преимуществами перед однодиодным небалансным смесителем. В частности, БС работает при меньшей мощности гетеродина, имеет повышенную помехоустойчивость к сигналам помех определенных частот и позволяет уменьшить мощность гетеродина, просачивающуюся в антенну.

Схема БС включает две смесительные секции и СВЧ мост (квадратный, кольцевой и др.). К двум плечам моста подключают смесительные секции, а к двум другим подводят соответственно напряжения сигнала Uс и гетеродина Uг.

Работа балансного смесителя основана на равном распределении мощностей сигнала и гетеродина между двумя диодами, но с определенными относительными фазовыми сдвигами, что обеспечивается с помощью СВЧ моста. В результате оказывается, что на выходе смесителя, на промежуточной частоте, преобразованные диодами сигналы имеют одинаковые фазы и поэтому суммируются, а шум гетеродина подавляется, так как он на выходе диодов оказывается противофазным.

Рисунок 6. Схема балансного смесителя.

 

Произведем расчет балансного смесителя.

Исходные данные:

Рабочая частота f0 = 9370 МГц.

Полоса пропускания радиотракта.

Максимально допустимый коэффициент шума смесителя (в дБ).

Коэффициент шума УПЧ (в дБ).

Коэффициент шума УПЧ (в разах).

Относительная спектральная плотность мощности шума гетеродина (в дБ / Гц).

Промежуточная частота.

Волновое сопротивление подводящих линий.

Постоянная Больцмана.

Стандартная температура.

Выбираем смесительные диоды и определяем их параметры по таблице 6.

 

Таблица 6.

Используем ДБШ типа 3А111Б. Его данные:

Потери преобразования (в дБ).

Потери преобразования (в разах).

Оптимальная мощность сигнала гетеродина.

Коэффициент шума (в дБ).

Коэффициент шума (в разах).

Выходное сопротивление (минимальное и максимальное значение).

Коэффициент стоячей волны (КСВ).

Максимальная рассеиваемая мощность.

Волновые сопротивления четвертьволновых отрезков МПЛ в выходной цепи секций принимаем равными 20 и 90 Ом ([1] с. 335) соответственно для низкоомных разомкнутых и высокоомных отрезков

Выбираем СВЧ мост. В балансном смесителе, предназначенном для МШДБС, необходимо использовать синфазно-противофазные, т. е. микрополосковые кольцевые мосты. Однако, учитывая относительно неширокую заданную полосу П радиотракта, целесообразно использовать квадратурный двухшлейфный мост со сдвигом смесительных секций друг относительно друга на /4, поскольку с ним можно получить более компактную топологическую схему БС и МШДБС в целом.

В коротковолновой части сантиметрового диапазона волн потери такого моста Lм < 0,1 дБ ([1] с. 335) и ими при дальнейшем расчете БС можно пренебречь. Разбаланс амплитуд моста определим на основе количественных данных о параметрах двух- и трехшлейфных мостов, приведенных в [1] с. 140 и показанных на рисунке.

Полагая частотную зависимость f приблизительно линейной, для П / f0 = 6% найдем (в дБ).

Определим разброс параметров диодов в паре. Для проектируемого БС полагаем диоды подобранными в пары с разбросом rвых согласно формуле:

и разбросом Lпрб, при котором LдБ = 0,5 дБ.

При расчете входной цепи УПЧ за величину выходного сопротивления балансного смесителя принимаем rбс_ср:

Принимаем потери преобразования балансного смесителя:

Шумовое отношение для ДБШ в качестве паспортного параметра не указывается. Для этих диодов величину nш можно определить следующим образом:

Шумовое отношение балансного смесителя принимается равным шумовому отношению смесительного диода:

Рассчитываем суммарную величину потерь L(в дБ) за счет разбаланса амплитуд моста , разброса потерь преобразования LдБ, и разброса сопротивлений r

По графику определяем коэффициент подавления шума гетеродина (в дБ).

Находим необходимую мощность гетеродина на входе БС, полагая оптимальную мощность гетеродина равной паспортной (Рг_опт = 3 мВт):

Для характеристики уровня выходного шума гетеродина удобно пользоваться понятием удельного шумового отношения гетеродина nг0 (1/мВт), соответствующего относительной величине выходного шума гетеродина, приходящегося на 1 мВт его выходной мощности:

Определим шумовое отношение гетеродина (в Вт):

Рассчитаем коэффициент шума смесителя:

В разах.

В децибелах.

 

2.6 Расчет усилителя промежуточной частоты:

Одним из возможных вариантов выполнения УПЧ является использование в межкаскадных цепях простых однотипных селективных LC резонансных систем. Эти цепи в усилителях промежуточной частоты необходимы для осуществления частотно-избирательной функции приемника и передачи принимаемого сигнала по возможности с минимальными потерями.

Простейшей межкаскадной цепью в УПЧ может быть одиночный резонансный контур LC, настроенный в резонанс на центральную частоту полосы пропускания усилителя (резонансные УПЧ).

В ходе предварительного расчета для использования в каскадах УПЧ был выбран полевой транзистор КП305А.

Рисунок 9. Схема одного каскада усилителя промежуточной частоты.

Промежуточная частота.

Требуемый коэффициент усиления.

Максимальный коэффициент устойчивого усиления.

Входное сопротивление следующего каскада.

Напряжение питания.

Ток стока в типовом режиме.

Крутизна проходной характеристики транзистора.

Сопротивление сток-исток на промежуточной частоте.

Выходная емкость в схеме с общим истоком.

Входная емкость в схеме с общим истоком.

Сопротивление затвор-исток на промежуточной частоте.

Эквивалентная добротность контура.

Расстройка соседнего канала.

Число каскадов УПЧ.

Электрический расчет каскада

Определяем коэффициент шунтирования контура входным сопротивлением следующего каскада и выходным сопротивлением транзистора, допустимый из условий устойчивости и обеспечения заданной эквивалентной добротности контура

Определяем необходимые конструктивные и эквивалентные затухания контура

что вполне выполнимо.

Находим характеристическое сопротивление контура, принимая коэффициент включения в цепь коллектора  (полное включение):

Минимально допустимая эквивалентная емкость контура:

Вычисляем коэффициент включения контура со стороны последующего каскада (эта же величина определяет коэффициент включения контура на вход следующего каскада при автотрансформаторной связи)

Общая величина емкости емкостного делителя при емкостной связи (при автотрансформаторной связи общая величина емкости контура, которую нужно выбрать по ГОСТ):

Величины емкостей делителя:

Выбираем по ГОСТ (округление в большую сторону):

Выбираем по ГОСТ (округление в большую сторону):

Действительная эквивалентная емкость контура с емкостной связью (при автотрансформаторной связи:

)

Так как Сэкв > Сэ, то расчет произведен правильно.

Определяем индуктивность контура:

Характеристическое сопротивление контура после выбора емкостей:

Резонансный коэффициент усиления:

Так как K0 =  > Kтр = 20 и K0 =  < Kyст = 20.5, расчет произведен правильно.

Задаемся сопротивлением развязки из условия допустимого падения напряжения на элементах фильтрации питающих напряжений Rф = 510 Ом и определяем емкость фильтра:

По ГОСТ:

Пределы изменения частоты.

Избирательность на расчетных частотах для одного каскада.

То же в децибелах.

Рассчитываем избирательность УПЧ по соседнему каналу. Для одиночного контура уравнение характеристики избирательности:

То же в децибелах:

Для n-каскадного УПЧ:

Вычисляем полосу пропускания УПЧ:

Начальное значение индекса переменной.

Уровень, по которому считается полоса пропускания (в дБ).

Отыскиваем значение индекса на границе полосы пропускания:

Полоса пропускания n-каскадного УПЧ: