Распределение усиления по трактам приёмника

3.4 Распределение усиления по трактам приёмника

Расчёт коэффициентов передачи трактов приёмника произведём по методике, изложенной

в работе [10] исходя из реальной чувствительности приёмника мкВ и допустимых амплитуд на входах:

- первого смесителя ;

- второго смесителя ;

- демодулятора (для частотного и фазового).

Мощность сигнала на входе демодулятора (выходе приёмника) составит:

Вт = 20 мВт или дБВт

Требуемый коэффициент усиления приёмного тракта составит:

дБ

Коэффициент усиления приёмного тракта определяется как сумма усилений и затуханий, вносимых его каскадами. Для структурной схемы тракта, приведенной на рис.2.5:

(3.1)

где – коэффициент усиления МШУ;

– коэффициенты усиления УПЧ1 и УПЧ2 соответственно;

– потери преобразования в первом и во втором смесителе. Для балансного

смесителя .

Примем мкВ, мВ, В.

Для обеспечения величины с учётом потерь преобразования в смесителях и допустимых амплитуд напряжений на их входах, коэффициенты усиления УРЧ, УПЧ1 и УПЧ2

рассчитываются следующим образом:

дБ,

дБ

дБ

где = 5...10 – коэффициент запаса усиления.

Проверим полученные результаты. Подставляя полученные значения коэффициентов усиления трактов в выражение (3.1) получим :

дБ

Таким образом можно сделать вывод, что требуемый коэффициент усиления приёмного тракта обеспечивается.

На основании полученных данных составляем функциональную схему тракта (рис.3.4)

3.3 Формулировка требований к приёмной системе

Итак, на основе проведенного энергетического расчёта а также распределения усиления по трактам приёмника сформулируем основные требования:

обеспечение реальной чувствительности не хуже дБВт;

обеспечение коэффициента усиления приёмного тракта не менее дБ;

обеспечение требуемого по ТЗ подавления помех по зеркальному каналу, каналу ПЧ, соседнему каналу приёма;

обеспечение суммарного коэффициента шума приёмного тракта не более дБ.

Рис.3.4. Функциональная схема приёмного СВЧ тракта

4. Выбор и расчёт СВЧ малошумящего усилителя

4.1. Бесструктурные модели транзистора СВЧ

В основу расчёта и анализа тран­зисторного МШУ СВЧ должна быть положена модель транзис­тора. Это может быть структурная (физическая) модель, т. е. эквивалентная схема тран-зистора, либо бесструктурная модель, представляющая транзистор в виде эквивалентного четырёхпо­люсника.

Преимуществом структурной модели является высокая ин­формативность; эквивалентная схема характеризует поведение транзистора в диапазоне частот и позволяет устанавливать связь между её элементами и характеристиками транзистора. Бес­структурная модель транзистора менее информативна, она стро­го справедлива лишь на одной частоте. Для определения час­тотной зависимости параметров транзистора надо провести изме­рения на разных частотах. Однако бесструктурные модели более точны, поскольку их параметры могут быть измерены значитель­но точнее, чем параметры эквивалентной схемы.

Транзистор СВЧ как эквивалентный четырёхполюсник может быть описан, например, Y- или H-параметрами, которые обычно используются на более низких частотах. Но для измерения этих параметров необходимо обеспечить режимы холостого хода и короткого замыкания, трудно осуществимые на СВЧ из-за влия­ния паразитных элементов схемы. Более подходят для его опи­сания параметры матрицы рассеяния или S-параметры, посколь­ку они измеряются в линиях с согласованными нагрузками, что на СВЧ наиболее просто.

Расчёт МШУ СВЧ принято проводить с использованием бес­структурной модели транзистора в S-параметрах. При необхо­димости бесструктурная модель может быть дополнена струк­турной моделью. Обе модели взаимосвязаны: по S-параметрам транзистора, измеренным на нескольких частотах, можно опре­делить (или уточнить) элементы его эквивалентной схемы и наоборот, известная эквива­лентная схема позволяет рас­считать S-параметры на любой частоте диапазона, в котором эта схема корректна.

4.2. Системы S- и S'- параметров транзистора

В системе S-параметров транзистор пред­ставляется в виде четырёхпо­люсника, включенного в ли­нию передачи с волновым сопротивлением Z₀. Линия согласо­вана с генератором (источником сигнала) и нагрузкой, т. е. со­противления генератора Z_Г и нагрузки Z_H равны волновому со­противлению линии (рис. 4.1).

Рис. 4.1. К определению S-параметров транзистора

Четырёхполюсник в согласованной линии передачи с волновым сопротивлением передачи Z₀

Для определённости примем Z₀=50 Ом. На входе и выходе четырехполюсника имеются па­дающие и отражённые волны напряжения , (i =1 для входа, i = 2 для выхода), связь между которыми задается параметрами матрицы рассеяния волн напряжения (S-параметрами):

Матрицу рассеяния волн напряжения принято называть прос­то матрицей рассеяния. Параметры матрицы рассеяния имеют ясный физический смысл:

- коэффициенты отражения напряжения от входа и выхода четырёхполюсника при согласова-нии на его выходе () и входе () соответственно;

- коэффициенты прямой и обратной передачи напряжения, определённые при тех же усло-виях.

Матрица рассеяния характеризует четырёхполюсник, нагру­женный на чисто резистивные сопротивления Z₀. В реальных же усилителях транзистор оказывается нагруженным на сопротив­ления, не только не равные Z₀, но в общем случае комплексные. Произвольно нагруженный четы­рёхполюсник принято описывать параметрами матрицы рассеяния волн мощности (S'-параметра­ми).

В системе S'-параметров транзистор в виде эквивалентно­го четырёхполюсника включается в общем случае на стыке двух линий передачи, не согласован­ных с генератором (источником сигнала) и нагрузкой (рис. 4.2). Входная подводящая линия трансформирует сопротивление ге­нератора Z_Г в сопротивление Z₁ в плоскости входных клемм че­тырёхполюсника, а выходная

Рис. 4.2. К определению S' – параметров транзистора

Четырёхполюсник в рассогласованной линии передачи

подводящая линия – сопротивле­ние нагрузки Z_H в сопротивление Z₂ в плоскости его выходных клемм. Транзистор при этом нагружен на сопротивления Z₁ и Z₂, в общем случае комплексные. Падающие a_i и отраженные b_i волны мощности на входе (i=l) и выходе (i=2) четырёхпо­люсника связаны между собой матрицей рассеяния волн мощ­ности

где

(i=1, 2);

– комплексные амплитуды напряжений и токов на входе и выходе четырёхполюсника;

– комплексные сопротивления генератора (i=1) и нагрузки (i =2) в плоскости входных и выходных клемм четырёхполюсника соответственно;

- коэффициенты отражения от входа и выхода четырёхполюсника при согласовании его на выходе (а₂=0) и входе (а₁=0) соответственно;

- коэффициенты прямой и обратной передачи, определённые при тех же условиях.

Комплексные величины a_i и b_i принято называть волнами мощности, хотя они имеют размерность корня квадратного из мощности. Отношения этих величин, т. е. S'-параметры, не име­ют ясного физического смысла. Однако введение волн а_i, b_i, a также матрицы рассеяния S' целесообразно по следующим при­чинам. Во-первых, квадраты модулей а_i, b_i действительно явля­ются падающими и отражёнными волнами мощности, а их отно­шения — коэффициентами передачи и отражения мощности. Во-вторых, при равенстве сопротивлений Z_i волновому сопротивлению Z₀ S^'-параметры сводятся к S-параметрам.

S^'-параметры транзистора не могут быть измерены непосредственно, а могут быть расчитаны с помощью S-параметров.

4.3. Расчёт маломощных усилителей на транзисторах

Расчём МШУ проведём по методике, изложенной в работе [7].

Расчёт включает следующие этапы:

1. выбор транзистора;

2. выбор схемы включения транзистора;

3. выбор режима работы транзистора;

4. выбор числа каскадов, расчёт согласующих трансформаторов и цепей обратной связи;

5. выбор схемы питания;

6. составление электрической схемы;

7. составление топологической схемы;

8. анализ на ЭВМ топологической схемы с подключёнными транзисторами;

9. оптимизация на ЭВМ параметров согласующих цепей;

Рассмотрим каждый этап расчёта подробнее.

4.3.1. Выбор типа транзистора

В качестве транзистора выберем полевой транзистор с барьером Шоттки (ПТШ) N76038а японской фирмы NEC , который по сравнению с биполярным транзистором обеспечивает более низкий уровень шумов в рабочем диапазоне частот.

4.3.2. Выбор схемы включения транзистора

Для полевого транзистора используется схема с общим истоком (ОИ), об­щим затвором (ОЗ) и общим стоком (ОС). У схемы с ОИ лучшие усилительные свойства и хорошая устойчивость, но иногда для согласования с генератором при­меняют схему с ОЗ, а для согласования с нагрузкой - схему с ОС. Это связано с тем что при небольших значениях сопротивления нагрузки и на низких частотах входное сопротивление схемы с ОЗ и выходное сопротивление для схемы с ОС имеют небольшую реактив­ную составляющую и близки к (– крутизна тран-зистора). Недостаток этих двух схем в том, что они обладают малой устойчивостью и боль­шим выходным (ОЗ) или входным (ОС) сопротивлением.

4.3.3. Выбор режима работы транзистора

Параметры ПТШ в значительной степени зависят от питающих напряжений. Различают режимы, оптимальный по шуму и оптимальный по усилению мощности. Например, при напряжении В транзистор имеет максимальное усиление при токе мА, минимум меры шума при токе 30 мА, минимум коэф­фициента шума при токе 17 мА. Комплекс­ные коэффициенты отражения нагруз­ки и источника сигнала, при которых реализуются максимальное усиление и минимальный шум, различные. Схема однокаскадного транзисторного усилителя согласующими цепями, нагрузкой и генератором показана на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Структурная схема однокаскадного усилителя

Транзисторный усилитель СВЧ может обеспечить заданные электрические характеристики в том случае, если транзистор правильно нагружен, т. е. если сопротивления источника сигнала и нагрузки в плоскости транзистора имеют вполне определённые значения. Сопротивления же реальных источника сигнала и нагрузки, как правило, равны 50 Ом, поэтому усилитель должен включать в себя согласующие цепи, осуществляющие трансформацию соп­ротивлений. В соответствии со структурной схемой усилителя, изображённой на рис. 4.3. СЦ₁ и СЦ₂– согласующие цепи на входе и выходе уси­лителя, причём СЦ₁ трансформирует сопротив-ление реального источника сигнала Z_Г=Z₀ в сопротивление Z₁ в плоскости тран­зистора, а СЦ₂ трансформирует Z_H=Z₀ в Z₂.

Структурная схема усилителя, представленная на рис.4.3 является простейшей. При необходимости она может быть дополнена другими цепями, например осуществляющими выравни­вание амплитудно-частотной характеристики усилителя (при широкой полосе пропускания).

При расчёте транзисторного усилителя СВЧ следует обра­щать внимание на обеспечение его устойчивости. Устойчивость усилителя определяется S-параметрами транзистора и сопротив­лениями, на которые он нагружен. На сравнительно низких час­тотах транзистор обладает выраженными невзаимными свойст­вами и усилитель на таком приборе работает устойчиво.

В диа­пазоне СВЧ транзистор в значительной степени утрачивает свойство невзаимности из-за наличия паразитных обратных свя­зей (как внутренней, так и внешних), поэтому при некоторых сопротивлениях источника сигнала и нагрузки в плоскости тран­зистора усилитель может возбудиться.

Самовозбуждение усилителя возможно лишь в случае, когда резистивная составляющая входного и (или) выходного сопротив­ления транзистора становится отрицательной. Отрицательному резистивному сопротивлению соответствует коэффициент отраже­ния, модуль которого больше единицы. Так, если отрицательной является резистивная составляющая входного сопротивления тран­зистора, то |S'₁₁|>1, а если выходного, то |S'₂₂|>1. Входное сопротивление транзистора зависит от сопротивления его выход­ной нагрузки, а выходное — от сопротивления входной.

Усилитель считается безусловно устойчивым в заданном диапазоне частот, если он не возбуждается в этом диапазоне при любых сопротивлениях пассивных внешних нагрузок (Z₁ и Z₂ на рис. 4.3). Если существуют нагрузки, спо­собные привести усилитель к самовозбуждению, то он является условно устойчивым (т.е либо потенциально устойчивым, либо потен­циально неустойчивым, т.е работающим на строго определённую нагрузку и если нагрузка из-за производственного разброса геометрических размеров, характеристик компонентов или изменении условий эксплуатации изменяется, то усилитель может возбудиться). В безусловно устойчивом усилителе резистивные составляющие входного и выходного сопротивлений транзистора должны оставаться положительными при любых нагрузочных сопротивлениях Z₁ и Z₂ соответственно, если резистив­ные составляющие последних также положительны. Это можно представить в виде |S'₁₁|

Похожие работы

Проектирование информационной телекоммуникационной системы парома на трассе Калининград – Санкт-Петербург

Скачать

56087

1

6

... устройства воздействуют помехи в виде излучений космоса, Солнца, Земли и др. планет. Правильный и точный учет всех особенностей спутниковой связи позволяет выполнить оптимальное проектирование системы связи, обеспечить её надежную работу в наиболее сложных условиях и в то же время исключить излишние энергетические затраты, приводящие к неоправданному усложнению наземной и бортовой аппаратуры. В ...

Индивидуальный прием программ спутникового вещания

Скачать

62636

2

19

... Прием сигналов осуществляется в г. Гродно с географическими координатами ψ=53,700 с.ш., φз=23,800 в.д. с спутника HotBird 6/7A (130 з.д.) Большинство современных систем индивидуального и коллективного приёма программ спутникового вещания оснащены опорно-поворотным устройством (ОПУ) для оперативного наведения антенны на заданный ИСЗ. Наиболее простым механизмом перестройки антенны ...

Многопозиционная фазовая модуляция в системах спутниковой связи с МДЧ

Скачать

22170

2

0

... õ Тогда любой из интервалов: входящих в алгоритм (1), можно представить через (2) по формуле: Vi=Xo*cos(jj-jo) +Yo*sin(jj-jo) (3), следовательно общая схема когерентного демодулятора сигналов с многопозиционной ФМн может быть представлена в следующем виде: В этой схеме автономный генератор и фазовращатель на p/2 вырабатывают квадратурные опорные колебания с произвольной начальной ...

Проектирование сегментов радиорелейной линии связи

Скачать

29964

10

15

... F, которое учитывает потери в застройке . Расчитываем длину волны, распространяющейся в радиоканале Расчитываем высоту подъёма антенны радиопередатчика 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ СУММИРОВАНИЯ И РАЗДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ НА ВХОДЕ АНТЕННО-ФИДЕРНОГО ТРАКТА РАДИОРЕЛЕЙНЫХ И СПУТНИКОВЫХ УСТРОЙСТВ При передаче сигнал с частотой f’4 от передатчика ПД4 (рис. 5.1) через полосовой фильтр ...