work_text (СВЧ тракт приёма земной станции спутниковой системы связи), страница 3

Смеситель – устройство, обеспечивающее преобразование СВЧ сигнала в более низкочастотный сигнал.

СВЧ гетеродин – устройство, выполняющее функцию формирования СВЧ высокоста-бильных колебаний, которые используются смесителем для преобразования СВЧ информационного сигнала.

СВЧ ППФ – устройства, предназначенные для выделения диапазона принимаемых СВЧ сигналов.

2.2. Сравнительный анализ структурных схем СВЧ трактов

Можно выделить четыре схемы (рис 2.1, а - г) приёмопередающих трактов СВЧ, включающих: антенну с эффективной шумовой температурой и коэффициентом передачи, принимаемым на СВЧ равным единице; передатчик мощностью ; диплексер Д с потерями и физической температурой ; фидер с потерями находящийся при температуре ; МШУ с эффективной шумовой температурой и коэффициентом усиления мощности ; приёмник Пр с коэффициентом шума .

Рис 2.1. Структурные схемы построения приёмопередающих трактов средств связи СВЧ

Приведём необходимые для определения выше приведённых схем известные соотношения, имеющие и самостоятельное значение.

Эффективная (эквивалентная) шумовая температура пассивного элемента с потерями L и физической температурой Т:

(2.1)

Эффективная шумовая температура четырёхполюсника и его коэффициент шума :

, (2.2)

Коэффициент шума цепочки N каскадно включённых четырёхполюсников, обладающих усилением и коэффициентом шума :

(2.3)

Эффективная шумовая температура цепочки N четырёхполюсников:

(2.4)

Сопоставляя (2.1) и (2.2) и характеризуя пассивный четырёхполюсник коэффициентом шума , можно заметить, что при Т=Т₀ коэффициент шума численно равен ослаблению L, вносимому этим четырёхполюсником, т.е. = L. Это обстоятельство позволяет быстро пересчитывать коэффициент шума к любой точке тракта, состоящего из цепочки пассивных элементов, добавляя к исходному значению для К_ш или вычитая из него соответствующее число децибел.

Коэффициент шума реального четырёхполюсника с усилением мощности в эффективной полосе частот равен отношению шумовой мощности на его выходе к той её части, которая обусловлена шумами согласованной нагрузки, находящейся на входе при стандартной температуре Т₀=290 К:

(2.5)

где - усиленные четырёхполюсником шумы согласованной нагрузки;

- собственные шумы четырёхполюсника.

Эффективная шумовая температура - это не физическая температура антенны. За принимается такая температура резистивного сопротивления , равного сопротивлению излучения реальной антенны, при которой его мощность шумов равна мощности шумов на выходе этой реальной антенны. Величина зависит от конструкции антенны и её антенны. Её значение изменяется в пределах от 100…150 К при нулевом угле места до 30…40 К при направлении антенны в зенит (без учёта осадков).

Подставив (2.1) – (2.3) в (2.4), получим следующие выражения для эффективной шумовой температуры приёмного тракта приведённой ко входу облучателя каждой из выше приведённых схем (рис. 2.1, а…г):

; (2.6)

; (2.7)

; (2.8)

; (2.9)

Как следует из анализа (2.6)…(2.9), наименьшее значение имеет система, выпол-ненная по схеме рис. 2.1,г, в которой МШУ и приёмник вынесены непосредственно к антенне. Величина падает с уменьшением , , и с увеличением .

2.3. Выбор структурной схемы СВЧ тракта приёма

В качестве приёмного выберем тракт, обеспечивающий минимум суммарной эффективной шумовой температуры. Это реально позволяет снизить уровень шумов тракта и увеличить чувствительность приёмника, понизить требования к элементам тракта, т.е упростить его, что является очень важным элементом при построении спутниковой системы связи. Структурная схема этого тракта показана на рис.2.2.

Рис. 2.2. Структурная схема выбранного приёмного тракта СВЧ

Существует два основных типа структурных схем радиоприёмников: прямого усиления и супергетеродинного типа. Выбор типа структуры ОТП осуществим на основании сравнения заданных исходных данных с обобщенными реализуемыми характеристиками приемников, построенных по каждой из схем.

По структурной схеме бывают приёмники прямого усиления и приёмники супергетеро-динного типа.

Рис. 2.3. Структурная схема приёмника прямого усиления

Структурная схема приёмника прямого усиления (рис. 2.3) включает входную цепь (ВЦ), усилитель радиочастоты (УРЧ), демодулятор (Д), усилитель низкой частоты (УНЧ) и оконечное устройство (ОУ).

Достоинства приёмников прямого усиления:

1. простота построения и дешевизна;

2. несложная перестройка в диапазоне частот при условии малого коэффициента перек-

рытия по частоте;

1. отсутствие побочных каналов приёма;

Недостатки:

1. низкая чуствительность из-за трудностей получения большого усиления на высоких

частотах;

1. слабая избирательность, а также неравномерность избирательных свойств в диапазоне

рабочих частот, поскольку для любых избирательных систем их полоса пропускания растёт с ростом частоты:

,

где – добротность избирательной системы.

Таким образом, можно утверждать, что структурная схема приёмника прямого усиления не может быть использована при построении СВЧ тракта, так как не обеспечиваются требования по получению реальной чувствительности дБВт и избирательности частотного ствола с полосой МГц.

Приёмные тракты земных станций спутниковых систем связи обычно выполняют по супергетеродинной схеме (рис 2.4).

Структурная схема приёмника супергетеродинного типа включает тракт радиочастоты (ТРЧ) и дополнительно тракт промежуточной частоты (ТПЧ), состоящий из смесителя (СМ), усилителя промежуточной частоты (УПЧ) и гетеродина (Г), которые образуют общий тракт приёма (ОТП). В тракте ПЧ осуществляется перенос радиосигнала на постоянную и более низкую промежуточную частоту , на которой легче реализовать фильтры с узкой полосой пропускания и крутыми скатами характеристики затухания для лучшего ослабления

Рис.2.4. Структурная схема супергетеродинного приёмника

помех соседнего колебания и следовательно обеспечить более высокую избирательность по сравнению с приёмником прямого усиления.

Такая схема построения позволяет получить большой коэффициент усиления (без опас-

ности самовозбуждения тракта), т.е обеспечить высокую чувствительность системы.

Недостатки:

1. гораздо большая сложность и стоимость;

2. возможность попадания в антенну с последующим излучением колебания гетеродина;

3. появление побочных каналов приёма (зеркальный канал приёма, канал промежуточной частоты, соседний канал приёма).

Для подавления побочных каналов приёма применяется двойное, тройное а иногда и чет-вертное преобразование частоты.

2.4. Выбор количества преобразований частоты

При проектировании супергетеродинного приёмника следует стремиться к одному преобразованию частоты в приёмнике, поскольку увеличение числа преобразований приводит к росту количества побочных каналов приёма. Однако при строгих требованиях ослабления помех в зеркальном и соседних каналах приёма может возникнуть необходимость применения двух, а иногда и трёх преобразований частоты. Поскольку определение количества преобразований частоты и выбор номиналов ПЧ многовариантны при учёте всего комплекса требований к приёмнику, то процесс проектирования носит итеративный характер.

Из-за невозможности реализовать в избирательных системах ТРЧ и ТПЧ коэффициент прямоугольности , меры по ослаблению помех по зеркальному каналу и помех соседних каналов, а также канала ПЧ, являются взаимно противоречивыми. Для их одновременного

удовлетворения необходимо определить диапазон возможных значений , в пределах которого выполнение требований по подавлению в ТРЧ помехи зеркального канала из-за «увода» ПЧ вверх позволяет реализовать заданную величину ослабления помех

соседних каналов приёма и помехи по ПЧ. Если такой диапазон найден, то производится выбор , если нет – принимается решение об использовании большего числа преобразований частоты, где удовлетворение противоречивых требований по подавлению помехи зеркального канала, канала ПЧ и соседнего канала производится раздельно. Кроме того, при выборе промежуточных частот желательно, чтобы их номиналы не находились в диапазонах частот мощных радиостанций (вещательных, точного времени и т.д.) и соответствовали некоторым нормированным значениям. На выбранной промежуточной частоте последнего преобразования должно обеспечиваться требуемое ослабление помех соседних каналов приёма при заданной величине коэффициента прямоугольности характеристики основной избирательности, а также качественная демодуляция принимаемых сигналов.

Выберем схему с двойным преобразованием частоты (рис.2.5), которая позволяет улучшить односигнальную избирательность: по комбинационным каналам приёма (особенно по зеркальному каналу), по соседнему каналу и по каналу промежуточной частоты.

Рис. 2.5. Структурная схема супергетеродинного приёмного тракта СВЧ

Под приёмником в данном случае понимается высокочастотная часть тракта от входа малошумящего усилителя до выхода второго усилителя промежуточной частоты, в котором происходит преобразование и усиление сигнала для дальнейшей передачи его оконечному устройству.

2.5. Малошумящий усилитель

Как было показано выше, приёмную систему, состоящую из антенны, элементов фидерного тракта и приёмника, можно представить в виде n каскадно связанных четырёхполюсников, характеризуемых эффективной шумовой температурой и коэффициентом усиления . Эффективная шумовая температура , приве-дённая ко входу приёмника определяется известным выражением (2.4) для случая полного согласования элементов приёмной системы между собой.

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)