Спутниковые конверторы (стр. 2 из 4)
Технологические трудности при производстве таких конверторов в основном и определяют их высокую стоимость. Разработка конверторов, несмотря на простоту выполняемых ими функций, достаточно сложна, так как должна решаться проблема массового производства недорогой техники сантиметровых волн.
По мере развития конструкции конверторов происходила отработка методов преобразования частоты.
Конвертор с однократным преобразованием частоты
Устройство понижения частоты в первых спутниковых системах С-диапазона работало по принципу однократного преобразования (рис. 4.1, а).
Выбор необходимого канала здесь осуществляется подачей управляющего напряжения на гетеродин, что вызывает его перестройку. Основной недостаток такой системы заключается в явлении интерференции на близлежащих каналах. Поэтому приходилось использовать дорогие и сложные схемы фильтрации.
Рисунок.. 4.1. Функциональная схема преобразования частоты в конверторе: a — однократное преобразование; б — двойное преобразование; е — преобразование частоты в LNB
Конвертор с двойным преобразованием частоты
Использование схемы с двойным преобразованием сигнала (рис. 4.1, б) позволило устранить недостатки, присущие конверторам с однократным преобразованием. Однако в результате этого увеличилась сложность и стоимость конструкции за счет использования второго гетеродина и смесителя, а также возникла необходимость в применении второго полосового фильтра и усилителя промежуточной частоты.
Конструкция LNB основана на использовании гетеродина, настроенного на фиксированную частоту и стабилизированного объемным диэлектрическим резонатором (рис. 4.1, в). Весь диапазон частот, принимаемый конвертором, понижается в смесителе и подается в спутниковый приемник, где происходит дальнейшее преобразование и выбор канала.
По сравнению с конверторами однократного и двойного преобразования, LNB имеет существенное преимущество: через него проходят все каналы данного диапазона, что позволяет использовать один конвертор для приема разных программ несколькими спутниковыми приемниками одновременно. Также следует отметить большую устойчивость настройки, так как выбор канала производится в закрытом помещении, где электронные компоненты защищены от перепадов температуры и влажности (устойчивость системы в основном определяется характеристиками гетеродина конвертора).
Элементы конвертора
В настоящее время существуют разнообразные схемотехнические решения, используемые при построении бытовых конверторов. Структурная схема типового конвертора представлена на рис. 4.2.
Рисунок.. 4.2. Классическая структурная схема конвертора:
ВПП — волноводно-полосковый переход; МШУ — малошумящий усилитель; ПФ — полосовой фильтр; См — смеситель; Гет — гетеродин (СВЧ генератор, входящий в состав преобразователя частоты); ПУПЧ — предварительный усилитель промежуточной частоты; УП — устройство питания
Волноводно-полосковый переход предназначен для согласования входной микрополосковой линии первого каскада МШУ с выходом поляризатора облучателя антенны. Это наиболее распространенный элемент соединения волновода с микрополосковой линией, позволяющий добиться хороших электрических параметров при малом уровне отражений и потерь в заданной полосе частот.
Волноводно-полосковые переходы, строго говоря, являются переходами сначала на коаксиальный кабель, а затем уже на полосковую линию. Вносимые потери зависят от качества исполнения и составляют около 0,25 дБ. Важным условием является полная герметизация в месте погружения зонда. Примеры исполнения волноводно-полосковых переходов представлены на рис. 4.3. Необходимое согласование в них производится путем подбора глубины погружения зонда (рис. 4.3, а) или положения короткозамкнутого поршня (рис. 4.3, б).
Рисунок.. 4.3. Волноводно-полосковый переход
Малошумящий усилитель
МШУ должен обеспечивать равномерное усиление во всем рабочем диапазоне с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) +1 дБ и иметь линейную фазочастотную характеристику (ФЧХ). Необходимо также удовлетворить ряд противоречивых требований: обеспечить минимальный коэффициент шума, согласование усилителя по входу, максимальный коэффициент усиления.
Как известно, качество принятого сигнала в значительной степени определяется суммарной шумовой температурой приемной установки. При оценке шумовых характеристик конвертора используется как шумовая температура Тш, так и коэффициент шума кш, который связан с шумовой температурой соотношением, где ТH — нормальная температура окружающей среды (ТH = 290 К). Если коэффициент шума выражен в децибелах, то:
Тш =290(10kш/10-1).
Графически данное соотношение представлено на рис. 4.4.
Рисунок.. 4.4. Зависимость коэффициента шума от шумовой температуры
На входе конвертора всегда присутствует малошумящий усилитель, состоящий из нескольких усилительных каскадов (обычно 2—4), каждый из которых имеет собственный коэффициент шума и коэффициент передачи номинальной мощностир (kрном).
Рассмотрим влияние параметров отдельных каскадов на шумовые характеристики тракта в целом. Для этого объединим все п каскадов в один, с коэффициентом передачи номинальной мощности
и коэффициентом шума
где Рш.вых — суммарная номинальная мощность шумов на выходе тракта, обусловленная собственными шумами каждого каскада; ∆fш— полоса пропускания шумов; Tн — нормальная температура окружающей среды, К (TН=290К).
Полагая для простоты рассуждений, что шумовая полоса пропускания практически определяется последним наиболее узкополосным каскадом (в данном случае ПУПЧ), имеем
Поскольку номинальная мощность собственных шумом каскада
то
Поставив выражение (4.1) в (4.2), получим:
Из выражения (4.3) следует, что коэффициент шума многокаскадной схемы в основном определяется коэффициентом шума первых каскадов. Справедливость этого утверждения увеличивается с возрастанием коэффициентов передачи их номинальной мощности. Поэтому для получения малого коэффициента шума всего приемного тракта необходимо, чтобы его первые каскады имели малый уровень собственных шумов и обеспечивали большое усиление сигнала по мощности.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод о чрезвычайной важности таких параметров конвертора (в частности, первых каскадов МШУ), как коэффициент усиления и коэффициент шума.
Практически входные и выходные согласующие цепи первого транзистора рассчитываются на минимальный коэффициент шума, второй каскад настраивается из компромиссных соображений: максимальное усиление при минимальном коэффициенте шума. Влияние коэффициента шума третьего каскада практически неощутимо.
Итак, классический МШУ состоит из трех усилительных каскадов: первые два выполнены на НЕМТ-транзисторах, третий — на транзисторе с барьером Шотки.
Все каскады МШУ строятся, как правило, на несимметричных полосковых линиях передачи, которые выполняются методом напыления проводящих материалов на керамическую подложку. В СВЧ-диапазоне паразитные реактивные элементы корпуса транзистора оказывают заметное влияние на характеристики МШУ. Чтобы исключить этот эффект, применяют транзисторы в бескорпусном исполнении.
Каждый усилительный каскад (рис. 4.5) состоит из четырех цепей: входной и выходной цепей, цепи смещения и активного элемента.
Рисунок.. 4.5. Усилительный каскад МШУ
Входная цепь предназначена для согласования входного сопротивления активного элемента (транзистора) и обеспечения минимума коэффициента шума.
Выходная цепь служит для согласования выходного сопротивления с последующим каскадом.
Цепь смещения обеспечивает режим работы транзистора по постоянному току.
Наибольшее распространение в МШУ получила схема с общим истоком, так как она обладает большей устойчивостью по сравнению с другими способами включения полевых транзисторов.
Активный элемент представляет собой НЕМТ-транзистор или ПТШ и обеспечивает усиление сигнала.
Полосовой фильтр обеспечивает прохождение только определенной полосы частот с потерями не более 3 дБ, а также ослабление зеркального канала и сигнала гетеродина на 30 — 40 дБ (рис. 4.6).