Спутниковые конверторы (стр. 3 из 4)
В сантиметровом диапазоне волн ПФ выполняют на полосковых и микро-полосковых линиях, так как спиральные индуктивности и сосредоточенные конденсаторы не обеспечивают необходимой добротности. Наиболее часто используются ПФ на микрополосковых параллельно связанных резонаторах.
Рисунок.. 4.6. Полосовые фильтры СВЧ: а — лестничные; б — шпилечные; в — решетчатые
Центральная частота фильтра зависит от длины полосковых элементов, а ширина полосы пропускания — от ширины линий и расстояния между ними. Чем больше число звеньев фильтра, тем круче его амплитудно-частотная характеристика, но также выше и вносимое затухание.
Амплитудно-частотная характеристика полосового фильтра, выполненного на связанных полуволновых резонаторах, представлена на рис. 4.7.
Рисунок.. 4.7. Частотная характеристика полосового фильтра:
А3 — заданная величина затухания, соответствующая полосе заграждения 2∆f3; Аn — величина затухания, соответствующая полосе пропускания 2∆fn:f0—средняя частота полосы пропускания
Гетеродин
В большинстве современных конструкций гетеродин — это неперестраиваемый (в отличие от гетеродинов, используемых в радиовещательных приемниках) маломощный высокостабильный генератор электрических колебаний.
Основной характеристикой гетеродина является нестабильность номинальной частоты fH.
Под нестабильностью частоты понимаются случайные и систематические изменения частоты во времени. Вследствие воздействия дестабилизирующих факторов (температуры, давления, вибрации, отклонения питающего напряжения) частота гетеродина отклоняется от номинального значения. При этом различают абсолютное и относительное отклонение частоты. Под абсолютным отклонением понимают разность между фактической частотой генератора и ее номинальным значением аН0М, под относительным отклонением — отношение абсолютного отклонения к номинальному значению частоты генератора fном.
Из множества дестабилизирующих факторов наибольшее влияние на отклонение частоты гетеродина оказывает изменение температуры окружающей среды. Для характеристики этого влияния используется температурный коэффициент частоты КТ в заданном интервале температур (Tmax—Tmin):
где fmax — максимальное значение частоты в заданном интервале температур; fmin — минимальное значение частоты в этом интервале; fH0M— номинальное значение частоты.
Конструкция гетеродина
В первых конструкциях гетеродинов применялись диоды Ганна, которые имели ряд недостатков: КПД генератора составлял 2 — 3 %, нестабильность частоты при термокомпенсации достигала 5 МГц, поэтому приходилось вводить цепь автоподстройки частоты.
Определенное распространение получили также генераторы, работающие на частоте 3 — 4 ГГц, выполненные на биполярном или полевом транзисторе, с последующим умножением частоты на диоде с накоплением заряда. Эти конструкции применялись на этапе, когда добротность диэлектрических резонаторов в диапазоне частот 11 — 12 ГГц была недостаточной для обеспечения требуемой стабильности частоты, а резонаторы на более низкую частоту имели высокую добротность.
Сегодня огромную популярность приобрели генераторы, где в качестве активного элемента используется ПТШ. В настоящее время это практически единственный вид автогенераторов, используемых в бытовых конверторах. Они имеют целый ряд преимуществ: КПД 18 — 20 %, нестабильность частоты 500—700 кГц в интервале температур от — 30 до + 60 °С, невысокая стоимость, возможность регулировки мощности изменением напряжения питания.
Необходимое значение выходной мощности определяется конструкцией выбранного смесителя и составляет в современных конверторах 8 — 15 мВт.
На рис. 4.8 представлена конструкция гетеродина с диэлектрическим резонатором.
Стабилизация частоты в большинстве конверторов осуществляется при помощи диэлектрического резонатора из термостабильной керамики. Он представляет собой пассивное устройство (диэлектрический цилиндр, квадрат и т. п.), обладающее способностью запасать энергию СВЧ электромагнитных волн. Высокая добротность диэлектрических резонаторов позволяет успешно использовать их в качестве высокодобротных колебательных систем СВЧ. В результате удается добиться стабильности частоты до 700 кГц и обойтись без схемы автоматической подстройки частоты.
Рисунок.. 4.8. Конструкция гетеродина с диэлектрическим резонатором
В конверторах применяют открытые диэлектрические резонаторы, в которых отражающей поверхностью является граница раздела диэлектрик — воздух. Вблизи резонатора существует небольшое внешнее электромагнитное поле, которое позволяет достаточно просто обеспечивать связь резонатора с полосковыми линиями передачи генератора и осуществлять подстройку частоты в сторону ее повышения путем приближения к одной из торцевых частей резонатора металлической плоскости, например, винта.
Большое распространение получили в настоящее время тороидальные диэлектрические резонаторы на основе титаната кальция и алюмината лантана. Они позволяют получить более чистый спектр сигнала гетеродина, что необходимо для создания конверторов с низким фазовым шумом и высокой стабильностью частоты гетеродина — до 20 — 30 кГц. Необходимость в таких высоких характеристиках возникает при приеме цифровых телепрограмм в стандарте MPEG-2.
Любое электрическое колебание, полученное с помощью известных современной науке методов, содержит составляющие фазовой (или частотной) модуляции случайного характера, а спектр шумов видоизменяется при прохождении колебания через электронные схемы.
Одной из основных характеристик, определяющей пригодность конвертора для приема цифровых программ, являются фазовые шумы, величина которых в основном определяется величиной фазового шума гетеродина.
Фазовый шум (флюктуация) — это случайное изменение фазы колебания на выходе гетеродина, вызванное частотной нестабильностью генератора, паразитной модуляцией в цепи обратной связи, изменением температуры, напряжения питания и другими дестабилизирующими факторами. Спектр фазовых шумов гетеродина представлен на рис. 4.9.
Чистота спектра определяется уровнем всех как гармонических, так и шумовых побочных составляющих. Для оценки ухудшения чистоты спектра, т. е. определения шумовых свойств гетеродина, используется отношение мощности фазовых шумов в полосе 1 Гц при расстройке от несущей частоты на величину Fm к полной мощности колебания.
Рисунок.. 4.9. Спектр фазовых шумов гетеродина
Величина фазового шума показывает, как быстро понижается мощность сигнала относительно центральной частоты. Например, если мощность сигнала при отклонении от центральной частоты на 1кГц снизится на 60 дБ, то величина фазового шума составит — 60 дБ. В техническом бюллетене SocieteEuropeandesSatellites (1994 г.) рекомендуемое значение фазового шума LNB при приеме цифровых телепередач следующее:
> — 50 дБ/Гц при смещении на 1 кГц
> — 75 дБ /Гц при смещении на 10 кГц
> — 95 дБ/Гц при смещении на 100 кГц
Повышенная величина фазового шума конвертора способствует появлению межсимвольной интерференции сигнала, изменению чередования «0» и «1» при демодуляции и других нежелательных явлений, что приводит к невозможности декодирования принятой цифровой программы.
Смеситель в конверторах традиционно выполняется на полупроводниковых диодах или арсенидгаллиевых полевых транзисторах и решает задачу преобразования частоты сигнала 11 — 12 ГГц в диапазон частот 0,75 — 2,15 ГГц. Наиболее важным параметром смесителя являются потери преобразования. Величина этих потерь определяется схемным построением. Использование диодных преобразователей приводит к потерям 5—10 дБ. В случае, если нелинейным элементом преобразователя служит ПТШ, можно осуществить преобразование без потерь и даже с некоторым усилением (3—10 дБ). Стремление упростить конструкцию и улучшить технические характеристики привело к появлению таких схемных решений, которые позволяют использовать транзистор, работающий как смеситель и гетеродин одновременно.
Диодный смеситель обычно строится по балансной схеме на двух парноподобранных диодах с барьером Шотки (ДБШ), так как при этом обеспечивается меньший коэффициент шума по сравнению с однотактной (небалансной) схемой. Наиболее часто применяют балансные диодные смесители на трехдецибельных СВЧ-мостах. На рис. 4.10 показан принцип построения подобных смесителей.
Трехдецибельный мост делит напряжение поступающего сигнала и сигнала гетеродина пополам и подает на диодные цепи. Кроме того, мост автоматически обеспечивает развязку между цепями сигнала и гетеродина и низкое значение коэффициента стоячей волны на входе в рабочей полосе частот. Чем широкополоснее мост, тем проще в настройке смеситель и стабильнее работает выходной каскад МШУ, так как он оказывается согласованным в более широкой полосе частот. Стоящие на выходах моста короткозамкнутые шлейфы (КЗШ) пропускают на диоды напряжения сигнала и гетеродина и шунтируют на землю напряжение промежуточной частоты, препятствуя его прохождению на вход смесителя. Шлейфы с холостым ходом (ХХШ) на концах, напротив, шунтируют напряжения сигнала и гетеродина, а для промежуточной частоты (ПЧ) составляют небольшую емкостную компоненту, которая вместе с индуктивностью L и выходной емкостью С создает полосовой фильтр для промежуточной частоты. Длины полосковых шлейфов должны составлять четверть длины волны для частоты гетеродина, так как сигнал гетеродина более мощный и его просачивание в усилитель промежуточной частоты труднее заблокировать.