2.5 Определение усиления линейного тракта приемника

В линейном тракте приемника требуется обеспечить необходимое усиление полезного сигнала.

В приемниках ЧМ сигналов чаще всего используется дробный частотный детектор, и амплитуда сигнала, подводимого к его входу, должна составлять .

Амплитуда сигнала на входе приемника определяется соотношением:

₍₁₄₎

где - действующая длина приемной антенны.

Для ферритовых антенн диапазона СВЧ можно принять .

При этом требуемый коэффициент усиления рассчитывается по формуле

. (15)

3. Выбор и расчет входной цепи приемника

В диапазоне частот от 3 ГГц до 300 ГГц во входных цепях приемника используются полосно-пропускающие фильтры, ферритовые резонаторы на основе железо-иттриевого граната (ЖИГ) или объемные резонаторы. Полосно-пропускающие фильтры могут быть выполнены в виде микрополоскового устройства или с помощью волноводов с применением штырей и диафрагм. Следует отметить, что полосно-пропускающие фильтры могут использоваться в качестве входных цепей приёмников во многих диапазонах частот.

Для передачи электромагнитных волн СВЧ-диапазона не через эфир, а по металлическим проводникам нужны специальные методы и проводники особой формы. Обычные провода, по которым передается электричество, пригодные для передачи низкочастотных радиосигналов, неэффективны на сверхвысоких частотах.

Любой отрезок провода имеет емкость и индуктивность. Эти т.н. распределенные параметры приобретают очень важное значение в СВЧ-технике. Сочетание емкости проводника с его собственной индуктивностью на сверхвысоких частотах играет роль резонансного контура, почти полностью блокирующего передачу. Поскольку в проводных линиях передачи невозможно устранить влияние распределенных параметров, приходится обращаться к другим принципам передачи СВЧ-волн. Эти принципы воплощены в коаксиальных кабелях и волноводах.

Коаксиальный кабель состоит из внутреннего провода и охватывающего его цилиндрического наружного проводника. Промежуток между ними заполнен пластиковым диэлектриком, например тефлоном или полиэтиленом. С первого взгляда это может показаться похожим на пару обычных проводов, но на сверхвысоких частотах их функция иная. СВЧ-сигнал, введенный с одного конца кабеля, на самом деле распространяется не по металлу проводников, а по заполненному изолирующим материалом промежутку между ними.

Коаксиальные кабели хорошо передают СВЧ-сигналы частотой до нескольких миллиардов герц, но на более высоких частотах их эффективность снижается, и они непригодны для передачи больших мощностей. А в нашем случае используется сигнал на частоте 14 ГГц.

Обычные каналы для передачи волн СВЧ-диапазона имеют форму волноводов. Волновод – это тщательно обработанная металлическая труба прямоугольного или кругового поперечного сечения, внутри которой распространяется СВЧ-сигнал. Упрощенно говоря, волновод направляет волну, заставляя ее то и дело отражаться от стенок. Но на самом деле распространение волны по волноводу есть распространение колебаний электрического и магнитного полей волны, как и в свободном пространстве. Такое распространение в волноводе возможно лишь при условии, что его размеры находятся в определенном соотношении с частотой передаваемого сигнала. Поэтому волновод точно рассчитывается, так же точно обрабатывается и предназначается только для узкого интервала частот. Другие частоты он передает плохо либо вообще не передает.

Поэтому были начаты разработки круговых волноводов (кругового поперечного сечения), которые могут иметь достаточно большие размеры даже на высоких частотах СВЧ-диапазона. Применение кругового волновода сдерживается некоторыми трудностями. Например, такой волновод должен быть прямым, иначе его эффективность снижается. Прямоугольные же волноводы легко изгибать, им можно придавать нужную криволинейную форму, и это никак не сказывается на распространении сигнала. Радиолокационные и другие СВЧ-установки обычно выглядят как запутанные лабиринты из волноводных трактов, соединяющих разные компоненты и передающих сигнал от одного прибора другому в пределах системы.

Чем выше частота волны, тем меньше размеры соответствующего ей прямоугольного волновода; в конце концов эти размеры оказываются столь малы, что чрезмерно усложняется его изготовление и снижается передаваемая им предельная мощность. Поэтому в малошумящем усилителе мне необходимо обеспечить высокое усиление при достаточно хорошей добротности.

Рисунок 2 – Принцип работы электронного поляризатора

Из-за того что в прямоугольных волноводах КПД высокий, то выберу в качестве поляризатора волновода прямоугольный волновод. Чтобы не происходило отражение волны, использую прямоугольный волновод с симметричной диафрагмой.

На практике обычно стремятся к тому, чтобы при заданной резонансной частоте геометрические размеры колебательной системы были минимальными. Этого удается достичь возбудив в резонаторе колебание основного (низшего) типа. Так принято называть моду с наибольшей резонансной длиной волны при фиксированных размерах резонансной полости.

Индексы m, п, р для основного типа колебаний, очевидно, должны подбираться так, чтобы предельно уменьшить знаменатель в формуле. Ясно, что один из индексов при этом должен быть равен нулю, а два оставшихся — единице. Нулевой индекс соответствует той декартовой оси, вдоль которой ориентировано ребро с наименьшей длиной.

Пусть наименьшее ребро будет у значения l. Тогда индекс p=0. В таком случае основным типом колебания будет H₁₀₁. Для узкополосного согласования волноводов кроме шлейфа Татаринова и четвертьволнового трансформатора, часто используют такие реактивные элементы, как волноводные диафрагмы, настроечные штыри и стержни. Реактивная проводимость симметричной емкостной диафрагмы.

Рисунок 3 – Эскиз прямоугольного волновода с диафрагмой

,

, отсюда

(15)

(16)

Длина волны в волноводе равна:

(17)

Длину резонатора рассчитывается по формуле:

(18)

Волновое сопротивление прямоугольного резонатора рассчитывается по формуле:

,

но т.к. я учитываю распространение волны в среде, то

Таким образом проводимость симметричной индуктивной диафрагмы:

(19)

Примем

, откуда

Учитывая что необходимо добиться условия резонанса для полного поглощения волны, то , отсюда , что соответствует

Проводимость симметричной емкостной диафрагмы рассчитываем по формуле:

(20)

Преобразовывая формулу (20), выделим значение

,

Отсюда ширина окна диафрагмы равна:

Рисунок 4 – Прямоугольный резонатор с диафрагмой

Проверим правильность выбранных размеров резонатора

Найдем для прямоугольного резонатора при колебаниях Н₁₀₁ его добротность

,

где , , - размеры ребер, см.

Примем затухание в полосе пропускания равным 3дБ, а в полосе заграждения 20 дБ, что соответствует значению 1.035 и 10.

,

Подставив значения получим: , округляя до ближайшего целого находим, что необходимо применить 2 резонатора чтобы удовлетворить вышеуказанные характеристики.