Федеральное агентство образования РФ

Санкт-Петербургский Государственный университет «ЛЭТИ»

им. В. Ульянова (Ленина).

Кафедра РС

Курсовая работа по дисциплине «Приемопередающие устройства»: Проектирование и расчет малошумящего усилителя свч радиоприемной системы связи.

Вариант № 11.

Выполнил: Николаев А.Б.

Группа: 7103

Проверил: Ряховский Е.П.

Санкт-Петербург

2012

1. Техническое задание на курсовой проект.

Вариант	ФИО	Частота сигнала	Чувствительность	Скорость передачи информации	Пороговое отношение сигнал-шум	Длина фидера	Относительная шумовая температура антенны
		f, ГГц	Pc min, Вт	R, Мбит/с	q2	Lф, м	tА
03.11	Николаев А.Б.	7,3	6.0*10-12	6.0	32	4	0,7

2. Общие сведения.

В курсовом проекте производится расчет малошумящего усилителя (усилителя радиочастоты) радиоприемного устройства для дискретной системы передачи информации в программе Receiver 3.5. Элементы дискретной последовательности выбираются из алфавита, число символов в котором называется основанием кода m. В данной задаче алфавит состоит из двух символов, то есть за один такт передается только один бит информации, а, следовательно, мы имеем двоичную дискретную систему (m=2), то есть в системе осуществлена бинарная фазовая манипуляция (QPSK).

Полоса пропускания проектируемого устройства должна быть не меньше полосы частот, занимаемой сигналом, но и не должна быть намного больше ее, так как в этом случае вместе с сигналом на вход РПУ будут поступать лишние шумы. Таким образом, возьмем полосу пропускания с коэффициентом запаса по полосе пропускания γ = 2.

B – база сигнала, то есть произведение длительности сигнала на ширину его спектра. В данном случае берем сигналы с единичной базой B = 1.

УРЧ определяет чувствительность приемника, поэтому он должен обладать малым коэффициентом шума и большим коэффициентом усиления. Коэффициент запаса по чувствительности (по соотношению сигнал/шум) возьмем α = 2.

βс = 0,2 дБ – потери сигнала на сочленениях (задаемся от 0,2 до 0,5).

βф = 0,05 дБ/м – погонные потери в фидере (задаемся от 0,02 до 0,06).

В радиоприемных устройствах СВЧ-диапазона широко применяются для усиления радиосигналов высокой частоты линейные усилители на основе биполярных транзисторов (БТ) и полевых транзисторов с затвором Шотки (ПТШ). На частотах до 4 ГГц, как правило, используются БТ, на частотах выше 4 ГГц - ПТШ.

Наиболее широкое применение получили линейные балансные усилители, которые по сравнению с простейшими (небалансными) усилителями обладают рядом существенных преимуществ:

- малым КСВН входа и выхода;

- большим динамическим диапазоном;

- более высокой линейностью характеристик;

- независимостью согласования по КСВН и коэффициенту шума;

- шумовые характеристики такие же, как и у небалансного усилителя;

- каждый усилитель работает в режиме половинной мощности.

Балансный усилитель обычно состоит из двух одинаковых (небалансных) усилителей, входного направленного ответвителя (НО), разделяющего усиливаемый сигнал на два сигнала, и выходного НО, в котором производится суммирование сигналов, поступающих от одиночных усилителей.

Функциональная схема балансного усилителя представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1. Функциональная схема балансного усилителя.

На этом рисунке НО1 - входной направленный ответвитель. В состав сумматора входит НО2 - выходной направленный ответвитель. НО – четырехполюсники. Оба усилителя - одиночные небалансные усилители. Одиночный усилитель состоит из вход­ной согласующей цепи СЦ1, транзистора Т и выходной согласующей цепи СЦ2. В составе балансного усилителя СЦ1 и СЦ2 выполняют функцию согласования транзистора Т соответственно с направленными ответвителями НО1 и НО2.

В балансных усилителях обычно применяются трехдецибельные НО. При использовании таких НО входной сигнал с амплитудой Uвх делится HО1 на два сигнала с амплитудами Uвх/√2. Фазы сигналов на выходах НО1 отличаются на угол π/2. Сиг­налы, поступающие с его выходов, раздельно усиливаются усилителями с равными коэффициентами передачи Кu и подаются на входы НО2. Усиленные сигналы имеют одинаковые амплитуды Ku*Uвх/√2 и тот же сдвиг по фазе, что и сигналы на выходах НО1. Сигнал, поданный на вход НО2, делится НО2 на два сигнала с одинаковыми амплитудами KuUвх/2. Один из них поступает на выход с дополнительным сдвигом по фазе на угол π/2 , а второй - с дополнительным сдвигом по фазе на угол π. Сигнал, поданный на второй вход, также делится HО2 на два сигнала с одинаковыми амплитудами KuUвх/2 и с такими же дополнительными сдвигами по фазе (π/2 и π), но на противоположных выходных полюсах. Отметим, что HO1 и HО2 обеспечи­вают указанные амплитудно-фазовые соотношения между сигналами только в том случае, когда по каждому из четырех выводов они нагружены на сопротивления, равные характеристическому сопро­тивлению НО.

Итак, на каждый из выходов поступает по паре сиг­налов с равными амплитудами, причем сигналы на одном из выходов НО2 противофазны, а на другом - синфазны. В результате сложения этих сигналов напряжение на одном выходе оказывается нулевым, а на другом - равным КuUвх. Тем самым, балансный усилитель имеет тот же коэффициент передачи Кu , что и одиночный усилитель. Одна­ко его динамический диапазон примерно на 3дБ больше по сравнению с динамическим диапазоном одиночного усилителя вслед­ствие того, что каждый из усилителей увиливает сигнал половинной мощности.

В балансном усилителе рассмотренного типа трехдецибельные НО выполнят не только функцию деления сигналов с необходимыми амплитудно-фазовыми соотношениями, но и обеспечивают развязку усилителей друг от друга. Это достигается за счет развязки выходов у HO1 и входов у НО2.

Коэффициент шума балансного усилителя близок к коэффици­енту шума одиночного усилителя, так как половина мощности шу­мов каждого из усилителей выделяется на одном из выходов и рассеивается в виде тепла нагрузочным резистором. На другом выходе половинные мощности шумов усилителей складываются вследствие независимости шумов усилителей, и суммарная мощ­ность выходного шума оказывается равной мощности шума одиноч­ного усилителя.

Принципиальная и топологическая схемы балансного усилите­ля на ПТШ представлены на рисунке 2.2. Усилители состоят из двух одиночных усилителей на транзисторах VT1 и VT2, согласующих цепей Г-образного типа, обозначенных буквой П с соответствующими инде­ксами, и двух НО шлейфного типа в микрополосковом исполнении.

Рисунок 2.2. Принципиальная и топологическая схемы балансного СВЧ-усилителя на ПТШ.

Резисторы R1 и R2 являются нагрузочными для НО1 и НО2 и имеют значения, равные характеристическому сопротивлению Ro направленных ответвителей. В усилителях на МПЛ характеристическое сопротивление Rо обычно совпадает с волновым сопротивлением подводящих линий и равно 50 Ом. Через отрезки П9 и П10 подается постоянное напряжение на стоки транзисторов VT1 и VT2 . Остальные резисторы и конденсаторы обеспечивают режим по постоянному току, разделение цепей по переменному и постоянному токам и фильтрацию по переменному току.

К пассивным элементам СВЧ-усилителей относятся согласующие цепи, направленные ответвители, делители и сумматоры мощности, фильтры и ряд других элементов. В линейных СВЧ-усилителях наиболее перспективно использование пассивных це­пей на МПЛ.

Микрополосковые линии.

Основными характеристиками МПЛ, сечение которой показано рисунке 2.3, являются волновое сопротивление ρ и эффективная диэлектрическая проницаемость ε_эф. Эффективная диэлектрическая проницаемость зависит от толщины подложки h, ширины w и толщины t металлической полоски, и относительной диэлектричес­кой проницаемости ε подложки.

Рисунок 2.3. Микрополосковая линия в разрезе.

В свя­зи со сложностью строго математичес­кого анализа распространения электромагнитной волны в МПЛ характеристики линий рассчитываются по приближенным соотношениям.

Эффективная диэлектрическая проницаемость зависит от ε и отношения w/h. Волновое сопротивление МПЛ зависит от отношения w/h. На практике необхо­димо учитывать конечную толщину t полоски. Длина волны в линии (без учета дисперсии) определяется выражением:

, где λв - длина волны в свободном пространстве.

Толщина подложки лежит обычно в пределах 0,5 - 1,5 мм. Минимальная ширина полоски равна примерно 5 мкм, так как изготовление более узких полосок приводит к возрастанию потерь в линии и к значительному ухудшению воспроизводимости характеристик МПЛ. Максимальная ширина полоски не должна превосходить λ/4 для предотвращения возбуждения волн высших типов. Обычно максимальная ширина полоски принимается равной λ/8.

Для материала подложки МПЛ применяют диэлектрик с большой относительной диэлектрической проницаемостью. Благодаря этому уменьшаются габариты МПЛ вследствие сокращения длины волны в линии по сравнению с длиной волны в свободном пространстве и открываются возможности для создания различных устройств СВЧ в микроминиатюрном исполнении.

Цепи согласования и смещения.

Согласующие цепи (СЦ) аналоговых СВЧ-микросхем, в частности линейных СВЧ-усилителей, выполняются либо на сосредоточен­ных элементах, либо на лилиях с распределенными параметрами. На часто­тах выше 4 ГГц предпочтительнее использовать СЦ с распределен­ными параметрами на МПЛ.