3.1.5. Вычисления

1. Рассчитать расстояния, соответствующие использованным в работе значениям полных затуханий в тракте, для распространения сигнала в свободном пространстве.

2. По заданным значениям коэффициента шума конвертора определить мощность шума, приведенную к входу. Вычисления провести для обоих использованных в работе конверторов и исходя из коэффициента усиления каждого 55 дБ в полосе частот 36 и 18 МГц. Определить эквивалентную шумовую температуру конверторов.

Для расчетов использовать формулы, приведенные в п. 3.1.3.

3.1.6. Содержание пояснительной записки

1. Схема измерительной установки с подробным описанием.

2. Расчетные формулы с раскрытием физического смысла элементов и таблица расстояний, соответствующих использованным значениям затуханий в тракте макета; результаты расчетов с пояснением их последовательности.

3. Расчетные формулы для мощностей шумов, приведенных к входам конверторов; исходные данные; результаты расчетов.

4. Экспериментальные зависимости вероятностей ошибок от затуханий. Горизонтальную ось проградуировать в единицах затухания и приращения расстояния (общее затухание в тракте 0 дБ соответствует нулевому расстоянию).

5. Выводы по работе.

3.2. Курсовая работа. Вариант 2.

3.2.1. Исследование диодного смесителя.

Цель работы: ознакомление с конструктивными особенностями смесителей микроволнового диапазона и исследование их основных характеристик.

3.2.2. Общие сведения о смесителях свч

Смесители являются частью преобразователя частоты – устройства, осуществляющего перенос спектра сигнала из одной частотной области в другую. Кроме смесителя в преобразователе имеется также гетеродин.

Для преобразования частоты в смесителях используется нелинейность той или иной характеристики смесительного элемента [4]. В диапазоне СВЧ в качестве такого элемента часто выступает диод (точечно-контактный диод или диод с барьером Шоттки – ДБШ). Свойством, позволяющим использовать диод в смесителе, является нелинейность проводимости его запирающего слоя. Паразитные элементы – это сопротивление потерь и нелинейная емкость диода, приводящие к возникновению высших комбинационных частот и потере мощности преобразованного сигнала.

Спектр тока диода может быть представлен степенным рядом [5]:

.

Одним из основных требований к смесителям является отсутствие искажений в спектре преобразованного сигнала. Наименьшее количество нежелательных продуктов преобразования имеет смеситель с квадратичной вольт-амперной характеристикой (ВАХ): [5]. При этом

},

где – амплитуда напряжения и частота сигнала; – амплитуда напряжения и частота гетеродина соответственно.

Таким образом, в спектре преобразованного сигнала имеются постоянная составляющая, гармоники сигнала и гетеродина, колебания суммарной и разностной частот. Именно поэтому желательно иметь диоды с ВАХ, близкой к квадратичной. Для выведения рабочей точки диода на квадратичный участок ВАХ используется либо начальное смещение, либо напряжение гетеродина.

В случае значительного отличия ВАХ диода от квадратичной или при значительной амплитуде сигнала аппроксимация ВАХ только квадратичным членом степенного ряда некорректна. В этом случае в спектре тока диода имеется постоянная составляющая , гармоники сигнала и гетеродина – , , комбинационные составляющие с частотами , где и – целые числа. Комбинационные составляющие, особенно высшие, представляют большую проблему для работы смесителя, так как они могут попадать в полосу частот преобразованного сигнала (например, или ) и не могут быть отфильтрованы. Кроме того, возникают амплитудные искажения сигнала, связанные в основном с членом разложения ВАХ четвертого порядка . Чтобы обеспечить линейное амплитудное преобразование спектра сигнала необходимо выдерживать условие или , где и – мощности сигнала и гетеродина соответственно.

Обобщенная принципиальная электрическая схема смесителя с одним диодом может иметь вид, представленный на рис. 3.4. Здесь – напряжение промежуточной частоты (преобразованного сигнала). Параллельные колебательные контуры L1, C1 и L2, C2 настроены на частоты сигнала и соответственно. Они обеспечивают выделение соответствующих областей частотного спектра и согласование смесительного диода повходу и по выходу. В диапазоне СВЧ эти контуры могут выполнятьс я в виде объемных резонаторов или отрезков линии передач для микрополосковых конструкций. В низкочастотной части СВЧ-диапазона они могут реализовываться с применением сосредоточенных емкостей и индуктивностей (на частотах до 2…3 ГГц).

Работает данный смеситель следующим образом. При приложении к соответствующим точкам схемы напряжений и их сумма оказывается приложенной к диоду, вызывая протекание в его цепи тока сложной формы. Этот ток содержит перечисленные ранее составляющие – гармоники и комбинационные частоты. Выходным напряжением смесителя является напряжение той комбинационной частоты, на которую настроен контур L2, C2 – . Все остальные составляющие тока, протекающего в цепи диода, будут шунтироваться контуром L2, C2 и их напряжение на выходе схемы будет мало. Смесители, выполненные по данной схеме или подобным ей на одном диоде, называют однотактными. Главным их недостатком является преобразование амплитудных шумов гетеродина в сигнал промежуточной частоты. Это увеличивает собственные шумы смесителя, особенно в высокочастотной части диапазона СВЧ, где амплитудные шумы гетеродина особенно велики. Другими недостатками являются высокая интермодуляция и заметные нелинейные искажения.

Для уменьшения влияния шумов гетеродина используются балансные схемы смесителей. Простейшие балансные смесители содержат два диода. Существуют также двойные балансные смесители, кольцевые и двойные кольцевые [4,5].

П одавление составляющих с частотой и, соответственно, его амплитудных шумов осуществляется фазовыми методами. Этот процесс иллюстрирует принципиальная схема, приведенная на рис. 3.5. В ней напряжение сигнала приложено к диодам VD1, VD2 в противофазе, а напряжение гетеродина – в фазе: Здесь и – напряжения сигнала, приложенные к диодам VD1 и VD2 соответственно; и – напряжения гетеродина, приложенные к диодам VD1 и VD2 соответственно. Колебательные контуры в цепи гетеродина L1, C1 и в цепи сигнала L3, C3 настроены на частоты и соответственно.

Так как диоды включены встречно, то токи, порождаемые гетеродином в цепях диодов, имеют противоположные знаки. Это приводит к тому, что они, протекая через первичную (левую) обмотку выходного трансформатора смесителя Т, взаимно компенсируются. При этом во вторичной обмотке, образующей контур L2, C2, напряжение не наводится. Токи же, порожденные напряжением сигнала, складываются в обмотке, наводя в выходной обмотке напряжение . Таким образом, осуществляется подавление шумов и гармоник гетеродина в спектре выходного сигнала смесителя.

Как и однотактные, балансные смесители могут быть реализованы в виде коак-сиальных, волноводных или микрополосковых конструкций. На рис. 3.6 изображена конструктивная схема смесителя на основе волноводного

щелевого моста [5]. В соответствии со свойствами моста к диоду VD1 приложено напряжение сигнала и гетеродина , а к VD2 – и Диоды включены встречно-параллельно, поэтому на промежуточной частоте через нагрузку течет разность токов диодов:

Таким образом, токи полезных сигналов складываются. Шумы гетеродина, попадающие в полосу частот преобразованного сигнала ( – фаза шума, – амплитуда шума), создают шумовой ток:

т. е. происходит взаимная компенсация шумовых составляющих в нагрузке.

Топологическая схема аналогичного по принципу действия смесителя в микрополосковом исполнении показана на рис. 3.7. Данный смеситель реализован с применением стандартного двухшлейфного направленного ответвителя с переходным ослаблением 3 дБ. Единственным отличием от широко распространенной топологии является наличие высокоиндуктивного чертвертьволнового заземляющего ответвитель в точке короткого замыкания (КЗ) микрополоска. Он обеспечивает замыкание контура тока диодов по постоянной составляющей на "землю" слева от них. Справа ток заземляется через подключенную к выходу смесителя нагрузку. Это может быть как входное сопротивление усилителя промежуточной частоты, так и специальная цепь, например индуктивность на "землю", закорачивающая постоянную составляющую, но не шунтирующая токи с частотой .

Справа от диодов расположены нагруженные на холостой ход шлейфы, длина которых близка к четверти длины волны на частоте сигнала и гетеродина. Они шунтируют токи с этими частотами, не пропуская их на выход смесителя.

Приведенные ранее соотношения показывают, что составляющие с частотами подавляются полностью. В реальных балансных смесителях это не происходит из-за неизбежного разбаланса схемы. Реально шумы гетеродина подавляются на 15...30 дБ. Кроме того, развязка между каналами сигнала и гетеродина составляет около 10 дБ. Это обеспечивает незначительное проникание сигнала гетеродина на сигнальный вход.

В случаях, когда от смесителя требуется более высокая развязка сигнального входа от гетеродинного, схема, приведенная на рис. 3.7 и обеспечивающая реальную развязку не более 10 дБ, модифицируется. Модификация производится для устранения причин, вызывающих невысокую развязку входов. К таким причинам относятся не только неизбежный разбаланс схемы, вызванный технологическими погрешностями при изготовлении печатной платы смесителя и различием вольт-амперных характеристик смесительных диодов, но и возникающие в смесителе отражения колебаний гетеродина при неполном согласовании схемы. Отраженные колебания гетеродина могут попадать на сигнальный вход смесителя, ухудшая тем самым реальную развязку между сигнальным и гетеродинным входами. Следует отметить, что данный механизм снижения развязки характерен не только для микрополосковых смесителей, но и для смесителей в другом конструктивном исполнении, например для описанных ранее волноводных смесителей.

Для исключения негативного влияния отражений в модифицированном смесителе (см. рис. 3.8) удлиняют на четверть волны один из выходов направленного ответвителя. С учетом того, что на частоте гетеродина длины шлейфов близки к четверти волны, каждый из них обеспечивает поворот фазы сигнала гетеродина на .

Рассмотрим, что произойдет в модифицированном смесителе с волнами гетеродина, отраженными от смесительных диодов. Так, волна, прошедшая по пути гетеродинный вход – VD1 – сигнальный вход, получит фазовый

сдвиг величиной

,

где – изменение фазы волны гетеродина при отражении ее от смесительного диода VD1. Волна, отразившаяся от VD2, будет иметь фазовый сдвиг

,

где – изменение фазы волны гетеродина при отражении ее от VD2. Если , то волны, отразившиеся от VD1 и VD2, приходят на сигнальный вход смесителя со сдвигом на , т. е. в противофазе, и взаимно компенсируются. Аналогичным образом колебания частот входного сигнала взаимно компенсируются на гетеродинном входе. При этом развязка входов балансного смесителя значительно увеличивается. Подобный модифицированный смеситель может быть предложен как для измерения абсолютных значений его основных параметров, так и для сравнительного исследования со смесителем, изображенном на рис. 3.7.

Рассмотрим основные характеристики смесителя:

1. Потери преобразования, дБ:

.

Здесь – мощность преобразованного сигнала (на промежуточной частоте).

2. Коэффициент шума, дБ:

.

Здесь – отношение мощностей сигнала и шума на входе, – то же на выходе смесителя.

3. Коэффициенты стоячей волны по входу и по выходу смесителя .

4. Полоса рабочих частот – частотный диапазон, в котором основные характеристики смесителя принимают значения не хуже заданных.

5. Изоляция. Определяется прониканием на выход смесителя входного сигнала и мощности гетеродина:

, .

Здесь и – изоляция по цепи входного сигнала и изоляция гетеродина соответственно; и – мощности входного сигнала и гетеродина на выходе смесителя (в тракте промежуточной частоты) соответственно.

6. Интермодуляция – величина входной мощности смесителя , при которой выходная мощность полезного сигнала смесителя и интермодуляционной составляющей на выходе смесителя равны. Получается экстраполяцией зависимостей и .

7. Компрессия – величина входной мощности , при которой реальная амплитудная характеристика смесителя на 1 дБ отличается от идеальной (линейной).

Установим преимущества балансной схемы смесителя.

1. Коэффициенты шума снижаются на 2…5 дБ, а при большом уровне шумов гетеродина – на 5…10 дБ.

2. Вся мощность гетеродина поступает на диоды, что позволяет использовать менее мощные генераторы.

3. Балансная схема обладает повышенной помехоустойчивостью и расширенным динамическим диапазоном, так как благодаря подавлению в ней четных гармоник гетеродина снижается уровень побочных продуктов преобразования.

4. Имеет повышенную электрическую прочность смесителя, поскольку входная мощность делится между двумя диодами.

5. Имеет большую надежность, так как работоспособность смесителя сохраняется при выходе из строя одного из диодов.

6. Наблюдаются меньшие потери сигнала в цепи гетеродина из-за высокой развязки мостовых схем, на которых реализуются балансные смесители.