Раздел 2. Аппаратура спутниковых и радиорелейных систем передачи данных

Лекция 7. Устройство основных трактов приемников и передатчиков СВЧ диапазона

Учебные вопросы:

1. Характеристика элементной базы приемников СВЧ диапазона.

2. Особенности структурных схем тракта сигнальной частоты радиоприемников СВЧ диапазона.

3. Тракты промежуточной частоты приемников СВЧ диапазона.

1. Характеристика элементной базы приемников свч диапазона.

Соизмеримость геометрических размеров конструкций элемен­тов и узлов радиоаппаратуры с длинами волн СВЧ диапазона при­водит к существенным изменениям в происходящих физических явлениях и к значительным количественным и качественным изме­нениям электрических свойств используемых радиоматериалов.

Это обусловливает ряд конструктивных особенностей СВЧ приемников среди которых можно выделить следующие:

- размеры конструкций СВЧ устройств определяются с учетом полураспределенных и распределенных параметров;

- параметры элементов и узлов определяются структурой элек­тромагнитного поля, что требует от конструкций выполнения усло­вий, обеспечивающих стабильное возбуждение нужной структуры поля;

- основные характеристики находятся в прямой зависимости от геометрических размеров конструкций, что часто вызывает необ­ходимость применения жестких допусков при изготовлении;

- ряд важных характеристик улучшается при высоком качестве обработки и соответствующем покрытии поверхностей, соприка­сающихся с электромагнитным полем, что требует проведения сложных и дорогостоящих операций полирования, серебрения, по­крытия специальными лаками;

- способность к интенсивному излучению, вредное биологиче­ское влияние вызывают необходимость предъявления особо жест­ких требований к электрогерметичности;

- протекание токов по тонкому слою металлической поверхно­сти позволяет изготавливать СВЧ устройства из дешевых неме­таллических материалов с последующей металлизацией поверх­ностей, соприкасающихся с электромагнитным полем;

- в конструкциях приемников усиление и обработка сигналов выполняются, в основном, на промежуточных и низких частотах, поэтому СВЧ узлы входят лишь во входную часть приемника до преобразования или детектирования первоначального сигнала;

- антенно-фидерные устройства полностью комплектуются из узлов, представляющих собой конструкции, характерные для СВЧ диапазона.

В приемниках СВЧ диапазона приходится применять другую элементную базу и материалы для основных узлов и, в первую очередь, для преселектора и преобразователя частоты. Это прежде, всего относится к резонансным системам и электрон­ным приборам усилительных каскадов и самим принципам усиле­ния. Обычные резонансные системы нельзя выполнить в диапазоне СВЧ. Не могут быть использованы и обычные лампы и транзисторы, так как они не обеспечивают устойчивой работы в этом диапазоне. По­этому в качестве резонансных систем преселектора применяются отрезки коаксиальных линий, объемные резонаторы и волноводы.

Общим свойством всех этих элементов является способность резонировать на большом количестве собственных частот. Для нормальной работы таких элементов необходимо обеспечить полное согласование с фидером и электронным при­бором. Так, линии передач обычно делают из меди, латуни, нержавеющей стали, алюминия. Латунные волноводы предпочтительны, так как они хорошо обра­батываются, спаиваются и имеют небольшое затухание. Умень­шить потери в волноводах можно гальваническим покрытием их медью или серебром. Если затухание не играет роли, то использу­ют нержавеющую сталь. Волноводы больших поперечных разме­ров делают из алюминия.

Основным материалом для резонаторов СВЧ является бески­слородная медь. Она обладает высокой тепло- и электропровод­ностью, хорошо механически обрабатывается, неферромагнитна, хорошо спаивается и сваривается. Для изготовления отдельных частей резонаторов используют сплав ковар (54% железа, 28% никеля, 18% кобальта), с помощью которого обычно образуют вакуумноплотные спаи со стеклом и керамикой из-за близости их ко­эффициентов линейного расширения.

В лампах бегущей волны (ЛБВ) и в выводах энергии приборов применяют стекло. Для закрепления внутренних деталей электрон­ных приборов используют высокотемпературные глазури и вакуум­ный цемент.

При создании поглощающих нагрузок используют диэлектрики с малым значением диэлектрической проницаемости. К ним относят­ся графит, асбест, смесь порошка железа с керамическим или ба­келитовым наполнителем и др.

Усиление СВЧ колебаний обычным усилительным каскадом, включающим в себя отдельные резонансную систему и электронный прибор (ЭП), возможно на частотах метрового и части дециметрово­го диапазонов волн. На частотах же сантиметрового диапазона ис­пользуются усилительные элементы, работающие на новых принци­пах усиления. В качестве элементной базы могут использоваться как полупроводниковые приборы СВЧ (СВЧ транзисторы, диоды Ганна, лавинопролетные и туннельные диоды, а также варакторные диоды полупроводниковых параметрических усилителей), так и лампы бегущей волны, клистроны.

В некоторых приемниках отсутствуют усилители высо­кой частоты, и входное устройство работает непосредственно как смеситель, выполняемый обычно на специальных полупроводни­ковых диодах. В схемах гетеродинов сантиметрового диапазона используются отражательные клистроны, малогабаритные и маломощные магне­троны, лампы обратной волны и другие электронные приборы. Общим недостатком всех перечисленных элементов является воз­можность их перестройки в небольших пределах, что ограничивает диапазон рабочих частот приемника. При необходимости перекры­тия достаточно широкого диапазона частот в приемниках исполь­зуется несколько отдельных блоков ВЧ, каждый из которых «пере­крывает» небольшой поддиапазон частот.

К элементной базе и устройствам приемников СВЧ предъявляются специфические требования:

- высокая точность изготовления, обусловленная зависимостью электрических параметров устройств от их геометрических размеров;

- высокое качество обработки токонесущих поверхностей, обу­словленное получением минимальных потерь;

- отсутствие на токонесущих поверхностях окислов и загрязне­ний, приводящих к росту диэлектрических потерь;

- применение металлов с высокой проводимостью, что обеспе­чивает минимальные активные потери.