3.3. Універсальний малошумлячий блок

Універсальний МШБ може приймати і обробляти вертикально (V) і горизонтально (Н) поляризовані сигнали в межах С-діапазону і Кu-діапазону, званих відповідно нижнім діапазоном і верхнім діапазоном. Н- і V-поляризовані сигнали приймаються двома окремими Н- і V- зондами, розташованими під кутом 90° один до одного (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Універсальний МШБ. А — змішувач; Б — гетеродин 9,75 або 10,6 Мгц; В— перемикач діапазонів нуль/22 кГц.

Перемикання між цими двома сигналами здійснюється по лінії живлення 13/18 В. Напруга живлення МШБ підводиться по коаксіальному кабелю від супутникового приймача: низька напруга (близько 13 В) вибирає вертикально поляризований| сигнал, а висока напруга (близько 18 В) — горизонтально поляризований сигнал. Вибір діапазону проводиться|виробляє| тональним комутуючим| сигналом 22 кГц| (амплітуда близько 600 мВ|). Тональний сигнал по­ступає| по коаксіальному кабелю від супутникового приймача. Відсутність то­ну|, нульовий сигнал, перемикає|переключає| МШБ на нижній| С- діапазон і встановлює| гетеродин на частоту 9,75 ГГц; тональний сигнал 22 кГц| перемикає|переключає| МШБ на верхній Кu-діапазон| і встановлює гетеродин на 10,6 ГГц. Існують універсальні МШБ з|із| подвійним виходом: один для нижнього діапазону, дру­гий| для верхнього. З|із| двома виходами можуть працювати два приймачі. Попередньо описаний універсальний МШБ дозволяє приймати сигнали від одного супутника у верхньому і нижньому діапазонах з вертикальною і горизонтальною поляризаціями. Перш за все, сигнал повинен виходити від одного супутникового ретранслятора.

Прийом від двох різних ретрансляторів включає застосування антенної системи з двигуном. Така система необхідна у тому випадку, коли супутники розташовані на значному віддаленні один від одного. Проте якщо супутники знаходяться близько один від одного (як у випадку супутників Hot Birdі Astra організації Eutelsat (European telecommunications satellite organization) –європейська організація супутників зв'язку), можна використовувати двофокусні антени з двома МШБ. Додатковий МШБ вимагає окремого живлення від приймача і повинен забезпечувати передачу сигналів в приймач. Якщо приймачмає два входи МШБ, то для прийому сигналів від одного з супутників використовується проста програмна комутація двох входів. При відсутності двох входів перемикання слід проводити безпосередньо на приймальній антені. Таке перемикання забезпечує система DiSEqC (digital satellite equipment control) — система цифрового управління супутниковим устаткування.

Розроблена організацією Eutelsat система DiSEqC є |з'являється|вдосконаленим | варіантом засобу|кошту| перемикання універсальних МШБ. Для передачі модульованій цифровій інформації використовується кому­туюча| частота 22 кГц|. Кодована інформація у вигляді нулів|нуль-індикаторів| і одиниць посилається по існуючому коаксіальному зниженню антени в блоки МШБ (рис. 3.8). Існують три рівні роботи системи DiSEqC:проста DiSEqC, версія 1.0 і версія 2.0. Проста версія використовується для комутації два універсальних МШБ. Одна довга пачка тонального сигналу 22 кГц тривалістю 12,5 мс вибирає один МШБ і таким чином один супутник; серія з дев'яти бітів вибирає інший МШБ, тобто інший супутник. Версії DiSEqC 1.0 і 2.0 є повністю цифровими; інформація щодо поляризації, перемикання діапазонів і вибору МШБ передається в 4-байтовому пакеті даних (рис. 3.9). За допомогою цього засобу можна забезпечити управління чотирма МШБ. На відміну від версії 1.0, яка є однонаправленою, версія 2.0 володіє двонапрямленістю, що забезпечує передачу повідомлення від МШБ до приймача.

Рис. 3.8. Комутуюча частота 22 кГц для МШБ

Рис. 3.9. 4-байтовий пакет даних МШБ

Весь діапазон частотно-модульованої першої ПЧ від МШБ поступає|надходить| в селекторний вузол супутникового приймача через високочастотний байо|нетний| з'єднувач. Основне призначення селектора — це вибір каналу, що знижує перетворення вибраної несучої до проміжної час­тоти| 479,5 МГц, а потім посилення, фільтрацію і демодуляцію сигналів, отриманих|одержувати| від МШБ. У сучасних супутникових приймачах використовується| синтезуюче налаштування|синтезує| (рис. 3.10). Сигнали, що приходять від МШБ, перед змішуванням з|із| частотою гетеродина перш за все|передусім| підсилюються|підсилюються| високочастотним| підсилювачем. Частота гетеродина контролюється системою ФАПЧ. Вибір каналу здійснюється під управлінням основного мікро­контролера| по шині І²С. Мікроконтролер|мікроконтроллер| вводить|запроваджує| в програмований лічильник «значення» каналу, програмований лічильник встановлює час­тоту| для фазового детектора, а фазовий детектор порівнює її з|із| частотою еталонного кварцового генератора. Постійна напруга|напруження| на виході фазового |детектора фільтрується для видалення|віддалення| високочастотної пульсації і потім|і тоді| використовується для управління гетеродином відповідно до «значе­ння|» каналу в програмованому лічильнику.

Рис.3.10. Налаштування, що синтезується

Проміжна частота 479,5 МГц, що виробляється змішувачем|змішувач-відстійником|, передається через фільтр на ПАВ з|із| номінальною смугою 27 МГц і використовується для запуску частотного демо­дулятора|. Широкосмуговий відеосигнал від демодулятора поступає|надходить| в тракт відеообробки, а частотно-модульована несуча звукова — в тракт обробки звуку.

Розділ 4.

4.1. Розрахунок енергетичних характеристик установок СТБ

Ослаблення|ослабіння| сигналу на лінії радіо­звязку| супутник — ЗС умовно можна розділити на дві складові: ослаблення|ослабіння| у вільному просторі|простір-час|; ослаблення|ослабіння| за рахунок проходження радіохвиль в тропосфері.

Втрати сигналу при розповсюдженні|поширенні| в вільному| просторі|простір-час| залежать від довжини хвилі і протяжності радіолінії і можуть бути розраховані| при ізотропних (ненапрямлених) антен­ах| по формулі

А_св==(4πL/λ)² (4.1)

де L — довжина шляху|колії| радіосигналу від супутника до антени ЗС;λ — довжина хвилі.

Співвідношення (4.1) можна виразити в децибелах: а_св=10 lg А_св=22+20 lg (L/λ), при цьому L і λ треба обов'язково брати в однакових одиницях (кілометрах, метрах, сантиметрах).

Потужність сигналу, дБВт, на вході приймача ЗС Р_пр з урахуванням антен

Р_пр=10 lg Р_n + g_n + g_nр — b_n—b_пр—а_св

де Р_п — потужність передавача, Вт; b_п і b_пр — загасання сигналу у фідерах передавача супутника і приймача ЗС, дБ; g_nі g_пр — коефіцієнти посилення антен супутника і приймача ЗС відповідно.

Максимальним відстань між супутником і ЗС (L_mах) для геостацiонарної орбіти буде при куті місця β=0 і складе близько 42 тис. км:

L_max= , (4.2)

де R_з — середній радіус Землі|грунту| 6400 км.; Н — висота| супутника над екватором (Н≈36 тис. км.).

Зазвичай технічні параметри супутників для розрахунків не використовуються, а в довідковій літературі публікуються дані про еквівалентну ізотропно випромінювану потужність (ЕІВМ): ЕІВМ = _, Вт, або 10 lg _, дБВт (де — потужність, що підводиться до антени супутника з посиленням ).

Коефіцієнт пісилення у напрямі голов­ного|променя діаграми спрямованості (ДС) антени при відомому діаметрі основного зер­кала| (рефлектора) антени

G =K_вп

де S — геометрична площа|майдан| розкриття| ан­тени| (апертура); К_вп— коефіцієнт використовування| поверхні антени (для розрахунків приймають К_вп|куп| = 0,5...0,7).

Прийнято вважати|лічити|, що мінімальне значення кута|рогу| місця|місце-милі| ЗС в межах всієї зони обслуговування| супутника при прийомі на частотах 4 ГГц має бути 5...7°, а при використанні частот вище 10 ГГц — не. менш 10°|.

При відомих координатах ЗС по рис. 4.1 можна приблизно визначити кут |ріг|підняття| антени при орієнтуванні її на відповідний| супутник.

Рис 4.1. Кут підняття антени при орієнтуванні її на відповідний супутник

Для геостаціонарного| супутника зміна b від мінімального (близько 36 тис. км.) до макси­мального| (близько 42 тис. км.) збільшує зату­хання| всього на| 1,3 дБ|. У зв'язку з цим похилу дальність можна вважати за постійну і рівну 40 тис. км.

Друга складовавтрат сигналу в тропосфері є випадковою, оскільки залежить не тільки від довжини шляху в цьому середовищі і кута місця, але і від поглинання сигналу в осіданнях. Чим вище частота зв'язку, тим більше втрати в осіданнях при заданій їх інтенсивності, яка, у свою чергу, є випадковою. Строго кажучи, втрати сигналу мають місце у всій атмосфері (у тому числі і в іоносфері), проте рівень цих втрат в іоносфері суттєво нижчий і можна їх не враховувати при орієнтовних розрахунках.

В тропосфері основні втрати викликаються киснем О₂, водяними парами Н₂0 і осіданнями у вигляді дощу, снігу, ожеледі.

Еквівалентна товщина атмосфери оцінюється для кисню h_O2 ≈5,3 км, для водяної париh_H2O = 2,1км.

Довжина шляху|колії| сигналу в атмосфері залежить від еквівалентної товщини І, що впливає на поглинання|, і кута|рогу| місця|місце-милі| β:

в кисні

І_О2=(h_O2-h₂) cosec β

в водяних парах

I_H2O=(h_H2O-h₂)cosec β

де h₂ — висота ЗС над рівнем морить

На рис. 4.2 приведена залежність поглинання| радіохвилі в спокійній атмосфері (без дощу) від частоти сигналу при різних кутах| місця|місце-милі|β.

Втрати такого роду присутні завжди. На частотах 11... 12 ГГц при мінімаль­них| кутах|рогах| вони| складають близько 0,7 дБ|, проте|однак| на частоті 20 ГГц перевищують 3 дБ|, що приводить|призводить| до помітного ослаблення|ослабіння| сигналу.

Загасання|затухання| в гідрометеорах залежить від інтен­сивності| дощів, розмірів зони| їх випадання і розподілу інтенсивності по зоні. Найбільше ослаблення|ослабіння| викликається|спричиняє| дощами, мокрим снігом, менше — градом, сухим снігом.

Рис 4.2. Залежність поглинання радіохвилі від частоти сигналу.

Усереднені і рекомендовані Міжна­родним консультативним комітетом по радіо (МККР) значення коефіцієнта поглинання в дощі пекло при різній інтенсивності мм/год, приведені на рис. 4.3.

Рис.4.3. Значення коефіцієнта поглинання при різній інтенсивності.

Довжина шляху сигналу в дощі І_д= (h_д—h₃)×соsес β, де І_д — усереднена еквівалентна товщина дощової зони, яку можна прийняти рівною 2 км. Загальне поглинання в дощіL_д=1_{д ,} дБ.

Умовна карта районування території країн СНД по інтенсивності дощів приведена на рис. 4.4, на мал. 4.5 і 4.6 дані статистичні розподіли середньохвилинних| значень інтен­сивності| дощів в різних кліматичних районах: Середня Азія і Казахстан (рис. 4,5, а), Сибір і Далекий Схід (рис. 4.5, б), Европей­ськая територія країн СНД (рис. 4.6, а) і Кавказ (рис. 4.6, б).

Рис 4.4. Умовна карта районування території країн СНД по інтенсивності дощів

Рис. 4.5. Рис. 4.6.

Поглинання в тумані, як правило, на поря­док| менше і при орієнтовних розрахунках мо­же| не враховуватися. Мокрий сніг у вигляді крупних пластівців, випадаючих на антену, може викликати|спричиняти| поглинання в чотири — шість разів більше, ніж при дощі, проте|однак| вірогідність|ймовірність| такого явища невелика.

Для колективних станцій, що мають діаметр антени 2,5...3 м, вживаних для СТБ, слід враховувати явище атмосферної рефракції, що полягає у викривленні траєкторії радіопроменя при проходженні його через тропосферу і іоносферу. На частотах 11...12 ГГц рефракція в тропосфері стає сумірною з шириною головної пелюстки діаграми спрямованості (ДС) антени на рівні половинної потужності (Δφ_0,5) і може досягати при кутах місця 10° 5...6 хв.

Відповідно до наближеної формули для D_A=2,5 м Δφ_0,5= 70λ/D> град, Δφ_0,5 = 0,07 град=4,2 хв.

При цьому визначальне значення має ре­фракція| в тропосфері.

При настроюванні антен на відповідні супутники слід мати на увазі можливі втрати через неузгодженості поляризацій антен. Нагадаємо, що сигнали, що випромінюються з супутників, можуть мати кругову поляризацію (правого і лівого обертання) і лінійну. При прийомі сиг­налів| з|із| круговою поляризацією на антену з|із|лінійною| поляризацією ці втрати допоможуть досягати 2...2,5 дБ|, тоді як при узгодженні поляризацій антен втрати, як правило, не|перевищують| 0,2...0,3 дБ|. Для передачі сигналів СТБ на частотах більше 10 ГГц в даний час|нині| найчастіше застосовують лінійну поляризацію — горизонтальну або вертикальну.

4.2. Опис конструкції і принципових схем елементів приймаючої установки СТБ

Устаткування|обладнання| індивідуальної приймаючої| установки представлене|уявляти| на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Індивідуальна приймаюча установка.

У його склад входять: рефлектор 1; конструкція для кріплення опромінювача 2; опромінювач 3; поворот­на| конструкція для підвіски 4; опорна кон­струкція| 5; приводний механізм для дистан­ційного| управління положенням|становищем| рефлектора 6; перемикаючий механічний поляризатор 7; малошумливий конвертор 8; позиціонер| 9; супут­никовий| приймач 10; телевізор 11; зєднувальний| високочастотний кабель 12; кабель для подачі управляючих| сигналів на привід поляризато­ра| 13; кабель подачі сигналів управління при­водом| антени 14; кабель 15, з’єднувальний |з'єднувати|пози­ціонер| з|із| датчиком кута|рогу| повороту антени; при­від| поляризатора 16.

Антена є|з'являється| найбільш складним елемен­том| приймальної|усиновленої| установки СТБ і від якості виготовлення| залежать її технічні характеристи­ки| — коефіцієнт посилення, рівень бічних|бокових| пелюсток, що визначають якість приймаючого| сигналу. Мабуть|очевидно|, не у кожного радіо­любителя| є умови і можливості |спроможності|якісно виконати роботу по виготовленню рефлек­тора|, контррефлектора і інших елементів кон­струкції| антени і опорно-поворотних| пристроїв|устроїв|. Деякі рекомендації по їх виконанню в радіолюбительських умовах приведені в жур­налах| «Радіо», 1990 р. № 11, 12 і 1991 р. № 1.

Залежно від географічного розташування| індивідуальної приймальної|усиновленої| установки діаметр рефлектора антени може бути 0,6...1,2 м. Потрібну позицію променя антени, відповідну положенню|становищу| супутника на ГО, можна вибрати за допомогою позиціонера| — спеціального пристрою|, що знаходиться|перебуває| в приміщенні|помешканні| і запам’ятовуючого| до 30 позицій супутників. Для точного настроювання| антени по максимуму сигналу існують| механічні пристосування типу |типа|тальрепів|, що дозволяють повертати рефлектор по азимутних і кутових| осях. Величину кутів|рогів| місця|місце-милі| і азимута необхідно заздалегідь |наперед|вичис­лити| для місця |місце-милі|розташування приймаючої уста­новки|.

Найбільше розповсюдження|поширення| мають одно-|дзеркальні осесиметричні антени, які дозволяють| отримати|одержувати| достатньо|досить| низький рівень бічних|бокових| пелюсток діаграми спрямованості, добре|добре| узгодження з|із| фідером і шумову тем­пературу| не вище 80 К при кутах|рогах| місця|місце-милі| більш 10°|. При діаметрі більше 1,5 м|м-коду| у|біля| осесиметричних антен рефлектор виконується розбірним.

Перехід від прийому сигналів з|із| вертикальною поляризацією до горизонтальної проводиться|виробляє| поляризаторами механічного або магнітного типу|типа|.

В даний час |нині|більш широко застосовуються механічні поляризатори, в яких| вибір поляризації досягається поворотом електричного вібратора, розташованого|схильного| в відрізці| хвилеводу. При дистанційному керуванні це реалізується за допомогою крокового двигуна, редуктора і датчика кута|рогу| повороту.

У магнітних поляризаторах поворот площини| поляризації досягається за рахунок зміни струму|току| в котушці|катушці|, намотаній навколо|навкруг| феритового стрижня|стержня|. При розповсюдженні|поширенні| хвилі вдовж |вздовж|на­магніченого| фериту напрям|направлення| її поляризації| змінюється на кут|ріг|, залежний від довжини стержня|стержня| і струму|току| в котушці|катушці|.

При ретельному налаштуванні обидва типи поляри­заторів| дозволяють отримати|одержувати| розв'язку 25... 28 дБ|, загасання|затухання|, що вноситься поляризаторами, не перевищує 0,2...0,4 дБ| в смузі частот 10,7... 12,7 ГГц. Очевидні переваги магнітного поляризатора в надійності через відсутність дви­гуна| і інших елементів управління, проте|однак| вони поки в 4...5 разів дорожчі.Ведуться роботи із створення поляризаторів, що забезпечують прийом сигналів з|із| лінійною і круговою поляризацією.

Малошумливий конвертор розміщується в зовнішньому блоці приймальної|усиновленої| установки і вклю­чає| МШП, змішувач|змішувач-відстійник|, гетеродин і ППЧ сигналів першої проміжної частоти.

Основною функцією МШП є|з'являється| зменшення впливу шумів внутрішнього блоку і компенсація втрат в сполучному кабелі. Залежно від якості виготовлення кабелю РК-75-4-113 погонне загасання|затухання| на робочих частотах може бути від 0,1 до 0,3 дБ/м. Це означає|значить|, що при максимальній довжині кабелю 40 м|м-кодів| втрати в ньому можуть бути від 4 до 12 дБ|. МШП містить|утримує| 3...4 каскади і забезпечує сумарний коефі­цієнт| підсилення близько 25...30 дБ|.

Найбільш широко поширеною є|з'являється| схема МШП, виконана на арсенід-галієвих| польових транзисторах типу|типа| АП324 або АП326. Схема одного каскаду на такому транзисторі зображена|змальовувати| на рис. 4.8.

Рис.4.8. Схема одного каскаду на транзисторі типу АП324 або АП326.

Збільшення числа каскадів в МШП більше чотирьох може ускладнити його налаштування через велику імовірність виникнення|ймовірності|виникненняви |самоз­будження| в підсилювачі. Кращі зразки|взірці| арсенід-галієвих| польових транзисторів можуть забезпечити коефіцієнт підсилення| на частоті 12 ГГц не| більше 10 дБ| і коеф­іцієнт| шуму близько 2,5 дБ|. Подальше|дальше| покращення| параметрів МШП на їх основі практично неможливо.

Деякі закордонні фірми|фірма-виготовлювачі| освоїли для НВЧ діапазону випуск принципово нових підсилювальних елементів — так званих по­льових| транзисторів з|із| високою рухливістю електронів (ТВПЕ—НЕМТ). У таких транзисто|рах| на частотах 11... 12 ГГц в підсилювачах можна отримати|одержувати| коефіцієнт шуму, що не перевищує 1 дБ|.

Активні елементи можуть застосовуватися у вигляді окремих кристалів (чіпів) і в корпусному виконанні|. У останньому варіанті суттєво спрощується технологія виготовлення, відсутня необхідність в герметизації, тому в радіо­любительських| умовах такі конструкції МШП мають| ширше застосування|вживання|.

Змішувач|змішувач-відстійник| може бути виконаний на напівпровідникових| діодах або на арсенід-галієвих| транзисторах. У випадку|в разі| застосування|вживання| діодів змішувач| збирають по балансній схемі, яка дозволяє знижувати власні шуми змішувача|змішувач-відстійника|, проте|однак| при цьому необхідно ретельно підбирати| діоди по параметрах.

Рис.4.9. Схема змішувача|змішувач-відстійника|, виконана на| арсенід-галієвому| польовому транзисторі| по схемі із|із| загальним|спільним| витоком

На рис. 4.9 приведена схема змішувача|змішувач-відстійника|, виконана на| арсенід-галієвому| польовому тран­зисторі| по схемі із|із| загальним|спільним| витоком|джерелом|. Вхідний сигнал і сигнал гетеродина| подаються на затвор транзистора СFY-19, а сигнал проміжної частоти знімається із стоку. У ланцюзі|цепі| затвору встановлений|установлений| шлейф завдовжки для придушення сигналів комбінаційних частот. У ланцюзі|цепі| стоку є|наявний| шлейф довжиною , блокуючий вхід­ний| сигнал і сигнал гетеродина на вході наступного| каскаду. На проміжних частотах шлейф діє як конденсатор, утворюючи разом з фільтром нижніх частот погоджуючий ланцюг|цеп| для зниження вихідного імпедансу змішувача|змішувач-відстійника|.

Гетеродин виконаний на польовому транзисторі типу|типа| FY-19, охопленому зовнішнім ланцюгом|цепом| зворотного| зв'язку від стоку до затвора. Резонансний кон­тур|, налаштований на частоту гетеродина, утворений| шлейфом в ланцюзі|цепі| затвора завдовжки і власними реактивними елементами транзистора. Шлейфи в ланцюзі|цепі| стоку забезпечують постійний імпеданс в широкому діапазоні частот і таким чином запобігають виникненню| паразитних коливань побічних частот. Напруга|напруження| електроживлення підводиться через дросель і блокується конденсатором.

Попередній каскад підсилювача першою ПЧ (ПППЧ) виконаний на біполярному транзисторі BFQ69 і змонтований на платі змішувача. Напруга електроживлення подається на змішувач і ПППЧ через дроселі L2 i L3.

Схема підсилювача першою ПЧ (рис. 4.10) реалі­зована| на трьох каскадах з використанням біполярних кремнієвих транзисторів. Погоджуючі ланцюги|цепи| між каскадами, утворені ін|дуктивностями| L4—L6 і власними реактив|ностями| транзисторів, мають ємкісний|місткість| імпе­данс| невеликої величини і забезпечують потрібну| амплітудно-частотну характеристику ППЧ з|із| посиленням близько 25 дБ| в центрі смуги з|із| завалом на 5 дБ| на межах|кордонах| смуги.

Напруга|напруження| електроживлення +12 В подається до ППЧ по центральній жилі коаксіального кабелю внутрішнього блоку через дросель L7 і прохідний конденсатор. Напруга|напруження| +5 у для каскадів, що працюють на арсенід-галієвих| по­льових| транзисторах, забезпечує стабілізатор напруги|напруження|, вхід і вихід якого блокуються конденсаторами великої ємкості|місткості| (1 мкФ|).

Рис. 4.10. Схема підсилювача першою ПЧ.

Стабілізатор напруги|напруження| разом з прохід­ними| конденсаторами вмонтовується|монтує| на непротрав|леній| друкарській|друкованій| платі, яка є|з'являється| для нього радіатором, що також охолоджує. Для виключення|винятку| дрейфу напруги|напруження| +5 В і виникаючої| при цьому зміни частоти гетеродина стабілізатор має бути розрахований на струм|тік| не менше 1 А.