Казанский государственный технический

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА

 

Г.И.ИЛЬИН, Л.А.ТРОФИМОВ, М.А.ЦАРЕВА

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ СВЧ

 

Учебное пособие для курсового

И дипломного проектирования

 

Рекомендовано Учебно-методическим центром КГТУ им.А.Н.Туполева

 

 

УДК 621.396

 

Ильин Г.И., Трофимов Л.А., Царева М.А. Проектирование радиоприемных устройств СВЧ: Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования. Казань: Изд. Казан. гос. техн. ун., 2010. 240с.

Излагаются основы и методы проектирования супергетеродинных радиоприемных устройств СВЧ различного назначения, различных видов сигналов.

Даются методы эскизного проектирования и расчета входных цепей, усилителей радио- и промежуточной частоты, преобразователей частоты. Рассматриваются приемники, использующие как транзисторы в дискретном исполнении, так и интегральные микросхемы. Излагаемые методы иллюстрируются примерами проектирования и расчета радиоприемных устройств.

Книга является учебным пособием по курсу «Устройства приема и обработки сигналов» и предназначена для студентов очной и заочной форм обучения радиотехнических специальностей как пособие по курсовому и дипломному проектированию радиоприемников.

 

Табл.: 38 Ил.: 127 Библиогр.: 33 назв.

Рецензенты:	д.т.н., профессор О.Г.Морозов (ГОУВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»(Казанский филиал))
	К.т.н., профессор М.Ю.Застела (РТС ИРЭТ КГТУ им.А.Н.Туполева)

 

© Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2010.

© Ильин Г.И., Трофимов Л.А.,

Царева М.А., 2010.

 

Введение

 

Современные радиоприёмные устройства (РПрУ) представляют собой сложную систему, состоящую из большого числа взаимосвязанных узлов: приемной антенны, радиоприемника, оконечного устройства. В данном учебном пособие рассматривается проектирование только радиоприемников. Параметры и типы антенн и оконечных устройств учитываются с точки зрения необходимости для проектирования радиоприемников.

Помимо традиционных задач усиления, фильтрации, преобразования и детектирования сигнала в РПрУ производится обработка, поиск и обнаружение сигнала, синхронизация по несущей частоте, адаптация и т.д.

По принципу построения блок-схемы РПрУ различают на приемники прямого усиления (без регенерации и с регенерацией) и супергетеродинные приемники с однократным, двукратным и многократным преобразованием частоты. Данное учебное пособие посвящено проектированию супергетеродинных приемников, так как они обладают существенными преимуществами перед приемниками других типов и широко применяются во всех диапазонах частот.

По характеру модуляции принимаемых сигналов различают РПрУ непрерывных сигналов, модулированных по амплитуде (АМ), частоте (ЧМ), фазе (ФМ) и сигналов с различными видами импульсной модуляции (АИМ, ШИМ, ВИМ, КИМ и др.) В учебном пособие рассматривается проектирование приемников разных видов сигналов.

По назначению различают приемники связные, радиовещательные, телевизионные, радиолокационные, радионавигационные и др.

Спектр радиочастот (от 3КГц до 3000ГГц) делится на диапазоны, в настоящем учебном пособие будут рассматриваться вопросы проектирования приемников, работающих в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн принимаемых сигналов (300МГц-30ГГц).

В качестве активных элементов каскадов приемников используют полупроводниковые приборы (транзисторы и диоды). Разнородность и быстрое “старение” элементной базы усложняют разработку и проектирование РПрУ. Наряду с аналоговыми способами обработки сигнала в РПрУ в последнее время широко применяется цифровая обработка. Успехи микроэлектроники позволяют часть узлов РПрУ выполнить в виде малых и больших микросхем (БИС). Появившиеся в последние годы акустоэлектронные устройства формирования и обработки сигнала также внесли существенный вклад в расширение функциональных возможностей приёмника.

Проектирование РПрУ выполняется согласно техническому заданию и ведётся по принципу от сложного к простому, от более общего представления к детализации.

Последовательность проектирования РПрУ можно разбить на несколько этапов:

1. Анализ исходных данных – технического задания (ТЗ) на разработку приёмника.

2. Выбор способа обработки сигнала и разработка структурной схемы РПрУ.

3. Проектирование функциональной схемы РПрУ.

4. Разработка (расчёт) принципиальной электрической схемы РПрУ.

5. Расчёт надёжности, разработка инструкций по настройке и испытанию РПрУ.

6. Разработка конструкций узлов и блока в целом с технической документацией на изготовление.

7. Изготовление, настройка и испытание макета РПрУ.

В настоящем пособии проектирование РПрУ ограничено разработкой принципиальной электрической схемы приёмника.

 

Исходные данные (ТЗ) на проектирование РПрУ формируются в процессе разработки системы, в которую входит приёмник и, как правило, состоят из следующих основных требований:

1. Общие требования: назначение и место установки приемника, узлы, входящие в состав РПрУ (антенна, радиоприемник, оконечное устройство) и не входящие в комплект приемника, но с которыми он должен работать, условия работы, габариты;

2. Диапазон частот: количество принимаемых частот связи в диапазоне перестройки приёмника ;

3. Чувствительность : характеризует способность приемника принимать слабые сигналы, оценивается минимальным уровнем ЭДС (номинальной мощности) сигнала в антенне (или ее эквиваленте), при котором обеспечивается заданное отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе приемника. Если чувствительность ограничивается только внутренними шумами приемника (внешние шумы не учитываются), то ее можно оценить реальной или предельной чувствительностью, коэффициентом шума, шумовой температурой. В диапазоне дециметровых и более коротких волн чувствительность приемника оценивается в единицах мощности сигнала (10^-9-10^-19Вт). Иногда чувствительность определяют в децибелах (дБ);

4. Избирательность S: характеризует способность приемника выделять полезный сигнал и подавлять помеху, оценивается по резонансной характеристике приемника. В радиоприемнике обеспечиваются избирательность по соседнему каналу (50-80дБ) и избирательности по зеркальному каналу ;

5. Динамический диапазон D: отношение максимального уровня ЭДС (номинальной мощности) сигнала к минимальному уровню на входе () и выходе () приемника, выраженное в децибелах. Динамический диапазон ограничивается нелинейными искажениями, возникающими за счет перегрузки последних каскадов приемника при приеме сильных сигналов. Современные приемники обладают динамическим диапазоном 80-100дБ - на входе и 4-10дБ - на выходе;

6. Качество воспроизведения сигналов: определяется степенью искажений (частотных, фазовых, нелинейных) принимаемого сигнала. Искажения импульсных сигналов оцениваются длительностями переднего и заднего фронтов, неравномерностью вершины;

7. Характеристики входного сигнала (вид, коэффициент, частота модуляции и т.д.);

8. Требований к выходному сигналу РПрУ (мощность и форма выходного напряжения): определяется целевым назначением и типом оконечного устройства;

В результате анализа исходных данных выявляются основные и вспомогательные функции, выполняемые приёмником, на основании чего составляется структурная и функциональная схемы приёмника.

Преобразователи частоты

4.1. Общие сведения

 

Преобразователь частоты супергетеродинного приемника состоит из: 1)смесителя, на который подается принимаемый сигнал с частотой ; 2)гетеродина – местного маломощного генератора, напряжение которого с частотой изменяет один из параметров смесителя (чаще всего крутизну), в результате чего на выходе образуются комбинационные частоты ; 3) полосового фильтра, выделяющего, полученную в результате нелинейного преобразования в смесителе промежуточную частоту и используемую для дальнейшей обработки в усилителе промежуточной частоты (рис. 4.1.).

(4.1)

где k, n=0, 1, 2… - гармоники гетеродина и сигнала.

Рис.4.1. Структурная схема преобразователя частоты:

См-смеситель; Г-гетеродин; Ф-фильтр.

 

По схемному построению различают преобразователи частоты с внутренним и внешним гетеродином.

По типу используемого нелинейного элемента в смесителе различают: 1)транзисторные преобразователи; 2)диодные преобразователи.

По количеству используемых нелинейных элементов в смесителе различают: 1) простые (одноэлементные); 2) балансные (два элемента); 3) кольцевые (четыре элемента).

Транзисторные преобразователи частоты преимущественное распространение получили на низких и умеренных частотах, а также в качестве второго преобразователя частоты в приёмниках СВЧ с двойным преобразованием.

В супергетеродинных приёмниках СВЧ чаще используются преобразователи частоты с внешним гетеродином и диодным смесителем.

Проектирование гетеродина (маломощного генератора) рассматривается в курсах радиопередающих устройств или, например, в [1].

Проектирование некоторых типов смесителей рассмотрено ниже.

 

4.2. Диодные балансные смесители

 

В современных радиоприемных устройствах СВЧ в большинстве случаев применяют диодные балансные смесители (БС). Основным их достоинством является способность подавлять шумы гетеродина на входе УПЧ и мощность гетеродина, просачивающуюся в антенну. Схема БС (рис. 4.2) включает два смесительных диода и СВЧ мост: квадратный или кольцевой

Рис. 4.2. Схема балансного диодного смесителя.

 

К двум плечам моста подключают смесительные диоды Д₁ и Д₂, а к двум другим подводят соответственно мощности сигнала и гетеродина . Работа БС основана на равном распределении мощностей и между двумя диодами с определёнными фазовыми сдвигами, что обеспечивается с помощью СВЧ моста.

В схемах БС применяют подобранные пары разнополярных диодов с малым разбросом параметров в паре. Разнополярное включение диодов приводит к тому, что шум гетеродина оказывается подавленным непосредственно на общем выводе диодов по промежуточной частоте. При этом можно использовать обычную схему входной цепи УПЧ, как и с небалансным смесителем.

В БС используют как квадратурные (квадратные) СВЧ мосты, так и синфазно-противофазные (кольцевые). Первые позволяют создавать более компактные топологические схемы и конструкции, однако вторые имеют лучшую развязку между плечами моста.

Основными параметрами БС являются: потери преобразования ; шумовое отношение ; выходное сопротивление ; подавление шума гетеродина и коэффициент шума смесителя .

Исходными данными при расчёте БС являются: параметры смесительных диодов и параметры СВЧ моста.

В качестве параметров диодов для инженерных расчетов можно использовать их паспортные данные, указанные в справочниках и в таблице 4.1. Типы корпусов смесительных диодов показаны на рис. 4.3.

 

Рис. 4.3.Типы корпусов металлокерамических(а),

стеклянных(б), бескорпусных (в) смесительных диодов.

Таблица 4.!

Тип диода	Тип корпуса	Длина волны , см	Потери , дБ	Шумовое число	Ом	, дБ	, мВт	, мВт
2А108А	рис.4.3а					6.5
3А111Б	рис.4.3а	3.2	5.5	1.3		7.0
АА112Б	рис.4.3б	3.2		1.3		7.0
АА113А	рис.4.3в	3.2		1.3	-	7.5

 

На рис. 4.3 показаны размеры соответственно корпусных металлокерамических (а), стеклянных (б) и бескорпусных (в) диодов.

На рис. 4.4 приведены топологии двухшлейфного квадратного (а) и кольцевого (б, в) СВЧ мостов. Основное их достоинство – хорошая развязка плеч моста 1 и 3, служащих для ввода напряжений сигнала и гетеродина.

 

Рис. 4.4. Топология двухшлейфового СВЧ моста:

а) квадратного; б),в) кольцевого.

 

Проектирование квадратного и кольцевого СВЧ мостов сводится к расчету параметров составляющих их МПЛ, а также КСВ , развязке между плечами , величины потерь и разбаланса амплитуд и фаз для кольцевого моста.

При проектировании квадратного моста стороны квадрата берут равными . Если задано волновое сопротивление подводящих МПЛ , то волновое сопротивление сторон моста берут равными:

(4.2а) (4.2б)

Ширину МПЛ, составляющих квадрат вычисляют по формуле (3.22). КСВ , развязку и потери моста вычисляют по формулам [1]:

дБ , дБ

(4.3)   (4.4)   (4.5)

где и – полные потери в плечах и соответственно в Нп.

Потери мощности в МПЛ обусловлены потерями мощности в проводниках линии и в диэлектрике , т.е:

,

(4.6)

где потери выражены в децибелах или неперах (1Нп=8.68дБ).

Погонные потери проводимости оцениваются по формуле:

,

(4.7)

где и – волновое сопротивление и ширина проводника МПЛ соответственно,

– поверхностное сопротивление проводника вычисляется по формуле:

,

(4.8)

где – удельная проводимость проводника ;

– толщина скин – слоя.

Величины и некоторых металлов приведены в таблице 4.2

Таблица 4.2

Металл	Медь	Алюминий	Серебро	Золото
,
,

Потери проводимости МПЛ, длиной , находится по формуле:

(4.9)

Погонные диэлектрические потери в подложке МПЛ рассчитываются по формуле:

,

(4.10)

где h и S - толщина подложки, и ширина проводника соответственно.

Диэлектрическая проницаемость и потери для некоторых типов подложек приведены в таблице 2.3.

Диэлектрические потери МПЛ, длиной , определяются по формуле:

(4.11)

Полные потери находят по формуле(4.6).

При проектировании кольцевого моста длину средней окружности берут равной:

(4.12)

Расстояние между плечами моста и . Для согласования плеч моста волновое сопротивление подводящих линий и волновое сопротивление кольца должны находится в соотношении:

(4.13)

Ширину полоски кольца вычисляют по формуле (3.22). Параметры моста на средней частоте диапазона рассчитываются по формулам [1]:

, дБ , дБ , дБ

(4.14)   (4.15)   (4.16)   (4.17)

где полные потери отрезка линии кольца, длиной в Нп.

, Нп

(4.18)

где и - погонные потери приводимости и в диэлектрике соответственно, находятся по формулам (4.7) и (4.10).

При расчете параметров БС предполагают, что нагрузка его входных плеч (вход сигнала и гетеродина) согласованы, а входной импеданс УПЧ с выходной емкостью БС настроены в резонансе, т.е. нагрузка БС по промежуточной частоте чисто активна. Длина волны вычисляются на средней частоте рабочего диапазона волн.

Считая, что диоды в БС подобраны в паре, в инженерных расчетах можно пользоваться приведенными ниже приближенными формулами.

Выходное сопротивление БС определяется по формуле:

,

(4.19)

где - выходное сопротивление смесительного диода.

Потери преобразования БС состоят из потерь преобразования в смесительном диоде и потерь моста

, дБ

(4.20)

Шумовое отношение , балансного смесителя можно считать равным шумовому числу диода т.е.:

(4.21)

Коэффициент шума в БС равен [1]:

,

(4.22)

где - потери в БС (разы).

Необходимая мощность гетеродина вычисляется по формуле:

,

(4.23)

где - потери моста (разы), - мощность гетеродина из справочных данных на диод.

Пример 4.1. Требуется рассчитать балансный смеситель на квадратном мосте (рис.4.4а).

Исходные данные: средняя несущая частота сигнала ; относительная полоса пропускания , коэффициент шума Ш_БС≤8 дБ; смеситель должен быть разработан на МПЛ; волновое сопротивление проводящих линий ; промежуточная частота .

1. Принципиальная электрическая схема БС приведена на рис. 4.2.

Выбираем подложку из поликора (, ) толщиной .

Для проводников применяем золото .

2. Выбираем смесительные диоды с барьером Шотки типаАА112Б. По таблице 4.1 находим дБ; ; Ом.

3. Расчет начинаем с проектирования СВЧ моста.

Определяем волновое сопротивление для основной линии:

для шлейфов:

Ширина полоски основной линии и шлейфа (3.22):

мм

мм

Эффективная диэлектрическая проницаемость (2.9):

Для основной линии ; для шлейфов .

Длину четвертьволновых отрезков основной линии и шлейфов (рис. 4.4а) находим по формуле:

,

где - длина волны в воздухе: см

мм; мм

4. Рассчитаем потери моста, для чего вычислим потери проводимости и диэлектрические потери в основной линии и шлейфах моста.

Толщина скин-слоя в проводниках:

мкм.

Поверхностное сопротивление проводника:

Ом

Погонные потери проводимости находим по формуле (4.7) для основной линии и шлейфов соответственно:

.

Потери проводимости отрезка основной линии и шлейфа соответственно:

.

Погонные диэлектрические потери в подложке МПЛ рассчитываются по формуле (4.10). После вычислений погонные потери основной линии и шлейфа равны соответственно:

Диэлектрические потери в основной линии и шлейфе:

дБ

дБ

Полные потери основной линии и шлейфа находит по формуле (4.6):

Нп.

Нп.

Потери моста , развязка изолированного плеча , КСВ входных плеч моста рассчитываются по формулам (4.3-4.5):

.

.

На этом проектирование квадратного моста можно считать законченным.

5. Выходное сопротивление БС определяем по формуле (4.19):

Ом.

6. Потери преобразования БС равны (4.20):

дБ.

7. Коэффициент шума БС рассчитываем по формуле (4.22):

где - шумовое число диода, - потери БС (разы).

8. Необходимая мощность гетеродина равна (4.23):

мВт.

Частота гетеродина: МГц.

После расчетов можно приступить к разработке топологической схемы БС (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Топологическая схема балансного диодного

смесителя на квадратном мосте.

 

В схему БС необходимо добавить короткозамкнутый шлейф, длиной , для замыкания постоянной составляющей токов диодов и высокочастотные дроссели, шлейфы длиной для блокировки токов СВЧ на входе УПЧ.

Пример 4.2. Требуется рассчитать балансный смеситель на кольцевом мосте (рис.4.4б,в).

Исходные данные: средняя несущая частота сигнала ; относительная полоса пропускания ; коэффициент шума Ш_БС≤8 дБ; развязка между сигналом и гетеродином не менее 30 дБ; волновое сопротивление подводящих линий ; промежуточная частота .

1. Принципиальная электрическая схема смесителя приведена на рис. 4.2.

Выбираем подложку из поликора (; ), толщиной .

Для проводников применим алюминий .

2. Выбираем смесительный диод АА113А. По таблице 4.1 находим: дБ; ; дБ; мВт.

3. Расчет начинаем с проектирования кольцевого моста.

Определим волновое сопротивление кольца по формуле (4.13):

Ом.

Ширину проводника кольца определим по формуле (3.22):

мм.

Эффективную диэлектрическую проницаемость находим по формуле (2.9):

Эффективная длина волны в линии:

см.

Диаметр средней окружности кольца:

см.

Расстояние между плечами моста (4.4б):

см.

см.

4. Рассчитаем потери в плечах моста.

Определим в начале потери проводимости. Из таблицы 4.2 находим толщину скин-слоя в полоске:

мкм.

Поверхностное сопротивление проводника:

Ом.

Погонные потери проводимости определяем по формуле (4.7):

Погонные диэлектрические потери в подложке МПЛ находим по формуле (4.10):

Полные потери отрезка линии кольца, длиной :

Нп.

5. По формулам (4.14)-(4.16) находим:

потери кольцевого моста

дБ.

развязка плеч моста

дБ.

коэффициент стоячей волны

разбаланс амплитуд

На этом проектирования кольцевого моста можно считать законченным.

6. Выходное сопротивление БС определяем по формуле (4.19):

Ом.

7. Потери преобразования БС равны (4.20):

дБ.

8. Коэффициент шума БС рассчитываем по формуле (4.22):

,

где - шумовое число диода, - потери БС в разах.

9. Необходимая мощность гетеродина равна (4.23):

мВт.

Частота гетеродина: МГц.

Топология БС смесителя на кольцевом мосте показана на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Топологическая схема балансного диодного

смесителя на кольцевом мосте.

 

Разомкнутые четвертьволновые шлейфы используются в качестве высокочастотных дросселей на выходе смесителя. Вход сигнала и вход гетеродина можно поменять местами, однако при этом полярность включения одного из диодов нужно изменить на обратную.

4.3.Транзисторные преобразователи частоты

Транзисторные преобразователи частоты используются в диапазоне умеренно высоких частот до СВЧ диапазона. Основное их достоинство - вместе с преобразованием частоты обеспечивают небольшое усиление сигнала.

Рассмотрим проектирование транзисторного преобразователя частоты с внешним гетеродином, который может быть использован в приемнике СВЧ, с двойным преобразованием частоты в качестве второго преобразователя (рис.4.7).

Рис. 4.7. Принципиальная схема транзисторного

преобразователя частоты.

 

Смеситель построен на транзисторе VТ, который включен по схеме с общим эмиттером. Сигнал поступает на базу, а напряжение гетеродина подается на эмиттер транзистора.

Фильтр Ф₁ настроен на промежуточную частоту. Конденсаторы С₁ и С₂ - разделительные. С помощью сопротивлений R₁ и R₂ подается напряжения смещения на базу транзистора, которое необходимо для задания рабочее точки. R₄ и C₃ элементы термостабилизации. Резистор R₅ и конденсатор C₄ элементы фильтра по питанию.

Поскольку смеситель должен обладать большими значениями рабочей частоты и малым коэффициентом шума Ш_СМ, при их проектировании выбирают те же транзисторы, что и для УРЧ.

Коэффициент передачи и резонансную характеристику преобразователя частоты можно рассчитывать по тем же формулам, что и УРЧ [13, 14], однако надо учитывать, что:

;; ; ,

(4.24)

где - соответствующий параметр транзистора в режиме усиления;

и - на частоте сигнала;

и - на промежуточной частоте.

Коэффициент передачи рассматриваемого преобразователя определяется по формуле [14]

,

(4.25)

где m и n - коэффициенты включения фильтра на входе и выходе;

- крутизна характеристики транзистора в режиме преобразования частоты;

- характеристическое сопротивление первого контура;

- резонансная частота;

К_Ф - коэффициент передачи двухконтурного полосового фильтра Ф₁:

,

(4.26)

где - обобщенная добротность;

- добротность первого контура фильтра;

- добротность второго контура фильтра;

- обобщенный коэффициент связи между контурами;

- обобщенная расстройка.

Нормированная частная характеристика находится по формуле: