ФГТУ ВПО «Чуваська державний університет ім. І. Н. Ульянова »
Факультет радіотехніки та електроніки
Кафедра ТСТ
Реферат
на тему:
«Супутникові конвертори»
Виконав: студент групи
РТЕ 42-04 Кузьмін С.М.
Перевірив: викладач
Пастухов А.С.
Чебоксари
2008
Зміст
КОНВЕРТОР
Загальні відомості
Джерела шумів у конверторі
Технологія виготовлення
Конвертор з однократним перетворенням частоти
Конвертор з подвійним перетворенням частоти
LNB
Елементи конвертора
Хвилеводно-смуга перехід
Малошумящий підсилювач
Смуговий фільтр
Гетеродин
Фазові шуми гетеродина
Змішувач
Попередній підсилювач проміжної частоти
Пристрій живлення
Повнодіапазонні конвертори
Універсальні конвертори
Конвертори з декількома виходами
КОНВЕРТОР
Типова питома потужність сигналу, що потрапляє на вхід конвертора, при розмірах рефлектора антени 3 м в С-діапазоні складає 10 -14 Вт / м 2. Отже, конвертор повинен володіти дуже низьким рівнем власних шумів. Це стало можливим тільки зі створенням малошумящих транзисторів НВЧ, без яких супутникове мовлення не досягло б такого прогресу.
Загальні відомості
Технологія виробництва конверторів для СНТВ заснована на досвіді, накопиченому при створенні малошумящих підсилювачів (LNA - Low Noise Amplifier). Малошумящий підсилювач тільки підсилює сигнал, тоді як конвертор (LNB - Low Noise Blockconvertor), крім забезпечення необхідного посилення при мінімально можливому рівні шумів, преобразовивиет частоти сигналу до частоти, що сприймається супутниковим приймачем: 950 - 1750 МГц або 900 - 2150 МГц (розширений).
Перші НВЧ-підсилювачі, що використовувалися в радіоастрономії, були створені на основі звичайних параметричних підсилювачів. У них застосовувалися тунельні діоди, які охолоджувалися рідким азотом або гелієм. Це дозволяло значно знизити рівень власних шумів пристрою за рахунок уповільнення руху молекул. Підсилювачі мали великі габарити, вага, споживали багато енергії і працювали у вузькій смузі частот.
Використання арсеніду галію (GaAs) дозволило створити транзистор з дуже низьким рівнем шуму. Ці транзистори працюють майже так, як ніби вони охолоджені до температури абсолютного нуля, коли припиняється всяке молекулярний рух. GaAs-транзистори в даний час є основними при виробництві НВЧ-апаратури СНТВ.
У ранніх супутникових системах С-діапазону прийнятий сигнал спочатку посилювався у LNA, а потім частота його знижувалася в окремому блоці, який носить назву LNC (LowNoise Converter-малошумлячий перетворювач). Це вимагало застосування дорогого коаксіального кабелю і роз'ємів з малими втратами сигналу, максимально близькою установки антени і супутникового приймача. У цілому система мала ряд серйозних обмежень, була важко устанавліваеми і дорога.
Істотним конструктивним поліпшенням системи було виділення пристрої пониження частоти в окремий блок і його установка поблизу малошумящего перетворювача. Це дозволило застосувати більш дешевий коаксіальний кабель і збільшити її довжину до 100 м без введення додаткових лінійних підсилювачів.
Наступним, цілком логічним кроком було об'єднання LNA і малошумящего перетворювача в один пристрій - LNB. Саме LNB мається на увазі в даний час під словом конвертор.
LNB перших випусків важили майже 3 кг і мали коефіцієнт шуму в Ku-діапазоні 4 -5 дБ. Сучасні конвертори С-діапазону мають шумову апаратуру до 15 К, а Ku-діапазону - коефіцієнт шуму до 0,5 дБ. Їх вага складає 300 - 400 р.
Використання різних параметрів для характеристики рівня власних шумів, обумовлено наступним обставиною. Рівень власних шумів конверторів С-діапазону варіюється досить незначно, тому, якщо його висловити в Кельвіна, буде забезпечена велика наочність.
Сьогодні є два типи малошумящих транзисторів НВЧ, доступних проектувальникам і виробникам побутової НВЧ-апаратури: НЕМТ-транзистори (High electron mobility transistor), що володіють високою рухливістю електронів, і польові транзистори з бар'єром Шотки (ПТШ).
ПТШ почали використовуватися з початку 70-х років, в той час як НЕМТ стали комерційно доступні тільки з 1987 р. Основна відмінність між ними полягає в тому, що НЕМТ має менший коефіцієнт шуму на заданій частоті, ніж ПТШ, однак останній має більш високим коефіцієнтом посилення.
Як приклад наведемо основні параметри популярних НЕМТ-транзисторів фірми NEC:
NE 42484 - коефіцієнт шуму 0,6 дБ, посилення 10,5 дБ на частоті 12 ГГц
NE 32584 - коефіцієнт шуму 0,45 дБ підсилення до 12 дБ на частоті 12 ГГц
NE 32984 - коефіцієнт шуму 0,4 дБ, посилення 12,5 дБ на частоті 12ГГц
Провідні науково-дослідні лабораторії різних компаній працюють над створенням наступного покоління НЕМТ-транзисторів. Замість арсеніду галію планується використовувати фосфід індію (InP). Вже з'явилися повідомлення про InP НЕМТ-транзисторі з коефіцієнтом шуму 0,3 дБ і посиленням 17 дБ на частоті 12 ГГц. Планується використовувати два таких транзистора замість трьох GaAs.
Джерела шумів у конверторі
Поняття шуму є одним з основних при розгляді супутникового радіозв'язку. Рівень шуму визначає мінімальну величину сигналу, який може бути прийнятий на приймальний пристрій, тобто таку найважливішу його характеристику, як чутливість.
Шуми, що діють в ланцюгах приймального пристрою, за своїм походженням можуть бути зовнішніми і внутрішніми. До перших відносяться космічні шуми, шуми атмосфери, квантові шуми сигналу і фонових засвіток, до других - е. д. с. і струми, що виникають в елементах приймального тракту за рахунок хаотичного руху носіїв електричних зарядів.
Джерелами внутрішніх шумів приймального пристрою є резистори, коливальні ланцюги, активні елементи.
Фізичну природу власних шумів можна пояснити на прикладі теплових шумів, що виникають в провідниках. Як відомо, кристалічна решітка будь-якого провідника містить вільні електрони, що знаходяться в безперервному тепловому хаотичному русі, інтенсивність якого залежить від температури. Під час руху електрони взаємодіють один з одним, в результаті чого змінюються напрям і швидкість їх переміщення. Кожне переміщення електрона між двома взаємодіями можна розглядати як елементарний імпульс струму. У сумі всі елементарні імпульси (середня тривалість яких приблизно 10 -13 с) і створюють шумова напруга в провіднику.
Коефіцієнт шуму конвертора вимірюється при кімнатній температурі і може відрізнятися від номінального значення на величину до 0,01 дБ / ° С.
Умови експлуатації конверторів є досить жорсткими: на них безпосередньо впливають атмосферні опади і перепади температур, що залежать від клімату регіону. Конвертор є необслуговуваним пристроєм, тому повинна забезпечуватися їх повна взаємозамінність без будь-яких додаткових регулювань. З'єднання і корпус повинні бути пило-та вологозахищеними.
Основні технічні характеристики конвертора:
Діапазон частот, що приймаються
Коефіцієнт шуму
Нестабільність частоти гетеродина
Коефіцієнт посилення
Фазові шуми
Посилення сучасного конвертора становить 50 - 70 дБ. Для забезпечення ефективної роботи приймального комплексу величина цього параметра дуже важлива.
Недостатнє посилення рівнозначно застосуванню антени меншого діаметру, надмірне посилення призведе до перевантаження вхідних ланцюгів приймального пристрою. У цілому ж посилення конвертора має бути узгоджене з довжиною кабелю (загасанням у ньому сигналу) і чутливістю приймального пристрою. За оцінками фахівців, рекомендований підсилення повинне складати мінімум 50 дБ, максимум 60 дБ. Слід зазначити, що це значення зменшується на 0,2 - 0,3 дБ при підвищенні температури на кожні 10 ° С.
Технологія виготовлення
З точки зору конструктивно-технологічних методів виконання конвертори можна розділити на три групи:
За технологією поверхневого монтажу
За гібридної технології
За технологією монолітних інтегральних схем НВЧ
Схеми окремих вузлів конверторів першої групи виконуються на підкладках з органічних діелектриків з використанням технології поверхневого монтажу. Основна перевага конверторів даного типу - дешевизна виробництва. З огляду на те, що недорогі органічні діелектрики типу дюроіда, армованого фторопласту, арилокси з наповнювачем мають великі температурні коефіцієнти розширення, при великій кількості термоціклов іноді виникають мікротріщини і, як наслідок, відмови.
Друга група конверторів виготовляється за технологією гібридних інтегральних мікросхем (ГІС) НВЧ. В якості підкладок у них використовуються неорганічні діелектрики з окису алюмінію або глиноземний кераміки типу поликор. Ці підкладки або безпосередньо, або через термо-прокладки, що компенсують припаюються до корпусу. Провідники, резистори, індуктивності і, частково, конденсатори виконуються в цьому випадку шляхом напилення методами тонко-або толстопленочной технології. Активні елементи (діоди і транзистори) виготовляються у вигляді окремих кристалів арсеніду галію і приварюються до відповідних точки схеми з допомогою коротких висновків. Перевагами таких конверторів є малі габарити, висока надійність і можливість налаштування.
В основі конверторів третьої групи лежить технологія монолітних інтегральних схем НВЧ. Переважно використовуються арсенідгалліевие і рідше кремнієві підкладки. Переваги подібних схем: вкрай малі розміри, висока надійність, відтворюваність, мінімальні реактивні параметри. Однак існують технологічні труднощі, пов'язані з відтворенням багатошарових структур з арсеніду галію, реалізацією складних елементів НВЧ-схем (наскрізних контактів і повітряних перемичок), підвищенням добротності і розширенням діапазону номіналів конденсаторів, котушок індуктивності і відрізків лінії передачі. Остання проблема має особливе значення, так як для зменшення розмірів і вартості мікросхеми пасивні елементи доводиться робити зосередженими, а це призводить до зменшення їх добротності.
Технологічні труднощі при виробництві таких конверторів в основному і визначають їх високу вартість. Розробка конверторів, незважаючи на простоту виконуваних ними функцій, досить складна, так як повинна вирішуватися проблема масового виробництва недорогої техніки сантиметрових хвиль.
У міру розвитку конструкції конверторів відбувалася відпрацювання методів перетворення частоти.
Конвертор з однократним перетворенням частоти
Пристрій пониження частоти в перших супутникових системах С-діапазону працювало за принципом одноразового перетворення (рис. 4.1, а).
Вибір необхідного каналу тут здійснюється подачею напруги, що управляє на гетеродин, що викликає його перебудову. Основний недолік такої системи полягає в явищі інтерференції на прилеглих каналах. Тому доводилося використовувати дорогі й складні схеми фільтрації.
Малюнок .. 4.1. Функціональна схема перетворення частоти в конверторі: a - одноразове перетворення; б - подвійне перетворення; е - перетворення частоти в LNB
Конвертор з подвійним перетворенням частоти
Використання схеми з подвійним перетворенням сигналу (рис. 4.1, б) дозволило усунути недоліки, притаманні конверторів з однократним перетворенням. Однак у результаті цього збільшилася складність і вартість конструкції за рахунок використання другого гетеродина і змішувача, а також виникла необхідність у застосуванні другого смугового фільтру і підсилювача проміжної частоти.
LNB
Конструкція LNB заснована на використанні гетеродина, налаштованого на фіксовану частоту і стабілізованого об'ємним діелектричним резонатором (рис. 4.1, в). Весь діапазон частот, що приймається конвертором, знижується в змішувачі і подається у супутниковий приймач, де відбувається подальше перетворення і вибір каналу.
У порівнянні з конверторами одноразового та подвійного перетворення, LNB має істотну перевагу: через нього проходять усі канали даного діапазону, що дозволяє використовувати один конвертор для прийому різних програм кількома супутниковими приймачами одночасно. Також слід відзначити велику стійкість налаштування, так як вибір каналу виробляється в закритому приміщенні, де електронні компоненти захищені від перепадів температури і вологості (стійкість системи в основному визначається характеристиками гетеродина конвертора).
Елементи конвертора
В даний час існують різноманітні схемотехнічні рішення, що використовуються при побудові побутових конверторів. Структурна схема типового конвертора представлена на рис. 4.2.
Малюнок .. 4.2. Класична структурна схема конвертора:
ВПП - хвилеводно-смуга перехід; МШУ - малошумлячий підсилювач; ПФ - смуговий фільтр; См - змішувач; Гет - гетеродин (НВЧ генератор, що входить до складу перетворювача частоти); ПУПЧ - попередній підсилювач проміжної частоти; УП - пристрій живлення
Хвилеводно-смуга перехід
Хвилеводно-смуга перехід призначений для узгодження вхідний микрополосковой лінії першого каскаду МШУ з виходом поляризатора опромінювача антени. Це найбільш поширений елемент з'єднання хвилеводу з микрополосковой лінією, що дозволяє домогтися гарних електричних параметрів при малому рівні відображень і втрат в заданій смузі частот.
Хвилеводно-смуга переходи, строго кажучи, є переходами спочатку на коаксіальний кабель, а потім вже на Полоскова лінію. Вносяться втрати залежать від якості виконання й становлять близько 0,25 дБ. Важливою умовою є повна герметизація в місці занурення зонда. Приклади виконання хвилеводно-смужкових переходів представлені на рис. 4.3. Необхідне узгодження в них проводиться шляхом підбору глибини занурення зонда (рис. 4.3, а) або положення короткозамкнутого поршня (рис. 4.3, б).
Малюнок .. 4.3. Хвилеводно-смуга перехід
Малошумящий підсилювач
МШУ повинен забезпечувати рівномірне посилення у всьому робочому діапазоні з нерівномірністю амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) +1 дБ і мати лінійну фазочастотную характеристику (ФЧХ). Необхідно також задовольнити ряд суперечливих вимог: забезпечити мінімальний коефіцієнт шуму, узгодження підсилювача по входу, максимальний коефіцієнт підсилення.
Як відомо, якість прийнятого сигналу в значній мірі визначається сумарною шумовий температурою приймальні установки. При оцінці шумових характеристик конвертора використовується як шумова температура Т ш, так і коефіцієнт шуму до ш, який пов'язаний з шумовий температурою співвідношенням, де Т H - нормальна температура навколишнього середовища (Т H = 290 К). Якщо коефіцієнт шуму виражений в децибелах, то:
Т ш = 290 (10 k ш/10 -1).
Графічно дане співвідношення представлено на рис. 4.4.
Малюнок .. 4.4. Залежність коефіцієнта шуму від шумової температури
На вході конвертора завжди присутній малошумлячий підсилювач, що складається з декількох підсилювальних каскадів (зазвичай 2-4), кожен з яких має власний коефіцієнт шуму і коефіцієнт передачі номінальної мощностір (k р ном).
Розглянемо вплив параметрів окремих каскадів на шумові характеристики тракту в цілому. Для цього об'єднаємо всі п каскадів в один, з коефіцієнтом передачі номінальної потужності
і коефіцієнтом шуму
де Р ш.вих - сумарна номінальна потужність шумів на виході тракту, зумовлена власними шумами кожного каскаду; Δ f ш - смуга пропускання шумів; T н - нормальна температура навколишнього середовища, К (T Н = 290К).
Вважаючи для простоти міркувань, що шумова смуга пропускання практично визначається останнім найбільш вузькосмуговим каскадом (в даному випадку ПУПЧ), маємо
Оскільки номінальна потужність власних шумом каскаду
то
Поставивши вираз (4.1) в (4.2), отримаємо:
З виразу (4.3) випливає, що коефіцієнт шуму многокаскадной схеми в основному визначається коефіцієнтом шуму перших каскадів. Справедливість цього твердження збільшується із зростанням коефіцієнтів передачі їх номінальної потужності. Тому для отримання малого коефіцієнта шуму всього приймального тракту необхідно, щоб його перші каскади мали малий рівень власних шумів і забезпечували велике посилення сигналу по потужності.
З усього вищесказаного можна зробити висновок про надзвичайну важливість таких параметрів конвертора (зокрема, перших каскадів МШУ), як коефіцієнт посилення і коефіцієнт шуму.
Практично вхідні і вихідні согласующие ланцюга першого транзистора розраховуються на мінімальний коефіцієнт шуму, другий каскад налаштовується з компромісних міркувань: максимальне посилення при мінімальному коефіцієнті шуму. Вплив коефіцієнта шуму третього каскаду практично непомітним.
Отже, класичний МШУ складається з трьох підсилювальних каскадів: перші два виконані на НЕМТ-транзисторах, третій - на транзисторі з бар'єром Шотки.
Всі каскади МШУ будуються, як правило, на несиметричних смужкових лініях передачі, які виконуються методом напилення провідних матеріалів на керамічну підкладку. У НВЧ-діапазоні паразитні реактивні елементи корпусу транзистора роблять помітний вплив на характеристики МШУ. Щоб виключити цей ефект, застосовують транзистори в безкорпусному виконанні.
Кожен підсилювальний каскад (рис. 4.5) складається з чотирьох ланцюгів: вхідний і вихідний ланцюгів, ланцюги зсуву і активного елементу.
Малюнок .. 4.5. Підсилювальний каскад МШУ
Вхідна ланцюг варта узгодження вхідного опору активного елемента (транзистора) та забезпечення мінімуму коефіцієнта шуму.
Вихідна ланцюг служить для узгодження вихідного опору з наступним каскадом.
Ланцюг зміщення забезпечує режим роботи транзистора по постійному струму.
Найбільшого поширення в МШУ отримала схема із загальним витоком, так як вона володіє більшою стійкістю в порівнянні з іншими способами включення польових транзисторів.
Активний елемент являє собою НЕМТ-транзистор або ПТШ і забезпечує посилення сигналу.
Смуговий фільтр
Смуговий фільтр забезпечує проходження тільки певної смуги частот з втратами не більше 3 дБ, а також ослаблення дзеркального каналу і сигналу гетеродина на 30 - 40 дБ (рис. 4.6).
У сантиметровому діапазоні хвиль ПФ виконують на Полоскова і мікро-смужкових лініях, так як спіральні індуктивності і зосереджені конденсатори не забезпечують необхідної добротності. Найбільш часто використовуються ПФ на мікрополоскових паралельно пов'язаних резонаторах.
Малюнок .. 4.6. Смугові фільтри СВЧ: а - сходові; б - шпилькові; в - гратчасті
Центральна частота фільтра залежить від довжини смужкових елементів, а ширина смуги пропускання - від ширини ліній і відстані між ними. Чим більше число ланок фільтра, тим крутіше його амплітудно-частотна характеристика, але також вище і внесене згасання.
Амплітудно-частотна характеристика смугового фільтра, виконаного на пов'язаних півхвильових резонаторах, представлена на рис. 4.7.
Малюнок .. 4.7. Частотна характеристика смугового фільтра:
А 3 - задана величина загасання, відповідна смузі загородження 2 Δ f 3; А n - величина загасання, відповідна смузі пропускання 2 Δ f n: f 0-середня частота смуги пропускання
Гетеродин
У більшості сучасних конструкцій гетеродин - це неперестраіваемий (на відміну від гетеродинов, використовуваних в радіомовних приймачах) малопотужний Високостабільний генератор електричних коливань.
Основною характеристикою гетеродина є нестабільність номінальної частоти f H.
Під нестабільністю частоти розуміються випадкові і систематичні зміни частоти у часі. Внаслідок впливу дестабілізуючих чинників (температури, тиску, вібрації, відхилення напруги живлення) частота гетеродина відхиляється від номінального значення. При цьому розрізняють абсолютне і відносне відхилення частоти. Під абсолютним відхиленням розуміють різницю між фактичною частотою генератора і її номінальним значенням а Н0М, під відносним відхиленням - відношення абсолютного відхилення до номінального значення частоти генератора f ном.
З безлічі дестабілізуючих факторів найбільший вплив на відхилення частоти гетеродина надає зміна температури навколишнього середовища. Для характеристики цього впливу використовується температурний коефіцієнт частоти К Т в заданому інтервалі температур (T max - T min):
де f max - максимальне значення частоти в заданому інтервалі температур; f min - мінімальне значення частоти в цьому інтервалі; f H 0 M - Номінальне значення частоти.
Конструкція гетеродина
У перших конструкціях гетеродинов застосовувалися діоди Ганна, які мали ряд недоліків: ККД генератора становив 2 - 3%, нестабільність частоти при термокомпенсации досягала 5 МГц, тому доводилося вводити ланцюг автопідстроювання частоти.
Певне поширення отримали також генератори, що працюють на частоті 3 - 4 ГГц, виконані на біполярному або польовому транзисторі, з наступним множенням частоти на діоді з накопиченням заряду. Ці конструкції застосовувалися на етапі, коли добротність діелектричних резонаторів у діапазоні частот 11 - 12 ГГц була недостатньою для забезпечення необхідної стабільності частоти, а резонатори на більш низьку частоту мали високу добротність.
Сьогодні величезну популярність придбали генератори, де в якості активного елементу використовується ПТШ. В даний час це практично єдиний вид автогенераторів, що використовуються в побутових конверторах. Вони мають цілий ряд переваг: ККД 18 - 20%, нестабільність частоти 500-700 кГц в інтервалі температур від - 30 до + 60 ° С, невисока вартість, можливість регулювання потужності зміною напруги живлення.
Необхідне значення вихідної потужності визначається конструкцією обраного змішувача і становить у сучасних конверторах 8 - 15 мВт.
На рис. 4.8 представлена конструкція гетеродина з діелектричним резонатором.
Стабілізація частоти в більшості конверторів здійснюється за допомогою діелектричного резонатора з термостабільної кераміки. Він являє собою пасивний пристрій (діелектричний циліндр, квадрат і т. п.), що володіє здатністю запасати енергію НВЧ електромагнітних хвиль. Висока добротність діелектричних резонаторів дозволяє успішно використовувати їх в якості високодобротних коливальних систем НВЧ. В результаті вдається домогтися стабільності частоти до 700 кГц і обійтися без схеми автоматичного підстроювання частоти.
Малюнок .. 4.8. Конструкція гетеродина з діелектричним резонатором
У конверторах застосовують відкриті діелектричні резонатори, в яких відображає поверхнею є межа розділу діелектрик - повітря. Поблизу резонатора існує невелика зовнішнє електромагнітне поле, яке дозволяє досить просто забезпечувати зв'язок резонатора з смужкових лініями передачі генератора і здійснювати підстроювання частоти в бік її підвищення шляхом наближення до однієї з торцевих частин резонатора металевої площині, наприклад, гвинта.
Великого поширення набули в даний час тороїдальні діелектричні резонатори на основі титанату кальцію і алюмінату лантану. Вони дозволяють отримати більш чистий спектр сигналу гетеродина, що необхідно для створення конверторів з низьким фазовим шумом і високою стабільністю частоти гетеродина - до 20 - 30 кГц. Необхідність у таких високих характеристиках виникає при прийомі цифрових телепрограм у стандарті MPEG -2.
Фазові шуми гетеродина
Будь-яке електричне коливання, отримане за допомогою відомих сучасній науці методів, містить складові фазової (або частотної) модуляції випадкового характеру, а спектр шумів видозмінюється при проходженні коливання через електронні схеми.
Однією з основних характеристик, що визначає придатність конвертора для прийому цифрових програм, є фазові шуми, величина яких в основному визначається величиною фазового шуму гетеродина.
Фазовий шум (флуктуація) - це випадкове зміна фази коливання на виході гетеродина, викликане частотної нестабільністю генератора, паразитної модуляцією в колі зворотного зв'язку, зміною температури, напруги харчування та іншими дестабілізуючими факторами. Спектр фазових шумів гетеродина представлений на рис. 4.9.
Чистота спектру визначається рівнем усіх як гармонійних, так і шумових побічних складових. Для оцінки погіршення чистоти спектру, тобто визначення шумових властивостей гетеродина, використовується відношення потужності фазових шумів у смузі 1 Гц при розладі від несучої частоти на величину F m до повної потужності коливання.
Малюнок .. 4.9. Спектр фазових шумів гетеродина
Величина фазового шуму показує, як швидко знижується потужність сигналу щодо центральної частоти. Наприклад, якщо потужність сигналу при відхиленні від центральної частоти на 1кГц знизиться на 60 дБ, то величина фазового шуму складе - 60 дБ. У технічному бюлетені Societe European des Satellites (1994 р.) рекомендується значення фазового шуму LNB при прийомі цифрових телепередач наступне:
- 50 дБ / Гц при зсуві на 1 кГц
- 75 дБ / Гц при зміщенні на 10 кГц
- 95 дБ / Гц при зсуві на 100 кГц
Підвищена величина фазового шуму конвертора сприяє появі межсимвольной інтерференції сигналу, зміни чергування «0» і «1» при демодуляції та інших небажаних явищ, що призводить до неможливості декодування прийнятої цифрової програми.
Змішувач
Змішувач в конверторах традиційно виконується на напівпровідникових діодах або арсенідгалліевих польових транзисторах і вирішує завдання перетворення частоти сигналу 11 - 12 Ггц у діапазон частот 0,75 - 2,15 ГГц. Найбільш важливим параметром змішувача є втрати перетворення. Величина цих втрат визначається схемним побудовою. Використання діодних перетворювачів призводить до втрат 5-10 дБ. У випадку, якщо нелінійним елементом перетворювача служить ПТШ, можна здійснити перетворення без втрат і навіть з деяким посиленням (3-10 дБ). Прагнення спростити конструкцію і поліпшити технічні характеристики призвело до появи таких схемних рішень, які дозволяють використовувати транзистор, що працює як змішувач і гетеродин одночасно.
Діодний змішувач зазвичай будується за балансної схемою на двох парноподобранних діодах з бар'єром Шотки (ДБШ), тому що при цьому забезпечується менший коефіцієнт шуму в порівнянні з однотактной (небалансний) схемою. Найбільш часто застосовують балансні діодні змішувачі на трехдецібельних НВЧ-мостах. На рис. 4.10 показаний принцип побудови подібних змішувачів.
Трехдецібельний міст ділить напруга надходить сигналу і сигналу гетеродина навпіл і подає на діодні ланцюга. Крім того, міст автоматично забезпечує розв'язку між ланцюгами сигналу і гетеродина і низьке значення коефіцієнта стоячої хвилі на вході в робочій смузі частот. Чим широкосмугові міст, тим простіше в налаштуванні змішувач і стабільніше працює вихідний каскад МШУ, так як він опиняється узгодженим у більш широкій смузі частот. Ті, хто стоїть на виходах мосту короткозамкнені шлейфи (КЗШ) пропускають на діоди напруги сигналу і гетеродина і шунтируют на землю напруга проміжної частоти, перешкоджаючи його проходженню на вхід змішувача. Шлейфи з холостим ходом (ХХШ) на кінцях, навпаки, шунтируют напруги сигналу і гетеродина, а для проміжної частоти (ПЧ) становлять невелику ємнісну компоненту, яка разом з індуктивністю L і вихідний ємністю С створює смуговий фільтр для проміжної частоти. Довжини смужкових шлейфів повинні складати чверть довжини хвилі для частоти гетеродина, так як сигнал гетеродина більш потужний і його просочування в підсилювач проміжної частоти важче заблокувати.
Малюнок .. 4.10. Принцип побудови балансного змішувача НВЧ
Вдалим варіантом балансного змішувача без використання трехдецібельного моста є конструкція, наведена на рис. 4.11. За сигнальної ланцюга обидва діода розміщені на відстані півхвилі, тому їх навантажувальні опору включені паралельно. За гетеродинною ланцюга діоди включені паралельно, що теж треба враховувати при узгодженні цього змішувача з гетеродином.
Маючи багато переваг (низьким коефіцієнтом шуму, високою лінійністю, простотою конструкції), представлена схема змішувача має один істотний недолік - послаблює перетворений сигнал. Цього недоліку позбавлені транзисторні змішувачі, виконані на ПТШ і забезпечують при прийнятному значенні коефіцієнта шуму (4,5 - 6,0 дБ) посилення сигналу на 5 - 10 дБ. Спочатку використовувалися конструкції змішувачів з однозатворного ПТШ, сигнал гетеродина на які подавався одним із способів, показаних на рис. 4.12.
Схема на рис. 4.12, а вимагає слабкою зв'язку спрямованого відгалужувачі і, отже, підвищеної потужності гетеродина. Недоліком схеми на рис. 4.12, б є наявність в колі зворотного зв'язку опору, що вноситься гетеродином, що призводить до зниження посилення і збільшення коефіцієнта шуму. Схема на рис. 4.12, в найбільш зручна з точки зору подачі напруги сигналу і гетеродина, однак коливання напруги ПЧ на стоках виявляються протифазних і смуга пропускання обмежується смугою підсумовує ланцюга. Крім того, потрібне ретельне узгодження ланцюга затворів на частотах сигналу і гетеродина. Найкращі результати виходять при використанні змішувачів з двозатворних ПТШ. Напруги сигналу і гетеродина прикладаються до різних затворам, і потрібна тільки одна фильтрующе-согласующая схема в ланцюзі стоку (рис. 4.12, г, де СЦ - согласующая ланцюг, ФНЧ і ФВЧ - фільтри нижніх і верхніх частот). Головне преимущ ство схеми з двозатворних ПТШ - її простота.
Малюнок .. 4.11. Балансний діодний змішувач
Не потрібно відгалужувачів, гібридних сполук, потрібні лише найпростіші согласующие схеми. Це особливо важливо для монолітних інтегральних схем, де погоджують ланцюги повинні бути компактними.
Необхідно відзначити одну особливість розглянутих конструкцій: майже у всіх змішувачах використовується принцип регенерації енергії дзеркальної частоти, який отримав назву «відновлення дзеркального каналу». У цьому режимі повна провідність навантаження змішувача на дзеркальній частоті має чисто реактивний характер, і дзеркальна складова, повністю відбиваючись, перетворюється на складову, синфазних з основним компонентом, що дає зниження втрат перетворення і шумової температури змішувача.
Основні вимоги до змішувачів конверторів СНТВ:
Мінімальний коефіцієнт шуму
Мінімальні втрати перетворення
Лінійність ФЧХ
Рівномірність АЧХ
Малюнок .. 4.12. Змішувальні каскади на польових транзисторах з бар'єром Шотки
Попередній підсилювач проміжної частоти
Посилення конвертора забезпечується, головним чином, ПУПЧ. Оскільки до нього не пред'являється жорстких вимог по коефіцієнту шуму, він може бути виконаний на біполярних слабосігнальних транзисторах: МОП-транзисторах, ПТШ і гібридних модулях посилення, а також їх комбінаціях. Так як посилення зі збільшенням частоти падає, ПУПЧ повинен мати відповідні согласующие ланцюги для компенсації надлишкового посилення на низьких частотах. Нерівномірність АЧХ повинна бути не більше ± 2 дБ.
Пристрій живлення
Пристрій живлення призначене для забезпечення високостабільного різнополярного щодо корпусу напруги харчування, необхідного для нормального функціонування всіх вузлів конвертора. Напруга живлення +12 В відносно корпусу подається на конвертор з приймального пристрою по центральній жилі коаксіального кабелю.
До вузла електроживлення пред'являються наступні вимоги:
Не створювати електричних перешкод
Забезпечити вузли конвертора стабільною напругою живлення
На малюнку 4.13 представлена типова функціональна схема пристрою харчування конвертора.
Малюнок. 4.13. Функціональна схема пристрою харчування конвертора
Повнодіапазонні конвертори
У міру освоєння діапазону 11,70 - 12,75 ГГц (наприклад, запуск супутників TDF, TELE - X та ін в Європі) виникла необхідність появи повнодіапазонних конверторів (10,70 - 12,75 ГГц), що працюють у трьох піддіапазонах: FSS ( Fixed SatelliteServies) - 10,7 - 11,7 ГГц; DBS (DirectBroadcastServies) - 11,70 - 12,45 Гц і BSS (Broadcast Satellite Servies) - 12,45 - 12,75 ГГц, причому останній часто називають Telecom від назви французьких супутників, які ведуть мовлення в цьому діапазоні (рис. 4.14).
Малюнок .. 4.14. Смуги частот С-і Кі-діапазонів
Дане завдання було успішно вирішена з появою широкосмугових НЕМТ-транзисторів з низьким коефіцієнтом шуму. Структурна схема повнодіапазонні конвертора представлена на рис. 4.15. Він має один МШУ, а поділ діапазонів відбувається в смуговому фільтрі ПФ, при цьому обробка сигналів в діапазонах DBS і Telecom поєднується. Кожен діапазон (10,7-11,7 і 11,70-12,75 ГГц) має свій змішувач і гетеродин, але загальний ПУПЧ. Однією з переваг такої конструкції є можливість плавного підстроювання поляризації.
Малюнок .. 4.15. Функціональна схема повнодіапазонні конвертора з одним МШУ
Ще одним варіантом повнодіапазонні конвертора є конвертор з перемиканням поляризації, який також називається інтегральним (рис. 4.16).
Для конверторів такого типу не треба застосовувати магнітні або механічні поляризатори. Переключення поляризації відбувається при зміні
Малюнок .. 4.16. Функціональна схема повнодіапазонні конвертора з перемиканням поляризації
напруги живлення конвертора з 13 на 18 В. Більш низька напруга (13 В) включає вертикальну поляризацію V, а вищу - горизонтальну Н. Для перемикання з діапазону на діапазон застосовується спеціальний компаратор, керований службовим сигналом частотою 22 кГц, який подається за тим же кабелю, що й напруги 13/18 В. У разі відсутності сигналу працює перший діапазон 10,7 - 11,7 ГГц, а при його включенні - другий діапазон 11,70 - 12,75 ГГц. У перших моделях повнодіапазонних конверторів діапазони переключалися напругою 13 (18) В.
Використання інтегральних конверторів дозволяє виключити втрати перетворення в поляризаторах (0,2 - 0,3 дБ) і домогтися кращих шумових характеристик за рахунок використання двох незалежних МШУ.
Універсальні конвертори
Основна відмінність універсальних конверторів від повнодіапазонних полягає в універсальності сигналів, керуючих перемиканням діапазонів і поляризації, а також тим, що ці сигнали передаються по одному кабелю з проміжною частотою. Верхня і нижня частоти гетеродинов в більшості універсальних конверторів мають значення 10,60 Ггц і 9,75 Ггц відповідно.
Така уніфікація значно спрощує процес настройки супутникового приймача на даний конвертор. Для цього в екранному меню досить вибрати опцію «універсальний конвертор», щоб при зміні каналу система автоматично формував необхідні керуючі сигнали.
Конвертори з декількома виходами
При побудові розподільної мережі на кілька користувачів (див. гл. 6) зручно використовувати конвертори з двома або чотирма виходами. Як правило, вони мають вбудований поляризатор, керований напругою 13 / 18 В. За характером вихідних сигналів такі конвертори поділяються на два типи. Конвертори першого типу мають два або чотири рівноцінних виходу з незалежним перемиканням діапазонів і поляризації. Такі конвертори найбільш зручні для розподілу сигналу для 2 - 4 користувачів. При більшій кількості споживачів краще використовувати конвертори другого типу. Якщо у такого конвертора 2 виходи, то на них виводяться відповідно сигнали вертикальної і горизонтальної поляризації, а якщо 4 - то сигнал ділиться ще й за діапазонами. Двухвиходние конвертори такого типу зручно використовувати, якщо планується здійснювати прийом верхнього або нижнього піддіапазону. У такому випадку на один СВЧ-вхід супутникового приймача подається горизонтальна поляризація, а на іншій - вертикальна. Сигнали з четирехвиходних конверторів другого типу використовуються в кабельних мережах або при організації невеликих систем колективного прийому. В останньому випадку сигнали з виходів конвертора подаються на входи комутаторів для подальшої розводки споживачам.
На закінчення необхідно відзначити різні варіанти конструктивного виконання корпусу конвертора. В ідеалі він повинен бути герметичним. В іншому випадку, за рахунок добового коливання температури всередині конвертора утворюється конденсат, який приводить до погіршення його параметрів і, в кінцевому підсумку, до виходу з ладу. Високий рівень герметичності досягається в конверторах, поміщених в запаяний, нерозбірний корпус. Недоліком такої конструкції є неможливість ремонту конвертора. Деякі конвертори виготовляються у подвійному кожусі; внутрішній металевий кожух закритий зовнішнім пластмасовим. Тому велика частина конденсату випадає між двома оболонками і випливає в передбачене для цього зливний отвір.