Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 55
Введение....................................................................................................................................
1. Энергетический
расчёт
радиолинии...............................................................................
1.1. Общие
положения..........................................................................................................
1.2. Энергетический
расчёт радиолинии
спутник –
Земля...........................................
1.2.1. Определение
угла места
и азимута
приёмной антенны
земной станции...
1.2.2. Определение
мощности
радиосигнала
на входе приёмного
тракта............
1.2.3. Определение
мощности шума
на входе приёмника
и коэффициента
шума
приёмника...................................................................................................
1.2.4. Определение
реальной и
пороговой
чувствительности
приёмника........... 2.
Разработка
структурной
схемы СВЧ тракта
приёмника..........................................
2.1. Общие
положения.........................................................................................................
2.2. Сравнительный
анализ структурных
схем СВЧ
трактов...................................
2.3. Выбор структурной
схемы СВЧ тракта
приёма.....................................................
2.4. Выбор
количества
преобразований
частоты..........................................................
2.5. Малошумящий
усилитель..........................................................................................
2.5.1.
Транзисторные
МШУ.............................................................................................. 3.
Разработка
функциональной
схемы СВЧ
тракта........................................................
3.1. Характеристика
элементов
приёмного
тракта.......................................................
3.2. Определение
номиналов
промежуточных
частот и частот
гетеродина.............
3.3. Выбор системы
АРУ.....................................................................................................
3.4. Распределение
усиления по
трактам
приёмника...................................................
3.5. Формулировка
требований
к приёмной
системе................................................... 4.
Выбор
и расчёт СВЧ
малошумящего
усилителя.........................................................
4.1. Бесструктурные
модели транзистора
СВЧ..............................................................
4.2.
Системы S-
и S'-
параметров
транзистора................................................................
4.3. Расчёт маломощных
усилителей
на
транзисторах................................................
4.3.1. Выбор типа
транзистора.....................................................................................
4.3.2. Выбор схемы
включения
транзистора............................................................
4.3.3. Выбор режима
работы
транзистора.................................................................
4.3.4. Расчёт согласующих
трансформаторов....................................................................
4.3.5. Выбор схемы
питания.......................................................................................... 4.4.
Расчёт транзисторного
МШУ........................................................................................ 4.5.
Составление
топологической
схемы
усилителя........................................................
4.5.1.
Резисторы...............................................................................................................
4.5.2.
Kонденсаторы........................................................................................................ Вывод......................................................................................................................................... Перечень
ссылок.....................................................................................................................
3
5
5
5
6
10
10
14
15
15
15
18
20
21
23
26
26
28
30
31
33
35
35
35
38
38
38
39
41
45
46
55 57 58
64 65
Использование
искусственных
спутников Земли
для связи и
телевидения,
оперативного
и долгосрочного
прогнозирования
погоды и
гидрометеорологической
обстановки,
для навигации
на морских
путях и авиационных
трассах, для
высокоточной
геодезии, изучения
природных
ресурсов Земли
и контроля
среды обитания
становится
всё
более привычным.
В ближайшей
и в более отдаленной
перспективе
разностороннее
использование
космоса и космической
техники, в различных
областях хозяйства
значительно
возрастёт.
Для нашей эпохи
характерен
огромный рост
информации
во всех сферах
деятельности
человека. Помимо
прогрессирующего
развития традиционных
средств передачи
информации
– телефонии,
телеграфии,
радиовещания,
возникла потребность
в создании
новых её
видов –
телевидения,
обмена данными
в автоматических
системах управления
и ЭВМ, передачи
матриц для
печатания
газет.
Глобальный
характер различных
хозяйственных
проблем и
научных исследований,
широкая
межгосударственная
интеграция
и кооперация
в производстве,
торговле,
научно-исследовательской
деятельности,
расширение
обмена в области
культуры, привели
к значительному
росту международных
и межконтинентальных
связей, включая
обмен телеви-зионными
программами.
Традиционные
средства связи
в отношении
их видов, объёма,
дальности,
оперативности
и надёжности
передачи
информации
будут непрерывно
совершенствоваться.
Однако дальнейшее
развитие их
встречает
немалые затруднения
как технического,
так и экономического
характера.
Уже теперь
ясно, что требования,
предъявляемые
к пропускной
способности,
качеству, надежности
каналов дальней
связи не могут
быть полностью
удовлетворены
наземными
средствами
проводной
связи и радиосвязи.
Сооружение
дальних наземных
и подводных
кабельных
линий занимает
много времени.
Они сложны и
дорогостоящи
не только в
строительстве,
но и в эксплуатации,
и в отношении
дальнейшего
развития. Обычные
кабельные
линии имеют
к тому же сравнительно
малую пропускную
способность.
Намного
большую пропускную
способность
по сравнению
со спутниковыми
системами связи
обеспечивают
волоконно-оптические
линии связи,
но они более
дорогостоящи.
Значительно
большей пропускной
способностью,
дальностью
действия,
возможностью
перестройки
для различных
видов связи
располагает
радио. Но и
радиолинии
обладают
определёнными
недостатками,
затрудняющими
во многих случаях
их применение.
Сверхдлинноволновые
системы радиосвязи
из-за ограниченности
диапазона
применяются
обычно лишь
для нужд транспорта,
авианавигации
и для специальных
видов связи.
Коротковолновые
радиолинии
обладают достаточной
дальностью
действия и
широко применяются
во многих видах
связи различного
назначения.
Новые пути
преодоления
свойственных
дальней радиосвязи
недостатков
открыли запуски
искусственных
спутников
Земли (ИСЗ).
Практика
подтвердила,
что использование
ИСЗ для связи,
в особенности
для дальней
международной
и межконтинентальной,
для телевидения
и телеуправления,
при передаче
больших объемов
информации,
позволяет
устранить
многие затруднения.
Вот почему
спутниковые
системы связи
(ССС) в короткий
срок получили
небывало быстрое,
широкое и
разностороннее
применение.
1.1. Общие положения
Линия спутниковой
связи состоит
из двух участков:
Земля – спутник
и спутник –
Земля. Основной
их особенностью
является большая
физическая
протяжённость
и, как следствие
этого, возникновение
значительных
потерь сигнала,
обусловленных
затуханием
его энергии
в пространстве.
При этом сигнал
подвержен
влиянию многих
дополнительных
факторов: поглощения
в атмосфере,
фарадеевского
вращения плоскости
поляризации,
рефракции,
деполяризации
и.т.д. На приёмное
устройство
спутника и
земной станции
кроме собственных
флуктуационных
шумов воздействуют
разного рода
помехи в виде
излучения
Космоса, Солнца,
планет и атмосферных
газов. Правильный
учёт влияния
всех факторов
позволяет
оптимально
спроектировать
систему, обеспечить
её уверенную
работу в наиболее
трудных условиях
и в то же время
исключить
излишние
энергетические
запасы, которые
могут привести
к неоправданному
увеличению
сложности
земной и бортовой
аппаратуры.
1.2. Энергетический
расчёт радиолинии
спутник-Земля
Исходные данные:
- С-диапазон
принимаемых
частот;
- ширина полосы
частот потока
данных:
- диаметр приёмной
антенны земной
станции
- орбита спутникового
ретранслятора:
геостационарная;
Необходимо:
а) определить
величину мощности
сигнала на
входе приёмника
земной станции;
б) определить
коэффициент
шума приёмника;
в) определить
чувствительность
приёмника.
Расчёт радиолинии
произведём
для спутника
«Экспресс-А»
№1R, предназначенного
для работы в
международной
спутниковой
службе «Интерспутник»,
находящегося
на геостационарной
орбите и имеющего
следующие
основные
характеристики:
- точка стояния
ИСЗ на геостационарной
орбите:
- диапазон рабочих
частот линии
«Космос – Земля»:
- эквивалентная
изотропно
излучаемая
мощность (ЭИИМ):
- полоса пропускания
ствола:
- поляризация
при передаче
сигнала : круговая
левая.
1.2.1. Определение
угла места и
азимута приёмной
антенны земной
станции
Зная координаты
ИСЗ, определим
угол места
где
Подставив
значения, получим:
Определим
значение
плотности
потока мощности
ЭМВ, создаваемой
у поверхности
Земли:
где
Расстояние
между ЗС и ИСЗ
находим используя
геометрические
соотношения
из рис.1.1.
где
Спутник
Гринвичский
меридиан
Рис. 1.1.
Геометрические
соотношения
между геостационарным
спутником и
ЗС
где
В наиболее
общем случае
величину
дополнительных
потерь в реальных
условиях можно
представить
следующим
образом:
где
Для данного
случая при
Для европейской
части бывшего
СССР для наиболее
вероятной
величины времени
выпадения
дождей
Рис. 1.2. Зависимость
поглощения
радиоволн
в спокойной
атмосфе-
ре (без дождя)
при различных
уг-
лах места
Рис. 1.3. Зависимость
поглощения
сигнала
в дожде от частоты
при раз-
личных
углах места
Потери, вызванные
несогласованностью
поляризации,
возникают в
результате
изменения
взаимной ориентации
антенн земной
станции и спутника,
что имеет рещающее
значение при
Рис.1.4. Зависимость
потерь из-за
несогласованности
поляризации
передающей
и приёмной
антенн от
эллиптичности
поляризации
Эффект Фарадея
заключается
в повороте
плоскости
поляризации
радиоволн под
действием
магнитного
поля Земли и
оказывает
наибольшее
влияние на
сигналы с линейной
поляризацией.
Так как в данной
работе используется
круговая поляризация,
значением этой
составляющей
потерь можно
пренебречь.
Потери из-за
деполяризации
радиоволн в
осадках обусловлены
несферичностью
формы и особенностью
траекторий
падения дождя.
Этот вид потерь
носит статистический
характер, связанный
со статистикой
выпадения
дождей. Значение
этих потерь
можно вообще
не учитывать.
Таким образом
поляризационные
потери равны:
Тогда суммарные
дополнительные
потери энергии
ЭМВ составят:
Плотность
энергии ЭМВ
у поверхности
Земли составит:
1.2.2. Определение
мощности радиосигнала
на входе приёмного
тракта
Мощность сигнала
на входе приёмного
тракта (выходе
антенны) составляет:
где
Геометрическая
площадь раскрыва
антенны диаметром
Эффективная
площадь приёмной
антенны земной
станции будет
равна:
Таким образом,
мощность сигнала
на входе приёмного
тракта составит:
Поскольку между
выходом антенны
и входом приёмника
включены диплексер,
циркулятор
и полосовой
фильтр, вносящие
потери 1–1,2 дБ,
то уровень
сигнала на
входе приёмника
составит:
1.2.3. Определение
мощности шума
на входе приёмника
и коэффициента
шума приёмника
Мощность шума
на входе приёмного
тракта земной
станции равна:
где
Определим
значение мощности
шума на входе
приёмного
тракта исходя
из отношения
сигнал/шум на
его входе. В
качестве
передаваемого
ИЗС радиосигнала
наиболее часто
используются
радиосигналы
частотной
модуляции (ЧМ).
Так, для приёма
сигнала с ЧМ
необходимое
отношение
Зададим
Соответственно
мощность шума
на входе приёмника
составит:
Полная эквивалентная
шумовая температура
приёмной системы
составит:
Коэффициент
шума приёмной
системы будет
равен:
Определим
эквивалентную
шумовую температуру
приёмника.
Полная эквивалентная
шумовая температура
приёмной системы,
состоящей из
антенны, диплексера,
циркулятора,
полосового
фильтра и собственно
приёмника,
приведённая
ко входу облучателя
равна:
где TА
– эквивалентная
шумовая температура
антенны, К ;
T0 – абсолютная
температура
среды (290 К);
Тпр – эквивалентная
шумовая температура
приёмника,
обусловленная
его внутренними
шумами. Предполагая,
что для проектируемой
системы приёмный
тракт должен
быть как можно
проще, выберем
в качестве
входного устройства
приёмника
транзисторный
малошумящий
усилитель (МШУ)
и смеситель.
где
Эквивалентная
шумовая температура
антенны земной
станции может
быть представлена
в виде составляющих,
которые обусловлены
различными
факторами:
где (γ) указывает,
что величина
данной составляющей
зависит от угла
места антенны
земной станции;
Другой радиоисточник
– Луна – практически
не может нарушить
связь, так как
её эквивалентная
температура
не более 200 К. Этот
источник тоже
не будем учитывать.
Остальные
радиоисточники
(планеты и
радиозвёзды)
имеют существенно
меньшую температуру
шума, вероятность
встречи антенны
с этими источниками
ещё меньше, чем
с Солнцем, так
как их угловые
размеры малы.
Используя
график на рис.
1.5 для значений
угла места
Рис. 1.5. Частотная
зависимость
шумовой
температуры
Галактики,
Солнца и атмос-
феры (без
дождя)
Рис. 1.6. Частотная
зависимость
шумовой
температуры
атмосферы
(с учётом
дождя)
Для наиболее
вероятного
значения времени
выпадения
дождей
Тогда эквивалентная
шумовая температура
антенны составит:
Эквивалентная
шумовая температура
приёмника
исходя из выражения
(1.1) будет равна:
Эквивалентная
шумовая температура
МШУ:
Коэффициент
шума приёмника
составит:
1.2.4. Определение
реальной и
пороговой
чувствительности
приёмника
Реальная
чувствительность
приёмника
оценивается
минимальной
ЭДС
Значение
реальной
чуствительности
при стандартной
температуре
где
Под предельной
чувствительностью
понимается
уровень
сигнала на
входе приёмника
при равных
уровнях сигнала
и шума на выходе
линейной части
приёмника, т.е
при отношении
сигнал/шум на
выходе приёмника
равном 1.
Таким образом
можно сделать
следующий
вывод:
Так как уровень
сигнала на
входе приёмника
составляет
2.1. Общие положения
Общий тракт
приёма (ОТП)
приёмного
устройства
предназначен
для переноса
прини-маемого
сигнала без
нарушения его
структуры из
области частот,
используемой
для радиосвязи,
в область
относительно
низких частот,
в которой его
обработка
оказывается
наиболее эффективной.
ОТП образуют
тракт радиочастоты
(ТРЧ) и тракты
промежуточной
частоты (ТПЧ)
приёмного
устройства.
- антенно-фидерный
тракт (волноводный,
коаксиальный);
- малошумящий
усилитель;
- смеситель;
- СВЧ гетеродин;
- СВЧ полосно-пропускающие
фильтры.
Антенно-фидерный
тракт – предназначен
для передачи
принятого
облучателем
антенны СВЧ
сигнала в приёмник.
Малошумящий
усилитель –
устройство,
выполняющее
функцию предварительного
усиления СВЧ
сигнала до
определённого
уровня, обеспечивающего
дальнейшую
обработку этого
сигнала.
Смеситель –
устройство,
обеспечивающее
преобразование
СВЧ сигнала
в более низкочастотный
сигнал.
СВЧ гетеродин
– устройство,
выполняющее
функцию формирования
СВЧ высокоста-бильных
колебаний,
которые используются
смесителем
для преобразования
СВЧ информационного
сигнала.
СВЧ ППФ – устройства,
предназначенные
для выделения
диапазона
принимаемых
СВЧ сигналов.
2.2. Сравнительный
анализ структурных
схем СВЧ трактов
Можно выделить
четыре схемы
(рис 2.1, а - г) приёмопередающих
трактов СВЧ,
включающих:
антенну с эффективной
шумовой температурой
Рис 2.1. Структурные
схемы построения
приёмопередающих
трактов средств
связи СВЧ
Приведём необходимые
для определения
Эффективная
(эквивалентная)
шумовая температура
Эффективная
шумовая температура
четырёхполюсника
и его коэффициент
шума
Коэффициент
шума цепочки
N каскадно
включённых
четырёхполюсников,
обладающих
усилением
Эффективная
шумовая температура
цепочки N
четырёхполюсников:
Сопоставляя
(2.1) и (2.2) и характеризуя
пассивный
четырёхполюсник
коэффициентом
шума
Коэффициент
шума реального
четырёхполюсника
с усилением
мощности
где
Эффективная
шумовая температура
Подставив (2.1)
– (2.3) в (2.4), получим
следующие
выражения для
эффективной
шумовой температуры
приёмного
тракта приведённой
ко входу облучателя
каждой из выше
приведённых
схем (рис. 2.1, а…г):
2.3. Выбор структурной
схемы СВЧ тракта
приёма
В качестве
приёмного
выберем тракт,
обеспечивающий
минимум суммарной
эффективной
шумовой температуры.
Это реально
позволяет
снизить уровень
шумов тракта
и увеличить
чувствительность
приёмника,
понизить требования
к элементам
тракта, т.е упростить
его, что является
очень важным
элементом при
построении
спутниковой
системы связи.
Структурная
схема этого
тракта показана
на рис.2.2.
Рис. 2.2. Структурная
схема выбранного
приёмного
тракта СВЧ
Существует
два основных
типа структурных
схем радиоприёмников:
прямого усиления
и супергетеродинного
типа. Выбор
типа структуры
ОТП осуществим
на основании
сравнения
заданных исходных
данных с обобщенными
реализуемыми
характеристиками
приемников,
построенных
по каждой из
схем.
По структурной
схеме бывают
приёмники
прямого усиления
и приёмники
супергетеро-динного
типа.
Рис. 2.3. Структурная
схема приёмника
прямого усиления
Структурная
схема приёмника
прямого усиления
(рис. 2.3) включает
входную цепь
(ВЦ), усилитель
радиочастоты
(УРЧ), демодулятор
(Д), усилитель
низкой частоты
(УНЧ) и оконечное
устройство
(ОУ).
Достоинства
приёмников
прямого усиления:
простота построения
и дешевизна;
несложная
перестройка
в диапазоне
частот при
условии малого
коэффициента
перек-
рытия по частоте;
Недостатки:
низкая чуствительность
из-за трудностей
получения
большого усиления
на высоких
частотах;
слабая избирательность,
а также неравномерность
избирательных
свойств в диапазоне
рабочих частот,
поскольку для
любых избирательных
систем их полоса
пропускания
растёт с ростом
частоты:
где
Таким образом,
можно утверждать,
что структурная
схема приёмника
прямого усиления
не может быть
использована
при построении
СВЧ тракта, так
как не обеспечиваются
требования
по получению
реальной
чувствительности
Приёмные
тракты земных
станций спутниковых
систем связи
обычно выполняют
по супергетеродинной
схеме (рис 2.4).
Структурная
схема приёмника
супергетеродинного
типа включает
тракт радиочастоты
(ТРЧ) и дополнительно
тракт промежуточной
частоты (ТПЧ),
состоящий из
смесителя (СМ),
усилителя
промежуточной
частоты (УПЧ)
и гетеродина
(Г), которые образуют
общий тракт
приёма (ОТП).
В тракте ПЧ
осуществляется
перенос радиосигнала
на постоянную
и более низкую
промежуточную
частоту
Рис.2.4. Структурная
схема супергетеродинного
приёмника
помех соседнего
колебания и
следовательно
обеспечить
более высокую
избирательность
по сравнению
с приёмником
прямого усиления.
Такая схема
построения
позволяет
получить большой
коэффициент
усиления (без
опас-
ности самовозбуждения
тракта), т.е
обеспечить
высокую чувствительность
системы.
гораздо большая
сложность и
стоимость;
возможность
попадания в
антенну с
последующим
излучением
колебания
гетеродина;
появление
побочных каналов
приёма (зеркальный
канал приёма,
канал промежуточной
частоты, соседний
канал приёма).
Для подавления
побочных каналов
приёма применяется
двойное, тройное
а иногда и
чет-вертное
преобразование
частоты.
2.4. Выбор количества
преобразований
частоты
При проектировании
супергетеродинного
приёмника
следует стремиться
к одному преобразованию
частоты в приёмнике,
поскольку
увеличение
числа преобразований
приводит к
росту количества
побочных каналов
приёма. Однако
при строгих
требованиях
ослабления
помех в зеркальном
и соседних
каналах приёма
может возникнуть
необходимость
применения
двух, а иногда
и трёх преобразований
частоты. Поскольку
определение
количества
преобразований
частоты и выбор
номиналов ПЧ
Из-за невозможности
реализовать
в избирательных
системах ТРЧ
и ТПЧ коэффициент
прямоугольности
удовлетворения
необходимо
определить
диапазон возможных
значений
Выберем схему
с двойным
преобразованием
частоты (рис.2.5),
которая позволяет
улучшить
односигнальную
избирательность:
по комбинационным
каналам приёма
(особенно по
зеркальному
каналу), по соседнему
каналу и по
каналу промежуточной
частоты.
Рис. 2.5.
Структурная
схема супергетеродинного
приёмного
тракта СВЧ
Под приёмником
в данном случае
понимается
высокочастотная
часть тракта
от входа малошумящего
усилителя до
выхода второго
усилителя
промежуточной
частоты, в котором
происходит
преобразование
и усиление
сигнала для
дальнейшей
передачи его
оконечному
устройству.
2.5. Малошумящий
усилитель
Как было показано
выше, приёмную
систему, состоящую
из антенны,
элементов
фидерного
тракта и приёмника,
можно представить
в виде n
каскадно связанных
четырёхполюсников,
характеризуемых
эффективной
шумовой температурой
Уменьшение
где
Снижение
Первым элементом
выбранной
приёмной системы
(см. рис. 2.2), характеризуемой
выражением
(2.9), является
антенна, обладающая
эффективной
шумовой температурой
К МШУ современных
приёмных систем
предьявляются
следующие
основные требова-ния:
1) Они должны
быть пригодны
для установки
вблизи от облучателя
антенны (желательно,
перед фидером
с потерями),
обладать малой
шумовой температурой
и большим
коэффициентом
усиления. При
этом согласно
(2.9) снижается
2) Ширина и форма
полосы пропускания
МШУ должна
обеспечивать
безискажённый
приём сигнала
и заданную
помехозащищённость.
Перестройка
МШУ затруднена,
поэтому они,
как правило,
выполняются
широкополосными,
не перестраиваемыми
в рабочем диапазоне.
Перестраиваются
или сменяются
только пассивные
узкополосные
фильтры-преселекторы,
пропускающие
полосу частот
принимаемого
сигнала и защищающие
усилитель от
сильных помех
вне этой полосы.
3) Коэффициент
усиления МШУ
максимален
при полном
согласовании
его входа с
трактом, а
коэффициент
шума минимален
при некотором
их рассогласовании.
В связи с этим
для минимизации
4) Уровень сигнала,
попадающего
на вход МШУ, в
условиях эксплуатации
аппаратуры
связи может
изменятся в
весьма широких
пределах. Поэтому
МШУ должен
обладать как
можно |