Особенности структурных схем тракта сигнальной частоты радиоприемников СВЧ диапазона

Все приемники СВЧ диапазона строятся по супергетеродинной схеме с несколькими преобразованиями часто­ты. Тракт принимаемой частоты во многом одинаков для приемни­ков различных типов. Он состоит из входной цепи, усилителя ра­диочастоты, смесителя и гетеродина преобразователя частоты.

Однако конкретная структура тракта сигнальной частоты (ТСЧ) приемника СВЧ диапазона опреде­ляется особенностями диапазона частот и типами ис­пользуемых сигналов. Упрощенная функциональная схема СВЧ приемника приведена на рисунке 1.

Излученная радиоволна возбуждает в приемной антенне мало­мощные колебания передаваемого радиосигнала, которые по линиям передачи через малошумящий усилитель (МШУ) поступают на вход приемнирка, выделяются фильтром СВЧ, преобразуются в колебания промежуточной частоты, усиливаются, детектируются, подвергаются усилению усилителем низкой частоты и поступают на устройства обработки информации.

Рисунок 1. Упрощенная структурная схема приемника СВЧ диапазона

Линии передачи служат для передачи элек­тромагнитной энергии от источника к потребителю, например, от ан­тенны к приемному устройству, а также для соединения отдельных частей и узлов радиоаппаратуры. На базе отрезков линий передачи конструируются различные элементы и узлы радиоаппаратуры.

Требованиями к линии передачи являются:

- незначительные паразитные излучение и прием энергии, так как паразитные связи нарушают правильное функ­ционирование радиоаппаратуры;

- минимальные амплитудные и фазочастотные искажения;

- минимальные потери энергии, ухудшающие электрические характеристики элементов и узлов радиоаппаратуры, конструируемых на их базе;

- высокая электрическая прочность, необходимая для передачи большой мощности;

- высокая механическая прочность, обеспечивающая высокую надежность, длительный срок службы и устойчивость к механиче­ским воздействиям;

- большая широкополосность, допускающая одновременную работу нескольких каналов радиосистем и передачу сиг­налов с широким спектром.

Используемые на практике линии передачи можно разделить на два класса:

открытые линии передачи (полосковая симметричная и не­симметричная, диэлектрическая, однопроводная) и волноводы.

Малошумящий усилитель обеспечивает предваритель­ное усиление радиосигнала до величины, достаточной для работы последующего каскада.

Входная цепь приемника СВЧ диапазона связывает выход антенно-фидерного устройства с входом первого каскада приемника - малошумящим усилителем (УСВЧ) или смесителем СВЧ. При этом вход и выход входной цепи должны быть согласованы с волновыми сопротивлениями присоединяемых к ним линий передач, чтобы в местах соединения не возникало отражений СВЧ энергии. В зави­симости от назначения приемника, его структурной схемы и усло­вий применения входная цепь выполняет функции:

- частотная селекция принимаемых сигналов для уменьшения помех;

- защита первого каскада от перегрузки и повреждения СВЧ мощностью сигналов, поступающих в приемник на рабочих частотах;

- уменьшение влияния изменения входного сопротивления антенно-фидерного устройства на стабильность 1-го каскада.

Частотную селекцию сигналов во входной цепи осуществляют с помощью СВЧ фильтра того или иного вида, который в этом слу­чае называют преселектором. Задачей преселектора являются пропускание с малым затуханием сигналов, поступающих на вход приемника на частотах, лежащих в заданной полосе рабочих частот, и запирание входа приемника для сигналов, поступающих на частотах, лежащих за преде­лами рабочей полосы частот.

Защита первого каскада от перегрузки СВЧ мощностью на ра­бочей частоте обычно необходима только в радиолокационных приемниках, на вход которых всегда просачивается часть мощно­сти импульсного передатчика. Эта мощность во многих случа­ях лежит в пределах от сотен ватт до единиц киловатт в импульсе и более, что неизмеримо превосходит уровни мощности, допусти­мые для нормальной работы СВЧ-полупроводниковых диодов (обычно десятки или сотни милливатт в импульсе), используемых в первом каскаде большинства приемников СВЧ. Для защиты дио­дов от повреждения, применяют специальные устройства, в качестве которых чаще все­го используются разрядники защиты приемника и полупроводнико­вые ограничители СВЧ мощности.

При использовании в первом каскаде приемника регенеративно­го малошумящего усилителя СВЧ (например, параметрического) нестабильность его характеристик определяется наряду с другими факторами изменением сопротивления источника сигнала (АФУ), подключенного к входу усилителя. В значительной степени стаби­лизировать этот параметр удается с помощью невзаимных ферритовых устройств - циркуляторов и вентилей, которые, будучи включенными между источником сигнала и усилителем, развязы­вают их между собой. Все элементы входной цепи приемника должны вносить как можно меньшие потери (для обеспечения низкого коэффициента шума) и обладать достаточно широкой полосой пропускания.

В СВЧ устройствах радиоприемников фильтры СВЧ достаточно широко применяют во входных цепях в качестве преселекторов, на выходе малошумящего усилителя для подавления шумов зеркаль­ного канала, в параметрических усилителях для разделения цепей различных частот и в других случаях.

В дециметровом диапазоне волн в качестве избирательной сис­темы используются коаксиальные и полосковые резонаторы. Воз­можно также применение отрезков симметричных линий и конден­саторных контуров.

В настоящее время наиболее часто в качестве входных конту­ров приемников дециметрового диапазона используются коакси­альные резонаторы, представляющие собой отрезки коаксиальных линий определенной длины, замкнутые или разомкнутые на конце (рисунок 2).

Возможность создания фильтров на отрезках линий, играющих роль реактивных элементов, основана на том, что короткозамкнутые и разомкнутые отрезки линии длиной l < λ/4 эквивалентны со­ответственно индуктивности и емкости, а при длине l = λ/4 илиλ/2 они становятся резонансными и эквивалентны параллельному или последовательному колебательному контуру (в зависимости от длины и того, замкнуты или разомкнуты они на конце). В сантиметровом диапазоне волн в качестве избирательной сис­темы используются объемные и полосковые резонаторы (рисунок 3).

Рисунок 2. Входные устройства приемников дециметрового диапазона на коаксиальных резонаторах со связью с антенной при помощи петли (а), зонда (б), непосредственного контакта (в)

Для создания широкодиапазонных фильтров - преселекторов и гетеродинов СВЧ, в настоящее время широко применяют монокри­сталлические ферритовые резонаторы, которые имеют высокую собственную добротность ( =5000...10000) и возможность механи­ческой перестройки в широком диапазоне частот по практически линейному закону. Ферритовый резонатор - единственный из элементов СВЧ, резонансная частота которого не зависит от размеров, что позволяет использовать миниатюрные резонаторы в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн.

В диапазоне СВЧ наибольшее распространение получили резо­наторы на монокристаллах железоиттриевого граната в ви­де сфер диаметром 0,3...1 мм. На таких резонаторах созданы фильтры, работающие в диапазоне частот от 2 до 40 ГГц. В высокочастотной части диапазона СВЧ применяют барий-цинковые и бариевые гексаферриты. Последние позволяют полу­чить резонанс даже в четырехмиллиметровом диапазоне волн.

Рисунок 3. Входные устройства приемников СВЧ диапазона на объемных резонаторах при помощи диафрагмы (а), петли (б), зонда (в)

Используя ферритовые резонаторы, можно разработать раз­личные перестраиваемые пассивные устройства СВЧ (полосно-пропускающие и режекторные фильтры, ограничители мощности, модуляторы, фильтры-циркуляторы), а также перестраиваемые транзисторные и диодные автогенераторы СВЧ.

Смеситель обеспечивает преобразование принимаемого сигна­ла СВЧ в сигнал промежуточной частоты. Гетеродин является ис­точником непрерывных СВЧ колебаний, подводимых к смесителю.

Детектор преобразует радиосигнал в электрический сигнал пер­воначальной формы. Для обеспечения точной настройки приемни­ка на принимаемый сигнал служит система автоматической под­стройки частоты.

Таким образом, устройства СВЧ являются составной частью, в ос­новном, ТСЧ радиоприемника СВЧ диапазона и их выходные параметры опреде­ляются не только выбранной электрической схемой, но и в значитель­ной степени конструкцией, обеспечивающей получение необходимых параметров с заданной точностью и надежностью.

Структура ТСЧ определяется видом прини­маемого сигнала: видом модуляции, шириной спектра сигнала и его источником. Как правило, сигналы в СВЧ диапазоне многока­нальные со сложными видами модуляции, имеют ширину спектра от единиц до десятков мегагерц. Сложные виды модуляции (ФМ, АФМ) требуют обеспечения высоких стабильностей частот гетеро­динов, что в СВЧ достаточно сложно, а отклонение номинала при­нимаемой частоты за счет доплеровского эффекта, кроме того, требует подстройки частоты радиоприемника.

Увеличивать стабильность необходимо в тех случаях, когда требуется высокая чувствительность приемника при использова­нии узкополосных сигналов, так как чувствительность значительно ухудшается за счет роста запаса полосы:

,

где , - нестабильность частоты сигнала и гетеродина; -неточности настроек частот гетеродина и УПЧ.

Доплеровское смещение частоты сигналов, принимаемых от пе­редатчика, который перемещается относительно приемника с ра­диальной скоростью , равно:

где = 3 10⁵ км/с - скорость распространения радиоволн.

С учетом этого полоса пропускания линейного тракта приемника расширяется до величины:

.

Если расширение полосы пропускания за счет последних двух слагаемых велико, применяют частотную или фазовую автопод­стройку частоты гетеродина

где - коэффициент частотной автоподстройки. Обычно для обеспечения устойчивости достаточно обеспечить При использовании фазовой автоподстройки и, следовательно

Определив необходимую полосу линейного тракта можно выбрать структуру первых каскадов приемника, обеспечивающих требуемую чувствительность.

Если чувствительность задана в виде величины ЭДС сигнала в антенне при которой обеспечивается заданное значение от­ношения сигнал/шум на входе демодулятора, то можно вычислить допустимый коэффициент шума из условия

где минимально допустимое отношение эффективных напряжений сигнал/шум на входе демодулятора ( зависит от ви­да принимаемого сигнала); - напряженность поля внешних по­мех; - действующая высота приемной антенны; -шумовая полоса линейного тракта; - посто­янная Больцмана - стандартная температура приемни­ка; - внутреннее сопротивление приемной антенны.

Если чувствительность радиоприемника в СВЧ диапазоне зада­ется в виде номинальной мощности сигнала Р_а, отдаваемой антен­ной согласованному с ней приемнику, при которой обеспечивается заданное значение отношения сигнал/шум на входе демодулятора , то

где - шумовая температура антенны, которая характеризует ин­тенсивность воздействующих на антенну внешних шумов.

Шумовая температура приемника и коэффициент шума связаны соотношением:

Из последнего выражения видно, что для обеспечения, требуемой чувствительности нужно обеспечить малый коэффициент шума приемника:

где - общий коэффициент шума приемника; - коэффи­циент передачи мощности фидера и входного устройства; - коэффициент передачи мощности каскадов схемы; - коэф­фициент шума каскадов схемы.

Отсюда и следуют возможности минимизации величины с целью повышения чувствительности приемника.

Коэффициент передачи входного устройства при согласовании по мощности с фидером и здесь возможности снижения коэффициента шума ограничены. Правда, существует режим рассо­гласования по шумам, при котором достигает минимальной ве­личины, однако его трудно реализовать практически, особенно для приемника, работающего в широком диапазоне частот. Величину можно существенно увеличить (до значения не более ) путем сокращения длины фидеров . Однако ре­ально по условиям компоновки антенного поля это осуществить практически не удается.

Для снижения коэффициента шума в этих условиях выносят часть приемника - входное устройство, УВЧ, преобразователь и 1-2 каскада ПЧ - непосредственно к антенне и уже колебания ПЧ пере­даются по фидеру к основной части приемника. В этом случае вели­чина никакого влияния на коэффициент шума не оказывает, а антенна коротким фидером соединяется с входным устройством.

Применяемые в смесителе приемника полупроводниковые диоды имеют минимальный коэффициент шума в режиме, когда ток диода имеет определенную оптимальную величину. Поэтому в приемнике обязательно предусматривается возможность установ­ки этого тока и постоянного контроля за его величиной в ходе экс­плуатации.

Если в приемнике отсутствует УВЧ, то существенное влияние на коэффициент шума оказывает и первый каскад УПЧ. Очевидно, необходимо обес­печить минимальный коэффициент шума и максимальный коэф­фициент усиления каскада по мощности. Для снижения коэффици­ента шума и улучшения избирательности приемника иногда прибе­гают к сильному охлаждению преселектора с помощью специаль­ной криогенной техники. Это усложняет конст­рукцию и повышает энергоемкость приемника.

В настоящее время на основе бурно развивающейся элемент­ной базы СВЧ диапазона происходит пересмотр кон­цепции проектирования приемников. Вариант структурной схемы такого приемника сигналов приведен на рисунке 4.

Основой схемы является базовый приемник СВЧ-диапазона, кото­рый работает в диапазоне частот 0,95...2,05 ГГц. Для расширения диапазона рабочих частот до десятков гигагерц в ком­плекте предусмотрен набор поддиапазонных малошумящих усили­телей - преобразователей (МШУ-ПР), которые осуществляют пере­нос спектра сигнала в область рабочих частот базового приемника и трансляцию данного спектра по тракту трансляции сигнала (ТТС). Через модуль распределения сигнал может подаваться для об­работки на необходимое количество базовых приемников. В случае необходимости работы радиоприемника в более узком диапазоне частот число сменных МШУ-ПР в комплекте поставки может умень­шено.

Рисунок 4. Структурная схема приемника сигналов СВЧ диапазона

Базовый приемник построен по супергетеродинной схеме с двумя преобразованиями частоты. С выхода приемника сигнал может подаваться на демодулирующие устройства для дальнейшей об­работки.

Устройство управления, индикации и контроля приемника позволяет осуществить управление режимами работы и параметрами радио­приемника как с передних панелей блоков, так и с помощью персо­нальной ЭВМ, подключаемой к радиоприемнику через шину стан­дартного интерфейса.

Сменные МШУ-ПР выполняются не обслуживаемыми и построе­ны по единой структурной схеме, включающей модули МШУ и пре­образователя. Отличия в блоках заключаются в номиналах частот гетеродинов и полосовых фильтров. Полосовые фильтры на входах блоков обеспечивают требуе­мую многосигнальную избирательность и подавление побочных каналов приема. Гетеродины блоков, работающие на фиксирован­ной частоте, стабилизированы системой фазовой подстройки по сигналу опор­ного кварцевого генератора.

Приемники СВЧ диапазона строятся по супергетеродинной схе­ме. Линейный тракт, тракт принимаемой частоты во многом одина­ков для приемников различных типов. Он состоит из входной цепи, УВЧ, смесителя и гетеродина преобразователя частоты.

Если требования к чувствительности и подавлению помехи по зеркальному каналу выполняются приемником без усилителя ра­диочастоты, то он может отсутствовать. Если же приемник не мо­жет обеспечить одновременное выполнение требований к избира­тельности по зеркальному и соседнему каналам, то следует ис­пользовать супергетеродин с двойным преобразователем частоты.