Высокочастотный приемный тракт

В настоящее время приемо-передающие устройства СВЧ используются для решения чрезвычайно большого круга задач. Они широко применяются в радиолокации, системах космической связи, радиоастрономии, системах высококачественного телевидения. Так, например, созданный отечественными специалистами радиолокационный комплекс для космических исследований, в состав которого входит приемо-передающее устройство используется при изучении планет Венеры, Меркурия, Марса и Юпитера. Радиолокация позволяет получить более точные данные о расстоянии до планет и о скорости их вращения вокруг собственных осей, а так же информацию о структуре атмосферы и поверхности планет.

Приемо-передающие устройства в составе радиолокационных станций и комплексов большое применение находят также в военном деле. Так, например, в авиации современные самолеты оборудуются большим количеством радиолокационных устройств. К ним относятся: панорамный радиолокатор, радиовысотомер, радиолокатор защиты хвоста самолета, радиолокационный бомбардировочный прицел, аппаратура слепой посадки. Наряду с бомбардировочным прицелом (или вместо него) на самолете может быть установлена радиолокационная станция наведения ракет класса “воздух-земля”. В бортовое оборудование ракет также входят радиолокационные устройства. В Военно-морском флоте военные корабли оснащаются разнообразными радиолокационными устройствами. К ним относятся: радиолокационные станции обнаружения надводных кораблей и воздушных целей, станции управления оружием, радионавигационные средства.

В войсках ПВО радиолокационная техника применяется для получения информации о средствах воздушного нападения противника, дальности, азимуте, угле места и скорости цели. Радиолокационные станции широко применяются в аппаратуре орудийной наводки. Такие станции достаточно точно определяют место расположения батарей противника по траектории снарядов или мин.

Наземные войска также используют радиолокационные станции (РЛС) для обнаружения танков, автомобилей и другой наземной техники противника.

В современных условиях значительно больше внимания уделяется радиолокационным станциям наведения ракет. Из зарубежной литературы видно (1), что противовоздушная и особенно противоракетная оборона требует использования специальных радиолокационных комплексов, которые должны включать в себя несколько автоматических и полуавтоматических РЛС различного назначения и стартовое оборудование управляемых антиракет.

Приведенный выше краткий перечень показывает, что современная наука и техника очень широко использует самые разнообразные СВЧ устройства, в состав которых входят приемо-передающие модули.

По сравнению с аппаратурой, работающей на длинных, средних, коротких и ультракоротких волнах, радиоприемные устройства СВЧ обладают рядом особенностей (2,3). Так, в диапазоне СВЧ уровень внешних помех чрезвычайно мал, если, конечно, помехи не создаются преднамеренно. Основную роль играют внутренние шумы, которые ограничивают чувствительность радиоприемного устройства. В связи с этим в радиоприемных устройствах диапазона СВЧ большое внимание уделяется уменьшению шумов всех элементов: частотно-избирательных систем, усилителей, преобразователей частоты и др. Первые каскады радиоприемного устройства обязательно должны быть малошумящими (4). Отметим, что создание малошумящих усилителей СВЧ – одна из важнейших проблем современной радиоприемной техники. Так как приемо-передающий модуль предназначен для работы в составе бортового радиовысотомера, расположенного внутри летательного аппарата, то возможности увеличения мощности передатчика и размеров антенны для повышения дальности ограничены заданным весом и размерами аппаратуры. Поэтому для повышения чувствительности и уменьшения коэффициента шума следует применить малошумящий усилитель. Использование малошумящих усилителей позволяет при сохранении дальности в несколько раз снизить мощность передатчика, повысив тем самым его надежность, и при этом получить выигрыш в общем весе аппаратуры (5).

1. Анализ технических требований

1.1 Выбор структурной схемы приемника

Структурные схемы приемных устройств различаются прежде всего построением тракта высокой частоты.

Наиболее простым является принцип построения приемника прямого детектирования. Входная цепь в виде резонансной системы или фильтра обеспечивает частотную избирательность. Принципиальным моментом является отсутствие усиления сигнала до детектора, ведущее к серьезному упрощению устройства приемника, но одновременно обуславливающее его низкую чувствительность и избирательность.

Схема приемника прямого усиления отличается наличием усилителя радиочастоты (УРЧ) и, как следствие, значительно большими чувствительностью и избирательностью. Входная цепь и избирательные цепи УРЧ настроены на частоту принимаемого радиосигнала, на которой и осуществляется усиление, причем входная цепь обеспечивает предварительную, а УРЧ основную частотную избирательность и значительное усиление сигнала. При необходимости получения большого усиления УРЧ может содержать несколько каскадов, что сопряжено со снижением его устойчивости и общей избирательности приемника. Трудности, связанные с многокаскадностью УРЧ, позволяет устранить в принципе использование регенеративных и сверхрегенеративных усилителей, обеспечивающих большее усиление на каскад. Однако такие усилители обладают повышенными искажениями, относительно низкой устойчивостью по отношению к дестабилизирующим факторам, повышенной вероятностью паразитного излучения. По этой причине они применяются редко. При любых типах используемых УРЧ полностью преодолеть присущие схеме прямого усиления недостатки не удается, поэтому в настоящее время такие приемники с фиксированной настройкой применяются практически лишь в микроволновом и оптическом диапазоне.

Существенное улучшение большинства показателей приемного устройства достигается на основе принципа преобразования частоты принимаемого сигнала – переноса его в частотную область, где он может быть обработан с наибольшей эффективностью. Почти все радиолокационные приемники строятся по супергетеродинному принципу. Отраженный сигнал, подвергнутый незначительному усилению или вообще без усиления, преобразуется в сигнал промежуточной частоты путем смешивания с сигналом гетеродина. Перенос сигнала на более низкую фиксированную частоту имеет следующие преимущества: возможность высокого устойчивого усиления за счет ослабления роли паразитных обратных связей; сужение полосы пропускания без усложнения фильтрующих цепей; относительная полоса частот, занимаемая полезным сигналом, на промежуточной частоте получается больше, а это упрощает фильтрацию. Однако преобразование частоты обуславливает и ряд особенностей супергетеродинного приема, требующих принятия специальных мер для нейтрализации их отрицательного влияния на показатели и характеристики приемного устройства. К таким особенностям относятся: образование побочных каналов приема, по которым в тракт приемного устройства проникают различные помехи; влияние нестабильности частоты гетеродина на настройку приемника; возможность излучения колебаний гетеродина через приемную антенну.

В связи с выше изложенным материалом приемник будем реализовать по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты. Первое преобразование – перенос спектра сигнала на 5 МГц, для выделения фазоманипулированного сигнала (ФКМ), второй режим работы станции. Второе преобразование частоты – перенос спектра сигнала на нулевую промежуточную частоту, для выделения дальномерной частоты и фазы сигнала, первый режим работы станции.

1.2 Структура зондирующего сигнала

Зондирующий сигнал представляет собой непрерывный сигнал с несимметричным пилообразным законом модуляции частоты. Причем несущая частота меняется с частотой 5 МГц, разница между несущими частотами 808 МГц, это предназначено для развязки передатчика и приемника, т.е когда передатчик излучает одну частоту, то приемник настроен на другую частоту. Структура излученного и отраженного сигнала представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 Структура излученного и отраженного сигнала.

После смесителя, на входе разрабатываемого приемника будут возникать биения с частотой 808МГц+f_д+f_доп. Для определения дальности до целей нужно выделить f_д и компенсировать f_доп, чтобы он не влиял на точность измерений. Методы компенсации рассмотрены в пункте 1.3. В результате расчетов получилось, что f_доп=24 кГц, f_д – дальномерная частота от 6 кГц до 160 кГц, т.е. приемник должен выделять частоты от 6 кГц до 160 кГц и компенсировать допплеровскую частоту. На выходе приемника все сигналы должны иметь одинаковую амплитуду, для этого сигналы с разных дальностей нужно выровнять в приемнике. Так как мощность отраженного сигнала обратно пропорциональна четвертой степени расстояние до цели, то для выравнивания сигналов на выходе приемника по напряжению нужно, чтобы промежуточный тракт по второй промежуточной частоте имел передаточную характеристику с наклоном +12 дБ/окт в полосе частот от 6 кГц до 160 кГц. Такой наклон реализуется двухполюсным активным RC-фильтром.

1.3 Пассивные помехи

Спектр мешающих отражений определяется характеристикой направленности антенны, а также взаимным –перемещением радиолокатора и мешающих объектов.

Такой подход к спектрам мешающих сигналов является наиболее общим, так как включает и все случаи движения радиолокатора по поверхности и над поверхностью земли. В этом случае характеристики направленности должна учитывать все боковые лепестки, по которым тоже происходит прием мешающих сигналов. Вследствие перемещения радиолокатора относительно поверхности земли отраженные от этой поверхности сигналы, а также сигналы всех целей, расположенных на поверхности земли, получают допплеровские приращения частоты и образуют широкий шумоподобный спектр помех земли. Этот спектр имеет три характерные области:

отражения от поверхности земли, приходящие по главному лепестку характеристики направленности,

отражения от поверхности земли, приходящие по боковым лепесткам характеристики направленности,

пассивные помехи на линии высоты.

Отражения, соответствующие главному лепестку, будут наиболее интенсивными. Ширина и положение спектра частот этих отражений зависят от формы главного лепестка (особенно его ширины) и от направления максимума излучения относительно вектора путевой скорости. Отражения, соответствующие боковым лепесткам, менее интенсивны, но занимают полосу частот . Мешающие отражения от земной поверхности непосредственно под самолетной РЛС называются пассивными помехами на линии высоты. При зеркальном отражении от гладкой поверхности эти помехи могут быть сильными, они имеют относительно небольшую спектральную ширину и нулевую допплеровскую частоту.

В приложение А приведен спектр пассивных помех. Из графика видно, что наиболее интенсивные помехи будут около допплеровской частоты 24 кГц. Причем спектральная плотность помехи будет равна p_п=–82 дБ/Вт относительно полосы 1 Гц. При полосе 24 кГц мощность помехи будет равна(размерность величин в децибелах):

Р_п= p_п + Df=(-82)+43=-39 дБ/Вт

Соответственно при мощности сигнала Рс=–150 дБ/Вт перегрузка составит (мощность помехи вычесть мощность минимального сигнала):

150-39=111 дБ

Эти помехи как правило отфильтровываются с помощью отдельного режекторного фильтра. Как было сказано выше фильтр высоких частот с наклоном +12 дБ/окт обеспечивает перегрузку в 60 дБ. Соответственно глубина режекции фильтра должна быть как минимум 51 дБ.

Сформулируем требования к режекторному фильтру.

полоса режекции по уровню –20 дБ должна около 48 кГц, чтобы перекрыть весь спектр помех, возникающих в следствии эффекта Допплера,

полоса режекции по уровню –3 дБ должна быть не более 60 кГц, чтобы режекторный фильтр не подавлял дальномерные частоты,

глубина режекции, минимум 8 дБ, возьмем с запасом 55-60 дБ,

центральная частота 5 МГц, так как на первой промежуточной частоте 808 МГц нереально спроектировать фильтр с такой узкой относительной полосой режекции около 0,006 %.

Компенсации влияния движения носителя, т.е чтобы допплеровские частоты не вносили ошибку в измерение дальности, когда заранее известна скорость носителя , а значит допплеровская частота, можно добиться смещением промежуточной частоты радиолокационного сигнала на величину, равную средней допплеровской частоте спектра помех fд ср=24 кГц. Сместить частоту проще у второго гетеродина с частотой 5 МГц, чем первого с частотой 808 МГц.

1.4 Расчет чувствительности приемного устройства.

Чувствительность приемника определяется минимально необходимой мощностью сигнала на входе приемника, при которой обеспечивается необходимое соотношение сигнал/шум на выходе приемника. В данном случае тангенциальная чувствительность Рс/Рш=1. Чувствительность приемника определяется по формуле:

(1.4.1)

где - чувствительность приемника,

- постоянная Больцмана,

- стандартная температура приемника,

Δf – полоса пропускания приемника,

N – коэффициент шума приемника,

D=1 – постоянный коэффициент различимости.

Преобразуем формулу 1.4.1 в случае определения чувствительности в децибелах относительно ватта, получим:

(1.4.2)

где N – коэффициент шума приемника, выраженный в децибелах,

Δf – полоса пропускания приемника, выраженная в децибелах относительно одного герца,

-203,8 – постоянное слагаемое.

Из формулы 1.4.2 видно, что чувствительность зависит от полосы пропускания приемника и коэффициента шума. Полоса пропускания Δf задается в техническом задание, значит разработчик может обеспечить заданную чувствительность применяя МШУ с достаточно низким коэффициентом шума. Тогда коэффициент шума определяется:

(1.4.3)

N=203,8+(-150)-47,8=6 дБ

где -требуемая чувствительность приемника,

Δf=47,8дБ/Гц - полоса пропускания приемника, выраженная в децибелах относительно одного герца.

Следовательно коэффициент шума приемника не должен превышать 6 дБ.

Для типичного супергетеродинного приемника, приемный тракт которого включает усилитель радиочастоты (УРЧ), преобразователь частоты (ПЧ) и усилитель промежуточной частоты (УРЧ) коэффициент шума приемника определяется по следующей формуле (6):

(1.4.4)

где - коэффициенты шума УРЧ, ПЧ и УПЧ,

- коэффициенты усиления по мощности УРЧ и ПЧ,

- суммарные потери пассивных элементов, стоящих перед УРЧ.

Анализируя формулу 1.4.4 можно сделать вывод, что для получения минимального возможного коэффициента шума приемника необходимо применить малошумящий усилитель (МШУ) в качестве УРЧ, причем усиление МШУ должно быть достаточно большим, около 20 дБ. В этом случае в формуле следующие слагаемые будут малыми, следовательно ПЧ и УПЧ будут мало влиять на коэффициент шума приемника. Т.е. коэффициент шума приемника будет определяться коэффициентом шума МШУ. Причем коэффициент шума МШУ не должен превышать 3 дБ, так как половина коэффициента шума приемника в первом приближении отводиться на МШУ, вторая половина отводиться на потери в пассивных элементах, стоящих перед МШУ.

1.5 Выбор средств обеспечения избирательности приемника

В супергетеродинных приемниках частотная избирательность определяется в основном ослаблениями зеркального Seзк и соседнего канала Seзк. В приемниках с двойным преобразованием частоты рационально выбирать частоту настройки 1-ого гетеродина выше частоты сигнала.

При этом вычитаются вызванные однозначными уходами частот 1-ого и 2-ого гетеродинов изменения второй промежуточной частоты fп2. Для обеспечения однозначности уходов частоты 1-ого и 2-ого гетеродинов можно образовать эти частоты путем умножения частоты общего задающего генератора, при этом использовать один кварцевый резонатор для стабилизации частот 1-ого и 2-ого гетеродинов. При такой расстановке частот, могут появиться зеркальная помеха относительно частоты 1-ого гетеродина fзк1=fc+2fп1 и помеха fзк2=fc-2fп2, которая после первого преобразования частоты превращается в fп1+2fп1 и становиться зеркальной относительно частоты 2-ого гетеродина. Помеха fзк1 должна быть ослаблена в преселекторе. Помеха fзк2 может быть ослаблена в преселекторе и в УПЧ-1, но так как fп2<

В нашем случае частота сигнала fc=808 МГц, первая промежуточная частота fп1=5 МГц, следовательно первая зеркальная помеха будет на частоте:

fзк1=fc+2fп1=808+2·5=818 МГц – эта помеха должна как сказано выше должна подавляться в преселекторе до смесителя.

Вторая помеха, которая после преобразования частоты становиться зеркальной относительно частоты 2-ого гетеродина, расположена достаточно близко к частоте принимаемого сигнала, поэтому в преселекторе существенно не ослабляется.

Рассмотрим средства обеспечения избирательности по первой зеркальной помехе.

По техническому заданию предъявлены следующие требования :

полоса пропускания по уровню –3 дБ - МГц,

полоса пропускания по уровню –50дБ - МГц.

Эти технические требования должны реализоваться в преселекторе.

Для обеспечения высокой селекции применим фильтр на поверхностно-акустических волнах (ПАВ-фильтр), т.к. требуется узкая относительная полоса пропускания – 1,8 %, коэффициент прямоугольности – 2,7 по уровням (60/3) дБ, высокая рабочая частота 808МГц. Фильтр должен быть реализован на базе технологии ИМС. Выбор произведен по данным источника (таблица 1.1 (7) ).

ПАВ-фильтр состоит из передающего и приемного преобразователей, трансформирующих электрический сигнал в акустическую волну на входе и обратно на выходе устройства. Средой для поддержания ПАВ служит пьезоэлектрический звукопровод, на полированной рабочей поверхности которого располагаются преобразователи. Поскольку большинство типов преобразователей ПАВ обладает двунаправленностью излучения, то во избежание паразитных отражений на торцы звукопроводов наносят поглотители. В результате многократных отражений от краев электродов и несогласованности фильтра с внешними нагрузками возникают волны, отраженные от преобразователей. Известно, что наибольшие искажения характеристик фильтра вызывают сигналы тройного прохождения. Но т.к. РЛС работает в режиме непрерывного излучения, то этот эффект мало влияет на точность измерений.

Один ПАВ-фильтр поставим перед МШУ для селекции внешних помех и предохранения МШУ от перегрузки.

Из определения коэффициента шума N четырехполюсника следует, что шумы зеркального канала, так называемые зеркальные шумы, в режиме однополосного приема увеличивают N, поскольку мощность этих шумов попадает на выход смесителя и не может быть отнесена к мощности шумов источника сигнала. При использовании широкополосного МШУ перед смесителем зеркальные шумы значительно (примерно на 3 дБ) ухудшают общий коэффициент шума, так как их мощность в этом случае равна приблизительно половине общей мощности шумов на выходе приемника. Поэтому второй ПАВ–фильтр поставим после МШУ, для подавления зеркальных шумов на его выходе.

Таким образом исходя из выше приведенных соображений можно сформулировать технические требования для ПАВ-фильтра:

центральная частота 808 МГц,

полоса пропускания МГц,

полоса пропускания по уровню –25дБ - МГц, так в преселекторе стоит два ПАВ-фильтра, то они обеспечат избирательность при расстройке ±20 МГц - 50 дБ, что требуется в техническом задание.

прямые потери не более 0,2-0,5 дБ, чтобы фильтр не сильно увеличил коэффициент шума приемника.

Рассмотрим средства обеспечения избирательности по второй зеркальной помехе, она будет в диапазоне частот от 807,840 МГц до 808 МГц. После первого преобразование частоты спектр помехи перенесется на частоты от 4,840 МГц до 5 МГц.

Простейшим и часто используемым методом решения этой задачи является использование на выходе смесителя фильтра того или иного типа, затухание которого в полосе частот сигнала мало (L<1..1,5 дБ), а в полосе частот зеркального канала велико (L>13..15 дБ). Однако при промежуточной частоте 5 МГц и при полосе частот сигнала 160 кГц, у фильтра относительная полоса пропускания должна быть около 3,2 % и коэффициент прямоугольности около 1,5 по уровням (20/3)дБ. Создание LC-фильтра с такими параметрами трудно и нецелесообразно вследствие большой добротности катушек и температурной нестабильности элементов. Применение пьезоэлектрических и пьезокерамических фильтров также неоправданно из-за дороговизны разработки и производства этих фильтров.

Применение УПЧ с настроенными контурами, с двухконтурными каскадами, с попарно расстроенными одноконтурными каскадами, с одноконтурными каскадами, настроенными на три частоты и т.п., конструктивно неприемлемо из-за большого числа каскадов 7-8, также из-за сложностей настройке.

При третьем методе подавление зеркального канала применяют схему фазового подавления зеркального канала. Преобразователь с компенсацией помех зеркального канала можно построить по схеме, приведенной на рисунке 1.2. Принцип работы такого двухканального компенсатора с фазовым подавлением состоит в том, что принимаемый сигнал в разных каналах имеет одинаковую фазу и при суммирование в общем тракте удваивается, а зеркальные помехи противоположны по фазе и компенсируют друг друга.

Рисунок 1.2.Схема двухканального компенсатора с фазовым подавлением.

Напряжение от гетеродина u_г=U_гcos(ω_гt+φ_г) подается на смесители См1 и См2. Напряжение сигнала основного канала u_с=U_сcos(ω_сt+φ_с) и зеркального канала u_зк=U_зкcos(ω_зкt+φ_зк) подаются на смеситель См1 непосредственно и на смеситель См2 через фазовращатель Фв1 со сдвигом по фазе на 90⁰. В качестве основного канала принят сигнал на частоте f_c=f_г-f_пр, в качестве зеркального f_зк=f_г+f_пр. На выходе См1 после фильтра ФПЧ будет выделяться напряжение промежуточной частоты основного и зеркального каналов:

u_с1=U_сK_пcos((ω_г-ω_с)t+φ_г-φ_с),

u_зк1=U_зкK_пcos((ω_зк-ω_с)t+φ_зк-φ_г).

Здесь K_п-коэффициент передачи смесителя вместе с фильтром ФПЧ.

На выходе См2 (коэффициент передачи фазовращателя полагается равным единице)

u_с2=U_сK_пcos((ω_г-ω_с)t+φ_г-(φ_с+90⁰)),

u_зк2=U_зкK_пcos((ω_зк-ω_с)t+φ_зк+90⁰-φ_г).

После фазовращателя Фв2 фаза сигнала u_с2 оказывается такой же, как у u_с1 (φ_с1=φ_с2=φ_г-φ_с), а фаза помехи u_зк2 отличается от фазы u_зк1 на 90⁰. При одинаковых коэффициентах передачи трактов смесителей напряжение сигнала на выходе сумматора имеет удвоенную амплитуду, а напряжение зеркальной помехи взаимно компенсируется и на выходе отсутствует.

В принципе в компенсаторе можно не использовать Фв1, тогда на смесители должно подаваться напряжение гетеродина с взаимным фазовым сдвигом 90⁰. Также технически проще реализовать взаимный фазовый сдвиг 90⁰ после смесителей, если поставить в обе цепи фазовращатели, чем обеспечить фазовый сдвиг 90⁰ только в одной ветви схемы.

1.6 Расчет коэффициента усиления приемногоё устройства

В техническом задании задана эффективное значение выходного сигнала Uэф=0.3 В, рассчитаем необходимый коэффициент усиления приемного тракта.

Зная минимальную мощность входного сигнала рассчитаем коэффициент усиления.

(1.6.1)

где Р_cmin –чувствительность приемника,

R=50 Ом – сопротивление нагрузки по входу,

U_вых=0,3 В – напряжение выходного сигнала.

По формуле 1.6.1 получаем.

дБ

1.7 Выбор функциональной схемы приемного устройства

Исходя из выше приведенных соображений произведем выбор функциональной схемы приемного устройства.

В преселекторе для увеличения динамического диапазона поставим схему ослабления сигнала, состоящих из двух переключателей в одной ветви стоит МШУ, а в другой ветви аттенюатор. При измерении большой дальности - сигнал слабый, тогда в цепь включен МШУ, при измерении малой дальности - сигнал сильный, тогда в цепь включен аттенюатор, что позволяет увеличить динамический диапазон на величину К_мшу+L_а , где К_мшу - коэффициент усиления МШУ, L_а - ослабление аттенюатора. В техническом задании динамический диапазон должен быть 90 дБ, приемник обеспечивает 68 дБ, следовательно, ослабление аттенюатора для обеспечения заданного динамического диапазона должно быть не менее 12 дБ, это значение взято с запасом.

Потери в переключателях должны быть не более 2,5 дБ, так как суммарные потери в пассивных элементах, стоящих перед МШУ должны быть не более 3 дБ, а прямые потери в ПАВ-фильтре не более 0,5 дБ.

Исходя из выше изложенных соображений, преселектор будет состоять из следующих блоков: ПАВ-фильтр (ПФ), переключатель (SPDT), МШУ, переключатель (SPDT), ПАВ-фильтр (ПФ). Коэффициент усиления по мощности преселектора равен:

К=К_мшу-2(L_пер+L_ф)=20-2(2,5+0,5)=14 дБ

где К_мшу – коэффициент усиления МШУ,

L_пер,L_ф – прямые потери в переключателе и в ПАВ-фильтре.

Преобразователь частоты (ДБС) по первой промежуточной частоте поставим после преселектора. Схема должна иметь два выхода: один – для выделения ФКМ-сигнала, второй для дальнейшей обработки сигнала, для выделения дальномерной частоты и фазы сигнала. Коэффициент усиления транзисторных смесителей в интегральном исполнение около 10 дБ.

Для подавление пассивных помех после смесителя поставим режекторный фильтр (ПЗФ), технические требования на который сформулированы в пункте 1.3.

Для переноса спектра сигнала на вторую промежуточную частоту и подавления зеркального канала применим схемы двухканального компенсатора с фазовым подавлением зеркального канала, его схема и принцип работы рассмотрена в пункте 1.5. Перед фазовращателями поставим фильтр верхних частот (ФВЧ) с наклоном АЧХ +12 дБ/окт.

Из практики известно, что на транзисторные смесители подается мощность гетеродина примерно –30 дБ/Вт, следовательно, мощность сигнала должна быть на входе смесителя не более –40 дБ/Вт, чтобы не было нелинейных искажений, что влечет появления второй, третьей и т.д. гармоник, а значит появление ложных целей.

Тракт низкой частоты охватим цепью АРУ для компенсации флуктуации сигналов от целей. Флуктуация целей составляет примерно 20 дБ, поэтому АРУ должно иметь глубину регулировки не менее 20 дБ. АРУ реализуем с помощью введения в схему управляемых аттенюаторов (УА). Последний каскад тракта низкий частоты (УНЧ) сделаем с ручной регулировкой усиления, для установления уровня выходного сигнала. После управляемых аттенюаторов поставим усилительный ограничительный каскад, для того чтобы сильная помеха на входе приемника не перегрузила последние каскады приемника. Ограничитель сделаем симметричным, потому что при ограничение сигнала будут появляться только нечетные гармоники и их мощность много меньше, чем мощность первой гармоники, т.е. полезного сигнала, поэтому ложных целей не будет.

Функциональная схема приемника приведена в приложении В.

2. Расчет преселектора

2.1 Выбор схемы малошумящего усилителя

В соответствии с выше приведенными соображениями необходимо, чтобы малошумящий усилитель отвечал следующим техническим требованиям:

коэффициент усиления не менее 20 дБ;

коэффициент шума не более 3 дБ;

динамический диапазон не менее 90 дБ,

центральная частота 808 МГц.

кроме этого имел высокую стабильность характеристик, высокую надежность работы, малые габариты и вес.

Принимая во внимание предъявляемые к малошумящему усилителю требования, проведем рассмотрение возможных вариантов решения поставленной задачи. При рассмотрении возможных вариантов учтем те условия, в которых будет эксплуатироваться приемо-передающий модуль (размещение на борту летательного аппарата и воздействие внешних факторов, таких как перепад температур, вибрации, давление и т.д.). Проанализируем малошумящие усилители, выполненные с применением различной элементной базы.

Самыми малошумящими из усилителей СВЧ являются в настоящее время квантовые парамагнитные усилители (мазеры), которые характеризуются чрезвычайно низкими шумовыми температурами (менее 20^оК) и, как следствие, весьма высокой чувствительностью. Однако в состав квантового усилителя входит криогенная система охлаждения (до температуры жидкого гелия 4,2^оК), имеющая большие габариты и массу, высокую стоимость, а также громоздкую магнитную систему для создания сильного постоянного магнитного поля. Все это ограничивает область применения квантовых усилителей уникальными радиосистемами – космической связи, дальней радиолокации и т.п.

Необходимость миниатюризации радиоприемных устройств СВЧ диапазона, повышения их экономичности, уменьшения стоимости привели к интенсивному применению малошумящих усилителей на полупроводниковых приборах, к которым относятся полупроводниковые параметрические, на туннельных диодах и транзисторные усилители СВЧ.

Полупроводниковые параметрические усилители (ППУ) работают в широком диапазоне частот (0,3…35ГГц), имеют полосы пропускания от долей до нескольких процентов от центральной частоты (типичные значения 0,5…7%, но могут быть получены полосы до 40%); коэффициент передачи одного каскада достигает 17…30дБ, динамический диапазон входных сигналов 70…80дБ. В качестве генераторов накачки используются генераторы на лавинно-пролетных диодах и на диодах Ганна, а также на транзисторах СВЧ (с умножением и без умножения частоты). Полупроводниковые параметрические усилители являются самыми малошумящими из полупроводниковых и вообще из всех неохлаждаемых усилителей СВЧ. Их шумовая температура находится в интервале от десятков (на дециметровых волнах) до сотен (на сантиметровых волнах) градусов Кельвина. При глубоком охлаждении (до 20^оК и ниже) по шумовым свойствам они сравнимы с квантовыми усилителями. Однако система охлаждения увеличивает габариты, массу, потребляемую мощность и стоимость ППУ. Поэтому охлаждаемые ППУ находят применение в основном в наземных радиосистемах, где требуются высокочувствительные радиоприемные устройства, а габариты, масса, потребляемая мощность не столь существенны.

К достоинствам ППУ по сравнению с усилителями на туннельных диодах и транзисторах СВЧ помимо лучших шумовых свойств следует отнести способность работать в диапазоне более высоких частот, большее усиление одного каскада, возможность быстрой и простой электронной перестройки по частоте (в пределах 2…30%). Недостатками ППУ являются наличие СВЧ-генератора накачки, меньшая полоса пропускания, большие габариты и масса, значительно большая стоимость, в отличие от транзисторных усилителей СВЧ.

Усилители на туннельных диодах имеют по сравнению с другими полупроводниковыми усилителями меньшие габариты и массу, определяемые главным образом габаритами и массой ферритовых циркуляторов и вентилей, меньший уровень потребляемой мощности и широкую полосу пропускания. Они работают в диапазоне частот 1…20ГГц, имеют относительную полосу пропускания 1,7…65% (типичные значения 3,5…18%), коэффициент передачи одного каскада 6…20дБ, коэффициент шума 3,5…4,5дБ на дециметровых волнах и 4…7дБ на сантиметровых, динамический диапазон входных сигналов составляет 50…90дБ. Усилители на туннельных диодах применяются в основном в устройствах, где на малой площади необходимо разместить большое количество легких и малогабаритных усилителей, например в активных фазированных антенных решетках. Однако в последнее время усилители на туннельных диодах из-за присущих им недостатков (сравнительно высокий коэффициент шума, недостаточный динамический диапазон, малая электрическая прочность туннельного диода, сложность обеспечения устойчивости, необходимость развязывающих устройств) интенсивно вытесняются транзисторными усилителями СВЧ.

Основные преимущества полупроводниковых малошумящих усилителей – малые габариты и масса, малое энергопотребление, большой срок службы, возможность построения интегральных схем СВЧ – позволяют использовать их в активных фазированных антенных решетках и в бортовой аппаратуре. Причем наибольшую перспективу имеют транзисторные усилители СВЧ.

Успехи в развитии физики и технологии полупроводников сделали возможным создание транзисторов, обладающих хорошими шумовыми и усилительными свойствами и способных работать в диапазоне СВЧ. На основе этих транзисторов были разработаны СВЧ малошумящие усилители.

Транзисторные усилители в отличие от усилителей на полупроводниковых параметрических и туннельных диодах являются не регенеративными, поэтому обеспечить их устойчивую работу значительно проще, чем, например, усилителей на туннельных диодах.

В МШУ СВЧ применяются малошумящие транзисторы, как биполярные (германиевые и кремниевые), так и полевые с барьером Шоттки (на кремнии и арсениде галлия). Германиевые биполярные транзисторы позволяют получить меньший коэффициент шума, чем кремниевые, однако последние более высокочастотны. Полевые транзисторы с барьером Шоттки превосходят биполярные транзисторы по усилительным свойствам и могут работать на более высоких частотах, особенно арсенид-галлиевые транзисторы. Шумовые характеристики на относительно низких частотах лучше у биполярных транзисторов, а на более высоких – у полевых. Недостатком полевых транзисторов являются высокие входное и выходное сопротивление, что затрудняет широкополосное согласование.

Чтобы транзистор работал в диапазоне СВЧ, надо сильно сократить размеры его активных областей (особенно базы, затвора), а также минимизировать паразитные элементы р-п-переходов и реактивности корпуса и выводов. Это, естественно, связанно со значительными технологическими трудностями. Теоретический предел усиления биполярных транзисторов 10…15ГГц, а полевых транзисторов с барьером Шоттки на арсениде галлия – примерно 90ГГц. Биполярные транзисторы применяются в основном на частотах до 4…5 ГГц, полевые транзисторы – на частотах выше 8 ГГц, а в промежуточной области частот используются и те, и другие транзисторы.

В настоящее время транзисторные МШУ СВЧ изготавливаются в основном в виде гибридных интегральных схем на диэлектрических подложках с навесными активными элементами. Транзисторы используются как в корпусном, так и в бескорпусном исполнении. Бескорпусные транзисторы по сравнению с корпусными имеют меньшие линейные размеры и в них минимизированы паразитные элементы. Такие транзисторы способны работать на более высоких частотах, хотя их монтаж в схему технологически более сложен.

Изложенные выше соображения позволяют наметить стратегию синтеза малошумящего усилителя на полевом транзисторе, в монолитном интегральном исполнении.

2.2 Выбор элементной базы

Как сказано выше преселектор состоит из двух полосовых фильтров, двух переключателей и МШУ. Требуемые технические параметры на эти элементы изложены ранее. Произведя обзор по отечественной и зарубежной элементной базе, были выбраны следующие элементы с параметрами, отвечающие требуемым техниче