Введение.
В настоящее время радиотехнические системы (РТС) достигли высокого уровня развития и способны выполнять самые разнообразные задачи. Одной из областей применения РТС является связь. Отдельным классом связных систем являются системы космической или спутниковой связи.
В данной статье рассматривается приёмный модуль Ku-диапазона с техническими требованиями, соответствующими ГОСТ Р 50788–95 [1]. В процессе написания статьи будут рассмотрены вопросы теории, расчета и проектирования входного каскада спутникового конвертера.
Основная часть.
Современный этап развития радиоэлектроники ознаменовался широким внедрением техники и приборов сверхвысоких частот (СВЧ) во многие отрасли науки и техники. Начав свое развитие в радиолокации, техника СВЧ распространилась на радиосвязь, телевидение, телеметрию и другие отрасли радиоэлектроники [2]. Именно СВЧ применяется в космической связи для передачи больших объемов информации через спутники связи (непосредственно телевизионное вещание, связь с космическими кораблями и орбитальными станциями, автоматическими космическими аппаратами); в дальней радиорелейной и кабельной связи, обеспечивающей передачу телевизионных и телефонных сигналов на большие расстояния [3].
Большинство действующих систем спутниковой связи на базе геостационарных спутников работают в диапазонах С (3.4–7 ГГц) и Ku (10.7–14.8 ГГц). На практике Ku-диапазон делится на 2 поддиапазона: нижний Lo (ниже 11.7 ГГц) и верхний Hi (выше 11.7 ГГц).
В сравнении с С-диапазоном, так же используемом в системах спутниковой связи и телевидения, Ku-диапазон имеет ряд преимуществ. С увеличением частоты уменьшается длина волны, а эффективность приемных зеркальных антенн пропорциональна числу длин волн, укладывающихся в ее поперечнике, следовательно, при одинаковой эффективности для Ku-диапазона требуется антенна, меньшего размера. Другое важное преимущество заключается в том, что при одинаковых размерах антенна в Ku-диапазоне имеет коэффициент усиления примерно на 10 дБ больше, чем в С-диапазоне.
Важным устройством спутникового телевидения является конвертер– электронное устройство, служащее для преобразования частоты электромагнитной волны Ku- или С-диапазона в промежуточную частоту, с целью передачи с наименьшими потерями по коаксиальному кабелю до потребителя (на СВЧ частотах электромагнитная волна, способная преодолеть 36000 км от спутника до приёмной антенны, моментально затухает в кабеле) [4].
У конвертера можно выделить две основные функции:
- усиление принятого сигнала- сигнал со спутника принимается с очень малой мощностью;
- понижение частоты-с целью уменьшения потерь в кабеле.
Принятый спутниковой антенной сигнал фокусируется в одну точку. Эту точку называют фокусной точкой или фокусом параболической антенны. Именно в нее и устанавливают приёмник сигнала– приёмную головку. Приёмная головка состоит из поляризатора и электронной части– конвертера. Структурная схема приёмного тракта антенны изображена на рисунке Рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема приёмного тракта антенны
Устройство приёмника можно условно разделить на каскады: входной каскад, каскад переноса на промежуточную частоту, а также каскад усиления и фильтрация промежуточной частоты.
В данной статье рассматривается входной каскад приёмного устройства, состоящий из малошумящего усилителя (МШУ) и фильтрующего элемента: полосно-пропускающего фильтра (ППФ) или фильтра верхних частот (ФВЧ).
Проанализировав плюсы и минусы различных реализаций усилителей мощности, решено использовать готовый усилитель на основе микросхемы фирмы TriQuint Semiconductor TGA2512–2-SM с коэффициентом усиления G=25 дБ. Так как коэффициент усиления должен быть в пределах от 45 дБ до 16 дБ, принято решение использовать двухкаскадную схему усиления. На рисункеРис. 2Рисунок изображена модель цепи согласования усилителя мощности в среде Microwave Office.
Рис. 2. Модель цепи согласования усилителя мощности
Для исключения потерь и улучшения выходных характеристик произведено согласование. В качестве согласующих цепей испробованы различные варианты: Т-образная цепь, П-образная цепь, Г-образная цепь согласования. Лучшие характеристики получены при использовании Г-образной цепи согласования.
Так же рассмотрены модели с короткозамкнутым и коротко разомкнутым шлейфом. В итоге выбрано согласование с короткоразомкнутым шлейфом, позволяющим уменьшить длину микрополосковой линии (МПЛ) в 2–3 раза, что в свою очередь уменьшает потери в МПЛ.
В качестве фильтра выбран полосно-пропускающий фильтр на шпилечных резонаторах, позволяющий добиться хороших характеристик, при малых габаритах.
На рисункеРис. 3 показана модель каскада усиления и фильтрации в среде Microwave Office
Рис. 3. Модель каскада усиления и фильтрации в среде Microwave Office
Из-за того, что до входа на усилитель промежуточной частоты (УПЧ) сигнал подвергается большому усилению, максимальная мощность на входе последнего каскада достаточно велика. Чтобы избежать нелинейных искажений сигнала на выходе УПЧ, в первом каскаде устройства следует поставить автоматическую регулировку усиления (АРУ), задача которой снизить уровень максимального сигнала на вход смесителя с 5 дБм до -24 дБм.
Для регулировки усиления необходимо подавать на усилитель мощности различное напряжение, в зависимости от мощности принятого сигнала. Для реализации АРУ часть принятого и усиленного сигнала, равная 20дБ, через направленный ответвитель на связанных линиях попадает на детектор, после чего детектор, оценив мощность сигнала, выдает на операционный усилитель рассчитанное ниже напряжение. Так, при наихудшем сигнале детектор подает напряжение, равное U=0.5В, при наилучшем сигнале U=1.6В. Структурная схема усиления и управления напряжением изображена на рисункеРис. 4.
После чего в операционном усилителе напряжение умножается на коэффициент ОУ. Максимальное усиление на рабочей полосе, согласно документации усилителя, достигается при напряжении U=0…1B, минимальное при U=4…5В.
Рис. 4. Схема усиления и управления напряжением
От операционного усилителя требуется наличие на выходе напряжения, отличающегося от входного в К раз, то есть Uвых=Uвх
К. Для этого необходимо подать на неинвертирующий вход ОУ входной сигнал, а на инвертирующий-часть выходного сигнала с резистивного делителя напряжения. Таким образом выходное напряжение операционного усилителя рассчитывается по формуле: 
, расположение R1 и R2 изображено на рисунке Рис. 5.
Рис. 5. Неинвертирующий операционный усилитель
При К=3 минимальное напряжение на выходе ОУ будет равно U=1.5В, максимальное U=4.8В. Согласное документации к усилителю мощности на рабочей частоте при U=4.8В коэффициент усиления будет равен G=8дБ из чего следует, что при наилучшем входном сигнале выходная мощность после тракта усиления будет равна Pвых= –24дБм, при наихудшем сигнале Pвых= –55дБм.
В результате моделирования получен следующие характеристики:
- Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН)(Рис. 6): максимальный КСВН в пределах полосы равен 1.447, что означает, что сигнал не отражается в обратную сторону.
Рис. 6. КСВН всего каскада
- Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) (Рис. 7.): на центральной частоте коэффициент усиления равен 45.1 дБ. Ответвление в сторону детектора равно 20дБ.
Рис. 7. Амплитудно-частотная характеристика всего каскада
После моделирования в среде Mentor Graphics произведено проектирование печатной платы в среде Mentor Graphics. Топология каскада усиления и фильтрации, изображена на рисунке Рис. 8. Также, на рисункеРис. 9 изображен сборочный чертеж, дающий представление о расположении и взаимной связи составных частей, и обеспечивающий возможность осуществления сборки и контроля сборочной единицы.
Рис. 8. Топология каскада усиления и фильтрации
Рис. 9. Сборочный чертеж каскада усиления и фильтрации
Вывод.
Спроектированный входной каскад приёмного модуля соответствует требованиям ГОСТ Р 50788–95. Значение полосы пропускания каскада, разработанного в среде Microwave Office, соответствует теоретическому– 10.9–11.7 ГГц. Полученные характеристики представлены в виде графиков. Результатом проектирования является топология печатной платы в среде Mentor Graphics.
Литература:
1. ГОСТ Р 50788–95 Установки непосредственного приема программ спутникового телевизионного вещания. Классификация. Основные параметры. Технические требования. Методы измерений. — М.: Изд-во стандартов, 1995. — 30 c.
2. Альтман Д. Л. Устройства сверхвысоких частот. — М.: Издательство «Мир», 1968. — 484 с.
3. Григорьев А. Д. Электродинамика и техника СВЧ. — М.: Издательство «Высшая школа», 1990. — 335 с.
4. ГОСТ 24375–80 РАДИОСВЯЗЬ. Термины и определения. М.: Издательство стандартов, 1980. — 60 c.
