1.3.2 Обеспечение чувствительности приёмника — Проектирование радиоприёмных устройств свч

^ Чувствительность супергетеродинного приёмника СВЧ по выходу детектора находится по формуле:
, Ватт (1.7)
Иногда чувствительность приёмника СВЧ выражают в единицах дБ/Вт, которая определяется по формуле:
В выражении (1.7) обозначено:
— соотношение сигнал/шум по напряжению на выходе линейной части приёмника (до детектора);
— коэффициент, характеризирующий уменьшение отношения сигнал/шум по мощности на выходе детектора;
Дж/град – постоянная Больцмана;
К — температура по Кельвину;
— эффективная шумовая полоса приёмника, Гц;
— коэффициент шума приёмника;
; — шумовая температура антенны;
Коэффициент зависит от вида модуляции сигнала:
При приёме сигналов с амплитудной модуляцией (АМ) [4]:
(1.8,а)
где — коэффициент модуляции.
При приёме сигналов с частотной модуляцией (ЧМ) [4]:
(1.8,б)
где — коэффициент модуляции, а — девиация частоты и — максимальная частота спектр модулирующего сигнала.
При приёме импульсных радиосигналов [2]:
(1.8,в)
Шумовая температура антенны определяется из графика (рис.) в зависимости от частоты входного сигнала:
, ГГц
Рис.5По известным параметрам приёмника чувствительность его можно определить по формуле (1.7).
На практике в ТЗ обычно задают требуемую чувствительность при необходимом соотношении сигнал/шум (достоверности сообщения) на выходе приёмника .
В этом случае обеспечение чувствительности сводится к расчёту допустимого коэффициента шума приёмника по известной чувствительности и рассчитанной по формуле (1.2) полосе пропускания приёмника при соблюдении условия:
(1.9)
где — реальный коэффициент шума приёмника.
Из формулы (1.7) получаем:
(1.10)
После расчета допустимого коэффициента шума по формуле (1.10) приступают к синтезу реального коэффициента шума приёмника :
(1.11)
где — коэффициент шума -го каскада, начиная от входа;
— коэффициент передачи по мощности -го каскада.
При эскизном (предварительном) проектировании функциональной схемы приёмника параметры и определяют эвристически, т.е. на основании выбранной структурной схемы, выбранной элементной базы, существующих рекомендаций и опыта разработчика.
Для чувствительных и высокоизбирательных супергетеродинных приёмников СВЧ коэффициент шума (без учёта влияния подводящего фидера) определяется по формуле:
(1.12)
где и — коэффициент шума и коэффициент передачи по мощности входной цепи;
и — коэффициент шума и коэффициент передачи по мощности УРЧ;
и — коэффициент шума и коэффициент передачи по мощности преобразователя частоты;
— коэффициент шума УПЧ.
Параметры некоторых каскадов ориентировочно могут быть найдены из таблицы 1.2. Таблица 1.2
Видкаскада
Среднестатистичес-кий коэффициент передачи по мощности
Коэффициент шума активного элемента
Формула для расчёта коэффициента шума каскада
Входная цепь в виде:- коаксиальных и объемных резонаторов с воздушным заполнением- несимметричных МПЛ с диэлектрической подложкойУсилитель (радио) высокой частоты:- на б/п транзисторах СВЧ- на туннельных диодах- на параметрических диодахПреобразователь частоты:- транзисторный- диодныйУсилитель промежуточной частоты(1-ый каскад с ФНЧ)Широкополосный усилитель промежуточной частоты
0,5-0,90,4-0,75-1030301-30,1-0,31-55-10
—2-42-31,5-22-43-53-5

После определения коэффициента шума приемника по формулам (1.11-1.12), проверяется неравенство (1.9).
Если по результатам расчета получено , принимают меры по уменьшению коэффициента шума приемника в качестве которых можно использовать следующее:
— применить второй каскад УРЧ;- использовать на входе малошумящие каскады т.е. уменьшить потери во входной цепи или использовать малошумящий УРЧ.
Если по результатам расчета по формуле (1.12) получено, что , можно упростить схему приемника, исключив из нее УРЧ.
В обоих случаях пересчитывается заново и проверяется неравенство (1.9).
Необходимо помнить, что выбранные величины и являются исходными данными для последующего электрического расчета каскадов приемника. Если в результате электрического расчета каскадов обнаружится существенное отклонение этих величин от выбранных значений, коэффициент шума приемника уточняется до соблюдения неравенства (1.9). Соблюдения условия является гарантией того, что чувствительность приемника будет не хуже заданной.
Чувствительность СВЧ приемника прямого усиления (детекторного приемника) определяется по формуле [5]
(1.13)
где — заданное отношение сигнал/шум (по напряжению) на выходе линейной части приемника (до детектора);
— ухудшение отношения сигнал/шум на детекторе (находится по
формулам(1.8а,б,в));
Дж/град — постоянная Больцмана;
— абсолютная температура по Кельвину ();
— эффективная полоса пропускания в/ч тракта;
— коэффициент шума приемника;
— эффективная полоса пропускания н/ч тракта (после
детектора;)
— коэффициент передачи по мощности в/ч тракта;
— добротность детектора;
— чувствительность детектора по току;
— выходное сопротивление детектора;
— шумовое сопротивление усилителя н/ч.
Параметры некоторых детекторных диодов даны в таблице 1.3Таблица 1.3
Тип Диода
, см
,см
а/Вт
, кОм
, Вт
ДК-В1ДК-В7Д602АД6032А202А
9-302,9-5,42,7-606-60
9,83,23,210
0,80,41,54,02,5
15100,2-0,60,3-0,90,4-1
40
Из формулы (1.13) допустимый коэффициент шума приемника прямого усиления получаем равным
(1.14)
Обеспечение заданной чувствительности приемника прямого усиления ведется аналогично супергетеродинному приемнику, то есть, проверяется неравенство (1.9), где коэффициент шума синтезируется по формуле (1.11).
Техническим заданием устанавливаются требования к ослаблению мешающих сигналов (помех).
В приемниках прямого усиления к ним относятся сигналы соседних радиостанции – соседний канал приема (ослабление ).
В супергетеродинных приемниках помехами являются соседний и побочные каналы приема (ослабление и ).
В приемниках прямого усиления соседний канал ослабляется фильтрами, настроенными на частоту сигнала (фильтрами СВЧ).Наиболее опасными побочными каналами супергетеродинного приемника считаются зеркальный канал на частоте
побочный канал на промежуточной частоте и побочный канал, удаленный от сигнала на половину промежуточной частоты
В супергетеродинном приемнике каналы побочного приема должны быть отфильтрованы в преселекторе (входная цепь и УРЧ), соседний канал фильтруется в УПЧ.
Величина ослабления мешающих сигналов определяется количеством контуров (резонаторов) фильтра, их добротностью, видом АЧХ фильтра, величиной промежуточной частоты .
Обеспечение заданной избирательности супергетеродинного приемника целесообразно начинать с расчета избирательности по побочным каналам приема.Для этого необходимо определить место и количество фильтров СВЧ в преселекторе приемника и уточнить структурную схему преселектора.
В случае отсутствия УРЧ избирательность будет обеспечиваться только фильтрами входной цепи (рис. 6).
Рис. 6При наличии УРЧ избирательность по побочным каналам может быть обеспечена двумя схемами преселектора. В схеме преселектора рис.7 использована избирательная входная цепь и широкополосный УРЧ
Рис. 7
В схеме преселектора рис. 8 заданная избирательность разделена между входной цепью и фильтром УРЧ.
Рис.8Количество звеньев фильтра входной цепи рис. 8 будет меньше чем в схеме рис. 7, поэтому потери и коэффициент шума ее меньше.После выбора схемы преселектора можно приступать к расчету класса фильтров СВЧ (количества резонаторов) и выбору промежуточной частоты, если она не задана в задании.
При выборе промежуточной частоты супергетеродинного приемника руководствуются следующими соображениями:
— чем ниже промежуточная частота, тем легче обеспечить избирательность по соседнему каналу и получить устойчивое усиление на один каскад УПЧ;
— чем выше промежуточная частота, тем лучше избирательность по побочным каналам приема, в частности, по зеркальному каналу .
Итак, требования к выбору промежуточной частоты противоречивы. При умеренных требованиях к избирательностям по соседнему и зеркальному каналам приема для профессиональных приемников СВЧ промежуточную частоту целесообразно выбирать в диапазоне от 20 МГц до 100 МГц т.е
МГц (1.15)
Указанный диапазон обеспечен усилительными элементами (транзисторами и микросхемами), а разработка и изготовление фильтров с высокой изобретательностью не представляет особых затруднений.Необходимо помнить, что промежуточная частота, выбранная близко к нижней границе диапазона (1.15) упростит схему фильтра промежуточной частоты (ФСИ), а промежуточная частота, выбранная у верхней границы (1.15) уменьшит количество звеньев фильтра СВЧ на входе приёмника.
При высоких требованиях по избирательности и необходимо применение двух промежуточных частот (двойное преобразование частоты).
После выбора промежуточной частоты необходимо определить тип полинома, аппроксимирующий АЧХ фильтров СВЧ преселектора: чебышева или баттерворта.
При выборе апироксимирущего полинома руководствуются следующими соображениями: чебышевские фильтры имеют большую крутизну характеристики затухания, чем баттервортовские, однако баттервортовские фильтры вносят меньше фазовых искажений.Класс фильтра (количество резонаторов) определяется из графиков рис. 9 для баттервортовских и рис. 10 для чебышевских фильтров [6,7].
Рис.9
Рис.10На рис. 9 и рис. 10 обозначено:
— полоса пропускания фильтра на уровне 0,7 от максимума;
— полоса запирания фильтра при заданном ослаблении;
— класс (порядок) фильтра, равный числу элемента в прототипе
или количеству резонаторов фильтра;
— заданное ослабление вне полосы фильтра;
— пульсации на вершине чебышевской характеристики.
Из помех по побочным каналам наиболее опасной является помеха по зеркальному каналу приема. Поэтому будем считать, что полоса запирания фильтров преселектора определяется зеркальным каналом.
Например, если приемник настроен на среднюю частоту , промежуточная частота , то зеркальный канал равен
Вследствие симметрии характеристики затухания полоса запирания фильтра равна .
Полоса пропускания фильтров преселектора берется в несколько раз большей полосы пропускания приемника, рассчитанной по формуле (1.2).
Класс фильтра , равный числу элементов прототипа или количеству резонаторов фильтра, определяется из вышеприведенных графиков рис.9 или рис.10 по заданному ослаблению зеркального канала , дБ = , дБ.
В приёмниках прямого усиления по графикам рис.9 и рис.10 определяется количество звеньев фильтров необходимых для подавления соседнего канала. В этом случае надо помнить .
где — средняя частота настройки приемника;
— ближайший соседний канал приема.
Полосу пропускания фильтра здесь необходимо брать по формуле (1.2) т.е.
Если промежуточная частота супергетеродинного приемника задана в задании, находят параметр
и по заданному ослаблению зеркального канала , дБ по графикам рис.9 или рис.10 находят количество звеньев фильтра входной цепи.

Оцените статью
Добавить комментарий