ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И.Н.Ульянова»
Факультет радиотехники и электроники
Кафедра ТСТ
Реферат
на тему:
«Спутниковые конверторы»
Выполнил: студент группы
РТЭ 42-04 Кузьмин С.М.
Проверил: преподаватель
Пастухов А.С.
Чебоксары
2008
Оглавление

КОНВЕРТОРЫ
Общие сведения
Источники шумов в конверторе
Технология изготовления
Конвертор с однократным преобразованием частоты
Конвертор с двойным преобразованием частоты
LNB
Элементы конвертора
Волноводно-полосков й переход
Малошумящий усилитель
Полосовой фильтр
Гетеродин
Фазовые шумы гетеродина
Смеситель
Предварительный усилитель промежуточной частоты
Устройство питания
Полнодиапазонные конверторы
Универсальные конверторы
Конверторы с несколькими выходами

КОНВЕРТОРЫ

Типичная удельная мощность сигнала, попадающего на вход конвертора, при размерах рефлектора антенны 3 м в С-диапазоне составляет 10 ^-14 Вт/м² . Следовательно, конвертор должен обладать очень низким уровнем собственных шумов. Это стало возможным только с созданием малошумящих транзисторов СВЧ, без которых спутниковое вещание не достигло бы такого прогресса.

Общие сведения

Технология производства конверторов для СНТВ основана на опыте, накопленном при создании малошумящих усилителей (LNA -- Low Noise Amplifier). Малошумящий усилитель только усиливает сигнал, тогда как конвертор (LNB -- Low Noise Blockconvertor), помимо обеспечения необходимого усиления при минимально возможном уровне шумов, преобразовывыет частоты сигнала до частоты, воспринимаемой спутниковым приемником: 950 -- 1750 МГц или 900 -- 2150 МГц (расширенный).

Первые СВЧ-усилители, использовавшиеся в радиоастрономии, были созданы на основе обычных параметрических усилителей. В них применялись туннельные диоды, которые охлаждались жидким азотом или гелием. Это позволяло значительно снизить уровень собственных шумов устройства за счет замедления движения молекул. Усилители имели большие габариты, вес, потребляли много энергии и работали в узкой полосе частот.

Использование арсенида галлия (GaAs) позволило создать транзистор с очень низким уровнем шума. Эти транзисторы работают почти так, как будто они охлаждены до температуры абсолютного нуля, когда прекращается всякое молекулярное движение. GaAs-транзисторы в настоящее время являются основными при производстве СВЧ-аппаратуры СНТВ.

В ранних спутниковых системах С-диапазона принятый сигнал сначала усиливался в LNA, а затем частота его понижалась в отдельном блоке, который носит название LNC (LowNoise Converter--малошумящи преобразователь). Это требовало применения дорогого коаксиального кабеля и разъемов с малыми потерями сигнала, максимально близкой установки антенны и спутникового приемника. В целом система имела ряд серьезных ограничений, была трудно устанавливаема и дорога.

Существенным конструктивным улучшением системы было выделение устройства понижения частоты в отдельный блок и его установка вблизи малошумящего преобразователя. Это позволило применить более дешевый коаксиальный кабель и увеличить его длину до 100 м без введения дополнительных линейных усилителей.

Следующим, вполне логичным шагом было объединение LNA и малошумящего преобразователя в одно устройство -- LNB. Именно LNB подразумевается в настоящее время под словом конвертор.

LNB первых выпусков весили почти 3 кг и имели коэффициент шума в Ku-диапазоне 4 --5 дБ. Современные конверторы С-диапазона имеют шумовую аппаратуру до 15 К, а Ku-диапазона -- коэффициент шума до 0,5 дБ. Их вес составляет 300 -- 400 г.

Использование различных параметров для характеристики уровня собственных шумов, обусловлено следующим обстоятельством. Уровень собственных шумов конверторов С-диапазона варьируется весьма незначительно, поэтому, если его выразить в Кельвинах, будет обеспечена большая наглядность.

Сегодня имеются два типа малошумящих транзисторов СВЧ, доступных проектировщикам и изготовителям бытовой СВЧ-аппаратуры: НЕМТ-транзисторы (High electron mobility transistor), обладающие высокой подвижностью электронов, и полевые транзисторы с барьером Шотки (ПТШ).

ПТШ начали использоваться с начала 70-х годов, в то время как НЕМТ стали коммерчески доступны только с 1987 г. Основное различие между ними состоит в том, что НЕМТ имеет меньший коэффициент шума на заданной частоте, чем ПТШ, однако последний обладает более высоким коэффициентом усиления.

В качестве примера приведем основные параметры популярных НЕМТ-транзисторов фирмы NEC:

NE 42484 -- коэффициент шума 0,6 дБ, усиление 10,5 дБ на частоте 12 ГГц

NE 32584 -- коэффициент шума 0,45 дБ, усиление 12 дБ на частоте 12 ГГц

NE32984 -- коэффициент шума 0,4 дБ, усиление 12,5дБ на частоте 12ГГц

Ведущие научно-исследовательс ие лаборатории различных компаний работают над созданием следующего поколения НЕМТ-транзисторов. Вместо арсенида галлия планируется использовать фосфид индия (InP). Уже появились сообщения об InP НЕМТ-транзисторе с коэффициентом шума 0,3 дБ и усилением 17 дБ на частоте 12 ГГц. Планируется использовать два таких транзистора вместо трех GaAs.

Источники шумов в конверторе

Понятие шума является одним из основных при рассмотрении спутниковой радиосвязи. Уровень шума определяет минимальную величину сигнала, который может быть принят приемным устройством, т. е. такую важнейшую его характеристику, как чувствительность.

Шумы, действующие в цепях приемного устройства, по своему происхождению могут быть внешними и внутренними. К первым относятся космические шумы, шумы атмосферы, квантовые шумы сигнала и фоновых засветок, ко вторым -- э. д. с. и токи, возникающие в элементах приемного тракта за счет хаотического движения носителей электрических зарядов.

Источниками внутренних шумов приемного устройства являются резисторы, колебательные цепи, активные элементы.

Физическую природу собственных шумов можно пояснить на примере тепловых шумов, возникающих в проводниках. Как известно, кристаллическая решетка любого проводника содержит свободные электроны, находящиеся в непрерывном тепловом хаотическом движении, интенсивность которого зависит от температуры. Во время движения электроны взаимодействуют друг с другом, в результате чего изменяются направление и скорость их перемещения. Каждое перемещение электрона между двумя взаимодействиями можно рассматривать как элементарный импульс тока. В сумме все элементарные импульсы (средняя длительность которых примерно 10^-13 с) и создают шумовое напряжение в проводнике.

Коэффициент шума конвертора измеряется при комнатной температуре и может отличаться от номинального значения на величину до 0,01 дБ/°С.

Условия эксплуатации конверторов являются весьма жесткими: на них непосредственно воздействуют атмосферные осадки и перепады температур, зависящие от климата региона. Конвертор является необслуживаемым устройством, поэтому должна обеспечиваться их полная взаимозаменяемость без каких-либо дополнительных регулировок. Соединения и корпус должны быть пыле- и влагозащищенными.

Основные технические характеристики конвертора:

Диапазон принимаемых частот

Коэффициент шума

Нестабильность частоты гетеродина

Коэффициент усиления

Фазовые шумы

Усиление современного конвертора составляет 50 -- 70 дБ. Для обеспечения эффективной работы приемного комплекса величина этого параметра очень важна.

Недостаточное усиление равнозначно применению антенны меньшего диаметра, чрезмерное усиление приведет к перегрузке входных цепей приемного устройства. В целом же усиление конвертора должно быть согласовано с длиной кабеля (затуханием в нем сигнала) и чувствительностью приемного устройства. По оценкам специалистов, рекомендуемое усиление должно составлять минимум 50 дБ, максимум 60 дБ. Следует отметить, что это значение уменьшается на 0,2 -- 0,3 дБ при повышении температуры на каждые 10°С.

Технология изготовления

С точки зрения конструктивно-технол гических методов исполнения конверторы можно разделить на три группы:

По технологии поверхностного монтажа

По гибридной технологии

По технологии монолитных интегральных схем СВЧ

Схемы отдельных узлов конверторов первой группы выполняются на подложках из органических диэлектриков с использованием технологии поверхностного монтажа. Основное достоинство конверторов данного типа -- дешевизна производства. Ввиду того, что недорогие органические диэлектрики типа дюроида, армированного фторопласта, арилокса с наполнителем имеют большие температурные коэффициенты расширения, при большом количестве термоциклов иногда возникают микротрещины и, как следствие, отказы.

Вторая группа конверторов изготовляется по технологии гибридных интегральных микросхем (ГИС) СВЧ. В качестве подложек в них используются неорганические диэлектрики из окиси алюминия или глиноземной керамики типа поликор. Эти подложки либо непосредственно, либо через термо-компенсирующие прокладки припаиваются к корпусу. Проводники, резисторы, индуктивности и, частично, конденсаторы выполняются в этом случае путем напыления методами тонко- или толстопленочной технологии. Активные элементы (диоды и транзисторы) изготовляются в виде отдельных кристаллов арсенида галлия и привариваются в соответствующие точки схемы с помощью коротких выводов. Достоинствами таких конверторов являются малые габариты, высокая надежность и возможность настройки.

В основе конверторов третьей группы лежит технология монолитных интегральных схем СВЧ. Преимущественно используются арсенидгаллиевые и реже кремниевые подложки. Преимущества подобных схем: крайне малые размеры, высокая надежность, воспроизводимость, минимальные реактивные параметры. Однако существуют технологические трудности, связанные с воспроизводством многослойных структур из арсенида галлия, реализацией сложных элементов СВЧ-схем (сквозных контактов и воздушных перемычек), повышением добротности и расширением диапазона номиналов конденсаторов, катушек индуктивности и отрезков линии передачи. Последняя проблема имеет особое значение, так как для уменьшения размеров и стоимости микросхемы пассивные элементы приходится делать сосредоточенными, а это приводит к уменьшению их добротности.

Технологические трудности при производстве таких конверторов в основном и определяют их высокую стоимость. Разработка конверторов, несмотря на простоту выполняемых ими функций, достаточно сложна, так как должна решаться проблема массового производства недорогой техники сантиметровых волн.

По мере развития конструкции конверторов происходила отработка методов преобразования частоты.

Конвертор с однократным преобразованием частоты

Устройство понижения частоты в первых спутниковых системах С-диапазона работало по принципу однократного преобразования (рис. 4.1, а).

Выбор необходимого канала здесь осуществляется подачей управляющего напряжения на гетеродин, что вызывает его перестройку. Основной недостаток такой системы заключается в явлении интерференции на близлежащих каналах. Поэтому приходилось использовать дорогие и сложные схемы фильтрации.

Рисунок.. 4.1. Функциональная схема преобразования частоты в конверторе: a -- однократное преобразование; б -- двойное преобразование; е -- преобразование частоты в LNB

Конвертор с двойным преобразованием частоты

Использование схемы с двойным преобразованием сигнала (рис. 4.1, б) позволило устранить недостатки, присущие конверторам с однократным преобразованием. Однако в результате этого увеличилась сложность и стоимость конструкции за счет использования второго гетеродина и смесителя, а также возникла необходимость в применении второго полосового фильтра и усилителя промежуточной частоты.

LNB

Конструкция LNB основана на использовании гетеродина, настроенного на фиксированную частоту и стабилизированного объемным диэлектрическим резонатором (рис. 4.1, в). Весь диапазон частот, принимаемый конвертором, понижается в смесителе и подается в спутниковый приемник, где происходит дальнейшее преобразование и выбор канала.

По сравнению с конверторами однократного и двойного преобразования, LNB имеет существенное преимущество: через него проходят все каналы данного диапазона, что позволяет использовать один конвертор для приема разных программ несколькими спутниковыми приемниками одновременно. Также следует отметить большую устойчивость настройки, так как выбор канала производится в закрытом помещении, где электронные компоненты защищены от перепадов температуры и влажности (устойчивость системы в основном определяется характеристиками гетеродина конвертора).

Элементы конвертора

В настоящее время существуют разнообразные схемотехнические решения, используемые при построении бытовых конверторов. Структурная схема типового конвертора представлена на рис. 4.2.

Рисунок.. 4.2. Классическая структурная схема конвертора:

ВПП -- волноводно-полосковы переход; МШУ -- малошумящий усилитель; ПФ -- полосовой фильтр; См -- смеситель; Гет -- гетеродин (СВЧ генератор, входящий в состав преобразователя частоты); ПУПЧ -- предварительный усилитель промежуточной частоты; УП -- устройство питания

Волноводно-полосковы переход

Волноводно-полосковы переход предназначен для согласования входной микрополосковой линии первого каскада МШУ с выходом поляризатора облучателя антенны. Это наиболее распространенный элемент соединения волновода с микрополосковой линией, позволяющий добиться хороших электрических параметров при малом уровне отражений и потерь в заданной полосе частот.

Волноводно-полосковы переходы, строго говоря, являются переходами сначала на коаксиальный кабель, а затем уже на полосковую линию. Вносимые потери зависят от качества исполнения и составляют около 0,25 дБ. Важным условием является полная герметизация в месте погружения зонда. Примеры исполнения волноводно-полосковы переходов представлены на рис. 4.3. Необходимое согласование в них производится путем подбора глубины погружения зонда (рис. 4.3, а) или положения короткозамкнутого поршня (рис. 4.3, б).

Рисунок.. 4.3. Волноводно-полосковы переход

Малошумящий усилитель

МШУ должен обеспечивать равномерное усиление во всем рабочем диапазоне с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) +1 дБ и иметь линейную фазочастотную характеристику (ФЧХ). Необходимо также удовлетворить ряд противоречивых требований: обеспечить минимальный коэффициент шума, согласование усилителя по входу, максимальный коэффициент усиления.

Как известно, качество принятого сигнала в значительной степени определяется суммарной шумовой температурой приемной установки. При оценке шумовых характеристик конвертора используется как шумовая температура Т_ш, так и коэффициент шума к_ш, который связан с шумовой температурой соотношением, где Т_H -- нормальная температура окружающей среды (Т_H = 290 К). Если коэффициент шума выражен в децибелах, то:

Т_ш =290(10^kш/10-1).

Графически данное соотношение представлено на рис. 4.4.

Рисунок.. 4.4. Зависимость коэффициента шума от шумовой температуры

На входе конвертора всегда присутствует малошумящий усилитель, состоящий из нескольких усилительных каскадов (обычно 2--4), каждый из которых имеет собственный коэффициент шума и коэффициент передачи номинальной мощностир (kр_ном).

Рассмотрим влияние параметров отдельных каскадов на шумовые характеристики тракта в целом. Для этого объединим все п каскадов в один, с коэффициентом передачи номинальной мощности

и коэффициентом шума

где Р_ш.вых -- суммарная номинальная мощность шумов на выходе тракта, обусловленная собственными шумами каждого каскада; ?f_ш-- полоса пропускания шумов; T_н -- нормальная температура окружающей среды, К (T_Н=290К).

Полагая для простоты рассуждений, что шумовая полоса пропускания практически определяется последним наиболее узкополосным каскадом (в данном случае ПУПЧ), имеем

Поскольку номинальная мощность собственных шумом каскада

то

Поставив выражение (4.1) в (4.2), получим:

Из выражения (4.3) следует, что коэффициент шума многокаскадной схемы в основном определяется коэффициентом шума первых каскадов. Справедливость этого утверждения увеличивается с возрастанием коэффициентов передачи их номинальной мощности. Поэтому для получения малого коэффициента шума всего приемного тракта необходимо, чтобы его первые каскады имели малый уровень собственных шумов и обеспечивали большое усиление сигнала по мощности.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод о чрезвычайной важности таких параметров конвертора (в частности, первых каскадов МШУ), как коэффициент усиления и коэффициент шума.

Практически входные и выходные согласующие цепи первого транзистора рассчитываются на минимальный коэффициент шума, второй каскад настраивается из компромиссных соображений: максимальное усиление при минимальном коэффициенте шума. Влияние коэффициента шума третьего каскада практически неощутимо.

Итак, классический МШУ состоит из трех усилительных каскадов: первые два выполнены на НЕМТ-транзисторах, третий -- на транзисторе с барьером Шотки.

Все каскады МШУ строятся, как правило, на несимметричных полосковых линиях передачи, которые выполняются методом напыления проводящих материалов на керамическую подложку. В СВЧ-диапазоне паразитные реактивные элементы корпуса транзистора оказывают заметное влияние на характеристики МШУ. Чтобы исключить этот эффект, применяют транзисторы в бескорпусном исполнении.

Каждый усилительный каскад (рис. 4.5) состоит из четырех цепей: входной и выходной цепей, цепи смещения и активного элемента.

Рисунок.. 4.5. Усилительный каскад МШУ

Входная цепь предназначена для согласования входного сопротивления активного элемента (транзистора) и обеспечения минимума коэффициента шума.

Выходная цепь служит для согласования выходного сопротивления с последующим каскадом.

Цепь смещения обеспечивает режим работы транзистора по постоянному току.

Наибольшее распространение в МШУ получила схема с общим истоком, так как она обладает большей устойчивостью по сравнению с другими способами включения полевых транзисторов.

Активный элемент представляет собой НЕМТ-транзистор или ПТШ и обеспечивает усиление сигнала.

Полосовой фильтр