МАЛОШУМЯЩИЕ УСИЛИТЕЛИ

Основные требования. От МШУ стремятся получить большое усиление сигнала и малые собственные шумы. Коэффициент усиления мощности МШУ должен быть большим, чтобы шумы последующих каскадов прием­ника практически не влияли на его коэффициент шума. Эффективная шумовая температура МШУ лежит в пределах 80...2000 К, в зависимости от назначения приемника. Полоса пропускания должна составлять сотни мегагерц для МШУ, предназначенных для одновременного усиления сигналов нескольких стволов, и десятки мегагерц для МШУ, работающего на один ствол. Как любое устройство высокочастотного тракта, МШУ должен иметь равномерные АЧХ и характеристику ГВЗ. Определенные требования предъявляют к конструкции МШУ. В приемниках земных станций предпочтительна конструкция, позволяющая разместить МШУ в непосредст­венной близости от антенны: в подзеркальной кабине либо в фокусе антенны. Она позволяет исключить АФТ, следовательно, снизить потери сигнала и увеличить отношение сигнал-шум на входе МШУ. Для при­емников КС ССС важны малые потребление, габариты, масса.

Основные типы МШУ. К ним относят усилители на ЛБВ, усилители на туннельных диодах (УТД), параметри­ческие и транзисторные. Малошумящие усилители на ЛБВ и УТД имели одинаковою область применения — приемники КС ССС.

Усилители на туннельных диодах обычно обеспечивают коэффициент усиления 15...20 дБ и коэффициент шу­ма 5...8 дБ, а их полоса пропускания может достигать f1. Они являются регенеративными усилителями. Для УТД характерны такие недостатки, как малый динамический диапазон, нестабильность параметров, неустойчи­вость работы. В связи с достижениями в области разработки малошумящих СВЧ транзисторов появилась тенденция замены УТД транзисторными МШУ.

Параметрические усилители (ПУ) широко применяют в приемниках ТРЛ и земных станций ССС.

Контрольные вопросы

1. Чем отличается РРЛ прямой видимости от тропосферных радиорелейных линий?

2. Структурная схема РПУ, принцип работы.

3. Дайте понятие коэффициенту шума приемника.

4. Что такое чувствительность приемника?

5. Что такое избирательность приемника?

6. Дайте понятие нелинейным искажениям принимаемого сигнала.

7. Основные требования, предъявляемые к МШУ?

8. Основные типы МШУ.

9. Параметрические усилители, принцип действия.

Задание на СРС

3.1. Рис.11.8 [ОЛ6.1] стр 378 Поясните причину появления шумов в РПУ РРЛ.

Задание на СРСП

4.1. Составить структурную схему параметрического МШУ РРЛ.

Глоссарий

Термин	Каз. яз.	Англ. яз
Малошумящие усилители Параметрические усилители Избирательность Чувствительность Искажения Тропосферные РРЛ Разнесенный прием		Малошумящие amplifiers Parametrical amplifiers   Selectivity Sensitivity Distortions Tropospheric РРЛ The carried reception

ЛЕКЦИЯ №11

Приемные устройства систем спутниковой связи и вещания

Краткое содержание лекции

В системах спутниковой связи имеются сеть земных станций (ЗС) и промежуточные активные бортовые ретрансляторы (БРТр), размещенные на искусственных спутниках Земли (ИСЗ). Для фи­ксированной и радиовещательной спутниковых служб выделены полосы частот в диапазоне 0,62...275 ГГц, наилучшими для систем связи через ИСЗ являются частоты в диапазоне 2... 8 ГГц, наибо­лее широко на линиях Земля—ИСЗ («линия вверх») используют­ся полосы в диапазонах 6, 14 и 17 ГГц, а на линиях ИСЗ—Земля («линия вниз») — полосы в диапазонах 4 и 12 ГГц. Аналоговые сигналы передаются в системе частотное разделение каналов - частотная модуляция ЧРК-ЧМ, передача дискретных сиг­налов осуществляется с помощью фазовой манипуляции (ФМп). На ЗС используются мощные РПдУ и антенны с высоким коэффициентом усиления.

Обобщенная структурная схема РПрУ ЗС показана на рис. 1. Принятый антенной сигнал усиливается широкополосным МШУ с весьма низкой шумовой температурой и с помощью распредели­тельного устройства (РУ) направляется на преобразователи часто­ты по числу принимаемых стволов, где преобразуется в промежу­точную частоту, обычно 70 МГц. Далее сигналы проходят обработ­ку в трактах промежуточной частоты и поступают на демодуля­торы.

Рис. 1 Рис. 2

 

В качестве МШУ используются охлаждаемые или неохлаждаемые полупроводниковые параметрические усилители ППУ, транзисторные усилители и устройства комбинирован­ного типа, в которых первые каскады — ППУ, а последующие — транзисторные. Полоса усиления в диапазонах 4 и 12 ГГц обычно 500 МГц, в дециметровом - 50...200 МГц. Комбинированные уси­лители и ППУ имеют более низкие шумовые температуры (30......90 К), однако обладают и рядом недостатков, которые услож­няют их использование на ЗС: пониженной надежностью и значи­тельным энергопотреблением, обусловленными генераторами на­качки, а также повышенной чувствительностью характеристик к изменениям окружающей температуры. Охлаждение улучшает их шумовые параметры, однако сопровождается увеличением объема, массы, стоимости, потребляемой энергии за счет криогенной систе­мы, необходимостью размещения в аппаратном зале, что повышает шумовой вклад потерь фидерного тракта. Поэтому охлаждаемые МШУ применяют лишь в стационарных ЗС, когда необходим очень низкий уровень шумов, а повышенные стоимость и сложность экс­плуатации менее существенны. Вообще наблюдается тенденция за­мены ППУ и комбинированных МШУ транзисторными усилителя­ми с шумовыми температурами 120...270К, устанавливаемыми вблизи облучателя антенны. Снижение шумовой температуры уси­лителей может достигаться применением экономичного и надежно­го термоэлектрического охлаждения первого каскада на основе эффекта Пельтье.

Распределение энергии СВЧ сигнала между стволами (рис. 1) может осуществляться как избирательными, так и ши­рокополосными РУ. Первые представляют собой набор ПФ, вклю­ченных в цепочку развязывающих ФЦ, при этом на вход каждого неперестраиваемого ПЧ поступает сигнал только одного ствола. Широкополосные РУ, используемые с перестраиваемыми ПЧ, на входах которых присутствуют сигналы всех стволов, строятся на базе НО различных типов. Возможность одновременного действия на входе ПЧ сигналов всех стволов предъявляет повышенные требования к избирательности по побочным каналам приема, особенно по зеркальному (до 60 дБ). Такие ПЧ должны, кроме того, иметь минимальную нерав­номерность АЧХ и характеристик ГВЗ в широкой полосе частот высокую линейность при больших сигналах. В качестве нелинейных элементов в них наиболее широко применяются ДБШ (диод с барьером Шотки), в отдель­ных случаях используют смесители на одно- и двухзатворных ПТШ (полевой транзистор с затвором Шотки). Смесители строятся по однотактной схеме с согласованием по зер­кальной и суммарной частотам, а также по балансной, двойной балансной, кольцевой и другим схемам. Однотактные смесители реализуются чаще всего в волноводном исполнении, балансные — в микрополосковом.

Используется двойное преобразование частоты с достаточно-высокой первой промежуточной частотой, чтобы вывести зеркаль­ные каналы приема и частоту первого гетеродина за пределы при­нимаемой полосы частот. При этом перестройка на любой ствол осуществляется переключением частоты первого гетеродина, а из­бирательность по зеркальному каналу второго ПЧ обеспечивается: ПФ на выходе первого преобразователя.

Основными требованиями к гетеродинам являются высокая долговременная стабильность частоты (лучше 2*10^-6) и низкий уровень ЧМ шумов, что диктуется применением на спутниковых линиях аппаратуры с частотным многостанционным доступом типа «один канал на несущей». Этим требованиям удовлетворяют гете­родины по схеме транзисторно-варакторной цепочки, возбуждае­мой кварцевым генератором.

Тракты промежуточной частоты и демодуляторы приемников ЗС (рис. 2) принципиально не отличаются от аналогичных уст­ройств РРЛ прямой видимости. Усилители ПЧ выпол­няются по схеме с сосредоточенной избирательностью, причем стремление обеспечить высокую (25... 50 дБ) избирательность по побочным каналам и в то же время минимизировать эквивалент­ную шумовую полосу приемника заставляет применять в качестве ФСИ многоконтурные LC-фильтры высокого порядка с дополни­тельными полюсами затухания и крутыми скатами АЧХ. Аперио­дические каскады УПЧ реализуются на двух БТ с глубокой ООС или на ИМС. Отсутствие глубоких замираний сигнала на спутни­ковых линиях позволяет в отличие от наземных РРЛ применять АРУ с глубиной, не превышающей 15...20 дБ. В демодуляторе используются высококачественный АО и ЧД с высокой линейностью модуляционной характеристики. В видеоусилителе осуществляется не только усиление напряжения, но и восстановление первоначального спектра видеосигнала.

Телевизионное вещание через ИСЗ осуществляется двумя способами. При использовании распределительной сети сигналы с ИСЗ принимаются ЗС, а затем телевизионные сообщения поступают на ближайшие телецентры, ретранслирующие их для приема на обычные телевизоры. В системах непосредственного телевизионного вещания (НТВ) прием сигналов с ИСЗ осуществляется непосредственно населением на более простые антенны и приемники. Построение РПрУ ЗС первого типа и станций НТВ для коллектив­ного приема в диапазонах 702.. 726 МГц и 3,65... 3,7 ГГц в принципе мало отличается от описанных выше. В системах НТВ в диапазоне 11,7.. 12,5 ГГц для индивидуального приема могут применяться очень простые антенны диаметром около 0,9 м и усилитель­но-преобразовательные блоки (конверторы), совмещенные с облу­чателем.

В типичном конверторе с Ш= 1,2... 1,5 дБ, Кр = 50... 65 дБ принятый антенной сигнал усиливается в двух-трехкаскадном транзисторном МШУ, затем его частота понижается в ПЧ до про­межуточной частоты в полосе 950... 1750 МГц и после усиления: в УПЧ сигнал поступает на обычный телевизор. Для повышения чувствительности приемной системы в первых каскадах МШУ при­меняются малошумящие ПТШ с высокой подвижностью электро­нов. Смесители выполняются на ДБШ (Ш _ПЧ 7 дБ, К_РПЧ = ~7 дБ) или ПТШ (Ш_ПЧ =4...5 дБ, К_РПЧ =0 дБ). Гетеродин — автогенератор наПТШ, стабилизированный диэлектрическим резонатором и обеспе­чивающий мощность 2... 6 мВт при относительной стабильности частоты ±3-10^-4 в диапазоне температур—20...+60° С. Усилители промежуточной частоты с Кр 30 дБ строятся на ИМС или дис­кретных транзисторах, между каскадами включаются цепи, вырав­нивающие АЧХ.

Важной частью системы спутниковой связи является БРТр — приемопередающее устройство, предназначенное для приема сиг­налов от одной или нескольких передающих ЗС, их усиления и дальнейшей передачи в направлении одной или нескольких прием­ных ЗС. Существует несколько вариантов схемы построения одно­го ствола БРТр: гетеродинного типа; с однократным преобразова­нием частоты; с демодуляцией или обработкой сигнала на борту. Так как приемные антенны ИСЗ ориентированы в сторону Земли, они принимают ее шумы, шумы атмосферы и космические, поэтому эффективную шумовую температуру приемников БРТр ТШЗС выби­рают исходя из соотношения ТШБ =(10…20) ТШЗС, где ТШЗС - шумовая температура РПрУ ЗС, работающей с данным ИСЗ. По­скольку приемники ЗС с МШУ различных типов имеют суммар­ную шумовую температуру 40...300 К, ТШБ может находиться в пределах 800... 6000 К. Такие шумовые параметры обеспечивают­ся при использовании в качестве входных каскадов транзисторных МШУ. Благодаря своей простоте и надежности широкое примене­ние нашли также ПЧ на ДБШ и транзисторах.

Рис.3

На рис. 3 приведена типовая структурная схема приемника ТРТр с однократным преобразованием частоты, работающего в диапазоне 14/12 ГГц. Входные сигналы частоты 14 ГГц усилива­ются двумя МШУ, в качестве которых используются стандартные усилители на двух каскадно включенных ПТШ с согласующими цепями на МПЛ, имеющие Кр= 14 дБ, ШМшу=ЗдБ. Конструкция трех усилителей на 11,7 ГГц аналогична. Для обеспечения устой­чивости обладающего большим усилением тракта все его каскады развязаны с помощью ФВ. На выходе кольцевого микрополоскового смесителя включен волноводный режекторный фильтр, ослабляющий пятую (11,5 ГГц) и шестую (13,8 ГГц) гармоники гетеро­дина, построенного по схеме транзисторно-варакторной цепочки. Регулируемый аттенюатор на p-i-n-диодах позволяет по командам с Земли корректировать усиление тракта до 3,5 дБ с шагом 0,5 дБ. Аналогично строятся приемники диапазонов 6/4 и 17/12 ГГц, по­следний из которых обычно используется в БРТр систем НТВ.

Контрольные вопросы

2.1. Как организована связь через ИСЗ?

2.2. Каковы преимущества и недостатки приемников с многократным преобразованием частоты.

2.3. Каковы особенности структурных схем приемников систем спутниковой связи?

2.4. Каковы особенности структурных схем приемников систем спутникового вещания?

2.5. Приведите схему и поясните особенности тракта промежуточной частоты и демодулятора ЗС.