Таксономические единицы (категории) растений: Каждая система классификации состоит из определённых соподчиненных друг другу...
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...
Топ:
Процедура выполнения команд. Рабочий цикл процессора: Функционирование процессора в основном состоит из повторяющихся рабочих циклов, каждый из которых соответствует...
Комплексной системы оценки состояния охраны труда на производственном объекте (КСОТ-П): Цели и задачи Комплексной системы оценки состояния охраны труда и определению факторов рисков по охране труда...
Оценка эффективности инструментов коммуникационной политики: Внешние коммуникации - обмен информацией между организацией и её внешней средой...
Интересное:
Аура как энергетическое поле: многослойную ауру человека можно представить себе подобным...
Отражение на счетах бухгалтерского учета процесса приобретения: Процесс заготовления представляет систему экономических событий, включающих приобретение организацией у поставщиков сырья...
Подходы к решению темы фильма: Существует три основных типа исторического фильма, имеющих между собой много общего...
Дисциплины:
2017-11-17 | 603 |
5.00
из
|
Заказать работу |
|
|
I. Теоретическая часть
Общие сведения
Смесители – устройства, предназначенные для преобразования частоты сигнала в другой частотный диапазон с помощью колебаний местного генератора, обычно называемого гетеродином. Общая формула преобразования частоты, осуществляемого смесителем, имеет вид
fвых пр.=n·fг+m·fс,
где fг – частота гетеродина, fс – частота сигнала, n – целое число, равное ±1, ±2,…, и m=±1.
В зависимости от числа n смесители можно разделить на три группы, отличающиеся как назначением, так и электрическими параметрами:
- Смесители с n=±1, вырабатывающие сигнал промежуточной частоты, равный
fвых пр.=fг-fс (n=1, m=-1),
fвых пр.=fс-fг (n=-1, m=1)
Это смесители, работающие на основной гармонике гетеродина; используются либо с целью преобразования частоты входного сигнала в более низкочастотный диапазон (при этом fc≈fг), либо с целью преобразования низкочастотного сигнала fc вверх (при этом fc<<fг). И то и другое необходимо для того, чтобы функции обработки сигнала (его фильтрацию, деление, модуляцию, демодуляцию) осуществить в более низкочастотном диапазоне, где делать это проще. Энергетические потери, характеризующие данные смесители, весьма малы (~10 дБ), а с помощью специальных методов могут быть снижены до 2,5÷4 дБ, что делает возможным использовать их, например, прямо в качестве входных устройств высокочувствительных приемных систем диапазона СВЧ.
- Смесители с n=±3, …, например,
fвых пр.=3fг-fс (n=3, m=-1),
fвых пр.=fс-3fг (n=-3, m=1)
и т.п.
Это смесители, работающие на гармониках гетеродина (отсюда название - гармониковые). Используются как для преобразования частоты вниз (в диапазон ПЧ), так и для преобразования частоты вверх. Имеют большие потери преобразования (могут доходить до 20 дБ), что обусловливает их широкое использование (без принятия специальных мер) только в измерительной аппаратуре и в специальных случаях (например, в синтезаторах частоты).
|
- Особое место занимает группа смесителей на встречно включенных диодах (антипараллельных парах диодов), которые обеспечивают малые потери преобразования и малые шумы при n=±2. Такие смесители называются субгармоническими, а их работа описывается соотношениями
fвых пр.=2fг-fс (n=2, m=-1),
fвых пр.=fс-2fг (n=-2, m=1)
|
В однодиодном смесителе развязка сигнального и гетеродинного входов реализуется с помощью полосно-пропускающих фильтров ППФГ и ППФС, настроенных, соответственно, на центральные частоты сигнала и гетеродина. Недостатком схемы является необходимость замены фильтров при смене рабочих частот, что может существенно сузить область использования таких смесителей. Заметим также, что вывод напряжения ПЧ осуществляется через фильтр низкой частоты, что также можно считать недостатком данной схемы, усложняющим конструкцию смесителя. Другие недостатки рассмотренного смесителя обсуждаются ниже. Однобалансные, или просто балансные, смесители (рис.1.1б) содержат два трансформатора, включенных так, что напряжения, создаваемые каждым из них на другом, равны нулю, так что сигнальный и гетеродинный входы оказываются развязанными независимо от частоты и в отсутствие каких-либо фильтров. Благодаря соответствующей полярности включения диодов напряжение ПЧ образуется в точке «А» (рис.1.1б), то есть в той же точке, где имеется напряжение гетеродина, так что разязка цепей ПЧ и гетеродина, как и в однодиодном смесителе, достигается с помощью ФНЧ – этот недостаток однодиодного смесителя в однобалансном смесителе оказывается непреодоленным. Вместе с тем однобалансный смеситель имеет, помимо снятия необходимости использования по
|
I(1)ПЧ~UГ·UС – для верхнего диода,
I(2)ПЧ~–(–UС·UГ)=UС·UГ – для нижнего диода,
на входе фильтра ПЧ складываются и образуют полезный сигнал на промежуточной частоте на выходе ФНЧ). Второе преимущество балансной схемы над однодиодной становится очевидным, если подробнее рассмотреть процессы преобразования в смесителе, в частности, генерации так называемых холостых частот в смесителе – прежде всего суммарной комбинационной и частоты зеркального канала. Первая образуется просто как продукт смешивания fГ и fС с результатом fГ+fС (помимо полезной fПЧ=|fС–fГ|); вторая образуется, в основном, как продукт смешивания второй гармоники гетеродина и частоты сигнала с результатом |2fГ–fС|=|fГ+fГ–fС|=|–fГ–fГ+fС|=|–fГ+fПЧ|=|fГ–fПЧ|=fЗ – частотой зеркального канала. Источником обоих колебаний является сигнал, так что, возникнув, эти колебания могут унести значительную часть его энергии, увеличив потери преобразования в полезную, промежуточную, частоту. Предотвратить бесполезное рассеяние мощности на указанных частотах в трактах сигнала и гетеродина можно, разместив в них соответствующие фильтры, отражающие волны на этих частотах назад к диодам смесителя и, таким образом, принуждая их участвовать в повторном преобразовании частоты с целью преобразоваться в промежуточную частоту. Хотя вследствие установки фильтров подобный смеситель и лишается своей широкополосности, однако потери преобразования при соответствующих фазах возвращенных волн на холостых частотах могут быть существенно снижены. Важным достоинством балансной схемы является то, что колебания на суммарной и зеркальной частотах возбуждаются с такими напряжениями, что одна из них может проникнуть только в тракт сигнала, а другая – только в тракт гетеродина, так что возврат холостых частот для повторного преобразования к диодам требует установки не четырех, а лишь двух фильтров – по одному на соответствующую холостую частоту в соответствующий тракт. Конкретно для схемы рис.1.1б суммарная холостая частота возникает в тракте гетеродина, а зеркальная – в тракте сигнала, так что фильтр, отражающий зеркальную частоту, должен быть установлен именно в тракте сигнала. Это же, в свою очередь, вообще не ведет к усложнению приемной системы, ибо фильтр зеркального канала, предотвращающий проникновение помехи на частоте зеркального канала, устанавливается в приемный тракт в любом случае. Требование выполнения им еще и функции оптимального возврата зеркальной комбинационной частоты назад к смесительным диодам приводит лишь к необходимости устанавливать его на определенном расстоянии от диодов (с целью выполнить оптимальные фазовые отношения, о чем говорилось выше). Описанный смеситель, реализованный на комбинации линий передачи, предложен для исследования в данной лабораторной работе.
|
Схема двухбалансного (двойного балансного) смесителя, изображенная на рис.1.1в, используется в тех случаях, когда желательно сделать все входы смесителя – сигнальный, гетеродинный и ПЧ – независимыми и, таким образом, исключить необходимость использования любых фильтров для их развязки. Схема требует 4-х диодов и на частотах >20 ГГц используется редко из-за сложности реализации и больших потерь в микрополосковых линиях.
|
Субгармонические схемы выполняются по схемам рис.1.1а-1в, в которых устанавливаются антипараллельные пары диодов и соблюдаются особые требования по назначению входов.
II. Задание на лабораторную работу
I. Теоретическая часть
Общие сведения
Смесители – устройства, предназначенные для преобразования частоты сигнала в другой частотный диапазон с помощью колебаний местного генератора, обычно называемого гетеродином. Общая формула преобразования частоты, осуществляемого смесителем, имеет вид
fвых пр.=n·fг+m·fс,
где fг – частота гетеродина, fс – частота сигнала, n – целое число, равное ±1, ±2,…, и m=±1.
В зависимости от числа n смесители можно разделить на три группы, отличающиеся как назначением, так и электрическими параметрами:
- Смесители с n=±1, вырабатывающие сигнал промежуточной частоты, равный
fвых пр.=fг-fс (n=1, m=-1),
fвых пр.=fс-fг (n=-1, m=1)
Это смесители, работающие на основной гармонике гетеродина; используются либо с целью преобразования частоты входного сигнала в более низкочастотный диапазон (при этом fc≈fг), либо с целью преобразования низкочастотного сигнала fc вверх (при этом fc<<fг). И то и другое необходимо для того, чтобы функции обработки сигнала (его фильтрацию, деление, модуляцию, демодуляцию) осуществить в более низкочастотном диапазоне, где делать это проще. Энергетические потери, характеризующие данные смесители, весьма малы (~10 дБ), а с помощью специальных методов могут быть снижены до 2,5÷4 дБ, что делает возможным использовать их, например, прямо в качестве входных устройств высокочувствительных приемных систем диапазона СВЧ.
- Смесители с n=±3, …, например,
fвых пр.=3fг-fс (n=3, m=-1),
fвых пр.=fс-3fг (n=-3, m=1)
и т.п.
Это смесители, работающие на гармониках гетеродина (отсюда название - гармониковые). Используются как для преобразования частоты вниз (в диапазон ПЧ), так и для преобразования частоты вверх. Имеют большие потери преобразования (могут доходить до 20 дБ), что обусловливает их широкое использование (без принятия специальных мер) только в измерительной аппаратуре и в специальных случаях (например, в синтезаторах частоты).
- Особое место занимает группа смесителей на встречно включенных диодах (антипараллельных парах диодов), которые обеспечивают малые потери преобразования и малые шумы при n=±2. Такие смесители называются субгармоническими, а их работа описывается соотношениями
fвых пр.=2fг-fс (n=2, m=-1),
fвых пр.=fс-2fг (n=-2, m=1)
|
|
В однодиодном смесителе развязка сигнального и гетеродинного входов реализуется с помощью полосно-пропускающих фильтров ППФГ и ППФС, настроенных, соответственно, на центральные частоты сигнала и гетеродина. Недостатком схемы является необходимость замены фильтров при смене рабочих частот, что может существенно сузить область использования таких смесителей. Заметим также, что вывод напряжения ПЧ осуществляется через фильтр низкой частоты, что также можно считать недостатком данной схемы, усложняющим конструкцию смесителя. Другие недостатки рассмотренного смесителя обсуждаются ниже. Однобалансные, или просто балансные, смесители (рис.1.1б) содержат два трансформатора, включенных так, что напряжения, создаваемые каждым из них на другом, равны нулю, так что сигнальный и гетеродинный входы оказываются развязанными независимо от частоты и в отсутствие каких-либо фильтров. Благодаря соответствующей полярности включения диодов напряжение ПЧ образуется в точке «А» (рис.1.1б), то есть в той же точке, где имеется напряжение гетеродина, так что разязка цепей ПЧ и гетеродина, как и в однодиодном смесителе, достигается с помощью ФНЧ – этот недостаток однодиодного смесителя в однобалансном смесителе оказывается непреодоленным. Вместе с тем однобалансный смеситель имеет, помимо снятия необходимости использования по
I(1)ПЧ~UГ·UС – для верхнего диода,
I(2)ПЧ~–(–UС·UГ)=UС·UГ – для нижнего диода,
на входе фильтра ПЧ складываются и образуют полезный сигнал на промежуточной частоте на выходе ФНЧ). Второе преимущество балансной схемы над однодиодной становится очевидным, если подробнее рассмотреть процессы преобразования в смесителе, в частности, генерации так называемых холостых частот в смесителе – прежде всего суммарной комбинационной и частоты зеркального канала. Первая образуется просто как продукт смешивания fГ и fС с результатом fГ+fС (помимо полезной fПЧ=|fС–fГ|); вторая образуется, в основном, как продукт смешивания второй гармоники гетеродина и частоты сигнала с результатом |2fГ–fС|=|fГ+fГ–fС|=|–fГ–fГ+fС|=|–fГ+fПЧ|=|fГ–fПЧ|=fЗ – частотой зеркального канала. Источником обоих колебаний является сигнал, так что, возникнув, эти колебания могут унести значительную часть его энергии, увеличив потери преобразования в полезную, промежуточную, частоту. Предотвратить бесполезное рассеяние мощности на указанных частотах в трактах сигнала и гетеродина можно, разместив в них соответствующие фильтры, отражающие волны на этих частотах назад к диодам смесителя и, таким образом, принуждая их участвовать в повторном преобразовании частоты с целью преобразоваться в промежуточную частоту. Хотя вследствие установки фильтров подобный смеситель и лишается своей широкополосности, однако потери преобразования при соответствующих фазах возвращенных волн на холостых частотах могут быть существенно снижены. Важным достоинством балансной схемы является то, что колебания на суммарной и зеркальной частотах возбуждаются с такими напряжениями, что одна из них может проникнуть только в тракт сигнала, а другая – только в тракт гетеродина, так что возврат холостых частот для повторного преобразования к диодам требует установки не четырех, а лишь двух фильтров – по одному на соответствующую холостую частоту в соответствующий тракт. Конкретно для схемы рис.1.1б суммарная холостая частота возникает в тракте гетеродина, а зеркальная – в тракте сигнала, так что фильтр, отражающий зеркальную частоту, должен быть установлен именно в тракте сигнала. Это же, в свою очередь, вообще не ведет к усложнению приемной системы, ибо фильтр зеркального канала, предотвращающий проникновение помехи на частоте зеркального канала, устанавливается в приемный тракт в любом случае. Требование выполнения им еще и функции оптимального возврата зеркальной комбинационной частоты назад к смесительным диодам приводит лишь к необходимости устанавливать его на определенном расстоянии от диодов (с целью выполнить оптимальные фазовые отношения, о чем говорилось выше). Описанный смеситель, реализованный на комбинации линий передачи, предложен для исследования в данной лабораторной работе.
Схема двухбалансного (двойного балансного) смесителя, изображенная на рис.1.1в, используется в тех случаях, когда желательно сделать все входы смесителя – сигнальный, гетеродинный и ПЧ – независимыми и, таким образом, исключить необходимость использования любых фильтров для их развязки. Схема требует 4-х диодов и на частотах >20 ГГц используется редко из-за сложности реализации и больших потерь в микрополосковых линиях.
Субгармонические схемы выполняются по схемам рис.1.1а-1в, в которых устанавливаются антипараллельные пары диодов и соблюдаются особые требования по назначению входов.
Применение смесителей в качестве элементов приемных систем СВЧ диапазона.
Чувствительность приемника в цепи при достаточно большом усилении его входной части, изображенной на рис.1.3, будет определяться ее коэффициентом шума, который, как известно, равен (в пренебрежении потерями в ФЗК)
, (1.1)
где FШ МШУ – коэффициент шума МШУ;
FШ СМ – коэффициент шума смесителя;
FШ ПУПЧ – коэффициент шума ПУПЧ;
KР МШУ – коэффициент усиления МШУ по мощности;
KР СМ – коэффициент передачи смесителя.
Как видно из (1.1), коэффициент шума приемника с МШУ на входе определяется, в основном, коэффициентом шума МШУ, если коэффициент передачи его составляет ~20 дБ, что является типичным для частот ≤12 ГГц. Подставляя в (1.1) типичные значения FШ МШУ=1 дБ, FШ СМ=7 дБ, FШ ПУПЧ=1 дБ, KР МШУ=20 дБ, KР СМ=-7 дБ, получим
,
что практически совпадает с коэффициентом шума самого МШУ.
По мере роста рабочей частоты сложности в создании МШУ растут, так что уже в диапазоне 20 ГГц на сегодняшний день они могут стать непреодолимыми, по крайней мере, при разработке не очень дорогих приемных устройств. Это связано с отсутствием дешевых транзисторов, обладающих подходящими для целей создания МШУ характеристиками. В диапазоне выше 30 ГГц альтернативы безусилительного построения приемника на сегодняшний день практически нет. В этих случаях входная часть выполняется по схеме рис.1.5.
(1.2)
и, как видно из формулы, очень сильно зависит от коэффициента передачи смесителя KР СМ и коэффициента шума ПУПЧ KШ ПУПЧ. Доказано, что коэффициент шума смесителя приблизительно равняется его потерям преобразования L. Учитывая, что KP СМ=1/L, из (1.2) получим
, или, в децибелах:
. (1.3)
Из (1.3) видно, что при построении приемной системы со смесителем на входе требования к смесителю и ПУПЧ значительно возрастают – потери преобразования смесителя стремятся сделать не хуже 5 дБ; малошумящий ПУПЧ должен иметь шум не более 0,5 дБ, что сегодня является вполне доступным, так как его рабочие частоты (1÷2 ГГц) находятся в хорошо освоенном малошумящими транзисторами диапазоне частот. В случае качественной разработки в диапазонах частот 20÷100 ГГц удается достичь FШ≤5,5 дБ, что является приемлемым для большинства случаев.
Оценим возможности такой приемной системы в составе связной станции для передачи, в частности, амплитудно-модулированных цифровых сигналов, работающей на частоте ~20 ГГц.
.
Отсюда
. (1.4)
Мощность собственного шума приемника можно вычислить:
,
где k – постоянная Больцмана;
T0=293 К;
∆f – полоса частот.
Преобразуя, получаем
Подставляя в (1.4), получим:
. (1.5)
Так, при коэффициенте шума, равном 6 дБ в полосе частот 10 МГц:
.
Рассмотрим линию связи, содержащую передатчик амплитудно-модулированных сигналов с полосой 10 МГц, имеющий мощность 10 мВт, две антенны А1, А2 и приемник амплитудно-модулированных сигналов с тангенциальной чувствительностью, равной, как в рассмотренном примере, LТ=–125 дБВт. При ненаправленной передающей антенне плотность мощности в точке расположения приемной антенны на расстоянии R от передатчика была бы равна (рис.1.7)
Антенна передатчика, будучи направленной, создает поток в G´ПРД раз больший, где G´ПРД – коэффициент усиления передающей антенны, так что
Если площадь приемной антенны равна S, то мощность на входе приемника равна
(1.6)
Для обычной круглой параболической антенны диаметром D, наиболее часто применяемой в СВЧ диапазоне, коэффициент усиления антенн G´ПРД, G´ПРМ связан с ее диаметром простым соотношением:
, или в дБ ,
где λ – рабочая длина волны.
Подставляя в (1.6), получим:
или в «дБВт»
.
Последнее слагаемое полезно преобразовать:
.
Окончательно имеем:
.
Приравнивая РПРМ величине LТ, можем найти предельную дальность R (км), на которой сможет работать станция, снабженная передатчиком с мощностью РПРД, антеннами с коэффициентами усиления GПРД, GПРМ и приемником со смесителем на входе, обеспечивающим тангенциальную чувствительность LТ в заданной полосе частот.
II. Задание на лабораторную работу
|
|
История развития хранилищ для нефти: Первые склады нефти появились в XVII веке. Они представляли собой землянные ямы-амбара глубиной 4…5 м...
Типы сооружений для обработки осадков: Септиками называются сооружения, в которых одновременно происходят осветление сточной жидкости...
Археология об основании Рима: Новые раскопки проясняют и такой острый дискуссионный вопрос, как дата самого возникновения Рима...
Индивидуальные очистные сооружения: К классу индивидуальных очистных сооружений относят сооружения, пропускная способность которых...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!