Разработка конструкции СВЧ блока радиометрической системы

Находим полное сопротивление потерь резонатора с учетом вносимых полезной нагрузкой:RN = (f2/f1)2 * R* [1 + Х1(r2/rk)]-1Отсюда выражаем величину r2:R2 = [(f1/f)2*R*/Ropt – 1]*X1-2 * rkПримем собственную добротность внешнего резонатора Q02 = 100, и найдем сопротивление потерь контура данного резонатора:r02 = 01/Q02Определяем КПД контура, исходя из выражения:2 = 1 – r02/r2Определим КПД с учетов сопротивления потерь:к = [1 + rk/(r2 + X12)]-1*2Находим длину резонатора:jp = (/(2sqrt(э))*(arctg(1 - 2LkCk)/*Z0[(Ck+Cдг) - 2LkCkCдг]) + n/2sqrt(э)Выполненные численные оценки показывают, что длина резонатора находится на уровне величины lp 16 мм. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫСмеситель принимаемой частоты и частоты гетеродина должен быть точно идентифицирован по амплитудным и фазовым характеристикам. В смесителе используются нелинейные свойства СВЧ – диода. Выход смесителя нагружен на усилитель промежуточной частоты (УПЧ). Требования к смесителю – минимальный шум и достаточная полоса пропускания [1-5]. Известно, что лучшие параметры имеют балансные смесители. Мостовая схема такого рода обеспечивает развязку гетеродина, входного сигнала и промежуточной частоты на выходе. Подбор пар диодов с малым разбросом параметров обеспечивает достаточное подавление шума гетеродина. Выбираем смесительные диоды 3А117БР-6 – ArGa, с барьером Шоттки, предназначенные именно для использования в преобразователях частоты заданного диапазона 8 ГГц. Основные параметры диода следующие: Диапазон частот – 0.751.0 ГГц;Максимальная мощность – 25 мВт;Ток питания – 2.2 мАПадение напряжения в прямом направлении – 0.4 В;Внутреннее сопротивление – (200500) Ом;Коэффициент шума – 7дБ.Видно, что рекомендуемый диод не подходит по частоте. Лучше выбрать 3А119А-6 с частотой до 15 ГГц. Структурная схема балансного смесителя, построенного на микрополосковых линиях, показана на рисунке 9, а топология – на рисунке 10.Рис. 9. Структурная схема балансного смесителя. Рис. 10. Топология микрополоскового балансного смесителя. Минимально необходимая полоса частот смесителя может быть найдена из выражения:(fcmmin/f0)*100% = [(2fn + 2fn)/f0]*100%здесь: fn - промежуточная частота;fn – полоса пропускания, причем fn = fn/2 + 50.Найдем волновое сопротивление основной полосковой линии:Zл = ZC/1.41Найдем ширину полосковой линии:Wл = h((314/Zлsqrt()) – 1)где: h – толщина подложки, - диэлектрическая проницаемость материал подложки.Найдем длину четвертьволновых отрезков основной полосковой линии:lл =лп/4 = 0/4sqrt(э),где 0 – рабочая длина волны, э = 0.5{( + 1) + ( - 1)/sqrt(1+10h)/Wл – эффективная диэлектрическая проницаемость.Волновое сопротивление полосковой линии шлейфов: Zш = Zл = 50 Ом.Тогда и ширина шлейфа равна ширине полосковой линии: Wш = Wл. Находим толщину скин – слоя на рабочей частоте f0:с = 1.09/sqrt(f0)Определяем, далее, поверхностное сопротивление проводника по меди с удельной проводимостью = 5.8*107 См/м: Rп = (*с)-1Определяем погонные потери проводимости полосковой линии:н = 8.68*Rn/Z*WОпределяем потери проводимости основной полосковой линии длиной l и шлейфа: = l*nНаходим погонные диэлектрические потери:д = 27.3**(tg/лп)*[sqrt(1+10h/w) + 1]/[ + sqrt(1+10h/w) +1],где tg = 10.8*10-4 – тангенс диэлектрических потерь.Найдем потери в диэлектрике отрезков моста длиной l: д = j*nНайдем полные потери в шлейфе и в основной линии:л = лп +длОпределим коэффициент стоячей волны (КСВ) входных плеч моста: = (2+3шл+1.41п)/(2+шл+1.41п)Определим развязку изолированного плеча:Lраз = 20 lg*2*(1+шл+1.41п)/(шл+1.41п)Найдем потери моста:LM = 20lg(1+шл+1.41п).УПЧЗадача УПЧ состоит в усилении сигнала на сформированной постоянной промежуточной частоте, и создание избирательности по соседним частотным каналам, близкорасположенным к рабочей частоте приема, преобразованной в частоту настройки УПЧ. Промежуточная частот, чаще всего, ниже частоты принимаемого сигнала. Поэтому реализовать основные функции УПЧ проще на пониженной частоте, чем на исходной для принимаемого сигнала [1-9]. Как принято, будем предъявлять к УПС следующие требования:Минимальный собственный шум;Формирование заданной полосы пропускания;Обеспечение требуемого усиления. Реализация УПЧ наиболее удобна на базе серийных компонентов, специально ориентированных на данную задачу. Выберем значение промежуточной частоты на уровне 200 МГц, что, в связи с переходом в метровый диапазон волн, позволит перейти с элементов распределенными параметрами (полосковые линии, волноводы) на серийную элементную базу с сосредоточенными параметрами (конденсаторы, индуктивности, резисторы, транзисторы). Располагая доступной информацией по малошумящим усилителям для диапазона частот выше 100 МГц, обоснованно выбираем в качестве УПЧ – транзисторный усилитель типа М42136 со следующими основными параметрами:Диапазон рабочих частот – (0.11.0) ГГц;Коэффициент усиления – 25 дБ;Неравномерность АЧХ – 2.0 дБ;Коэффициент шума – 2.0 дБ;Верхняя граница линейности амплитудной характеристики по выходу – 1.0 мВт; КСВН – 2.5 дБ;Напряжение питания – 12 вольт;Потребляемая мощность – 0.6 ватт;Масса - 40 г;Диапазон рабочих температур – (-60 +70)С. Габариты усилителя приведены на рисунке 11.Рис. 11. Габаритный чертеж усилителя М42136. Здесь: L = 57 мм, H = 12.5 мм, B = 30 мм, C = 49 мм. Корпус усилителя - герметичный. Вход и выход сигнала – коаксиальные розетки типа «мама» с размерами 3.5/1.52 мм. Устойчивы к механическим и климатическим воздействиям по нормам общего исполнения. ДОПУСКИ НА РАЗМЕРЫ МИКРОПОЛОСКОВЫХ УСТРОЙСТВДля того, чтобы обеспечить выполнение волновых и характеристических сопротивлений микрополосковой техники СВЧ диапазона, необходимо исполнять эти элементы с определенной точностью воспроизведения геометрических размеров. Наиболее важными размерами микрополосковой линии является ширина полосы, и её толщина. Можно получить оценочные эмпирическое выражение, связывающие величину допуска на размеры линии ((W) – допуск по ширине, (h) – допуск по высоте) с допуском на величину характеристического сопротивления, которое имеет следующий вид:(W) = (h) *W*h/(K*(W-h)Здесь: W – ширина;H – толщина ПЛ; (W) – допуск по ширине; (h) – допуск по высоте; - допуск на характеристическое сопротивление; К – коэффициент связи.Задавая допуск на сопротивление в пределах = ±1 Ом, расчеты показывают, что для достижения такого допуска сопротивления указанные размеры линии должны выдерживаться с точностью до единиц микрон. Данные результаты показывают, что в таком случае производство СВЧ – техники на полосковых линиях следуют относить к категории прецизионных, что не является преимуществом данной технологии, и дополнительно обосновывает актуальность гетеродинирования частот уже во входных каскадах радиоприемной техники, чтобы снизить указанные допуски путем перехода на более низкие частоты. Аналогичный подход к оценке необходимой точности обработки поверхностей СВЧ – конструкций, показывает – при глубине скин – слоя на рабочей частоте на уровне единицы микрона, среднеквадратичная величина высот микронеровностей поверхности (шероховатость – roughness) тоже должна находиться на этом же уровне величин. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬСтруктурная схема рассмотренной СВЧ радиоизмерительной системы приведена на рисунке 12.Рис. 12. Структурная схема радиоизмерительной системы СВЧ диапазона. Здесь: АК – антенна Кассегрена; Ф1 – согласованный фильтр принимаемого сигнала; ГШ – генератор шума; Ф2 – согласованный фильтр калибровочного входа; ПРК – переключатель входов; СМ – смеситель;ГТРД – гетеродин; УПЧ – усилитель промежуточной частоты. Топологический чертеж микрополосковой платы показан на рисунке 13.Рис. 13. Топологический чертеж микрополосковой платы.Сборочный чертеж микрополосковой платы приведен на рисунке 14.Рис. 14. Сборочный чертеж микрополосковой платы СВЧ блока радиоприемной системы. Сборочный чертеж СВЧ блока приведен на рисунке 15.Рис. 15. Сборочный чертеж СВЧ блока радиоприемной системы. ЗАКЛЮЧЕНИЕВ результате выполнения квалификационной работы рассмотрены и исследованы вопросы проектирования узконаправленной антенны, калибровки приемного устройства, преобразования частоты и формирования селективного канала промежуточной частоты. Полученные результаты кроме учебных целей, будут использованы в будущей профессиональной деятельности.ЛИТЕРАТУРАОрощук И.М. Космические и наземные системы связи и сети телерадиовещания: Сборник лекций. – Владивосток. 2000. – 100 с.Мордухович Л.Г. , Степанов А.П. Системы радиосвязи. Курсовое проектирование. – М.: Радио и связь, 1987. – 192 с.Калинин А.И. Распространение радиоволн на трассах наземных и космических радиолиний. М.: Связь, 1979.– 293 с.Проектирование и расчет РРЛ/Е. В. Рыжков, Г.И. Гаврилова, Е.А. Зусманов и др.: Под ред. Е.В. Рыжкова. – М.: Связь, 1975. – 261 с.Основы проектирования сооружений связи / Ш.Г. Галиуллин, Л.М. Гольдберг, А.И. Овсянников и др. – М.: Радио и связь, 1981. – 168 с.Тищенко М.Г. Проектирование радиорелейных линий. М.: Связь, 1976. – 240 с.Инженерно-технический справочник по электросвязи. Радиорелейные линии. М.: Связь, 1971.п/р Бородича С.В. Справочник по радиорелейной связи. М.: Связь. 1981Малорацкий Л.Г., Явич Л.Р.Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях М.: Советское радио. 1972