Анализ характеристик транзистора, оценка числа каскадов МШУ

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

КУРСОВАЯ РАБОТА

Дисциплина:	Устройства приёма и обработки сигналов
Тема:	Расчёт узлов СВЧ конвертора приёмного устройства радиорелейной станции диапазона 7.35 – 7.55 ГГц

Выполнил студент гр. 13443/3		Д. А. Малов
Преподаватель, к.ф.-м.н., доц.		В. М. Малышев

2018 г.

г. Санкт-Петербург

2018 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ. 4

2. ВВЕДЕНИЕ. 6

3. МАЛОШУМЯЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ (файл MSHU _ And _ FZK . emp , конечная схема Circuit Schematics -> MSHU _ And _ FZK -> MSHU). 7

3.1. Требования к МШУ и процедуре расчёта: 7

3.2. Анализ характеристик транзистора, оценка числа каскадов МШУ. 7

3.3. Построение согласующих цепей (СЦ). 9

3.4. Построение цепей подачи питания. 10

3.5. Определение номиналов разделительных конденсаторов. Выбор реальной модели конденсатора. 13

3.6. Сборка МШУ. 15

4. ФИЛЬТР ЗЕРКАЛЬНОГО КАНАЛА (файл MSHU _ Amd _ FZK . emp, конечная схема Circuit Schematics -> iFilter X). 19

4.1. Требования к ФЗК и процедуре расчёта: 19

4.2. Определение полосы заграждения ФЗК. 19

4.3. Определение числа звеньев ФЗК. 20

4.4. Реализация ФЗК в Filter Synthesis Wizard с применением iFilter Filter Wizard. 20

4.5. Согласование МШУ и ФЗК. 23

5. СМЕСИТЕЛЬ (файл Smesitel . emp , конечная схема Circuit Schematics -> Smesitel _ new). 25

5.1. Требования к смесителю и процедуре расчёта: 25

5.2. Расчёт квадратного СВЧ моста. 25

5.3. Расчёт устройства замыкания токов СВЧ и предотвращения их проникновения в цепь промежуточной частоты. 27

5.4. Расчёт устройства замыкания токов промежуточной частоты. 33

5.5. Нелинейная модель диода с элементами корпуса. 34

6. УСИЛИТЕЛЬ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ (файл UPCHnew . emp, конечная схема Circuit Schematics -> UPCHreal). 40

6.1. Требования к УПЧ и процедуре расчёта: 40

6.2. Анализ характеристик транзистора. 41

6.3. Анализ устойчивости одного каскада усилителя. Определение оптимальных значений нагрузок. Определение числа каскадов УПЧ. 42

6.4. Построение согласующих цепей (СЦ). 47

6.5. Построение цепей подачи питания. 50

6.6. Расчёт разделительных конденсаторов. 52

6.7. Сборка УПЧ. 53

6.8. Замена идеальных пассивных элементов реальными. 54

7. ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР (файл PF . emp, конечная схема Circuit Schematics -> iFilter Z). 57

7.1. Требования к ПФ и процедуре расчёта: 57

7.2. Определение числа звеньев ПФ. 57

7.3. Реализация ПФ в Filter Synthesis Wizard с применением iFilter Filter Wizard. 57

8. РАСЧЁТ КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА И КОЭФФИЦИЕНТА ПЕРЕДАЧИ СВЧ КОНВЕРТОРА ПРИЁМНИКА РАДИОРЕЛЕЙНОЙ СТАНЦИИ. 62

9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 64

10. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. 65

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ.

Рассчитать узлы СВЧ конвертора приемного устройства радиорелейной станции диапазона

7.35 – 7.55 ГГц, структурная схема которого изображена на рис.1.

Рисунок 1

А1

МШУ

УПЧ1

ФЗК

ПФ1

СМ1

f гет

f пч1

ФЗК – фильтр зеркального канала;

ПФ1 – полосовой фильтр на дискретных элементах;

Fпч1 – 70 мГц;

Необходимо рассчитать:

МШУ (малошумящий усилитель).

МШУ должен иметь следующие технические характеристики:

1.1 Полоса пропускания 7- 8 ГГц.

1.2 Номинальный коэффициент усиления по мощности Ga =30±1 дБ.

1.3 Коэффициент шума Кш не более 1.5 дБ.

1.4 МШУ должен не возбуждаться в полосе частот 2.5-9 ГГц.

ФЗК( фильтр зеркального канала).

ФЗК должен иметь следующие технические характеристики:

2.1 Средняя частота 7.45 ГГц.

2.2 Полоса пропускания Пп-0.05 ГГц

2.3 Затухание в полосе пропускания не более Lп- 8 дБ.

2.4 Неравномерность затухания ∆ Lп в полосе пропускания не более 1.8 дБ.

2.5 Полоса заграждения Пз- определить по зеркальному каналу.

2.6 Затухание на границах полосы заграждения Lз - 68 дБ.

СМ1 (смеситель).

СМ1 должен иметь следующие технические характеристики:

3.1 Потери преобразования – 5.5±0.8 дБ.

3.2 Коэффициент шума не более 5 дБ

4. УПЧ1(усилитель промежуточной частоты).

УПЧ1 должен иметь следующие технические характеристики:

4.1 Полоса пропускания 50 -80 мГц.

4.2 Фактический коэффициент усиления по мощности Gp = 38±0.75 дБ.

5. Полосовой фильтр (ПФ1).

ПФ1 должен иметь следующие технические характеристики:

5.1 Средняя частота 70 мГц;

5.2 Полоса пропускания Пп – 32 МГц;

5.3 Затухание в полосе пропускания не более Lп- 5.5 дБ

4.4 Полоса заграждения Пз- 55 МГц

4.5 Затухание на границах полосы заграждения Lз-69 дБ

4.6 Неравномерность в полосе пропускания не более 1.5 дБ.

Указания к расчету

1. Расчет производить с помощью программы «Microwave Office».

2. Необходимые параметры элементов приведены в электронном приложении.

3. При расчете Ga и Кш использовать методику расчета многокаскадного усилителя с применением графоаналитического метода. Для получения наилучших результатов использовать параметрическую оптимизацию. В качестве активного элемента МШУ использовать транзистор. ATF-36163.

4. Выходное сопротивление антенны 50 Ом. Обеспечить согласование с ФЗК. Согласующие цепи и цепи подачи питания реализовать на отрезках длинных линий в микрополосковом исполнении. Параметры подложки следующие:

В качестве разделительных емкостей использовать емкости фирмы ATC.

Произвести анализ устойчивости усилителя в диапазоне частот 2.5-6 ГГц

При отсутствии устойчивости добавить элементы, обеспечивающие устойчивость.

5. ФЗК реализовать в микрополосковом исполнении с помощью программы

Filter Synthesis Wizard «Microwave Office» с применением iFilter Filter Wizard. Параметры подложки, следующие:

Реализовать чебышевскую аппроксимацию. Приблизительную оценку числа звеньев вести по

формуле

Схема реализации полуволновые связанные резонаторы (parallel coupled half-wave resonators).

6. СМ1 реализовать в виде балансной схемы на диоде с барьером Шотки типа HSMS-8202. Для расчета использовать нелинейную модель, дополненную элементами корпуса. СВЧ мост, ФНЧ, согласующие и к.з. цепи реализовать в микрополосковом исполнении. Сопротивление сигнального порта равно выходному сопротивлению ФЗК. Сопротивление гетеродинного порта 50 Ом.

Параметры подложки следующие:

7. УПЧ1 выполнить на транзисторах NESG340034. Расчет на заданный Gp проводить с помощью графоаналитического метода. Согласующие цепи и цепи подачи питания реализовать на дискретных элементах фирмы ATC и Murata.

8. ПФ1 реализовать на дискретных элементах с помощью программы

Filter Synthesis Wizard «Microwave Office».

Реализовать чебышевскую аппроксимацию. Оценку числа звеньев вести по

формуле

Входное и выходное сопротивления 50 Ом. Фильтр реализовать на идеальных элементах. Оценить минимальную добротность элементов, приводящую к искажению АЧХ.

9. Все этапы расчета должны быть подтверждены графиками и пояснениями расчета.. Также привести электронные AWR файлы расчета. Ссылка на имя файла должна быть приведена в отчете.

10. В конце проекта привести расчет коэффициента передачи и коэффициента шума СВЧ конвертора приемника радиорелейной линии.

ВВЕДЕНИЕ.

Как известно, СВЧ конвертор представляет собой электронное устройство, предназначенное для преобразования СВЧ сигнала в сигнал более низкой частоты, называемой промежуточной.

Данное устройство выполняет две основные функции:

· преобразование СВЧ в более низкую частоту (для снижения принятого частотного спектра в конвертор встраивается гетеродин – стабилизированный источник высокой частоты);

· усиление принятого сигнала.

Одной из основных характеристик конвертора является коэффициент шума данного устройства, который показывает, насколько ухудшится отношение сигнал/шум после произведенных операций усиления и переноса частоты. Коэффициент шума определяет чувствительность конвертора, т.е. пороговое значение минимального уровня полезного сигнала, ниже которого конвертор не сможет зарегистрировать этот сигнал из-за превалирования собственных шумов. Следовательно, чем ниже уровень собственных шумов, тем «качественнее» конвертор.

Другой важной характеристикой конвертора является подавление сигналов, передаваемых на частоте зеркального канала и вносящих помехи в прием по основному каналу:

где – частота зеркального канала, – частота полезного сигнала, – промежуточная частота.

С этой целью в разрабатываемой схеме СВЧ конвертора используется т.н. фильтр зеркального канала (ФЗК), который обеспечивает необходимую избирательность по зеркальному каналу. При этом конверторы должны быть герметичными. В противном случае за счет суточного колебания температуры внутри конвертора образуется конденсат, способный приводить к ухудшению его параметров и, в конечном итоге, к выходу из строя. Помимо недостаточной герметичности, встречаются и другие варианты конструктивных дефектов, например, высокая повреждаемость при воздействии солнечных лучей или температурных перепадах.

Радиорелейные средства позволяют осуществлять дуплексную, многоканальную телефонную, телеграфную, факсимильную и видеотелефонную связи при высоком их качестве и малой зависимости от времени года и суток, от атмосферных и местных электрических помех.

Радиорелейная связь обеспечивает:

— многоканальность, высокую пропускную способность;

— большую дальность связи;

— дуплексность каналов и трактов;

Для разработки требуемого СВЧ конвертора используется программная среда AWR «Microwave Office» (MWO), позволяющая не только рассчитать все узлы данного устройства, но и построить топологию схемы. Имя файла "Malov_конечный. emp".

3. МАЛОШУМЯЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ (файл MSHU _ And _ FZK . emp , конечная схема Circuit Schematics -> MSHU _ And _ FZK -> MSHU).

3.1. Требования к МШУ и процедуре расчёта:

· Полоса пропускания 7-8 ГГц;

· Номинальный коэффициент усиления по мощности Ga =30±1 дБ;

· Коэффициент шума Кш не более 1.5 дБ;

· МШУ не должен возбуждаться в полосе 2.5-9 ГГц;

· Метод расчёта – графоаналитический с использованием параметрической оптимизации для получения наилучших результатов;

· Активный элемент – транзистор ATF-36163;

· Выходное сопротивление антенны – 50 Ом;

· Обеспечение согласования с ФЗК; согласующие цепи и цепи подачи питания должны быть реализованы на МПЛ с параметрами подложки:

; разделительные ёмкости должны быть реализованы конденсаторами фирмы ATC;

· Должен быть проведён анализ устойчивости МШУ в полосе 2.5-9 ГГц.

Сборка МШУ.

Описав все блоки, соберём схему МШУ (рис. 18).

Рисунок 18. Полная схема МШУ (Circuit Schematics->MShU)

Построим графики номинального коэффициента усиления Ga и коэффициента шума NF (рис. 20), а также геометрические коэффициенты устойчивости MU1 и MU2 (рис. 21).

Рисунок 19. Номинальный коэффициент усиления Ga и минимальный коэффициент шума NFmin для трёхкаскадного МШУ (Graphs->MShU_GA_NFMIN)

Согласование МШУ и ФЗК.

Согласно ТЗ, выходное сопротивление антенны составляет 50 Ом. Для согласования МШУ и ФЗК необходимо, чтобы выполнялось следующее условие: коэффициент передачи блока МШУ+ФЗК должен быть равен произведению коэффициента усиления МШУ (Ga) на коэффициент передачи ФЗК (Kp). В децибелах это будет алгебраическая сумма.

Таким образом, коэффициент усиления блока МШУ+ФЗК должен лежать в диапазоне: 21… 22,98 дБ. Схема МШУ+ФЗК представлена на рис. 36.

Рисунок 36. Блок МШУ+ФЗК (Circuit Schematics->MSHU_And_FZK)

Рисунок 37. Номинальный коэффициент усиления Ga и коэффициент шума NF для блока МШУ+ФЗК (Graphs->MSHU_And_FZK)

Можно видеть, что номинальный коэффициент усиления Ga блока МШУ+ФЗК не лежит в ожидаемых пределах, а коэффициент шума превышает заданное значение.

Сборка УПЧ.

Описав все блоки, соберём схему двухкаскадного УПЧ на идеальных элементах (рис. 87).

Рисунок 87. Схема двухкаскадного УПЧ с СЦ и ЦПП на идеальных элементах (Circuit Schematics->UPCHnew)

Фактический коэффициент усиления соответствует соединению двух каскадов усилителей (рис. 88).

Рисунок 88. Фактический коэффициент усиления двухкаскадного УПЧ на идеальных элементах (Graphs->UPCH_GP)

Для получения требуемых в ТЗ характеристик была применена процедура параметрической оптимизации, цели которой представлены на рисунке 89. В качестве параметров оптимизации были выбраны элементы СЦ и разделительные конденсаторы.

Рисунок 89. Цели параметрической оптимизации для УПЧ

Полученные характеристики УПЧ после процедуры параметрической оптимизации показаны на рис. 90 и 91. Они соответствуют ТЗ. При этом значения элементов на схеме Circuit Schematics-> UPCHnew-> UPCH_ Match: C=513,6 пФ, L=113,7 нГн.

Рисунок 90. Фактический коэффициент усиления двухкаскадного УПЧ на идеальных элементах в полосе 50-80 МГц (Graphs->UPCH_GP)

Рисунок 91. Геометрические коэффициенты устойчивости для двухкаскадного УПЧ на идеальных элементах в полосе 50-80 МГц (Grpahs->UPCH_MU1_MU2)

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Многокаскадный МШУ: Метод. указания к лабораторной работе по курсу УПОС/ В. М. Малышев– СПБГПУ, каф. «Радиотехника и телекоммуникации», 2015г

2. Расчет двухшлейфной согласующей цепи: Метод. указания к лабораторной работе по курсу УПОС/ В. М. Малышев– СПБГПУ, каф. «Радиотехника и телекоммуникации», 2011г

3. Цепи подачи питания в СВЧ диапазоне, выполненные на отрезках длинных линий: Метод. указания к лабораторной работе по курсу УПОС/ В. М. Малышев– СПБГПУ, каф. «Радиотехника и телекоммуникации», 2011г

4. Расчет балансного диодного смесителя в микрополосковом исполнении: Метод. указания к лабораторной работе по курсу УПОС/ В. М. Малышев– СПБГПУ, каф. «Радиотехника и телекоммуникации», 2015г

КУРСОВАЯ РАБОТА

Дисциплина:	Устройства приёма и обработки сигналов
Тема:	Расчёт узлов СВЧ конвертора приёмного устройства радиорелейной станции диапазона 7.35 – 7.55 ГГц

Выполнил студент гр. 13443/3		Д. А. Малов
Преподаватель, к.ф.-м.н., доц.		В. М. Малышев

2018 г.

г. Санкт-Петербург

2018 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ. 4

2. ВВЕДЕНИЕ. 6

3. МАЛОШУМЯЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ (файл MSHU _ And _ FZK . emp , конечная схема Circuit Schematics -> MSHU _ And _ FZK -> MSHU). 7

3.1. Требования к МШУ и процедуре расчёта: 7

3.2. Анализ характеристик транзистора, оценка числа каскадов МШУ. 7

3.3. Построение согласующих цепей (СЦ). 9

3.4. Построение цепей подачи питания. 10

3.5. Определение номиналов разделительных конденсаторов. Выбор реальной модели конденсатора. 13

3.6. Сборка МШУ. 15

4. ФИЛЬТР ЗЕРКАЛЬНОГО КАНАЛА (файл MSHU _ Amd _ FZK . emp, конечная схема Circuit Schematics -> iFilter X). 19

4.1. Требования к ФЗК и процедуре расчёта: 19

4.2. Определение полосы заграждения ФЗК. 19

4.3. Определение числа звеньев ФЗК. 20

4.4. Реализация ФЗК в Filter Synthesis Wizard с применением iFilter Filter Wizard. 20

4.5. Согласование МШУ и ФЗК. 23

5. СМЕСИТЕЛЬ (файл Smesitel . emp , конечная схема Circuit Schematics -> Smesitel _ new). 25

5.1. Требования к смесителю и процедуре расчёта: 25

5.2. Расчёт квадратного СВЧ моста. 25

5.3. Расчёт устройства замыкания токов СВЧ и предотвращения их проникновения в цепь промежуточной частоты. 27

5.4. Расчёт устройства замыкания токов промежуточной частоты. 33

5.5. Нелинейная модель диода с элементами корпуса. 34

6. УСИЛИТЕЛЬ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ (файл UPCHnew . emp, конечная схема Circuit Schematics -> UPCHreal). 40

6.1. Требования к УПЧ и процедуре расчёта: 40

6.2. Анализ характеристик транзистора. 41

6.4. Построение согласующих цепей (СЦ). 47

6.5. Построение цепей подачи питания. 50

6.6. Расчёт разделительных конденсаторов. 52

6.7. Сборка УПЧ. 53

6.8. Замена идеальных пассивных элементов реальными. 54

7. ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР (файл PF . emp, конечная схема Circuit Schematics -> iFilter Z). 57

7.1. Требования к ПФ и процедуре расчёта: 57

7.2. Определение числа звеньев ПФ. 57

7.3. Реализация ПФ в Filter Synthesis Wizard с применением iFilter Filter Wizard. 57

8. РАСЧЁТ КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА И КОЭФФИЦИЕНТА ПЕРЕДАЧИ СВЧ КОНВЕРТОРА ПРИЁМНИКА РАДИОРЕЛЕЙНОЙ СТАНЦИИ. 62

9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 64

10. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. 65

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ.

Рассчитать узлы СВЧ конвертора приемного устройства радиорелейной станции диапазона

7.35 – 7.55 ГГц, структурная схема которого изображена на рис.1.

Рисунок 1

А1

МШУ

УПЧ1

ФЗК

ПФ1

СМ1

f гет

f пч1

ФЗК – фильтр зеркального канала;

ПФ1 – полосовой фильтр на дискретных элементах;

Fпч1 – 70 мГц;

Необходимо рассчитать:

МШУ (малошумящий усилитель).

МШУ должен иметь следующие технические характеристики:

1.1 Полоса пропускания 7- 8 ГГц.

1.2 Номинальный коэффициент усиления по мощности Ga =30±1 дБ.

1.3 Коэффициент шума Кш не более 1.5 дБ.

1.4 МШУ должен не возбуждаться в полосе частот 2.5-9 ГГц.

ФЗК( фильтр зеркального канала).

ФЗК должен иметь следующие технические характеристики:

2.1 Средняя частота 7.45 ГГц.

2.2 Полоса пропускания Пп-0.05 ГГц

2.3 Затухание в полосе пропускания не более Lп- 8 дБ.

2.4 Неравномерность затухания ∆ Lп в полосе пропускания не более 1.8 дБ.

2.5 Полоса заграждения Пз- определить по зеркальному каналу.

2.6 Затухание на границах полосы заграждения Lз - 68 дБ.

СМ1 (смеситель).