Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехническ...
74 downloads
184 Views
368KB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им. С. М. Кирова
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ Задания для самостоятельной работы студентов всех форм обучения специальности 23.01 – Радиотехника
Свердловск 1990
УДК 621.396 Составители В. И. Лузин, Н. П. Никитин Научный редактор профессор, доктор технических наук Г. В. Чирков РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ: Задания для самостоятельной работы студентов / В. И. Лузин, Н. П. Никитин. Свердловск: УПИ, 1990. 34с.
Приведены задачи по первой части курса и даны методические указания по их решению.
Библиогр.: 3 назв. Табл. 21. Рис. 9.
Подготовлено кафедрой "Радиоприемные устройства".
Уральский политехнический институт им. С. М. Кирова, 1990 2
1. ВНУТРЕННИЕ ШУМЫ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ 1.1. Задание по расчету шумовых характеристик РПрУ Варианты 1,2 Ко входу приемника подключен эквивалент согласованной антенны. Мощность шума приемника на выходе линейной части РШ ВЫХ (суммарная мощность собственного шума приемника и шумов эквивалента антенны). Определите приведенный ко входу собственный шум приемника, если известна шумовая полоса ∆FШ и коэффициент передачи по мощности КР линейного тракта. Таблица 1 № варианта РШ ВЫХ, Вт КР, дБ ∆FШ, МГц 1 16*10-12 2 60 -13 2 9*10 1 40 Варианты 3,4 Приемник согласован с генератором сигналов, подключенным к его входу. Коэффициент шума приемника Ш. Определите спектральную плотность собственного шума, приведенного ко входу приемника, и шумовую температуру приемника. Таблица 2 Ш № варианта 3 32 4 18 Варианты 5,6 Приемник согласован с генератором сигналов, подключенным к его входу. Найдите отношение РС/РШ на выходе преселектора приемника, если мощность сигнала, подводимая от антенны к входу приемника РС ВХ, шумовая полоса преселектора ∆FШ, коэффициент шума преселектора Ш. Таблица 3 № варианта 5 6
∆FШ, МГц 1,4 3
РС ВХ, Вт 10-13 5*10-13
Ш
3 4
Варианты 7,8 Приемник с шумовой температурой ТШ и шумовой полосой ∆FШ согласован с антенной, имеющей шумовую температуру ТА. Определите чувствительность приемника, если задан коэффициент различимости D. Таблица 4 № варианта ТШ, К ТА, К D ∆FШ, МГц 7 400 570 15 2 8 350 400 10 3 Варианты 9,10 Определите коэффициент шума преселектора приемника, состоящего из входной цепи и УРЧ, если коэффициент передачи входной цепи по мощности КР, а коэффициент шума УРЧ Ш. Таблица 5 № варианта 9 10
КР, дБ -0,45 -0,6
3
Ш
1,2 2
1.2. Методические указания по выполнению задач раздела "Внутренние шумы РПрУ" Шумовые помехи радиоприемному устройству можно разделить на два вида: внешние и внутренние. Внешние шумовые помехи воспринимаются приемной антенной из части пространства, определяемой диаграммой направленности антенны, и обусловлены тепловым движением зарядов в атмосфере Земли, на ее поверхности и в космическом пространстве. Этот вид помех создает шумы антенны и оценивается величиной мощности РША, рассеиваемой на входной проводимости приемника. Внутренние шумовые помехи обусловлены активными проводимостями приемника, его усилительными приборами. Эти шумы характеризуются мощностью РШ СОБ, рассеиваемой на нагрузке линейной части РПрУ (на выходе УПЧ). Часто внутренние шумы пересчитываются ко входу приемника и рассматриваются как результат действия некоего шумового генератора, подключенного ко входу приемника. При этом приемник полагается нешумящим. Мощность шума Р'Ш СОБ, пересчитанная ко входу приемника, рассчитывается по формуле:
где
Р'Ш СОБ=РШ СОБ/КР,
РШ СОБ – внутренние шумы на выходе линейной части РПрУ, КР – коэффициент передачи по мощности линейной части приемника. Внешние и внутренние шумовые помехи некоррелированы, поэтому мощность результирующего шума на входе приемника определяется как:
РШ ВХ=Р'Ш СОБ + РША , Шумовые помехи обычно приводятся к единому эквиваленту – белому шуму, спектральная плотность мощности которого постоянна во всей полосе частот (под спектральной плотностью N0 понимается мощность, приходящаяся на единичную полосу), (величина N0 имеет размерность Вт/Гц). При оценке шума антенны отвлекаются от физических причин, вызывающих этот шум, и считают его тепловым шумом резистора, сопротивление которого равно сопротивлению излучения приемной антенны. Если антенна согласована со входом приемника, то мощность шума РША, рассеиваемая на входной проводимости приемника, рассчитывается по формуле:
где
РША=КТА∆FШ ,
К – постоянная Больцмана, К=1,37*10-23 Дж/гр, ТА – шумовая температура антенны, выраженная в градусах по Кельвину, ∆FШ – шумовая полоса линейного тракта приемника, Гц. Под шумовой температурой антенны ТА понимают такую температуру, до которой нужно нагреть сопротивление резистора, по величине равного сопротивлению излучения антенны, при которой шум резистора становится равным шуму реальной антенны. Под шумовой полосой четырехполюсника ∆FШ понимают полосу пропускания идеализированного четырехполюсника с прямоугольной амплитудно-частотной характеристикой, у которого мощность шумов на выходе равна мощности шумов на выходе реального четырехполюсника. Если ко входу приемника подсоединен эквивалент согласованной антенны, то мощность шумов эквивалента антенны, рассеиваемая на входной проводимости приемника, рассчитывается, как: где
РШ ЭА=КТ0∆FШ , Т0 – температура окружающей среды (за стандартную температуру обычно принимают (Т0=300 К)). 4
При оценке шумовых свойств РПрУ одним из основных показателей уровня собственных шумов приемника является коэффициент шума Ш. Коэффициент шума Ш показывает степень ухудшения отношения сигнал-шум на выходе линейной части приемника по сравнению с этим же отношением на входе. Т.е.:
Ш=(РС/РШ)ВХ/(РС/РШ)ВЫХ , Учитывая, что мощность РШ ВЫХ содержит две составляющие – усиленную в КР раз мощность РША и мощность РШ СОБ собственного шума линейной части приемника, можно показать, что мощность собственных шумов приемника, приведенная к его входу, Р'Ш СОБ (при согласованной антенне)
Р'Ш СОБ=КТ0∆FШ(Ш-1) , а спектральная плотность мощности этих шумов
где
N'0 СОБ=КТ0(Ш-1),
Т0 – температура окружающей среды. Величину Т0(Ш-1) называют шумовой температурой приемника и обозначают через ТШ. При последовательном включении каскадов результирующий коэффициент шума такого устройства ШΣ может быть выражен через коэффициенты шума Ш i каждого из каскадов и их коэффициенты передачи по мощности КР i
ШΣ=Ш1+(Ш2-1)/КР1+(Ш3-1)/(КР1КР2)+… Выражение для ШΣ справедливо в предположении, что каждый предыдущий каскад согласован с последующим и полоса пропускания последующих каскадов не больше полосы пропускания предыдущих. Когда один из последовательно соединенных каскадов представляет собой пассивный четырехполюсник, например, входную цепь, то следует помнить, что коэффициент шума Ш i этого четырехполюсника, согласованного с источником сигнала, и коэффициент передачи его по мощности КРi связан соотношением Ш i=1/ КРi. Располагая данными о коэффициенте шума приемника, можно определить его чувствительность. Чувствительность радиоприемника характеризуется наименьшей входной мощностью сигнала РС ВХ, при которой на выходе линейной части приемника реализуется заданное отношение D=РС/РШ. Величина D называется коэффициентом различимости и в каждом конкретном случае зависит от типа сообщения, вида сигнала, метода обработки сигнала и способа определения ошибок воспроизводимого сообщения. Формула для определения чувствительности приемника записывается в виде: где
РС ВХ=К∆FШDТ0(ТА/Т0+Ш-1) , ТА – шумовая температура антенны, ∆FШ – шумовая полоса приемника, Ш – коэффициент шума приемника.
2. ВХОДНЫЕ ЦЕПИ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ (ВЦ) 2.1. Задачи по расчету параметров ВЦ Варианты 1,2 Одноконтурная входная цепь имеет автотрансформаторную связь с антенной и входом последующего каскада приемника. Антенна согласована с ВЦ. Определить коэффициенты включения антенны m1 и последующего каскада m2, коэффициент передачи ВЦ К0 при условии реализации максимального значения величины К0 и отсутствии ограничений на полосу пропускания ВЦ, если 5
заданы проводимость антенны gА, проводимость контура ВЦ gК и проводимость входа последующего каскада g2. Таблица 6 № варианта RA, Ом gК, мсм g2, мсм 1 50 1 5 2 75 1,5 4 Насколько изменится величина К0, если перейти в режим согласования при заданных коэффициентах расширения полосы пропускания γ=3;4? Варианты 3,4 Определите коэффициенты включения m1 и m2 обеспечивающие согласование настроенной антенны с одноконтурной ВЦ при автотрансформаторной связи, если задана требуемая полоса пропускания ВЦ “П”, частота настройки ВЦ f0, сопротивление антенны RА, эквивалентная емкость контура ВЦ СК, собственное затухание контура dК и проводимость входа последующего каскада g2 . Таблица 7 № варианта П, МГц RА, Ом СК, пФ dК g2, мсм f0, МГц 3 30 150 100 20 0,05 5 4 40 200 75 30 0,02 4 Варианты 5,6 Одноконтурная ВЦ с трансформаторной связью настроена на частоту f0 и согласована с антенной, имеющей сопротивление RА. Собственное затухание контура ВЦ dК. Определите коэффициент связи КСВ, если задана величина индуктивности связи LСВ, входная проводимость следующего каскада g2«gК. Как необходимо изменить ВЦ, чтобы получить минимальный КСВ? Чему равен минимальный КСВ? Таблица 8 № варианта RА, Ом dК LСВ, мкГн f0, МГц 5 50 0,01 40 2 6 75 0,02 50 4 Варианты 7,8 Рассчитайте и постройте зависимости коэффициента передачи и полосы пропускания ВЦ от частоты ее настройки для ВЦ с внешнеемкостной связью, если задан диапазон перестройки ВЦ fmin÷fmax, емкость связи ССВ, добротность контура Q (остается постоянной во всем диапазоне рабочих частот). Определить коэффициент перекрытия диапазона и добавочную емкость контура входной цепи. Проводимость следующего каскада полагать g2«gК (где gК проводимость контура ВЦ); емкость монтажа СМ=10 пФ, минимальная емкость блока переменных конденсаторов КПЕ-3 Сmin=7 пФ, а максимальная Сmax=210 пФ. Таблица 9 № варианта Q ССВ, пФ fmin÷fmax, кГц 7 500-900 30 4 8 810-1325 20 6 Варианты 9,10 Рассчитайте геометрические размеры четвертьволнового трансформатора сопротивления на МПЛ, если заданы: f0-частота сигнала, ε-относительная диэлектрическая проницаемость подложки, h-толщина диэлектрической подложки, RА- сопротивление антенны, R2- сопротивление нагрузки. Таблица 10 № варианта f0, ГГц h, мм RА, Ом R2, Ом ε 9 2 10 1 50 10 10 3 5 1 75 20 6
2.2. Методические указания радиоприемных устройств"
по
выполнению
задач
раздела
"Входные
цепи
Входные цепи РПрУ К основным параметрам, характеризующим входные цепи (ВЦ), могут быть отнесены: коэффициент передачи, избирательность, рабочий диапазон частот, постоянство коэффициента передачи и избирательность по диапазону частот. Входные цепи радиоприемных устройств различаются по виду связи с антенной и по структуре избирательных цепей. Если приемник работает на фиксированной частоте, то используются неперестраиваемые входные цепи ВЦ. При этом применяется настроенная антенна. Настроенные антенны обычно имеют широкую полосу пропускания. Внутреннее сопротивление таких антенн активно на частоте приема. Примером такой антенны может служить полуволновой диполь. С настроенными антеннами широко используется ВЦ с автотрансформаторной связью, рис.1. На этом рисунке обозначено: gА- проводимость антенны, g2- входная проводимость следующего за ВЦ каскада (проводимость нагрузки), gК- проводимость контура ВЦ, m1 и m2- коэффициенты включения антенной цепи и нагрузки в контур ВЦ. Выбор величины коэффициентов включения m1 и m2 зависят от режима входной цепи. Рассмотрим несколько режимов работы ВЦ. Режим согласования без ограничений на полосу пропускания. В этом режиме реализуется максимальный коэффициент передачи ВЦ К0, при выполнении неравенства gА>g2
m2=1, m1= √(gК+g2)/gА, К0 max=1/2√ gА/(gК+g2) Следует помнить, что при заданных величинах емкости контура СК, частоты настройки ω0=2πf0 и собственного затухания контура dК, проводимость контура входной цепи может быть найдена, как:
g'К=ω0СКdК. Режим согласования при заданной полосе пропускания ВЦ. В этом режиме:
m1=√(gKγ)/(2gА)
m2=√(gK(γ-2))/(2g2)
при этом где
К0=1/2√(gА(γ-2))/(γg2)
γ=П/ПК – коэффициент расширения полосы пропускания, П – заданная полоса пропускания (по уровню – 3 дБ), ПК – собственная полоса пропускания контура (ПК=f0dК). С настроенной антенной может быть использована ВЦ с трансформаторной связью, рис. 2. На этом рисунке обозначено: gА- проводимость антенны, LСВ- индуктивность связи, gК- проводимость контура ВЦ, g2- входная проводимость следующего за входной цепью каскада. При использовании ВЦ с трансформаторной связью соответствующим выбором величины коэффициента связи КСВ можно реализовать один из ранее рассмотренных режимов работы ВЦ. Например, если выбран режим согласования без ограничений на полосу пропускания ВЦ, коэффициент связи КСВ рассчитывается по выражению: где
КСВ=М/√LLСВ=√dКЭ(dА+1/dА), dКЭ=ω0L(gК+g2), dА=ω0LСВgА. 7
Величина минимально возможного КСВ, который достигается при dА=1, определяется КСВ=√2dКЭ, при этом LСВ=1/ω0gА. Если приемник перестраивается в сравнительно широком диапазоне частот, то применяются ВЦ с переменной настройкой. При этом используется ненастроенная антенна. Внутреннее сопротивление ненастроенной антенны в диапазоне длинных и средних волн носит емкостной характер. Одной из часто встречаемых видов ВЦ с ненастроенной антенной является входная цепь с внешнеемкостной связью, рис. 3. Здесь обозначено: ССВ- емкость связи, g2- входная проводимость следующего за входной цепью каскада, m2- коэффициент включения следующего каскада в контур ВЦ. Резонансный коэффициент передачи такой цепи может быть найден по выражению: где
К0=ССВLm2ω02/dКЭ,
L – индуктивность контура ВЦ, ω0=2πf0 – частота настройки ВЦ, dКЭ – эквивалентное затухание контура ВЦ, dКЭ=ρ(gК + m22g2); ρ=ω0L=1/ω0СКЭ – характеристическое сопротивление контура. СКЭ=СК + СДОБ + СМ; СКЭ - эквивалентная емкость контура, СК – емкость переменного конденсатора, СМ – емкость монтажа, СДОБ – добавочная емкость контура. Коэффициент перекрывания диапазона определяется как:
где
КД=f0 max/f0 min=√(СК max+СМ+СДОБ)/(СК min+СМ+СДОБ), f0 max, f0 min – соответственно верхняя и нижняя частота настройки контура ВЦ, СК min, СК max – минимальная и максимальная емкость переменного конденсатора контура ВЦ. Согласующие цепи во входных цепях
Согласующие цепи СЦ используются во входных цепях с целью повышения коэффициента передачи ВЦ по мощности. Зачастую на СЦ возлагаются и задачи предварительной селекции сигнала на фоне помех. В диапазоне умеренно высоких частот в качестве СЦ могут быть использованы контуры, собранные на сосредоточенных элементах. В диапазоне СВЧ широко применяются СЦ, выполненные на микрополозковых линиях МПЛ (рис. 4). На рис. 4 обозначено: 1 – микрополозковый проводник, 2 – диэлектрическая подложка, 3 – металлизация подложки. Четвертьволновый трансформатор сопротивления (ι=Λ/4). Это устройство обычно используется для согласования внутренней проводимости антенны gА с проводимостью нагрузки g2. Условие согласования может быть записано в виде: где
g2gАW2=1,
W – характеристическое сопротивление МПЛ, Λ - длина волны в МПЛ. Величины W и Λ связаны с геометрическими размерами МПЛ и электрическими параметрами подложки соотношениями:
W=314/((1+b/h)√ε ), Λ=λ/√εФ, εФ=0,5[1+ε+(ε-1)/√1+10h/b] 8
где
λ - длина волны в свободном пространстве, εФ – эффективная относительная диэлектрическая проницаемость среды в линии, ε - относительная диэлектрическая проницаемость подложки, h – высота подложки, b – ширина полоски.
3. СЕЛЕКТИВНЫЕ УСИЛИТЕЛИ (СУ) 3.1. Задачи по расчету параметров СУ Варианты 1,2 Во сколько раз можно повысить устойчивый коэффициент усиления селективного усилителя, если от схемы с ОЭ перейти к каскадной схеме ОЭ - ОБ? Транзистор типа КТ312А, рабочая частота f0, ток коллектора IК. Таблица 11 № IК, f0, b11, g11, b12, g12, b21, g21, b22, g22, варианта мА МГц мсм мсм мсм мсм мсм мсм мсм мсм 1 5 60 4 6 -0,3b22 -0,2g22 -40 20 2,6 1,8 2 10 30 2 7 -0,3b22 -0,2g22 -50 30 1,3 2 Варианты 3,4 Рассчитайте коэффициент усиления по напряжению, коэффициенты включения m21 и m22 одноконтурного УРЧ, собранного на транзисторе КТ312А в режиме максимального усиления при заданной полосе пропускания, если резонансная частота усилителя f0, ток коллектора IК, собственное затухание контура dК, проводимость нагрузки gН, полоса пропускания усилителя ПКЭ, индуктивность контура LК. Таблица 12 № варианта f0, МГц IК, мА ПКЭ, МГц dК gН, мсм LК, мкГн -2 3 60 5 8 5*10 3,5 1 4 30 10 5 8*10-2 5 2 Y – параметры транзистора, необходимые для расчета взять из таблицы к вариантам задания №1, №2. Варианты 5,6 Рассчитайте требуемые коэффициенты включения m1 и m2 и коэффициенты шума каскада УРЧ с ОИ на полевом транзисторе КП302А в режимах согласования и оптимального рассогласования. Исходные данные для расчета: f0 – рабочая частота усилителя, gК – собственная проводимость контура, tС – относительная шумовая температура стока, tЗ - относительная шумовая температура затвора, IС – ток стока; gС – проводимость источника сигнала, dК – собственное затухание контура, ПКЭ – полоса пропускания усилителя. При изменении режима на много ли меняется коэффициент шума? Таблица 13 № варианта f0, МГц IС, мА g21, мсм g11, мсм Y21, мсм tС tЗ gК, мсм 5 250 5 5,8 3,5 6 0,9 1,3 0,2 6 150 5 6 2 6 1 1,2 0,18 Продолжение Таблицы 13 № варианта gС, мсм dК ПКЭ, МГц -2 5 20 2*10 38 6 13 4*10-2 25
9
Варианты 7,8 Определите максимальный коэффициент усиления по мощности СУ на частоте f0, если заданы параметры матрицы рассеяния транзистора, измеренные при характеристическом сопротивлении W0=50 (Ом). Таблица 14 № варианта S11 S12 S21 S22 f0, ГГц IК, мА Тип тр-ра 7 0,732L-70o 0,028L63o 1,552L108o 0,770L-41o 4,4 8 3П321 8 0,685L130o 0,02L61o 1,112L43o 0,606L-47o 2,6 5 КТ391 Варианты 9,10 Определите оптимальную частоту накачки, частоту настройки холостого контура, минимальную шумовую температуру и минимальный коэффициент шума двухчастотного параметрического усилителя, если задано: частота усиливаемого сигнала f0, требуемый коэффициент усиления КР, физическая температура резонаторов усилителя ТД, тип параметрического диода. № варианта 9
10
Тип и рабочие параметры диода диод 1А404Б ϕК=0,3 (В) UНОР. ОБР=10 (В) τ(U0)=0,5 (пс) диод 1А408А ϕК=0,3 (В) UНОР. ОБР=12 (В) τ(U0)=0,3 (пс)
f0, МГц
Таблица 15 КР, дБ ТД, К
9375
15
300
10000
10
300
3.2. Методические указания по выполнению задач раздела "Селективные усилители" К основным параметрам, характеризующим селективные усилители (СУ), могут быть отнесены коэффициент усиления, избирательность, коэффициент шума, входная и выходная проводимость, рабочий диапазон частот. Селективные усилители могут быть реализованы на различных активных элементах: транзисторах, микросхемах, тунельных и параметрических диодах. СУ на транзисторах В диапазоне до 300-500 МГц расчет СУ на транзисторах проводится на основе Y-параметров. Величина Y-параметров определяется типом транзистора, его режимом работы, рабочей частотой и схемой включения. Связь Y-параметров транзисторов, включенных по схеме с общим эмиттером (ОЭ), со схемами включения с общей базой (ОБ) и с каскадной схемой ОЭ-ОБ, приведена в табл. 16. Таблица 16 Параметры Схема включения транзистора ОБ ОЭ-ОБ Y11 ≈Y21Э ≈Y11Э Y12 -(Y12Э+Y22Э) ≈Y12ЭY22Э/Y21Э Y21 ≈-Y21Э ≈Y21Э Y22 Y22Э ≈-Y12Э Эквивалентная схема СУ на транзисторе приведена на рис. 5. Она состоит из транзистора, представленного в виде четырехполюсника ║Y║, входного и выходного колебательных контуров (К1), (К2), источника сигнала İС с проводимостью gС, нагрузки с проводимостью gН. 10
Существует ряд режимов работы СУ, которые отличаются различными величинами коэффициента усиления, коэффициента шума, частотной избирательности. Режимы работы СУ обеспечиваются соответствующим выбором коэффициентов включения mij транзистора, источника сигнала и нагрузки в контуре. Вне зависимости от того, в каком режиме работает СУ, необходимо выполнение условия: где
К0