5. Расчёт смесителя апч

Исходные данные:

λ=3.5см

= 0,2%

1. Выбираем смесительный диод типа АА112Б

L_прб ≤ 6дБ,r_вых сд = 440 – 640 Ом

2. Выбираем рабочие уровни мощностей гетеродина и сигнала:

=9мВт

90 мВт

3. Определяем r_{бс ср} и сопротивление нагрузки Rp

Ом

Ом

4. Рассчитываем потери преобразования малого сигнала:

5. Рассчитываем выходное напряжение БС АПЧ:

По графику 7.23[1] находим В/Ом^0,5

В.

6. Выбор активных элементов и расчет их параметров

Число каскадов УПЧ зависит от усиления отдельных каскадов, числа резонансных систем, необходимых для получения .требуемой избирательности, общего коэффициента усиления радиоприемника, при котором обеспечивается нормальная работа демодулятора.

Требуется определить параметры полевого транзистора типаКП305Д на рабочих частотах fpi при токе стока Iст.

Исходные данные транзистора:

Sмин=5,2·10^-3мА/В Крутизна характеристики.

Sмакс=10,5·10^-3мА/В

С₁₁₀=5·10^-12 Ф Входная емкость в схеме с общим истоком.

С₁₂₀=0,8·10^-12Ф Проходная емкость в схеме с общим истоком.

С₂₂₀=5·10^-12Ф Выходная емкость в схеме с общим истоком.

U₀=5В Напряжение Uси, при котором измерены параметры.

I₀=5·10^-3А Ток стока в типовом режиме.

Iкмакс=0,015А Максимально допустимый ток.

Uкэмакс=15В Максимально допустимое напряжение сток-исток.

Rи=40Ом Сопротивление истоковой области (Rи = (30...50) Ом).

Rзи=1010Ом Сопротивление затвор-исток.

Rси=2·104Ом Сопротивление сток-исток.

Nмакс_дБ=7,5 дБ Максимальный коэффициент шума.

Исходные параметры для расчета схемы.

Ic=5·10^-3А Ток в рабочей точке.

Uси=10В Напряжение сток-исток в рабочей точке.

Предварительные расчеты.

мА/В Среднее значение крутизны для выбранного транзистора.

Расчет высокочастотных параметров транзистора.

Для транзистора, включенного по схеме с общим истоком, внутренние параметры рассчитываем по формулам:

g₁₁=(2π·fр₀)²Rи·С₁₁₀·С₂₂₀+1/Rзи=3,553·10^-5 Активная проводимость.

b₁₁=2π·fр₀·(C₁₂₀+C₁₁₀)=1,093·10^-3

C₁₁=b₁₁/2π·fр₀=5,8·10^-12 Входная емкость.

g₂₁=S=7,389·10^-3

b₂₁=2π·fр₀ ·C₁₂₀=1,508·10^-4 Прямая взаимная проводимость.

C₂₁=b₂₁/2π·fр₀=8·10^-13 Прямая взаимная емкость.

g₁₂=1·10^-12

b₁₂=2π·fр₀ ·C₁₂₀=1,508·10^-4 Обратная взаимная проводимость.

C₁₂==b₁₂/2π·fр₀=8·10^-13 Обратная взаимная емкость.

g₂₂=(2π·fр₀)²Rи·С₁₂₀·С₂₂₀+1/Rcи=5,568·10^-5

b₂₂=2π·fр₀·(C₁₂₀+C₂₂₀)=1,093·10^-3

C₂₂==b₂₂/2π·fр₀=5,8·10^-12 Выходная емкость

Определим Y-параметры транзистора.

=1,094·10^-3

=1,508·10^-4

=7,391·10^-3

=1,095·10^-3

Вычислим коэффициент устойчивого усиления транзистора на нужной частоте:

Вычислим Y-параметры для каскодных схем:

Y_11к=Y₁₁

Y_21к=Y₂₁

Y_12к=Y₁₂· Y₂₂/ Y₂₁

Y_22к= -Y₂₂

6. Электрический расчет

1. Проектирование антенного переключателя

Защиту входного каскада радиолокационного приемника от перегрузки и повреждения СВЧ сигналами от собственного передатчика РЛС или от внешних источников помех в полосе рабочих частот осуществляют разрядниками защиты приемника (РЗП) и ограничителями СВЧ мощности на полупроводниковых диодах.

В целом эти устройства объединяются в антенный переключатель (АП).

С помощью АП осуществляют подключение антенны к тракту передатчика и запирание приемника на время излучения мощного импульсного сигнала, а после окончания действия импульса - подключение с минимальной задержкой выхода антенны к входу приемника и отключение тракта передатчика. Выбор конкретного типа АП зависит от мощности зондирующего сигнала и вида устройств, следящих за АП. При импульсной мощности сигнала порядка 100-150 кВт. АП обычно строят по следующей схеме: ферритовый циркулятор, РЗП и диодный резонансный СВЧ-ограничитель. При мощности излучаемого сигнала 1-2 кВт и менее разрядник может быть исключен.

Схема АП показана на рисунке.

Рисунок 2. Схема антенного переключателя.

Циркулятор E - устройство, обладающее следующими свойствами: при подаче сигнала на плечо 1 циркулятора выходной сигнал появляется в плече 2 с очень малым (порядка 0.2…0.5 дБ) ослаблением, в то время как в плече 3 он существенно (на 13 … 25 дБ) ослабляется. Аналогично, при поступлении на плечо 2 он без ослабления появляется на плече 3 и не проходит на выход плеча 1. В АП вместо четырехплечего циркулятора используют два трехплечих циркулятора, соединенных последовательно, которые проще в изготовлении и обладают меньшими потерями.

В АП сигнал от передатчика (сигнал высокого уровня) поступает на плечо 1 циркулятора E1 и через плечо 2 поступает в антенну. Лишь небольшая ослабленная по мощности часть сигнала проходит на плечо 3 и через циркулятор E2 попадает на вход разрядника U1. Мощности сигнала достаточно для зажигания разрядника, на который через сопротивление резистора R1, равное 2 … 4 МОм, подают напряжение поджига Uпд = 700 В (Pз < 150 … 1000 мВт). Разрядник создает в линии передачи практически короткое замыкание, и СВЧ-сигнал, отражаясь от него в направлении к циркулятору E2, поглощается в согласованной нагрузке Rп, чем достигается защита УСВЧ или смесителя от выжигания.

После зажигания поступающая мощность резко уменьшается и составляет не более 50 ... 70 мВт. Выделяющиеся энергия СВЧ и мощность во время действия плоской части импульса могут вывести из строя или необратимо ухудшить параметры диодов ППУ или смесителя.

Для предотвращения этого после разрядника ставят резонансный СВЧ-ограничитель, включаемый в основную линию через отрезок линии длиной l / 4. Он представляет собой параллельное соединение разомкнутого емкостного шлейфа l1 и последовательно соединенных ограничительного диода VD1 и короткозамкнутого шлейфа l2.

Для сигнала высокого уровня диод VD1 эквивалентен последовательному соединению индуктивности выводов (порядка 0.2 … 2 нГ) и малого активного сопротивления потерь Rв = 1.3 … 2 Ом. Последовательно соединенные диод, короткозамкнутый шлейф l2 (его реактивное сопротивление носит индуктивный характер) и разомкнутый емкостный шлейф l1 (eгo емкость C1) образуют параллельный резонансный контур. Волновое сопротивление шлейфов l1 и l2 выбирают порядка 40 Ом. Сопротивление контура при резонансе достаточно велико и четвертьволновый отрезок линии l3 оказывается практически разомкнут, а его входное сопротивление близко нулю. Вследствие этого просачивающаяся энергия отражается в обратном направлении. Ослабление сигнала высокого уровня в ограничителе составляет 15 … 20 дБ, что обеспечивает работу последующих устройств.

Отраженный от цели сигнал (сигнал низкого уровня) поступает из антенны сначала на плечо 2 циркулятора E1, потом на плечо 3, а затем на плечо 1 E2 и через его выходное плечо 2 на вход разрядника U1. Мощность такого сигнала недостаточна для зажигания U1. Прямые потери сигнала в U1 составляют 0.3 … 1,5 дБ.

Совместно с отрезком длиной l2 диод образует последовательный колебательный контур, сопротивление которого при резонансе равно rп = 18 ... 20 Ом и мало по сравнению с волновым сопротивлением основной линии Z0. Таким образом, к отрезку длиной l1 подключена нагрузка, сопротивление которой Zн = rн + l / (j C1), т. е. отрезок длиной l1 практически замкнут накоротко, его входное сопротивление очень велико и ослабление полезного сигнала практически отсутствует (L = 0,1 ... 0,3 дБ). Для замыкания постоянной составляющей тока ограничителя в точке подсоединения диода включен короткозамкнутый четвертьволновый отрезок с максимально возможным с точки зрения технической реализации значением Z0 = 85 ... 95 Ом. Полоса пропускания АП составляет 3 ... 10 % от несущей.

Произведем расчет антенного переключателя.

Пусть требуется рассчитать резонансный ограничитель 3-см диапазона волн.

f₀=8,6·10⁹Гц Рабочая частота.

f_пр=50·10⁶Гц Промежуточная частота.

W₀=50 Ом Волновое сопротивление подводящих линий.

L_{зап_дБ}=13дБ Потери запирания.

L_зап=10^{Lзап_дБ/10}=19,953 Потери запирания (в разах).

Параметры ограничительных диодов даны в таблице 3.

Таблица 2.

Выберем бескорпусной ограничительный диод со следующими параметрами:

Cпер=0,4·10^-12Ф Емкость перехода.

r_н=12 Сопротивление потерь диода на низком уровне мощности.

r_в=1,8 Сопротивление потерь диода на высоком уровне мощности.

Lпос=0,4·10^-9Гн Последовательная индуктивность выводов диода.

Pрас_макс=0,3Вт Максимальная рассеиваемая средняя мощность.

Минимальная критическая частота диода.

Расчет ограничителя будем производить на основе заданной величины Lзап , считая, что в данном примере важно получить не максимально возможные потери запирания, а минимальные потери пропускания. Последние находим по формуле:

дБ Потери пропускания в дБ.

Практически потери Lпр будут несколько выше за счет потерь в отрезках микрополосковых линий.

Оценим полосу запирания ограничителя:

Праб_выс=2π·f₀²Cпер·r_в=3,976·10⁸

Рассчитаем максимально допустимые уровни импульсной Ри_пд_макс и средней Рпд_макс СВЧ мощности, которые можно подводить ко входу ограничителя.

Полагая, что при импульсном режиме работы скважность q = l / (Fпос и) = 1000, где fпос - частота посылок импульсов, и - длительность последних, определяем:

Q=1/(F·τ_и)=1·10³

Основным недостатком диодных ограничителей является относительно небольшой допустимый уровень импульсной мощности Ри_пд_макс от сотен ватт до 1-2 кВт. Для устранения этого недостатка и объединения достоинств РЗП и ограничителей используют так называемые разрядники-ограничители. Они представляют собой сочетание РЗП (нередко без электрода вспомогательного разряда), и следующего за ним диодного ограничителя. Разрядники-ограничители, не требующие никаких источников питания, выдерживают большие импульсные мощности (свыше 10 кВт) и обеспечивают защиту приемника от всех возможных сильных сигналов помех.

Учитывая частотный диапазон проектируемого антенного переключателя, выберем РЗП типа РР6. Для него:

Qк=1100

Ослабление зеркального канала при нижней настройке гетеродина за счет РЗП: