Высокочастотные малошумящие преобразователи
8.2. Высокочастотные малошумящие преобразователи
Кроме облучателя и поляризатора в фокусе приемной параболической антенны устанавливается высокочастотный малошумяший усилитель-преобразователь, так называемый конвертер. В зарубежной литературе по спутниковому телевидению он сокращенно обозначен как LNB (рис. 8.11).
Это небольшой электронный блок, который собирает электромагнитный сигнал, отраженный от зеркала антенны, осуществляет его преобразование в более низкочастотный и усиливает его. Необходимость уменьшения частоты принятого сигнала объясняется следующими требованиями.
Наземные антенны спутникового телевидения могут устанавливаться на расстоянии до нескольких десятков метров от ресивера. Для передачи спутникового сигнала необходим специальный кабель с небольшим затуханием на частотах до 2 ГГц. Однако спутники в Ки-диапазоне работают на частотах в 5...6 раз больших. В обычном коаксиальном кабеле, используемом при приеме наземного телевидения в диапазонах MB и ДМВ, сигнал спутникового телевидения полностью рассеивается (поглощается) при длине кабеля около 1 м. Поэтому в приемной аппаратуре спутникового телевидения необходимо предусмотреть такое устройство, которое могло бы снизить частоты сигналов, передаваемых по кабелю от антенны к ресиверу. Таким устройством и является конвертер.
В истории развития конвертеров можно выделить следующие этапы: параметрические усилители, использующие для усиления высокочастотную «накачку»; системы на туннельных диодах; транзисторные усилители. Сегодня наиболее широко используется система третьего типа, так как транзисторные конвертеры отличаются низкой стоимостью, простотой настройки и хорошими техническими характеристиками, особенно когда появились транзисторы на арсениде галлия (GaAs).
Сигнал, отраженный от зеркала параболической антенны, например в полосе частот 10,9...11,7 ГГи, поступает на МШУ (1), состоящий из нескольких транзисторов (рис. 8.12). Такой МШУ может усиливать принятый с ИСЗ сигнал на 30 дБ. Полосно-пропускаюший фильтр (ППФ), или фильтр верхних
частот (ФВЧ) (2), служит для ослабления шумов зеркального канала и снижения паразитного излучения частоты гетеродина.
Важнейшую роль в устройстве конвертера играют смеситель (3) и гетеродин (4). Последний генерирует сигнал с частотой 10 ГГц, который подается на смеситель (3). В смесителе происходит основное преобразование: из сигнала спутникового телевидения благодаря сигналу гетеродина вычитается 10 ГГи. Результирующий сигнал поступает на усилитель промежуточной частоты (УПЧ) (5) в полосе частот 0,9...1,7 ГГц. В такой полосе сигнал спутникового телевидения можно подавать по кабелю к ресиверу. Однако в каскадах ФВЧ и смесителе было дополнительное затухание сигнала порядка 10...12 дБ. Поэтому перед подачей спутникового сигнала в кабель УПЧ повышает его уровень примерно на 30 дБ.
Конвертер предназначен для установки в фокусе параболической антенны с соотношением F/D, равным 0,2...0,4 (рис. 8.13). Например, фокусное расстояние F = 750 мм, а диаметр D = 2000 мм. В данном случае отношение F/D = 0,375.
СВЧ преобразователь снижает частоту сигналов передатчика спутника в полосе частот 10,95...11,36 ГГц на 10 ГГи и имеет коэффициент шума (Кш) не более 5...6 дБ. По сравнению с Кш конвертеров современных зарубежных фирм это низкий показатель. Однако необходимо учесть то, что этот конвертер предназначен для самостоятельного изготовления опытными радиолюбителями. Низкий Кш можно
компенсировать установкой осесимметричной антенны большого диаметра, например 1,5...2 м.
Преобразователь построен по схеме прямого усиления без предварительного усиления сигнала в полосе частот 10,95...11,36 ГГц. Такая схема тракта весьма проста, а усиление спутникового сигнала приходится на УПЧ в полосе частот 0,95...1,36 ГГи.
Сигнал ПЧ создается в смесительном диоде VD1 типа АА112А, а ответственную роль гетеродина выполняет диод VD3 типа АА703А (или типа АА703Б).
Названия типов диодов расшифровываются следующим образом:
первый элемент названия диода — буква А, это соединения галлия, из которых изготовлен диод;
второй элемент — буква, указывает подкласс полупроводникового прибора: А — диоды СВЧ;
третий элемент — трехзначное число, указывает назначение и качественные особенности полупроводникового прибора, а также порядковый номер разработки: диоды, в шифрах которых есть цифры от 101 до 199,— смесительные диоды СВЧ; диоды, в шифрах которых цифры от 701 до 799, — генераторные диоды СВЧ;
четвертый элемент — буква, которая указывает разновидность типа в названное группе полупроводниковых приборов.
Таким образом, диод типа АА703А — это СВЧ генераторный диод, который изготовлен из соединений галлия. Этот диод является наиболее важной деталью в конвертере. Диоды такого класса носят название диодов Ганна (создан в 1963 году). В отличие от выпрямительных, туннельных и диодов других типов, работа в которых определяется в р-n переходах, принцип действия диодов Ганна обусловлен процессами, возникающими в однородном полупроводнике с электронной проводимостью (без р-n перехода). Диод Ганна имеет динамическое отрицательное сопротивление, которое возникает благодаря объемному эффекту (эффекту Ганна) в таком однородном полупроводнике, поэтому при подключении к резонатору он может генерировать колебания СВЧ. При подключении к диоду высокодобротных резонаторов частота колебаний слабо зависит от напряжения питания диода и его нагрева и в основном определяется настройкой резонатора.
Конвертер работает следующим образом. Сигнал ПЧ через разделительный конденсатор С2 подается на малошумящий транзистор VT1, нагрузкой которого является индуктивность L2. Второй каскад на транзисторе VT2 является
таким же усилителем сигнала ПЧ, как и первый на транзисторе VT1.
Окончательное усиление сигнала ПЧ осуществляется в третьем каскаде на транзисторе VT3 до уровня те менее 25 дБ. Как и в первом каскаде, в усилителях ПЧ на транзисторах VT2 и VT3 в цепи коллектора используются индуктивности L3 и L4. На резисторе R9, установленном в эмиттерной цепи этого транзистора, создается отрицательная обратная связь по постоянному току, которая через резисторы R2, R4, R6 подается соответственно на базы транзисторов VT1...VT3. Резистор R 10 ограничивает величину тока через диод VD2 типа КС162А, предназначенный для двустороннего ограничения напряжения.
Постоянный ток транзисторов VT1... VT3 можно изменять путем подбора сопротивления резисторов R3, R5, R7. Величина тока коллектора определяет шумовые характеристики транзистора. Поэтому необходимо подбирать величину тока для каждого транзистора, что особенно важно для первого каскада усиления на транзисторе VT1. В принципиальной схеме приведены номиналы сопротивлений этих резисторов, которые являются оптимальными для транзисторов типа КТ3115 или КТ3132.
Через индуктивность L1 и резистор R1 протекает постоянный ток сдвига рабочей точки смесительного диода VD2. Контрольная точка КТ1 предназначена для подключения миллиамперметра для измерения величины этого тока.
Через индуктивность L5 протекает ток источника питания (напряжение питания — в пределах +9...15 В), поскольку СВЧ преобразователь питается по тому же коаксиальному кабелю, по которому поступает выходной сигнал ПЧ ко входу ресивера.
Параллельно проходным конденсаторам С4, С8, С13 желательно включить конденсаторы емкостью 4,7 пф (на рис. 8.13 не показаны). Это улучшит блокировку эмиттеров транзисторов VT1...VT3.
В усилителе ПЧ применены следующие радиодетали.
Индуктивности L1 и L5 — катушки из медного провода длиной 65 мм, диаметром 0,1...0,2 мм, намотанного на оправке диаметром 4 мм. Индуктивности L2...L4 — медные посеребренные провода диаметром 1 мм и длиной 10 мм, которые находятся на высоте 2 мм от дна корпуса усилителя.
Конденсаторы С2, С5, СП, С14 типа КД-1; конденсаторы С4, С8, С13 типа КТПМ; конденсаторы С16 типа К53-1 или аналогичный; конденсаторы С1, СЗ, С7, С9, С12, С15 типа КМ-5, у которых при монтаже оставлены минимальные выводы.
Резисторы R2, R4, R6 типа С-23-06 или аналогичные;
резистор R10 типа MAT-0,25, остальные резисторы — типа МЛТ-0,125.
Соединитель XI любого типа для соединения с коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом, например СР-50.
Конструкция усилителя ПЧ конвертера может быть выполнена следующим образом. Усилитель помещают в цилиндрический влагонепроницаемый корпус, который изготовлен из тонкой листовой латуни (рис. 8.14).
На рис. 8. 15 показан один из вариантов монтажа усилителя ПЧ преобразователя. Радиоэлементы VD1, R3, R5, R7, R8, R9, VD2 находятся с нижней стороны монтажной платы.
На рис. 8.16 схематично показано устройство части СВЧ преобразователя, в котором осуществляются генерации напряжения гетеродина и его смешивание с входным сигналом от передатчика ИСЗ.
Входной сигнал, отраженный от зеркала параболической антенны, поступает в круглый волновод (1), внутренняя поверхность которого должна быть полированной для уменьшения потерь сигнала. Далее сигнал поступает на плавный переход (2) с круглого волновода (1) на прямоугольный (3), который конструктивно состоит из двух симметричных частей. Между этими частями находится медная фольга определенной конфигурации, создающая электрическую линию (4). Эта линия обеспечивает режим холостого хода смесительного диода VD1 (см. рис 8.13) на частоте спутникового сигнала и короткого замыкания на зеркальной частоте, что обеспечивает снижение потерь преобразования.
Сигнал ПЧ с диода VD1 через полосковый фильтр (см. рис. 8.26) поступает на усили
тель. Фильтр создает короткое замыкание для частот принимаемого сигнала и гетеродина Между двумя фторопластовыми пластинами толщиной 1 мм зажата полосковая линия из медной фольги. Выходы смесительного диода VD1 припаяны к фольге как можно ближе к корпусу диода для уменьшения индуктивности выводов.
С другой стороны прямоугольного волновода (5) находится гетеродин (9) (диод Ганна), закрепленный в резонаторе (7). Питание диода (9) блокировано конструктивным конденсатором (8) (см. рис. 8.24). Цилиндрический резонатор (7) пространственно связан с волноводным отверстием (6).
Внешний вид конструкции СВЧ преобразователя показан на рис. 8.17. Верхняя обкладка блокировочного конденсато-
pa (6) изолирована от крышки резонатора (4) картонной прокладкой. Диод Ганна зажимается винтом (7), который ввинчивается в верхнюю обкладку блокировочного конденсатора. Внутренние поверхности резонатора полируют для повышения качества работы резонатора.
Прямоугольный волновод (рис. 8.18, 8.19) состоит из двух частей (рис. 8.20—8.24). Настройку СВЧ преобразователя начинают с гетеродина. Собирают гетеродин отдельно и подключают к нему регулируемый источник постоянного напряжения 0...12 В. При этом необходимо строго соблюдать полярность — широкий конец диода АА703А должен быть подключен к отрицательной полярности источника питания. Постепенно увеличивая напряжение, контролируют напря-
женность поля около выходного отверстия индикатором, который представляет собой диод сантиметрового диапазона (например, типа АК или ДКВ). К диоду подключают микроамперметр, например магнитофонный индикатор уровня марки М476. Если индикатор не зашкаливает при приближении диода к отверстию резонатора с увеличением напряжения до 12 В, то ко дну резонатора винтом М2 прикрепляют шайбу из фторопласта толщиной 2...3 мм, просверлив в ней отверстие для диода гетеродина.
Подбирая толщину или размер фторопластовой шайбы, добиваются устойчивой генерации. Это делают следующим образом: индикатор напряженности ставят вблизи отверстия, со стороны индикатора просовывают отражающую пластину. При этом измеряют расстояние между двумя положениями пластины, при которых показания индикатора изменяются с одного минимума на другой. Это будет половина длины волны в воздухе (для частоты 10ГГц—15мм). Подрегулировать частоту гетеродина можно фторопластовым винтом М5, который завинчивается в крышку резонатора.
После достижения необходимой частоты гете-
родин подключают к усилителю ПЧ преобразователя и замеряют ток через диод VD1 типа АА112А. Ток должен быть в пределах 2...5 мА (подключенный к контрольной точке КТ1 индикатор М476 показывает 0 дБ).
Если через транзисторы VT1...VT3 протекает ток и отсутствует генерация (самовозбуждение) усилителя, то усилитель ПЧ преобразователя работоспособен. Потребление тока при напряжении питания 9...12 В составляет не более 350 мА.
Для непосредственного вешания со спутников используются два основных диапазона: С-диапазон (3,5...4,2 ГГи) и Ku-диапазон (10,7...12,75 ГГи). Ки-диапазон условно разбит на три части, которые также называются диапазонами.
Первый диапазон с полосой частот 10,7...11,8 ГГц обозначается FSS (Fixed Satellite Services), второй с 11,8...12,5 ГГц — DBS (Direct Broadcasting Satellite), третий с 12,5...12,75 ГГц — TELECOM.
Конвертеры С-диапазона принимают все сигналы «своей» полосы частот, но они абсолютно не пригодны для приема в Ки-диапазонах. Поэтому для диапазонов С и Ки необходимо использовать разные конвертеры.
Выпускаемые С-диапазонные конвертеры в основном предназначены для профессионального приема. Существуют и С-диапазонные конвертеры для индивидуального приема, например OXBRIDGE, VECOM, CALIFORNIA AMPLIFER, GARDINER. Часть выпускаемых моделей совмещены с облучателями.
Ки-конвертеры бывают трех типов: однодиапазонные с полосой частот 10,7...11,8 ГГц, двухдиапазонные с 10,7...12,5 ГГи и трехдиапазонные (Full Band) с полосой частот 10,7...12,75 ГГи.
Важнейшим параметром каждого конвертера является частота гетеродина, которую кратко обозначают LOF (Local Oscillator Frequency). В первых однодиапазонных конвертерах (см. рис. 8.12) частота гетеродина равнялась 10 ГГи. В современных полнодиапазонных конвертерах приняты другие значения частот гетеродинов. Для полнодиапазонных конвертеров дополнительно сообщают два параметра: LOF-1 (частота гетеродина 9,75 ГГи) и LOF-2 (10,6 или 10,75 ГГи). Эти указания дают возможность определить, какой сигнал предельной частоты будет принят спутниковым ресивером.
Конвертер состоит из следующих основных узлов (рис. 8.25). МШУ (1) усиливает спутниковый сигнал в полосе частот 10,9...12,7 ГГц, который подается на делитель (2). После разделения на два канала сигналы подаются через ППФ (3) на смесители (5). На каждый из смесителей подается сигнал от гетеродина (4). Low — низкочастотный гетеродин, High — высокочастотный.
Переключение диапазонов происходит путем переклю-
чения только гетеродинов (4) и первых каскадов УПЧ (6) каждого диапазона напряжением 13/18 В, поступающим по центральному проводнику коаксиального кабеля.
С того или иного УПЧ (6) сигнал поступает на делитель (7) и далее на второй УПЧ. Такие конвертеры выпускают фирмы «ECHOSTAR», «CHAPARAL», «CALIFORNIA AMPLIFER», «GARDINER». Сейчас получили распространение полнодиапазонные конвертеры другого типа (рис. 8.26). Сигналы спутников, находящихся на орбите, различаются по поляризации, что требует ее плавной подстройки. Например, вертикальная поляризация на спутниках TELECOM на 30° отличается от поляризации на спутнике EUTELSAT.
В волноводах таких конвертеров зонды V и Н поляриза-
ций расположены соосно, под углом 90°. В такой конструкции (предложена фирмой «CAMBRIDGE») один зонд затеняется другим, в связи с этим коэффициент шума V и Н поляризаций не одинаков.
Входные транзисторы по V и Н поляризациям работают на общую согласующую цепь (все МШУ). В отличие от предшествующих полнодиапазонных конвертеров этот имеет общий ППФ (2) на оба диапазона 10,7...12,7 ГГц. На смеситель (4) в нем переключаются только гетеродины (3) (Low и High), что существенно упрощает схемные решения и уменьшает габариты конвертера.
В конвертере CAMBRIDGE используется также УПЧ (5) на высокочастотных микросхемах (по усилению заменяет два СВЧ транзистора), что позволило сократить количество усилительных элементов.
В конвертерах фирм MNI и LASAT найдено оригинальное решение: смеситель и гетеродин собраны на одном транзисторе. В результате в конвертере стало одним каскадом меньше.
В конвертере OXFORD применена СВЧ микросхема, объединяющая оба гетеродина, смеситель и усилитель ПЧ. Такое решение стало очередным шагом к миниатюризации бытовых конвертеров.
Таким образом, полнодиапазонный конвертер (встречается название «интегральный») содержит два однополосных в одном корпусе с совмещенным облучателем. Конвертер, совмещенный с облучателем, сокращенно обозначается LNBF, т. е. LNB Full Band (рис. 8.27).
Конвертер справа имеет два выхода для одновременной регистрации сигналов V и Н поляризаций. В Full Band конвертерах сохранено переключение V и Н поляризаций напряжением 13/18 В (в первом и втором диапазонах способ один и тот же). Это означает, что интегральные полнодиапазонные конвертеры могут быть использованы совместно с ресиверами старого типа с полосой частот 10,7...11,8 ГГц. В конвертере также осуществляется переключение гетеродинов для работы в диапазонах FSS или DBS.
В современных так называемых «универсальных»,конвер-терах верхний диапазон (DBS и TELECOM) включается с помощью тонового сигнала 22 кГц, который имеет форму меандра амплитудой 0,6 В. При появлении в коаксиальном кабеле (здесь же передается промежуточная частота от конвертера к ресиверу) сигнала 22 кГц, который добавляется к постоянному напряжению питания конвертера 13/18 В, приводится в действие второй гетеродин (LOF-2). В этом случае конвертер будет принимать сигналы частот диапазона 11,7...12,75 ГГц. Без сигнала с частотой 22 кГц в действие приводится только первый гетеродин (LOF-1), и конвертер работает как однополосный. Напряжение 13/18 В в таких универсальных конвертерах используется для переключения поляризации.
Универсальные конвертеры выпускают фирмы «OXFORD», «OXBRIDGE», «CAMBRIDGE», «VECOM», «GRUNDIG» и др.
Следует отметить, что конвертер усиливает не только полезный сигнал, но и приходящие с ним шумы. Кроме того, как и любой электронный прибор, он сам повышает уровень шума. Для конвертеров Кu-диапазона шум измеряется в децибелах.
Лучшие конвертеры имеют коэффициент шума 0,5...0,8 дБ, худшие — 1,0...1,3 дБ и более. При использовании конвертера с меньшим Кш можно «сэкономить» на диаметре параболической антенны при том же качестве воспроизведения изображения на экране телевизора.
Шум конвертеров С-диапазона измеряется в градусах Кельвина (К) и лежит в пределах 15...50 К. Чем меньше шум конвертера (значение Кш ниже), тем меньше он вносит искажений в телевизионный сигнал и тем дороже стоит.
Если необходимо вести прием в диапазонах С и Кu, в фокусе антенны можно установить два конвертера (рис. 8.28). Каждый конвертер имеет свой облучатель и поляризатор. При этом облучатель хотя бы одного конвертера окажется не совсем в фокусе антенны, что несколько снизит коэффициент направленного действия антенны и ослабит принимаемый сигнал. Однако в большинстве случаев в зоне обслуживания спутников такая потеря сигнала может быть практически незаметной.
Второй путь — можно приобрести конструкцию, называемую С/Ки-ротором. Это устройство включает в себя облучатели для С и Кu диапазонов, разделяющие принимаемый электромагнитный поток на две части. С/Кu-роторы совмещены с электромеханическими поляризаторами. Эта конструкция снижает стоимость системы и упрощает процесс
Основные недостатки конструкции С/Кu-ротора следующие:более значительные потери мощности сигналов Ku-диапазона; частый выход из строя движущихся частей электромеханического поляризатора, особенно при низких температурах.
В настоящее время налажен выпуск совмещенных конвертеров для приема сигналов в С и Кu диапазонах. Такие конвертеры по техническим параметрам пока уступают однодиапазонным конвертерам, однако обеспечение приема в обоих диапазонах является наименее трудоемким. В табл. 8.1 представлены технические и эстетические параметры некоторых конвертеров Кu-диапазона.
Выход конвертера соединяется с ресивером с помощью коаксиального кабеля, на концах которого необходимо установить так называемые F-соединители.
На рис. 8.29 показаны F-соединитель (слева) и этапы подготовки (разделки) коаксиального кабеля для соединения с ним. На первом этапе снимают защитную оболочку кабеля. Затем с центрального проводника кабеля снимают изоляцию (диэлектрик внутри оплетки кабеля). На третьем этапе оплетку кабеля отгибают на защитную оболочку. После этого
на кабель насаживают F-соединитель. При этом роль центрального штыря соединителя выполняет внутренний проводник кабеля. При стыковке F-соединителя с кабелем дополнительная пайка не нужна.
Далее необходимо обеспечить защиту места стыковки от атмосферных осадков (рис. 8.30). На место соединения наматывают 8...10 витков изоляционной ленты типа ПХВ. Чтобы лента с
течением времени самопроизвольно не разматывалась, на место стыковки необходимо наложить проволочный бандаж. На конвертер, а также на выходной соединитель с коаксиальным кабелем, постоянно воздействуют атмосферные явления и другие факторы. Как правило, производители конвертеров не снабжают его защитным футляром. Поэтому некоторые владельцы спутниковой аппаратуры устанавливают защитные устройства самостоятельно. Конструкцию защитного устройства(рис. 8.31) предложил В. Ткачев (г. Лоев).
Она состоит из трех основных деталей: алюминиевой полоски толщиной 1,5...2 мм и длиной 140...160 мм; дуги для крепления конвертера; пластмассовой прозрачной бутылки.
Используют две полоски, в которых предварительно просверливают два отверстия и в них нарезают резьбу М4. Затем полоски изгибают (рис. 8.31,б)и привинчивают к дуге крепления головки.
Следующий этап — изготовление футляра из пластмассовой прозрачной бутылки объемом 1 л. Затем конвертер закрепляют и настраивают на рабочее положение. Сверху надевают пластмассовый футляр, в котором просверливают четыре отверстия напротив отверстий в полосках алюминия. Футляр закрепляют болтиками над конвертером, находящимся внутри. В результате конвертер защищен от дождя и снега. Для защиты от перегрева прямыми солнечными лучами пластиковую заготовку изнутри окрашивают в белый цвет.
Однако установка защитного футляра приводит к дополнительному затенению зеркала параболической антенны, что снижает коэффициент использования его поверхности. При слабом уровне сигнала спутникового ретранслятора в месте установки антенны защитный футляр значительно ухудшает качество телевизионного приема.
