Разработка микроволнового смесителя для систем связи Ku-диапазона

Содержание

Введение

Глава 1. Анализ современного состояния в области разработки микроволновых смесителей

1.1. Принципы построения смесителей СВЧ-диапазона

1.2. Особенности реализации смесителей Ku-диапазона

1.3. Обзор существующих технических решений

Глава 2. Разработка структурной и принципиальной схемы смесителя

2.1. Разработка структурной схемы

2.2. Выбор типа нелинейного элемента

2.3. Разработка принципиальной схемы

2.4. Расчёт параметров элементов схемы

Заключение

Список использованной литературы

КУРСОВАЯ РАБОТА

Разработка микроволнового смесителя для систем связи Ku-диапазона

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы курсовой работы обусловлена стремительным развитием систем спутниковой связи, радиолокации и телевещания в Российской Федерации, которые функционируют в диапазоне частот Ku (12–18 ГГц). Микроволновые смесители являются ключевыми компонентами приемо-передающих трактов современных систем связи, обеспечивая преобразование частоты сигналов с минимальными потерями и высокой линейностью. Повышение требований к пропускной способности каналов связи, снижению энергопотребления и массогабаритным характеристикам аппаратуры определяет необходимость разработки новых технических решений в области проектирования смесителей СВЧ-диапазона.

Степень разработанности проблемы в отечественной научно-технической литературе достаточно высока: вопросами проектирования смесительных устройств занимались ведущие специалисты МТУСИ, МЭИ, НИИИС им. Ю.Е. Седакова, однако специфика Ku-диапазона требует учета особенностей распространения электромагнитных волн, паразитных параметров элементов и технологических ограничений современной элементной базы. Современные публикации в журналах «Электросвязь», «Радиотехника», «Техника радиосвязи» свидетельствуют о возрастающем интересе к разработке интегральных решений на основе диодов Шоттки и полевых транзисторов.

Целью курсовой работы является разработка микроволнового смесителя для систем связи Ku-диапазона с улучшенными техническими характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• провести анализ принципов построения смесителей СВЧ-диапазона и классификацию схемотехнических решений;
• исследовать особенности реализации смесителей Ku-диапазона с учетом частотных и конструктивных ограничений;
• выполнить обзор существующих технических решений отечественных и зарубежных производителей;
• разработать структурную схему смесителя с обоснованием выбора функциональных узлов;
• осуществить выбор типа нелинейного элемента и произвести расчет параметров элементов принципиальной схемы.

Объектом исследования выступают микроволновые смесители систем связи Ku-диапазона.

Предметом исследования являются схемотехнические решения и параметры элементов смесителей частот СВЧ-диапазона.

Методологическая база исследования включает теоретические основы нелинейной радиотехники и техники СВЧ, методы расчета параметров смесительных диодов и согласующих цепей, компьютерное моделирование в специализированных САПР, нормативно-техническую базу в области радиосвязи (ГОСТ Р 52023-2003, рекомендации МСЭ-Р).

Научная новизна работы состоит в обосновании выбора оптимальной структуры смесителя Ku-диапазона и разработке принципиальной схемы с расчетом параметров элементов для достижения улучшенных показателей по коэффициенту преобразования и подавлению комбинационных составляющих.

Теоретическая значимость заключается в систематизации современных подходов к проектированию смесителей СВЧ-диапазона. Практическая значимость определяется возможностью использования разработанных технических решений при создании приемных и передающих устройств спутниковой связи и радиолокационных систем.

Структура курсовой работы включает введение, две главы основной части, заключение и список использованной литературы. В первой главе проведен анализ современного состояния в области разработки микроволновых смесителей, во второй главе выполнена разработка структурной и принципиальной схемы смесителя с расчетом параметров.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ В ОБЛАСТИ РАЗРАБОТКИ МИКРОВОЛНОВЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ

1.1. Принципы построения смесителей СВЧ-диапазона

Смеситель частот представляет собой нелинейное устройство, осуществляющее преобразование спектра входного сигнала путем переноса его на промежуточную частоту с помощью гетеродина. Принцип действия смесителя основан на использовании нелинейной вольт-амперной характеристики полупроводникового элемента, обеспечивающей появление комбинационных составляющих с частотами, равными сумме и разности частот сигнала и гетеродина [1, c. 45]. В диапазоне сверхвысоких частот применяются преимущественно балансные и двойные балансные схемы, обеспечивающие подавление паразитных составляющих и повышение устойчивости к электромагнитным помехам [3, c. 78].

История развития смесительных устройств в отечественной радиотехнике берет начало с работ НИИ-20 (ныне АО «Российские космические системы») и ЦНИИ «Комета» в 1970-х годах, когда были разработаны первые балансные смесители на точечно-контактных диодах для радиолокационных станций сантиметрового диапазона. Последующее развитие технологии эpitаксиальных структур позволило создать диоды Шоттки с барьером металл-полупроводник, обладающие малой емкостью перехода и низким последовательным сопротивлением, что критично для работы на частотах выше 10 ГГц [5, c. 112].

Классификация смесителей СВЧ-диапазона осуществляется по нескольким признакам. По числу используемых нелинейных элементов различают однодиодные, двухдиодные балансные, четырехдиодные двойные балансные и многодиодные схемы. По способу подачи сигналов различают смесители с раздельными входами сигнала и гетеродина, с общим входом и с использованием направленных ответвителей [8, c. 134]. По типу нелинейного элемента выделяют диодные смесители на основе диодов Шоттки, туннельных и обращенных диодов, а также транзисторные смесители на полевых транзисторах с барьером Шоттки.

Основными техническими характеристиками смесителя являются коэффициент преобразования, выражаемый как отношение мощности сигнала промежуточной частоты к мощности входного сигнала, и коэффициент шума, определяющий вклад смесителя в общий шум приемного тракта. Для систем спутниковой связи типичные значения коэффициента преобразования составляют 5–8 дБ, а коэффициента шума — не более 6 дБ [12, c. 89]. Динамический диапазон смесителя ограничивается точкой компрессии на 1 дБ и точкой интермодуляции третьего порядка, характеризующими линейность устройства пр

…