Задание на самостоятельную подготовку.
Перед выполнением лабораторной работы необходимо:
1. Изучить инструкции по эксплуатации приборов;
2. Ознакомиться по методическим указаниям с устройством и принципом работы передатчика Пд6-20А.
3. Повторить из курса теории нелинейных цепей принципы работы и возможные варианты построения нелинейных усилителей, резонансных умножителей частоты, смесителей, кварцевых автогенераторов.
4. Повторить из курса «электроника СВЧ» устройство и принцип работы ламп бегущей волны (ЛБВ), циркуляторов, направленных ответвителей.
5. Пользуясь методическими указаниями к работе, изучить функциональную схему лабораторной работы и порядок выполнения работы.
Введение.
Принцип построения и функционирования ЗССС «КРОСНА-А»
Земная станция спутниковой связи (ЗССС) «КРОСНА-А» (в дальнейшем – станция) предназначена для передачи информационных данных между пользователями в единую сеть с помощью искусственного спутника Земли в диапазоне частот 4/6 ГГц. Диапазон разбит на шесть стволов.
Средние частоты стволов на передачу (МГц):
6000, 6050, 6100, 6150, 6200, 6250
Средние частоты стволов на прием (МГц):
3675, 3725, 3775, 3825, 3875, 3925.
Станция состоит из следующих функциональных составных частей:
· Антенны приемно-передающей АПП-2,5
· Приемника Пм-1
· Передатчика Пд6-20
· Устройств наведения на спутник ДЭКА-М и УПН-1
· Блока обработки и сопряжения сигналов БОС
· Модема.
Структурная схема станции представлена на рис.1. Антенна приёмо-передающая, состоящая из параболического зеркала диаметром 2,5 м, облучающей системы и антенно-волноводного тракта АВТ, устанавливается, как правило, на крыше здания. На антенне крепится малошумящий усилитель (МШУ). Внутри здания размещены стойки с входящими в них радиотехническими устройствами и блоки сопряжения с ЭВМ и телефонными линиями. Антенная система соединена с оборудованием станции НЧ и ВЧ кабелями.
Принятый антенной сигнал частотой 3675–3925 МГц усиливается с помощью МШУ и поступает по ВЧ кабелю на вход приёмника Пм-1, где преобразуется в сигнал с промежуточной частотой 70±18 МГц, усиливается до необходимого уровня и подаётся на МОДЕМ. Здесь радиосигнал декодируется. Выделенное сообщение в цифровой форме поступает на БОС, где происходит окончательная обработка сигналов, разделение их по линиям и сопряжение с внешними устройствами: ЭВМ, телексом, телефаксом, телефоном. Телефонные сообщения приводятся к аналоговому виду.
На станции имеется устройство управления наведением антенны на ИСЗ. Необходимость в этом устройстве обусловлена тем, что угловые перемещения ИСЗ на орбите превышают ширину диаграммы направленности антенны. Слежение антенны за ИСЗ осуществляется по максимуму принимаемого сигнала путем качания зеркальной системы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Устройство управления включает в себя блоки ДЭКА–М, УПН–1, исполнительные двигатели ИД и приборные редукторы ПР, являющиеся датчиками поворота антенны.
В режиме передачи станция работает следующим образом. Сообщение с телефона, телекса, факса или ЭВМ поступает на БОС, преобразуется в цифровую форму и переносится в МОДЕМе на частоту ПЧ 70±18 МГц. Этот сигнал подаётся на передатчик Пд6-20, в котором с помощью гетеродина Гт-Пд и преобразователя ПрЧ 70/6 преобразуется в сигнал частотой 6000–6250 МГц, усиливается до требуемого уровня мощности усилителем СВЧ6-20 и по гибкому волноводу подается в антенну. Коэффициент усиления антенны на передачу составляет 40,8 дБ, ширина диаграммы направленности по уровню минус 3дБ – 80 угловых минут.
В данной лабораторной работе изучаются устройство, принцип работы и исследуются характеристики передатчика Пд6-20.
Устройство и принцип работы передатчика Пд6-20А
4.1 Назначение передатчика.
1. Передатчик Пд6-20А предназначен для формирования, усиления и передачи модулированных СВЧ сигналов мощностью 20 Вт в диапазоне 6 ГГц. Полоса частот передатчика 5975–6275 МГц.
Рис.1 Структурная схема ЗССС КРОСНА-А.
2. Исследуемый передатчик работает в составе земной станции спутниковой связи "КРОСНА" в 8-ом стволе. Центральные частоты стволов, в которых возможна работа передатчика приведены в табл.1.
Таблица 1
| Номер ствола | ||||||
| Центральная частота, МГц |
4.2 Технические данные.
1. Мощность сигнала на выходе передатчика на центральной частоте любого ствола, измеренная при напряжении входного сигнала ПЧ 275мВ - не менее 20Вт.
2. В передатчике обеспечивается местная и дистанционная регулировка мощности. Диапазон регулировки - не менее 15 дБ.
3. Неравномерность АЧХ ствола в полосе пропускания частот ±18,5 МГц относительно центральной частоты и крутизна АЧХ при мощности на выходе 10 Вт должны быть не более 1дБ и 0,1дБ/МГц соответственно.
4. Уровень паразитных составляющих на выходе передатчика относительно несущей мощностью 20 Вт в полосе любого ствола не более –60 дБ.
5. Затухание несогласованности по входу ПЧ - не менее 26 дБ.
6. Мощность, потребляемая передатчиком от сети переменного тока напряжением (220±22) В, - 350 Вт.
4.3 Состав передатчика и работа его частей.
В состав передатчика входят следующие функциональные узлы:
· Блок гетеродина Гт-Пд;
· Блок преобразователя частоты ПрЧ 70/6;
· Усилитель СВЧ 6-20.
Структурная схема передатчика приведена на рис.2. Передатчик построен по принципу двойного преобразования частоты (70 МГц ~ 1ГГц ~ 6ГГц). Первая ПЧ = 70 МГц, вторая ПЧ = 1175 МГц. При таком построении более просто обеспечивается перестройка передатчика по стволам без дополнительной подстройки элементов передатчика. Перестройка по стволам обеспечивается только изменением гетеродинной частоты Гт5 в блоке Гт-Пд путём замены задающего кварцевого генератора.
4.3.1 Описание работы блока Гт-Пд.
Блок Гт-Пд предназначен для формирования сигналов гетеродина «Гетеродин 1» (Гет1) и «Гетеродин 5» (Гет5).
Функциональная система блока Гт-Пд приведена на рис.3 (значения частот указаны для восьмого частотного ствола).
Формирование сигнала «Гетеродин 1» происходит следующим образом. Блок ГКвП (А1) представляет собой термостатированный высокостабильный кварцевый генератор. Термостат, в котором находится генератор, имеет аналоговое управление. Это позволяет избежать паразитной модуляции при регулировании температуры. В генераторе предусмотрена коррекция частоты в не-
Рис.2 Структурная схема передатчика Пд6-20.
Рис.3 Структурная схема блока гетеродинов Гт-Пд.
больших пределах с помощью включенного в базовую цепь транзистора варикапа. Коррекция производится подстроечным резистором, выведенным на переднюю панель блока. С выхода ГКвП сигнал частотой 122,777 МГц напряжением 400 мВ поступает на вход блока УмЧ (А2).
Блок УмЧ - умножитель частоты, представляет собой генератор гармоник на транзисторах. Необходимая девятая гармоника сигнала выделяется полосовым фильтром АЗ, настроенным на частоту 1105 МГц с полосой пропускания ±20 МГц. Потери в полосе пропускания фильтра не превышают 1,0 дБ, затухание при расстройке ±120 МГц от центра составляет 100 дБ.
С выхода фильтра выделенный сигнал частотой f = 1105 МГц поступает на модуль УСВЧ2-2 (А4), где происходит усиление сигнала на величину порядка 33дБ. Усилитель УСВЧ2-2 выполнен на двух монолитных усилителях типа М42116.
С выхода модуля УСВЧ2-2 сигнал через аттенюатор (А5) и ферритовый вентиль (А6) поступает на выход ГЕТ1 блока Гт-Пд. Мощность выходного сигнала на согласованной нагрузке 50 Ом составляет от 0,5 до 1,0 мВт.
Сигнал «Гетеродин 5» формируется из сигнала высокостабильного кварцевого генератора ГКвП (А7) частотой 123,125МГц. В блоке УмЧ (А8) осуществляется усиление сигнала на 10 дБ и умножение частоты усиленного сигнала на 10. Результирующий сигнал частотой 1231,250 МГц проходит через полосовой фильтр ФЧ (А9), настроенный на частоту 1237 МГц с полосой пропускания ±31 МГц. Потери в полосе пропускания не более 1,0 дБ затухание при расстройке ±100 МГц от центра не менее 85 дБ.
На выходе ФЧ установлены последовательно два усилителя типа М42118-1 и М42118-3 (А10, А12). Между усилителями в качестве развязки установлен аттенюатор (А11). Суммарное усиление двух ступеней приблизительно равно 50 дБ. На выходе усилителя А12 обеспечивается уровень мощности около 10 мВт.
В модуле УмЧх4 (А13) происходит умножение сигнала на 4. Модуль УмЧх4 представляет собой два последовательно включенных умножителя частоты на 2, выполненных по балансной схеме на варакторных диодах.
Результирующий сигнал частотой 4925МГц проходит через полосовой фильтр А14 и усиливается каскадом А15 на 20 дБ. Полосовой фильтр настроен на частоту 5050 МГц и имеет полосу пропускания ±225МГц, потери в полосе пропускания не более 2,0 дБ, затухание при расстройке ±1200 МГц от центра не менее 60 дБ.
На выход «Гетеродин 5» поступает сигнал частотой 4925 МГц мощностью 3–5 мВт.
При смене ствола приемопередатчика производят замену блока А7 в приёмном и передающем тракте на соответствующий стволу генератор.
На лицевой панели Гт-Пд высвечивается индикация о работе кварцевых генераторов А1 и А7 (РАБОТА и АВАРИЯ), а также предусмотрена коррекция их частоты. Допустимое отклонение рабочей частоты по выходам ГЕТ1 ±4 кГц, ГЕТ5 - ±16 кГц.
Подавление паразитных составляющих в спектре выходных сигналов не менее 45 дБ.
4.3.2. Описание работы блока ПрЧ 70/6
Блок преобразователя частоты ПрЧ 70МГц/6ГГц предназначен для усиления полученных в МОДЕМе модулированных по частоте колебаний ПЧ (70 МГц), переноса спектра ПЧ в область СВЧ (6 ГГц) и усиления СВЧ колебаний до уровня 2 мВт.
В преобразователе частоты ПрЧ 70МГц/6ГГц используется вариант с двойным преобразованием частоты. При этом спектр сигнала ПЧ сначала переносится в диапазон 1 ГГц в первом преобразователе, а затем - в диапазон 6 ГГц - во втором преобразователе.
Функциональная схема ПрЧ 70МГц/6ГГц приведена на рис.4. Сигнал ПЧ 70 ±18,5 МГц уровнем 0 дБм поступает на вход усилителя промежуточной частоты (УПЧ) А1, расположенного в ПрЧ 70/6. В УПЧ предусмотрено плавное регулирование уровня выходного сигнала p-i-n - аттенюатором с глубиной регулировки 20 дБ и коррекция неравномерности АЧХ и группового времени запаздывания (ГВЗ) всего тракта.
С выхода УПЧ сигнал частотой 70±18,5 МГц поступает на модуль ПрЧ1 (А5). На второй вход (ГЕТ1) модуля ПрЧ1 от блока Гт-Пд поступает сигнал гетеродина частотой 1105 МГц и уровнем 0,5-1,0 мВт. В модуле ПрЧ1 осуществляется перенос спектра сигнала ПЧ (70±18,5) в диапазон второй промежуточной частоты 1175±18,5 МГц. На выходе модуля ПрЧ1 установлен полосовой фильтр (W2) на 1175 МГц с полосой пропускания ±20 МГц. Сформированный сигнал второй ПЧ усиливается до уровня 0 дБм в модуле УСВЧ1-1 (А7) и поступает на второй преобразователь - модуль ПрЧ6 (А8).
На вход ГЕТ5 модуля ПрЧ6 поступает сигнал гетеродина, который может меняться в диапазоне частот 4825-5075 МГц с шагом перестройки 50 МГц. Изменением гетеродинной частоты Гт5 блока Гт-Пд осуществляется перестройка преобразователя по стволам. Для 8-го ствола частота ГЕТ5 составляет 4925 МГц. В модуле ПрЧ6 происходит перенос спектра сигнала второй ПЧ 1175±18,5 МГц в диапазон 6100±18,5 МГц. На выходе модуля ПрЧ6 установлены полосовой СВЧ фильтр Ф3 (W6) и усилитель М42132-2 (А9), который усиливает полученный сигнал до мощности не менее 2 мВт.
СВЧ сигнал с преобразователя частоты ПрЧ 70/6 далее поступает на усилитель СВЧ6-20.
4.3.3 Устройство и работа усилителя СВЧ6-20.
В состав усилителя СВЧ6-20 входят лампа бегущей волны (ЛБВ) с СВЧ элементами, блок питания ЛБВ и плата реле.
Схема блока ЛБВ с входным и выходным трактами приведена на рис.5.
В усилителе СВЧ6-20 применена усилительная ЛБВ типа УВ-278А с параметрами: - Рвых. = 21 Вт,
- fраб. = 5,7–6,5 ГГц,
- Ку = 40,2 дБ.
Для улучшения согласования блока ЛБВ с внешними коаксиальными кабелями с волновым сопротивлением 50 Ом, по входу блока установлен ферритовый
Рис.4 Структурная схема преобразователя частоты ПрЧ 70/6.
Кл - коллектор, П – подогреватель, ПК - подогреваемый катод, УЭ –управляющий электрод, А- анод, ЗС- замедляющая система.
Рис.5 Схема блока ЛБВ с входным и выходным СВЧ трактами.
вентиль W6 типа В2-38В. Коаксиальный переход W2 типа ШПВ-Р служит для согласования волнового сопротивления кабеля W4 с входным сопротивлением ЛБВ W1.
В выходном тракте ЛБВ установлены:
- коаксиально-волноводный переход КВП (W3), для согласования коаксиального выхода ЛБВ с прямоугольным волноводом сечением 40х20;
- переход угловой 40х20 (W5), для поворота волновода на 90 градусов в плоскости вектора Е;
- волновод гибкий (W7), для обеспечения посадочного места элементов СВЧ;
- циркулятор ФЦВ2-42 (W8) с затуханием отраженной волны 22 дБ, для обеспечения согласования в выходном тракте;
- ответвитель направленный 19 дБ (W10), с помощью которого часть сигнала отводится для контроля мощности на выходе усилителя;
- переход угловой 40х20 (W12), для поворота волновода на 90 градусов в плоскости вектора Н;
- фильтр гармоник ФГ (W14) отражающего типа, подавляющий 2-ю и 3-ю гармоники сигнала 5700–6400 МГц более чем на 50 дБ;
- переход угловой 40х20 (W17) для поворота волновода на 90 градусов в плоскости вектора Е.
Выходной тракт заканчивается волноводом сечения 40х20. Уровень мощности на выходе должен быть равен 20 Вт.
Тракт контроля выполнен на коаксиальных кабелях с волновым сопротивлением 50 Ом и имеет два выхода. Один выход заканчивается разъёмом КОНТРОЛЬ, другой - измерительным прибором Р1.
Тракт контроля состоит из: ответвителя направленного W10; кабелей соединительных W13, W16, W18, W20 с волновым сопротивлением 50 Ом; коаксиально-волноводного перехода КВП W11, осуществляющего переход с волноводной линии на коаксиальную с волновым сопротивлением 50 Ом; ответвителя направленного W15, передающего часть сигнала на выход КОНТРОЛЬ; детекторной головки W19, которая детектирует сигнал для измерения с помощью индикатора Р1, и резисторов R1, R2 для установки микроамперметра Р1.
