Малошумящие усилители LNA в спутниковом оборудовании

МШУ — электронное устройство, которое усиливает сигнал, имеющий очень малую мощность, без значительного ухудшения взаимосвязи сигнал/шум.

Усилитель увеличивает мощность не только сигнала, но и шума, а также создает дополнительные шумовые помехи. МШУ спроектирован для их минимизации без влияния на согласование импеданса, увеличение мощности.

Спутниковый LNB конвертер объединяет малошумящий усилитель сигнала, принимаемого со спутника, с понижающим частотным преобразователем.

Основная функция МШУ для подобной системы — оптимальное полезное извлечение, усиление спутникового сигнала. Однако LNA только приумножает его, но непосредственно конвертер (LNB — Low Noise Block Downconverter) создает необходимое увеличение при минимальном уровне шумов, а также преобразовывает сигнал до необходимой воспринимаемой приемником частоты.

Low Noise Block помещается перед получающей слабый сигнал спутниковой тарелкой, усиливает его, формирует более низкие частоты, а затем транслирует их по кабелю к приемному устройству.

Словосочетание Low Noise означает качество первого транзисторного предусилителя, которое измеряется в единицах, называемых коэффициентом шума или шумовой температурой, которые должны стремиться к нулю.

Слово Downconverter отражает преобразование получаемых со спутника сверхвысоких частот в более низкие.

МШУ устанавливается на облучателе или в непосредственной близости от антенны. Входом служит волноводный фланец, имеющий герметизирующее кольцо, выходом — коаксиальный разъем высокой частоты типа N или типа F, где волновое сопротивление имеет значения 50 или 75 Ом соответственно. Питание LNA также происходит при помощи вышеуказанного разъема. Приемным элементом прибора выступает штыревой зонд, позволяющий принимать сигнал в одной поляризации.

Конструкция малошумящего усилителя предполагает наличие устройств, обеспечивающих усиление (транзисторов, туннельных диодов, параметрических приборов), с учетом таких параметров, как коэффициент шума, импеданс, смещение. Устройство LNA чаще всего строится на S‑платах транзистора — встроенных фиксированных элементах, не требующих внешнего смещения.

Существует несколько видов малошумящих преобразователей частоты LNB:

Имеют две противоположные частоты (9.75, 10.6 ГГц, что позволяет принимать более высокие радиочастоты при помощи передаваемого через кабель тона 22 кГц. Такие устройства могут быть использованы для получения 10.7−11.7 ГГц с применением самой малой частоты 9.75 ГГц или самой большой — 10.6 ГГц.

Имеет единственный идущий к волновой трубке кабель, который принимает на себя вертикальную поляризацию. Входящая кольцевая волновая трубка позволяет поддерживать две противоположные друг другу поляризации. Данным LNB можно управлять дистанционно, применяя различное напряжение постоянного тока (например, вертикальная поляризация — 13 вольт, горизонтальная — 19).

Конструкция предполагает наличие собственного усилителя для каждого из обоих входных зондов, фактически представляя собой два конвертера в одном модуле.

Малошумящие усилители имеют несколько основных характеристик:

Отражает, во сколько раз уменьшается соотношение мощностей сигнал/шум у выхода при сопоставлении с входом из-за присутствия собственных шумов усилителя. Хороший прием сигнала обеспечивается низким коэффициентом шума. Данный параметр помогает определить пригодность конкретного МШУ и не должен превышать 3 дБ.

Рабочий диапазон — это вилка частот, где МШУ обеспечивает параметры, не уступающие характеристикам, заявленным изготовителем.

Ширина полосы частот МШУ включает работу в диапазонах Ku, C, Ka, которые могут подразделяться на несколько поддиапазонов. Для приема сигнала C диапазона применяются частоты 3400−4200 МГц, Ka — 18 200−22 200 МГц, Ku — 10 700−12 750 МГц.

Частота, которая соответствует единственной максимальной амплитуде спектра сигнала, принятого и (или) излучаемого преобразователем.

Отношение напряжения (тока/мощности) усилителя на выходе к входному. Данная характеристика отражает уровень усиления сигнала при помощи LNB. Для спутниковых систем, находящихся на расстоянии до 50 км от вышки, идеальный коэффициент равен 27 дБ, большее удаление требует параметра 40 дБ.

Необходимое для гармонического сигнала сопротивление, возникающее между двумя узлами цепи или двухполюсника. Импеданс источника должен быть согласован с входным импедансом, что обеспечивает наибольшую трансляцию мощности от источника к устройству, минимизируя коэффициент шума.

Входящие в конструкцию МШУ транзисторы должны иметь правильное смещение — показатель стабильного напряжения или тока на их выходах, необходимого для правильной работы LNA.

LNB обладают следующими основными преимуществами:

● Усиление мощности принимаемого, генерируемого сигналов;
● Снижение количества принятых ошибочно пакетов данных, что приводит к повышению эффективности системы;
● Улучшение качества соединения;
● Возможность использования дополнительных фильтров;
● Расширение зоны радиопокрытия;
● Уменьшение нагрузки на принимающие сигнал мобильные устройства.

Есть несколько типов приборов, используемых как МШУ.

Увеличивают мощность сигнала путем подачи энергии от источника внешнего типа (генератора накачки), который время от времени изменяет показатели реактивного параметра нелинейного компонента усилителя. В качестве усиливающего элемента чаще всего используется полупроводниковый параметрический диод, емкость которого зависит от значений приложенного обратного напряжения.

Параметрические усилители широко применяются для высокочувствительных приемников диапазона СВЧ, используемых в радиоастрономии, радиолокации.

Усилители на туннельных диодах выступают как регенеративные, где эффект усиления достигается посредством вводимой в фильтр частоты, называемой сигнальной и обладающей отрицательной проводимостью.

Такие усилители обеспечивают коэффициент шума 5−8 дБ, усиления 15−20 дБ, поддерживают частоты до 30 ГГц. Основные недостатки УТД — нестабильность параметров, малый динамический диапазон, неустойчивость работы, что часто выступает предпосылками для замены усилителей на туннельном диоде транзисторными МШУ.

Лампа бегущей волны — электронное устройство вакуумного типа, функционирующее в диапазоне СВЧ, работа которого основана на длительном взаимодействии объединенного потока электронов, которые движутся в продольном магнитном, а также электрическом полях с прямой гармоникой сигнала, называемой также бегущей волной. Последняя распространяется по длине замедляющей системы.

ЛБВ выступает как усилитель, где замедляющей системой выступает спираль, вдоль оси которой проходит электронный луч. При этом волна подвергаемого усилению сигнала распространяется по самой спирали. Длина, шаг, диаметр спирали, а также скорость электронов отобраны так, что отдают бегущей волне часть собственной энергии. В результате идущий по спирали сигнал усиливается, взаимодействуя с электронами, поглощая их энергию.

Работа транзисторных усилителей основана на том, что при помощи незначительных изменений тока или напряжения во входной цепи транзистора получаются значительно большие изменения перечисленных параметров в его выходной цепи.

Эмиттерным переходом называется переход между областью эмиттера (активного электрода) и транзисторной базой. Изменение напряжения такого перехода приводит к изменению токов транзистора. Данное свойство лежит в основе усиления сигналов.

Приборы СВЧ-диапазона, где усиливающая среда создается при использовании парамагнитных веществ, увеличивающих свою активность при воздействии на них электромагнитного излучения, идущего от внешнего источника (например, вышеупомянутой ЛБВ) с частотой усиливаемого сигнала. Последний нарастает, взаимодействуя с парамагнитными примесями, энергетические уровни которых были предварительно расщеплены постоянным внешним магнитным полем.

МШУ используются в приемных устройствах связи (GPS, мобильные телефоны), локальных беспроводных сетях (WiFi), медицинских приборах, спутниковой и радиосвязи, электронно-испытательном оборудовании, радиолокации.

СВЧ выступает основным вектором развития индустрии электроники. Благодаря высокой надежности, прочности, долговечности, компактным размерам, высокой степени автоматизации совершенствование СВЧ МШУ становится перспективным направлением для развития.