Технология производства спутниковых конвертеров основана на опыте создания малошумящих усилителей. Поскольку основное требование к спутниковому конвертеру – пониженный уровень шумов. В отличие от усилителя, на основе которого выполнен конвертор, кроме необходимого уровня усиления он преобразует частоту сигнала до воспринимаемой спутниковым приемником. Производство данных устройств стало возможным только при создании малошумящих транзисторов СВЧ.
Первые СВЧ-конверторы были созданы на основе параметрических усилителей. В них использовались туннельные диоды, которые охлаждались гелием или жидким азотом. Использование туннельных диодов позволило существенно снизить уровень шума устройства за счет замедления движения молекул. По сравнению с усилителями, основными недостатками которых были большие габариты, вес, большое потребление электроэнергии и работа в узкой полосе частот, свч-конверторы значительно выигрывали по многим показателям. Транзистор с очень низким уровнем шума удалось создать, используя арсенид галлия (GaAs). Характерной особенностью данного транзистора является то, что он работает так, будто охлажден до температуры абсолютного нуля. А именно при этой температуре прекращается молекулярное движение. В настоящий момент транзисторы на основе арсенида галлия при производстве конверторов наиболее распространены.
Ранние спутниковые системы С-диапазона в целом обладали рядом серьезных ограничений, среди которых высокая стоимость и сложность в монтаже. Принцип работы данных систем был следующий: сигнал усиливался в LNAr, а затем частота принижалась в LNC-блоке. Эта особенность требовала применения дорогого коаксиального кабеля с минимальными потерями сигнала, а также максимально близкой установки антенны и приемника. Существенным конструктивным улучшением данной системы было выделение устройства понижения частоты в отдельный блок и установка его вблизи малошумящего преобразователя. Это нововведение позволило значительно увеличить длину коаксиального кабеля.
Следующим серьезным и логичным преобразованием было объединение LNA и малошумящего преобразователя в одно устройство - LNB. Именно LNB-устройство сегодня называется спутниковым конвертором. Первые конверторы имели большой вес (3 кг) и коэффициент шума в Ки-диапазоне 4-5 Дб. Для сравнения, современные конверторы имеют вес 150-300 гр., а коэффициент шума в Ku-диапазоне до 0,2 Дб.
Пониженный уровень шума – основное требование к спутниковым конвертерам
Уровень шума является важнейшим параметром при рассмотрении спутников. Он определяется как минимальный уровень сигнала, который может быть принят приемным устройством, то есть чувствительность прибора. По своему происхождению шумы могут быть внешними и внутренними. К внешним относят космические шумы, шумы атмосферы, квантовые шумы сигнала, а к внутренним -э.д.с. и токи, возникающие за счет хаотического движения носителей электрических зарядов. Источниками внутренних шумов являются резисторы, колебательные цепи и активные элементы.
Природу собственных шумов можно объяснить на примере тепловых шумов в проводниках. Свободные электроны в кристаллической решетке проводника находятся в непрерывном хаотическом движении. Интенсивность этого движения напрямую зависит от температуры. Взаимодействие электронов во время движения приводит к изменению направления и скорости их перемещения. Каждое перемещение можно рассматривать как импульс тока. Совокупность всех импульсов определяется как шумовое напряжение в проводнике. Поскольку на конверторы постоянно воздействуют атмосферные осадки и перепады температур, которые зависят от климатических особенностей региона, они должны быть пыле-, влаго- и термозащищенными.
Усиление как показатель эффективности работы устройства
Усиление современного конвертора составляет 50-70 Дб. Поддержание усиления в заданных пределах очень важно, от него напрямую зависит эффективность работы устройства. Недостаточное усиление равнозначно применению антенны меньшей мощности, а чрезмерное ведет к перегрузке приемного устройства. Рекомендуемое усиление должно находиться в пределах 50-60 Дб. Однако при повышении температуры на каждые 10 °С значение уменьшается на 0,2-0,3 Дб.
Технологии изготовления конверторов
Современные спутниковые конвертеры могут быть изготовлены с использованием технологии поверхностного монтажа, технологии гибридных интегральных микросхем и технологии интегральных схем СВЧ.
Конверторы, выполненные по технологии поверхностного монтажа, изготавливаются на подложках из органических диэлектриков. Основное их достоинство – дешевизна производства. Недостатком данных конверторов являются большие температурные коэффициенты, что ведет к возникновению микротрещин и отказам.
В конверторах, изготовленных по технологии гибридных интегральных микросхем, в качестве материала для изготовления подложек используются неорганические диэлектрики. Они припаиваются к корпусу через термокомпенсирующие прокладки напылением методами тонко- или толстопленочной технологии. Активные элементы изготавливаются в виде отдельных кристаллов и привариваются с помощью коротких выводов. Конверторы, изготовленные по гибридной технологии, имеют малые габариты, высокую надежность и возможность перенастройки.
Конверторы, изготовленные по технологии монолитных интегральных схем СВЧ изготавливаются на арсенидогалиевых или кремниевых подложках. Преимуществами данных конверторов являются небольшие размеры, высокая надежность и минимальные реактивные параметры. Однако существуют и сложности воспроизводства многослойных структур из арсенида галлия. Это трудности, связанные с воспроизводством сложных элементов (воздушных контактов и воздушных перемычек), увеличением добротности, а также расширением диапазона номиналов конденсаторов, катушек индуктивности и отрезков линий передач. Данные сложности производства определяют соответствующую высокую стоимость данных устройств.
Универсальные и полнодиапазонные спутниковые конвертеры
Существует также разделение конверторов спутниковых на полнодиапазонные и универсальные. Основное отличие универсальных конверторов от полнодиапазонных заключается в универсальности сигналов, управляющих переключением диапазонов, а также в передаче сигнала. Универсальные конверторы значительно упрощают процесс настройки приемника.
Методы преобразования частоты конвертора
По мере развития конструкции конверторов появилась необходимость в поиске оптимальных методов преобразования частоты.
В первых спутниковых системах устройство понижения частоты работало по принципу однократного преобразования. Основным недостатком данных систем было возникновение явления интерференции, что вызвало необходимость в использовании дорогих и сложных схем фильтрации. Использование схем с двойным преобразованием позволило устранить имеющиеся недостатки. Однако это привело к увеличению стоимости и сложности конструкции, возникла необходимость в применении второго полосового фильтра и усилителя промежуточной частоты.
По сравнению с конверторами однократного и двойного преобразования, современный LNB-конвертор имеет очень существенное преимущество. Через него проходят все каналы диапазона, что позволяет использовать один конвертор для приема разных программ несколькими спутниковыми устройствами одновременно. Также стоит отметить большую устойчивость настройки данного устройства, так как выбор канала производится в закрытом помещении, что обеспечивает надежную защиту от перепадов температуры и влажности.
Устройство конвертора
Основными элементами бытового конвертора являются волноводно-полосковый переход, малошумящий усилитель, полосковый фильтр, смеситель, гетеродин, предварительный усилитель промежуточной часты и устройство питания. Волноводно-полосковый переход - это элемент соединения волновода с микрополосковой линией, позволяющий добиться хороших электрических параметров при малом уровне отражений и потерь в заданной полосе частот. По-другому волноводно-полосковые переходы – это переходы сначала на коаксиальный кабель, а затем на полосковую линию. Потери напрямую зависят от качества исполнения устройства.
Малошумящий усилитель предназначен для равномерного усиления во всем рабочем диапазоне, обеспечения минимального коэффициента шума и обеспечения максимального коэффициента усиления.
Полосовой фильтр обеспечивает прохождение определенной полосы частот, ослабление зеркального сигнала и сигнала гетеродина. В сантиметровом диапазоне их выполняют на полосковых и микрополосковых линиях. От длины полосковых элементов зависит центральная частота фильтра, а от ширины линий и расстояния между ними - ширина полосы пропускания. Чем больше число звеньев, тем больше амплитудно-частотная характеристика, однако и выше вносимое затухание.
Гетеродин – это неперестраиваемый маломощный высокостабильный генератор электрических колебаний. Его основной характеристикой является нестабильность номинальной частоты (случайные изменения частоты во времени). Вследствие влияния дестабилизирующих факторов частота может отклоняться от номинального значения. Наибольшее влияние на изменение частоты оказывает изменение температуры окружающей среды.
Смеситель в конверторе предназначен для преобразования частоты сигнала с 11-12 ГГц в 0,75-2,15 ГГц. Его важнейшим параметром являются потери преобразования. Упрощение конструкции и улучшение технических характеристик привело к появлению и использованию нового устройства, функционирующего как гетеродин и смеситель одновременно.
Устройство питания предназначено для поддержания высокостабильного напряжения питания, необходимого для нормального функционирования устройства. Питание подается по центральной жиле коаксиального соединительного кабеля. Он не должен создавать помех и должен обеспечить все узлы стабильным напряжением питания.
Конверторы для построения сети на несколько пользователей
При построении сети на несколько пользователей удобно использовать конверторы на несколько выходов. При необходимости распределения сигнала на 2-4 пользователей используют конверторы на 2-4 выхода с независимым переключением диапазонов и поляризации. Если сигнал необходимо распределить на большее количество пользователей, то данные конверторы не подойдут. Для этого существуют конверторы с разделением на сигналы горизонтальной и вертикальной поляризации, если устройство на два выхода, и с разделением еще и по диапазонам, если на четыре. Для коллективного пользования, как правило, используют спутниковые конвертеры на четыре выхода.
Помните, что для прямофокусных и для офсетных спутниковых антенн требуются разная техника.
Первые СВЧ-конверторы были созданы на основе параметрических усилителей. В них использовались туннельные диоды, которые охлаждались гелием или жидким азотом. Использование туннельных диодов позволило существенно снизить уровень шума устройства за счет замедления движения молекул. По сравнению с усилителями, основными недостатками которых были большие габариты, вес, большое потребление электроэнергии и работа в узкой полосе частот, свч-конверторы значительно выигрывали по многим показателям. Транзистор с очень низким уровнем шума удалось создать, используя арсенид галлия (GaAs). Характерной особенностью данного транзистора является то, что он работает так, будто охлажден до температуры абсолютного нуля. А именно при этой температуре прекращается молекулярное движение. В настоящий момент транзисторы на основе арсенида галлия при производстве конверторов наиболее распространены.
Ранние спутниковые системы С-диапазона в целом обладали рядом серьезных ограничений, среди которых высокая стоимость и сложность в монтаже. Принцип работы данных систем был следующий: сигнал усиливался в LNAr, а затем частота принижалась в LNC-блоке. Эта особенность требовала применения дорогого коаксиального кабеля с минимальными потерями сигнала, а также максимально близкой установки антенны и приемника. Существенным конструктивным улучшением данной системы было выделение устройства понижения частоты в отдельный блок и установка его вблизи малошумящего преобразователя. Это нововведение позволило значительно увеличить длину коаксиального кабеля.
Следующим серьезным и логичным преобразованием было объединение LNA и малошумящего преобразователя в одно устройство - LNB. Именно LNB-устройство сегодня называется спутниковым конвертором. Первые конверторы имели большой вес (3 кг) и коэффициент шума в Ки-диапазоне 4-5 Дб. Для сравнения, современные конверторы имеют вес 150-300 гр., а коэффициент шума в Ku-диапазоне до 0,2 Дб.
Пониженный уровень шума – основное требование к спутниковым конвертерам
Уровень шума является важнейшим параметром при рассмотрении спутников. Он определяется как минимальный уровень сигнала, который может быть принят приемным устройством, то есть чувствительность прибора. По своему происхождению шумы могут быть внешними и внутренними. К внешним относят космические шумы, шумы атмосферы, квантовые шумы сигнала, а к внутренним -э.д.с. и токи, возникающие за счет хаотического движения носителей электрических зарядов. Источниками внутренних шумов являются резисторы, колебательные цепи и активные элементы.
Природу собственных шумов можно объяснить на примере тепловых шумов в проводниках. Свободные электроны в кристаллической решетке проводника находятся в непрерывном хаотическом движении. Интенсивность этого движения напрямую зависит от температуры. Взаимодействие электронов во время движения приводит к изменению направления и скорости их перемещения. Каждое перемещение можно рассматривать как импульс тока. Совокупность всех импульсов определяется как шумовое напряжение в проводнике. Поскольку на конверторы постоянно воздействуют атмосферные осадки и перепады температур, которые зависят от климатических особенностей региона, они должны быть пыле-, влаго- и термозащищенными.
Усиление как показатель эффективности работы устройства
Усиление современного конвертора составляет 50-70 Дб. Поддержание усиления в заданных пределах очень важно, от него напрямую зависит эффективность работы устройства. Недостаточное усиление равнозначно применению антенны меньшей мощности, а чрезмерное ведет к перегрузке приемного устройства. Рекомендуемое усиление должно находиться в пределах 50-60 Дб. Однако при повышении температуры на каждые 10 °С значение уменьшается на 0,2-0,3 Дб.
Технологии изготовления конверторов
Современные спутниковые конвертеры могут быть изготовлены с использованием технологии поверхностного монтажа, технологии гибридных интегральных микросхем и технологии интегральных схем СВЧ.
Конверторы, выполненные по технологии поверхностного монтажа, изготавливаются на подложках из органических диэлектриков. Основное их достоинство – дешевизна производства. Недостатком данных конверторов являются большие температурные коэффициенты, что ведет к возникновению микротрещин и отказам.
В конверторах, изготовленных по технологии гибридных интегральных микросхем, в качестве материала для изготовления подложек используются неорганические диэлектрики. Они припаиваются к корпусу через термокомпенсирующие прокладки напылением методами тонко- или толстопленочной технологии. Активные элементы изготавливаются в виде отдельных кристаллов и привариваются с помощью коротких выводов. Конверторы, изготовленные по гибридной технологии, имеют малые габариты, высокую надежность и возможность перенастройки.
Конверторы, изготовленные по технологии монолитных интегральных схем СВЧ изготавливаются на арсенидогалиевых или кремниевых подложках. Преимуществами данных конверторов являются небольшие размеры, высокая надежность и минимальные реактивные параметры. Однако существуют и сложности воспроизводства многослойных структур из арсенида галлия. Это трудности, связанные с воспроизводством сложных элементов (воздушных контактов и воздушных перемычек), увеличением добротности, а также расширением диапазона номиналов конденсаторов, катушек индуктивности и отрезков линий передач. Данные сложности производства определяют соответствующую высокую стоимость данных устройств.
Универсальные и полнодиапазонные спутниковые конвертеры
Существует также разделение конверторов спутниковых на полнодиапазонные и универсальные. Основное отличие универсальных конверторов от полнодиапазонных заключается в универсальности сигналов, управляющих переключением диапазонов, а также в передаче сигнала. Универсальные конверторы значительно упрощают процесс настройки приемника.
Методы преобразования частоты конвертора
По мере развития конструкции конверторов появилась необходимость в поиске оптимальных методов преобразования частоты.
В первых спутниковых системах устройство понижения частоты работало по принципу однократного преобразования. Основным недостатком данных систем было возникновение явления интерференции, что вызвало необходимость в использовании дорогих и сложных схем фильтрации. Использование схем с двойным преобразованием позволило устранить имеющиеся недостатки. Однако это привело к увеличению стоимости и сложности конструкции, возникла необходимость в применении второго полосового фильтра и усилителя промежуточной частоты.
По сравнению с конверторами однократного и двойного преобразования, современный LNB-конвертор имеет очень существенное преимущество. Через него проходят все каналы диапазона, что позволяет использовать один конвертор для приема разных программ несколькими спутниковыми устройствами одновременно. Также стоит отметить большую устойчивость настройки данного устройства, так как выбор канала производится в закрытом помещении, что обеспечивает надежную защиту от перепадов температуры и влажности.
Устройство конвертора
Основными элементами бытового конвертора являются волноводно-полосковый переход, малошумящий усилитель, полосковый фильтр, смеситель, гетеродин, предварительный усилитель промежуточной часты и устройство питания. Волноводно-полосковый переход - это элемент соединения волновода с микрополосковой линией, позволяющий добиться хороших электрических параметров при малом уровне отражений и потерь в заданной полосе частот. По-другому волноводно-полосковые переходы – это переходы сначала на коаксиальный кабель, а затем на полосковую линию. Потери напрямую зависят от качества исполнения устройства.
Малошумящий усилитель предназначен для равномерного усиления во всем рабочем диапазоне, обеспечения минимального коэффициента шума и обеспечения максимального коэффициента усиления.
Полосовой фильтр обеспечивает прохождение определенной полосы частот, ослабление зеркального сигнала и сигнала гетеродина. В сантиметровом диапазоне их выполняют на полосковых и микрополосковых линиях. От длины полосковых элементов зависит центральная частота фильтра, а от ширины линий и расстояния между ними - ширина полосы пропускания. Чем больше число звеньев, тем больше амплитудно-частотная характеристика, однако и выше вносимое затухание.
Гетеродин – это неперестраиваемый маломощный высокостабильный генератор электрических колебаний. Его основной характеристикой является нестабильность номинальной частоты (случайные изменения частоты во времени). Вследствие влияния дестабилизирующих факторов частота может отклоняться от номинального значения. Наибольшее влияние на изменение частоты оказывает изменение температуры окружающей среды.
Смеситель в конверторе предназначен для преобразования частоты сигнала с 11-12 ГГц в 0,75-2,15 ГГц. Его важнейшим параметром являются потери преобразования. Упрощение конструкции и улучшение технических характеристик привело к появлению и использованию нового устройства, функционирующего как гетеродин и смеситель одновременно.
Устройство питания предназначено для поддержания высокостабильного напряжения питания, необходимого для нормального функционирования устройства. Питание подается по центральной жиле коаксиального соединительного кабеля. Он не должен создавать помех и должен обеспечить все узлы стабильным напряжением питания.
Конверторы для построения сети на несколько пользователей
При построении сети на несколько пользователей удобно использовать конверторы на несколько выходов. При необходимости распределения сигнала на 2-4 пользователей используют конверторы на 2-4 выхода с независимым переключением диапазонов и поляризации. Если сигнал необходимо распределить на большее количество пользователей, то данные конверторы не подойдут. Для этого существуют конверторы с разделением на сигналы горизонтальной и вертикальной поляризации, если устройство на два выхода, и с разделением еще и по диапазонам, если на четыре. Для коллективного пользования, как правило, используют спутниковые конвертеры на четыре выхода.
Помните, что для прямофокусных и для офсетных спутниковых антенн требуются разная техника.
