МШУ (Малошумящий усилитель)
МШУ (Малошумящий усилитель) – устройство, входящее в состав базовой станции (БС) и используемое для повышения чувствительности приемника в восходящем направлении UL (Uplink). За рубежом применяются термины Tower Mounted Amplifier (ТМА) или Mast Head Amplifier (MHA), в дословном переводе обозначающие «усилитель, устанавливаемый на верху башни». Они вполне точно отражают место установки данного устройства и показывают его отличие от других усилителей, используемых в приемном тракте базовой станции. Рассмотрим основное назначение, и причины установки МШУ в непосредственной близости от антенн.
Как известно, передатчик телефона обладает гораздо меньшей излучаемой мощностью, чем базовая станция. В связи с этим в сложных условиях, при значительном удалении абонента от обслуживающей БС сигнал оказывается сильно ослабленным и зашумленным помехами. Для борьбы с затуханием в UL достаточно часто применяют разнесенный прием, который позволяет собрать больше энергии принимаемого сигнала, чем в антенно-фидерных системах с одной антенной. Однако достаточно часто антенны устанавливаются на значительном удалении от приемопередатчиков BTS (например на башенных или мачтовых сооружениях). В связи с этим длина фидеров может достигать более 100 метров. Это может привести к значительным потерям принимаемого сигнала в АФУ, даже с использованием разнесенного приема. Особенно заметны потери на затухание сигнала в системах сотовой связи, работающих в диапазонах свыше 1500 МГц, что обусловлено низкой проникающей способностью высокочастотных радио сигналов. Таким образом, сигнал, принятый антенной с допустимым уровнем, во время прохождения по фидеру затухает еще больше (иногда в несколько раз) и к приемопередатчику уже поступает слишком ослабленным для нормального приема и часть полезной информации может быть потеряна. Наиболее очевидным способом избавиться от указанной выше проблемы является усиление сигнала непосредственно после его приема из радио эфира и перед передачей его через фидер. Эта задача и возложена на МШУ.
Малошумящим данный усилитель назван потому, что он выполняется с основным требованием – вносить как можно меньше помех в усиливаемый сигнал. Это достигается за счет использования высококачественных и дорогостоящих материалов, а также сложных схем шумоподавления.
Как уже отмечалось выше МШУ устанавливается в непосредственно близости от антенн, однако, как и любой другой усилитель, он требует внешнего электропитания. Также необходимо обеспечение каналов управления и сигнализации. Однако для этого пришлось бы прокладывать кабель питания большой протяженности и дополнительно обеспечивать линии связи для передачи сигнализации. Это привело бы к значительному увеличению стоимости установки дистанционной системы усиления. Для того, чтобы уменьшить затраты обычно используют схему когда и питание, и сигналы управления (аварий) передаются непосредственно по фидерной системе вместе с основным высокочастотным сигналом. Это становится возможным из-за достаточно большого сечения самих фидеров и низкого уровня питающего напряжения (порядка нескольких вольт) для МШУ. Чтобы организовать данную систему в БС на фидеры устанавливаются так называемые инжекторы, которые «подмешивают» питающее напряжение и сигнализацию. Передаваемые напряжение и сигналы управления принимаются на выходе фидера самим МШУ.
Применение МШУ позволяет добиться целого набора преимуществ:
1. Уменьшает число ошибочно принятых пакетов, что, в конечном счете, приводит к улучшению показателей работы системы: снижению числа отбоев, повторных передач, вынужденных хэндоверов и т.п.
2. Увеличивает качество соединения, а это, в свою очередь, приводит к улучшению качества голосовых соединений и увеличению скорости передачи данных.
3. Увеличивает время работы телефона в сети между зарядками аккумулятора. Это достигается из-за того что телефон может передавать сигнал на меньшей мощности и не тратить лишнюю энергию на хэндоверы и повторную передачу.
4. Расширяет радио покрытие, т.к. основным фактором, определяющим границы соты, является именно зона где БС еще может нормально принять сигнал от базовой станции. Тогда как у БС гораздо больше возможности по варьированию мощностью передачи в радиоэфир.
Однако МШУ (ТМА, MHA) не являются панацеей во всех случаях. Главной областью их применения остаются АФУ (антенно-фидерное устройство) с длинными фидерами и работающие в высоких частотных диапазонах. В системах с коротким фидером МШУ даже могут навредить, т.к. могут послужить причиной дополнительных помех. Таким образом, целесообразность использовании МШУ определяется в каждом конкретном случае.
При использовании материалов ссылка на сайт обязательна
—С автором сайта можно связаться по e-mail: ipleto@gmail.com
Малошумящие усилители LNA в спутниковом оборудовании
Потери в фидерной (передающей) линии часто приводят к ослаблению спутникового сигнала. Для их компенсации, а также для улучшения качества связи на расстоянии, к системе подключается малошумящий усилитель.
Что такое малошумящий усилитель
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.
Роль малошумящего усилителя в спутниковых конвертерах LNB
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.
Микросхема малошумящего усилителя на основе GaN технологии
10.04.2023 Основным элементом приемного канала СВЧ-модуля является малошумящий усилитель (МШУ). Именно это устройство определяет чувствительность канала и дает возможность принимать и детектировать малые по уровню сигналы. Ключевым параметром МШУ является коэффициент шума и чем меньше его значение, тем выше чувствительность приемника. Для нормального функционирования усилителя необходимо обеспечить его защиту от высокого по уровню мощности сигнала, который может появляться на входе (к примеру, при постановке активной помехи). В большинстве случаев, на входе МШУ устанавливают ограничитель, который уменьшает мощность входного сигнала до допустимого уровня для усилителя. Однако, использование ограничителя влечет за собой рост входных потерь, вследствие чего увеличивается общий уровень коэффициента шума приемного тракта и снижается чувствительность всей системы. Для обеспечения высокой чувствительности приемника и устойчивой работы малошумящего усилителя используют GaN технологию. Она позволяет устранить необходимость в ограничителе на входе МШУ и тем самым уменьшить коэффициент шума приемного канала на величину от 0,5 до 1,5 дБ в зависимости от диапазона частот. Кроме этого, данная технология обеспечивает бесперебойную работу приемного канала модуля при уровне входной мощности до 10 Вт. Монолитно-интегральная схема GaN малошумящего усилителя XGLN01-0613C1G способна выдержать на входе сигнал мощностью до 10 Вт. Данная микросхема работает в диапазоне частот 6 – 12,5 ГГц с коэффициентом шума до 1,5 дБ и коэффициентом усиления 20 дБ. Ниже представлены основные параметры микросхемы малошумящего усилителя и графические частотные характеристики XGLN01-0613C1G.
| Модель | XGLN01-0613C1G |
| Частота, ГГц | 6 – 12,5 |
| Коэффициент усиления (Ку), дБ | 20 |
| Коэффициент шума, дБ | ≤1,5 |
| Возвратные потери по входу, дБ | -6 ÷ -12,5 |
| Возвратные потери по выходу, дБ | -7 ÷ -18 |
| Верхняя граница линейности P1dB, дБм | 20 |
| Напряжение питания, В | 12 |
 |
 |
| Частотная характеристика коэффициента усиления, дБ | Частотная характеристика коэффициента шума, дБ |
 |
 |
| Частотная характеристика P1dB, дБм | Частотная характеристика возвратных потерь по входу и выходу, дБ |
Малошумящие усилители
На любые приемные устройства аппаратуры связи воздействуют шумы, которые можно разделить на две большие группы:
У систем связи с космическими объектами основная доля суммарных шумов приходится на внутренние шумы приемника. При создании таких систем учитывают два важных фактора:
- Возможности повышения мощности передатчиков и параметров антенн ограниченны (определяются энергетикой ретрансляторов: вес, мобильность).
- Уровень принимаемых сигналов сопоставим с уровнем внутренних шумов приемных устройств.
Поэтому, для увеличения дальности и качества связи в технике связи, работающей в области СВЧ, применяют малошумящие усилители (МШУ), т.е. устройства с малым уровнем собственных шумов.
В качестве МШУ используются :
- Параметрические усилители (ПУ);
- Усилители на туннельном диоде (УТД);
- Транзисторные усилители;
- Молекулярные усилители (квантовые парамагнитные усилители — КПУ).
В военной технике связи широкое распространение получили ПУ, УТД, Транзисторные МШУ.
Как и все усилители МШУ характеризуются рядом параметров:
- Коэффициент шума (Кш);
- Ширина полосы рабочих частот (D F);
- Средняя рабочая частота (Fраб);
- Коэффициент усиления (Ку).
Особое значение в характеристике МШУ имеет Кш. Кш (шум-фактор) определяет уровень шума, генерируемого в усилителе и показывает, во сколько раз он ухудшает соотношение сигнал/шум по мощности, по сравнению с идеальным МШУ
Малошумящий усилитель (LNA) — электронный усилитель, используемый, чтобы усилить возможно очень слабые сигналы (например, захваченный антенной). Это обычно располагается очень близко к устройству обнаружения, чтобы уменьшить потери в feedline. Эта активная договоренность антенны часто используется в микроволновых системах как GPS, потому что коаксиальный кабель feedline очень с потерями в микроволновых частотах, например, потеря 10%, прибывающих из немногих метров кабеля, вызвала бы 10%-е ухудшение отношения сигнал-шум (SNR). LNA — ключевой компонент, который помещен во фронтенд схемы радиоприемника. За формулу Фрииса полное шумовое число (NF) фронтенда управляющего во власти первых нескольких стадий (или даже только первая стадия). Используя LNA, эффект шума от последующих стадий получить цепи уменьшен выгодой LNA, в то время как шум самого LNA введен непосредственно в полученный сигнал. Таким образом необходимо для LNA повысить желаемую власть сигнала, добавляя как можно меньше шум и искажение, так, чтобы поиск этого сигнала был возможен на более поздних стадиях в системе. У хорошего LNA есть низкий NF (например)., достаточно большая выгода (например). и должен иметь достаточно большой пункт межмодуляции и сжатия (IP3 и P1dB). Дальнейшие критерии управляют полосой пропускания, прямотой выгоды, стабильностью и напряжением постоянным отношением волны (VSWR) входа и выхода. Для низкого шума у усилителя должно быть высокое увеличение в его первой стадии. Поэтому JFETs и HEMTs часто используются. Их ведут в режиме тока высокого напряжения, который не является энергосберегающим, но уменьшает относительную сумму шума выстрела. Схемы соответствия входа и выхода для узкополосных схем увеличивают выгоду (см. продукт Полосы пропускания выгоды).
Дизайн LNA Низкие шумовые усилители — стандартные блоки любой системы связи. Четыре самых важных параметра в дизайне LNA: выгода, шумовое число, и нелинейность и соответствие импеданса. Дизайн для LNA базируется, главным образом, на S-параметрах транзистора. Шаги, требуемые в проектировании LNA, следующие Есть два широко используемых типа устройств S-параметр и нормальное устройство. S-параметр — встроенное устройство, которое не требует никакого типа внешнего смещения, потому что это фиксировало S-параметры. Нормальные устройства походят на другие транзисторы, к которым может быть применен внешний уклон. В проектировании LNA дизайн S-параметра наиболее используется.
Преобразователь Одна из решающих стадий в проектировании Низкого Шумового Усилителя является надлежащим выбором преобразователя. У отобранного преобразователя должны быть максимальная выгода и минимальное шумовое число (NF). Проверка стабильности Проектируя любой усилитель, важно проверить стабильность устройства, выбранного, или усилитель может функционировать как генератор. Для определения стабильности вычислите фактор Стабильности Роллета, (представленный как переменная K) использование S-параметров в данной частоте. Для транзистора, чтобы быть стабильными, параметры должны удовлетворить K> 1 и | ∆ | ЗаявленияLNAs используются в различных заявлениях как Радио ИЗМА, Клеточные Телефонные трубки / Телефонные трубки PC, Приемники GPS, Беспроводные телефоны, Беспроводная LAN, Беспроводные Данные, Автомобильный RKE и спутниковая связь.
Спутник В системе спутниковой связи антенна получения наземной станции соединится с LNA. LNA необходим, потому что полученный сигнал слаб. Полученный сигнал обычно немного выше фонового шума. Спутники ограничили власть, таким образом, они используют низкие передатчики власти. Спутники также отдаленны и несут потерю пути; низкие спутники земной орбиты могли бы находиться далеко; геосинхронный спутник находится далеко. Большая измельченная антенна дала бы более сильный сигнал, но создание большей антенны может быть более дорогим, чем добавление LNA. LNA повышает сигнал антенны дать компенсацию за feedline потери, идущие с (наружной) антенны на (внутренний) приемник. Во многих спутниковых системах приема LNA включает блок частоты downconverter, который перемещает спутниковую частоту передачи информации из космоса (например,), у которого были бы большие feedline потери для более низкой частоты (например,) с ниже feedline потери. LNA с downconverter называют малошумящим блоком downconverter (LNB). Спутниковая связь обычно делается в частотном диапазоне (например, метеорологические спутники Новичков) к десяткам GHz (например, спутниковое телевидение).
Работа напряжением поставки Обычно LNA требуют менее операционного напряжения в диапазоне.
Работа током поставки LNA требуют тока поставки в диапазоне мамы, ток поставки требует для LNA, зависит от его дизайна и применения, для которого это должно использоваться.
Операционная частота Частотный диапазон операции LNA очень широк. Они могут работать от.
Диапазон рабочей температурыLNA, как другие устройства полупроводника, определен для операции в определенном диапазоне температуры. Диапазон температуры, где LNA работает лучше всего, обычно.
Шумовое число — также один из важных факторов, который определяет эффективность особого LNA. Следовательно, мы можем решить, какой LNA подходит для особого применения. Низкое шумовое число приводит к лучшему приему сигнала.
Высокая выгода С низким шумовым числом у LNA должна быть высокая выгода для обработки сигнала в почтовую схему. Согласно требованию высоко извлекают пользу, LNA разработаны для применения изготовителя. Если у LNA не будет высокой выгоды тогда, то сигнал будет затронут в шумом в самой схеме LNA и возможно уменьшен, таким образом, высокая выгода LNA будет важным параметром LNA. Как выгода NF LNA также меняется в зависимости от операционной частоты.