Введение

Комплект "Преобразователь сигналов" предназначен для оснащения учебных лабораторий и обучения студентов профильных специальностей работе с СВЧ-системами, а также для разработки и тестирования аппаратуры предприятиями. Набор включает модульные компоненты: СВЧ-переходы, копланарные линии передачи, широкополосный усилитель (до 6 ГГц), цифровые и фиксированные аттенюаторы (до 20 ГГц), смеситель, делитель и умножитель частоты до 6 ГГц, что позволяет моделировать и анализировать процессы передачи, преобразования и обработки сигналов.

СВЧ-преобразователь частоты (англ. Microwave Frequency Converter) — это радиоэлектронное устройство или функциональный узел, предназначенный для переноса спектра сигнала из одной частотной области в другую в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне с минимальными вносимыми шумами и искажениями.

Преобразование может быть как с понижением частоты (Down-conversion), так и с повышением частоты (Up-conversion).

Рассмотрим примеры областей применения.

LNB (Low-Noise Block Downconverter) — малошумящий блок понижающего преобразования, широко используемый в спутниковой связи. Его основная задача — приём слабого высокочастотного сигнала с геостационарного спутника (например, в диапазонах Ku или C), его усиление с минимальными шумами и понижение частоты до промежуточной (обычно 950–2150 МГц). Это позволяет передавать сигнал по коаксиальному кабелю к ресиверу без значительных потерь.

Применение:

• спутниковое телевидение и радио — LNB устанавливается в фокусе спутниковой антенны.
• широкополосный интернет (VSAT-системы) — обеспечивает приём данных в удалённых районах.
• метеорология и научные спутники — сбор данных о погоде и климате.

Ключевые особенности LNB включают низкий коэффициент шума, устойчивость к температурным колебаниям и возможность работы с несколькими поляризациями.

BUC (Block Upconverter) — устройство, выполняющее обратную функцию по сравнению с LNB. Оно преобразует низкочастотный сигнал (например, от модема VSAT) в высокочастотный (диапазоны Ka, Ku, X), усиливает его и передаёт на спутник через антенну. BUC часто интегрируется с усилителем мощности (SSPA или TWT).

Применение:

• спутниковая связь — передача данных, голоса и видео в корпоративных и военных сетях.
• мобильные и морские терминалы — обеспечение связи в движении.
• аварийные системы — развёртывание связи в зонах бедствий.

BUC характеризуются высокой выходной мощностью (до 200 Вт), широким рабочим диапазоном и устойчивостью к экстремальным условиям.

Радиовысотомеры летательных аппаратов — устройства, измеряющие высоту полёта летательных аппаратов с использованием СВЧ-сигналов. Принцип работы основан на излучении сигнала в направлении земли и анализе времени его возврата после отражения. Преобразователи частоты здесь используются для генерации зондирующего сигнала и детектирования отражённого импульса.

Применение:

• авиация — точный замер высоты при посадке, облёте препятствий.
• беспилотные летательные аппараты (БПЛА) — навигация и стабилизация.
• космические миссии — посадка зондов на другие планеты (например, миссии NASA на Марс).

Современные радиовысотомеры работают в диапазонах 4.2–4.4 ГГц (C-диапазон) или 13–18 ГГц (Ku-диапазон), обеспечивая точность до нескольких сантиметров.

Другие области применения.

Таким образом СВЧ-преобразователи частоты являются неотъемлемой частью современных технологий.

Удвоитель частоты К1324ПП3У

К1324ПП3 – СВЧ МИС пассивного широкополосного умножителя частоты на 2 в диапазоне входных рабочих частот от 1,0 до 3,3 ГГц. МИС согласована по входу и выходу с линией с волновым сопротивлением 50 Ом.

Принцип работы СВЧ МИС удвоителя частоты на основе мостовой схемы с диодами Шоттки

СВЧ удвоитель частоты на диодах Шоттки в мостовой конфигурации — это нелинейное устройство, предназначенное для генерации второй гармоники входного сигнала. За счет симметричной структуры моста и нелинейных свойств диодов Шоттки происходит эффективное подавление входной (основной) частоты (f_вх) и нечетных гармоник на выходе, при этом выделяется сигнал с удвоенной частотой (2f_вх).

Схема включения и назначение выводов

Удвоитель частоты обычно имеет три основных порта (или группы выводов):

1. Порт входа, ВХОД

   Назначение:

   Вход для сигнала основной частоты (f_вх), который подлежит удвоению.

   Требования к подключению:

   Соединение через 50-омные микрополосковые или копланарные линии с источником сигнала, имеющим согласованный выход 50 Ом.

   При наличии постоянного напряжения на входной линии рекомендуется установка разделительного конденсатора соответствующей емкости для рабочей частоты f_вх.

2. Порт выхода, ВЫХОД

   Назначение:

   Выход для сигнала удвоенной частоты (2f_вх).

   Требования к подключению:

   Соединение через 50-омные микрополосковые или копланарные линии с нагрузкой, согласованной на 50 Ом на частоте 2f_вх.

   Может потребоваться установка разделительного конденсатора, если последующая схема имеет постоянное смещение.

3. Общий, ОБЩ

   Назначение:

   Обеспечение низкоомного и низкоиндуктивного соединения с «землёй» для высокочастотных сигналов. Критически важно для симметрии моста и эффективности подавления основной частоты и нечетных гармоник.

   Требования:

   Контактные площадки корпуса («земляные» выводы) должны быть подключены к общей шине (полигону «земли») с минимальным электрическим сопротивлением и индуктивностью (например, с использованием множественных переходных отверстий под корпусом МИС).

Фильтрация и согласование

1. Фильтрация:

   Назначение: Устанавливается на выходном порту (ВЫХОД) для дополнительного подавления остатков основной частоты (f_вх) и высших четных гармоник (например, 4f_вх, 6f_вх), которые могут присутствовать на выходе удвоителя. Иногда фильтр на входе (ВХОД) может быть полезен для очистки входного сигнала от гармоник.

   Проблемы отражательных фильтров: Фильтры с высоким КСВн вне полосы пропускания (отражательные фильтры) могут отражать нежелательные гармоники обратно в удвоитель. Это может привести к ухудшению подавления основной частоты, снижению эффективности преобразования и генерации паразитных составляющих из-за повторного взаимодействия с нелинейными элементами.

   Рекомендации:

   Размещение фильтра нижних частот (ФНЧ) или полосового фильтра (ПФ), настроенного на 2f_вх, максимально близко к выходному порту (ВЫХОД).

   При возникновении проблем из-за отражений от фильтра — рассмотреть использование фильтра поглощающего типа, диплексера (направляющего нежелательные частоты на согласованную нагрузку) или установку небольшого аттенюатора (1–3 дБ) между выходом удвоителя и входом фильтра.

2. Согласование:

   Критичность: Тщательное согласование входного и выходного портов на их рабочих частотах (f_вх и 2f_вх соответственно) с импедансом 50 Ом критически важно для минимизации потерь преобразования, обеспечения максимальной выходной мощности и предотвращения отражений, которые могут ухудшить характеристики устройства.

   Требования: Все линии передачи, подключаемые к портам ВХОД и ВЫХОД, должны иметь волновое сопротивление 50 Ом. Источник сигнала и нагрузка также должны быть согласованы на 50 Ом.

Общая рекомендация по разводке ПП:
Для всех портов (ВХОД, ВЫХОД, ОБЩ) обязательна тщательная разводка печатной платы с учётом СВЧ-требований: контроль волнового сопротивления линий, минимизация длины соединительных трасс, учёт и минимизация паразитных ёмкостей и индуктивностей, обеспечение качественного заземления.

Смеситель частот К1324ПС2У

К1324ПС2 – СВЧ МИС широкополосного двойного балансного смесителя с усилителем промежуточной частоты, обеспечивающим положительный коэффициент преобразования. МИС предназначена для работы в диапазоне рабочих частот 1,0 – 5,0 ГГц. МИС согласована по входу и выходу с линией с волновым сопротивлением 50 Ом.

Принцип работы СВЧ смесителя частот на основе диодов Шоттки

СВЧ смеситель на диодах Шоттки — это нелинейное устройство, предназначенное для преобразования частоты сигнала путем смешения двух входных сигналов: радиочастотного (РЧ) и гетеродина (ГЕТ). В результате генерируются комбинационные частоты, включая сумму и разность исходных частот (f_РЧ±f_ГЕТ​), из которых выделяется нужная (например, промежуточная частота, ПЧ).

Схема включения и назначение выводов

Смеситель частот имеет три основных порта:

1. Порт промежуточной частоты, ПЧ 
Назначение:  

•  в режиме повышающего преобразования  — вход для сигнала ПЧ.  
•  в режиме понижающего преобразования — выход для сигнала ПЧ.  
•  в приложениях сдвига полосы частот — используется как порт гетеродина (ГЕТ).  

   Требования к подключению:  

• соединение через 50-омные микрополосковые или копланарные линии с источниками/нагрузками, имеющими широкополосное согласование 50 Ом.  
• при наличии постоянного напряжения на линии рекомендуется установка разделительного конденсатора.

2. Порт радиочастоты, РЧ
Назначение:  

• в режиме понижающего преобразования — вход для сигнала РЧ.  
• в режиме повышающего преобразования — выход для преобразованного сигнала РЧ.  
• в режиме сдвига полосы частот — выходной порт.  

   Требования к подключению:  
    аналогичны порту ПЧ: использование 50-омных линий и согласованных источников/нагрузок.

3. Порт гетеродина, ГЕТ  
Назначение:  
     - подача сигнала гетеродина для управления процессом смешения частот.  
Ключевые требования:  
     - уровень шумов входного сигнала ГЕТ должен быть ниже суммы уровня шума сигнала РЧ/ПЧ и его изоляции РЧ/ПЧ, иначе требуется установка фильтра.  
     - при недостаточной мощности источника порта ГЕТ необходим буферный усилитель с широкополосным 50-омным согласованием для предотвращения отражения паразитных сигналов.  

4. Общий, ОБЩ
Назначение:  
     - обеспечение низкоомного/низкоиндуктивного соединения с «землёй» для высокочастотных сигналов.  
Требования:  
     - контактные площадки корпуса должна быть подключены к общей шине с минимальным электрическим сопротивлением.  

5. Фильтрация и согласование  
Фильтрация:  
     - устанавливается на выходном порту для подавления паразитных и зеркальных составляющих спектра.  
     - отражательные фильтры могут вызывать отражения, приводящие к пульсациям коэффициента преобразования, ложным гармоникам и искажениям.  
Рекомендации:  
       - размещение фильтров максимально близко к выходному порту.  
       - при сохранении проблем — использование диплексера с нагруженного на согласованную нагрузку или аттенюатора 1–3 дБ.  
Согласование: 
     - критично для минимизации потерь и отражений. Все линии должны быть с волновым сопротивлением 50 Ом.  

Для всех портов ПЧ, РЧ, ГЕТ обязательна тщательная разводка печатной платы с учётом СВЧ-требований (длина трасс, минимизация паразитных ёмкостей/индуктивностей, учёт волнового сопротивления).

Работа с комплектом

Сборка

Схема сборки блоков на верхней и нижней стороне основания

Проект схемы в исходном формате конструктора в файле ПрС_2025_04_02.json

Вид сверху	Вид снизу

Цепи питания

Схема подключения цепей питания с ожидаемыми значениями токов потребления приведена ниже. Надписи с подсвеченным текстом на платах питания и управления указывают напряжения питания СВЧ-блоков, которые формируются у них на выходе. Цветными кругами обозначены точки подключения соответствующих типов кабелей. Условными обозначениями также обозначен типы соединений "вилка" или "розетка".

На рисунке ниже приведена схема подключения цепей питания с внешней стороны боковой платы.

Цепи управления

Управление цифровым аттенюатором MW-DAT01-0605 осуществляется через интерфейс GPIO посредством переключения механических переключателей на внешней стороне боковой платы. Разъемов GPIO, соединенных с механическими переключателями два - один управляется переключателями 1-6, второй управляется переключателями 7-12.

Альтернативное подключение с использованием боковой платы DC-MCC01-16

Преимуществом использования боковой платы с микроконтроллером DC-MCC01-16 является возможность управления цифровыми блоками (в нашем случае, цифровым аттенюатором MW-DAT01-0605) через компьютер. Кроме того, отпадает необходимость подачи питания 3,3 В для интерфейса GPIO - снижается количество используемых устройств. Через плату DC-MCC01-16, также как и через DC-BC02-32, можно питать блоки схемы. 

Цепи питания и управления

Схема подключения цепей питания с ожидаемыми значениями токов потребления приведена ниже. Надписи с подсвеченным текстом на платах питания и управления указывают напряжения питания СВЧ-блоков, которые формируются у них на выходе. Цветными кругами обозначены точки подключения соответствующих типов кабелей. Условными обозначениями также обозначен типы соединений "вилка" или "розетка".

На рисунке ниже приведена схема подключения цепей питания с внешней стороны боковой платы. Кроме показанных подключений кабелями CT-DCCBL3 также необходимо подключить боковую плату к компьютеру через разъем USB Type-C.

Управление цифровым аттенюатором с использованием ПО СВЧ КИТ

Управление цифровыми блоками осуществляется боковой платой управления DC-MCC01-16, подключенной к компьютеру через кабель USB. Порядок установки и настройки приложения можно найти на странице Инструкция по работе с ПО. 

Управление цифровым аттенюатором осуществляется параллельным кодом по интерфейсу GPIO. 

Добавьте в конфигурацию блок аттенюатора "Аттенюатор К1324ПМ1У" и выберите пины 0-5. 

После этого, выйдя из окна конфигурации, перед вами будет открыто окно с настройками аттенюатора.

Расчет трактов через RxCalc

Используя программу - калькулятор радиочастотных цепей RxCalc можно получить теоретический расчет параметров сигнала после прохода через тракт. Расчитаем два тракта: тракт гетеродина и тракт РЧ-ПЧ:

Описание использование программы с приведением примеров можно найти в статье Тракты ПрМ

Первый запуск

Подключение к внешним устройствам

Проведение эксперимента

Двумя генераторами сигналов будем подавать два сигнала - один задает частоту гетеродина для смесителя MW-MX01-0303, Со второго будет подаваться сигнал на радиочастоте. Задача - произвести перенос на промежуточную частоту, и убедиться в том, что сигнал находится на нужной частоте, наблюдая за показаниями анализатора спектра, а также исследовать зависимость подавления несущей и радиочастотных составляющих на выходе ПЧ-тракта от частоты.

Тракт гетеродина лежит через умножитель частоты на 2 MW-XN01-0303 и фиксированный аттенюатор MW-FA01-0203. Это необходимо учесть при подборе частоты и мощности подаваемого сигнала с генератора для гетеродина.

Мощность РЧ-сигнала, подаваемого со второго генератора сигналов, можно регулировать на схеме с использованием цифрового аттенюатора MW-DAT01-0605. Максимальный коэффициент ослабления - 31,5 дБ, минимальный - 0. Таблицу истинности основных состояний аттенюатора можно найти на странице блока. 

Результаты измерений

Режим измерений: 

• Pгет = 18 дБм
• Pрч = 0 дБм

Рис. 1 - Пример переносного спутникового терминала связи

Рис. 2 - Импульсный радиовысотомер малых и больших высот А-075-02

Рис. 3 - СВЧ-блок смесителя частот MW-MX01-0303 с микросхемой К1324ПС2У