Входные цепи радиоприемников

Размещено на http://www.allbest.ru/

АНАЛИЗ ОДНОКОНТУРНОЙ ВХОДНОЙ ЦЕПИ

В настоящее время наиболее часто находят применение одноконтурные ВЦ. Основным преимуществом такой цепи является простота изготовления и более высокая чувствительность по сравнению многоконтурными ВЦ. Увеличение количество контуров приводит к возрастанию потери сигнала до входа АЭ. Одноконтурная ВЦ также является удобным для перестройки приемника в рабочем диапазоне частот, обеспечивая при этом постоянство резонансного коэффициента передачи.

Одноконтурные ВЦ различают способами включения антенны и АЭ к колебательному контуру. Электрические параметры, определяющие принцип работы одноконтурных ВЦ на рабочем диапазоне частот не зависит от типа связи контура с антенно-фидерной цепью и АЭ. В связи с этим математические выражения, характеризующие работу одноконтурных ВЦ можно получить на примере анализа одного из классических его схем. Определим основные параметры ВЦ, используя эквивалентную схему приведенной на рис.1.

Из (1) следует, что антенная цепь и АЭ имеют автотрансформаторное подключение к ВЦ, с коэффициентами трансформации

; (1)

где, -коэффициент трансформации (подключение) со стороны антенной цепи; -коэффициент трансформации (подключение) со стороны АЭ.

На схеме (1) антенно-фидерная цепь представлена в виде эквивалентного генератора тока с проводимостью , включающие себе активную и реактивную составляющие и , которые определяются по выражению (2) через активные и реактивные сопротивлений антенны и .

Рис. 1.

(2)

где, и активное и реактивное сопротивление самой антенны, и -активное и реактивное сопротивление элементов связи антенн или соединительного кабеля (фидера).

Входное сопротивление АЭ также имеет активное и реактивное составляющие . При неполном включении в контур вноcятcя трансформация тока и проводимостей со стороны антенны и АЭ.

; (3)

(4)

С учетом (2), (4) и (5) схему на рис.2. можно упростить и преобразовать к виду, представленному на рис.2. С учетом (4) все реактивные составляющие проводимости данной схемы будут равны

входной цепь приемник антенна

(2)

Рис.2.

Из (5) следует что ВЦ имеет эквивалентные реактивности, зависящие от параметров антенны и АЭ. В данном случае резонансная частота данного эквивалентного контура на котором выполняется условие определяется с учетом этих трансформированных реактивностей в контур от антенны и АЭ.

В соответствии (3) активная составляющая проводимости эквивалентного контура равно

, (5)

где -собственная активная проводимость контура на резонансной частоте С учетом (5) и (6) схему на рис (3) можно преобразовать к виду, показанную на рис 3. Напряжение на контуре этой схемы определяется выражением

, (6)

Рис.3.

где, -полная проводимость эквивалентного контура, которая определяется выражением

В данном выражении: -характеризует обобщенную расстройку, -относительная расстройка. При не больших расстройках где . Общая затухание контура с учетом выражений (3) и (6) получим напряжение на входе АЭ

(7)

На основе (8) определим комплексный коэффициент передачи ВЦ

. (8)

Из (8) можно получить выражения для АЧХ и ФЧХ. Модуль коэффициента передачи определяется как

(9)

Коэффициент передачи на резонансной частоте

(10)

где- -модуль сопротивления антенной цепи на резонансной частоте эквивалентного входного контура. Из (9) и (10) определяется выражение, характеризующий избирательность ВЦ (т.е. селективность)

. (11)

При больших расстройках ( выражение (11) можно записать . С учетом этого (12) преобразуется к виду

. (12)

При небольших расстройках можно считать в этой полосе частот (т.е. не зависит от частоты). В этом случае выражение (12) имеет вид

(13)

Из (13) следует что это выражение совпадает с выражением характеристики избирательности одиночного контура. При заданной неравномерности по (13) можно определить полосу пропускания ВЦ.

Для частного случая при . ФЧХ входной цепи определяется выражением

. (14)

Из (10) следует что коэффициент передачи зависит от и . При уменьшении возбуждение контура антенной будет более слабым, но в этом случае уменьшается шунтирование контура проводимостью антенной цепью . Аналогичное влияние оказывает изменение коэффициента .Следует определить оптимальное значение и при которых коэффициент передачи окажется максимальным. Введем обозначение

(15)

где D=коэффициент шунтирование контура

С учетом (14) выражение (2.13) преобразуется к виду

(16)

Рассмотрим условие получения максимума при заданном полном затухании контура , предпологая . Из (2.16) найдем .

(17)

Подставляя (17) в (189) получим

(18)

Определим экстремуму функции (18) прировняв производную при котором будет максимальным

. (19)

Подставляя (19) в (20) определим

. (20)

Из (18) с учетом (19) и (20) для заданного значения определим максимальный коэффициент передачи ВЦ

. (21)

Из (20) и (21) следует что максимальный коэффициент передачи ВЦ можно получить при одинаковом шунтировании контура со стороны антенны и со стороны АЭ, т.е. когда

(22)

При работе приемника с настроенными антеннами следует обеспечить согласование антенной цепи со входом приемника. Это означает равенство проводимости вносимой из антенной цепи и собственной проводимости контура на резонансной частоте с учетом влияния проводимости входа АЭ. Такое условие согласование записывается в следующем виде.

(23)

Из (23) определяется необходимой коэффициент трансформации при согласовании.

(24)

Определим с учетом (23), (24) и (2) резонансный коэффициент передачи в режиме согласования

. (25)

С учетом (21)-(2.25) из выражения (2.14) находим коэффициент передачи ВЦ для произвольного значения

или , (26)

где относительный коэффициент связи.

Коэффициент передачи ВЦ при согласовании с антенной зависит от -коэффициента подключения контура по входу АЭ. Определим из условия получения заданного затухания

или (27)

, (28)

где -собственное затухание контура с учетом вносимого затухания от входа АЭ, из графика зависимости от (рис 10) следует что при уменьшении коэффициента связи от оптимальной величины в 2 раза, коэффициент передачи ВЦ уменьшается всего на 20%. Из (4) видно, что при согласовании коэффициент передачи ВЦ зависит от коэффициента подключения контура к АЭ.

Рис.10.

Из графика зависимости от , построенного по выражению (28) следует, что при увеличении связи контура с антенной затухание резко возрастает, что ведет к уменьшению избирательности ВЦ в связи с увеличением его полосы пропускания и уменьшением добротности. Результирующее затухание для случая согласования цепи антенны со входом приемника равно

. (29)

Из этого выражения определяется необходимый для согласования коэффициент включения ВЦ к АЭ

. (30)

Подставляя (31) в (27) и (28) получим удобные выражения для определения и

, (31)

. (32)

Из выражения (25) следует, что необходимо иметь контур более меньшим собственным затуханием. В частном случае, когда при очень малых затуханиях контура выражение (33) преобразуется к виду

Для этого случая пренебрегая значением получим выражение для .

Этот частный случай имеет место при применении БТ в качестве АЭ. При использовании полевого транзистора в АЭ можно считать, что . В этом случае затухание контура определяется в основном собственными потерями и не зависит от , т.е. . Высокое входное сопротивление ПТ не будет шунтировать контур, поэтому коэффициент включение . Для этого случая из (28) получим

Следует отметить, что режим рассогласования является нежелательным при работе с настроенными антеннами (в случае соединения входного контура с фидером с большой длины). В этом случае из-за рассогласования возникает многократное отражение входного сигнала (фидерное эхо). В данном случая отраженный сигнал суммируется с основным и вызывает искажение выделяемого сообщения на выходе приемника.

ВХОДНЫЕ ЦЕПИ ПРИ РАБОТЕ С НАСТРОЕННЫМИ И НЕНАСТРОЕННЫМИ АНТЕННАМИ

Настроенные антенны в основном применяются при приеме сигналов на дециметровых, метровых и сантиметровых волнах. В этих диапазонах для обеспечения высокой чувствительности приемника необходимо обеспечить передачу сигнала от антенны до ВЦ с минимальными потерями, поскольку чувствительность приемника зависит только от уровня его собственных шумов. В данном случае в фидере (кабеле), соединяющего антенну с ВЦ, необходимо обеспечить режим бегущей волны (режим согласования), чтобы предотвратить появления отраженных волн. Результаты анализа эквивалентной схемы, приведенного на рис 4 также применимы для ВЦ и антенны, которые соединены согласованным фидером большой длины . (где -длина фидера; и -рабочая длина волны).

Согласование антенны с фидером и ВЦ, а также получения необходимого результирующего затухания ВЦ достигаются определением необходимого коэффициентов трансформации и , используя выражений (33) и (34). Коэффициент передачи ВЦ на резонансной частоте определяется формулой (35). Резонансные свойства ВЦ определяется выражениями (14)-(16). С подробным анализом работы ВЦ при работе с настроенными антеннами можно ознакомиться в учебниках [1,2]

Ненастроенные антенны в основном используется в диапазонах километровых, гектаметровых и декаметровых волн. Ненастроенные антенны обладают активными, а также реактивными сопротивлениями, которые вносят дополнительные потери и расстройку ВЦ. При работе с ненастроенной антенной очень важно обеспечение высокой избирательности ВЦ и минимальных искажений, чем получение максимального коэффициент передачи ВЦ. Требование наибольшей избирательности обусловлено наличием большого количества радиовещательных и связных радиопередатчиков в этих диапазонах частот основного и зеркальных каналов приема, которые имеют небольшое различие. Схемы с автотрансформаторным согласованием используется при соединении антенны и ВЦ с несимметричным (коаксиальным) фидером (см. рис.5 а). Согласование антенны с фидером и со ВЦ обеспечивается подбором значения коэффициента трансформации (где -индуктивность части контурной катушки между точкой подключения к трансформатору и корпусом, - взаимоиндуктивность между точками подключения и всеми витками контура).

Входные цепи с трансформаторным согласованием применяется при использовании симметричного и несимметричного фидеров (кабелей). Такое согласование получила наибольшее применение при использовании симметричного фидера, который устраняет от антенного эффекта неэкранированного фидера. Для этой цели между катушкой связи и контурной катушкой размешают электростатический экран, а также в качестве фидера используется экранированный симметричный кабель (рис 5).

Рис.5.

Также следует отметить, что применение разных антенн вносят различные расстройки входного контура, которые не могут быть учтены при заводской регулировке приемника. Поэтому связь входного контура с антенной выбирают слабой. Дополнительное ослабление, которое вносится в контур в этом случае не превышает 10…20% от собственного. Снижение связи с антенной не приводит к снижению чувствительности приемника, поскольку в рассматриваемых диапазонах волн она определяется в основном не внутренними, а сильными по уровню внешними помехами, которые не позволяют принимать слабые сигналы.

При работе приемника с настроенными антеннами могут применятся различные схемы согласования фидера со входом приемника: автотрансформаторная, трансформаторная и с емкостным делителем.

Схема с емкостным делителем используется при соединении антенны и ВЦ с несимметричным фидером (рис.6). Из схемы следует что контур образован индуктивностью и общей емкостью , которая определяется выражением.

где ; -межвитковый емкость катушки индуктивности .

В этой схеме полная емкость определяется последовательным соединением составляющих делителя и , поэтому значение общей емкости меньше чем у контура с параллельным включением, где значение емкостей суммируется. Данная схема, благодаря уменьшению общей емкости контура, используется на более высоких частотах.

Рис.6.

В приемниках рассматриваемых диапазонов в качестве первого АЭ используется БТ или ПТ. При применении ПТ входная цепь к контуру подключается непосредственно . Подключение же БТ к ВЦ следует делать частичным, чтобы его малое входное сопротивление не шунтировало контур, поскольку это приведет к утрате избирательных свойств контура. Неполное включение обеспечивается с помощью трансформатора (рис.1.) автотрансформатора (рис.7), емкостного делителя (рис.8) и с емкостной связью (рис.2).

Рис.7 Рис.8.

Чтобы уменьшить влияние параметров антенны при настройке контура емкость выбирается малой, в связи с этим результирующая емкость, образованная последовательным соединением емкости антенны и также будет малой величиной и будет обеспечивать слабую связь антенны с контуром (рис.9).

В радиовещательных приемниках применяются входные цепи с ферритовыми антеннами (рис 9), в данном случае антенная катушка также выполняет функцию индуктивности входного контура. Поэтому такую антенну называют магнитной.

Рис.9.

Такие виды ВЦ широко используется в радиовещательных приемниках низкочастотного диапазона, чувствительность в этих приемниках выражаются по напряженностью электрического поля (мкв/м). Такая антенна называется магнитной, поскольку принимает составляющую магнитной напряженности поля сигнала

ВХОДНЫЕ ЦЕПИ РАДИОПРИЕМНИКОВ СВЧ ДИАПАЗОНА

Входные цепи приемников СВЧ, кроме обеспечения селективности и ослабления паразитных излучений сигнала гетеродина, также обеспечивает согласование выходного комплексного сопротивления антенно-фидерного тракта со входным сопротивлением первого каскада устройства, обеспечивая режим бегущей волны. Такие ВЦ состоят из нескольких резонансных систем или фильтров, выполненных в основном на элементах с распределенными параметрами. [1,2,3,4]. Резонансные контуры СВЧ диапазона называются резонаторами и по способу реализации делятся на объемные и плоскостные. Плоскостные резонаторы выполняются на основе несимметричной, симметричной, щелевой, компланарной и микро-полосковых линии (МПЛ). Резонаторы конструктивно могут выполнятся на основе отрезков линий разомкнутых и замкнутых на конце. Если длина такой линии ?<Л/4 (где Л-длина волны в линии передачи), то короткозамкнутый отрезок эквивалентен индуктивности и разомкнутый емкости. В случае, когда (где ) такие отрезки линии выполняют функцию параллельного или последовательного контуров. Короткозамкнутые МПЛ резонаторы имеют малые размеры, имеют малые потери излучения и относительно высокую собственную добротность (Q = 200ч700). Но реализация усложняется из-за короткозамыкателя. Разомкнутые на конце резонаторы простые в изготовлении, но из-за больших потерь на излучение имеют относительно низкую добротность. В СВЧ тракт приемников такие резонаторы включаются последовательно или параллельно. Перестройка частоты таких резонаторов можно осуществлять механически-изменением размеров, или электрически с помощью включенного в резонатор варикапа.

ВЦ приемников СВЧ могут включать себе разнообразные фильтры (полосовые, режекторные, верхних и нижних частот) на МПЛ. Наиболее широко применяемые ПФ на МПЛ представляет собой последовательно соединенные полуволновые резонаторы, соединенные между собой через торцевые емкости (рис 10.а). Ширина полосы пропускания обратно пропорциональна . Чем меньше , тем больше связь и шире полоса . Наибольшее применение находят ПФ, выполненные с индуктивной связью между полуволновыми короткозамкнутыми или разомкнутыми резонаторами. На рис10.б показана топология таких ПФ, выполненных на основе разомкнутых резонаторов. Малые размеры усложняет технологию изготовление, поэтому относительная полоса пропускания не превышает 5…20%. Недостатком таких ПФ являются сравнительно длинные размеры резонаторов и наличие паразитных полос пропускания на частотах 2, 4. Уменьшение линейных размеров можно добиться наклонным расположением резонаторов или сворачиванием их в меандры.

Более компактные размеры имеют широко применяемые ПФ, выполненные на основе связанных четвертьволновых резонаторов, которые короткозамкнуты на одном конце и разомкнуты на другом (рис 10.в). В случае, когда входные и выходные полосковые линии выполняют функции трансформаторов сопротивлений он имеет узкую или среднюю полосу пропускания (=1…20%). Если, все полосковые линии являются резонаторами, то полоса пропускания фильтра увеличивается до 60%. Такие ПФ имеют большое затухание в полосе заграждения, а паразитные полосы пропускания располагаются на более высоких частотах (, …). Наличие короткозамыкателя на конце ограничивает их широкое применение. Полосовой фильтр, топология которого показана на рис.10.г., не имеет такой недостаток, поскольку выполнен на основе встречно-штыревых резонаторов, состоящих из параллельно связанных линий длиной

Отсутствие короткозамыкателя и компактность, а также меньшие потери на излучение и возможность реализации полосы пропускание до 25% является основным преимуществом ПФ на полуволновых подковообразных резонаторов (рис 10.д.), которые широко применяется в приемниках СВЧ.

Рис.10

Кроме рассмотренных имеются множество других ПФ, выполненные на основе четверть волновых МПЛ, реализованные плоскими и элиптическими АЧХ [1,2,4].

Объемные резонаторы, применяемые в СВЧ технике делятся на твердотельные и полые. Твердотельные резонаторы представляют собой небольшие объемы диэлектрика () или феррита (). При внешнем воздействии на них СВЧ поля возникает объемный резонанс электромагнитного поля. Диэлектрические резонаторы выполняются в виде диска, цилиндра, бруска, кольца и т.п. Форма, размеры и выбираются так, чтобы при воздействии на него СВЧ поля выполнялись условия электромагнитного резонанса. Геометрические размеры ДР прямо пропорциональны к , где -длина волны в свободном пространстве. Поэтому при размеры таких резонаторов оказываются очень компактными. Ненагруженная добротность ДР обратно пропорционально тангенсу угла диэлектрических потерь материала. Отсюда следует, что ненагруженная добротность ДР составляет от нескольких тысяч до десяти тысяч.

Температурную нестабильность параметров ДP повышают применением керамических материалов с низким температурным коэффициентом изменения , не превышающим .

Применяется два способа включения ДР в СВЧ тракт РПрУ. При первом способе резонатор включает между двумя несвязанными линиями передачи ортогонально или параллельно (рис.11 а, в). При возбуждении ДР на резонансной частоте эти две линии оказываются связанными его электромагнитным полем.

Рис.11

При втором способе ДР располагаются вне основного тракта (рис 11 б) и связаны с ним электромагнитными полями. При возбуждении ДР на резонансной частоте его отраженное поле компенсирует поле падающей волны, формируя стоячую волну в тракте. Вдали от резонансной частоты ДР не возбуждается и вся проходящая мощность поступает в нагрузку. Подстройка частоты таких резонаторов осуществляется внесением металлических или диэлектрических тел в область возбужденного переменного электромагнитного поля. Полосовые фильтры на диэлектрических резонаторах (ФДР) работают в диапазоне частот от нескольких сотен мегагерц до десятков гегагерц.

Недостатком ФДР является сравнительно близкое расположение основной и паразитных полос пропускания сигналов. Для улучшения работы ФДР используют ДР сложной формы или увеличивают количества однотипных звеньев.

Ферритовые резонаторы (ФР) представляет собой аккуратно отшлифованную сферу, выполненного из монокристалла железоитриевого граната (ЖИГ), расположенных в центре двух взаимоортогональных петель связи. Плоскость петель связи совпадает с направлением подмагнигивающего поля напряженностью . Один конец каждой петли соединяется с подводящей (или отводящей) линией, а другие концы заземлены по СВЧ через четверть волновой отрезок линии. В определенных условиях при взаимодействии внешнего постоянного магнитного и СВЧ полей в данном феррите возникает ферримагнитный резонанс и через сферу ЖИГ кристалла энергия СВЧ передается от входа к выходу. При связь между входом и выходом ФР отсутствует из-за взаимной ортогональности петель связи, но при резонансе энергия СВЧ сигнала передается от входа к выходу.

Основным достоинством ФР является возможность получения сравнительно больших значений незагруженной добротности до , также является единственным типом резонаторов, у которых резонансная частота не зависит от размеров, которая определяется только величиною напряженности постоянного подмагнигивающего поля: , где МГцрадМ А. Другим важным достоинством является возможность перестройки частоты в широком диапазоне изменением величины .

В приемниках СВЧ диапазона широко применяются фильтры, выполненные на основе ФР (ФФР). Диапазон перестройки этих фильтров может достигать нескольких октав, причем время перестройки составляет от единицы до десятки миллисекунд. Такие фильтры, реализованные на ЖИГ кристаллах, эффективно работают в диапазоне частот 0,1 до 90 ГГц, их полоса пропускания составляет десятки МГц и зависит от числа ФР, рабочей частоты и степени связи с линиями передачи. Допустимые потери в полосе пропускания в однорезонаторных ФФР не превышает 0,2 дБ, а в многорезонаторных 6…8 дБ [1,2]. Такие резонаторы обладают следующими недостатками: нелинейная (гистерезисная) характеристика , зависимость параметров от температуры, наличие паразитных резонансных частот, а также чувствительность параметров к нестабильности источника питания.

В приемниках СВЧ диапазона для подавления отраженного сигнала между антенной и ВЦ устанавливают невзаимные устройства (ферритовые вентили (ФВ) или ферритовые циркуляторы (ФЦ), которые пропускают сигнал в прямом направлении и подавляют отраженный сигнал в обратном направлении).

Полые объемные резонаторы в приемниках СВЧ уже применяются очень редко из-за больших мало-габаритных размеров. Такие резонаторы представляют собой отрезки волноводных и коаксиальных линий передачи замкнутых и разомкнутых на конце. Достоинством их является сравнительно высокая добротность и экранировка от воздействия внешних помех.

Размещено на Allbest.ru