Раздел 2. Тракты радиочастоты.

Входные цепи РПУ.

Входная цепь – это часть РПУ между антенной и первым каскадом РПУ, то есть усилителем или преобразователем частоты. Входная цепь предназначена для передачи возможно большей мощности (или напряжения) радиосигнала от антенно-фидерного устройства на вход первого каскада и осуществления частичной селекции сигнала.

Воспринятая антенной энергия сигнала должна быть подведена к первому каскаду РПУ. Для максимальной передачи энергии сигнала необходимо согласовать сопротивление антенны и входное сопротивление каскада. Входная цепь служит согласующим высокочастотным трансформатором сопротивления. Поскольку в антенне наводятся ЭДС множества сигналов, входное устройство должно выделить и передать только энергию полезного сигнала. Для этого ВУ (входное устройство) настраивается на частоту принимаемого сигнала, для чего в нем содержаться один или несколько перестраиваемых контуров. Влияние антенны и первого каскада РПУ на свойства избирательной цепи ослабляются специальными элементами связи. Таким образом структурную схему входного устройства можно представить следующим образом:

В идеальном варианте в случае идеального согласования Е_а = U _{вых ву}. Элемент связи 1 служит для согласования резонансного сопротивления контура избирательной системы с АФУ. Элемент связи 2 служит для согласования резонансного сопротивления контура избирательной системы и входного сопротивления первого каскада РПУ.

Простейший вариант принципиальной схемы входного устройства показан на рис. 2.1 (б),где:

L₁- элемент связи 1

L₃, R_вх, С_вх – элемент связи 2.

Качественные показатели.

Коэффициент передачи по напряжению – это отношение напряжения на входе 1-го каскада РПУ к ЭДС в антенне Е_а.

Коэффициент избирательности – это отношение резонансного коэффициента передачи к коэффициенту передачи при заданной расстройке.

На рисунке 2.2. представлена зависимость коэффициента избирательности s _и от величины расстройки D f при различных значениях добротности контура Q. Добротность контура – это величина, характеризующая затухание (ослабление) сигнала в контуре.

Коэффициент неравномерности в полосе пропускания – это отношение резонансного коэффициента передачи к коэффициенту передачи на границе полосы пропускания.

На рисунке представлена зависимость коэффициента неравномерности от расстройки при различной добротности контура. Граница полосы пропускания соответствует некоторой расстройке D f. При переменной расстройке приведенная выше формула является уравнением резонансной характеристики. Из графика зависимости видно, что чем выше спектр сигнала В_н, тем больше расстройка и тем выше подавление крайних частот. Чтобы уменьшить подавление на краях спектра, необходимо уменьшать добротность контура. Из этого следует, что:

Оценивается коэффициентом перекрытия диапазона К_д

Поскольку , то коэффициент перекрытия диапазона зависит от диапазона изменения L и С.

где D f = f_o - f^’ - разность между частотами настройки входной цепи до и после ее смещения. Смещение происходит из-за вноса емкостей со стороны антенны и входа следующего каскада. Чем меньше смещение настройки h , тем лучше, так как оно снижает коэффициент передачи, увеличивает амплитуду помехи U_fп, ослабляет нижнюю боковую полосу в большей степени, чем верхнюю.

Оценивается по характеристикам К_{вц о} =j ₁(f_o), s _и = j ₂(f_o) и s _п =j ₃(f_o), где f_o – частота настройки входной цепи. Для оценки неравномерности передачи радиосигнала входной цепью в пределах диапазона используется коэффициент неравномерности по диапазону.

При конструировании РПУ стремятся приблизить коэффициент неравномерности поддиапазона к единице (К_нр ® 1), тогда и все остальные коэффициенты будут меняться гораздо меньше.

Способы согласования антенны со входом РПУ.

• L_св – катушка связи
• L – катушка контура

• С_п – подстроечный конденсатор. Служит для подстройки начальной емкости схемы.
• С – конденсатор переменной емкости. Служит для перестройки контура.
• U_вых – выходное напряжение входной цепи
• I_а – ток антенны, протекающий в антенне в результате воздействия ЭДС сигнала.
• С_а – собственная емкость антенны
• L_а – собственная индуктивность антенны
• Е_к – ЭДС, переданная через высокочастотный трансформатор в контур
• R_к – эквивалентное сопротивление контура

• С_о – эквивалентная емкость контура. С_о = С + С_м + С_п + С_L, где:

• С – емкость конденсатора переменной емкости
• С_м – емкость монтажа
• С_п – емкость подстроечного конденсатора
• С_L – межвитковая емкость катушки контура

При данном построении схемы резонансная частота входной цепи равна:

Ток антенны I_а протекает через катушку связи L_св и создает высокочастотное поле, которое наводит ЭДС в катушке контура L. Если частота поля равна резонансной частоте контура, выходное напряжение входной цепи U_вых максимально и подается на вход следующего каскада. Связь с антенной делается слабой для уменьшения влияния антенны на качественные показатели входной цепи. Слабая связь достигается изменением взаимного расположения катушки связи L_св относительно катушки контура L.

Если f_a > f_{o max}, то антенна “укороченная”.

Если f_{o min} < f_a < f_{o max} , то антенна “настроенная”.

где :

Q_экв – эквивалентная добротность контура

К_св – коэффициент связи.

Коэффициент s _и задается во время расчета РПУ при распределении избирательности по трактам РПУ. Коэффициент связи выбирается из условия

Коэффициент перекрытия по диапазону

Входное устройство с емкостной связью.

Различают входные устройства с внешнеемкостной (рис. 2.12, а) и б) ) и внутреннеемкостной связью (рис. 2.12 с) ). В таких входных устройствах входной контур включен последовательно в цепь антенны. Ток радиочастоты, протекающий в антенне, возбуждает входной контур. Если f_ia = f_o, то U_вых максимально. Связь с антенной так же делается слабой применением малой емкости связи С_св для схем а) и б) и большой для схемы рис. с), поскольку емкостное сопротивление выражается формулой: Х_с = 1 / w С_св

Коэффициент передачи

Обычно С_{св< <} С_экв, где С_экв – эквивалентная емкость контура. Допустимая величина С_св определяется так:

, где:

D С_а – вносимая емкость,

Неравномерность коэффициента передачи К_вц по диапазону.

Оценивается коэффициентом неравномерности так:

где:

К_д – коэффициент перекрытия.

Это значит, что при К_д = 3 коэффициент перекрытия в конце диапазона в 9 раз больше, чем на минимальной частоте диапазона. Таким образом недостатком схемы является большая неравномерность коэффициента перекрытия и такие схемы рекомендуется при малых К_д, при фиксированных настройках или при настройке индуктивностью (как в автомобильных РПУ).

Входная цепь с индуктивно – емкостной связью. Применяется в РПУ с малой неравномерностью коэффициента перекрытия по диапазону. Коэффициент передачи входной цепи равен:

где:

К_{вц о и} – коэффициент связи для входной цепи только с индуктивной связью

С_э – эквивалентная емкость входного контура, равная

где:

• Малые размер и вес
• Пространственная избирательность сигнала
• Большая помехоустойчивость, поскольку магнитная составляющая поля помехи гораздо меньше электрической составляющей
• Способность принимать сигнал вблизи металлоконструкций

Усилителем радиочастоты (УРЧ) называется каскад РПУ ,осуществляющий усиление принимаемых сигналов на их собственных частотах, без изменения спектра.

Функции УРЧ :

• Обеспечение усиления сигнала по мощности или по напряжению
• Обеспечение эффективной частотной избирательности РПУ, избирательности по прямому и зеркальному каналам
• Обеспечение защиты цепи антенны от проникновения частоты гетеродина (в случае проникновения частоты гетородина в цепи антенны, РПУ начинает работать как маломощный передатчик и будет создавать помехи близко расположенным РПУ).

УРЧ размещается сразу за выходной цепью и является первым каскадом РПУ. УРЧ работает при малых амплитудах входного сигнала. Нагрузкой УРЧ служит следующий каскад или преобразователь частоты. В состав структурной схемы УРЧ входят следующие устройства:

• УП – усилительный прибор, служит для регулировки поступления энергии от источника питания ИП к нагрузке по закону изменения параметров входного сигнала. Выбор УП зависит от параметров входного сигнала.
• МЦ – междукаскадная цепь. Служит для передачи энергии сигнала от УП к нагрузке, обеспечения необходимой полосы пропускания и избирательности и согласования выходной проводимости УП с входной проводимостью нагрузки для получения максимального усиления сигнала.
• ИЦ – избирательная цепь. Служит для обеспечения необходимой избирательности и полосы пропускания.
• m1 и m2 – схемы связи. Необходимы для ослабления шунтирующего действия соседних каскадов и согласования их с ИЦ с целью получения максимального коэффициента усиления. При использовании этих обозначений в формулах, носят название коэффициентов включения.

Работа УРЧ.

• По количеству каскадов:
• Однокаскадные
• Многокаскадные.

• По типу усилительного прибора:
  • Транзисторные
  • Параметрические
  • Туннельные
  • Ламповые.

• По типу избирательной цепи:
• Одноконтурные
• Двухконтурные
• Полосовые.

• По типу настройки:
• с фиксированной настройкой.
• с диапазонной настройкой.

• По наличию контуров:
• Резонансные
• Апериодические.

• По типу связи ИЦ с УП:
  • Автотрансформаторные,
  • Трансформаторные.
  • Емкостные.


• По типу включения УП:
  • С общим входным выводом (эмиттер, исток, катод)
  • С общим управляющим выводом (база, затвор, сетка)
  • С общим выходным выводом (коллектор, сток, анод).

• По типу соединения УП (при применении нескольких УП):
  • Каскодная (УП имеют различные способы включения
  • Каскадная (УП имеют одинаковые способы включения)
  • Спаренная (общим является только один из выводов второго УП)
  • Эквивалентная составному.

Коэффициент усиления по напряжению - отношение напряжения полезного сигнала принимаемой частоты к напряжению этого же сигнала на нагрузке. К = U_вых / U_вх.

Коэффициент усиления по мощности – отношение мощности полезного сигнала принимаемой частоты к мощности этого же сигнала на нагрузке. К_р = Р_вых / Р_вх.

Коэффициент шума – отношение средней мощности сигнала к средней мощности шумов.

Ш = Р_{вх ср} / Р_{ш ср}

Избирательность - s _и = К_о / КD f, оценивается избирательностью ИЦ. При многокаскадном включении s _и = s ₁*s ₂*s ₃ . . . *s _n

Амплитудно–частотные – определяются формой резонансной характеристики.

Фазо-частотные – следствие нелинейности фазо-частотной характеристики.

Нелинейные – определяются нелинейностью рабочего участка амплитудной характеристики и тем меньше, чем меньше амплитуда сигнала и прямолинейнее амплитудная характеристика.

Динамический диапазон – оценивается по амплитудной характеристике.

Перекрытие заданного диапазона частот – основные характеристики в любой точке диапазона должны быть не хуже заданных.

Принципиальные схемы УРЧ.

В усилителях радиосигналов применяют два варианта включения усилительного прибора: с общим эмиттером и с общей базой в каскадах на биполярных транзисторах; с общим истоком и с общим затвором в каскадах на полевых транзисторах; с общим катодом и общей сеткой в ламповых каскадах.

Усилители с общим эмиттером (истоком, катодом) в диапазонах метровых и более длинных волн позволяют получить наибольшее усиление мощности. Усилители с общей базой (затвором, сеткой) отличаются большей устойчивостью против самовозбуждения, поэтому часто используются в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн. Принципы построения и анализа резонансных усилителей идентичны для различных типов усилительных приборов и вариантов их включения.

На рис. 3.1 приведена схема усилителя на полевом транзисторе с общим истоком. В цепь стока включен колебательный контур L_k, С_к. Контур настраивается конденсатором С_к. В усилителе применено последовательное питание стока через фильтр R_з, С_з и катушку индуктивности. Поскольку С_з в 50 ...100 раз превышает максимальную емкость С_к, то резонансная частота определяется L_k и С_к. На этой частоте коэффициент усиления максимален. Уменьшение его на частотах, отличающихся от резонансной, определяет селективные свойства усилителя.

Напряжение смещения на затворе определяется падением напряжения от тока истока на R₂. Емкость С₂ устраняет отрицательную' обратную связь по переменному току. Конденсатор C₁ — разделительный. Резистор R₁ служит для передачи напряжения смещения на затвор.

На рис. 3.1 показано автотрансформаторное подключение контура к истоку транзистора, используемое для повышения устойчивости усилителя. В каскадах на биполярных транзисторах частичное (трансформаторное или автотрансформаторное) подключение контура к усилительным приборам используется не только для повышения устойчивости, но и для уменьшения шунтирования контура сравнительно малыми входными и выходными сопротивлениями транзисторов. В качестве примера на рис. 3.2 приведена схема усилителя с двойной автотрансформаторной связью контура L_k, С_к с транзисторами через отводы с коэффициентами включения m и п. Напряжение питания на коллектор подано через фильтр R₄, С-г и часть витков катушки L₁. Режим по постоянному току и температурную стабилизацию обеспечивают с помощью резисторов R₁, R-г, R_з. Емкость C₁ устраняет отрицательную обратную связь по переменному току. Разделительный конденсатор С_з предотвращает попадание питающего напряжения коллектора в цепь базы.

<<предыдущий  раздел