Искажения ЧМ-сигнала в радиотракте 4 страница

- забитие полезного сигнала мешающим сигналом;

- взаимная модуляция (интермодуляция) между мешающими сигналами, частоты которых не совпадают с частотой настройки УРЧ, на продукты их взаимодействия попадают в полосу пропускания полезного сигнала или совпадают с частотами дополнительных каналов приема.

Перекрестная модуляция проявляется в том, что сигнал мешающей станции, значительно отличающийся по частоте от сигнала принимаемой станции (полезного), на частоту которой настроен УРЧ, существует на выходе УРЧ одновременно с полезным сигналом.

При прекращении работы станции, на частоту которой настроен УРЧ (пропадании полезного сигнала), мешающий сигнал полностью пропадает.

Перекрестная модуляция возникает в УРЧ при одновременном взаимодействии на его входе двух и более (полезного и мешающих) сигналов, из которых хотя бы один мешающий сигнал большой амплитуды.

Этот сигнал с большей амплитудой перемещает рабочую точку усилительного прибора на нелинейной части его характеристики со своей собственной частотой.

В результате происходит изменение крутизны характеристики усилительного прибора за счет действия сильного мешающего сигнала и перенос модуляции с мешающего сигнала на полезный.

При этом ухудшается различимость полезного сигнала, а при больших уровнях помехи прием становится невозможным.

Величина перекрестной модуляции не зависит от амплитуды полезного сигнала, поэтому ее нельзя уменьшить за счет увеличения амплитуды полезного сигнала.

В коротковолновом диапазоне уровень мешающих сигналов на входе УРЧ может достигать единиц и даже десятков вольт.

Забитием УРЧ помехой называют уменьшение усиления УРЧ и соответствующее ослабление полезного сигнала под действием мешающего сигнала близкой частоты и очень большой амплитуды.

Полосу частот, в которой наблюдается это явление, называют полосой забития.

Явление забития объясняется теми же причинами, как и перекрестная модуляция.

При очень больших амплитудах мешающих сигналов происходит не только модуляция крутизны, но и уменьшение ее среднего значения; может также резко возрастать постоянная составляющая входного тока усилительного прибора.

Взаимная модуляция (интермодуляция) происходит в усилителе радиочастоты при одновременном воздействии на его входе двух и более мешающих сигналов (например, частоты и ) большой амплитуды, выходящей за пределы линейного рабочего участка характеристики усилительного прибора.

В результате взаимодействия этих сигналов возникают комбинационные помехи вида:

- , совпадающие с частотой настройки УРЧ;

- , совпадающие с частотой зеркального или дополнительного каналов;

- , совпадающие с промежуточной частотой приемника.

Составляющие особенно опасны, так как контур УРЧ настроен на эту частоту.

Одним из лучших методов борьбы со всеми рассмотренными видами нелинейных искажений является улучшение эффективной избирательности УРЧ.

Для этого необходимо повысить избирательность входной цепи, применять в первых каскадах УРЧ усилительные приборы с линейной характеристикой и не включать первые каскады УРЧ в систему АРУ.

6.6 Схемы каскадов усилителей радиочастоты

Существуют пассивные и активные методы повышения устойчивости.

Пассивные методы сводятся к уменьшению фактического коэффициента усиления до величины, равной или меньшей устойчивой, чтобы выполнялось неравенство

.

Это можно сделать уменьшением коэффициентов включения контуров или уменьшением контуров.

Активные методы повышения устойчивости позволяют увеличить и, тем самым, реализовать потенциальные усилительные возможности лампы или транзистора. К этим методам относятся:

а) нейтрализация внутренней обратной связи внешней обратной связью;

б) каскадное соединение активных элементов.

Нейтрализация внутренней обратной связи внешней. Внутреннюю обратную связь активного элемента можно нейтрализовать с помощью специальных цепей. Если устранить ее влияние, то отпадает ограничение величины коэффициента усиления, налагаемое условием устойчивости и от усилителя можно получить максимально возможное усиление.

Известны различные схемы нейтрализации:

1) последовательная;

2) параллельная;

3) последовательно-параллельная;

4) параллельно-последовательная.

Рассмотрим нейтрализацию параллельного типа (типа ), получившую широкое распространение.

Схема нейтрализации параллельного типа представляет собой параллельное соединение двух четырехполюсников: активного элемента и нейтрализующего пассивного (рис.48).

Рисунок 48 – Нейтрализация параллельного типа

Найдем результирующий параметр двух параллельно соединенных четырехполюсников. По определению

.

Обратная связь отсутствует, если . Отсюда получаем условие нейтрализации .

Следовательно, цепь нейтрализации должна иметь схему, аналогичную цепи активного четырехполюсника. Напряжение обратной связи через цепи нейтрализации должно подаваться на вход усилителя в противофазе с тем, которое попадает на вход через цепь внутренней обратной связи. В практических схемах используют автотрансформаторный или трансформаторный фазоинвертор.

На рис.49 приведена схема усилителя с автотрансформаторным фазоинвертором и параллельной цепью нейтрализации .

Параллельная цепь может обеспечить точную нейтрализацию в полосе частот, в пределах которой и практически постоянны. У транзисторов и зависят от частоты, поэтому в диапазонных и широкополосных транзисторных усилителях нейтрализация не применяется.

В настоящее время нейтрализацию используют в узкополосных усилителях промежуточной частоты (УПЧ).

Возможна также последовательная цепь нейтрализации. Она обеспечивает точную нейтрализацию только на одной (обычно резонансной) частоте. Ее удобно использовать в тех случаях, когда не должно быть гальванической связи между выходной и входной цепями усилителя, поскольку одновременно играет роль разделительного конденсатора.

Рисунок 49 – Схема с параллельной цепью нейтрализации

Каскадное соединение активных элементов. Для повышения устойчивости усилителей используют каскадное соединение двух активных элементов, при котором выход одного активного элемента соединяется со входом второго непосредственно, без частотно-независимых цепей.

Влияние внутренней обратной связи при таком соединении уменьшается, так как эквивалентная проводимость обратной связи определяется обратной взаимной проводимостью двух усилительных приборов.

Возможны различные варианты соединения двух активных элементов. Большое распространение в ламповых усилителях получило соединение «общий катод–общая сетка» (ОК–ОС). Такое соединение получило название каскодная схема.

Каскодными называют транзисторные схемы, у которых отсутствуют частотно-независимые связи между каскадно включенными транзисторами.

Для анализа такое соединение удобно рассматривать как один каскад, у которого оба усилительных прибора замещаются некоторым эквивалентным активным четырехполюсником (рис.50).

Рисунок 50 – Каскадное соединение активных элементов

В настоящее время в усилителях на биполярных транзисторах наибольшее распространение получили схемы: «общий эмиттер–общий эмиттер» (ОЭ–ОЭ) и «общий эмиттер–общая база» (ОЭ–ОБ).

Схема ОЭ–ОЭ используется на частотах (например, в усилителях промежуточной частоты радиовещательных приемников).

Схема ОЭ–ОБ получила применение на более высоких частотах, в частности в диапазонных усилителях декаметрового и метрового диапазонов, в широкополосных усилителях.

На рис.51 приведена схема каскодного усилителя ОЭ–ОБ с последовательным питанием транзисторов.

Рисунок 51 – Каскадное соединение ОЭ–ОБ

Каскодные усилители имеют на несколько порядков меньшую проводимость обратной связи, что позволяет получить высокое устойчивое усиление без использования нейтрализации.

6.7 Малошумящие усилители СВЧ

У ламповых триодов уровень шума в 3–5 раз меньше, чем у пентодов, поэтому их применение в первых каскадах ламповых приемников позволяет получить меньший коэффициент шума.

Однако на высоких частотах использование триодов в схеме с общим катодом затруднено вследствие большой проходной емкости . Например, триод 6C5D, предназначенный для работы в дециметровом диапазоне, при включении по схеме с общим катодом даже на частоте 100 МГц имеет коэффициент устойчивого усиления близкий к единице .

В схеме с общей сеткой (рис.52) усилитель имеет существенно большую устойчивость.

Рисунок 52 – Схема с общей сеткой

В этой схеме емкость , которая является причиной неустойчивой работы усилителя с общим катодом, входит в состав выходного колебательного контура 2 и не оказывает влияния на условия устойчивости.

Обратная связь по напряжению, которая в зависимости от расстройки выходного контура может быть как положительной, так и отрицательной, возможна здесь из-за емкости между анодом и катодом . Она меньше, чем из-за заземленной сетки, играющей роль электростатического экрана между анодом и катодом.

Кроме того, в усилителе с общей сеткой имеет место очень сильная (почти 100%) отрицательная обратная связь по току, так как переменная составляющая анодного тока лампы протекает в цепи источника сигнала между катодом и сеткой.

Эта связь способствует устойчивой работе усилителя с общей сеткой. Она же является причиной уменьшения входного сопротивления каскада с общей сеткой, вследствие чего уменьшается его коэффициент усиления по мощности и увеличивается шунтирование входного контура.

Усиление по напряжению схемы с общей сеткой почти такое же, как схемы с общим катодом и определяется по общим формулам.

В метровом диапазоне волн широко используется каскодная схема «общий катод–общая сетка» (ОК–ОС) (рис.53).

В ней сочетаются достоинства обоих схем: высокое входное сопротивление, большое усиление по мощности каскада с общим катодом, высокая устойчивость против самовозбуждения каскада с общей сеткой.

Чтобы каскад с общим катодом не возбуждался, его коэффициент усиления по напряжению не должен превышать единицы.

Рисунок 53 – Каскодная схема ОК–ОС

В данном случае малое усиление по напряжению достигается тем, что нагрузкой первого каскада служит малое входное сопротивление схемы с общей сеткой:

,

так как .

Усиление по напряжению дает второй каскад . Первый каскад обеспечивает усиление по мощности

,

которое достигается из-за большого входного сопротивления схемы с общим катодом.

Вследствие большого усиления по мощности первого каскада коэффициент шума каскодной схемы определяется в основном шумами первого каскада. С повышением частоты входное сопротивление и усиление по мощности схемы с общим катодом уменьшаются, приближаясь к соответствующим значениям схемы с общей сеткой. Поэтому в дециметровом диапазоне воле усилителя строят по схеме с общей сеткой. В этом диапазоне волн применяют «маячковые» лампы, предназначенные для включения по схеме с общей сеткой, в сочетании с коаксиальными резонаторами.

На частотах выше 1-2 ГГц вследствие уменьшения усиления и увеличения собственных шумов ламп рассмотренные усилители не дают выигрыша в величине коэффициента шума приемника и, следовательно, не приводят к заметному снижению его реальной чувствительности, поэтому их использование нецелесообразно.

В усилителях СВЧ применяются как схемы с общим эмиттером, так и схемы с общей базой, в зависимости от конкретных условий работы.

В усилителях по схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по току убывает с частотой быстрее, чем в усилителях по схеме с общей базой. Произведение усиления по мощности на полосу пропускания больше в схеме с общей базой.

Схема с общей базой имеет большую устойчивость и большую стабильность параметров.

В схеме с общим эмиттером настройка входной цепи на минимум коэффициента шума приводит к меньшему рассогласованию с источником сигнала, чем в схеме с общей базой.

В зависимости от диапазона рабочих частот и требуемой полосы пропускания транзисторные усилители СВЧ выполняются как в коаксиальном, так и в полосковом исполнении.

Усилители в коаксиальном оформлении имеют сравнительно узкую полосу пропускания, относительно большие размеры и массу.

Усилители на полосковых линиях значительно более широкополосные, что важно для усилителей СВЧ. Полосковые линии могут изготовляться методом печатного монтажа с учетом конфигурации транзистора.

Широкополосные транзисторные усилители СВЧ часто выполняют балансными. Они позволяют совместить режим максимального усиления и минимального шума, обладают широкой полосой пропускания, высокой стабильностью амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик, повышенным динамическим диапазоном.

Характеристики балансных усилителей не критичны к разбросу параметров транзисторов. В балансных усилителях достаточно просто можно получить необходимую устойчивость без применения дополнительных развязывающих цепей.

Рисунок 54 – Схема балансного транзисторного усилителя СВЧ

На рис.54 приведена электрическая схема балансного усилителя, предназначенного для работы в диапазоне частот 3,5–4,5 ГГц.

Вход и выход усилителя соединены через трехдецибельные направленные ответвители (НО), которые на входе разделяют сигнал на две приблизительно равные части и на выходе суммируют его. Оба входных сигнала сдвигаются в НО на 90° относительно начальной фазы.

Хорошее согласование «вход–выход» позволяет каскадно соединить несколько таких устройств для получения большого усиления при малой межкаскадной связи.

Диапазонные, усилительные и шумовые характеристики балансных усилителей во многом определяются характеристиками направленных ответвителей.

Направленные ответвители могут быть как односекционными, так и многосекционными.

В настоящее время серийно выпускаются СВЧ транзисторы на частоты до 4ГГц, с коэффициентом шума около 4-6 дБ, и созданы экспериментальные усилители до 20 ГГц.

В диапазоне СВЧ применяют различные типы предварительных малошумящих усилителей: квантовые, параметрические, транзисторные, усилители на лампах бегущей волны, усилители на туннельных диодах.

Малошумящие транзисторные усилители обладают важными преимуществами: высокой надежностью (время непрерывной работы не менее часов), небольшой стоимостью, простотой, однонаправленным усилением, относительно невысоким коэффициентом шума, мгновенным вхождением в режим, простотой в обслуживании, возможностью микроминиатюризации.

В настоящее время интенсивно ведутся разработки транзисторных малошумящих усилителей для все более высоких частот.

Тема 7. Преобразователи частоты

7.1 Назначение, структурная схема и принцип работы преобразователей частоты

Преобразователем частоты называют устройство, осуществляющее перенос спектра радиосигнала из одной области частот в другую без изменения характера модуляции. Они являются частью супергетеродинного приемника. В результате преобразования получается новое значение частоты , называемой промежуточной. Частота может быть как выше, так и ниже частоты сигнала ; в первом случае происходит преобразование частоты вверх, во втором – вниз.

Как видно из диаграмм напряжений на входе и выходе ПЧ (рис.55), при преобразовании частоты закон модуляции (в данном случае – амплитудной) не нарушается, а изменяется только частота несущего колебания на выходе преобразователя.

Рисунок 55 – Временные диаграммы напряжений на входе (а) и выходе ПЧ (б)

Спектр преобразованного колебания (рис.56) сместился по оси частот влево (для ); при этом характер спектра не изменился.

Рисунок 56 – Спектр частот на входе (а) и выходе ПЧ (б)

Здесь - частота модулирующего колебания; и - несущие частоты для и .

Для преобразования частоты в радиоприемниках используются линейные цепи с периодически меняющимися параметрами.

Структурная схема преобразования частоты (рис.57) содержит преобразовательный элемент ПЭ, гетеродин Г и фильтр Ф.

Рисунок 57 – Структурная схема ПЧ

Режим работы ПЭ периодически во времени меняется под действием напряжения гетеродина с частотой гетеродина . В результате изменяется крутизна ВАХ преобразовательного элемента, что приводит к преобразованию сигнала.

Положим, что к ПЭ со строго квадратичной ВАХ (рис.58) приложены напряжение гетеродина и некоторое начальное напряжение смещения ; при этом .

Под действием напряжения гетеродина рабочая точка ПЭ начинает периодически изменяться во времени и, как следует из рис.58, крутизна в рабочей точке также будет периодически меняться от до . Так как , то при квадратичной ВАХ зависимость крутизны от напряжения линейна.

Следовательно, при косинусоидальном напряжении крутизна изменяется также по косинусоидальному закону и содержит постоянную составляющую и первую гармонику. Тогда

,

где - постоянная составляющая крутизны ПЭ;

- амплитуда первой гармоники крутизны ПЭ.

Ток на выходе ПЭ . Эта формула приближенная, поскольку она не учитывает ток сопротивления нагрузки.

Рисунок 58 – Вольт-амперная характеристика ПЧ

Пусть на входе ПЭ действует сигнал ,

где - функции времени.

Подставив в выражение для тока значения и , получим

.

Используя правило перемножения косинусов, запишем

. (7.1)

Согласно (1), ток на выходе ПЭ содержит составляющие трех частот: частоты сигнала , суммарной частоты и разностной частоты .

Из составляющих выходного тока используют только составляющую разностной частоты (полезная составляющая):

. (7. 2)

Фильтр на выходе преобразователя частоты выделяет только эту составляющую выходного тока, поэтому напряжение на выходе преобразователя определяется током .

Согласно (7.2), амплитуда полезной составляющей выходного тока пропорциональна амплитуде сигнала , следовательно, при преобразовании частоты закон изменения амплитуды сигнала (амплитудная модуляция) сохраняется.

Фаза тока также соответствует фазе исходного сигнала , т.е. при преобразовании частоты фазовая модуляция сохраняется.

Амплитуда тока зависит от амплитуды гармоники крутизны . При ; ; (преобразования по частоте не происходит). Чем больше , тем больше , а следовательно, больше амплитуда тока и амплитуда напряжения на выходе преобразователя.

Преобразователи частоты подразделяют:

- в зависимости от вида ПЭ: диодные, транзисторные, интегральные;

- в зависимости от числа ПЭ: простые (один ПЭ), балансные (два ПЭ), кольцевые (четыре ПЭ).

Если , то положение боковых полос сигнала относительно несущей частоты после преобразования частоты не изменяется (неинвертирующий преобразователь частоты).

Если , то боковые полосы после преобразования меняются местами, нижняя становится верхней, и наоборот (инвертирующий преобразователь частоты).

Выводы:

1. При преобразовании частоты закон модуляции входного напряжения не нарушается, а изменяется только несущая частота.

2. Для преобразования частоты используются линейные цепи с периодически меняющимися параметрами.

3. Под действием напряжения гетеродина периодически во времени меняется режим работы ПЭ, в результате чего меняется с частотой крутизна ПЭ. При этом ток на выходе ПЭ содержит помимо составляющей с частотой сигнала ряд комбинационных составляющих, одна из которых с частотой (обычно или ), выделяемая фильтром, создает напряжение на выходе преобразователя частоты.

7.2 Общая теория преобразования частоты

При анализе преобразователя частоты по аналогии с резонансными усилителями решают две задачи:

1) определяют выходное напряжение , для чего находят полезную составляющую тока промежуточной частоты, которая совпадает с резонансной частотой фильтра, после чего рассчитывают основные показатели преобразователя -–коэффициент усиления, АЧХ, ФЧХ и т.д.;