Искажения ЧМ-сигнала в радиотракте 2 страница

Наиболее распространенными схемами входных цепей являются схемы емкостной, индуктивной (трансформаторной), индуктивно-емкостной (комбинированной), автотрансформаторной связи с антенной или антенно-фидерной системой.

Входные цепи различаются между собой не только по характеру связи ( ), но и по числу используемых в них контуров.

В настоящее время наиболее часто находит применение одноконтурная входная цепь. К важным преимуществам такой цепи по сравнению с многоконтурной цепью относятся простота конструктивного выполнения и обеспечение более высокой чувствительности (рост числа контуров увеличивает потери сигнала до входа первого каскада).

Одноконтурная входная цепь обеспечивает также постоянство резонансного коэффициента передачи в сочетании с удобством перестройки приемника в рабочем диапазоне частот.

Многоконтурная входная цепь позволяет получить форму резонансной характеристики, при которой обеспечиваются наименьшие искажения спектра полезного сигнала при высокой избирательности по отношению к мешающим сигналам, и это является ее достоинством. Вследствие этого она преимущественно находит применение в высококачественных приемниках, работающих на фиксированных частотах.

Рассмотрим схемы входных цепей радиовещательных и других приемников умеренно высоких частот, работающих с ненастроенными антеннами.

1) Трансформаторная связь контура с антенной (рис.29)

Рисунок 29 – Трансформаторная связь контура с антенной

При достаточно слабой связи между катушками связи и входного контура можно получить практически одинаковый коэффициент передачи по диапазону рабочих частот. Это обеспечивается соответствующим выбором параметров антенной цепи ( ).

2) Емкостная связь контура с антенной (рис.30 )

Рисунок 30 – Емкостная связь контура с антенной

В ней выбором достаточно слабой связи с антенны с входным контуром, осуществляемой через конденсатор связи , можно обеспечить малое влияние антенны на контур и постоянство характеристик входной цепи при работе приемника с различными антеннами.

Однако при весьма малой величине связи уменьшается коэффициент передачи, а следовательно, снижается чувствительность приемника.

Обычно выбирают из условия .

К недостатку схемы относится значительное непостоянство коэффициента передачи входной цепи по напряжению в диапазоне рабочих частот.

3) Комбинированная связь (рис.31)

Схема комбинированной связи с антенной позволяет обеспечить достаточно высокое и практически постоянное значение величины во всем диапазоне рабочих частот.

Недостатком схемы является ухудшение избирательности по зеркальному каналу приема по сравнению с избирательностью, обеспечиваемой схемой с трансформаторной связью.

Неполное подключение электронного прибора первого каскада (лампы, транзистора) ко входному контуру ослабляет влияние его входного сопротивления на входную цепь и позволяет обеспечить заданную полосу пропускания; это подключение осуществляется с помощью автотрансформаторной связи, с помощью емкостного делителя или трансформаторной связи.

Схемы с трансформаторной и автотрансформаторной связи с антенной широко применяют в профессиональных приемниках декаметровых и метровых волн, работающих на фиксированной частоте или в узком диапазоне частот.

Рисунок 31 – Схема комбинированной связи с антенной

3) Автотрансформаторная связь (рис.32)

Рисунок 32 – Схема автотрансформаторной связи с антенной

Схему с автотрансформаторной связью применяют при работе с несимметричными (коаксиальными) фидерами и наиболее частот используют на практике.

В этих схемах показано неполное (частичное) подключение контура ко входу активного элемента (биполярный транзистор), обладающий малым входным сопротивлением.

Если активным элементом будет электронная лампа или полевой транзистор, у которых входное сопротивление большое, то может использоваться полное включение контура.

На рис.33 показана одна из наиболее распространенных схем двухконтурной входной цепи.

Рисунок 33 – Входная цепь с двухконтурным полосовым фильтром

Здесь связь первого контура с антенной – трансформаторная. Связь между контурами – внутриемкостная через конденсатор и внешнеемкостная через . Двухконтурная входная цепь позволяет обеспечить форму резонансной кривой, более близкую к прямоугольной.

5.5 Входные цепи при работе с ненастроенными антеннами

Ненастроенные антенны используются, в частности, в радиовещательных приемниках диапазонов длинных, средних и коротких волн.

Поскольку ненастроенные антенны помимо активного сопротивления обладают реактивными, они вносят потери и расстройку во входной контур. Эта расстройка разная для различных антенн и не может быть скомпенсирована при одноручечной настройке приемника. Поэтому связь входного контура с антенной выбирают слабой из условия допустимой расстройки контура. Это обеспечивает возможность работы от антенн, имеющих большой разброс параметров.

При слабой связи из антенны в контур вносится небольшое дополнительное затухание, обычно не более 10-20% от собственного, что позволяет сохранить избирательные свойства входной цепи.

Коэффициент передачи входной цепи при слабой связи получается малым.

В рассматриваемых приемниках первым активным элементом является электронная лампа или транзистор. Лампа (или полевой транзистор) могут подключаться к контуру входной цепи непосредственно (n=1). Подключение биполярных транзисторов ко входной цепи надо делать частичным, чтобы не утратить избирательные свойства контура вследствие малого входного сопротивления транзистора. Неполное включение достигается с помощью автотрансформатора, трансформатора или емкостного делителя.

В рассматриваемых приемниках плавную настройку контуров внутри поддиапазона выполняют с помощью конденсатора переменной емкости ,

а полная емкость контура

,

где - емкость монтажа.

Резонансный коэффициент передачи входной цепи определяется выражением

. (5.2)

Он определяется резонансным сопротивлением контура и проводимостью .

Антенная цепь имеет собственную резонансную частоту, которая зависит от параметров антенны и элементов связи антенны со входным контуром. Изменения от частоты имеют характер резонансной кривой антенной цепи.

В зависимости от того, где будет находиться собственная частота антенной цепи по отношению к рабочему диапазону частот приемника, различным будет характер изменения резонансного коэффициента передачи входной цепи.

Рассмотрим некоторые распространенные схемы входных цепей.

Входная цепь с трансформаторной связью. В данной схеме (рис.29) коэффициент трансформации со стороны антенны равен

. (5.3)

Подставляя в (5.3) и в (5.2), получим выражение для резонансного коэффициента передачи входной цепи в виде

. (5.4)

Если пренебречь активным сопротивлением антенной цепи по сравнению с реактивным, то

, (5.5)

где - индуктивность антенной цепи;

- собственная частота антенной цепи.

После подстановки (5.5) в (5.4) получим

, (5.6)

где .

Из (5.6) видно, что изменение резонансного коэффициента передачи входной цепи будет различным в зависимости от соотношения . Рассмотрим возможные случаи.

Рисунок 34 – Зависимость резонансного коэффициента передачи от частоты: а) при ; б) при

Первый случай. Собственная частота антенной цепи находится выше верхней частоты рабочего поддиапазона, т.е. (рис.34а).

Это режим работы с повышением собственной частоты антенной цепи.

В таком режиме резонансный коэффициент передачи резко возрастает с частотой, потому что с увеличением частоты одновременно увеличивается

и

вследствие приближения частоты настройки входного контура к собственной резонансной частоте антенной цепи.

При из (5.6) получаем

. (5.7)

Если при этом и , то

. (5.8)

Неравномерность коэффициента передачи по поддиапазону получается большая

. (5.9)

Второй случай. Собственная частота антенной цепи находится ниже минимальной частоты рабочего поддиапазона (рис.34б).

Резонансный коэффициент передачи меняется при этом не так резко, как в предыдущем случае, так как при уходе от собственной частоты антенной цепи величина уменьшается, а увеличивается и в какой-то степени компенсирует убывание .

При из (5.6) следует

. (5.10)

Если при этом и , то

. (5.11)

Условия, при которых получены формулы (5.8) и (5.11), характерны для схем на лампах и полевых транзисторах (при n=1).

В схемах с биполярными транзисторами добротность зависит от частоты из-за вносимого затухания .

Причем, если n частотно-независимый коэффициент, то добротность падает с увеличением частоты. Поэтому в (5.10) будет уменьшаться с ростом частоты.

В схеме с внутренней емкостной связью контура с активным элементом (рис.35)

Рисунок 35 – Схема с внут­ренней емкостной связью контура с активным эле­ментом

коэффициент включения

. (5.12)

Если подставить (5.12) в (5.7), то нетрудно видеть, что изменения коэффициента передачи входной цепи по поддиапазону в этом случае возможны только из-за изменения .

Полное затухание контура при этом (пренебрегаем затуханием, вносимым со стороны антенной цепи)

. (5.13)

Откуда видно, что с увеличением частоты эквивалентная добротность увеличивается. Это полезно для сохранения неизменными избирательных свойств контура в пределах поддиапазона.

Избирательность входной цепи при больших расстройках

.

Входная цепь с емкостной связью. Входной контур соединен с антенной через укорачивающий конденсатор (рис.30).

Чтобы изменение параметров антенны не влияло заметно на настройку контура, емкость берется малой. Поэтому последовательное соединение и также будет малой величиной.

Введем обозначение

.

Сопротивление будет гораздо больше, чем и , которыми пренебрегаем.

При этих допущениях

. (5.14)

Подставляя в (5.2) значение , и из (5.14), получим выражение для резонансного коэффициента передачи входной цепи в виде

. (5.15)

Если и , то

. (5.16)

Неравномерность по поддиапазону такая же, как в (5.9).

Квадратичная зависимость в (5.15), (5.16) объясняется тем, что с увеличением частоты одновременно увеличивается проводимость антенной цепи и резонансное сопротивление контура .

Если применить внутреннюю емкостную связь контура с активным элементом, то в соответствии с (5.12) получим

.

Избирательность входной цепи при больших расстройках при условии (5.14) определяется выражением

.

Используются также схемы с комбинированной связью трансформаторной и емкостной одновременно.

Входная цепь с внутренней емкостной связью с антенной. В схеме (рис.36) антенна и вход активного элемента подключены к контуру через емкостный делитель, образованный и .

Рисунок 36 – Входная цепь с внут­ренней емкостной связью кон­тура с антенной

Причем , чтобы связь антенны с контуром была слабой.

Результирующая емкость контура

.

Коэффициент включения (трансформации)

; . (5.17)

Пренебрегая активным сопротивлением антенны, найдем

. (5.18)

где - собственная частота антенной цепи.

Из (5.2) с учетом (5.18) и (5.17) получим выражение для резонансного коэффициента передачи

.

Если , то

не зависит от частоты (при ).

Условие выполняется при малых геометрических размерах антенны.

Избирательность входной цепи при больших расстройках с учетом (5.17) и (5.18) и зависимости коэффициента от частоты:

.

Входная цепь приемника с рамочными и ферритовыми антеннами. Рамочные антенны (рис.37) обладают направленными свойствами.

Рисунок 37 – Входная цепь с рамочной антенной

Свойства направленности выражаются в том, что ЭДС сигнала в антенне зависит от угла между плоскостью рамки и направлением прихода сигнала

,

где - ЭДС сигнала в антенне при приходе электромагнитной волны в направлении плоскости рамки.

Действующая высота рамочной антенны зависит от площади рамки и числа витков

,

где - длина волны.

Коэффициент передачи входной цепи с рамочной антенной определяется выражением (5.4), в котором

,

где .

Для уменьшения размеров рамки при сохранении достаточной действующей высоты применяют сердечник из феррита или другого магнитодиэлектрика.

Введение внутрь рамки магнитного сердечника улучшает приемные свойства рамки вследствие концентрации магнитного потока в ней. Действующая высота такой ферритовой антенны

,

где - действующая магнитная проницаемость ферритового сердечника;

- коэффициент, определяемый конфигурацией антенной катушки и ее местоположением на сердечнике.

Антенная катушка, т.е. рамка на ферритовом стержне, обычно используется и в качестве индуктивности входного контура (рис.38).

Такие входные цепи широко используются в радиовещательных приемниках.

Коэффициент передачи напряжения входной цепи можно найти из общего выражения (5.2), подставив в него

и ; .

В приемниках с ферритовой антенной чувствительность принято выражать в единицах напряженности поля сигнала (мкВ/м):

.

Рисунок 38 – Входная цепь с ферритовой антенной

Коэффициент передачи входной цепи с ферритовой антенной по полю определяется выражением

.

Входная цепь с полосовым фильтром. Полосовой фильтр во входной цепи применяется в тех случаях, когда нужно получить форму резонансной кривой, близкую к прямоугольной, и тем самым обеспечить высокую избирательность и одновременно хорошую равномерность передачи в заданной полосе пропускания.

В радиовещательных приемниках в диапазонах длинных и средних волн используется двухконтурный полосовой фильтр.

Во входных цепях коротковолнового диапазона полосовые фильтры не получили применения, так как конструктивно выполняемые добротности контуров ограничены величиной порядка 100-200. При этом полоса пропускания входной цепи гораздо шире требуемой и выигрыша в избирательности не получается.

На СВЧ, где в качестве колебательных контуров используются коаксиальные или объемные резонаторы с высокой добротностью, полосовые фильтры применяются.

При этом возникает необходимость в переменной настройке каждого из контуров фильтра. Перестройка контуров по диапазону сопровождается изменением показателей входных цепей (резонансного коэффициента передачи, полосы пропускания и др.).

Чтобы эти показатели менялись не слишком резко, выбирают такую схему связи между контурами полосового фильтра, при которой с увеличением частоты коэффициент связи будет уменьшаться, а полоса пропускания останется почто неизменной.

Для этого используют комбинированную связь между контурами – внутреннюю и внешнюю емкостную или внутреннюю емкостную и трансформаторную.

5.6 Входные цепи при работе с настроенными антеннами

Настроенные антенны применяются при приеме на сверхвысоких частотах, а также при профессиональном приеме и на более низких частотах, например, на коротковолновых магистральных линиях связи.

Во всех этих случаях обычно предъявляются высокие требования к чувствительности приемника, которая ограничена собственными шумами приемника. Поэтому важно обеспечить наилучшую передачу мощности сигнала от антенны ко входу первого активного элемента приемника.

Максимальная передачи мощности будет при согласовании антенны с фидером, а фидера со входом приемника. При этом в фидере будет режим бегущей волны, что необходимо также для устранения искажений сигнала, вызванных отражениями при большой длине фидера.

Настроенные антенны обычно имеют достаточно широкую полосу пропускания, поэтому можно не учитывать изменения сопротивления антенны при расстройках. Тогда резонансная кривая входной цепи будет в основном определяться резонансной кривой эквивалентного контура.

Рассматриваемый режим работы входных цепей характеризуют коэффициентом использования номинальной мощности

, (5.19)

где (5.20)

- мощность, развиваемая на активной составляющей входной проводимости первого активного элемента приемника;

(5.21)

- номинальная мощность антенно-фидерной системы.

Подставляя (5.21) и (5.20) в (5.19), получаем простое соотношение между коэффициентом использования номинальной мощности и коэффициентом передачи напряжения:

, (5.22)

т.е. максимум будет при условии максимума .

Коэффициент использования номинальной мощности характеризует степень несогласования фидера со входом приемника и потери во входном устройстве:

. (5.23)

где - коэффициент шунтирования, определяющий допустимое увеличение результирующего затухания по сравнению с конструктивным;

- относительный коэффициент связи.

При отсутствии собственных потерь входного контура ( или ) и при полном согласовании ( ) коэффициент использования номинальной мощности равен .

В остальных случаях , так как входная цепь является пассивным четырехполюсником.

Частные случаи:

1) При коэффициент характеризует потери входного устройства. Величина определяется требованием к избирательности и полосе пропускания входной цепи.

2) При коэффициент характеризует рассогласование.

Возможны различные схемы согласования фидера со входом приемника: автотрансформаторная, трансформаторная, с емкостным делителем. При использовании экранированного фидера все схемы согласования практически равноценны.