книги / Радиоприемные устройства.-1

Так как МА обладает индуктивностью, то последнюю обычно используют как элемент контура, реализуя тем самым схему с непосредственным включе­ нием антенны в контур (см. рис. 3.5, б) .

Трансформируя входную проводимость G последующего усилительного прибора (G ') в контур МА, приходим к эквивалентной схеме ВЦ на частоте резонанса (рис. 3.22). Для согласования по мощности ВЦ со входом УП необ-

ходимо удовлетворить условию: G^ = G ' =		n\G^	, откуда п = у/ G /G
К	Н	2 Н	К' Н

Схема включения МА, согласованной с нагрузкой, приведена на рис. 3.23. Так как эквивалентная проводимость контура GK + Gд при этом удваивается сравнительно с проводимостью GK ненагруженного контура, то полоса пропускания ВЦ возрастает при согласовании по мощности в два раза. Поэто­ му для обеспечения высокой избирательности ВЦ добротность катушки МА следует предельно увеличивать.

Несмотря на малую действующую высоту, МА позволяет получить при­ мерно такой же уровень сигнала на входе УП, что и внешняя антенна (ВА) с большой величиной h д ВА (Лд ВА » Л д j ^ ) . Это объясняется тем, что магнит­

ная антенна включается в					контур ВЦ непосредственно, а внешняя — с по­
мощью ослабленной связи (см. п. 3.4.1).
Действительно, для внешней антенны UBbJXВА =							>где^о ~ коэффи­
циент передачи ВЦ на частоте резонанса. Но ЕА = E ^h							, следовательно,
У	пд = Eh			ПАКЛ						(3.48)
вых ВА			д ВА		О
ДдяМА	t/BwxMA на резонансной частоте в б раз больше,чем Яд ,т е .
U	и*	= E .Q = Eh				U .Q				(3.49)
вых МА		А ^				д МА.				v	'
						U	Д	А	д МА	Q
Сравнивая		(3.48)		и		вых МА
					(3.49), находим, что —-------------- --------—. Хо-
						^вых ВА		\ В А * 0
гя А ЯМА «	Адва *однако				K o « Q > поэтому отношение £/вых						ВА

жазьшается порядка 1.

В стационарных РПУ магнитная антенна делается поворотной и управляет­ ся с помощью специальной ручки. Благодаря этому пользователь может пово- >ачивать антенну и получать максимум полезного сигнала или минимум по­ мехи. В переносных РПУ МА встраивается в корпус приемника и поворачива­ ется вместе с ним. В обычных условиях плотного монтажа компонентов кон­ струкции РПУ МА следует располагать как можно дальше от металлических деталей. Невыполнение этого правила приводит к искажению диаграммы на­ правленности МА и усиливает прием помехи, имеющей интенсивную электри- [ескую составляющую поля. Важно также обеспечить электрическую симмет­ рию МА, для чего используются способы симметричной намотки катушки отюсительно концов стержня сердечника, что вынуждаетв высококачественных [риемниках МА выполнять отдельно для ДВ и СВ. В остальных приемниках сатушки ДВ и СВ наматываются на разных концах одного сердечника, что, од- [ако, ухудшает направленные свойства антенны.

б

Рис. 3.25

канала передачи сигнала с выхода Т2 в нагрузку, в результате чего в АЧХ ВЦ образуется провал на частоте настройки режекторного звена. Используя неза­ висимое управление ДКПЕ1 и ДКПЕ2, можно первое звено настроить точно на частоту полезного сигнала, а второе - на частоту помехи, обеспечив таким образом выигрыш в отношении С/П на выходе ВЦ, величина которого в зави­ симости от конструктивной добротности трансформаторов может достигать 10—20 дБ и более.

Малогабаритные ВЦ с АЧХ по типу фильтра нижних частот выполняют как с использованием элементов с сосредоточенными параметрами, так и на осно­ ве индуктивных компонентов с распределенными параметрами (электриче­ ская схема приведена на рис. 3.25, я. эквивалентная —на рис. 3.25, б). Кон­ струкция фильтра реализуется методами интегральной технологии и содержит индуктивный элемент в виде плоской спирали, расположенной над проводя­ щим немагнитным экраном. Для уменьшения вносимых потерь экран делается разрезным.

На УКВ используют малогабаритные цепи с сосредоточенными параметра­ ми или полосовые фильтры на основе индуктивных компонентов с распреде­ ленными параметрами. На СВЧ во ВЦ применяются цепи с распределенными параметрами: отрезки коаксиальных линий и'волноводы.

НА ДМВ широко применяют резонаторы коаксиального типа, т. е. чет­ вертьволновые отрезки коаксиальных длинных линий. На рис. 3.26 приведена условная схема такого отрезка с короткозамыкающим поршнем (К ЗП ), по­ ложение которого определяет рабочую длину резонатора / . К достоинствам колебательных црпей с распределенными параметрами относятся: высокая

а

6

b

й

6

=b d=

—1________ Г “

Рис. 32 8

добротность ( 10#3-*104) , самоэкранируемость, высокая механическая проч­ ность, удобство сопряжения с другими коаксиальными конструкциями (на­ пример, электронных приборов) и т.д.

Как известно, входная проводимость короткозамкнутой длинной линии

/2тг/

без потерь равна У, ------------ ctg		—г— , где X —длина волны; р —волновое
/	р	Л	л
сопротивление. Если линия не нагружена,			то ее отрезок длиной / , равной Х/4,

оказывается эквивалентным параллельному колебательному контуру и имеет большое эквивалентное сопротивление R При нагрузке линии на емкость усилительного прибора Сн ее длина, необходимая для обеспечения резонанса, должна быть уменьшена до величины /7. Условие резонанса в этом случае бу­

дет иметь вид равенства нулю	полного реактивного сопротивления: jX n +
+ 1//со0Сн = 0, откуда
1	= 0;	х	1
соЛС		/ = —	arctg
		2JT	PnW0CH
О н

Связь резонатора с внешними цепями (антенной и усилительным прибо­ ром) может осуществляться с помощью отвода (рис. 3.27, а) , витка связи (рис. 3.27, б) или емкости связи (рис. 3.27, в).

Выбором положения элемента связи определяются коэффициенты транс­ формации пг и п2 (см, (3.4)). Так как в идеальной длинной линии напряжение вдоль нее распределяется по синусоидальному закону, то в сечении 1Х (см.

рис. 3.26) £/	= £/ vsin(2Tr/ /X) . Для полного отрезка коаксиала				длиной /
л	HldX	X		sin(2itlx l\ )
U = t/ „ sin(2ff//X). По определению п. =			U JU ,т .е . п. — ....... .		- — , отку-
тах		г	х	I sin(2ff/A)

а

	Рис. 3.29
да величина /	, удовлетворяющая требуемому значению п . , равна: / ------- х
х	1	2л
X arcsin(^.sin	2 л I
	) .
В диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн фильтрующие		цепи

строятся на отрезках волноводных трактов, образующих объемные (полые) резонаторы. Связь резонатора с внешними цепями ВЦ осуществляется с по­ мощью диафрагмы (рис. 3.28, а), петли (рис. 3.28, б) или зонда (рис.3.28, в) .

В диапазоне СВЧ в качестве колебательных цепей применяются также от­

резки	полосковых	линий - несимметричных, симметричных и др.
(рис.	3.29, а, б).	Полосковая линия представляет собой металлические
плоские проводники		(полоски), нанесенные посредством специальной техно­
логии	(печатных плат, распылением и т.д.) на диэлектрическую подложку.

Сравнительно с коаксиальными и объемными резонаторами полосковые ли­ нии обладают более выгодными массогабаритными характеристиками, техно­ логичны, дешевы, хорошо воспроизводятся, однако имеют худшие экраниру­ ющие свойства, им свойственны большие потери, меньшая электрическаяпрочность. Колебательные цепи на полосковых линиях на СВЧ легко усложня­ ются, образуя эквивалентные сложные многозвенные цепи с требуемой формой АЧХ.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ И ПОВТОРЕНИЯ

3.1. Поясните назначение входной цепи, укажите основные требования к ней. 3.2. На­ зовите виды входных цепей и укажите их отличия. 3.3. Как параметры антенны влияют на работу входной цепи? Почему? 3.40т чего зависят максимальные коэффициенты передачи входной цепи по мощности и по напряжению? Укажите условия их получения. 3.5. Как вы­ брать связь входной цепи с ненастроенной антенной? 3.6. Как выбрать связь входной цепи с настроенной антенной? 3.7. Чем определяется полоса пропускания входной цепи и как можно уменьшить ее изменение при перестройке входной цепи в диапазоне частот? 3.8. В каких случаях в диапазонном РПУ можно использовать неперестраиваемую входную цепь? 3.9. Чем определяется коэффициент шума входной цепи? Как он влияет на коэффи­ циент шума РПУ? 3.10. Укажите особенности входной цепи в случае магнитной антенны. 3.11 . Как изменяется в диапазоне частот резонансный коэффициент передачи одноконтур­ ных входных цепей для различных видов связи с ненастроенной антенной? 3.12. Укажите, чем отличаются конструкции входной цепи РПУ различных диапазонов волн.

8 З ак .5685

4.УСИЛИТЕЛЬНЫЕ ТРАКТЫ

4.1.Классификация усилителей радиосигналов

итребования к ним

Усилители радиосигналов (УРС) предназначены для получения основного усиления в приемном тракте до детектора, а также требуемой избирательно­ сти. Различают усилители радиочастоты, усиливающие колебание на частоте принимаемого сигнала, и усилители промежуточной частоты, усиливающие сигнал преобразованной частоты после ПЧ.

Как было показано в п. 2.1.3, УРЧшозволяет улучшить реальную чувстви­ тельность РПУ, для чего требуется не слишком большое усиление. По этой при­ чине, а также из-за трудностей диапазонной перестройки многокаскадных трактов и проявления в них нелинейных эффектов при действии помех в УРЧ обычно используют малое число каскадов (как правило, один-два).

Из-за высокой частоты сигнала получение требуемой величины избиратель­ ности по соседнему каналу в УРЧ[затруднительно. Поэтому он обеспечивает из­ бирательность лишь по внеполосным побочным каналам приема, которые по­ давляются тем сильнее, чем больше расстройка этих каналов от резонансной частоты УРЧ.

Основные требования кУРЧ1<ледующие: 1) получение усиления, достаточ­ ного для пренебрежения влиянием шумов последующего тракта; 2) малый коэффициент шума, так как УРЧ)вносит основной вклад в коэффициент шума РПУ; 3) высокая избирательность по побочным каналам приема; 4) малые искажения сигнала (линейные и нелинейные) ; 5) перекрытие заданного диапа­ зона частот', 6) устойчивость работы, т. е. постоянство основных параметров УРЧ при действии дестабилизирующих факторов и отсутствие склонности к самовозбуждению.

В отличие от УРЧ усилитель промежуточной частоты должен обеспечить большое усиление до детектора. Так как УПЧ имеет постоянную частоту на­ стройки, его легко выполнить многокаскадным и применить в нем избира­ тельные системы с высокой прямоугольностью АЧХ. Это позволяет получить хорошее подавление помех по соседним каналам приема. Отметим, что УПЧ не способен обеспечить избирательность по побочным каналам, так как помехи, проникающие по этим каналам в приемный тракт, преобразуются преобразо­ вателем частоты в промежуточную частоту и усиливаются дал'ее в УПЧ наравне с полезным сигналом.

Основные требования к УПЧ следующие: 1) получение усиления сигнала, необходимого для нормальной работы детектора ( 104 и более); 2) заданная полоса пропускания П, которая должна быть не менее ширины спектра прини­ маемого сигнала; 3) высокая избирательность по соседнему каналу или вы­ сокая прямоугольность АЧХ, характеризуемая коэффициентом прямоуголь-

ности K jjy (см. (1.24));	4) малые искажения сигнала (линейные и нелиней­
ные) ; 5; устойчивость работы.
Усилители радиосигналов (УРЧ и УПЧ) различаются также :
1) по числу каскадов -	одно- и многокаскадные;

2) по виду и характеристикам нагрузочных цепей отдельных каскадов: с одноили многоконтурной нагрузкой; перестраиваемые в диапазоне частот

или с фиксированной настройкой на заданную частоту (полосовые усилители);

срезонансной или нерезонансной (апериодической) нагрузкой и т.д.;

3)по типу используемых усилительных приборов: на невзаимных трех­ полюсных УП (биполярных и полевых транзисторах, электронных лампах, нувисторах и т.д.), отличительной особенностью которых является прохожде­

ние сигнала в одном направлении - со входа на выход;	на двухполюсных
электронных приборах с параметрическим управлением	(параметрические

усилители, осуществляющие преобразование энергии вспомогательного источ­ ника переменного напряжения, управляющего параметрами двухполюсника, в

энергию усиливаемого колебания);	на двухполюсных электронных приборах
с ’’отрицательным "сопротивлением,	осуществляющих аналогичное преобразо­

вание энергии источника постоянного тока; на лампах бегущей волны, кванто­ во-механических приборах и тд .;

4) по числу УП в каскаде: на одиночных УП и на основе соединения не­ скольких УП, в том числе различных видов (например, биполярных и полевых транзисторов).

Рассмотрим усилители радиочастоты на трехполюсных УП (случай УРЧ на. двухполюсных электронных приборах, применяемых на СВЧ, будет рассмот­ рен в § 4.8 и главе 5).

Усилители радиосигналов на трехполюсных УП строятся по типовой струк­ турной схеме усилительного каскада (рис. 4.1), содержащей активный УП, ис­ точник питания его входных и выходных цепей EQ , цепи связи УП с источни­ ком сигнала / , Уг и нагрузкой Ун , например входом следующего каскада. С помощью цепей связи осуществляется, во-первых, трансформация токов и напряжений сигналов, во-вторых, требуемые для соответствующего режима работы' сопротивления источника сигнала и нагрузки УП.

Структура УРС (см. рис. 4.1) соответствует каскадному (цепочечному) соединению образующих его элементов. Однако в связи с развитием микро­ электроники находят применение также такие УРС, в которых нет четкой це­ почечной структуры (например, некоторые виды активных RC-фипьтров). Тогда модель усилителя приводится к виду, изображенному на рис. 4.1, где под УП понимают соединения различных приборов. Следует отметить, что в этом случае, как правило, отсутствуют простые связи характеристик усили­ тельного тракта и образующих его УП.

Основным режимом работы линейных УРС является малосигнальный, по­

этому для исследования таких усилителей широко используют хорошо разви­ тые эффективные методы анализа линейных цепей, построив изучение УРС по принципу "от общего к частному”. Это позволяет применять общие подходы в анализе (общую теорию четырех- и многополюсника, общую теорию усиле­ ния, общую теорию устойчивости, общую теорию шумов и др.) независимо от вида используемых УП. После выявления общих закономерностей результаты анализа можно распространить на возможные частные случаи.

4.2. Методы исследования и обеспечения устойчивости усилителей радиосигналов

Изменение коэффициента усиления. Как отмечалось, под устойчивостью понимают стабильность параметров усилителя при действии дестабилизирую­ щих факторов и отсутствие склонности к самовозбуждению.

Основные параметры усилительного тракта изменяются в процессе его ра­ боты под действием различных дестабилизирующих факторов: температуры, влажности, напряжения источников питания, старения деталей, радиации, меха­ нических воздействий, смены деталей при ремонте УРС и т.д.

Результаты действия дестабилизирующих факторов удобно оценивать с ис­ пользованием методов теории чувствительности. Различают системо- и схемо­ технический анализ стабильности усилителя.

При системотехническом анализе необходимо установить связь вариаций того или иного параметра тракта т? и его звеньев, находящихся под действием дестабилизирующих факторов, вектор которых обозначим, как в . При схемо­ техническом анализе определяется аналогичная связь с параметрами отдель­ ных компонентов схемы: усилительных приборов (эквивалентного четырех­ полюсника или физической модели), входящих в схему L , С, R , и т.д. Иног­ да исследуется влияние изменения параметра окружающей среды: температу­ ры, уровня радиации, содержания влаги в окружающем пространстве и т^д.

Так как параметр тракта т?			является функцией^ектора {Г , т. е. 17= F (0 ),
то, используя разложение т? в ряд по приращениям				в (Д 0), получаем т? = т?0 +
+ Ат? , ВДе
Ат) = 2 5 ?б в 1.+ ^ т 2			2 5?,56 М ,	2 2 2	5?.. Ь в М М к..п
i=i	1	' 2 ! ,= 1 /=1 »/ ' 1 3!		i= j/= i4 = i	i J к
Д0,
5Ql = — , 0Ql -	номинальное значение параметра			до его вариации; S?} —

*ol

коэффициенты, представляющие собой относительные (логарифмические) фун­

кции чувствительности соответственно первого, второго						и последующих	по­
рядков . Они определяются, как частные^логарифмические						производные,	вы­
численные в точке зависимости т? = F (в)					номинального	значения параметра
в = вл 1 : У/		дт\	*оi	д 2г\	*oi*oj
		= —	-----;	S4 ------------	--------- и тд . При малых вариациях
0/	'	д*г	%	*	%

нестабильных параметров можно ограничиться первым членом ряда т? = F (S ).

Рис. 4.2

Приведем краткие сведения о действии дестабилизирующих факторов на работу усилительных трактов.

Коэффициент усиления одиночного усилительного каскада по напряжению К в соответствии с (2.36) зависит от параметров УП (У21 , У22) и проводи­ мости его нагрузки У , т. е. колебательной цепи. Так как связи последней с

УП обычно ослабляются, Y0. «	У	Y 21
		и из (2.36) следует \К\** |----- 1.
21	Н	V
		л

Как правило, нестабильность параметров УП существенно превышает не­ стабильность колебательных систем. Тогда в соответствии с последним выра­ жением

ЬК

Д У21

К л	210

т. е. относительная нестабильность коэффициента усиления каскада равна от­ носительной нестабильности У21 —проводимости прямой передачи.

Если связь нагрузки с УП не может считаться слабой, то следует учитывать изменение параметра У22 Тогда задача оценки влияния дестабилизирующего фактора существенно усложняется, так как необходимо принимать во внима­ ние зависимость от дестабилизирующего фактора (температуры, питающего напряжения и т.д.) одновременно двух параметров У21 и У22

Аналогично усложняется задача исследования нестабильности усилитель­ ного каскада, если необходимо учесть сопротивление источника сигнала Zr

(рис. 4.2). Как видно,		общий коэффициент передачи исследуемого тракта
		У
К ~	= К \ К 2 >ГД6	= - - - - - , У = 1IZ T; Увх - входная проводи­

мость нагруженного УП (2.37); 5г2 —коэффициент передачи четырехполюсни­ ка при Z T = 0.

В результате необходимо контролировать зависимость К от всех четырех комплексных параметров УП. Можно уменьшить число параметров, например, путем преобразования выражения К = /( У * ) . Используя (2.36) и (2.37), получаем У,х = У ,, +K J l2 . Т огда*, = ^ / ( У , + У „ + * 2Уи ).

Если проводимость обратной передачи Y		мала, т. е. Y 12K 2 «		Y xj	то
		г	У 2 1	образом,
К 1 * Y A Y T + Уц> ИПРИ У Н >>У 22	Уг	+	. Таким
			И

требуется исследовать влияние' дестабилизирующего фактора на два парамет­ ра УП Г21 и Г п

В и-каскадном усилительном тракте общий коэффициент усиления К оп-

п

ределяется, как К = П К- ,где К* —усиление отдельных /-х звеньев. Тогда

/=1	1
	ДК	п	Щ
в соответствии с последним выражением-----**		2	——
		,= 1K ot
Отношения ЫС./Кф*	в многокаскадном тракте могут иметь разные знаки

и величины. Поэтому при оценке влияния производственных допусков удобно

использовать	величину такой статистической оценки случайной вел шины, как
		п
дисперсия а*	или среднеквадратическое отклонение (СКО)	= ^2 5^

CKO = у Г о \

Изменение АЧХ усилителя. В УРС с одиночным контуром наибольшее вли­ яние имеет нестабильность емкости, трансформированной в контур со стороны УП. Из формулы для резонансной характеристики контура/ 0 = 1/2 n w L C следует, что

# 0 _ _ 1 £С

/о ~ ~ 2 ~

или для малых Д С ^ dC и Д

Af0

1 дс

*»

т.е. относительное изменение резонансной частоты контура определяется от­

носительным изменением его емкости.

Выделим в составе емкости С компонент, обусловленный емкостью УП

Д^о	ДСУП
С™ ,т .е . С= С0 + Суп .Тогда Д С « ДСуд и —	-------- — Как следует
А)	Со+С у п

из данного вьфажения, с увеличением собственной емкости контура С0,не свя­ занной с УП, величина Д/0/Д. уменьшается. Влияние нестабильности парамет­

ров УП дополнительно можно снижать путем уменьшения ДСуп , т. е.	связи
УП с контуром (см. (3.9) ) .
Полоса пропускания контура равна Я = f j Q . Так как изменение f	в

УРС относительно невелико, ДЯ/Я*» —AQ/Q . Но так как Q = р/г, где г — оо-