Определение числа поддиапазонов и их границ

При проектировании радиоприемника, предназначенного для работы в широком диапазоне частот, общий диапазон разбивают на поддиапазоны для повышения точности и стабильности настройки приемника. Увеличение числа поддиапазонов позволяет получить более высокие и равномерные по диапазону чувствительность и избирательность, но одновременно усложняет схему, систему коммутации, увеличивает объем и массу приемника, его стоимость. В свою очередь усложнение схемы и конструкции снижает надежность приемника, удорожается его производство, увеличивается время перестройки приемника. Противоречивость требований, принимаемых во внимание при определении числа поддиапазонов, зачастую вынуждает принимать компромиссные решения или учитывать только те требования, которые в данных конкретных условиях играют решающую роль.

При делении диапазона частот радиоприемника на поддиапазоны определяется число поддиапазонов, их границы (с некоторым запасом по краям диапазонов) и коэффициенты перекрытия всех поддиапазонов.

При разбиении диапазона рабочих частот радиовещательного приемника на поддиапазоны учитывают, что для радиовещания выделены отдельные участки частотного спектра. В табл.1.1 приведены границы диапазонов частот для радиовещания, установленные регламентом радиосвязи (для диапазона ДВ ранее отводился участок 150...408 кГц). Радиовещание в диапазонах ДВ, СВ, КВ ведется с использованием амплитудной модуляции. Радиовещание в диапазоне УКВ ведется с использованием ЧМ в основном на двух поддиапазонах, обозначим их условно УКВ1 - 65,8...74 МГц (Россия, страны Восточной Европы и ближнего зарубежья) и УКВ2 - 88...108 МГц (США и Канада); в некоторых странах используют поддиапазоны УКВ3 -100...108 МГц (Россия), УКВ4 – 88...104 МГц (Западная Европа) или УКВ5 - 76...88 МГц (Япония).

Диапазоны ДВ и СВ обычно не разбивают на поддиапазоны, так как соответствующие им коэффициенты перекрытия

k_пд = f_max / f_min, (1.1)

где f_max и f_min - верхняя и нижняя частоты поддиапазонов, не превышают значений, допускаемых для радиовещательных приемников. Однако в последнее время появилась тенденция разбивать диапазон СВ в радиовещательных приемниках на два поддиапазона (обычно 525...1300 кГц и 1300...1607 кГц), что облегчает настройку приемника.

Таблица 1.1

В диапазоне КВ вещательные станции размещены по диапазону очень неравномерно и в основном плотно сосредоточены в нескольких узких участках диапазона. Поэтому диапазон КВ чаще всего разбивают на поддиапазоны, что существенно облегчает настройку радиовещательных приемников в этом диапазоне. Если при этом весь диапазон КВ делится на 2...3 поддиапазона, охватывающих по 2...3 узких участка, такие поддиапазоны называют полурастянутыми. Если же указанные в табл.2.1 поддиапазоны выделяются как самостоятельные, такие поддиапазоны принято называть растянутыми.

Для профессиональных приемников разбиение заданного диапазона частот на поддиапазоны главным образом связано с требованиями обеспечения необходимой точности установки частоты настройки по шкале приемника. При повышенных требованиях к точности настройки увеличивают число поддиапазонов до получения приемлемой частотной плотности шкалы настройки. С уменьшением плотности частотной шкалы повышается точность установки частоты и облегчается настройка приемника, настройка становится более плавной. Можно считать допустимой плотность, равную Df_с на 0,5...2 мм шкалы (Df_с - расстояние между соседними каналами в системе связи). Длина шкалы l_Ш ограничивается конструктивными соображениями и обычно имеет величину порядка 200...300 мм.

В профессиональных приемниках применяют следующие способы разбиения диапазона рабочих частот на поддиапазоны:

1) способ равных коэффициентов перекрытия

k_пд1 = f₂/f₁ = k_пд2 = f₃/f₂ = k_пд3= f₄/f₃ = ..., (1.2)

где f₁, f₂, f₃, f₄,...f_n - граничные частоты поддиапазонов (f₁<f₂< f₃< ...<f_n); тогда коэффициент перекрытия каждого поддиапазона равен

k_пд = , (1.3)

где f₁, f_n - минимальная и максимальная частоты общего диапазона приемника, n - число поддиапазонов. Затем, используя (1.2), определяют граничные частоты f₂, f₃,...f_n-1 каждого поддиапазона. При таком разбиении на поддиапазоны упрощается схема и конструкция преселектора, поскольку при переключении поддиапазонов изменяется лишь катушка индуктивности и подстроечный конденсатор. Недостатками этого способа являются различная ширина поддиапазонов и, как следствие, различные плотность шкал поддиапазонов и точность установки частоты.

2) способ равных частотных интервалов

Df_пд1 = f₂-f₁ = Df_пд2 = f₃-f₂ = Df_пд3 = f₄-f₃ = .... (1.4)

В этом случае обеспечивается одинаковая плотность шкалы на каждом поддиапазоне, но получаются разные коэффициенты перекрытия, наибольший - на самом низкочастотном поддиапазоне. Как следствие - более сложные (по сравнению с предыдущим вариантом) схема и конструкция преселектора. Этот способ удобен при фиксированной частоте первого гетеродина и переменной первой промежуточной частоте.

3) комбинированный способ, когда нижний участок общего диапазона разбивают по способу равных коэффициентов перекрытия, а верхний - равных частотных интервалов. Используется в тех случаях, когда при разбиении по первому способу получается недопустимо высокая плотность настройки на высокочастотных поддиапазонах, а при разбиении по второму способу коэффициент перекрытия низкочастотного поддиапазона превышает допустимое значение.

В результате расчета по любому из этих способов верхняя частота одного поддиапазона равна нижней частоте следующего, а нижняя частота первого и верхняя частота последнего совпадают с крайними частотами заданного диапазона.

Рекомендуемые значения коэффициентов перекрытия поддиапазонов для профессиональных приемников первого класса в диапазоне частот £100 кГц – k_пд = 2.5...3.0; в диапазоне 100...1500 кГц – k_пд = 2.0...3.0; в диапазоне 1500...6000 кГц – k_пд=1.5...2.5; в диапазоне 6...30 МГц – k_пд=1.1...1.7; в диапазоне 30...300 МГц – k_пд=1.05...1.2. Коэффициенты перекрытия поддиапазонов выбирают с некоторым запасом (2...5%) для компенсации производственных допусков и обеспечения непрерывности общего диапазона при смене электронных приборов, изменении климатических условий, расстройке контуров и т. п. Для этого нижнюю частоту каждого поддиапазона уменьшают, а верхнюю - увеличивают на 2...3%. После этого составляется таблица новых крайних частот каждого поддиапазона и определяются их отношения, то есть окончательные значения коэффициентов перекрытия поддиапазонов. Число поддиапазонов профессиональных приемников обычно составляет 4...6, в некоторых случаях – до 10.

При выборе способов переключения диапазонов и перестройки приемника внутри поддиапазонов - механического или электронного, непрерывного или дискретного - исходят из требований к времени перестройки, точности и стабильности настройки. В профессиональных приемниках первого класса обычно используют электронные устройства установки частоты и цифровые шкалы для индикации частоты настройки. Цифровые шкалы характеризуются высокой точностью, простотой и удобством регистрации частоты настройки, быстродействием. Точность установки и индикации частоты настройки при использовании цифровой шкалы достигает десятков, единиц и даже долей герц. Система индикации обычно построена по принципу электронного частотомера, измеряющего частоту гетеродина приемника с учетом поправки, равной значению промежуточной частоты приемника.

В современных радиовещательных приемниках в качестве органа настройки в диапазонах ДВ, СВ, КВ используются блоки конденсаторов переменной емкости (КПЕ) - табл. 1.2 (номера присвоены условно), которые при сравнительно небольших габаритах обеспечивают необходимое перекрытие по частоте. Для перехода с одного поддиапазона на другой изменяют индуктивность катушки контура, для чего используют катушки с отводами (но редко – из-за конструктивных недостатков), чаще используют отдельные катушки для каждого поддиапазона. Для переключения катушек используют механические или электронные переключатели, называемые переключателями поддиапазонов. В автомобильных приемниках в качестве органа настройки используют блоки переменной индуктивности (ферровариометры). Использование блоков КПЕ в автомобильных приемниках вследствие особенностей антенной системы автомобиля приводит к снижению коэффициента передачи ВЦ до значений, при которых из-за ухудшения отношения сигнал/шум не удается получить требуемую реальную чувствительность в диапазонах ДВ, СВ и КВ.

При выборе конденсатора переменной емкости проверяют возможность достижения выбранных значений k_Д на поддиапазоне с наибольшим коэффициентом перекрытия

= ³ k_Д, (1.5)

где k_c - коэффициент перекрытия по емкости; C_к.max, C_к.min - максимальное и минимальное значения емкости выбранного КПЕ; C_CX - емкость схемы.

ТТаблица 1.2

В диапазонах ДВ, СВ C_CX =20...50 пФ, в диапазоне КВ С_СХ = 10...20 пФ, в диапазоне УКВ С_СХ = 5...10 пФ. При <k_Д необходимо выбрать другой КПЕ.

В ряде случаев при выборе КПЕ принимается во внимание и закон изменения емкости от угла поворота ротора. В радиовещательных приемниках широко применяют конденсаторы с логарифмической зависимостью емкости от угла поворота (“логарифмические” – относительно компактные и удобные для выполнения сопряжения), а в профессиональных – “прямочастотные”, обеспечивающие постоянную плотность настройки по поддиапазону.

Если при выбранном КПЕ > k_Д, то параллельно и последовательно конденсатору С_К подключают дополнительные конденсаторы, обеспечивающие выполнение равенства k_Д= . Емкости этих конденсаторов определяют при электрическом расчете контуров преселектора.

Для электронной перестройки контуров чаще всего используются варикапы - полупроводниковые диоды с резким p-n переходом, барьерная емкость которых (емкость запертого p-n перехода) изменяется в зависимости от приложенного напряжения U (U - абсолютное значение) по закону

С_В(U) = C_В(0) , (1.6)

где C_В(0) - емкость варикапа при U=0; j_К - контактная разность потенциалов (для кремния j_К=0.7 В).

Если из справочных данных известна емкость варикапа при некотором значении напряжения U₁¹0, то для других значений напряжения U из (1.6) можно получить

C_В(U) = C_В(U₁) , (1.7)

Напряжение на варикапе (сумма постоянной и переменной составляющих) может изменяться от минимального U_min=0.1 В (для кремниевых варикапов) до напряжения пробоя. При U< U_min резко уменьшается добротность варикапа, а следовательно и конструктивная добротность контура, в состав которого входит этот варикап.

Добротность варикапов зависит также от приложенного напряжения (увеличивается с увеличением обратного напряжения) и температуры (уменьшается с ростом температуры). Потери в варикапе снижают конструктивную добротность контура

Q_K = 1/d_K = 1/(d_L+d_B), (1.8)

где d_B=1/Q_B; d_L=1/Q_L, Q_L - добротность катушки индуктивности.

Потери в КПЕ и других конденсаторах постоянной емкости, предназначенных для работы на высоких частотах, практически отсутствуют, поэтому добротность контуров с такими конденсаторами определяется добротностью катушки индуктивности Q_K » Q_L .

В табл.1.3 приведены параметры некоторых варикапов (КВ) и варикапных сборок (КВС). При выборе варикапов для электронной перестройки приемника тоже необходимо обеспечить выполнение условия (2.5). Коэффициент перекрытия варикапа по емкости в интервале напряжений U_min...U_max

k_С = C_B(U_min)/C_B(U_max) = , (1.9)

Таблица 1.3

Использование варикапов улучшает потребительские свойства радиоаппаратуры (проще реализуются дистанционное и программное управления, автопоиск, запоминание частот настройки, АПЧ и т. д.), а также обеспечивает высокую скорость перестройки, легкость перестройки изменением управляющего напряжения при малой мощности управления, слабой чувствительности к изменениям внешних условий, нечувствительности к вибрациям, малых габаритах и массе.

Недостатком варикапов является нелинейность вольт-фарадной характеристики, что приводит при воздействии сильных сигналов к сдвигу резонансной частоты, искажению АЧХ контура, ухудшению многосигнальной избирательности, появлению паразитной АМ при приеме ЧМ сигналов. Для ослабления нелинейности используется встречно-последовательное включение варикапов. В этой схеме при воздействии на варикапы большого переменного напряжения среднее значение емкости изменяется меньше, соответственно ослабляются перечисленные выше эффекты. При напряжении смещения на варикапе в несколько вольт переменное напряжение должно иметь амплитуду не более нескольких десятых долей вольта.