Тема 5. Входные цепи РПУ 1 страница

5.1 Назначение и структурная схема входной цепи

Входной цепью (ВЦ) называется часть схемы приемника, связывающая антенно-фидерную системы с первым усилительным или преобразовательным прибором. В качестве усилительного или преобразовательного прибора в приемнике может использоваться электронная лампа, транзистор (в диодном или интегральном исполнении), диод (вакуумный или полупроводниковый), лампа бегущей волны и другие приборы. В дальнейшем усилительный или преобразовательный прибор будем называть активным элементом.

Основным назначением входных цепей является передача полезного сигнала от антенны ко входу первого активного элемента приемника и предварительная фильтрация помех. В большинстве радиоприемников во входной цепи используются колебательные системы.

Входные цепи классифицируются по двум основным признакам:

1) по виду колебательной системы, настроенной на частоту принимаемого сигнала;

2) по способу связи этой системы с антенной.

Входная цепь обычно представляет собой пассивный четырехполюсник, содержащий один или несколько резонаторов, в частности, колебательных контуров, настроенных на частоту принимаемого сигнала. Наибольшее распространение получили одноконтурные входные цепи, особенно в приемниках с переменной настройкой. Двухконтурные и многоконтурные входные цепи применяются лишь при высоких требованиях к избирательности.

Принцип действия входного устройства: воспринятая антенной энергия электромагнитной волны, несущей сигнал, должна быть подведена к первому каскаду приемника. Для того чтобы на вход каскада поступил максимум принятой антенной энергии сигнала, необходимо согласовать сопротивление антенны и входное сопротивление каскада. Входная цепь и служит согласующим высокочастотным трансформатором сопротивления. Поскольку в антенне наводятся ЭДС не только сигнала принимаемой радиостанции, но и сигналы от всех других радиостанций, представляющие помеху, трансформатор должен выделить и предать на вход первого каскада преимущественно мощность или напряжение полезного сигнала. Для этого высокочастотный трансформатор настраивается на частоту принимаемого сигнала и поэтому представляет собой цепь, содержащую один или несколько колебательных контуров. Влияние антенны и входного сопротивления каскада на избирательные свойства входной цепи ослабляются специальными элементами связи. Поэтому входную цепь можно представить в виде структурной схемы (рис.23).

I II III

Рисунок 23 – Структурная схема входной цепи

Входная цепь является пассивной линейной системой, так как не содержит источников энергии. Радиосигнал вместе с помехами от антенно-фидерной системы подводится к входной цепи через элемент связи I и поступает на избирательную систему II. Избирательная система выделяет по частотному признаку радиосигнал из помех. Затем радиосигнал через элемент связи III подается на вход первого каскада. Элемент связи I в зависимости от условий работы осуществляет согласование антенно-фидерной системы со входом приемника, а элемент связи III при необходимости используется для согласования резонансного сопротивления контура и входного сопротивления каскада. При согласовании на вход первого каскада подводится наибольшая возможная мощность сигнала.

Схемы различных входных цепей отличаются друг от друга видами фильтров и цепей связи. В качестве фильтров во входных цепях чаще всего используются одиночные колебательные контуры, что связано с простотой их перестройки. В некоторых РПУ для повышения реальной избирательности во входной цепи применяют многоконтурные фильтры. Однако с увеличением числа контуров фильтра входной цепи уменьшается коэффициент передачи по мощности , а следовательно, возрастает . При одиночном контуре обеспечивается компромисс между приемлемой избирательностью и малым коэффициентом шума приемника. В диапазоне дециметровых длин волн во входной цепи находят применение фильтры на резонансных линиях, а в диапазоне сантиметровых и более коротких длин волн – фильтры на объемных резонаторах и полосковые фильтры.

Различают следующие виды цепей связи: непосредственная, емкостная (внутренняя и внешняя), трансформаторная, автотрансформаторная и комбинированная.

На рис.24,а показана схема одноконтурной входной цепи с трансформаторной связью с антенной и с автотрансформаторной связью с УЭ последующего каскада; на этой схеме вход – зажимы 1-1, выход – зажимы 2-2, перестройка по частоте осуществляется с помощью конденсатора , -коэффициент включения.

Рисунок 24 – Схемы входных цепей

На рис.24,б приведена схема входной цепи с емкостной связью с антенной и с автотрансформаторной связью с УЭ последующего каскада.

На рис.24,в приведена схема входной цепи с ферритовой магнитной антенной; колебания с частотой сигнала выделяются контуром и через трансформаторную связь передаются на вход УЭ. Входная цепь с ферритовой антенной представляет собой сочетание антенны и контура входной цепи. Ферритовая антенна – это катушка, намотанная на сердечник из феррита; индуктивность этой антенны достаточно стабильна, по этой причине ее можно использовать в качестве индуктивности входного колебательного контура. Введение ферритового стержня в катушку колебательного контура увеличивает магнитную проницаемость внутри нее, что приводит к увеличению ЭДС , наведенной в катушке полем сигнала. Ферритовая антенна помимо частотной обладает еще и пространственной избирательностью, поскольку ее диаграмма направленности имеет форму «восьмерки».

Основными показателями качества входной цепи являются: коэффициент передачи; избирательность и полоса пропускания; коэффициент шума, обычно определяемый совместно с коэффициентом шума первого каскада приемника; диапазон рабочих частот, характеризуемый граничными частотами и и коэффициент перекрытия диапазона ; стабильность показателей.

Выводы:

1) Входная цепь должна наиболее полно передавать энергию сигнала из антенны в первый каскад приемника и осуществлять предварительную фильтрацию сигнала от помех.

2) Входная цепь содержит фильтр и цепи связи фильтра с антенной и УЭ последующего каскада.

5.2 Качественные показатели входных цепей

Количественная оценка свойств конкретной входной цепи и сравнение со свойствами других вариантов осуществляются при помощи системы качественных показателей. Качественные показатели позволяют установить степень удовлетворения данным устройством предъявляемых к нему требований.

Коэффициент передачи по напряжению – это отношение напряжения на входе первого каскада к ЭДС в антенне. При настройке входной цепи на частоту принимаемого радиосигнала коэффициент передачи будет иметь наибольшее значение при той же ЭДС в антенне. В этом случае он называется резонансным:

.

Коэффициент передачи желательно иметь возможно больший, так как при этом будет больше при том же , а следовательно, выше чувствительность приемника. Коэффициент передачи входной цепи по мощности

,

где - номинальная мощность сигнала в антенне и на выходе входной цепи.

Мощность на выходе входной цепи выделяется на входном сопротивлении первого каскада :

.

Номинальная мощность сигнала в антенне

.

Учитывая оба приведенных соотношения, можно записать

.

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

.

Он показывает, во сколько раз коэффициент передачи напряжения помехи, отличающейся по частоте от радиосигнала на , меньше коэффициента передачи напряжения радиосигнала на резонансной частоте входной цепи.

В качестве избирательной системы во входной цепи используются резонансные контуры, коэффициент передачи которых зависит от частоты входного сигнала. Чем больше расстройка между резонансной частотой контура и частотой подводимого к нему сигнала, тем меньше его коэффициент передачи .

Следовательно, с увеличением возрастает избирательность . При одной и той же расстройке коэффициент передачи будет тем меньше, чем круче скат резонансной характеристики. Большая крутизна ската соответствует большей добротности (или меньшему затуханию) контура.

Коэффициент избирательности должен быть не ниже заданной нормы. Для этого нужно использовать резонансный контур с соответствующей добротностью или фильтр из нескольких связанных контуров.

Входная цепь приемника прямого усиления должна ослаблять помеху от соседних каналов. В супергетеродинном приемнике входная цепь, прежде всего, должна ослаблять помеху зеркального канала ( ) и на частоте, равной промежуточной.

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

. (5.1)

Граница полосы пропускания соответствует некоторой величине расстройки. При переменной расстройке (5.1) является уравнением резонансной характеристики, приведенной на рис.25.

Рисунок 25 – Резонансная характеристика входной цепи.

Рисунок 26 – Изменение ко­эффициента передачи на­пряжения входной цепи по диапазону при емко­стной связи с антенной

Крайние частоты радиосигналов с различной шириной спектра будут иметь различную расстройку относительно резонансной частоты данного входного устройства.

Чем - шире спектр,

тем , т.е. больше расстройка,

тем , т.е. больше ослабление крайних составляющих спектра.

Для того чтобы уменьшить ослабление сигнала на краях спектра до , необходимо уменьшить неравномерность резонансной кривой в полосе пропускания . Это достигается уменьшением добротности резонансного контура . Отсюда следует, что

а) коэффициент неравномерности в полосе пропускания при заданной добротности тем больше, чем шире спектр радиосигнала;

б) коэффициент неравномерности в полосе пропускания для заданной ширины спектра радиосигнала тем меньше, чем меньше добротность резонансного контура;

в) коэффициент неравномерности в полосе пропускания всегда связан с определенной шириной спектра сигнала. Он должен быть не больше заданной нормы.

Диапазонность входной цепи оценивается коэффициентом перекрытия диапазона:

,

где - крайние частоты заданного диапазона рабочих часот.

Поскольку частота настройки

,

коэффициент перекрытия зависит от диапазона изменения индуктивности или емкости контуров избирательной системы. Вносимые со стороны антенны и входа следующего каскада емкости будут смещать настройку контура, а следовательно, изменять коэффициент перекрытия.

Смещение настройки оценивается величиной относительной расстройки:

,

где - разность между частотами настройки входной цепи до и после ее смещения.

Смещение настройки тоже желательно иметь малое, так как оно может существенно ухудшить коэффициент передачи, избирательность и неравномерность усиления сигнала.

Изменение качественных показателей в диапазоне рабочих частот производится по следующим характеристикам:

,

которые показывают зависимость коэффициента передачи , коэффициента избирательности и коэффициента неравномерности в полосе пропускания от частоты настройки входной цепи .

Для оценки неравномерности передачи радиосигнала входной цепью в пределах диапазона используется коэффициент неравномерности по диапазону:

.

Он показывает, во сколько раз максимальный коэффициент передачи больше минимального.

Входное устройство должно быть сконструировано так, чтобы коэффициент неравномерности по диапазону был ближе к единице. Тогда коэффициент передачи будет более равномерен, а следовательно, и чувствительность приемника в диапазоне будет меняться в меньших пределах.

5.3 Антенна как источник сигнала

Приемную антенну, находящуюся под воздействием электромагнитного поля, можно представить в виде эквивалентного генератора ЭДС или тока (рис.27).

Внутреннее сопротивление генератора ЭДС в общем случае содержит активную и реактивную составляющие .

ЭДС эквивалентного генератора ,

где - напряженность электрической составляющей поля сигнала в месте приема,

- действующая высота (или длина) антенны.

Рисунок 27 – Эквиваленты приемных антенн

а – с генератором ЭДС; б – с генератором тока

Параметры эквивалентного генератора тока определяются выражением

,

где - полная проводимость антенны. Здесь

- соответственно активная и реактивная составляющие проводимости антенны.

Сопротивление ненастроенной антенны зависит от частоты сложным образом, так как антенна представляет собой цепь с распределенными параметрами.

В сравнительно узких интервалах частот можно использовать относительно простые схемы замещения и строить относительно простые эквиваленты реальных антенн.

Так, если размеры антенны невелики по сравнению с длиной волны, то схема замещения антенны может быть представлена в виде последовательного соединения индуктивности , емкости и активного сопротивления (рис.6а).

В области ОНЧ, когда , можно пренебречь индуктивностью, тогда схема замещения антенны будет содержать только емкость и активное сопротивление (рис.28, б).

Рисунок 28 – Эквиваленты ненастроенных антенн

В диапазоне декаметровых волн реактивное сопротивление ненастроенных антенн может иметь как емкостный, так и индуктивный характер.

В диапазоне метровых и более коротких волн используют антенны, настроенные на среднюю частоту рабочего поддиапазона. На этой частоте антенна обладает чисто активным сопротивлением . Если это сопротивление равно волновому сопротивлению фидера , то антенна совместно с фидером эквивалента генератору ЭДС , с внутренним сопротивлением или генератору тока с проводимостью .

В диапазоне СВЧ вместо ЭДС или тока генератора удобнее рассматривать номинальную мощность антенны, так как при наличии трансформирующих элементов напряжение и ток изменяются, а мощность остается постоянной. Номинальная мощность антенны пропорциональна ее действующей площади

,

где - КПД антенны при работе на согласованную нагрузку.

5.4 Схемы входных цепей

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.