Тема 5. Входные цепи РПУ 2 страница

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.

Схема с автотрансформаторным согласованием (рис.39) используется при несимметричном типе фидера (коаксиальном).

Согласование достигается соответствующим выбором величины коэффициента трансформации

,

где - индуктивность части контурной катушки между точками подключения антенного фидера;

- взаимоиндуктивность между точками подключения фидера и всеми витками контура.

Рисунок 39 – Входная цепь с двойной автотрансформаторной связью

Схема с трансформаторным согласованием (рис.40) наиболее гибкая. Она может применяться как при симметричном, так и при несимметричном типе фидера.

Рисунок 40 –. Схема с трансформаторным согласованием:

а) с электростатическим экраном; б) без экрана

Особенно большое распространение схема получила при использовании симметричного фидера, так как она позволяет сделать вход приемника симметричным, что необходимо для устранения антенного эффекта неэкранированного фидера.

Устранение антенного эффекта достигается применением электростатического экрана между катушкой связи и контурной катушкой (рис.40а), а также специальной конструкцией фидера.

При наличии экрана связь между катушками будет только за счет взаимоиндуктивности М. Это позволяет устранить однотактную волну сигнала обоих проводов.

Электростатический экран устраняет влияние распределенной емкости между витками катушки связи и контура (рис.40б), что могло бы нарушить симметрию входа приемника.

Данная схема отличается от предыдущей способом связи входного контура с фидером. Величина коэффициента трансформации

, (5.24)

где - коэффициент связи.

Коэффициент связи, необходимый для согласования

. (5.25)

Величина зависит от выбора индуктивности . Конструктивно выполнимый не более 0,5 – 0,6. Поэтому надо так выбрать , чтобы согласование достигалось при возможно меньшем значении коэффициента связи .

.

Чаще всего рассматриваемые входные устройства применяются в приемниках, работающих на фиксированной частоте или в сравнительно узком поддиапазоне частот. Связь входного контура фидером конструктивно выполняется постоянной. Обычно согласования добиваются на средней частоте поддиапазона. По краям поддиапазона связь незначительно отличается от оптимальной, поэтому коэффициент передачи сохраняется близким к максимальному.

В тех сравнительно редких случаях, когда приходится работать в относительно широком диапазоне частот, связь выполняют также постоянной, добиваясь согласования в середине диапазона. При этом по краям диапазона будет рассогласование, что приведет к некоторым изменениям показателей входного устройства.

Схема с емкостным делителем (рис.41) используется при несимметричном типе фидера.

Рисунок 41 – Схема с емкостным делителем

Контур образован индуктивностью и емкостью

,

где , - междувитковая емкость катушки индуктивности .

В этой схеме полная емкость контура определяется последовательным соединением составляющих делителя и . Поэтому результирующее значение емкости будет меньше, чем в обычных контурах, где все емкости оказываются включенными параллельно и суммируются.

Коэффициенты трансформации делителя

, .

Причем , поэтому, если выбрано из условия согласования, то определяется однозначно: .

Достоинством схемы является возможность использования ее на более высоких частотах. Дело в том, что конструктивно затруднительно выполнить сосредоточенную индуктивность величиной менее 0,05 мкГн. Повышение резонансной частоты контура возможно только за счет уменьшения результирующей емкости контура. Возможности уменьшения емкости контура ограничены величинами емкости входа АЭ и емкости монтажа. В данной схеме их влияние меньше.

5.7 Особенности конструкции входных цепей для различных диапазонов волн

При работе на частотах ниже 100 МГц контур входной цепи реализуется на сосредоточенных - элементах.

На частотах выше 300 МГц катушка индуктивности контура вырождается в один неполный виток, а требуемая емкость становится соизмеримой с входной емкостью транзистора совместно с емкостью монтажа; контур превращается в отрезок линии.

Таким образом, в диапазоне длин волн короче 1м в качестве колебательного контура используются цепи с распределенными параметрами.

Колебательные контуры с сосредоточенными параметрами применяются до частот порядка 200 – 220 МГц, т.е. в метровом и более длинноволновых диапазонах.

В дециметровом диапазоне волн во входных цепях применяют коаксиальные резонаторы. Они представляют собой четвертьволновые отрезки коаксиальных линий, короткозамкнутых на одном конце.

Достоинством таких резонаторов является высокая добротность (десятки тысяч), стабильность, механическая прочность, жесткость конструкции, совершенное самоэкранирование, что устраняет нежелательные связи с другими элементами и потери на излучение.

Коаксиальные резонаторы хорошо сопрягаются с металлокерамическими лампами, с дисковыми выводами.

В большинстве случаев потери, вносимые в резонансную линию, намного превосходят ее собственные, поэтому можно считать ее идеальной, без потерь.

Связь резонансной линии с антенным фидером может быть автотрансформаторная (с помощью отвода от внутреннего провода, рис.42а), трансформаторная (витком связи, рис.42б), емкостная (рис.42в).

Настройку резонансных линий можно производить изменением емкости или действующей длины .

Рисунок 42 – Связь коаксиального резонатора с антенной при помощи

отвода (а), витка связи (б), емкости (в)

В сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн входная цепь приемника состоит из волноводного тракта, отдельные участки которого представляют собой одиночные или связанные объемные резонаторы. Они образуются замкнутой металлической оболочкой, во внутренней полости которой возбуждается электромагнитное поле с помощью отверстия в стенке резонатора, петли или штыря (рис.43).

Рисунок 43 – Виды связи объемного резонатора:

а – при помощи диафрагмы; б – петли; в – зонда

Достоинства объемных резонаторов: высокая добротность, стабильность, удобные размеры, почти идеальная экранировка.