3.3. Проектирование входных устройств, работающих с электрической ненастроенной антенной.

3.3.1. Расчет элементов колебательного контура.

В качестве электрической ненастроенной антенны используется либо внешняя антенна, подключаемая к специальному гнезду приемника, либо штыревая, встроенная в приемник, которая обычно имеет вид телескопического выдвижного стержня. Штыревая антенна обычно используется в диапазонах КВ и УКВ, хотя могут быть использованы в ДВ и СВ.

Начинают проектирование с выбора типа связи контура входной цепи с антенной. Возможны два варианта: ёмкостная связь, либо трансформаторная. Ёмкостная связь значительно проще в расчете и реализации, но имеет недостаток: существенная неравномерность коэффициента передачи по диапазону.

Трансформаторная связь применяется обычно в режиме удлинения антенны (резонансная частота антенной цепи ниже минимальной частоты диапазона), поскольку в этом случае может быть получена сколь угодно малая неравномерность коэффициента передачи. Кроме того, трансформаторная связь позволяет получить дополнительное подавление зеркального канала и помех от телевизионных передатчиков. Как это делается, будет описано ниже.

Таким образом, следует выбирать трансформаторный тип связи с антенной в тех случаях, когда коэффициент перекрытия диапазона имеет значительную величину k_g  1,3, либо в ТЗ оговорена величина допустимой неравномерности коэффициента передачи по диапазону и эта величина меньше, чем k_g². Также имеет смысл выбрать трансформаторную связь, если заданы жесткие требования к ослаблению зеркального канала, Которые не выполняются без дополнительных мер.

Во всех остальных случаях следует отдать предпочтение ёмкостному типу как наиболее простому.

Связь контура входной цепи со входом первого активного элемента обычно используется трансформаторная, однако, может бать применена и автотрансформаторная, что мало сказывается на процессе расчета, так как коэффициент включения р₁ определяется одинаково для обоих случаев.

Следующим шагом является выбор схемы контура с точки зрения включения в него настроечного конденсатора (или варикапа). Всего различают четыре варианта схем: два для трансформаторной связи и два для ёмкостной, изображенные на рис. 3.1.-3.4., позаимствованных из [].

На этих рисунках С­_А – емкость антенны, С­_{вх пр} – паразитная ёмкость (ёмкость …) антенного ввода, С- емкость связи с антенной, С_L – емкость контурной катушки, С_М – емкость …, которая может быть разделена на две части: С_П – подстроечный конденсатор, С_g1 – добавочный конденсатор, С_уд – удлиняющая ёмкость, которая обеспечивает частоту настройки антенной цепи ниже минимальной частоты диапазона.

Главное отличие рисунка 3.2. от 3.1. и рисунка 3.4. от 3.3 состоит в наличии ёмкости С₂, которая включена между центральным конденсатором С_Н и контурной катушкой L_К. Эта ёмкость носит название растягивающей. Схема с растягивающей ёмкостью применяется, когда коэффициент перекрытия диапазона невелик: k_g  1.5, а перекрытие ёмкости настроечного конденсатора значительно больше, чем требуется для обеспечения k_g:

. (3.41)

Такая ситуация обычно имеет место, когда проектируемый приемник многодиапазонный, поэтому настроечный конденсатор (блок конденсаторов) выбирается исходя из параметров диапазонов ДВ и СВ, то есть с большим перекрытием по ёмкости. В этом случае необходимо сделать так, чтобы изменение полной ёмкости, включенной в контур, соответствовало коэффициенту перекрытия диапазона. Этого добиваются введением в контур добавочной ёмкости С_g1 параллельно настоечному конденсатору и ёмкости С₂ последовательно с настроечным конденсатором.

Поясним название «растягивающей» ёмкости С₂. Первоначально, с возникновением радиовещания на коротких (дециметровых) волнах, к которым относятся частоты от 3 до 30 МГц, весь этот диапазон делился на 2…3 поддиапазона, каждый из которых имел значительный коэффициент перекрытия. Реально для вещания выделены в настоящее время 13 участков этого диапазона, причем участки эти достаточно узкие, коэффициент перекрытия их не превышает 1,05…1,1. Поэтому на общей шкале широкодиапазонного приемника радиовещательные станции в таких участках расположены очень тесно, что затрудняет точную настройку. Вследствие этого возникла необходимость «растянуть» некоторые участки шкалы. Для этого в контур, содержащий настроечную ёмкость с большим перекрытием, включают дополнительные конденсаторы, которые снижают коэффициент перекрытия диапазона до нужной величины.

Таким образом, при выборе варианта схемы контура – с растягивающей ёмкостью или без нее – возможно несколько вариантов.

Первый вариант. Диапазон нерастянутый k_g > 1,5, а ёмкость выбранного настроечного конденсатора удовлетворяет условию

.

Как правило, этот случай имеет место в диапазонах ДВ и СВ. При этом однозначно выбирается схема без растягивающего конденсатора (рис 3.1 или 3.3). Параметры контура рассчитываются так же, как было описано в параграфе 3.2.2 для входной цепи с ферритовой антенной.

Второй вариант – диапазон растянутый или полурастянутый k_g < 1,5, а параметры выбранного настроечного конденсатора или варикапа таковы, что выполняется неравенство (3.41). В этом случае выбирается схема контура с растягивающей ёмкостью (рис 3.2 или 3.4), а процесс расчета параметров контура требует наибольшего внимания.

Вначале определяются расчетные крайние частоты диапазона с учетом запаса по перекрытию.

(3.42)

где  = 0,04…0,1, причем большее значение соответствует малым значениям коэффициента перекрытия k_{g ТЗ}  1,1.

Затем находят фактический коэффициент перекрытия, который в дальнейшем используется в расчетах

Определяют эквивалентную ёмкость схемы и монтажа, подключённую параллельно контуру.

С_сх = С_{А вн} + С_М + С_L + С_вн (3.43)

где С_{А вн} – ёмкость, внесённая в контур со стороны антенны, учитывается только для схемы рис. 3.2;

С_М – ёмкость монтажа;

С_L – собственная ёмкость катушки контура;

С_вн – ёмкость, внесённая в контур со стороны входа активного элемента.

Ёмкость монтажа можно принять для диапазона КВ С_М = 6…10 пФ, для диапазона УКВ С_М = 5…6 пФ. Ёмкость катушки соответственно С_L = 4…8 пФ для КВ и С_L = 1…4 пФ для УКВ. Ёмкость, внесённая со стороны антенны, может быть принята на данном этапе ориентировочно С_{А вн} = (0,1…0,3)С_А. . Ёмкость, внесённая со стороны входа активного прибора С_вн = С₁₁  р₁², где С₁₁ – входная ёмкость выбранного транзистора или микросхемы, р₁ – коэффициент включения в контур. На данном этапе можно принять ориентировочно р₁ = 0,1…0,3. Точные значения С_{А вн} и С _вн будут определены ниже.

Далее следует выбрать минимальную величину ёмкости контура С_{к мин}. Её значение может лежать в пределах от 30 до 200 пФ, в зависимости от заданного диапазона волн. При этом должно выполняться соотношение

С_{К мин}  (1,5…2)С_сх. (3.44)

Величина С_{К мин} влияет на многие результаты дальнейших расчетов, поэтому для её выбора следует учесть дополнительные соображения. Желательно, чтобы выполнялось соотношение

, (3.45)

где _{К макс} – характеристическое сопротивление контура на максимальной частоте;

g_{r opt} – оптимальная проводимость источника сигнала для первого активного прибора.

При выполнении (3.45) можно ожидать, что полученный далее коэффициент включения р₁ будет лежать в пределах р₁ = 0,1…0,3, что легко реализуется практически. Если величина С_{К мин} получилась больше, чем 40…50 пФ, следует выбрать ёмкость подстроечного конденсатора из условия

С_{П макс} – С_{П мин}  0,2С_{К мин}. (3.46)

Определяется средняя ёмкость подстроечного конденсатора

. (3.47)

Если же С_{К мин}  (40…50)пФ, подстроечный конденсатор можно не использовать, ограничившись применением подстроечного сердечника в контурной катушке, то есть С_пер = 0. После этого следует определить полную ёмкость, включённую параллельно индуктивности контура до конденсатора С₂, которую обозначают как ёмкость С₃:

С₃ = С_{А вн} + С_L + С_МЗ + С_{П ср}, (3.48)

где С_МЗ – та часть ёмкости монтажа, которая располагается левее С₂.

Далее находят ёмкость С₂ и ёмкость С₁ = С_g1 + C_М1. Для этого вводят дополнительные обозначения:

(3.49)

Для нахождения С₁ и С₂ используют формулы

(3.50)

(3.51)

Наконец, определяют дополнительную ёмкость, подключённую параллельно настроечному конденсатору (варикапу)

С_g1 = С₁ – С_М1. (3.52)

После этого для проверки правильности вычислений целесообразно рассчитать С_{К мин} и С_{К макс}, а также k_g:

(3.53)

Полученные значения С_{к мин} и k_g должны совпадать с выбранными ранее с погрешностью не более 5%. Если погрешность больше этой величины, следует проверить правильность расчётов.

В заключение определяется индуктивность контурной катушки.

(3.54)

Наконец, возможен третий вариант построения контура входной цепи: когда k_g < 1,5 (диапазон растянутый или полурастянутый) а настроечный элемент (переменный конденсатор или варикап) может быть выбран так, что перекрытие диапазона осуществляется с небольшим запасом, то есть отношение С_{Н макс} / С_{Н мин} имеет тот же порядок, что и величина k_g­­­². Фактическое значение k_g находится так же, как и в предыдущем случае.

Находят величину С_{К мин}:

(3.55)

Затем определяется величина ёмкости С₁, которая должна быть включена параллельно настроечной ёмкости

С₁ = С_{К мин} – С_{Н мин}. (3.56)

После этого следует убедиться, что С₁ удовлетворяет соотношению

С₁  С_L + С_M + С_{А вн} + С_вн, (3.57)

где С_{А вн} учитывается только для схемы рис 3.1, а также, что значение С_{К мин} удовлетворяет (хотя бы приближенно) соотношению (3.45). Если одно из этих условий не выполняется, следует скорректировать выбор значений С_{Н мин}, С_{Н макс}. В случае, если используется электронная перестройка, обычно достаточно пересмотреть пределы, в которых должно изменяться управляющее напряжение.

Затем, если С₁ > (30…40) пФ, следует выбрать подстроечный конденсатор из условия (3.46) и определить его среднюю ёмкость (3.47). Далее определяют ёмкость дополнительного конденсатора С_g1, включённого в контур:

С_g1 = С₁ – С_{П ср} – С_L – С_M – С_{А вн} – С_вн. (3.58)

После этого проверяют правильность расчетов:

С_{К мин} = С_g1 + С_{Н мин} + С_{П ср} + С_L + С_M + С_{А вн} + С_вн,

С_{К мин} = С_g1 + С_{Н макс} + С_{П ср} + С_L + С_M + С_{А вн} + С_вн, (3.59)

Полученное значение k_g должно совпадать с требуемым с погрешностью не более 5%.

В (3.58) и (3.59) ёмкость С_{А вн} учитывается только для схемы рис. 3.1.

В заключение расчётов определяют величину контурной индуктивности по формуле (3.54).