2.9 Радиоприёмные устройства

2.9.1 Общие сведения

Радиоприемным устройством называется комплекс аппара­туры, предназначенный для улавливания и преобразования энер­гии электромагнитных волн с целью извлечения переносимой ими полезной информации.

Для выполнения указанных функций в состав радиоприем­ного устройства входят приемная антенна, собственно радиопри­емник и оконечное устройство.

Приемная антенна улавливает энергию электромагнитных волн и преобразует ее в токи высокой частоты.

Радиоприемник из всей совокупности поступивших от антен­ны электрических колебаний выделяет полезный сигнал, усили­вает его и преобразует к виду, удобному для работы оконечного устройства.

Оконечное устройство воспроизводит принятую информацию либо вырабатывает управляющие сигналы для решающих устройств и систем управления различного назначения. Оконеч­ным устройством могут быть телефон, громкоговоритель, элек­тронно-лучевая трубка и другие специальные устройства.

Радиоприёмник должен обладать избирательностью, способ­ностью усиливать и преобразовывать принятые сигналы. Избира­тельность — это способность радиоприемника выделять нужный сигнал из множества других, воздействующих на приемную ан­тенну. Например, частотная избирательность реализуется в при­емнике с помощью колебательных контуров, настраиваемых на несущую частоту принимаемого сигнала.

Помимо частотной, в приемных устройствах используется пространственная избирательность, избирательность по амплитуде, времени прием; и форме принимаемого сигнала и т. д.

Сигналы, поступающие на вход приемника, очень слабы. Для приведения и действие оконечного устройства их надо усиливать. Это делается и усилительных каскадах приемника.

Задачей преобразования сигналов является получение на вы­ходе приемника такого сигнала, форма которого аналогична фор­ме модулирующего напряжения в передатчике. Этот процесс называется детектированием и осуществляется в детекторе приемника.

В некоторых приемниках до детектирования применяется пре­образование частоты сигнала. При этом несущая частота приня­того сигнала f₀ преобразуется в более низкую частоту f_пр (про­межуточную) без изменения закона модуляции. Радиоприемники, работающие на таком принципе, называются супергетеродинными.

На рис. 2.62 приведена структурная схема супергетеродинного приемника.

Входная цепь представляет собой колебательный контур, на­строенный на частоту принимаемого сигнала. За счет резонансных свойств ослабляет мешающие сигналы, отличающиеся от принимаемого сигнала по частоте.

Усилитель высокой частоты (УВЧ) усиливает полезный сигнал и осуществляет дальнейшее ослабление помехи, после чего полезный сигнал подается на вход преобразователя частоты.

Преобразователь частоты состоит из смесителя и маломощного генератора незатухающих колебаний (гетеродина).

Частота колебаний гетеродина f_г отличается от несущей частоты сигнала /с на величину промежуточной частоты f_пр, т. е.

В супергетеродинном приемнике при настройке на другую частоту одновременно изменяется настройка входного контура, УВЧ и гетеродина так, что промежуточная частота остается неизменной. Это позволяет иметь в приемнике многокаскадный усилитель промежуточной частоты (УПЧ) с постоянной настройкой.

УПЧ обеспечивает основное усиление и избирательность принимаемого сигнала и определяет полосу пропускания приемника.

Детектор преобразует модулированное высокочастотное колебание в напряжение, соответствующее модулирующему сигналу передающего устройства. Например, при воздействии на его вход радиоимпульса на выходе детектора формируется видеоимпульс.

После детектора сигнал дополнительно усиливается видеоусилителем до величины, необходимой для нормальной работы оконечного устройства.

Супергетеродннные приемники широко применяются в РЛС. По сравнению с приемниками прямого усиления они имеют более высокую чувствительность, лучшую избирательность и постоянство усиления при перестройке приемника на другую частоту.

Чувствительность характеризует способность приемника выполнять свои функции при слабых сигналах. Количественно чувствительность оценивается минимальной ЭДС (или мощностью) в антенне, при которой обеспечивается нормальный прием. Чем меньше уровень сигнала на входе, тем выше чувствительность приемника.

Чувствительность приемника сверхвысоких частот ограничивается собственными шумами приемника. Собственные шумы возникают в антенне, в сопротивлениях, в электронных лампах и полупроводниковых приборах.

Причинами шумов являются беспорядочное тепловое движение электронов в проводниках (сопротивлениях), неравномерность излучения электронов катодом, неравномерное их перераспределение между электродами в электронных лампах и т. д. С увеличением температуры проводников и сопротивлений уровень внутренних шумов возрастает. Шумы, создаваемые лампами, возрастают с увеличением числа электродов. Так, шумы пентода в 3—5 раз больше, чем триода.

Интенсивность шумов весьма мала. Однако, проходя через приемник с большим усилением, они создают на выходе напряжение, способное привести в действие оконечное устройство. На экранах индикаторов с амплитудной отметкой они наблюдаются в виде шумовой дорожки. В индикаторах с яркостной отметкой они наблюдаются в виде светящихся пятен, равномерно расположенных на поверхности экрана.

Поскольку шумы антенны и первых каскадов приемника, проходя через приемный тракт, получают наибольшее усиление по сравнению с шумами последующих каскадов, то они являются определяющими при оценке общего уровня внутреннего шума на выходе приемника.

Количественная оценка шумов линейной части приемника осуществляется параметром, получившим название «коэффициент шума». Коэффициент шума приемника К_ш есть отношение мощности сигнал/шум на входе приемника к мощности сигнал/шум на выходе его линейной части, т. е.

Для идеального приемника, у которого внутренние шумы отсутствуют, коэффициент шума равен единице. Реальные радиолокационные приемники имеют коэффициент шума 2—10. Учитывая, что реальные радиолокационные цели обладают малыми отражающими поверхностями, весьма важным требованием к приемнику является обеспечение высокой чувствительности. Последнее достигается применением малошумящих усилителей и всемирным снижением потерь сигнала в антенно-фидерных трактах.

Современные радиолокационные приемники обеспечивают чувствительность 10^-14 — 10^-19 Вт.

Наряду с высокой чувствительностью от радиолокационного приемника требуется большой динамический диапазон, что связано с наличием на его входе сильных помеховых сигналов с большим разнообразием величин полезных сигналов.

Динамическим диапазоном приемника называется величина наибольшего перепада входных сигналов, в пределах которого приемник еще обеспечивает нормальную работу. Динамический диапазон радиолокационного приемника в ряде случаев должен достигать 100 —120 дБ.

Для обеспечения большого динамического диапазона в состав приемника включают дополнительные устройства и применяют специальные методы формирования амплитудных характеристик (регулировки усиления, усилители с логарифмическими амплитудными характеристиками и т. д.).

Избирательность и динамический диапазон в значительной степени определяют помехозащищенность приемного устройства. В связи с всевозрастающей насыщенностью радиотехнических средств в войсках и народном хозяйстве все большее значение приобретает влияние помех от других работающих радиоэлектронных средств.

Поэтому электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств в настоящее время стала одной из важнейших проблем. Избирательность приемника является одним из главных факто­ров повышения электромагнитной совместимости.

В последние годы в конструировании СВЧ узлов радиоприем­ных устройств наметилось новое перспективное направление по микроминиатюризации СВЧ схем. Микроминиатюризация СВЧ схем способствует снижению их веса и габаритов, повышению на­дежности и экономичности, отпадает необходимость в отборе и настройке элементов.

В настоящее время приемные устройства составляют основу и обязательную часть любой радиотехнической системы. Техни­ческие параметры радиоприемников во многом определяют такти­ко-технические характеристики РЛС: дальность действия, точ­ность определения координат, разрешающую способность, помехозащищенность и др.