Радиоприемные устройства

4.2. Селективные усилители радиосигналов радиоприемников

где K1 = m1m2 Y21 — коэффициент одного (единичного) каскада; k — число

2πCЭП

усилительных каскадов; m1 и m2 — коэффициенты включения в контур усилительного прибора и входа следующего каскада; Y21 — модуль крутизны усилительного прибора; СЭ — полная эквивалентная емкость контура; Φ(n)= [с Ψ(n)]n , с — коэффициент, зависящий от типа избирательных систем.

Коэффициент прямоугольности УПЧ зависит от уровня отсчета:

В зависимости от типа резонансных систем в нагрузке n каскадного УПЧ с распределенной избирательностью нормированные АЧХ y(f),

ФЧХ ϕ(f), y(n), Ф(n) и KП,отс(n) тракта определяются выражениями: 1) для одиночных настроенных контуров:

тельная расстройка; f — текущая частота; fo — резонансная частота; 2) для пары расстроенных контуров при критической расстройке:

-111-

ГЛАВА 4. ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ

1

KП,отс.(n) = 4 nny44−−11;

3)для двух связанных контуров при критической связи:

В УПЧ с фиксированной настройкой частоты используются многозвенные фильтры с сосредоточенной селекцией (ФСС) (рис. 60).

Рис. 60. Эквивалентная схема n-звенного ФСС

Основные технические ФСС характеризуются потерями каждого звена L0 на резонансной частоте f0. Зависимости обратной величины функции расширения y(n) от числа звеньев от 1 до 9 для звеньев с потерями L0 0,25, 0,5 и 0,75 дБ представлены на рис. 61 [36].

Выбор числа звеньев ФСС при заданных требованиях избирательности, величины потерь и коэффициента прямоугольности Kп представлены на рис. 62 [36].

-112-

Рис. 62. Зависимости избирательности ФСС от потерь, коэффициента прямоугольности от числа звеньев

-113-

ГЛАВА 4. ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ

Усилители промежуточной частоты, предназначенные для обработки импульсных радиосигналов, имеют свои особенности. В УПЧ проявляются нестационарные процессы, обусловленные переходными процессами. В таких усилителях искажаются как форма несущей, так

иформа огибающей радиосигнала. Искажения возникают в сложных избирательных системах вследствие биений между вынужденными

исобственными колебаниями. Искажения формы огибающей радиоимпульса характеризуется величиной выброса, измеряемой в процентах [15, 16].

4.2.4. Шумовые свойства усилителей радиочастоты

Шумовые свойства УРЧ определяют чувствительность всего приемника, поэтому необходим выбор типа усилителя, УЭ, режима и схемы включения. В диапазонах ДВ, СВ, КВ, где шумовые характеристики усилителей не оказывают влияния на чувствительность радиоприемника, определяется в основном полосой его пропускания. В диапазоне УКВ и менее длин волн чувствительность определяется шумовыми свойствами ВЦ и УРЧ.

Выбор УЭ для УРЧ зависит от назначения приемника, условий эксплуатации, диапазона рабочих частот, требований к чувствительности.

Выбор биполярных транзисторов. При выборе биполярных транзисторов необходимо учитывать их свойства, отрицательно влияющие на характеристики приемника в целом:

–большая нелинейность проходной характеристики;

–значительная внутренняя обратная связь, снижающая устойчивость усилителя;

–большие значения входной и выходной емкостей, ухудшающие избирательность и коэффициент перекрытия по частоте для диапазонных приемников;

–сильная зависимость параметров каскада от изменения температуры окружающей среды.

Для обеспечения малого коэффициента шума необходимо выбирать транзисторы с граничной частотой, удовлетворяющей условию:

где f0max — максимальная рабочая частота радиоприемного устройства.

-114-

4.2. Селективные усилители радиосигналов радиоприемников

Эквивалентное шумовое сопротивление определяется соотно-

где I0K — обратный ток коллектор-база; a0 — статический коэффициент передачи по току в схеме с ОБ; Y21 — модуль крутизны усилителя с общим эмиттером.

Для обеспечения устойчивой работы усилителей транзистор дол-

жен иметь высокое значение отношения Y21 , которое вычисляется на

Y12

максимальной частоте рабочего диапазона радиоприемного устройства [11].

Коэффициент шума усилителя практически не зависит от схемы включения транзистора (ОЭ, ОБ). Однако внутренние обратные связи меньше в схеме с ОБ, кроме того, имеет место более равномерное усиление в пределах диапазона рабочих частот. В усилителе каскадного типа в схеме ОЭ–ОБ обратная проводимость значительно меньше, чем в каскаде с ОБ, что обеспечивает устойчивость в ВЧ- и СВЧ-диапазонах.

Для расчета коэффициента шума каскада с ОЭ можно воспользоваться выражением (4.83), а для приближенной оценки коэффициента шума однокаскадного усилителя до 4 ГГц достаточно использовать выражение [1]:

где NT — справочное значение транзистора при заданном токе эмиттера. При выборе типа транзистора в диапазоне частот до 3 ГГц предпочтение отдается кремниевым транзисторам n–p–n структуры. Это

обусловлено большей подвижностью носителей заряда.

Выбор полевых транзисторов. Полевые транзисторы (ПТ) имеют ряд преимуществ по сравнению с биполярными [11]:

– высокая линейность зависимости крутизны от управляющего напряжения, что позволяет обеспечить малые нелинейные искажения;

-115-

ГЛАВА 4. ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ

–малый коэффициент шума в диапазоне ВЧ и СВЧ;

–малые значения входной и выходной емкостей;

–малая мощность управляющего напряжения.

Для обеспечения высокой чувствительности радиоприемника необходим выбор полевых транзисторов с малым коэффициентом шума. Величина шумового сопротивления определяется выражением (4.94), коэффициент шума (4.95). Выбор ПТ с точки зрения построения малошумящего усилительного каскада целесообразен на частотах более 3 ГГц.

Выбор микросхем. При построении структурной схемы приемника часто используют микросхемы.

При расчете коэффициента шума достаточно использовать выражение:

Коэффициент шума многокаскадного усилителя определяется:

где N1, N2, ... — коэффициенты шума первого и последующих каскадов; KP1, KP2, ... — коэффициенты передачи по мощности первого и последующих каскадов.

Для оценки чувствительности радиоприемника достаточно определить коэффициент шума первых двух–трех каскадов усилителя на входе радиоприемного устройства.

4.3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ

4.3.1. Общие сведения о преобразовании частоты

Преобразователь частоты — это устройство, осуществляющее перенос спектра сигнала из одной области радиочастотного диапазона в другую при сохранении структуры сигнала. В состав преобразователя входят смеситель, гетеродин, нагрузка. Преобразователь представляет собой шестиполюсник (рис. 63), выходной спектр которого характеризуется каналами, определяемые выражением (3.1) (рис. 25).

-116-

4.3. Преобразователи частоты радиоприемных устройств

Рис. 63. Эквивалентная схема преобразователя частоты

Преобразование частоты происходит в результате перемножения двух косинусоидальных напряжений сигнала и гетеродина:

UС = uс cos(ωсt +ϕс );

UГ =uгет cos(ωгетt).

При перемножении напряжений появляются комбинационные составляющие частот:

UС UГ =0.5uс uгет cos[(ωгет ±ωс ) t ±ϕгет ].

При условии UС <<UГ смеситель представляет, управляемой гетеродином, проводимость, а на выходе преобразователя частот фильтра выделяется напряжение промежуточной частоты:

UПР = uпр cos(ωпрt +ϕпр ).

При малом напряжении сигнала, выходная проводимость смесителя меняется по закону изменения напряжения гетеродина (рис. 64). При увеличении напряжения гетеродина (рис. 64, а) исходное положение постоянной составляющей нелинейного элемента с управляемой гетеродином проводимостью (точка 1) сдвигается в область максимального изменения проводимости (крутизны) ВАХ смесителя (точка 2) (рис. 64, б). С увеличением напряжения гетеродина (а) увеличивается его выходной ток iгет (б), а также угол отсечки выходного тока гетеродина, обогащая выходной спектр смесителя новыми спектральными составляющими (рис. 64, б).

-117-

ГЛАВА 4. ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ

uгет

tа)

Рис. 64. Иллюстрация процесса преобразования частоты в нелинейном элементе с управляемой проводимостью

При подаче на вход смесителя сигнала основного fосн или зеркального канала fзер. и увеличения напряжения гетеродина увеличивается напряжение промежуточной частоты на выходе до момента перехода режима по постоянному току из точки 1 в точку 2. При подаче на вход смесителя сигнала промежуточной частоты fпр смеситель работает

врежиме усилителя. Поэтому при увеличении амплитуды гетеродина и изменения положения рабочей точки в область запирания коэффициент передачи (усиления) смесителя уменьшается, до момента перехода

вточку 2 (рис. 64, а, б, в).

При установке положения рабочей точки равное нулю, процесс управления проводимостью (крутизной) смесителя под воздействием изменения напряжения гетеродина сопровождается переходом из точки 0 в точку 2 (рис. 64, б). Различие процесса преобразования от предыдущего случая в том, что при увеличении амплитуды гетеродина проводимость в режиме преобразования и усиления увеличивается до момента перехода исходного режима по постоянному току из точки 0 в точку 2, крутизна преобразования меньше крутизны усиления (рис. 64, б). При установке исходного режима смесителя в точке 2 изменения выходной проводимости смесителя под воздействием напряжения гетеродина будут минимальны, а значит, режим преобразования будет неблагоприятным (рис. 64, в).

-118-

4.3. Преобразователи частоты радиоприемных устройств

Анализ процесса преобразования указывает на предпочтении случая, когда исходная рабочая точка находится на линейном участке ВАХ управляемой проводимости. При установке ВАХ в нулевом режиме эффективность преобразования существенно выше, а динамический диапазон входного (полезного) сигнала больше.

4.3.2. Анализ передаточных свойств преобразователя частоты

Для простоты анализа шестиполюсник (рис. 63) преобразуем в четырехполюсник (рис. 65), активная проводимость которого меняется с частотой гетеродина. В этом случае выходной ток зависит от напряжений сигнала, гетеродина и промежуточной частоты: iВЫХ. = f(uС, uГ, uПР.).

Выходной ток преобразователя частоты определяется статической характеристикой управляемой проводимости. Если все напряжения являются гармоническими, то выходной ток будет содержать различные комбинационные частоты, выделяющиеся контуром смесителя:

где SПР, Gi ПР — крутизна и проводимость смесителя в режиме прямого преобразования; SОБР и GВХ0 — крутизна и проводимость смесителя в режиме обратного преобразования (для смесителя диодного типа).

Уравнения (4.114) описывают процессы, происходящие в преобразователе частоты (рис. 65, а). Крутизна преобразования SПР — отношение амплитуды выходного тока промежуточной частоты к амплитуде напряжения входного сигнала при закороченном выходе (рис. 65, б).

-119-

ГЛАВА 4. ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ

Коэффициент передачи смесителя зависит от амплитуд гармоник Sm, крутизны нелинейного элемента S(t), меняющихся во времени под действием напряжения гетеродина. Согласно общей теории преобразования частоты, крутизна преобразования через m-ю гармонику гетеродина:

Крутизну Sm можно найти как коэффициенты тригонометрического ряда Фурье, аппроксимирующего временную зависимость S(t):

n=1

где S0 — постоянная составляющая крутизны.

При uгет = Uгет cos(ωгет t) функция S(t) — четная, поэтому в безынерционном смесителе при линейно-ломанной вольтамперной характе-

ристике (ВАХ) с крутизной S и углом отсечки эмиттерного тока Θ:

где gн — проводимость нагрузки (знак «минус» — фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением, равный p).

В транзисторных преобразователях, где Gmпр. << gн, для полосового фильтра на выходе смесителя с параметром связи η коэффициент передачи:

Если на выходе смесителя в качестве нагрузки используется ФСС с Kфсс, то:

-120-