Frisk_2

8.Изобразите схему трансформаторной (автотрансформаторной) связи с антенной.

9.Что такое «режим удлинения» антенны и когда он применяется?

10.Когда применяется режим согласования с антенной?

11.Что включает в себя понятие «оптимальное рассогласование»?

12.Возможен ли прием в диапазоне частот при работе с настроенной антенной?

7 Краткие теоретические сведения

7.1 Входная цепь, характеристики и способы связи с внешними узлами

Входной цепью (ВЦ) называют часть схемы приемника между точками подключения антенны и точками подключения первого усилительного (УП) или преобразовательного прибора (ПП). Если усилительные или преобразовательные приборы входят в состав интегральной микросхемы (ИМС), то ВЦ включена между точками подключения антенны и входом ИМС.

Основное назначение входной цепи – наиболее эффективная передача мощности полезного сигнала на вход первого УП. В общем случае ВЦ можно рассматривать как фильтр (Ф), обеспечивающий выделение некоторой полосы частот, содержащей полезный сигнал, с цепями связи с антенной (ЦСА) и первым (ЦСвх) УП (рис.7.26) с коэффициентами передачи Кф, КЦСА и КЦСвх, соответственно .

Рис.7.26

Учитывая, что свойства входной цепи определяются соединением линейных компонентов (R,L,C), то для нее справедлив принцип суперпозиции и коэффициент передачи входной цепи

Входные цепи классифицируют по ряду признаков:

•по числу избирательных элементов – одноконтурные, двухконтурные и многоконтурные, когда контуры настроены на частоту принимаемого сигнала,

•по способу настройки – с плавной или ступенчатой перестройкой,

•по способу связи с антенной – с непосредственной связью (рис.7.28а) и сложной связью.

Внастоящее время в радиовещательных приемниках с перестраиваемой входной цепью чаще всего используется одноконтурная входная цепь. К преимуществам такой цепи следует отнести простоту конструкции и возможность обеспечения более высокой чувствительности приемника. Многоконтурная ВЦ обладает, как правило, большими потерями сигнала, что уменьшает уровень сигнала на входе первого УП. Применение многоконтурной ВЦ в сочетании с ненастроенной антенной и работе в диапазоне частот делает практически непредсказуемым характер изменения АЧХ входной цепи при перестройке по диапазону. Одновременно, одноконтурная ВЦ позволяет проще реализовать постоянство резонансного коэффициента передачи в диапазоне принимаемых частот в сочетании с простотой перестройки приемника. Многоконтурные ВЦ обеспечивают резонансную ха-

461

рактеристику по форме близкую к прямоугольной, что снижает линейные искажения полезного сигнала и высокую степень подавления мешающих сигналов. Такие ВЦ находят широкое применение при работе на фиксированной частоте и системах сотовой связи. В приемниках систем транкинговой связи во входных цепях чаще используют двухконтурные фильтры.

В диапазонных радиовещательных- и приемниках профессиональной связи плавная настройка на принимаемый сигнал осуществляется изменением индуктивности (ферровариометр) или емкости (конденсатор переменной емкости, варикапная матрица) фильтра входной цепи. При широком диапазоне частот (например, коротких длин волн) или высоких требованиях к равномерности коэффициента передачи ВЦ применяется разбиение на поддиапазоны. На растянутых поддиапазонах обеспечивается плавная настройка на принимаемый сигнал, облегчается сопряжение контуров преселектора и гетеродина, снижаются требования на характеристики перестраиваемых конденсаторов. Смена поддиапазонов осуществляется переключением того параметра контура (L или C), который остается постоянным при плавной перестройке.

Цепи связи в зависимости от типа антенны, технических требований на параметры приемника могут обладать очень простой (соединительный провод) или достаточно сложной конструкцией.

Для сложных схем ВЦ применяют различные виды связи с антенной:

—непосредственная (рис.7.27а)

—внешнеемкостная (рис.7.27б),

—трансформаторная (рис.7.28а),

—автотрансформаторная (рис.7.28б),

—комбинированная (рис.7.28а, дополненный емкостью связи СсвА, штриховое изображение, между L свА и L к).

По характеру используемой антенны различают входные цепи, работающие с настроенной (рис.7.28б) и ненастроенной антенной (рис.7.27, 7.28а).

Рис.7.27

Непосредственная связь входной цепи с антенной (рис.7.27а) является простейшим способом связи. Вследствие сильного влияния параметров антенны при изменении ее конфигурации, пространственного положения относительно земли параметры антенны вносят существенные изменения в характеристики ВЦ, что обусловило её редкое применение.

В области умеренно высоких частот (примерно до 150 МГц) для радиовещательных и других типов приемников, использующих ненастроенные антенны, наиболее простой в конструктивном исполнении является внешнеемкостная связь (рис.7.27б). При достаточно слабой связи с антенной (С св А ≤ 10 40 пФ) можно обеспечить малое влияние антенны на контур и одновременно, постоянство характеристик ВЦ при работе с различными антеннами. Однако при этом уменьшается коэффициент передачи ВЦ, а, следовательно, сни-

462

жается чувствительность приемника. Другим недостатком является значительное непостоянство коэффициента передачи в диапазоне рабочих частот.

Наиболее распространенным способом связи с антенной является индуктивная (трансформаторная) связь (рис.7.28а). При достаточно слабой связи между катушками L свА и L к можно получить практически одинаковый коэффициент передачи по диапазону рабочих частот. Это обеспечивается выбором параметров антенны и цепи связи.

Схема комбинированной связи с антенной (рис.7.28а с подключенным конденсатором С свА) позволяет обеспечить достаточно высокое и практически постоянное значение величины коэффициента передачи входной цепи во всем диапазоне рабочих частот. Недостатком такой схемы является ухудшение избирательности по зеркальному каналу, по сравнению со схемой трансформаторной связи. Этот эффект ослабляется при неполном включении УП к контуру ВЦ применением емкостного делителя, автотрансформаторной или с помощью трансформаторной связи.

При работе с настроенными антеннами (рис.7.28б) величину связи выбирают из условия передачи мощности максимальной из антенны к нагрузке — входу первого каскада. Параметры настроенной антенны мало изменяются в процессе эксплуатации, что позволяет применять сильную связь контура с антенной. Это обеспечивает наибольший коэффициент передачи входной цепи при условии согласования ВЦ с антенной. Выполнение условия согласования реализует режим бегущей волны в фидере, соединяющем антенну и ВЦ, и применяется при профессиональном приеме на магистральных линиях в КВ диапазоне, в метровом диапазоне (УКВ радио- и телевизионное вещание). Автотрансформаторная связь применяется на частотах до 350 МГц при сильной связи с антенной. Применение трансформаторной связи ограничено диапазоном частот 150 МГц, что обусловлено трудностью выполнения противоречивых условий: обеспечение сильной связи между катушкой контура и связи при малых значениях величины индуктивностей на верхних частотах.

Приемную антенну, являющуюся преобразователем электромагнитного поля в ЭДС, можно представить в виде генератора ЭДС (рис.7.29а) или тока (рис.7.29б). Форма представления определяется в основном свойствами источника сигнала – величиной его внутреннего сопротивления.

Рис.7.29

463

Внутреннее сопротивление генератора ЭДС Z А в общем случае содержит активную и

Ненастроенная антенна представляет собой цепь с распределенными параметрами, со-

противление которой зависит сложным образом от частоты. Электродвижущая сила (Е А), создаваемая генератором, определяется напряженностью электрической составляющей поля сигнала ( ξ с) в месте приема и действующей высотой антенны (hд): Е А= ξ с hд.

Параметры эквивалентного источника тока (рис.7.29б) определяются соотношением

-активная и реактивная составляющие проводимости антенны, соответственно.

Взависимости от диапазона принимаемых частот, конструкции реальной антенны ее эквивалентная схема может быть упрощена. Так для суррогатной внешней антенны, когда ее физические размеры невелики по сравнению с длиной волны, схема замещения антенны может быть представлена последовательным соединением компонентов: индуктивности LA, емкости CA и активного сопротивления RA (рис.7.30а)

В диапазоне длинных и средних длин волн схему замещения можно упростить (ωLA <<1/ωCA , рис.7.30б), учитывая только сопротивление антенны RA и распределенную

емкость СА. В диапазоне коротких волн в зависимости от конструкции реактивность в схеме замещения может иметь как емкостной, так и индуктивный характер (рис.7.30б, 7.30г). Телескопическая (штыревая) антенна, обладающая небольшой физической длиной и широко применяемая в современных переносных и автомобильных приемниках, обладает эквивалентной схемой (рис.7.30б).

В диапазоне метровых и более коротких длин волн обычно применяется антенна, настроенная на среднюю частоту принимаемого диапазона ( jωLA =1/ jωCA ), и схема заме-

щения вырождается, принимая вид (рис.7.30в). Если антенна, обладающая сопротивлением RA, согласована с фидером с волновым сопротивлением ρА (настроенная антенна), то антенна присоединяется к фидеру непосредственно, в других случаях – через согласующий трансформатор.

Ферритовая антенна конструктивно выполняется в виде катушки, намотанной на ферритовый стержень, обладает значительной индуктивностью (распределенной емкостью антенны можно пренебречь) и схема замещения принимает вид (рис.7.30г). Такая антенна является разновидностью магнитной антенны и, практически не реагирует на электрическую составляющую электромагнитного поля, обладает пространственной избирательностью и малыми физическими размерами, что обусловило ее широкое применение в переносных и высококачественных стационарных приемниках как встроенной антенны.

Основными техническими характеристиками входных цепей являются:

1.Коэффициент передачи по напряжению, представляющий собой модуль отноше-

ния напряжения на входе первого каскада U&вх к ЭДС в антенне Е&А

464

При неизменной настройке ВЦ величина К&ВЦ достигает максимумаК&0 ВЦ при изменении

частоты принимаемого сигнала на резонансной частоте f0.

2. Полоса пропускания — ширина области частот с допустимой неравномерностью коэффициента передачи.

3. Избирательность, определяющая уменьшение коэффициента передачи ВЦ при

Входная цепь или преселектор, включающий в себя входную цепь и один – два каскада усилителей радиочастоты, обеспечивает требуемую (по техническим условиям) величину подавления зеркального канала и канала прямого прохождения и осуществляет предварительное выделение полезного сигнала.

4. Перекрытие заданного диапазона частот. При заданном диапазоне частот

fmin fmax , входная цепь должна обеспечивать возможность настройки на любую частоту

внутри заданного диапазона.

Отношение максимальной частоты настройки f0max к минимальной f0min называют коэффициентом перекрытия диапазона

5. Постоянство показателей входной цепи при изменении параметров антенны и усилительного прибора. Для случая ненастроенной антенны на характеристики фильтра ВЦ оказывают влияние активные и реактивные параметры, вносимые со стороны антенны (RA, ХА) и УП первого каскада. При этом параметры антенны могут варьироваться в значительных переделах, и заранее не известны. Это вызывает изменение резонансной частоты фильтра, его полосы пропускания, селективности и др. Для снижения влияния на параметры входной цепи внешних узлов (антенны, УП) выбирают достаточно слабую связь между ними. Для настроенной антенны, и режима согласования антенны со входом первого каскада, на параметры ВЦ оказывают влияние только свойства УП. В этом случае во входную цепь не вносится расстройка, обусловленная влиянием антенны, и величину связи между входной цепью и настроенной антенной выбирают из условия получения наибольшей мощности сигнала на входе первого каскада. Связь, при которой обеспечивается это условие, называют оптимальной.

7.2 Входная цепь с внешнеемкостной связью при ненастроенной антенне

На принципиальной схеме входной цепи с внешнеемкостной связью (рис.7.27б) параметры антенны включены параллельно контуру через конденсатор небольшой емкости СсвА, и поэтому их влияние на настройку может быть снижено до допустимой величины. Введенный в схему подстроечный конденсатор Сп служит для регулировки начальной емкости контура, делая ее равной для всех контуров приемника, настраиваемых на частоту сигнала. Применение варикапной матрицы в качестве конденсатора переменной емкости (рис.7.31а) начальную настройку контуров выполняет подстроечный конденсатор Сп, вместе с резистором Rд.

Варикапы — диоды, у которых рабочая тока находится на обратной ветви ВАХ, являются конденсаторами, величина емкости которых определяется управляющим напряжением Uупр. Очень малая величина тока запертого диода позволяет включать варикапную матрицу (две группы обычно из трех диодов, включенных встречно) параллельно компонентам контура, практически без уменьшения его добротности. Поскольку обратные токи диодов очень малы, но по величине конечны, в контуре должны быть обеспечены пути для протекания постоянных токов для каждой группы диодов. Для обеспечения протекания постоянного тока через VD1 в контур включается резистор Rв, величина которого зна-

465

чительно больше сопротивления контура на резонансной частоте Roe. Резистор Rв, обеспечивающий протекание постоянных токов варикапов не должен оказывать заметное влияние на параметры контура, изменяя его полосу пропускания, нагруженную добротность и др. Разделительный конденсатор Ср исключает протекание управляющего тока диодов через цепи питания транзистора и наоборот.

Эквивалентная схема ненастроенной, например, телескопической (штыревой) антенны схема до частоты 180 МГц может быть представлена последовательным соединением RA, CA (рис.7.30б). Тогда эквивалентная схема входной цепи при внешнеемкостной связи с антенной можно представить (рис.7.31б). Первый каскад будем считать реализованным на полевом транзисторе (g вх = 0, n =1).

Определим коэффициент включения антенны в входную цепь m. Проведя опыт короткого замыкания, зажимов 1-1 получим

466

При слабой связи с антенной, что обычно применяется для уменьшения влияния изменяющихся параметров антенны на контур входной цепи

m ≈ CA (7.13)

CсвА

Эквивалентную схему входной цепи (рис.7.31), можно, используя принцип дуальности, представить (рис.7.32)

Рис.7.32

где U A – напряжение, создаваемое антенной, U – напряжение на контуре,

Используя определение, что коэффициент включения антенной цепи во ВЦ

m =U A U (7.15)

Упростим вид эквивалентной схемы (рис.7.32б), пересчитав параметры антенны во входную цепь

Параметры нагрузки (входные параметры первого каскада, реализованного, например, на биполярном транзисторе) при автотрансформаторном подключении ее к контуру ВЦ с коэффициентом включения n

где m — коэффициент включения активной составляющей проводимости антенны GA в контур ВЦ, n — коэффициент включения активной составляющей входной проводимо-

467

сти G вх первого каскада в контур, G0 — собственная проводимость контура на резонанс-

ной частоте, | Z A0 |= R2 A0 + X 2 A0 , RА0 , XA0 – величина активной и реактивной состав-

ляющих сопротивления антенны на частоте входного сигнала.

Применение в качестве активного элемента первого каскада полевого транзистора (n = 1, Gвх = 0 – влияют только антенна и фильтр), и условии, что сопротивление потерь ан-

Выражение (7.22) соответствует эквивалентной схеме (рис.7.32а) и учитывает только свойства цепи связи антенны и фильтра (ЦСА, Ф, рис.7.26) без учета свойств цепи связи с нагрузкой (ЦСвх, рис.7.26) и параметров нагрузки.

Поскольку конструктивную добротность контура ВЦ при настройке емкостью можно считать постоянной, то коэффициент передачи входной цепи с емкостной связью с антенной увеличивается с уменьшением емкости Cк0. То есть с ростом частоты принимаемого сигнала коэффициент передачи возрастает. При слабой связи такая зависимость сохраняется до тех пор, пока эквивалентная добротность контура не станет уменьшаться за счет роста активной проводимости, вносимой из антенны.

Значение индуктивности, вычисленное, через Cк0 = 1/ω20 L, позволяет записать (7.22)

т.е. коэффициент передачи растет пропорционально квадрату частоты сигнала. Неравномерность коэффициента передачи будет равна квадрату коэффициента перекрытия диапазона

Для обеспечения постоянства коэффициента передачи входной цепи в рабочем диапазоне частот, выберем внутриемкостной способ связи с входом первого каскада

(рис.7.33).

Рис.7.33

Если не учитывать входные параметры первого каскада (Свх и Gвх), то напряжение Uвх , определяемое напряжением на контуре U

468

где ω2 св = 1/LC сввх — резонансная частота контура, состоящего из L и Ссввх.

Тогда модуль коэффициента передачи цепи связи со входом УП на частоте входного

Модуль коэффициента связи входной цепи при внешнеемкостной связи с антенной и внутриемкостной связи с первым каскадом на частоте сигнала с учетом (7.1), (7.23) и (7.26)

где Cк0 = 1/ω20 L.

Для уменьшения влияния наиболее нестабильного компонента – входного сопротивления УП (наряду с параметрами антенны), будем выбирать емкость связи с входом УП слабой (большое значение емкости Ссввх), тогда (7.27) с учетом (7.25) примет вид

Постоянство коэффициента передачи обусловлено тем, что ω2 св = 1/LC сввх определяется постоянными ( в первом приближении) параметрами контура и цепи связи с первым каскадом.

Выбор внешнеемкостной- с антенной и внутриемкостной связи с первым УП, обладающих противоположными законами изменения коэффициента передачи от частоты, позволило обеспечить постоянство полосы пропускания фильтра ВЦ, постоянство подавления зеркального канала и величины чувствительности в полосе рабочих частот вместе с простотой технической реализации. Основной недостаток рассмотренного способа связи с антенной и первым УП – относительно низкий коэффициент передачи, что ограничивает его применение областью сравнительно низких частот (диапазоны ДВ, СВ).

Принцип выбора способа связи с антенной и первым каскадом, реализующий проти-

воположный характер изменения коэффициентов передачи цепей связи с фильтром ВЦ от частоты, является определяющим и при других конфигурациях входных цепей. Так при широко используемой трансформаторной связи с антенной (рис.7.28а) параметры цепи связи с антенной должны обеспечивать режим «удлинения антенны». В этом случае резонансная частота антенны, обусловленная параметрами антенны вместе цепью связи, должна быть ниже минимальной частоты рабочего диапазона. Таким образом, цепь связи с антенной (L свА) совместно с параметрами контура, нагруженного входным сопротивлением первого УП, обеспечивает уменьшение напряжения на контуре ВЦ, создаваемого антенной, при увеличении частоты входного сигнала. Одновременно, цепь связи со входом (Lсв вх) вместе с входной емкостью каскада должны создавать колебательный контур с резонансной частотой выше частоты зеркального канала (при верхней настройке гетеродина). Это обеспечивает нарастающий характер коэффициента передачи КЦСвх с увеличе-

469