книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

водит сообщение (модулирующий сигнал) р в результате анализа за ограниченное время Т входного колебания:

помехи иш (t).

Теория потенциальной помехоустойчивости не предполагает отыс­ кания электрической схемы идеального приемника. По существу, оп­ тимальный прием сообщения и сводится к некоторым математическим преобразованиям, которые необходимо совершить над функциями, опи­ сывающими входное колебание х (/). Правда, в некоторых случаях этим преобразованиям сравнительно легко придать схемную интерпретацию.

Ценность для практики получен­ ных результатов заключается в том, что при выбранном критерии оптимальности и принятых началь­ ных условиях помехоустойчивость идеального приемника является предельно достижимой (потенциаль­ ной). Следовательно, необходимость дальнейшего совершенствования реального приемника всегда может быть установлена сравнением его помехоустойчивости с потенциаль­ ной.

В основу критерия оптимальности при оценке потенциальной по­ мехоустойчивости был положен принцип максимальной апостериор­ ной (послеопытной) вероятности wx (р) передаваемого сообщения. Смысл этого понятия иллюстрируется рис. 1.13. Здесь предполагается, что сообщение р является случайной величиной, плотность вероят­ ности w (р) которой заранее (априорно) известна. Например, функция ю(р) на рис. 1.13 может представлять априорную плотность вероят­ ности веса р горючего в топливных баках ракеты на заданном участке траектории. Очевидно, что функцию w (р) можно рассчитать заранее, исходя'из технических данных двигателя и вероятностных траекторий. Телеметрический сигнал (t), содержащий сообщение р* об истинном весе горючего вместе с шумовой помехой um (i), воспринимается идеаль­ ным приемником как входное колебание х (t), ограниченное во времени выбранным интервалом наблюдения Т. В результате оптимальной об­ работки колебания х (t) идеальный приемник определяет апостериор­ ную плотность вероятности wx (р) и в качестве решения принимает та­

кое значение р, которое соответствует максимуму функции, w x (р)- Естественно, что при приеме сигнала на фоне помех неизбежно возник­ новение ошибки бр в воспроизведении передаваемого сообщения р*.

Заметим, что вид функции wx (р) зависит от уровня помех. Напри­ мер, можно заранее сказать, что в отсутствие помех апостериорное рас­ пределение wx (р) описывается дельта-функцией б (р — р *), соответст­ вующей истинному значению передаваемого сообщения р*. Если же

30

2.Входные цепи

2.1.Общие сведения о входных цепях

Входная цепь приемника — цепь, посредством которой связывают антенну или антенно-фидерную систему со входом первого каскада приемника. Первым каскадом может быть усилитель высокой частоты, преобразователь частоты или детектор. Расположение входной цепи между выходом антенны или антенно-фидерной системы и входом пер­ вого каскада обусловило ее название (рис. 2.1).

Рне. 2.1

Основные функции входной цепи заключаются:

а) в предварительном выделении принимаемого полезного сигналя из всей совокупности сигналов, возникающих в антенной цепи,

б) в передаче энергии полезного сигнала ко входу первого каска­ да с наименьшими потерями и искажениями.

В общем случае входная цепь — некоторый пассивный четырех­ полюсник, включающий в себя резонансную систему и элементы свя­ зи. В зависимости от диапазона йастот резонансная система выпол­ няется на сосредоточенных или распределенных элементах и состоит из одного или нескольких колебательных контуров или резонаторов. Элементы связи обеспечивают связь антенной цепи с контуром или резонатором, а при нескольких резонансных элементах также связь между ними и первым каскадом приемника.

Косновным характеристикам входной цепи относятся: коэффициент передачи напряжения (или мощности), постоянство резонансного коэф фициента передачи по диапазону, диапазон рабочих частот, избиратель­ ность и полоса пропускания величина связи антенны с входной цепью.

Ко э ф ф и ц и е н т о м п е р е д а ч и входной цепи по напряже­

нию К называют отношение напряжения сигнала Un на входе первого

каскада к величине'э. д. с. Ё генератора, .эквивалентного антенной или антенно-фидерной системе:

При неизменной настройке входной цепи величина К (/) изменяется с частотой приходящих сигналов, достигая максимума К0 на резонанс­ ной частоте /0.

32

Зависимость К (/) называют амплитудно-частотной.(резонансной) характеристикой, а зависимость ср (/) — фазо-частотной (фазовой) ха­ рактеристикой.

Частотная избирательность входной цепи определяется формой резонансной кривой. В супергетеродинных приемниках наиболее важ­ на избирательность по двум дополнительным каналам приема —симмет­ ричному (или зеркальному) каналу и каналу прямого прохождения на промежуточной частоте. Для ослабления влияния сигнала на частоте /пр во входную цепь иногда вводят специальные фильтры (режекторный. фильтр-«пробку»). По форме резонансной кривой можно как опреде­ лить избирательность входной цепи, так и оценить частотные искаже­ ния полезного сигнала. Достаточной характеристикой избирательных

Рис. 2.2

свойств часто может служить полоса пропускания П, обычно опреде­ ляемая по уровню х0 = 0,707. Неравномерность усиления составля­ ющих спектра сигнала в пределах полосы пропускания не превышает трех децибел.

Д и а п а з о н р а б о ч и х ч а с т о т (/0макс —/0ми„) обеспе­

тельности в пределах диапазона рабочих частот. Входной контур чаще перестраивается конденсатором, входящим в блок переменных кон­ денсаторов приемника; в этом случае обеспечивается меньшее измене­ ние параметров контура по сравнению с изменением при перестройке его переменной индуктивностью.

В е л и ч и н а с в я з и с входной цепью определяется только па­ раметрами входной цепи. В настоящее время в технике радиоприема применяются различные антенны от простейших проволочных верти­ кальных до параболических отражателей и других сложных антенн [1]. Согласно общей теории антенн любая антенна представляет собой линейную цепь и может быть заменена некоторым эквивалентом — активным двухполюсником в виде эквивалентного генератора электро­ движущей силы £ д с комплексным внутренним или выходным со­ противлением ZA, зависящим от частоты (рис. 2.2, а).

где hn — коэффициент пропорциональности, называемый действующей высотой антенны; для ряда антенн йд = ~кУJXRmJ \ 1л, причем X — длина волны, Д — коэффициент направленности антенны по мощности в направлении прихода сигнала; /?изл — сопротивление излучения антенны; Е — напряженность электрической составляющей поля сиг­ нала в точке приема.

Полное выходное сопротивление антенны Z A может быть представ­ лено, например, в виде последовательного соединения L A, СА, R A. Значения составляющих этого сопротивления могут быть определены практически для любой антенны аналитически или по эксперименталь­ ным графикам. В частности, сопротивление стандартной антенны, ис­ пользуемой при радиовещательном приеме, часто представляют экви­ валентом, состоящим из резистора Ra = 400 Ом, индуктивности L A — = 20 мкГ и емкости СА= 400 пФ.

При анализе входных цепей антенну представляют также эквива­ лентным генератором тока с комплексной проводимостью (рис. 2.2, б).

Параметры эквивалентного генератора тока / Ас параметрами эквива­ лентного генератора э. д. с. связаны выражениями

1а —Ёр]2 а» ^ а = 1/2а' (2.3)

Важно отметить, что в ряде случаев сопротивление антенны Z A оказывается почти активным или почти реактивным. Так, например, при профессиональном радиоприеме на сверхвысоких частотах, а в отдельных случаях на существенно меньших частотах, антенну настраи­ вают на частоту принимаемого сигнала. В этом случае выходное сопро­ тивление антенны только активно (Z A тт R A) и равно практически со­ противлению излучения антенны Я изл. Примером настроенной антенны служит полуволновый симметричный вибратор. Настроенная антенна может располагаться на некотором удалении от входа приемника и под­ ключаться к нему с помощью линии передачи энергии высокочастот­ ного сигнала, называемой приемным фидером. В этом случае выходное сопротивление антенной цепи также активно и равно волновому со­ противлению фидера R A — R ф = Wф. Если сопротивление фидера не равно сопротивлению антенны, то их взаимно согласуют посредст­ вом согласующего устройства, называемого антенным трансформато­ ром. При работе на умеренно высоких частотах (километровые, гектометровые, декаметровые волны) линейные размеры антенн оказываются часто малыми по сравнению с длиной волны принимаемых сигналов. Внутреннее сопротивление таких антенн имеет реактивный характер,

причем Z A « R a -f- 1//о)СА. Примером таких антенн служат штыре­ вые антенны подвижных радиостанций. В противоположность этому выходное сопротивление некоторых других ненастроенных антенн — рамочных, магнитных — имеет индуктивнй характер, т. е. Z A — R A + + }®Lа-

Изложенное позволяет рассматривать входные цепи применитель­ но к двум характерным случаям: сопротивление антенны (антенно­ фидерной системы) имеет активный характер; сопротивление антенны

34

имеет реактивный характер [2, 3]. В случае реактивного характера со­ противления антенны во входную цепь вносится некоторое реактивное сопротивление, за счет которого изменяется резонансная частота по следней; вносимое активное сопротивление приводит к ухудшению из­ бирательности входной цепи. Величина вносимых сопротивлений может изменяться в больших пределах, поскольку приемник часто эксплуати­ руется с разными антеннами, параметры которых (RA, X А) заранее не известны. Поэтому для уменьшения влияния параметров ненастроен­ ных антенн на входную цепь выбирают достаточно слабую связь между ними. При активном сопротивлении антенны условия работы входной цепи другие. В этом случае во входную цепь не вносится расстройка и величину связи между входной цепью и настроенной антенной, со­ противление которой задается однозначно, выбирают из условия по­ лучения наибольшей мощности сигнала на входе первого каскада. Связь, при которой обеспечивается это условие, называется оптималь­ ной.

2.2. Схемы входных цепей

Наиболее распространенными схемами входных цепей являются схемы емкостной, индуктивной (трансформаторной), индуктивно-ем­ костной (комбинированной), автотрансформаторной связи с антенной или антенно-фидерной системой (рис. 2.3, 2.4).

Отметим, что простейшая схема образуется при непосредственном подключении антенны к входной цепи. Вследствие отсутствия элемен­ тов связи в ней нельзя обеспечить малое влияние антенны на входную цепь, и поэтому такая схема редко используется на практике.

Входные цепи различаются между собой не только по характеру связи (LCB, Ссв), но и по числу используемых в них контуров. В настоя­ щее время наиболее часто находит применение одноконтурная входная цепь. К важным преимуществам такой цепи по сравнению с многокон­ турной цепью относятся простота конструктивного выполнения и обес­ печение более высокой чувствительности. Последнее обусловлено тем, что рост числа контуров увеличивает, как правило, потери сигнала до входа первого каскада. Одноконтурная входная цепь обеспечивает также постоянство резонансного коэффициента передачи в сочетании

коэффициент передачи по диапазону рабочих частот, что часто и исполь­ зуется на практике. Это обеспечивается, как увидим далее, соответст­ вующим выбором параметров антенной цепи (СА, LCB).

Схема комбинированной связи с антенной (рис. 2.3, в) позволяет обеспечить достаточно высокое и практически постоянное значение величины Ко во всем диапазоне рабочих частот. Недостатком схемы является ухудшение избирательности по симметричному каналу прие­ ма по сравнению с избирательностью, обеспечиваемой схемой с транс­ форматорной связью. Неполное подключение электронного прибора первого каскада (лампы, транзистора) ко входному контуру ослабляет влияние его входного сопротивления на входную цепь и позволяет обеспечить заданную полосу пропускания; это подключение осуществ­ ляется с помощью автотрансформаторной связи (рис. 2.3, б), с помощью емкостного делителя (рис. 2.3, в) или трансформаторной связи.

Схемы трансформаторной и автотрансформаторной связи с антен­ ной широко применяют в профессиональных приемниках декаметровых и метровых волн, работающих на фиксированной частоте или в'уз­ ком диапазоне частот. При работе с симметричными настроенными ан­ теннами трансформаторная связь позволяет использовать, и это яв­ ляется ее достоинством, симметричные (рис. 2.4, а) и несимметричные приемные фидеры. В последнем случае один конец катушки связи, под­ ключаемой к выходу несимметричного фидера, заземляют вместе с внеш­ ней его оболочкой. Схему с автотрансформаторной связью (рис. 2.4, б) применяют при работе с несимметричными (коаксиальными) фидерами и наиболее часто используют на практике.

При работе с настроенными антеннами величину связи выбирают, как уже отмечалось, из условия передачи максимальной мощности от источника сигнала ко входу первого каскада, т. е. к нагрузке.

Настроенные антенны обладают острой диаграммой направленности, и во входных цепях с использованием трансформаторной связи возни­ кает иногда необходимость в установлении электростатического экра­ на между катушками L CB и LK(рис. 2.4, а). Допустим, что в качестве фидера используют двухпроводную неэкранированную линию. Тогда наряду с приемом сигнала антенной при сохранении диаграммы на­ правленности будет приниматься паразитный сигнал линией как эле­ ментом антенны со всех направлений. Из-за действия такого сигнала в проводах линии возникает так называемая однотактная электромаг­ нитная волна. Вследствие эквипотенциальности обоих проводов линии токи, возникающие от действия этой волны, не будут создавать падения напряжения на концах катушки связи. Однако из-за проникновения энергии паразитного сигнала через паразитную емкостную связь между катушками будет создаваться падение напряжения на входе первого каскада. Следовательно, искажается диаграмма направленно­ сти антенной цепи. Для устранения этого явления, называемого ан­ тенным эффектом, устанавливают экран в виде изолированных между собой проволок, один конец которых соединяют вместе и заземляют на шасси приемника. При такой конструкции экран практически мало ослабляет магнитную связь между катушками, обеспечивая передачу энергии полезного сигнала, принятого обычным путем.

87

В коротковолновой части метрового диапазона волн (к = 1—3 м) может использоваться схема входной цепи с последовательным вклю­ чением индуктивности (рис. 2.4, в). В ней входной контур образуется индуктивностью L Kи двумя последовательно включенными емкостями Q и С2, причем емкость С2 — входная емкость первого каскада. На час­ тоту принимаемого сигнала контур настраивают изменением индук­ тивности. Благодаря такому включению элементов контура L K, Сх и С2 уменьшается результирующая емкость контура по сравнению с емкостью обычной схемы при параллельном соединении С1 и С2. Это

1

' А

'

v Ко Входу

\) первого

-каскада

£*

уг U

^ ____у _____ ^

а

Рис. 2.5

позволяет увеличить индуктивность контура L K или, при некоторой величине и минимально возможной емкости Ск, повысить час­ тоту настройки входного контура:

системы с распределенными элементами. На этих частотах добротность обычных контуров резко снижается, что связано с сокращением раз­ меров катушек индуктивности, возрастанием потерь из-за поверхност­ ного эффекта и излучения.

Во входных цепях приемников дециметрового диапазона волн ши­ роко применяются резонаторы в виде открытых с обоих концов полу­ волновых отрезков и преимущественно в виде четвертьволновых замк­ нутых на одном конце отрезков коаксиальных линий. Они выполняются из полых, обычно медных, концентрических труб, открытые концы ко­ торых часто насаживаются на дисковые выводы катода и сетки спе­ циального маячкового триода, используемого в качестве электронного прибора первого каскада.

На рис. 2.5, а изображена принципиальная схема, в которой отре­ зок коаксиальной линии < 10/4 вместе с емкостью Сп представляет контур высокой дробротности (Q = 300 ч- 400), а фидер антенны, под­ ключаемый к этому контуру на расстоянии /2, образует с ним авто­ трансформаторную связь. Настройка на частоту сигнала может осу-

38

ществляться емкостью Сп или поршнем, короткозамыкающим конец отрезка линии. Связь фидера с резонатором может быть трансформатор­ ной и емкостной и обеспечивается с помощью витка или штыря, поме­ щаемых в пучности магнитного или электрического поля соответст­ венно.

Во входных цепях приемников сантиметровых волн применяют резонаторы в виде отрезков полых металлических волноводов, обла­ дающих малым затуханием (d да 10-4). На рис. 2.5, б схематически изо­ бражена входная цепь с резонатором в виде отрезка прямоугольного волновода с поперечными размерами а2 я Ь2 и длиной I ^ пХ0/2, где Я„ — резонансная длина волны в свободном пространстве. Он соосно сочленен с прямоугольными волноводами меньшего поперечного сече­ ния аг и Ьх. Такое сочленение в простейшем случае представляет собой стык двух однородных волноводных линий передачи с различными волновыми сопротивлениями (волноводный трансформатор). Часто резонатор имеет поперечные размеры, одинаковые с размерами волноводной линии передачи. Он образуется участком волновода длиной /, ограниченного с обеих сторон тонкими токопроводящими перегород­ ками (диафрагмами), частично перекрывающими поперечное сечение волновода. Так, например, при уменьшении зазора между широкими стенками волновода образуется емкостная диафрагма, а при умень­ шении зазора между узкими стенками — индуктивная диафрагма; при уменьшении зазора по всему поперечному сечению может быть по­ лучена резонансная диафрагма. На частоту сигнала резонатор часто настраивают, изменяя его размеры, а также вводя в его объем винт или плунжер.

Для передачи энергии по прямоугольным волноводам используют поперечные электрические (ТЕ) или магнитные (ТМ) волны, основным типом которых является волна Н10. Поперечные размеры резонатора

где а, Ь — размеры широкой и узкой сторон волновода; обычно а ~

=(0,7 ч- 0,9)Я, Ь да 0,5 а.

Вмалогабаритной аппаратуре дециметровых и сантиметровых волн находят применение также полосковые линии передачи или по­ лосковые волноводы. Их часто используют при создании элементов конструкции различных СВЧ узлов: антенных делителей мощности, фильтров, направленных ответвителей и т. д. На рис. 2.6, а изображены два основных типа полосковых волноводов — открытый несимметрич­ ный и закрытый симметричный с диэлектрическим фольгированным за­ полнением. Закрытый симметричный волновод образуется двумя пластинами высокочастотного диэлектрика, покрытыми с внешних сто­ рон металлической фольгой. Между ними расположен узкий полоско­

вый проводник шириной Ь. В несимметричном волноводе такой провод­ ник расположен на верхней плоскости фольгированной снизу диэлект­ рической пластины. Напряжение прикладывается между проводником и заземленной поверхностью фольгированной пластины, причем в сим-

39