книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

формации будут определены по иной методике, которая может быть также использована при рассмотрении входной цепи с двойной авто­ трансформаторной связью.

Входная цепь с трансформаторной связью. Представим антенно­ фидерную систему (см. рис. 2.4, а) генератором э. д. с. Еф с выходным сопротивлением Еф, причем Еф = где — волновое сопротив­ ление фидера, в это сопротивление включим также сопротивление по­

туров, суммарное сопротивление входного контура равно г = гв+Аг, где

Для обеспечения режима согласования антенно-фидерной системы со входом приемника необходимо выполнение условий (2.17). Запишем

Первое условие обеспечивает равенство активных сопротивлений, а второе — равенство нулю реактивного сопротивления на входе при­ емника.

Поставим задачу определения величины индуктивности LCB и взаимоиндуктивности М, обеспечивающих указанный режим согласования.

Во-первых, используя (2.46), представим реактивное сопротивление входного контура выражением

50

Во-вторых, комплексное сопротивление входного контура запишем в виде

где Мсогл — величина взаимоиндуктивности, обеспечивающая режим согласования.

Найдем теперь коэффициент связи, обеспечивающий режим согла­ сования,

Как следует из (2.50), величина k CBCQrn зависит от выбора индуктив­ ности катушки L CB. Для упрощения конструкции входного трансфор­ матора и обеспечения минимальной паразитной связи между катушка­ ми LCB и LKобычно стремятся сделать &св = k CB мин.

Введем величину dCB в виде

dkCBldLCB — 0, приходим к выводу, что минимальный коэффициент связи k CB мин обеспечивается при затухании dCB — 1. Отсюда получаем

том его собственных потерь и шунтирующего действия входа первого каскада.

Таким образом,величина индуктивности связиполучается равной

В соответствии с эквивалентной схемой, приведенной на рис. 2.11, а, можно получить выражения, характеризующие усилительные и изби­ рательные свойства трансформаторной схемы входной цепи; особенно просто они получаются для согласованного режима работы. Однако представим схему в ином виде—с генератором тока / ф и проводимостью £ф (рис. 2.11, б). Нетрудно видеть, что часть схемы, обведенная пунк­ тиром, представляет собой идеальный пассивный четырехполюсник; для определенности примем коэффициент трансформации четырехпо­ люсника равным т = Uaa/U66. В этой схеме эквивалентная активная проводимость нагрузки с учетом резонансной проводимости контура

51

равна g K1 = g H+ gBX, а суммарная емкость контура С = Ск + Свх. Эквивалентность схем, приведенных на рис. 2.11, б и 2.10, б, позво­ ляет рассчитать основные характеристики входной цепи — коэффи­ циент передачи, полосу пропускания и др. по формулам, полученным для схемы с автотрансформаторной связью.

В заключение сделаем замечание о входных цепях на распреде­ ленных элементах. Анализ входных цепей на распределенных элемен­ тах представляет собой сложную электродинамическую задачу, пре­ дусматривающую рассмотрение структуры электромагнитных полей. В ряде случаев анализ может быть существенно упрощен и проведен на основе общей теории цепей, если использовать представление ре­ зонансных систем с распределенными элементами в виде простых экви­ валентных LCR-контуров. Последнее широко используют в технике сверхвысоких частот и рассматривают в специальных курсах [4, 5j.

2.4. Анализ входной цепи при ненастроенной антенне

Проведем анализ схемы входной цепи с трансформаторной связью, эквивалентная схема которой изображена на рис. 2.12, а. В ней антен­ на представлена эквивалентным генератором Е А и последовательным соединением активного сопротивления /?Л и емкости СА, что отличает

Рис. 2.12

указанную схему от подобной схемы при работе ее с настроенной ан­

тенной; в сопротивлении R A учтено также активное сопротивление ка­ тушки связи.

Как и прежде, включим емкость входа первого каскада в емкость контура. Резонансную проводимость контура gK и активную проводи­ мость входа первого каскада gBX представим сопротивлениями г к и Аг соответственно, включенными последовательно в контур; при этом гк = = p2g Hи Аг = р2£вх. За счет взаимоиндуктивности М между катушка­ ми контура L Kи связи 1 СВ антенный контур вносит комплексное сопро-

62

тиЕление во входной контур, а входной контур в свою очередь вносит такое же сопротивление в антенный контур. С учетом принятых пре­ образований и вносимых в антенный контур сопротивлений, опреде­ ляемых выражениями

приходим к новой эквивалентной схеме, приведенной на рис. 2.12, 6. В полученной системе из двух связанных контуров входной контур перестраивается на частоту полезного сигнала, а параметры антенного контура сохраняются неизменными; они могут меняться только при

о)0мин — ©омакс >что обеспечивает большую равномерность резонанс­ ного коэффициента передачи в этом диапазоне частот.

Как уже отмечалось, связь между катушками LCB и L Kвыбирается

режим согласования при работе с настроенной антенной системой. При работе с ненастроенной антенной наиболее важно обеспечение высокой избирательности входной цепи и минимальных искажений сигнала, чем получение наибольшего коэффициента передачи. Требо­ вание наибольшей избирательности обусловлено наличием большого числа передатчиков и сравнительно небольшим различием частот зер­ кального и основного каналов приема, что имеет место в вещательных

исвязных приемниках диапазона умеренно высоких частот. В совре­ менных приемниках все контуры настраивают одной ручкой управле­ ния; поэтому заметная расстройка входного контура относительно дру­ гих контуров, получающаяся из-за вносимого реактивного сопротив­ ления, может привести не только к большим искажениям сигнала, но

инарушить нормальную работу приемника. Как будет показано далее, уменьшению величины связи сопутствует лучшая равномерность резо­ нансного коэффициента передачи в диапазоне рабочих частот. Снижение коэффициента передачи, как правило, не приводит к снижению чувст­ вительности приемника; в рассматриваемом диапазоне волн она опре­ деляется не внутренними, а внешними помехами, которые передаются входной цепью одинаково с полезным сигналом.

Коэффициент передачи. Первоначально определим ток, протекаю­

щий в антенном контуре под действием генератора э. д. с. £ Ав виде

(2.56)

АД д +rcoW /Z2 -(-/(a)LCB-l/(o C A- 0 ) 2M2XK,Z|)*

При слабой связи величина ((oLCB — 1/соСА) > согЛ42Х K/ZJ;

53

поэтому

R a + rm2M 2/ Z 2 + j (соLCB — l/(oCA)

Теперь запишем э. д. с. взаимоиндуктивности, наводимую во вход­ ном контуре,

которая на резонансной частоте входного контура будет равна

где величина тока / А0 определяется выражением

Поскольку антенный контур расстроен относительно входного контура и в нем на частоте сигнала преобладает реактивное сопротив­ ление, то можно принять

где d3 ж р (гн + Дг) = d„ + dm ; dBH— затухание, вносимое во вход­ ной контур, без учета влияния антенной цепи

Используя выражения (2.49), (2.61) и (2.62), получаем выражение для коэффициента передачи в виде

м

где хА= соА/со0 — безразмерный параметр.

Формула (2.64) соответствует случаю работы с понижением собст­ венной частоты антенной цепи (хА< 1). Для другого случая, соответст­ вующего работе с повышением собственной частоты антенной цепи, следует заменить слагаемое в знаменателе (1 — х!) на (х! — 1), что повлияет только на фазу высокочастотного сигнала (хА> 1).

54

Для приближенной оценки изменения К0 в диапазоне рабочих час­ тот можно принять, что затухание контура dK, а следовательно, и эк­ вивалентное затухание da, и коэффициент связи /гсв сохраняются не­ изменными. Тогда изменение /С0 будет в основном определяться пара­

пазона будет различаться всего в два раза. Поскольку в действитель­ ности затухание входного контура не сохраняется неизменным, то следует внести некоторую поправку в закон изменения К0 от частоты сигнала. На умеренно высоких частотах величина dK может меняться в пределах 30%.

Коэффициент связи входного контура с антенной. При выборе степени связи будем исходить из условия получения умеренного сдвига резонансной частоты входного контура. Величина вносимого реактивного сопротивления из антен- &ого контура во входной контур для случая, при котором антенный контур рас­ строен относительно входного, равна

63

но определяемого частотой антенного контура и резонансной частотой входного контура, т. е. хА = ф (соА> со0).

При эксплуатации приемника с разными антеннами и перестройке входно­ го контура в диапазоне рабочих частот максимальное значение модуля вносимой

можно скомпенсировать при регулировке приемника, например увеличением индуктивности LB входного контура. Тогда наибольшая относительная расстрой­ ка входного контура определится выражением

где 6LBHмаис — максимальное значение нескомпенсированной части вносимой индуктивности.

Для допустимой величины kCB можно получить выражение

в котором относительную расстройку выбирают из условия

обеспечивающего сохранение частоты сигнала в пределах полосы пропускания входного контура.

Электрический коэффициент связи, вычисленный по (2.71), может оказать­ ся больше конструктивно выполнимого kCBк; в этом случае его действительное

56

2.5. Шумовые свойства антенно-фидерной системы

Реальная чувствительность радиоприемника определяется внешним шумом, воспринимаемым приемной антенной, и внутренним флюктуанионным шумом, возникающим в самом приемнике. Поэтому в общем случае интенсивность шума на входе приемника может быть представ­ лена в виде

где Яш вн> Яш пр — мощности внешнего шума и внутриприемного шу­ ма, пересчитанные на вход приемника, соответственно.

Как указывалось в гл. 1, на выходе приемной антенны действует суммарная мощность шума; она складывается из мощности шума, обусловленной внутренними флюктуациями за счет сопротивления потерь антенны га, и мощности внешнего шума, наводимого в антенне внешним электромагнитным излучением. В соответствии с формулой Найквиста средние квадраты наведенного внешнего и внутреннего шума равны

где Талл. . Т п — температуры сопротивлений излучения и потерь ан­ тенны соответственно, причем Тп — температура окружающей среды, принимаемая равной Т = 290 К (Т п — Т).

Средний квадрат результирующего шумового напряжения антенны при статистической независимости внутреннего и внешнего шума ра­ вен сумме составляющих (2.74). Следовательно.

При неодинаковых температурах сопротивлений /?изл и гп темпера­

где т]А= Яизл/Я а — коэффициент полезного действия антенны; по­ скольку гп < ’ Яизл, ТО цА-> 1; Тшп, Т п — температура сопротивле­ ний излучения и потерь соответственно.

Выражение (2.75) представляют иногда в виде

Рассмотрим кратко причины возникновения внешнего шума ан­ тенны. Внешний шум возникает вследствие хаотического теплового движения нейтральных и электрически заряженных частиц вещества пространства, окружающего приемную антенну. Поэтому температура антенны Яазл представляет собой некоторую усредненную величину.

57

Дело в том, что антенна находится в неоднородной среде, отдельные области которой имеют неодинаковую температуру.

Следует также учитывать, что эта температура обусловлена не од­ ной, а несколькими причинами, а именно: антенна воспринимает кос­ мический шум, атмосферный шум и шум Земли. Поэтому температура Ттп зависит также от диапазона рабочих частот, диаграммы направлен­ ности антенны и ее ориентации относительно Земли или горизонта.

Оценивая интенсивность шума шумовой температурой, можно за­

где Т к, Татм, Т3 — шумовые температуры, равные приращению шумо­ вой температуры радиоприемного устройства при воздействии косми­ ческого шума, шума атмосферы и шума

Земли соответственно.

Космический шум (Тк) создается про­ тяженными источниками (межзвездным ионизированным газом и др.) и характери­ зуется общим уровнем фона, на который накладывается излучение дискретных, точечных источников. За счет таких источ­ ников (Солнце, Луна и др.) шумовая тем­ пература Т к будет заметно возрастать при попадании излучения последних не только в основной, но и в боковые лепе­ стки диаграммы направленности антенны;

Согласно рис. 2.14 интенсивность косми­ ческого шума линейно уменьшается с ро­ стом частоты и в сантиметровом диапазоне частот величина Т к ока­

зывается пренебрежимо малой. Максимальное космическое излуче­ ние (линия Г кмакс) наблюдается вдоль экватора Галактики, а мини­ мальное (линия Т кмпм) — в направлении ее полюсов. Энергия атмос­ ферного шума (Гатм), воспринимаемая антенной, максимальна при направлении антенны вдоль поверхности Земли, что соответствует углу места 0 = 0°; в этом случае толщина слоя атмосферы, распола­ гаемого вдоль диаграммы направленности, наибольшая.

Интенсивность шума зависит от частоты и увеличивается с ее' ро­ стом (рис. 2.14). Что касается шума Земли (Тз), то при работе с ма­ лыми углами места (0 ^ 10°), он будет воздействовать на антенну через боковые лепестки ее диаграммы направленности. В подобных случаях

излучает в сторону Земли, если ее используют в качестве передающей, причем шумовую температуру Земли принимают равной Т3 « 290 К.

Приведем ориентировочный расчет внешнего шума. Пусть радиоприемник работает на частоте = 0,7ГГц с остронаправленной антенной, к. п. д. которой

Яд = 0,9, угол места 0 = 10° и коэффициент а = 0,01. На основании рис. 2.14

68