книги из ГПНТБ / Левичев В.Г. Радиопередающие и радиоприемные устройства [учеб. пособие]

недостатка в одноконтурных усилителях между выходными зажи­ мами и нагрузкой приходится помещать специальное устройство с однонаправленной проводимостью высокочастотных колебаний.

r W r W r r Y tr

/77 вЫХ

Рис. 2 . 143 . Процесс уоиления синусоидального сигнала в пара­ метрическом усилителе

380

жит для настройки цепи накачки. Дополнительными элементами настройки этого волновода являются настроечные винты 6. На­ стройка волновода генератора накачки осуществляется так, чтобы диод оказался в пучности электрического поля волновода 4. В этом случае изменение емкости диода получается максимальным.

Электромагнитная волна входного сигнала, взаимодей­ ствуя с изменяющейся емко­ стью диода значительно уси­ ливается. Выходной сипнал распространяется по сигналь­ ному волноводу навстречу входному сигналу до ферритового циркулятора, после чего эти сигналы разделяются.

кость изменяется при помощи электромагнитного поля, поступаю­ щего к нему по волноводу 4 от генератора накачки. Такой режим

стояния между диодами выбираются так, чтобы по мере прохо­ ждения сигнала происходило нарастание его мощности.

381

Эффективность работы параметрических усилителей принято оценивать при помощи коэффициента усиления по мощности, коэф­ фициента шума и полосы пропускания. В одноконтурных резо­ наторах ПУ получают Л'р =10-т-30 дб при полосе пропускания около 1% от несущей частоты усиливаемого сигнала. Среднее значение коэффициента шума получается менее 2 дб. В ПУ бегу­

вает около 2—3 дб.

В случае необходимости максимального снижения шумов пара­ метрического усилителя прибегают к его охлаждению до темпе­

же неприемлемым, то приходится применять молекулярный уси­ литель.

В молекулярном усилителе электромагнитное иоле сигнала по­ лучает дополнительную энергию от искусственно возбуждаемых молекул парамагнитного кристалла, помещенного в объемном ре­ зонаторе. Резонатор обладает способностью резонировать одно­ временно на двух различных частотах. Это позволяет на одной из частот производить возбуждение кристалла (при помощи гене­ ратора накачки), а на другой частоте осуществлять процесс уси­ ления полезного сигнала.

Для понимания принципа действия молекулярного усилителя необходимо знать особенности излучения и поглощения энергии молекулами. Известно, что молекула любого вещества состоит из атомов, которые непрерывно перемещаются (колеблются или вра­

ми и внешними электронами, которые вращаются вокруг ядра по определенным орбитам.

Движение электронов в атоме и атомов в молекуле определяет их внутреннюю энергию. В молекулярных усилителях световых волн используется внутриатомная энергия. В молекулярных уси­ лителях радиотехнического диапазона используется внутримоле­ кулярная энергия.

Характерно, что собственное вращение молекулы может про­ исходить только с определенными дискретными скоростями. По­ этому и внутренняя энергия молекулы имеет вполне конкретные значения. Принято говорить, что молекулы могут иметь дискрет­ ные уровни энергии. Чем больше внутренняя энергия молекулы, тем выше ее энергетический уровень. Число возможных уровней энергии молекул у различных веществ различно. Различны также и разности между этими уровнями. Очень интересно, что у парамаг­ нитных кристаллов разность между энергетическими уровнями мо­ лекул можно искусственно изменять при помощи постоянного маг­ нитного поля. Это обстоятельство позволяет выбирать рабочую длину волны молекулярных усилителей в различных диапазонах.,

382

В настоящее время предпочтение отдают сантиметровому и деци­ метровому диапазонам волн.

Несмотря на множество возможных энергетических уровней молекул, используются обычно только три уровня. Их называют нижний, средний и верхний. Энергию этих молекул обозначим со­

виях любая физическая система стремится к состоянию наимень­ шей внутренней энергии. Кристалл с минимальным энергетическим уровнем способен только поглощать энергию электромагнитных волн. При воздействии на кристалл электромагнитной волны гене­ ратора накачки (определенной частоты и мощности) его многие молекулы переходят с нижнего энергетического уровня на верх­ ний. В этих условиях наименьшее число молекул оказывается на среднем уровне. Такое, состояние кристалла называется возбуж­ денным. По условию Бора перевод кристалла в возбужденное со­ стояние такого рода возможен только под воздействием электро­

кулы излучают электромагнитные колебания, синфазные с коле­ баниями сигнала.- Поэтому они отдают свою энергию электромаг­

энергетического уровня над средним. Поэтому очень желательно, чтобы в невозбуждениом кристалле подавляющее большинство молекул находилось на нижнем энергетическом уровне. С целью

383

имеет температуру Г = 3 - 4 - 4° К. Для этого объемный резонатор с рабочим кристаллом помещают в сосуд с жидким гелием.

Поскольку молекулярные усилители работают при температу­ ре, очень близкой к абсолютному нулю, то их тепловые шумы ни­ чтожно малы. Можно считать, что их практически нет. Коэффи­ циент шума таких усилителей Кт~ 1,005.

Ничтожно малые шумы молекулярных усилителей позволяют повысить чувствительность радиоприемных устройств в сотни раз. Но для реализации этой возможности необходимо между молеку­ лярным усилителем и следующим каскадом приемника иметь ферритовый циркулятор. Объясняется это тем, :что у молекулярного усилителя вход и выход обратимы. Поэтому без циркулятора шумы приемника попадут в молекулярный усилитель (через его выход) и после усиления снова будут направлены в приемник.

Коэффициент усиления современных молекулярных усилителей по мощности бывает порядка 20—40 дб при полосе пропускания от десятков килогерц до единиц мегагерц.

Относительно малая полоса пропускания молекулярных уси­

щается) и длительное время приемник имеет резко пониженную чувствительность.

§10. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ АМПЛИТУДНОМОДУЛИРОВАННЫХ КОЛЕБАНИЙ

1.Назначение детектора

Детектор приемника предназначен для выделения полезной ин­ формации из принятых модулированных колебаний высокой ча­ стоты. Следовательно, в детекторе происходит процесс, обратный процессу модуляции. Он называется детектированием.

В приемниках прямого усиления детектор ставится после уси­ лителя напряжения высокой частоты, в супергетеродинных прием­ никах— после усилителя напряжения промежуточной частоты. Та­ кой детектор можно назвать сигнальным, поскольку он осуще­ ствляет процесс преобразования модулированного напряжения вы­ сокой или промежуточной частоты в напряжение того полезного сигнала, для приема которого и предназначается радиоприемное устройство.

Поскольку модуляция может быть амплитудной или частот­ ной, то и детекторы бывают амплитудные и частотные.

384

Амплитудные детекторы применяются для детектирования немодулированных или амплигудно-модулированных колебаний. Та­ кие колебания могут быть непрерывными или импульсными.

Частотные детекторы применяются для детектирования ча­ стотно-модулированных колебаний. Они представляют собой сово­ купность преобразователя модуляции с амплитудным детектором.

Амплитудный детектор бывает необходим и для других целей. Без амплитудного детектирования невозможно осуществить про­ цесс преобразования частоты, а он совершенно необходим в су­ пергетеродинном радиоприемнике. Амплитудные, детекторы при­ меняются также в системах автоматической подстройки частоты гетеродина приемника и в системах автоматической регулировки усиления.

Во всех случаях процесс детектирования основан на использо­ вании нелинейных свойств какого-либо электронного прибора. Ламповые детекторы бывают диодные, сеточные и анодные. Полу­ проводниковые детекторы бывают диодные и транзисторные.

О свойствах детектора судят по его параметрам. Основными параметрами детектора являются коэффициент передачи напря­ жения Кп и входное сопротивление RBX. Чем они больше, тем лучше детектор.

2. Диодный детектор на вакуумном диоде

О с н о в н ы е с х е м ы д и о д н ы х д е т е к т о р о в

В радиоприемных устройствах применяются две ооновныесхемы диодного детектора: схема с последовательным включением

Рис. 2.147. Основные схемы диодных детекторов:

сопротивления нагрузки (рис. 2.147, а) и схема с параллельным включением сопротивления нагрузки (рис. 2.147,6).

Первая схема применяется в качестве основного (сигнального)' детектора приемника, а вторая — в качестве детектора системы

автоматической регулировки усиления или системы автоматиче­ ской подстройки частоты гетеродина.

Для определения коэффициента передачи напряжения и вход­ ного сопротивления детектора необходимо иметь эксперименталь­ но снятую анодную характеристику выбранного диода. Типичный вид такой характеристики показан на рис. 2.148, а. Из нее видно, что диод обладает односторонней проводимостью. При положитель­ ном напряжении на аноде сопротивление диода мало, а при отри­ цательном — велико.

Рис. 2.148. Анодные характеристики детекторного диода:

а — реальная; б — и д е а л и з и р о в а н н а я

У детекторных диодов обычно имеется довольно резкий изгиб характеристики. Он соответствует положительному анодному на­ пряжению и'а порядка 0,3—0,5 в. Правее изгиба характеристика почти линейна. Поэтому при больших амплитудах входного на­ пряжения (когда положительное напряжение на аноде больше и'^ реальную анодную характеристику диода можно заменить идеали­ зированной, изображенной на рис. 2.148,6.

Идеализированная характеристика диода состоит из двух пря­ мых, соединенных в начале координат. Одна из прямых совпа­ дает с осью отрицательных анодных напряжений, а другая выхо­ дит из начала координат под углом, соответствующим крутизне прямолинейной части реальной характеристики. Детектор с идеа­ лизированной характеристикой диода называют идеальным.

Уравнение идеализированной анодной характеристики диода при положительных анодных напряжениях имеет следующий вид;

Де т е к т и р о в а н и е н е м о д у л и р о в а н н ы х

ко л е б а н и й

Рассмотрим физические процессы в идеальном диодном детек­ торе (рис. 2.147,а), полагая, что на входе его действует напряже­ ние высокой частоты с постоянной амплитудой. В этом простей­ шем режиме работы детектор представляет собой обычный однополупериодный выпрямитель с емкостным фильтром. На его вы-

386

Из этой формулы видно, что коэффициент передачи напряже­ ния диодного детектора всегда меньше единицы.

Выведем уравнение, позволяющее расечитать угол отсечки анодного тока диода по известным параметрам схемы детектора. Мгновенные значения анодного тока диода равны

ia = S-aB = S ( в в х — и в н х ) = S (Um в х cos Ы — Um D X • cos 6) = = 5 • Um B X (cos ®t — cos 0).

Из этого уравнения видно, что при выбранном диоде угол от­ сечки 9 его анодного тока зависит от сопротивления нагрузки Rn. Решить это уравнение относительно угла б можно только графииёским способом. Для этого необходимо воспользоваться графи­ ком, изображенным на рис. 2.149.

В приемниках связи и в радиовещательных приемниках сопро­ тивление нагрузки детектора обычно бывает порядка сотен килоом. При такой большой величине сопротивления R„ угол отсечки анодного тока диода очень мал (единицы градусов). В этом слу-

388

чае уравнение (2.249) может быть решено приближенными алге­ браическими методами, и тогда для угла 0 получается следую­ щая формула:

з / зтс

По этой формуле угол 0 определяется в радианах. Найдем входное сопротивление детектора.

Мощность, отдаваемая детектору предыдущим каскадом, рас­ ходуется на его входном активном сопротивлении. Поэтому мож­ но записать:

Эта мощность в основном потребляется в сопротивлении R B и частично на внутреннем сопротивлении диода. Пренебрегая рас­ ходом мощности на нагрев анода диода, можно записать:

Тогда получается следующее приближенное равенство;

откуда

Пренебрежение потерями энергии в диоде означает, что рас­ сматривается случай, когда / С п ~ 1 . В этом случае имеем

Этой приближенной формулой для определения входного со­ противления диодного детектора пользуются в тех случаях, когда сопротивление R A бывает порядка сотен килоом и больше. При ма­ лых величинах R N (десятки килоом и меньше) формула (2.250) оказывается неточной. В этом случае расчет входного сопротив­ ления детектора лучше производить по более точной формуле:

389