Э. Ред

«Справочное пособие по высоко­частотной схемотехнике»

Часть 2

2. Обзор схем

В этой главе рассматриваются схемы и элементы схем профессиональных приемников, передатчиков и приемопередатчиков. Среди представленных сложных и довольно труд­ных для изготовления схем есть типичные для радиолюбительской и измерительной техники.

Даваемые объяснения, указания и комментарии объединены тематически. Пояснения в тексте большей частью очень краткие. Глава 1, в которой приведены сведения из области 50-омной техники, легла в основу данной главы; последняя содержит также информацию из гл. 3.

2.1. Общий подход к конструированию приемников

Наиболее сложная проблема ВЧ-техники- создание высококачественных схем прием­ников с малыми габаритами и высокими техническими и конструктивными характерис­тиками. Основополагающим узлом является сигнальный тракт, и прежде всего входная часть приемника.

Входная часть приемника определяет чувствительность и динамический диапазон сигналов, т. е. охватывает блоки от гнезда включения антенны до выделения про­межуточной частоты, а также непосредственно связанный со смесителем гетеродинный тракт, который, как правило, специально не рассчитывается.

Прежде всего следует различать приемники для частотного диапазона до 50 МГц и для диапазона более высоких частот. В первые в соответствии с рис. 2.1 поступают значительные входные мощности; эти приемники должны обладать широким динами-

Рис. 2.1. Средняя загрузка частотного диапазона 10 кГц 1 ГГц сигналами излучения: вверху при полосе измерения 1 МГц, внизу при 10 кГц. Точки компрессии приемника должны быть выше верхнего параметра на > 10 дБ.

Рис. 2.2. Средняя загрузка частотного диапазона 0,3-300 МГц различными составляющими внешнего шума. Для коэффициента шума приемника следует выбирать параметр «С», за исключением внеземной связи, когда в качестве критерия выбирается параметр «G».

Рис. 2.3. Зависимость выходной мощности на каждый тон (частоту) от входной мощности на каждый тон (частоту). По оси ординат отложена относительная величина, т.е. отношение выходной мощности к входной плюс усиление мощности приемника (функционального звена).

ческим диапазоном, а их чувствительность лишь ненамного превышает уровень внеш­него шума. С увеличением частоты снижаются уровни мощности внешних сигналов и внешнего шума, поэтому динамический диапазон на частотах выше 50 МГц может понижаться, а чувствительность, как видно из рис. 2.2, может постепенно увеличи­ваться.

Точка компрессии КР, т.е. абсолютная граница практически линейной амплитудной характеристики, должна быть во всем рабочем диапазоне частот на 10 дБ выше верх­ней кривой на рис. 2.1; точка пересечения 1Р₃, очень важная в отношении интер­модуляции, равна КР плюс 10-20 дБ. Рекомендуется субоктавная ВЧ-фильтрация, од­нако следует использовать по возможности полосовые фильтры с отношением гранич­ных частот менее 1:2. При выполнении этих рекомендаций можно значительно проще преодолеть влияние увеличения мощности сигнала, которое происходит в диапазоне < 15 МГц в последней четверти суток. Ключ к решению проблемы выбора динами­ческого диапазона сигналов-рис. 2.3.

При выборе коэффициента шума F_RX приемника следует ориентироваться на па­раметр «С» уровня внешнего шума F_ex (рис. 2.2). Если F_RX = F_ex, получается мини­мальный уровень шума на выходе, который на 3 дБ выше, чем в отсутствие внешнего шума, т. е. следует выбирать F_RX » F_ex — 3 дБ; при этом необходимо учитывать затуха­ние антенных кабелей как дополнительной составляющей F_RX. Так как сигналы на Земле обычно принимаются в диапазоне атмосферного теплового шума с температурой

Т_ех « 290К = « 17°С = F_M « 3 дБ, то значения F_RX ниже этого порога вряд ли имеют смысл. Исключением является космическая радиосвязь в относительно малошумящем диапазоне > 200 МГц при оптимальном выборе направления антенн; в данном случае необходимо определять F_RX в соответствии с параметром «G» (см. рис. 2.2), но практически коэффициент F_RX должен быть как можно меньше, так как Т_ех » 50К = — 223°С =F_eX « 0,7 дБ. Зависимость F от Т представлена на рис. 2.4¹'.

Между 1Р₃ и RF_RX должен быть большой интервал, так -как он определяет два чрезвычайно важных качественных признака-динамический диапазон 1-го и 3-го по­рядков DBj и DB₃. Оба диапазона начинаются от RF_RX; DBj имеет интервал до КР, где полезный сигнал ограничивается, а DBj-до уровня допустимого значения интер­модуляционных помех, который измеряется при подаче на вход приемника двух частот с одинаковыми уровнями (см. рис. 2.5). Более важен динамический диа­пазон DB₃, так как он включает уровень первичных собственных интермодуляционных помех 3-го порядка P_s3, которые равны уровню RF_RX; при увеличении их на 3 дБ пороговая чувствительность уменьшается на ту же величину. Последнее показывает, что F_RX ненамного меньше F_ex из-за интермодуляционных составляющих. Динами­ческий диапазон увеличивается с помощью омического высокочастотного аттенюатора, устанавливаемого за гнездом включения антенны, в такой же степени увеличиваются КР и IP. Эту зависимость необходимо тщательно проанализировать.

Расширения динамического диапазона добиваются путем введения однократного преобразования частоты. Каждое дальнейшее преобразование понижает величины КР и IP, и в результате уменьшается динамический диапазон DB. Следовательно, и эту проблему мы должны также изучить.

Многократное преобразование необходимо в том случае, когда только таким об­разом можно обеспечить требуемое затухание по зеркальному каналу, и/или затухание по промежуточной частоте ^ 70 дБ, и/или когда оптимальная промежуточная частота находится в диапазоне приема, и/или высокое значение ПЧ препятствует получению желаемой ширины полосы пропускания. Промышленность выпускает кварцевые и мо-

Рис. 2.4. Зависимость коэффициента шума от шумовой температуры для высокочувствительных приемников (функциональных звеньев).

Рис. 2.5. Сзязь между минимальным уровнем шума (шумовая дорожка) и граничными зна­чениями динамических диапазонов. Динами­ка и граничные значения мощности зависят от ширины полосы.

нолитные фильтры, обеспечивающие полосы пропускания порядка 25-3500 Гц/МГц (для вышеизложенных целей).

Учитывая это, в приемниках с рабочей частотой до 1 ГГц используют максимально две ступени преобразования, а при ширине полосы более 1 кГц-как правило, одну.. Прием сигналов с полностью или частично подавленной несущей осуществляется с использованием одного или нескольких детекторов-смесителей.

При проектировании схем руководствуйтесь следующим правилом: усиление между гнездом включения антенны и каскадами, обеспечивающими избирательность по соседнему каналу (т. е. во входной части), должно быть как можно меньше, чтобы обеспечить требуемый коэффициент шума приемника. При проектировании следует а) проявлять крайнюю осторожность в выборе усиления высокой частоты; б) смеситель для разгрузки последующих каскадов всегда выполнять пассивным (т.е. с усилением < 1); в) использовать по возможности малошумящий предусилитель промежуточной частоты с диплексером со стороны входа f_z = f_u ± f_h; г) после этого каскада устанав­ливать схему, обеспечивающую избирательность по соседнему каналу. Сверхвысокое усиление вызывает перегрузку и снижение КР и IP, а также обоих DB.

Принимается, что точка IP_i3 каждого последующего каскада должна быть выше на 3 дБ или больше, чем соответствующая точка 1Р₀₃ предыдущего каскада, так как только таким образом можно устранить взаимное влияние и избежать потери качества сигнала. То же самое относится и к точкам компрессии КР_; и КР₀, но здесь достаточ­но превышения на 1 дБ или немного больше. В качестве исходной точки этого «ориен­тируемого назад» способа вычислений следует использовать узел, обеспечивающий избирательность по соседнему каналу, так как он, будучи самым слабым звеном

функциональной цепи, выдерживает не больше + 10 дБм = 10 мВт промежуточной частоты; внеполосная энергия сигнала может быть выше. В полосе пропускания квар­цевых и монолитных фильтров IP_i3 возрастает от уровня + 30 (> 50) дБм.

В заключение следует отметить, что сигнальный тракт входной части приемника вплоть до ПЧ-тракта должен быть высоколинейным в интересах оптимального ка­чества сигнала. Следует избегать ограничений и других нелинейных эффектов ПЧ-фильтров; при цифровой обработке ПЧ-сигналов не отказываются от предвари­тельной фильтрации. Высокая линейность необходима также для связанного со смеси­телем комплекса задающего генератора.