Садомовский А.С. Приемо-передающие радиоустройства и системы связи (2007)

напряжение, созданное зарядом q, будет возрастать, т. е. в ёмкость будет сообщаться импульс энергии.

q

C

Рис. 3.25

Если в моменты прохождения заряда на ёмкости через «0», ёмкость увеличивать, ёмкость должна отдавать энергию источнику, изменяющему ёмкость. Но так как энергия при нулевом q в ёмкости равна нулю, то отбирать по существу нечего.

Таким образом, за период, при условии изменения ёмкости в такт с изменением её заряда, как показано на рис. 3.25, в ёмкость накачивается энергия за счёт источника, осуществляющая вариацию ёмкости.

Если ёмкость p-n перехода была бы линейной, то рост накачиваемой энергии был бы бесконечный. Вследствие того, что ёмкость p-n перехода нелинейная, в системе наступает стационарный режим колебаний с амплитудой, имеющей определённое усиление по сравнению с амплитудой напряжения, приложенного к ёмкости p-n перехода. Если такой диод включить в колебательный контур, он будет компенсировать потери в контуре, сообщая ему отрицательное сопротивление.

Регенеративный усилитель на туннельном диоде (УТД).

Наибольшее распространение получили туннельные усилители отражательного типа с циркулятором. В усилителе отражательного типа связь между источником сигнала, туннельным диодом и нагрузкой осуществляется через ферритовый циркулятор (рис. 3.26).

101

Рис. 3.26

В качестве избирательной цепи усилителя используется короткозамкнутый коаксиальный резонатор 2, в разрыв центрального стержня которого укреплён туннельный диод 3. Центральный стержень одним концом присоединяется к замыкателю резонатора, через другой его конец подаётся питание на диод с делителя R1 R2. Между корпусом резонатора и этим концом стержня имеется конструктивная блокировочная ёмкость 4, замыкающая этот конец стержня на корпус по переменному току. Вход усилителя 1 коаксиальным кабелем соединяется с циркулятором 5. Конструкция усилителя изображена на

(рис. 3.27).

полосковому циркулятору. Направление циркуляции сигнала показано на циркуляторе стрелкой. Сигнал поступает от источника в усилитель в

102

направлении 1−2. Усиленный в усилителе сигнал подаётся на вход приёмника в направлении 2−3. Отражённая от нагрузки волна, появившаяся вследствие несогласования с входом приёмника, поступает по направлению 3−4 в нагрузку, где и поглощается.

Таким образом, циркулятор устраняет обратную связь между выходом и входом усилителя, которая может быть причиной самовозбуждения усилителя и обеспечивает стабильную работу усилителя при рассогласовании с источником сигнала и входом приёмника.

Коэффициент шума усилителя на ТД составляет 4 − 6 дБ, и усилитель может работать в диапазонах частот 0,25 − 19 ГГц, при усилении 10 − 20 дБ в полосе частот до 40% средней частоты усиливаемых сигналов.

Недостатком их является малый динамический диапазон, низкая электрическая прочность, значительная зависимость параметров от изменения условий окружающей среды.

УТД используется в качестве входных устройств малогабаритных СВЧ приёмников бортовой аппаратуры радиоуправляемых летательных аппаратов.

Регенеративные параметрические усилители.

Параметрическими усилителями называются устройства,

осуществляющие усиление радиосигналов и преобразование их частоты с использованием параметрической нелинейной ёмкости p-n перехода варикапа, изменяющейся с частотой гетеродина.

В усилителе происходит преобразование энергии колебаний гетеродина в энергию усиливаемого сигнала, как бы перекачка энергии из гетеродина в нагрузку усилителя. Поэтому гетеродины параметрических усилителей называют генераторами накачки. Схема двухконтурного параметрического усилителя с варикапом представлена на (рис. 3.28).

Рис. 3.28

При воздействии на нелинейную ёмкость p-n перехода варикапа двух напряжений с частотами ƒГ и ƒС происходит преобразование с выделением на контуре, настроенном на частоту ƒПР , сигнала промежуточной частоты ƒПР = ƒГ – ƒС или ƒПР =ƒГ + ƒС в зависимости от настройки контура. В первом случае говорят о преобразовании вниз, во втором случае – о преобразовании вверх. При этом энергия генератора с частотой накачки передаётся как в контур

103

с частотой сигнала, так и в контур с промежуточной частотой. Таким образом, усиленный сигнал можно снимать или на промежуточной частоте, или на частоте сигнала.

При усилении с преобразованием вверх ƒПР =ƒГ +ƒС усиление по мощности зависит от отношения частот ƒ0ПР/ƒС , и усиление считается нерегенеративным. Снимается усиленный сигнал через однонаправленный ферритовый вентиль с контура, настроенного на промежуточную частоту ƒПР = ƒГ + ƒС.

При усилении с преобразованием вниз ƒПР =ƒГ – ƒС происходит обратный процесс преобразования за счёт приложенных к p-n переходу напряжений с частотами ƒПР и ƒГ. Преобразованный сигнал в результате обратного преобразования имеет частоту ƒС =ƒГ –ƒПР. Он выделяется в сигнальном контуре. Его мощность превышает мощность входного сигнала. Иначе говоря, за счёт обратного преобразования в сигнальный контур вносится отрицательное сопротивление, за счёт чего осуществляется усиление на частоте сигнала. Такой процесс усиления называется регенеративным.

Вследствие того, что и входной, и усиленный сигналы находятся на одном сигнальном контуре, их разделение осуществляется с помощью 4-плечевого ферритового циркулятора, как и в усилители на туннельном диоде.

Их основные параметры:

Шумовая температура для неохлаждённого ПУ ТШ=50 − 100К, для охлажденного – ТШ = 20 − 50К.

Коэффициент усиления 10 − 20 дБ. Полоса усиливаемых частот 0,5 –7%. Диапазон рабочих частот 0,3 – 35 ГГц.

3.4 Преобразователи частоты

3.4.1 Принцип преобразования частоты

Преобразователи частоты – это устройства, осуществляющие перенос спектра частот сигнала из одной области частот в другую без изменения характера модуляции (рис. 3.29).

А(f)

f

Рис. 3.29

104

Например, при преобразовании амплитудно-модулированного колебания изменяется только частота несущего колебания, а закон амплитудной модуляции остаётся неизменным (рис. 3.30).

UC(t)

t

UПР(t)

t

Рис. 3.30

На структурных схемах преобразователь частоты обозначается:

В результате преобразования несущее колебание изменяется по частоте; новое значение частоты называется промежуточной ƒПЧ. Промежуточная частота может быть как выше, так и ниже частоты сигнала ƒС; в первом случае происходит преобразование частоты вверх, во втором − вниз.

Для преобразования частоты используется нелинейный элемент (НЭ), на который подаются колебания одновременно двух частот: колебания с частотой сигнала ƒС и колебания с частотой вспомогательного генератора (гетеродина) ƒГ

(рис. 3.31).

UГ, ƒГ

Гетеродин

Рис. 3.31

105

3.4.2 Условия линейного преобразования частоты

При воздействии на НЭ косинусоидального напряжения гетеродина крутизна ВАХ в рабочей точке изменяется (рис. 3.32).

Sm1

S0

t

UГ

Если ВАХ имеет квадратичный характер, т. е. i=a·U2, то крутизна её S=di/dt=2aU имеет линейную зависимость от приложенного напряжения (в данном случае напряжения гетеродина).

Преобразование будет линейным, если будут выполнены следующие условия:

1.ВАХ НЭ в пределах изменения напряжения гетеродина должна быть квадратичной.

2.Амплитуда напряжения гетеродина должна быть значительно больше амплитуды напряжения сигнала (Umг>>Umс).

3.Фильтр на выходе смесителя должен быть идеальным, т. е. выделять только составляющую промежуточной частоты.

3.4.3Параметры преобразователя частоты

Параметры преобразователя частоты – это коэффициенты, устанавливающие количественную связь между токами и напряжениями в схеме преобразователя.

Если параметры преобразователя не зависят от нагрузки на входе и выходе, то они называются внутренними, или собственными параметрами, если зависят от нагрузки – называются внешними.

Внутренние параметры:

1. Крутизна преобразования SПР

107

При правильном согласовании НЭ с нагрузкой можно с малой ошибкой считать:

1.Входная проводимость УВХ G110 .

2.Выходная проводимость УВЫХ G220 .

Все параметры преобразователя зависят от режима работы, т. е. от амплитуды напряжения гетеродина.

3.4.4 Простой диодный преобразователь частоты

UГƒГ

Рис. 3.33

108

Принцип работы

Колебательный контур L1C1 создаёт нагрузку на частоте ƒС, колебательный контур L2C2 создаёт нагрузку на промежуточной частоте ƒПЧ . Для других частот контуры создают нулевую нагрузку. Таким образом, на диод действует суммарное напряжение UД=UC+Ur+UПЧ. Под действием суммарного напряжения ток диода имеет составляющие: постоянного тока, гармоники гетеродина и сигнала и комбинационные составляющие (рис. 3.34).

Рис. 3.34

Контур L2C2 выделяет напряжение составляющей промежуточной частоты

ƒПЧ=(ƒГ- ƒC).

В простейшей схеме диодного преобразователя частоты в составе тока диода очень много комбинационных составляющих. При плохом согласовании, недостаточной фильтрации, неточном выборе режима работы часть амплитуды составляющих тока диода может проходить на выход, что искажает сигнал промежуточной частоты. В этом главный недостаток простой диодной схемы ПЧ.

Параметры Так как диод двухполюсник, то его входные и выходные внутренние

параметры одни и те же.

G220= G110 =S0,

μПР − внутренний коэффициент преобразования.

При согласованном включении схемы преобразователя с источником сигнала и нагрузкой:

109

Вывод. Параметры диодного ПЧ зависят в основном от крутизны ВАХ диода, которая в свою очередь зависит от режима работы диода.

Режимы работы простого диодного ПЧ

ВАХ полупроводникового диода имеет два участка: квадратичный и линейный. В зависимости от того, на каком участке выбрана рабочая область, различают два режима работы диодных преобразований частоты.

а) Работа на квадратичном участке (рис. 3.35)

В этом режиме под действием UГ крутизна изменяется линейно. Поэтому при работе с отсечкой тока функция S(t) представляет собой последовательность косинусоидальных импульсов с амплитудой Smax и углом отсечки θ. Для определения параметров преобразования в этом режиме воспользуемся методом Берга.

ωГ t

Рис. 3.35

110