Глава3 (лекции по УППС (УПОС))

Глава 3. Избирательные устройства

3.1 ХАРАКТЕРИСТИКА ВХОДНЫХ ЦЕПЕЙ

Входные цепи приемника связывают антенну с первым усилительным или преобразовательным прибором, который в дальнейшем будем называть активным элементом (АЭ). Основное назначение входной цепи (ВЦ) – передача сигнала от антенны к входу первого активного элемента приемника, предварительная фильтрация помех на частотах побочных каналов приема, а также интенсивных по уровню помех.

Рис. 3.1 – Трансформаторная связь между LC- контуром и антенной

Входная цепь представляет собой пассивный четырехполюсник, содержащий один или несколько резонаторов, в частности колебательных контуров, настроенных на частоту принимаемого сигнала. Наиболее просты в технической реализации одноконтурные ВЦ – рис. 3.1…3.3. Двух- и многоконтурные входные цепи применяются при очень высоких требованиях к избирательности.

Рис.3.2 – Емкостная связь входного контура с антенной

Одноконтурные ВЦ особенно часто встречаются в приемниках с переменной настройкой. Схемы на рис. рис.3.1…3.3 отличаются способами связи входного контура с антенной: трансформаторная связь между входным контуром L_КC_К и антенной – рис. 3.1; емкостная связь входного контура с антенной – рис.3.2; автотрансформаторная связь входного контура с антенным фидером – рис.3.3.

Связь входного контура с активным элементом (АЭ) может быть полной или частичной в зависимости от входного сопротивления АЭ. Имеющий малое входное сопротивление БТ обычно подключается частично, для ПТ возможно полное подключение.

Рис. 3.3 – Автотрансформаторная связь входного контура с антенным фидером

Основные электрические характеристики входных цепей:

1. Коэффициент передачи напряжения – определяется как отношение напряжения сигнала на входе первого АЭ приемника (U_ВХ) к ЭДС в антенне Е_ВХ, а в случае магнитной (ферритовой) антенны – к напряженности поля сигнала.

2. Полоса пропускания – ширина области частот с допустимой неравномерностью коэффициента передачи.

3. Избирательность – характеризует уменьшение коэффициента передачи напряжения K(f) при заданной расстройке f = f – f₀ по сравнению с резонансным значением K₀ (1.2): Se = K₀ /K(f).

4. Перекрытие диапазона частот – входная цепь должна обеспечивать возможность настройки на любую частоту заданного диапазона приемника, и при этом показатели (коэффициент передачи, полоса пропускания, избирательность и т. п.) не должны заметно изменяться; диапазон рабочих характеризуется коэффициентом перекрытия диапазона k_Д = f_0max / f_0min.

5. Постоянство параметров ВЦ при изменении параметров антенны и АЭ – это важно при ненастроенных антеннах, которые вносят в ВЦ активное и реактивное сопротивления; вносимое активное сопротивление увеличивает потери ВЦ, расширяет полосу пропускания и ухудшает избирательность;

вносимое реактивное сопротивление изменяет настройку ВЦ.

3.2 ЭКВИВАЛЕНТЫ ПРИЕМНЫХ АНТЕНН

Приемную антенну, находящуюся в электромагнитном поле, можно представить в виде эквивалентного генератора ЭДС Ė_А или тока İ_А – рис. 3.5. Внутреннее сопротивление генератора ЭДС в общем случае содержит активную и реактивную составляющие Z_A = R_A + jX_A. Электродвижущая сила эквивалентного генератора Ė_А = Ę/h_Д, где Ę – напряженность электрической составляющей поля сигнала в месте приема; h_Д – действующая высота (или длина) антенны.

Рис.3.5 – Эквивалентные генераторы ЭДС – а) и тока – б)

Параметры эквивалентного генератора тока определяются выражением

İ_А = Ė_А/Z_A = Ė_АY_A, (3.1)

где Y_A = 1/Z_A = G_A + jB_A — комплексная проводимость антенны.

Активная G_A и реактивная B_A составляющие проводимости антенны

G_A = R_A / |Z_A|²; B_A = – X_A / |Z_A|². (3.2)

Сопротивление (импеданс) Z_A ненастроенной антенны зависит от частоты – антенна представляет собой цепь с распределенными параметрами. В сравнительно узких интервалах частот можно использовать относительно простые эквиваленты реальных антенн. Если размеры антенны невелики по сравнению с длиной волны, то схема замещения антенны может быть представлена в виде последовательного соединения индуктивности L_A, емкости C_A и активного сопротивления R_A – рис. 3.6, а). В области очень низких частот, когда L_A « 1C_A, можно пренебречь индуктивностью, и тогда схема замещения антенны будет содержать только емкость C_A и активное сопротивление R_A – рис. 3.6, б).

Рис. 3.6 – Схемы замещения ненастроенной антенны

В диапазоне декаметровых волн реактивное сопротивление ненастроенных антенн может иметь как емкостный, так и индуктивный характер. В диапазоне метровых и более коротких волн используют антенны, настроенные на среднюю частоту диапазона, на которой антенна обладает активным сопротивлением R_A. Если это сопротивление равно волновому сопротивлению фидера _A, то антенна присоединяется к фидеру непосредственно, в других случаях – через согласующее устройство. Антенна совместно с фидером эквивалентна генератору ЭДС Ė_А с внутренним сопротивлением _A или генератору тока İ_А с проводимостью G_А = 1/_A.

В диапазоне СВЧ вместо ЭДС или тока удобнее рассматривать номинальную мощность антенны, поскольку при наличии трансформирующих элементов напряжение и ток изменяются, а мощность остается постоянной. Номинальная мощность

Р_ном = S_Д_AĘ²/120,

где _A – КПД антенны при согласованной нагрузке; S_Д – действующая площадь антенны; Ę – напряженность электрической составляющей поля сигнала в месте приема.

3.3 СПОСОБЫ ПЕРЕКРЫТИЯ ЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА

Плавно настраивать контуры в заданном диапазоне частот можно, изменяя индуктивность или емкость либо одновременно и то и другое.

Перестройка контура с помощью индуктивности при постоянной емкости контура приводит к резкому изменению его добротности. Характеристическое сопротивление контура _К и его затухание d_К можно выразить через емкость контура:

_к = 1/₀С_К; d_К = r/_к = r₀С_К.

Вследствие поверхностного эффекта в проводах катушки и диэлектрических потерь сопротивление r растет почти пропорционально частоте настройки – затухание d_К, называемое конструктивным, пропорционально квадрату частоты, а полоса пропускания П_0,7 = f₀d_К и резонансная эквивалентная проводимость контура G_К = d_К/_К= d_К₀С_К пропорциональны кубу частоты. Следовательно, при настройке контура с помощью индуктивности его показатели по диапазону резко изменяются.

При настройке контура путем изменения емкости его параметры, выраженные через индуктивность, имеют вид

_К = ₀L_К; d_К = r/_К = r/₀ L_К.

Считая r пропорциональным частоте, видим, что затухание, а следовательно, и добротность контура Q_К не зависят от частоты. Полоса пропускания и эквивалентное сопротивление контура

R_К = 1/ G_К = ₀L_КQ_К

пропорциональны частоте. Следовательно, настройка емкостью сопровождается менее резкими изменениями параметров контуров. Поэтому контуры в относительно широком диапазоне частот обычно настраивают изменением емкости. Настройка индуктивностью используется при небольших перекрытиях диапазона.

При настройке емкостью коэффициент перекрытия диапазона

k_Д = f_0max /f_0min =

Как правило, k_Д  3. Если приемник должен работать в более широком диапазоне частот, то диапазон разбивают на поддиапазоны.

Переход с одного поддиапазона на другой осуществляют переключением индуктивностей. Если плавная настройка внутри поддиапазона ведется изменением индуктивности, то от одного поддиапазона к другому переходят переключением конденсаторов.

Обычно применяют два способа разбиения диапазона на поддиапазоны: с постоянным частотным интервалом – рис. 3.7; с постоянным коэффициентом перекрытия.

3.3.1 Постоянный частотный интервал поддиапазонов (рис. 3.7) – разность максимальной и минимальной частот у всех поддиапазонов одинакова:

f_0max – f_0min = f_пд = const. (5.3)

Число поддиапазонов N_пд = (f_0max – f_0min)/f_пд. В соответствии с (5.3) коэффициент перекрытия поддиапазона

k_д = f_0max/f_0min = 1 + f_пд/f_0min.