Входные цепи. 
Устройства приема и обработки сигналов

Входной цепью радиоприемного устройства называют цепь, связывающую антеннофидерное устройство с первым каскадом усиления или преобразования частоты радиосигнала.

Основное ее назначение предварительная частотная селекция принимаемого сигнала от помех, ухудшающих реальную чувствительность радиоприемного устройства.

Структура входной цепи существенно зависит от назначения и условий работы радиоприемника и представляет собой пассивный частотно-избирательный 4полюсник.

В общем случае приемная антенна может быть представлена в виде эквивалентного активного двухполюсника, содержащего либо генератор ЭДС, с внутренним сопротивлением, либо генератора тока. с внутренней проводимостью.

Если размеры антенны малы по сравнению с длиной волны принимаемого излучения, то сопротивление складывается из сопротивлений элементов последовательного колебательного контура.

На более длинных волнах, когда влиянием, можно пренебречь, получаем эквивалентную схему антенны, содержащую последовательно включенные Еа, Са. Антенны, имеющие такие эквивалентные схемы, обычно используются в диапазонных приемниках умеренно высоких частот и называются ненастроенными антеннами.

Рис. 11.

В диапазоне СВЧ применяются антенны, настроенные на среднюю частоту принимаемых сигналов, поэтому такие антенны называются настроенными и их эквивалентную схему можно представить в виде последовательного соединения Еа, Ra. Важным параметром настроенных антенн является номинальная мощность сигнала в антенне, определяемая по формуле (4.1):

(4.1).

Основными качественными показателями входной цепи являются:

1. Коэффициент передачи, но напряжению, который определяется как отношение напряжения U сигнала на входе активного элемента к величине ЭДС Е генератора, эквивалентного антеннофидерной системе:

Поэтому коэффициент передачи входной цепи зависит не только от самого входного устройства, но и от сопротивления антенны Zа.

На метровых и более коротких волнах при данной напряженности поля сигнала антеннофидерную систему вместе с ЭДС Е, можно характеризовать величиной номинальной мощности Рном. Следовательно, антенную цепь можно характеризовать коэффициентом использования мощности или коэффициентом передачи по мощности.

(4.3).

Потери во входном устройстве удобно учитывать соответствующим входной проводимостью активного элемента Gвх и выходной проводимостью антеннофидерной системы g. Тогда величина Кр характеризует только рассогласование входа активного элемента с антеннофидерной системой.

Модуль коэффициента передачи по напряжению К и коэффициент использования номинальной мощности Кр связаны простой зависимостью.

(4.4).

где.

Столь простая связь величин К и Кр позволяет в дальнейшем рассматривать лишь одну из них.

Из полученного выражения можно определить предельнодостижимый коэффициент передачи по напряжению. В идеальном случае, при полном согласовании и отсутствии потерь во входном устройстве, во входную проводимость первого активного элемента передается поминальная мощность антеннофидерной системы (Кр = 1), тогда.

. (4.5).

Потери во входном устройстве и рассогласование уменьшают коэффициент передачи по напряжению К.

Наибольший интерес представляет резонансная величина модуля коэффициента передачи по напряжению Кр, так как она характеризует передачу полезного сигнала, на частоту которого настроено входное устройство. Обычно, т. е. большинство входных устройств увеличивают напряжение на входе активного элемента по сравнению с величиной ЭДС антеннофидерной системы. Подчеркнем, что увеличение сигнала достигается за счет трансформации напряжения, а не путем усиления, которое производится активными элементами с дополнительным источником энергии.

• 2. Полоса пропускания входной цепи, в пределах которой неравномерность передачи составляющих спектра принимаемого сигнала не превышает 3 дб.
• 3. Избирательность S1 при заданной расстройке f показывает степень подавления мешающей станции. Для входных устройств супергетеродинных приемников важное значение имеет ослабление приема на зеркальной частоте, которая отличается от частоты полезного принимаемого сигнала на две номинальные промежуточные частоты, а также ослабление приема па частоте, равной номинальной промежуточной частоте. Таким образом, входные цепи супергетеродинных приемников обеспечивают избирательность по зеркальному каналу и по каналу прямого прохождения.
• 4. Диапазон рабочих частот, в пределах которого входная цепь обеспечивает настройку на любую рабочую частоту при сохранении предыдущих показателей (коэффициента передачи по напряжению, полосы пропускания и избирательности) в заданных пределах. Диапазонные свойства обычно характеризуются коэффициентом перекрытия диапазона

(4.6).

Кроме перечисленных параметров в зависимости от назначения радиоприемного устройства к входным цепям предъявляются и другие важные требования, среди которых, в первую очередь, можно отметить требования обеспечения минимального коэффициента шума, минимальной нелинейности частотноизбирательных цепей с электронной перестройкой частоты и т. д. Иногда предъявляются требования слабого влияния разброса параметров антенны на работу входного устройства. Это требование объясняется тем, что многие приемники должны допускать работу от различных антенн, параметры которых могут значительно отличаться от средних значений.

Перечисленные требования в значительной степени противоречивы. Так получение высокого коэффициента передачи по напряжению неизбежно приводит к ухудшению избирательности входного устройства и к увеличению вредного влияния разброса параметров антенны. Поэтому при конструировании входного устройства приходится обращать, основное внимание на некоторые требования, в известной степени жертвуя другими.

Решение вопроса о том, какое требование является наиболее важным зависит от условий работы и назначения приемного устройства.

Входные устройства, работающие на настроенные антеннофидерные системы При работе входных устройств при работе от настроенных антеннофидерных систем следует помнить, что антенну в этом случае можно представить как последовательное соединение генератора ЭДС сигнала и активного сопротивления. При работе с согласованной антенной особое внимание уделяется вопросам согласования, с целью достижения максимального коэффициента передачи по напряжению, так как основным источником помех в этом случае являются собственные шумы приемного устройства. В этом случае удастся получить максимальное отношение сигнал/шум на входе приемного устройства.

Автотрансформаторное входное устройство Этот тип входного устройства нашел широкое применение на практике в приемниках метровых волн при несимметричном типе фидера. Нa более коротких волнах конструктивное выполнение такой схемы затруднительно, однако применяемые в этих диапазонах входные устройства приводятся к эквивалентной схеме автотрансформаторного типа. Поэтому изучению основных свойств таких входных цепей уделяется большое внимание.

Принципиальная схема автотрансформаторного входного устройства приведена на рис.

Настройка на частоту принимаемого сигнала производится изменением либо индуктивности либо емкости (что хуже). Но следует отметить, что настройка емкостью на практике применяется чаще, так как она проще конструктивно. Заменим эту схему эквивалентной (рис.).

Рис. 12.

Рис. 13.

Если антенна согласована с фидером, то сопротивление генератора равно активному волновому сопротивлению фидера W.

Объединим.

. (4.7).

При этом резонансная частота входной цепи может быть определена как.

. (4.8).

Проводимость Gк можно представить в виде.

(4.9).

dк собственное затухание контура LC (обычно порядка 0,01ч0,005).

Обозначим.

. (4.10).

Перейдем от генератора ЭДС к генератору тока, при этом справедливы следующие соотношения.

. (4.11).

Рис. 14.

С учетом этих замечаний мы можем перейти к эквивалентной схеме на базе генератора тока. Эквивалентная схема при этом имеет вид представленный на рис. 4.4. В этом случае колебательный контур заменен эквивалентным с учетом входных параметров активного элемента усилительного каскада.

Генератор тока I с проводимостью g можно пересчитать ко входу активного элемента, при этом значения тока генератора и его проводимости можно представить следующим образом.

. (4.12).

Структурную схему входной цепи для этого случая можно представить в виде.

Рис. 15.

На резонансной4'частоте проводимости индуктивной и емкостной ветвей взаимно компенсируются и схема принимает вид, показанный на рис. 4.6.

Напряжение на входе активного элемента U0 можно определить по следующей формуле.

. (4.13).

Рис. 16.

Тогда резонансный коэффициент передачи по напряжению можно определить как.

. (4.14).

Если уменьшать коэффициент трансформации т, перемещая отвод вниз по катушке индуктивности, то это будет оказывать на работу схемы два встречных действия:

• 1. Генератор слабее воздействует на контур, что учитывается множителем т в числителе выражения (4.14);
• 2. Проводимость g слабее шунтирует контур, увеличивая его добротность, что учитывается множителем m2 при первом члене знаменателя.

В результате совместного действия этих факторов коэффициент передачи по напряжению К0 при некотором т достигает максимального значения. Очевидно, что максимум К0 достигается в режиме согласования нагрузки G с приведенной проводимостью генератора тока I. Из условия согласования определим оптимальное значение коэффициента трансформации.

. (4.15).

Согласование возможно лишь при, т.к. в противном случае, что в рассматриваемом случае неосуществимо.

Коэффициент передачи по напряжению в режиме согласования можно представить в виде.

. (4.16).

На базе полученных выражений можно представить К0 как функцию, mс, для этого разделим числитель и знаменатель выражения (4.14) на mс2 и после несложных преобразований получим.

где .

Зависимость К0 от, а представлена на рис. 4.7.

Рис. 17.

Из представленного графика видно, что умеренное отклонение от режима согласования слабо изменяет величину.

Резонансная кривая входной цепи соответствует резонансной кривой колебательного контура. Оценим затухание такого контура.

(4.18).

где.

затухание контура входной цепи, рассчитанное с учетом собственных потерь и шунтирующего влияния входной проводимости активного элемента, но без учета влияния потерь в антеннофидерной системе.

Зависимость от, а приведена на рис 4.8. Как видно из представленной зависимости при увеличении коэффициента трансформации m затухание d быстро возрастает, а, следовательно, избирательность входного устройства соответственно ухудшается. В режиме согласования при затухание контура входной цепи увеличивается в 2 раза ().

Следовательно, присоединение согласованного фидера антенны вдвое ухудшает затухание контура, рассчитанное с учетом собственных потерь и шунтирующего действия активного элемента.

Из представленных графиков, показывающих изменение коэффициента передачи по напряжению и затухания входной цепи от коэффициента а, следует, что практически выгодно несколько уменьшать коэффициент трансформации по сравнению с режимом согласования, т.к. это почти не изменяет коэффициент передачи по напряжению, но заметно улучшает избирательность входной цепи.

При строгих требованиях к избирательности целесообразно сильно уменьшать коэффициент трансформации, если можно примириться с проигрышем в величине коэффициента передачи.

Необходимо иметь при этом виду, что рассогласование увеличивает потери в фидере и может вызвать в нем многократные отражения, что приводит к нежелательным повторениям принимаемого радиосигнала и искажению принимаемого сигнала.

Рассмотрим, как влияет величина емкости на коэффициент передачи по напряжению и на избирательность входного устройства.

Резонансная проводимость контура равна. Подставим ее в выражения для определения коэффициента передачи по напряжению и затухания при согласовании, тогда получим.

(4.19).

Если изменять полную емкость контура С, то для сохранения настройки на заданную частоту необходимо изменять индуктивность L. При этом собственное затухание контура dк остается приблизительно постоянным. С учетом этих выражений можно сделать вывод, что уменьшение емкости С увеличивает коэффициент передачи по напряжению К0 и увеличивает результирующее затухание d, ухудшая избирательность входной цепи. Это действие изменения емкости проявляется более или менее сильно в зависимости от соотношения проводимостей и .

Чтобы лучше проследить эту зависимость, рассмотрим два крайних случая:

1.

что соответствует случаю работы входной цепи на полевой транзистор (или лампу). В этом случае указанные величины могут определяться по следующим формулам.

(4.21).

. (4.22).

В этом случае уменьшение емкости увеличивает коэффициент передачи по напряжению К0, и не влияет на затухание (т.е. в этом случае избирательность входной цепи не изменяется).

2. что соответствует работе входного устройства на биполярный транзистор. Соответствующие выражения можно представить как.

(4.23).

. (4.24).

В этом случае, наоборот, уменьшение емкости не влияет на коэффициент передачи по напряжению, но увеличивает затухание во входной цепи, тем самым ухудшая ее избирательность.

Рассматривая эти выводы, необходимо помнить, что само соотношение проводимостей и зависит от величины емкости С и может случиться, что малая емкость С будет соответствовать случаю, тогда как при большой емкости будет справедливо соотношение. Необходимо помнить, что уменьшение полной емкости контура С ограничивается указанными выше причинами.

К недостаткам автотрансформаторной входной цепи следует отнести то, что в режиме согласования нельзя получить заданную полосу пропускания входной цепи, т.к. в этом случае затухание во входной цепи увеличивается в два раза.

Двойная автотрансформаторная схема входного устройства Эта схема применяется достаточно часто. В этом случае фидер антенны и вход активного элемента присоединяются к отводам катушки индуктивности контура входной цепи. Принципиальная схема такого устройства может быть представлена следующим образом (Рис. 4.9).

Настройка на частоту принимаемого сигнала производится изменением либо индуктивности либо емкости (что хуже). Но следует отметить, что настройка емкостью на практике применяется чаще, так как она проще конструктивно.

Эквивалентная схема входной цепи может быть представлена в следующем виде (Рис.).

Рис. 18.

Рис. 19.

Заменяя, как и в предыдущем случае, антеннофидерную систему генератором тока I=Eg с проводимостью g=1/W, перейдем к новой эквивалентной схеме. Пересчитаем входную проводимость и входную емкость активного элемента ко входу колебательного контура:

. (4.25).

При этом будем считать, что коэффициенты трансформации определяются по следующим формулам.

. (4.26).

При n=1 исследуемая схема превращается в простую автотрансформаторную схему входной цепи.

С учетом этих замечаний, эквивалентная схема входной цепи этого типа может быть представлена в следующем виде (Рис. 4.11).

Рис. 20.

Она имеет вид, как и в рассмотренной ранее просто автотрансформаторной схемы. Полная емкость контура при этом равна.

(4.27).

и она определяет резонансную частоту входной цепи.

. (4.28).

Проводимость контура равна.

(4.29).

Так как n < 1, то величины Gк, G, C получаются меньше, чем в случае непосредственного присоединения входа активного элемента к контуру.

Таким образом, автотрансформаторное присоединение входа активного элемента к контуру ослабевает его шунтирующее действие на контур. Имеете с тем ослабляется вредное действие разброса входной емкости активного элемента на настройку входного устройства.

Аналогично, как в простой автотрансформаторной связи получим резонансный коэффициент передачи по напряжению К0.

. (4.30).

Если при постоянном m уменьшать n, то это будет оказывать на работу схемы два встречных действия:

• 1. По мере уменьшения n ослабляется шунтирующее действие входа активного элемента на контур, в результате чего убывает проводимость G (в знаменателе указанного выражения) и напряжение на всем контуре возрастает.
• 2. Вместе с тем при уменьшении n, на входе активного элемента действует все меньшая доля Uвх от напряжения U, возникающее на всем контуре.

Рассмотрим два случая:

1.

. Указанное условие выполняется при работе входной цепи на первый каскад, выполненный на полевых транзисторах или лампах.

При этом заметно сказывается лишь второе действие, изменение п почти не сказывается на проводимости G и напряжении U, но изменяет долю Uвх от напряжения U. В результате коэффициент передачи по напряжению К0, меняется почти пропорционально коэффициенту п.

. (4.31).

При этом максимальное значение коэффициента передачи достигается при и мы переходим к простой автотрансформаторной схеме входного устройства.

2. Gвх велико и при этом выполняется условие.

Изменение п влияет на оба фактора. При этом К0, может достигать максимального значения при некотором оптимальном значении. Это значение соответствует согласованию входа активного элемента с антеннофидерной системой при выбранном значении т.

Такое же согласование можно достичь, задаваясь значением п и подбирая соответствующее оптимальное значение mс. При этом условие согласования имеет вид:

(4.32).

Величина mс зависит от выбранного значения п. Следует отметить, что согласование возможно при условии, т.к. в противном случае mс>1, что в данной схеме не осуществимо.

Это условие можно выполнить соответственно выбирая п. В режиме согласования.

. (4.34).

Поэтому резонансный коэффициент передачи по напряжению получается равным.

. (4.35).

Если величина т отличается от mс, то коэффициент передачи по напряжению определяется выражением.

(4.36).

где.

Проследим как влияет выбор п на величину.

. (4.37).

Отсюда видно, что при уменьшении п величина убывает, причем это убывание получается более или менее заметным в зависимости от соотношения величин Gвх и.

Если Gвх невелико, то вторым членом можно пренебречь и учитывая, что обычно выполняется условие, можно получить:

(4.38).

т.е. величина получается пропорциональной п.

В области, где можно пренебречь первым членом, т. е. резонансной проводимостью колебательного контура, и получить следующее выражение:

. (4.39).

Таким образом, величина от выбора п не зависит, что объясняется тем, что мы пренебрегаем потерями в контуре. При согласовании путем совместного выбора т и n номинальная мощность антеннофидерной системы целиком передастся во входную проводимость активного элемента и развивает на ней одно и то же напряжение.

. (4.40).

При этом действие схемы удобно характеризовать общим коэффициентом трансформации от входа активного фидера до входа активного элемента.

. (4.41).

При согласовании величина Мс должна быть равна.

. (4.42).

При этом коэффициент передачи по напряжению в режиме согласования можно представить в виде.

. (4.43).

При работа схемы может быть описана с помощью коэффициента рассогласования следующим образом:

. (4.44).

Избирательные свойства входного устройства определяются его результирующим затуханием.

(4.45).

где — затухание контура, рассчитанное с учетом собственных потерь и шунтирующего действия входного активного элемента, равное.

В режиме согласования .

Рассмотрим как зависит затухание контура входной цепи в режиме согласования от выбора величины. Из последнего выражения следует, что уменьшение снижает затухание, т. е улучшает избирательность входной цепи. Это действие проявляется более или менее заметно в зависимости от соотношения проводимостей и.

При затухание колебательного контура в режиме согласования определяется как, т. е затухание в основном определяется потерями в контуре и не зависит от .

Во втором случае, когда, затухание контура определяется выражением.

. (4.47).

Если, то.

(4.48).

т.е. при уменьшении затухание быстро убывает, что дает соответствующее улучшение избирательности.

Подводя итоги можно отметить, что неполное включение активного элемента позволяет ослабить шунтирующее влияние ее входных емкости и активной проводимости на контур, что улучшает избирательность входного устройства. Коэффициент передачи по напряжению в режиме согласования при этом убывает слабее, чем меньше резонансная проводимость контура по сравнению со входной проводимостью.

Двойная автотрансформаторная связь позволяет выбрать коэффициент трансформации так, чтобы получить заданную полосу пропускания входной цепи в режиме согласования.

При согласовании результирующее затухание равно и полоса пропускания равна, откуда получаем.

. (4.49).

Из соотношения следует.

. (4.50).

Подставляя сюда и, получим.

. (4.51).

Последнее выражение позволяет при заданной полосе пропускания и полной емкости С определить необходимое значение коэффициента трансформации n.

Входное устройство с последовательным включением индуктивности Как следует из названия этого входного устройства, особенностью схемы является включение индуктивности контура L последовательно между фидером и входом активного элемента. Принципиальная схема входного устройства с последовательным включением индуктивности представлена на рисунке.

Рис. 21.

Рис. 22.

Эквивалентная схема входной цепи может быть представлена в следующем виде Распределенная емкость катушки представлена на эквивалентной схеме емкостью С. В области относительно высоких частот емкостью Ск можно пренебречь по сравнению с емкостями С1, и С2. Колебательный контур образуется катушкой индуктивности L, емкостью Ск, а также присоединенной параллельно им цепью из последовательно соединенных емкостей С1 и. Емкость этой цепи получается меньше той емкости, которая присоединяется параллельно катушке индуктивности L в обычной схеме входного устройства с параллельным включением индуктивности. Такое уменьшение емкости контура позволяет настраивать входное устройство на более высоких частотах и улучшает его показатели.

Для получения расчетных соотношений представим эквивалентную схему в следующем виде (рис. 4.14).

Полная емкость контура равна. Выход антенного фидера и вход активного элемента присоединены к отводам разных частей емкостной ветви контура, поэтому такая схема подобна двойной автотрансформаторной схеме и отличается от нее лишь использованием емкостного делителя напряжения вместо индуктивного.

Коэффициенты трансформации при этом можно определить следующим образом (приведенные ниже выражения получены при условии, что емкостная проводимость во много раз больше присоединенных параллельно им активных проводимостей).

(4.52).

Рис. 23.

Это позволяет перейти к следующей эквивалентной схеме.

Рис. 24.

Коэффициент передачи по напряжению можно определить как.

. (4.54).

Пренебрегая проводимостью контура Gк, действие схемы удобно характеризовать общим коэффициентом трансформации.

(4.55).

В режиме согласования коэффициент трансформации и коэффициент передачи по напряжению определяется как.

(4.57).

(4.58).

Если емкости С1 и С2 не удовлетворяют условию согласования, то схема работает в режиме рассогласования и режим ее работы можно описать через коэффициент рассогласования. При этом коэффициент передачи по напряжению определяется по формуле.

. (4.59).

Результирующее затухание определяется выражением.

(4.60).

Подводя итоги, можно отметить основные достоинства входного устройства с последовательно включенной индуктивностью:

• 1. Рассмотренная схема более высокочастотна, чем рассмотренные ранее схемы входных устройств.
• 2. Эта схема более технологична при настройке, так как в этом случае связь между фидером и входным устройством изменяется за счет изменения емкости С1.

Трансформаторное входное устройство. В этом случае фидер антенны присоединен к катушке связи Lсв, которая индуктивно связана с катушкой индуктивности контура L. Их взаимоиндуктивность обозначена через М. К достоинствам данной входной цепи следует отнести то, что она позволяет использовать симметричный антенный фидер. Симметрия входа и расчетный режим работы устройства могут быть нарушены распределенной емкостью между катушками индуктивности L и Lсв, так как выводы индуктивности связи Lсв включена симметрично относительно потенциала земли, а выводы индуктивности контура L имеют различные потенциалы относительно земли. Для устранения емкостной связи между катушками индуктивности устанавливается электростатический экран в виде заземленной незамкнутой медной сетки. Это позволяет получить только магнитную связь катушек индуктивности.

Рис. 25.

Особенности схемы: действие антенной цепи изменяет резонансную частоту, так как цепь антенны содержит реактивность катушки связи, вследствие чего она влияет на резонансную частоту входной цепи. В этом отличие от предыдущих схем, где присоединение чисто активной цепи не влияет на резонансную частоту входного колебательного контура.

В режиме согласования вносимое сопротивление из антеннофидерной цепи равно сопротивлению потерь контура, поэтому затухание контура изменяется в два раза ().

Этот вывод тоже совпадает с полученным для автотрансформаторных схем, что объясняется полной аналогией работы. Соответственно для рассматриваемой трансформаторной схемы остаются в силе сделанные выше выводы о влиянии рассогласования, неполного присоединения активного элемента к контуру и т. д.

Особенности входных цепей различных частотных диапазонов При работе на частотах ниже 100 МГц контур входной цепи реализуется на сосредоточенных L и Сэлементах. На частотах выше 300 МГц катушки индуктивности контура вырождаются в один неполный виток, а требуемая емкость становится соизмеримой с входной емкостью активного элемента совместно с емкостью монтажа, таким образом контур превращается в отрезок линии.

Следовательно, в диапазоне длин волн короче 1 м в качестве колебательного контура необходимо использовать цепи с распределенными параметрами.

Входные цепи на коаксиальных линиях Входные цепи на коаксиальных линиях используются в диапазоне дециметровых длин волн. В качестве резонаторов при этом используются короткозамкнутые коаксиальные (а) или двухпроводные длинные (б) линии.

Рис. 26.

Наиболее часто применяются резонаторы на коаксиальных линиях, так как в этом случае достаточно просто решается проблема экранировки колебательных структур. В зависимости от длины коаксиальной линии она может иметь емкостной или индуктивный характер. Входное сопротивление линии без потерь определяется выражением.

(4.62).

где волновое сопротивление коаксиальной линии, l длина линии, длина волны, D, d диаметры внешнего и внутреннего цилиндров коаксиального резонатора.

Коаксиальный контур входной цепи часто образуется отрезком коаксиальной линии, длиной меньше и емкостью С. Схема такой входной цепи представлена на рисунке.

Рис. 27.

Связь контура с антенной в этом случае обычно автотрансформаторная. Резонанс в контуре обеспечивается подбором либо длины коаксиальной линии либо емкости контура С.

Длина резонатора на резонансной частоте определяется следующим образом.

. (4.63).

Если величина l получается настолько малой, что ее трудно реализовать конструктивно, то можно взять другое значение длины линии.

Место подключения антенного фидера определяется исходя из обеспечения нужного коэффициента включения т.

. (4.64).

Следует отметить, что связь контура входной цепи с антенной может быть автотрансформаторной, трансформаторной и емкостной.

Вход активного элемента к коаксиальному контуру может подключаться либо полностью либо частично, в зависимости от величины входной проводимости этого элемента.

Входные цепи на полосковых линиях В диапазоне СВЧ широко применяются полосковые линии передачи, представляющие собой металлические плоские проводники (полоски определенных размеров и формы), расположенные на диэлектрике (подложке).

Различают несимметричные (1), симметричные (2), щелевые (3) и компланарные (4) полосковые линии.

Рис. 28.

Симметричные полосковые линии имеют хорошую экранировку. На рисунке показан пример выполнения входной цени на полосковых линиях. Колебательный контур образован емкостью С и индуктивностью замкнутого отрезка полосковой линии.

Длину полосковой линии и расстояние 1, от точки подключения антенного фидера до короткозамкнутого конца подсчитывается по тем же формулам, что и для коаксиальных линий.

Рис. 29.

Многозвенные полосковые фильтры СВЧ удобнее реализовать в интегральном исполнении на параллельно связанных короткозамкнутых или разомкнутых отрезков полосковых линий. К недостаткам подобных фильтров можно отнести заметные потери в полосе пропускания, невысокую предельную селективность, сложность реализации узких полос пропускания.

Во многом устранить отмеченные недостатки удается во входных цепях, использующие полосовые фильтры на основе более компактной многопроводной структуры.

Примеры реализации таких структур показаны на рисунке. На рисунке показаны фильтры решетчатого (а) и гребенчатого (б) типов.

Рис. 30.

Особенностью этих структур полосовых фильтров является формирование в них частотных областей с бесконечным затуханием вблизи полосы пропускания. Это позволяет обеспечить заданную селективность, например, по зеркальному каналу при меньшем числе резонаторов в фильтре и тем самым уменьшить потери в его полосе пропускания.

Входные цепи на объемных резонаторах В диапазоне сантиметровых и более коротких волн наряду с полосковыми линиями находят применение в качестве избирательных систем входных цепей объемные резонаторы, представляющие собой замкнутый объем прямоугольной или цилиндрической формы. Резонатор выполняется из хорошо проводящего материала, внутренние стенки которого полируются.

Размеры резонатора определяются длиной волны и диапазоном пере стройки входной цепи. Связь резонатора с входным и выходным волноводами осуществляется с помощью диафрагм, от размера и конфигурации отверстий которых зависит степень связи. Перестройка в небольших размерах осуществляется за счет введения (завинчивания) зондов или изменения длины резонатора.

Добротность таких резонаторов составляет несколько тысяч.

К достоинствам таких систем следует отнести:

полную экранировку поля внутри резонатора,.

сравнительную простоту изготовления резонатора.

Основным недостатком таких резонаторов является значительная масса и стоимость резонатора.

Входные устройства приемников декаметровых и более длинных волн В этом диапазоне требования большого коэффициента передачи не имеет особого значения, т.к. достижимая чувствительность не зависит от коэффициента передачи по напряжению входной цепи. Это объясняется тем, что чувствительность приемников рассматриваемого диапазона обычно ограничивается не внутренними шумами, а внешним помехами, которые передаются входной цепью наравне с полезными сигналами так, что соотношение сигнал/шум от коэффициента передачи входной цепи не зависит.

По этой причине обычно жертвуют величиной коэффициента псредачи ради наилучшего удовлетворения наиболее важных для рассматриваемых приемников требований:

высокой избирательности, необходимой вследствие наличия большого числа передатчиков, создающих помехи на опасных частотах и на меньших расстояниях;

диапазонности способности работать с требуемыми показателями при настройке на любую частоту диапазона;

работы от ненастроенных антенн, что вызвано желанием исключить из органов управления приемником ручку настройки антенны;

способности работать от различных антенн, имеющих разброс параметров.

Цепь антенны при наличии в ней реактивности (которая неизбежна при расстроенной антенне) вносит в контур входной цепи как активную, так и реактивную проводимость. Активная вносимая проводимость ухудшает избирательные свойства входного устройства. Вносимая реактивная проводимость сдвигает резонансную частоту контура. Этот сдвиг создает значительные затруднения, так как в современных приемниках роторы переменных конденсаторов различных контуров насаживаются на одну общую ось, которая поворачивается единственной ручкой настройки. Сдвиг резонансной частоты входного контура приводит к тому, что точная настройка входного контура и точная настройка остальных контуров не совпадают. Каким либо образом раз и навсегда скомпенсировать этот сдвиг нельзя, так как он меняется при разбросе параметров антенны.

Для получения требуемой избирательности и умеренного сдвига настройки приходится ослаблять связь контура входного устройства с антенной, что характерно для рассматриваемых входных устройств.

Трансформаторное входное устройство Принципиальная схема входного устройства представлена на рисунке.

Теория трансформаторной входной цепи допускает дальнейшее развитие, если верхняя частота поддиапазона удовлетворяет условию. При этом для всех частот поддиапазона эквивалентом служит последовательное соединение сосредоточенных, емкости и сопротивления.

Эквивалентная схема входного устройства может быть представлена в виде.

Рис. 31.

Собственная частота антенной цепи при этом определяется как.

. (4.65).

Выбирая ту или иную индуктивность катушки связи, можно получить различные значения. Как будет показано ниже выбор этой частоты существенно влияет на работу входного устройства.

ЭДС, развиваемая в катушке индуктивности контура, определяется коэффициентом взаимоиндуктивности М и током, протекающим в катушке связи.

(4.66).

где сопротивление антенной цепи, включая и сопротивления катушки связи.

При этом напряжение на выходе входной цепи можно определить как.

. (4.67).

После этого резонансным коэффициент передачи определяется следующим образом.

. (4.68).

Затухание d' можно считать примерно постоянным, поэтому коэффициент передачи входной цепи зависит от изменения двух величин частоты настройки входном цепи щ и величины сопротивления антенной цепи zац. Максимальное значение коэффициента передачи по напряжению достигается на резонансной частоте антенной цепи (так как при последовательном резонансе сопротивление контура минимально).

Пели собственная частота антенной цепи лежит выше верхней частоты принимаемого поддиапазона (), то имеет место так называемый режим работы с повышением собственной частоты антенной цепи. При этом при увеличении частоты перестройки входного контура коэффициент передачи по напряжению будет изменятся по квадратичной зависимости это связано с тем, что коэффициент передачи линейно зависит от частоты щ и сопротивление zац уменьшается с увеличением частоты настройки. Совместное действие этих факторов и приводит к квадратичной зависимости изменения коэффициента передачи входной цепи. На рисунке приведено изменение указанных величин при перестройке частоты по поддиапазону.

Рис. 32.

• 1 линейная зависимость, связанная с изменением f;
• 2 зависимость 1/ zац;
• 3 результирующая кривая изменения К0 от

f0.

Таким образом, при работе в режиме с повышением собственной частоты антенной цепи коэффициент передачи входной цепи быстро растет при увеличении частоты настройки. Это является основным недостатком этого режима работы.

Tckb собственная частота антенной цепи понижена по сравнению с низшей частотой поддиапазона (), то при увеличении частоты настройки входной цепи сопротивление контура антенной цепи будет увеличиваться, что приводит к тому, что коэффициент передачи входной цепи будет изменяться незначительно по поддиапазону, так как уменьшение коэффициента передачи входной цепи за счет этого фактора компенсируется увеличением коэффициента передачи за счет множителя щ. Соответствующие графики представлены ниже Таким образом, в этом случае обеспечивается постоянство коэффициента передачи по напряжению входной цепи при изменении настройки входной цепи.

Наконец возможен случай, когда собственная частота антенной цепи попадает в диапазон принимаемых частот. При этом коэффициент передачи по напряжению резко меняется с частотой, достигая максимума вблизи частот. При этом необходимо отметить, что до этой частоты коэффициент передачи изменяется весьма редко, а после резонансной частоты антенной цепи коэффициент передачи изменяется незначительно. Поэтому этот режим практически не применяется.

• 1 линейная зависимость, связанная с изменением f;
• 2 зависимость 1/zац;
• 3 результирующая кривая изменения К0 от

f0.

Рис. 33.

Рис. 34.

• 1 линейная зависимость, связанная с изменением f;
• 2 зависимость 1/zац;
• 3 результирующая кривая изменения К0 от

f0.

Из двух других режимов предпочтителен режим с понижением собственной частоты антенной цепи, которая дает слабые изменения резонансного коэффициента передачи по напряжению входной цепи.

Для получения того или другого из указанных выше режимов работы собственную частоту антенной цепи выбирают на основании соотношений.

при работе с повышением.

(4.69).

при работе с понижением.

. (4.70).

Коэффициент выбирается в пределах (1,3ч3,0), учитывая, что уменьшение приближает максимум резонансной частоты антенной цепи к границам поддиапазонов принимаемых частот, в результате величина коэффициента передачи по напряжению возрастает, но увеличивается его изменчивость по поддиапазону.

Входное устройство с емкостной связью между контуром и антенной.

Рис. 35.

Антенна соединяется с контуром посредством небольшой емкости связи Ссв. Малая величина этой емкости позволяет ослабить вызываемое антенной потерю избирательности и сдвиг настройки контура по частоте. Эквивалентная схема такой входной цепи имеет вид Если длина антенны во много раз меньше длины полны сигнала и помехи, то для всех рассматриваемых частот активное сопротивление антенны rа, можно считать постоянным, реактивное сопротивление антенны можно представить в виде, где постоянная емкость.

Рис. 36.

При этом изменение емкости контура можно оценить как.

. (4.71).

Таким образом, влияние антенны эквивалентно изменению емкости контура на независящую от частоты величину. Это влияние нетрудно скомпенсировать, соответственно изменяя емкость подстроечного конденсатора. После такой компенсации опасен лишь разброс емкостей используемых антенн и который вызывает сдвиг настройки контура. Однако выбирая достаточно малой, можно ослабить разброс до приемлемой величины. Задаваясь разбросом емкостей антенн и допустимым сдвигом настройки, можно определить величину.

Резонансный коэффициент передачи по напряжению получается равным:

. (4.72).

При замене антенны активноемкостным эквивалентом упрощается выражение резонансного коэффициента передачи. В этом случае величина определяется как.

. (4.73).

Если емкость выбрана в соответствии с правилами, то выполняется условие и сопротивление антенны можно представить как. С учетом этого выражение для коэффициента передачи по напряжению преобразуется к виду.

. (4.74).

Это выражение показывает, что при настройке контура емкостью, когда величина L остается постоянной, резонансный коэффициент передачи пo напряжению резко изменяется в пределах поддиапозона.

Рис. 37.

Если настройка контура производится изменением индуктивности при постоянной величине емкости С, то резонансный коэффициент передачи по напряжению остается постоянным в пределах поддиапазона. Действительно.

и. (4.75).

В заключение укажем, что емкостная связь антенны с контуром иногда комбинируется с трансформаторной связью, причем последнюю выполняют с пониженной собственной частотой антенной цепи. Такое входное устройство называют входной цепью с индуктивноемкостной связью с антенной. Принципиальная схема входной цепи этого типа представлена.

Рис. 38.

В такой схеме при настройке контура емкостью действие трансформаторной связи с антенной несколько уменьшает резонансный коэффициент передачи по напряжению K0, при повышении резонансной частоты, емкостная связь увеличивает. В результате чего величина К0 может быть сделана почти одинаковой для всех частот поддиапазона.

Рис. 39.

• 1 изменение K0 для трансформаторной связи;
• 2 для емкостной связи;
• 3 результирующая кривая изменения К0 от f0.

При расчете такой схемы необходимо учитывать, что затухание и расстройки, вносимые в контур через каждую из двух применяемых связей, складываются, поэтому величина взаимоиндуктивности М и величину емкости связи Ссв, следует брать приблизительно вдвое меньше, чем это определяется расчетом по выведенным выше формулам. Найдя отдельно величины К0 для трансформаторной и емкостной связи с антенной, следует затем их суммировать.

Входная цепь с ферритовой антенной Ферритовую антенну можно рассматривать как источник ЭДС с индуктивным сопротивлением. В контуре наводится ЭДС, где Е напряженность электромагнитного поля принимаемого сигнала, h действующая высота магнитной антенны.

При настройке контура в резонанс с частотой сигнала напряжение на контуре равно.

Рис. 40.

где Qэкв — эквивалентная добротность антенного контура. Если транзистор последующего каскада подключен к контуру частично (m2), то напряжение на его выходе и коэффициент передачи по напряжению соответственно равны.

и. (4.76).

В простейшем случае используются автотрансформаторная либо трансформаторная связи. Однако простейшим схемам присущи следующие недостатки.

С перестройкой контура в диапазоне от до полоса входной цепи при Q=const увеличивается, а избирательность по зеркальному каналу ухудшается. При этом необходимо помнить, что требуемую полосу пропускания необходимо обеспечить на минимальной частоте поддиапазона, а требуемую избирательность по зеркальному каналу на частоте. Выполнить оба указанных требования одновременно при простейшей связи антенного контура с транзистором трудно, поэтому используют более сложную, так называемую комбинированную цепь связи с активным элементом.

Рис. 41.

При перестройке контура по частоте от минимального значения до максимального связь контура с транзистором уменьшается, что приводит к уменьшению затухания в контуре. Следовательно, это приводит к уменьшению полосы пропускания антенной цепи и избирательность по зеркальному каналу удается сохранить более постоянной по поддиапозону.

Ферритовые антенны применяются на длинных и средних волнах. К достоинствам этих антенн следует отнести небольшие массу и габариты, пространственную селективность и сравнительно высокую добротность контура. Однако действующая высота антенны мала (2ч10 см).

Борьба с приемом помех на промежуточной частоте В супергетеродинных приемниках опасен прием на промежуточной частоте. Поэтому необходимо обеспечить большое подавление сигналов на промежуточной частоте в цепях до преобразователя частоты. С этой целью во входные устройства вводятся специальные заградительные фильтры.

Таким фильтром может служить либо последовательный контур, настроенный на промежуточную частоту и включенный параллельно входу приемника, либо параллельный контур, включенный последовательно между антенной и входом активного элемента.

Схемы таких устройств приведены ниже.

Рис. 42.

Рис. 43.

Более совершенный заградительный фильтр представлен на рисунке.

Рис. 44.

Параметры элементов схемы выбираются из следующих соотношений:

для емкостей и индуктивности заградительного контура.

; (4.77).

для сопротивления.

(4.78).

где затухание контура фильтра, L индуктивность заградительного фильтра.

Приведенная схема отличается высоким подавлением сигналов на промежуточной частоте и используется в высококачественных приемных устройствах.