Тема Входные цепи приёмных устройств. Особенности входных цепей различных частотных диапазонов
![]()
|
Классификация входных цепей.Входные цепи классифицируют по следующим основным признакам. 1. По диапазону рабочих частот и способу перестройки: - с плавной перестройкой - в случае приема сигналов на любой из частот в диапазоне fmin до fmax; - с дискретной перестройкой - при приеме сигналов на несколькольких f1, f2 ... fn фиксированных частотах в заданном диапазоне. Также диапазон рабочих частот может быть разбит на поддиапазоны. 2. По виду избирательной системы: - с одним резонансным контуром; - с двумя и более резонансными контурами; - со специальными полосковыми фильтрами. 3. По виду связи избирательной системы с антенной или антенным фидером (рис.3): а) емкостная ; б) трансформаторная; в) автотрансформаторная; г) комбинированная. 4. По виду связи избирательной системы с первым каскадом радиоприемника (рис.4): а) с полным включением; б) автотрансформаторная; в) трансформаторная; г) через емкостный делитель. Вид входной цепи зависит от технических требований к основным параметрам радиоприемника - избирательности и чувствительности приемника. Для улучшения избирательности можно увеличить число контуров во входном устройстве, но тогда ухудшается чувствительность приемника. При комбинировании видов избирательной системы, ее связи с антенной и с первым каскадом приемника можно получить большое количество видов входной цепи. Но из всего множества систем, идеальных , у которых все параметры будут наилучшими, нет. В каждом конкретном случае приходится идти на компромисс, стоя перед выбором, какие параметры сделать получше, а какие - похуже. ![]() ![]() Анализ видов связи избирательной системы с антеннойПроведем анализ одноконтурных входных цепей (как самых простых) широкого диапазона по различным параметрам и сравним эти цепи между собой. Входная избирательная система должна выполнять два основных требования: первое - чтобы была по возможности как можно бОльшая равномерность усиления по всему диапазону для обеспечения равномерной чувствительности приемника и, второе : по возможности наибОльшая независимость параметров приемника от параметров антенны и ее подключение не должно изменять настройки градуировки приемника. Начнем рассмотрение с одноконтурной цепи с емкостной связью с антенной ( рис.3а). Сама антенна имеет определенные параметры индуктивности La, емкости Ca и активного сопротивления Ra (показанные на эквивалентной схеме входной цепи с емкостной связью на рис.5а), которые под действием разных причин могут меняться и, соответственно, влиять на резонанс входного контура и понижению его избирательности. Rк - активное сопротивление контура, а Еа - как генератор переменного напряжения равного э.д.с., наведенной радиосигналом на антенне. По эквивалентной схеме получается, что емкости Са и Ссв включены последовательно и, поэтому общая емкость С'a, которая вносится во входной контур, равна: С'a = Са•Ссв / (Са+Ссв). (1) Общая емкость уменьшилась и, значить, увеличилось емкостное сопротивление, которое на много больше сопротивлений La и Ra. Поэтому ими можно пренебречь и тогда эквивалентную схему можно изобразить, как на рис.5б. Теперь упростим схему. Если точки "а" и "б" будут как клеммы четырехполюсника, а внутреннее сопротивление Еа равно нулю, то тогда эквивалентная схема примет вид как на рис.5в. Т.к. С'a и Ск соединены параллельно, то общая емкость равна: ![]() Сэ = С'a + Ск, (2) тогда эквивалентная схема будет схемой последовательного резонансного контура (рис.5г), по которой найдем основные свойства входной цепи (см."последовательный колебательный контур"). Определим коэффициент передачи входной цепи по напряжению: Ко =Uc / Ea. Так как при резонансе напряжение на катушке равно напряжению на конденсаторе, значить отношение напряжения на конденсаторе к напряжению источника напряжения тоже будет равно добротности: Uc / U = Q, отсюда Uc = UQ. (3) Напряжение U, снимаемое с Ск, определяется соотношением: U = Ea•(С'a / Сэ). (4) Подставим формулу (4) в выражение (3) получаем Uc = Ea•(С'a / Сэ)•Q. Из всего этого определяем коэффициент передачи напряжения: Ко = Uc / Ea=Q(С'a / Сэ). (5) Cоотношение С'a/Сэ всегда будет меньше единицы, т.к. емкость С'a только часть Сэ, поэтому и Котоже будет всегда меньше добротности контура. Это объясняется неполной передачей энергии из антенны в контур из-за наличия Ссв. И выбирать Ссв большим Са не рационально, т.к. при увеличении Ссв будет увеличиваться емкость антенны С'a (формула 1), что приведет к увеличению общей емкости Сэ (форм.2) Ссв<<Са. (6) Тогда из формулы (1) получаем равенство: С'a≈Ссв. (7) Выбирать емкость Ссв слишком малой тоже нецелесообразно, т.к. резко уменьшается коэффициент Ко. Поэтому берут Ссв≈10пФ. В рассмотренном случае, для простоты расчета, не учитывалось влияния активного сопротивления антенны Ra на входной контур, хотя оно понижает добротность и Ко. А сейчас рассмотрим, как изменяется Ко по диапазону во входном контуре при емкостной связи с антенной. Если в формулу (5) внести выражения (2), (6), (7), то она примет следующий вид: Ко = Q(С'a / Сэ) = Q(Cсв / (С'a + Ск)) = Q(Cсв / (Ссв + Ск)). В знаменателе Ссв , из-за малого значения по сравнению с Ск, можно пренебречь. Тогда Ко = Q(Ссв / Ск). (8) Перестройка входного контура выполняется изменением емкости переменного конденсатора Ск. А емкость Ск при резонансе контура равна: Ск = 1 / ω²•Lк. Отсюда Ко = Q•Ссв•ω²•Lк. (9) Так как Ссв и Lк не зависят от частоты, а добротность контура Qк = ω•Lк / R'к по диапазону почти не изменяется, потому, что с ростом частоты увеличивается сопротивление потерь R'к из-за вносимых сопротивлений антенны и первого каскада. Следовательно, коэффициент передачи по напряжению входной цепи при емкостной связи антенны с входным контуром изменяется обратно пропорционально емкости контурного конденсатора ( 8) и обратно пропорционально квадрату частоты ( 9). Из графика этой зависимости на рис.6 видно, что в начале диапазона Ко мал, а в конце диапазона - велик. Это обстоятельство является недостатком входной цепи с емкостной связью с антенной, и такая цепь используются лишь в простых приемниках, в основном, с фиксированной настройкой. ![]() Теперь рассмотрим входную цепь с трансформаторной связьюс первым каскадом приемника ( рис.3б ). В этой схеме энергия из антенной цепи через контур связи Lсвподается на контур LкСк , перестраиваемый путем изменения емкости Ск . Степень связи антенны с контуром зависит от коэффициента взаимоиндуктивности М , который равен: Для простейших однослойных катушек коэффициент связи K ≤ 0,4...0,5, для многослойных - K ≤ 0,6...0,8. Эквивалентная схема показана на рис.7 , где Ra, La, Ca - сопротивление, индуктивность и емкость антенны. Антенный контур настроен на определенную фиксированную частоту: Индуктивностью антенны La, которая намного меньше Lсв, можно пренебречь. Частота входного контура равна: ![]() ![]() ![]() и с помощью конденсатора переменной емкости может меняться в пределах fmin до fmax. Коэффициент передачи напряжения и при индуктивной связи равен: ![]() Ко=Uc/Ea. Только теперь напряжение Uc при резонансе, которое поступает с выхода контура на вход первого каскада приемника, будет равно: Uc=UQ, где Q - добротность контура; U - напряжение эквивалентного генератора, включенного в контурную цепь при отключенной нагрузке. Оно находится по формуле: где - полное сопротивление антенной цепи. Но т.к. активное сопротивление антенны Ra намного меньше реактивного Za, то им можно пренебречь: Теперь Учитывая, что 1/LсвСа = ω²а, упрощаем выражение: Переведя значения угловых частот в частоты колебаний контуров - ωа = 2πfa, ω = 2πf, а так же раскроем коэффициент взаимоиндуктивности М из формулы (10), получим выражение коэффициента передачи напряжения входной цепи: Если в диапазоне частот добротность контура Q, индуктивности Lк, Lсв и коэффициент связи Kcчитать постоянными, то коэффициент передачи напряжения Ко будет зависить только от соотношения частот fa /f. На рис.8 показаны графики зависимости Ко от изменения частоты. Нижняя ось абсцисс показывает частоты, а верхняя - длину волн диапазона и резонанса входного контура. Т.к. длина волны обратно пропорциональна частоте ( λ = с / f, где с - скорость света), то fmin = λmax, a fmax = λmin. Кривая 1 соответствует случаю работы на так называемой удлиненной антенне, когда fa < fmin (λa > λmax) - резонансная частота антенной цепи меньше минимальной частоты настройки контура. При этом коэффициент передачи определяется плавно спадающим участком кривой и по диапазону остается почти неизменным. Кривая 2 - пример работы укороченной антенны, когда fa > fmax (λa < λmin) и Ко в диапазоне настройки характеризуется крутым восходящим участком резонансной кривой, что приводит к значительному изменению его величины по диапазону. В том случае, когда частота антенного контура находится в диапазоне настройки (fmin < fa < f max) коэффициент передачи напряжения неравномерен: вначале растет, а затем падает (кривая 3) и поэтому этот случай не используется на практике. В радиоприемниках в основном применяют входное устройство с удлиненной антенной цепью. ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Когда необходимо получить сравнительно постоянный коэффициент Ко для заданного диапазона применяют комбинированную (трансформаторно - емкостную) связь антенны как на рис.3г. В этой схеме применяется индуктивная связь через катушку Lсви емкостная - через конденсатор связи Ссв. Частота антенной цепи берется ниже fmin настройки контура (режим удлиненной антенны). В результате одновременного воздействия обеих видов связи Ко удается получить бОльшим и довольно таки постоянным по диапазону ( рис.9, линия 2). Из всего вышеизложенного можно сделать следующие выводы: - из рассмотренных схем наибольшим постоянством коэффициента передачи по диапазону обладает комбинированная схема, и, в меньшей степени, схема индуктивной связи контура с антенной при удлиненной антенной цепи; - антенная цепь влияя на настраивающую колебательную систему вносит в нее как активное, так и реактивное сопротивления. При слабой связи с антенной цепью влияние этих сопротивлений на работу входной цепи оказывается незначительным. Расчет входной цепи Антенна подключена к входному контуру с помощью трансформаторной связи. Так как микросхема выполнена на полевом транзисторе, то ее включение во входную цепь осуществляется полностью. Сопротивление антенны – 50 Ом. Входная емкость транзистора – 2.3 пФ. Вносимые потери усилителя в контур малы и поэтому мы не будем их учитывать. Требуемый коэффициент перекрытия по диапазону равен: ![]() Минимальная емкость контура определяется выражением: ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() В качестве переменного выбираю конденсатор КП4–3В с параметрами ![]() ![]() ![]() Для диапазона емкость УКВ ![]() ![]() ![]() Дополнительная емкость С находится из условия обеспечения требуемого коэффициента перекрытия по диапазону К по формуле: ![]() После решения уравнения получим С = 10.9 пФ. Характеристическое сопротивление контура равно: ![]() Зная характеристическое сопротивление и минимальную емкость контура, можно найти индуктивность катушки: ![]() Эквивалентная добротность контура необходимая для получения заданного ослабления зеркального канала определяется выражением: ![]() ![]() а ![]() Она определяется для наихудшего случая, то есть для наибольшей частоты диапазона. Подставив данные, получим: ![]() Резонансное сопротивление и сопротивление потерь контура можно определить по формулам: ![]() ![]() Сопротивление вносимое в контур антенной определяется по формуле: ![]() ![]() Эквивалентная добротность и потери, вносимые в контур, связаны следующим соотношением: ![]() Подставив выражение для ![]() ![]() ![]() Индуктивность катушки связи определяется выражением: ![]() ![]() Коэффициенты передачи входной цепи по мощности и напряжению равны, соответственно: ![]() ![]() где ![]() |