Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Тема 2. Входные цепи радиоприёмных устройств.
Занятие 2.2
ЛЕКЦИЯ 3 Особенности построения входных цепей.
Цели занятия:
Вопросы занятия:
1. Характеристика разновидностей входных цепей
2. Входные цепи при приёме на ферритовую антенну.
3. Особенности схем и конструкций входных цепей для различных диапазонов радиоволн
Литература:
1. Р.В. Уваров, В.И. Хиленко, «Радиоприемные устройства», Москва, «Радио и связь», 1989, с.29-54
2. В. Л. Удовикин, А. А. Грищенко, А. Г. Матюнин, «Радиоприемные устройства» – М.: «Военное издательство», 1988 . – с. 92-112
Вопрос 1 Характеристика разновидностей входных цепей
Принципиальная схема входной цепи с индуктивной связью с антенной приведена на рисунке 1.1,б.
Рисунок 1.1 - Схемы связи входной цепи с антенной:
а – непосредственная; б – индуктивная; в – ёмкостная;
г - комбинированная
В цепь ненастроенной антенны последовательно включена катушка связи . Ток антенны, протекая в катушке связи, создает вокруг нее высокочастотное электромагнитное толе. В результате в катушке контура наводится ЭДС.
При настройке контура в резонанс с частотой принимаемого сигнала напряжение на контуре будет максимальным. Контур настраивается конденсатором переменной емкости.
Коэффициент передачи входной цепи
Если обозначить , то
где - коэффициент включения антенны во входной контур.
Коэффициент передачи напряжения входной цепи при индуктивной связи с антенной значительно меньше добротности контура входной цепи из-за неполной передачи ЭДС из антенны во входную цепь.
Рисунок 1.3 - Изменение коэффициента передачи напряжения входной цепи по диапазону при индуктивной связи с антенной:
а – в режиме укороченной антенны;
б – в режиме удлиненной антенны;
в – резонансная частота антенны равна средней частоте рабочего диапазона
Изменение коэффициента передачи по диапазону определяется режимом антенной цепи.
Различают три режима:
укороченной антенны, когда резонансная частота антенны выше максимальной частоты диапазона: > или (рисунок 1.3,а);
удлиненной антенны, когда резонансная частота антенны ниже минимальной частоты диапазона или (рисунок 1.3,6);
когда резонансная частота антенны равна средней частоте рабочего диапазона << (рисунок 1.3,в).
В режиме укороченной антенны коэффициент передачи по диапазону настройки изменяется сильно (примерно по квадратичному закону), поэтому этот режим применяется редко.
Если частота настройки антенного контура находится в середине диапазона частот настройки, то коэффициент передачи по диапазону очень неравномерен (рисунок 1.3,в). Вследствие этого такой режим практически не используется.
Наиболее распространен режим удлиненной антенны, так как коэффициент передачи при этом в пределах рабочего диапазона изменяется незначительно (рисунок 1.3,6). Это происходит потому, что при увеличении частоты настройки контура входной цепи ток в антенне уменьшается из-за удаления от резонанса. Уменьшение тока компенсируется увеличением сопротивления связи , и поэтому наводимая в контуре ЭДС изменяется незначительно. Режим удлиненной антенны обеспечивается при большой индуктивности связи . При этом коэффициент передачи по напряжению 3-5 при полном включении контура, при неполном может быть меньше единицы.
Принципиальная схема входной цепи с емкостной связью с антенной приведена на рисунке 1.2.1,в. Входной контур состоит из катушки индуктивности LK, конденсатора Ск и подстроечного конденсатора Сп. Настраивается контур на нужную частоту принимаемого сигнала изменением емкости конденсатора Ск.
Резонансный коэффициент передачи напряжения входной цепи (рисунок 1.1.1,а)
Обычно Со ≈ Ссв<<Ск, поэтому т1 = Ссв/Сэк иКвх.цо=QэкСсв/ Сэк. Отсюда видно, что коэффициент передачи напряжения во столько
раз меньше добротности контура Q, во сколько раз емкость связи меньше емкости контура. Но чем больше добротностьQэк>тем больше коэффициент передачи напряжения. Практически коэффициент передачи не превышает 10, а при частичном включении первого каскада (m2<l) может быть меньше единицы.
Рисунок 1.1.2 – Изменение коэффициента связи входной цепи с емкостной связью с антенной
Изменение коэффициента передачи входной цепи по диапазону определим следующим образом. Перестройка входного контура по диапазону осуществляется изменением емкости переменного конденсатора. При этом эквивалентная емкость контура обратно пропорциональна квадрату частоты:Cэк = 1/ ω20Lк. Добротность контура Qэк =ωL/R’к по диапазону почти не изменяется, так как одновременно с ростом частоты ш увеличивается сопротивление потерь R'K из-за вносимых сопротивлений антенны и первого каскада. Емкость связи Ссв и индуктивность контура LKне зависят от частоты. Следовательно, коэффициент передачи Квх.цо = СсвQэк ω20Lк изменяется но диапазону пропорционально квадрату частотыКвх.цо= Kω20, как показано на рисунке 1.1.2.
Большая неравномерность коэффициента передачи является недостатком схемы с емкостной связью. Применяют ее только при малом коэффициенте перекрытия диапазона в случае фиксированной настройки или настройки входного контура изменением индуктивности.
Коэффициент передачи по диапазону желательно иметь постоянным. Однако, как показывает анализ предыдущих схем, он изменяется. В тех случаях, когда требуется обеспечить равномерность коэффициента передачи по диапазону, применяют индуктивно-емкостную связь антенны с контуром входной цепи. Принципиальная схема входной цепи с индуктивно-емкостной связью приведена на рисунке1.2.2,г. В этой схеме энергия из антенны во входной контур передается как за счет магнитной связи из катушки связи в катушку контура, так и через емкость связи Ссв.
При правильной фазировке катушек связи Lсв и контура LK напряжение сигнала, передаваемого через емкость связи, будет суммироваться с напряжением, передаваемым за счет индуктивной связи.
Для более равномерного изменения коэффициента передачи в режиме удлиненной антенны нужно комбинировать емкостную и индуктивную связи. В этом случае при повышении частоты настройки входного контура уменьшение коэффициента передачи за счет индуктивной связи (кривая 2, рисунок 2) будет компенсироваться возрастанием его за счет емкостной связи (кривая 1). Результирующее значение коэффициента передачи по диапазону будет почти постоянным (кривая 3).
Определить коэффициент передачи входной цепи с индуктивно- емкостной связью с антенной можно по формуле
,
где Квх.ц0— резонансный коэффициент передачи входной цепи с индуктивной связью;
Lс и Ссв – элементы связи антенны с контуром;
Рисунок 1.2.1 – Изменение коэффициента передачи напряжения выходной цепи с комбинированной связью.
Вопрос 2 Входные цепи при приёме на ферритовую антенну.
Входная цепь с магнитной антенной является одиночным колебательным контуром, состоящим из конденсатора переменной емкости и катушки индуктивности с ферритовым сердечником. Длина сердечника 60...200 мм, диаметр 8...10 мм. Ферритовый сердечник выбирают в зависимости от диапазона рабочих частот. В диапазоне километровых волн применяют сердечник с магнитной проницаемостью μ0 = 1000 ...2000. С увеличением частоты сигнала возрастают потери в сердечнике, поэтому на более высоких частотах выбирают сердечник с меньшей в гектометровом диапазоне волн 400... 1000, декаметровом 100...400, метровом 10...50.
Настраивается входная цепь на частоту сигнала с помощью конденсатора переменной емкости. Таким образом, магнитная антенна и входной контур представляют собой единое целое.
Диаграмма направленности ферритовой антенны имеет форму «восьмерки» (рисунок 1.3.2). Это позволяет осуществлять пространственную избирательность. Максимальная интенсивность приема получается в направлении, перпендикулярном оси сердечника, а минимальная — вдоль оси. Малые размеры магнитной антенны позволяют размещать ее внутри приемника. В этом случае пространственная избирательность переносных приемников обеспечивается вращением их самих. Способность ферритовой антенны •принимать радиосигнал сквозь электрический экран позволяет 'использовать ее в самолете, поезде, автомобиле и т. д.
Рисунок 3.1 – Диаграмма направленности ферритовой антенны
Коэффициент передачи входной цепи с внутренней антенной определяют относительно напряженности поля Е. При.настройке входного контура в резонанс на нем будет напряжение Uк = EhДQЭКгдеhД— действующая высота антенны (обычно порядка 3 см); QЭK— добротность эквивалентного контура, нагруженного входной проводимостью первого каскада.
С контура напряжение UK подается на вход первого каскада. Причем в транзисторных приемниках для уменьшения шунтирования контура малым входным сопротивлением транзистора применяют неполное включение контура входной цепи со стороны первого каскада с коэффициентом включения m2<1.
Коэффициент передачи напряжения на вход первого каскада для такой антенны
Kвх.цЕ= Uвх1/E.
Но Uвх1 =Uкm2 =EhДQэкm2.
Тогда Kвх.цЕ==EhДQmД/E = hДQэкm2.
Из этой формулы видно, что изменение коэффициента передачи Квх.цЕ по диапазону зависит в основном от изменения действующей высоты антенны hД.С увеличением частоты коэффициент передачи входной цепи с ферритовой антенной возрастает, так , как hД = Kω. Избирательностьσй полоса пропускания 2∆fопределяются резонансной характеристикой эквивалентного контура с добротностьюQэк по формуле , где X =Qэк2∆ω/ω0— обобщенная частотная расстройка.
В транзисторных приемниках с магнитной антенной применяют три вида связи контура входной цепи с входом первого каскада: трансформаторную, внутриемкостную и комбинированную.
Трансформаторная связь. Эта связь контура входной цепи с транзистором первого каскада иллюстрируется рисунок 1.3.3,а. Ее достоинствами являются высокий коэффициент передачи, простота регулировки связи между контуром входной цепи и транзистором (перемещением катушки связи Lсвпо сердечнику магнитной антенны). Недостаток состоит в том, что катушка связи Lcb и входная емкость Свх образуют паразитный колебательный контур, резонансная частота которого может оказаться в диапазоне принимаемых частот, что может вызвать неравномерность коэффициента передачи входной цепи и ухудшить избирательность по зеркальному каналу. Уменьшение влияния вносимого со стороны транзистора в контур активного сопротивления на избирательность достигается неполным включением контура на вход первого каскада путем подбора коэффициента включения.
Внутриемкостная связь. Принципиальная схема входной цепи свнутриемкостной связью показана на рисунке 1.3.3,6. Здесь конденсаторы контура Ск и Ссв в емкостной ветви контура включены последовательно. Они образуют емкостный делитель напряжения на контуре входной цепи. Часть этого напряжения с конденсатора Ссв подается на вход первого каскада. ЕмкостьСсв подбирается из условия обеспечения необходимого коэффициента включения m2. Достоинством этой схемы является отсутствие паразитного контура, так как здесь нет Lсв.
Рисунок 3.2 – Схема входной цепи с магнитной антенной
а — с индуктивной связью; б — с внутриемкостной связью;в — с комбинированной связью
Комбинированная связь. Связь контура с антенной входной цепи и с транзистором усилителя осуществляется одновременно с помощью индуктивностиLсви емкостисвязи Ссв (рисунке 1.3.3,б). В результате одновременного, действия индуктивной и емкостной связей обеспечивается постоянство по диапазону коэффициента передачи, избирательности и частотных искажений.
Вопрос 3. Особенности схем и конструкций входных цепей для различных диапазонов радиоволн.
Колебательные контуры с сосредоточенными параметрами применяют в диапазонах метровых и более длинных волн. На более коротких волнах (короче примерно 1 м) индуктивности и емкости элементов контура, необходимые для получения столь высокой частоты, оказываются настолько малыми, что конструктивно выполнить их невозможно.
В диапазоне дециметровых волн в качестве колебательной системы во входной цепи применяют коаксиальный резонатор — четвертьволновый короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии. Другой конец линии подключается к входу первого каскада приемника. Связь с антенно-фидерным устройством может быть автотрансформаторной (с помощью отвода от внутреннего провода резонатора, рисунок 3.1,а), трансформаторной (с помощью витка связи, рисунок 3.1,б) или емкостной (рисунок 3.1,в). Настройка на частоту принимаемого сигнала осуществляется перемещением коротко замыкающей перемычки или зонда.
Рисунок 3.1 –Схема входной цепи с коаксиальной линией: л — с автотрансформаторной связью; б — с трансформаторной связью; г ~ с емкостной связью
Рисунок 3.2 – Входная цепь дециметрового диапазона волн: а — конструкция (1 — зонд); б—принципиальная схема
Коаксиальные резонаторы по сравнению с обычными контурами обладают рядом важных достоинств: высокой добротностью (Q= 10 000), стабильностью, механической прочностью, хорошим экранированием.
В качестве примера на рисунок 3.2 показаны конструкция и принципиальная схема входного устройства дециметровых волн. Колебательная система (т. е. входной контур) выполнена в виде короткозамкнутой четвертьволновой (l<λ/4) коаксиальной линии. Принимаемый сигнал из антенны по коаксиальному кабелю поступает в резонатор (Р). Связь кабеля с резонатором — автотрансформаторная. Подбором точки подключения центральной жилы кабеля к внутреннему проводу резонатора (точка А) производится согласование антенного кабеля с резонатором. Подстройка резонатора на рабочую частоту осуществляется изменением емкости резонатора с помощью винта (зонда 1).
Сигнал с резонатора снимается с его внутреннего провода через емкостной делитель С1, С2. Составление и анализ эквивалентных схем таких входных цепей выполняются так же, как и для описанных выше. С целью получения лучшей избирательности входной цепи могут применяться двухконтурные фильтры на слабо связанных коаксиальных резонаторах.
В диапазоне сантиметровых волн в качестве резонансных систем в некоторых случаях применяют объемные (полые) резонаторы, но чаще — полосковые линии и железоиттриевые монокристаллы.
Рисунок 3.3 – Входная цепь сантиметрового диапазона волн
Для передачи энергии используются прямоугольные или полосковые волноводы. Полый резонатор представляет собой замкнутый объем прямоугольной, кубической или цилиндрической формы.
На рисунок 3.3 показана конструкция входной цепи с прямоугольным резонатором. Энергия радиосигнала от антенны по прямоугольному волноводу 1 подводится к объемному резонатору 3 и поступает в него через щель 2. Сигнал возбуждает электромагнитные колебания с частотой, определяемой геометрическими размерами резонатора. Настройка резонатора на рабочую частоту осуществляется изменением емкости с помощью зонда 4. Из резонатора энергия радиосигнала выводится через диафрагму связи 5 «и поступает в волновод 6. Отсюда сигнал подается на вход первого каскада с помощью штыря 7. Связь с первым каскадом регулируют перемещением коротко замыкающего плунжера 8. Для улучшения избирательности входной цепи применяются двухзвенные фильтры.
На более высоких частотах во входных цепях используют полосковые линии. На рисунок 3.4,а показана микро полосковая линия, изготовленная по тонкопленочной технологии (на изоляционную подложку наносятся проводящие полоски одновременно с элементами принципиальной схемы и транзисторами). Входная цепь на рисунок 3.4,а является трехзвенным фильтром, состоящим из отрезков полосковой линии длинойl = λ/2.
На рисунок 3.4,б приведена эквивалентная схема этого фильтра. Каждая пара полосок в совокупности с промежутком между ними эквивалентна параллельному колебательному контуру, а каждая полоска — последовательному контуру 2 и 4. Таким образом получается система трех параллельных контуров 1, 3, 5, связанных звеньями последовательных контуров. Входной сигнал от антенны подводится к первой полоске, а с последней подается на вход первого каскада усилителя.
Входные устройства на полосковых линиях имеют малые габаритные размеры, хорошие характеристики, но не экранированы от внешних наводок и не обладают достаточной электрической прочностью.
На более высоких частотах, где полосковые резонаторы не обеспечивают достаточной избирательности, применяют резонансные устройства на железоиттриевых гранатах (ЖИГ), позволяющих получить эквивалентную добротность до 10 000. Железоиттриевый гранат представляет собой монокристалл сферической формы, к которому подводится сигнал СВЧ. Перпендикулярно полю СВЧ на монокристалл действует магнитное поле, в результате в кристалле возникает резонанс. При этом кристалл оказывается эквивалентным параллельному резонансному
Рисунок 3.4 –Входная цепь сантиметрового диапазона волн на полосковых линиях: в — топология; б — принципиальная схема
контуру. Резонансная частота ЖИГ пропорциональна напряженности магнитного поля. Изменяя напряженность внешнего магнитного поля, можно изменять частоту резонанса ЖИГ, осуществляя тем самым электронную настройку.