Характеристики приемников РЭС в широкой полосе частот

 

Общие сведения о радиоприемных устройствах

Радиоприемным устройством называют устройство, предназначенное (совместно с антенной) для приема радиосигналов и преобразования их к виду, позволяющему использовать содержащуюся в них информацию.

Радиоприемные устройства являются неотъемлемой частью таких радиотехнических систем, как системы радиолокации, радиосвязи, радиовещания, телевидения и т.д.

Состав и схема приемного устройства зависят от ряда факторов и в первую очередь от параметров входных радиосигналов.

Структурная схема детекторного приемника приведена на рис. 4/

 

 

Рис. 4. Структурная схема детекторного приемника

 

Схема состоит из входного устройства, связанного с антенной индуктивной связью, детектора и оконечного устройства. Ее достоинство - простота. Основные недостатки - низкая чувствительность, определяемая свойствами детектора, и низкая избирательность по частоте. Низкая чувствительность обуславливается тем, что для слабых сигналов детектор работает в квадратичном режиме и, следовательно, существенно подавляет слабые сигналы, так как крутизна вольт-амперной характеристики для слабых сигналов гораздо меньше, чем для сильных. У современных детекторных приемников, использующих на выходе детекторного каскада усилитель низкой частоты, чувствительность Р_мин=10^-7-10^-9 Вт.

Увеличения чувствительности детекторного приемника можно достичь либо за счет усиления радиосигналов до детектора, либо смещением рабочей точки диода в область с повышенной крутизной вольт-амперной характеристики, либо о помощью положительной обратной связи. Эти направления привели к появлению следующих типов приемников:

приемников прямого усиления;

гетеродинных (супергетеродинных) приемников;

регенеративных (суперрегенеративных) приемников.

 

Структурная схема приемника прямого усиления приведена на рис. 5.

 

 

Рис. 5. Структурная схема приемника прямого усиления

 

Схема состоит из входного устройства, усилителя высокой частоты (УВЧ), детектора и усилителя низкой частоты (УНЧ).

УВЧ совместно с ВУ обеспечивает частотную избирательность сигналов и усиливает их до значений, необходимых для эффективной работы детектора. УНЧ усиливает продетектированные сигналы до величины, требуемой для нормальной работы оконечных устройств. Чувствительность приемников прямого усиления достигает величины 10^-10-10^-13 Вт. Основным недостатком приемника является низкая частотная избирательность, которая ухудшается с ростом рабочей частоты.

Повышения частотной избирательности можно добиться с помощью применения УВЧ с положительной обратной связью. В этом случае в зависимости от характера связи приемник становится либо регенеративным, либо суперрегенеративным. Однако такие приемники характеризуются низкой стабильностью в работе и находят применение лишь в любительской радиосвязи.

Другой путь повышения частотной избирательности и чувствительности связан с применением супергетеродинного (гетеродинного) приемника, структурная схема которого показана на рис. 6.

 

Рис. 6. Структурная схема супергетеродинного (гетеродинного) приемника

 

Особенностью данного приемника по отношению к приемнику прямого усиления является наличие преобразователя частоты, состоящего из смесителя, местного гетеродина и усилителя промежуточной частоты. Преобразователь частоты служит для переноса спектра входного сигнала в область более низких промежуточных частот с сохранением формы сигнала и спектра. Эта операция осуществляется за счет перемножения в смесителе двух напряжений: полезного сигнала U_c(t)=U_ccos[w_ct+φ_с] и гетеродина U_г(t)=U_гcos[w_гt+φ_г]. В результате перемножения на выходе смесителя образуется напряжение с промежуточной частотой w_п=|w_с-w_г |:

U_п(t)=U_пcos[w_пt+ц_п], w_пdw_с.

Это напряжение усиливается в многокаскадном УПЧ, позволяющем обеспечивать высокую частотную избирательность приемника за счет усиления на пониженных частотах (w_п≤w_с).

В гетеродинном приемнике частота колебаний местного гетеродина выбирается равной центральной частоте спектра сигнала w_с0. В этом случае w_пр=0.

Чувствительность супергетеродинных приемников в зависимости от полосы пропускания имеет порядок 10^-12-10^-20 Вт. В настоящее время супергетеродинные приемники находят широкое применение в самых различных радиотехнических системах.

Специфическим недостатком любого cупергетеродинного приемника является вероятность нежелательного воздействия на его работу зеркальной помехи. Этой помехой называют такие высокочастотные мешающие сигналы, которые, складываясь на входе смесителя с колебаниями гетеродина, образуют биения с промежуточной частотой приемника. Если f_c<f_г, то частота зеркальной помехи f_з.п=f_г+f_пр. Если f_с>f_г, то f_з.п=f_г-f_пр. Сказанное поясняется рис. 7. Из него видно, что по отношению к частоте гетеродина зеркальная помеха и полезный сигнал симметричны. Поэтому зеркальную помеху иногда называют симметричной помехой.

 

Рис. 7. Варианты расположения частотных составляющих сигнала, гетеродина и зеркальной помехи.

 

Для устранения приема зеркального сигнала требуется не допустить его до преобразователя частоты. Эту задачу должен успешно выполнять преселектор, т.е. входная цепь приемника и УВЧ.

Мешающие сигналы "соседней" станции (т.е. близкие по частоте к полезному сигналу) устраняются преимущественно в УПЧ. В преселекторе они только слегка ослабляются.

Кроме обычных супергетеродинных приемников применяются приемники с двойным, а иногда и с тройным преобразованием частоты. Возможны также приемники гетеродинные, регенеративные и сверхрегенеративные. Чаще всего они имеют узкоспециальное назначение.

В реальных приемниках процесс перемножения двух напряжений (U_с и U_г) осуществляется одним из следующих способов:

1. Образованием напряжения биений и последующим его детектированием на линейном детекторе.

2. Использованием в качестве смесителя элемента, обладающего нелинейной характеристикой.

3. Использованием линейных смесителей с переменными параметрами, причем U_с<<U_г и мощный сигнал гетеродина модулирует передаточную характеристику элемента.

 

Характеристика приемников в широкой полосе частот

Приемное устройство РЭС может воспринимать помехи не только в полосе основного канала приема, но и за ее пределами.

Согласно рис.13.2, помимо основного канала приема, предназначенного для приема полезного сигнала, радиоприемник имеет побочные каналы приема и, кроме того, в нем могут проявляться так называемые внеполосные эффекты.

Побочным каналом приема называется полоса частот, находящаяся за пределами основного канала приема, в которой сигнал проходит на выход радиоприемника. Рассмотрим механизм образования побочного канала.

Пусть на нелинейный элемент с характеристикой

i=b₀ + b₁U + b₂U² + b₃U³ +... + b_kU^k

подается гармонический сигнал u(t) = U_msin(w_t). На выходе нелинейного элемента появятся составляющие с частотами w, 2w, 3w,..., kw. Если на вход подать два гармонических сигнала с частотами w₁ и w₂, то в спектре выходного сигнала будут присутствовать составляющие на частотах mw₁ + nw₂, где m, n - любые целые числа 0, ±1, ±2,...

B общем случае при подаче на вход k гармонических сигналов с частотами w₁, w₂,..., w_k в спектре выходного сигнала будут присутствовать составляющие вида mw₁ + nw₂ +... + qw_k, где m, n, q - любые целые числа 0, ±1, ±2,...

Возьмем в качестве нелинейного элемента типового супергетеродинного приемника смеситель. Если на вход смесителя подать напряжение помехи с частотой w_nk и при этом подобрать значение этой частоты так, чтобы при заданных |m| и | n| выполнялось условие:

mw_nk + nw_г = w_пр±Δw_пр/2

(w_г и w_пр - частоты гетеродина и УПЧ, а Δw_пр - полоса пропускания УПЧ), то помеха после смесителя окажется в полосе пропускания УПЧ и далее пройдет на выход приемника. Помеха, частота которой удовлетворяет данному условию, действует по побочному каналу приема.

Побочный канал приема, удовлетворяющий условию m = l, n = 0, является каналом промежуточной частоты. Побочный канал, удовлетворяющий условия m=2, 3, 4,...; n = 1, называется каналом настройки приемника на частоте субгармоники. При всех других сочетаниях m и n побочные каналы называются комбинационными. Частным видом комбинационного канала является зеркальный канал, для которого |m| +|n| = 2 и m ≠ 0, n ≠ 0.

Интермодуляционный канал возникает в том случае, когда на приемник действуют два и более мешающих сигнала. Для этого случая справедливо выражение:

mw₁ + nw₂ +... + qw_i + pw_r = w_пр ± Δw_пр/2.

Заметим, что интермодуляционные каналы могут возникать не только в смесителе, но и в нелинейных каскадах УВЧ до смесителя. Наиболее опасными в этом случае оказываются каналы, образованные двумя мешающими сигналами, частоты которых удовлетворяют следующим условиям:

w₁ + w₂ = w₀, 2w₁ - w₂ = w0, 2w₂ - w₁ = w₀.

В нелинейных каскадах УВЧ могут возникать также и побочные каналы на субгармониках.

Чувствительность радиоприемника по каналам побочного приема существенно ниже чувствительности по основному каналу. Это объясняется ослаблением помех преселектором, а также значительными потерями в нелинейных элементах - смесителе и УВЧ. Чувствительность различных экземпляров однотипных приемников по каналам побочного приема, как и уровень побочных излучений передатчиков, имеет большой разброс. Поэтому предпочтение отдается экспериментальным оценкам. Существующие аналитические выражения для расчета имеют низкую точность.

К внеполосным эффектам в приемниках при воздействии большого по уровню сигнала помехи относятся блокирование и перекрестное искажение.

Блокирование проявляется в изменении уровня сигнала или отношения сигнал/шум на выходе радиоприемника при действии радиопомехи, частота которой не совпадает с частотами основного и побочного каналов. Блокирование возникает в УВЧ и смесителях из-за нелинейного закона изменения коэффициента передачи полезного сигнала при действии помехи.

Пусть на вход нелинейного элемента с характеристикой

i = b₀ + b₁U + b₂U² + b₃U³ +...

действует сумма напряжений сигнала и помехи

U(t) = U_c(t) + U_n(t) = U_mc cos(w_ct) + U_mn cos(w_nt).

Произведя подстановку и выделив составляющую тока первой гармоники полезного сигнала, получим

,

Второй и третий члены в скобках определяют изменение усиления за счет нелинейности третьего порядка. Если b < 0, то ток на выходе при действии помехи будет уменьшаться. Для случая, когда

,

выходной ток будет отсутствовать и полезный сигнал на выход приемника не пройдет — он будет заблокирован. Для исключения блокирования полезного сигнала необходимо, чтобы b₃ = 0.

Следует отметить, что второй член выражения при реальных уровнях полезного сигнала в приемнике значительно меньше величины b₁, поэтому при анализе им обычно пренебрегают. То же самое можно сказать и про третий член, если величины U_mn и U_mc будут соизмеримы. Для того чтобы эффект блокирования заметно проявлялся, необходимо выполнить условие U_mn >> U_mc. Таким образом, уровень помехи должен быть значительно выше уровня полезного сигнала. Поэтому эффект блокирования называют эффектом большого сигнала.

Пусть теперь напряжение помехи, поступающее на вход нелинейного элемента, имеет амплитудную модуляцию

U_n(t) = U_mn [1 + m_n cos(Ω_nt)] cos(w_nt).

Тогда выражение для тока первой гармонии примет вид (вторым членом в скобках по указанной выше причине пренебрегаем)

.

Из приведенного выражения следует, что усиление полезного сигнала меняется по закону модуляции напряжения помехи. Это равносильно переносу модуляции помехи на полезный сигнал. В этом сущность эффекта перекрестных искажений. Эффекты блокирования и перекрестных искажений появляются только при действии полезного сигнала. При этом частота помех должна быть в пределах полосы пропускания тракта УВЧ.