Фильтры сосредоточенной селекции (избирательности).

 

Избирательность радиоприёмных устройств должна быть достаточно велика (по соседнему каналу 20 – 40 дБ, а по зеркальному каналу 12 – 30 дБ). Такую избирательность не может обеспечить однозвенный фильтр. Поэтому на практике для достижения заданных параметров приёмника применяют либо несколько фильтров разнесённых по нескольким каскадам, либо фильтры сосредоточенной селекции, ФСС. Применение фильтров сосредоточенной селекции удобно тем, что такой фильтр включается в один из каскадов приёмника, а другие каскады выполняются либо апериодическими (не резонансными), либо широкополосными, практически, не влияющими на избирательность. Существует несколько типов ФСС.

Последовательное соединение нескольких резонансных контуров с ёмкостной связью между ними (рис. 44). Выходное сопротивление каскада, работающего на ФСС, и сопротивление нагрузки должны быть согласованы с волновым сопротивлением фильтра. Добротность таких фильтров относительно не высока – несколько сотен.

Рис. 44. Пример схемы фильтра сосредоточенной селекции.

 

Электромеханический фильтр, состоящий из преобразователя электрических колебаний в механические колебания, механического резонатора и преобразователя механических колебаний в электрический сигнал. В качестве механического резонатора применяют систему металлических тел, соединённых между собой металлическими стержнями. Добротность таких фильтров достигает нескольких тысяч. Недостатком является необходимость двойного преобразования вида колебаний и повышенные габариты и вес.

Магнитострикционные фильтры. Основой фильтра является катушка индуктивности с помещённым в неё ферритовым стержнем. При подаче на катушку переменного напряжения, в стержне возникают механические колебания (деформации). Изменения геометрических размеров стержня вызывают изменения магнитной проницаемости ферромагнитного материала стержня. В результате в катушке наводится ЭДС, противоположная по направлению напряжению генератора. При резонансе механические колебания стержня достигают максимальной амплитуды, а ток – минимального значения. Это эквивалентно резонансу токов в параллельном колебательном контуре. Добротность магнитострикционного фильтра около 10000.

Пьезоэлектрические фильтры. В основе действия такого фильтра лежит прямой и обратный пьезоэффект. Прямой пьезоэффект – это процесс возникновения электрических зарядов на поверхности кварцевой пластины при её механической деформации. Обратный пьезоэффект – механическая деформация кварцевой пластины под действием приложенного напряжения. Такие резонаторы часто называют кварцевыми. Пластина кварца, выпиленная из кристалла под определённым углом, помещается в держатель. На поверхности пластины наносится металл и от них делаются выводы. При резонансе механические колебания пластины достигают максимального значения, и на выходе фильтра действует максимальное напряжение. Добротность пьезоэлектрических фильтров достигает нескольких десятков тысяч.

 

Длинные линии.

(Цепи с распределенными параметрами).

 

      При построении различных радиотехнических систем электромагнитные колебания передаются между различными схемами по линиям связи, которые могут быть двухпроводными или коаксиальными. Такими линиями могут быть, например, фидеры, связывающие генератор передатчика с антенной.

       Любой участок двухпроводной линии обладает некоторой индуктивностью проводов и емкостью между проводами, т.е. подобен звену фильтра нижних частот. Рис. 45. Полные индуктивность и емкость линии распределены по ее длине, поэтому линия является цепью с распределенными параметрами. Кабель, используемый для построения линии, характеризуется величинами, которые называются погонными. Погонная емкость линии это величина емкости отрезка линии длиной в один метр. Аналогично - погонная индуктивность. Например, для симметричных линий C₁ = 30-60 пкФ/м; для коаксиальных кабелей С₁ =50-120 пкФ/м; L₁ – десятые доли микрогенри/м для любых кабелей.

 

 

Рис. 45. Электрическая схема длинной линии и её эквивалентная схема в виде фильтра нижних частот.

 

       Подобно фильтру с сосредоточенными параметрами линия имеет характеристическое (волновое) сопротивление , где  и  – индуктивность и емкость участка линии или погонная индуктивность и погонная емкость.

       Если сопротивление нагрузки R_н = Z_в, то входное сопротивление линии также равно волновому сопротивлению ее. По характеру это сопротивление активное. В этом случае линия является согласованной и работает в режиме бегущей волны. Отражение волны от конца линии не происходит.

       При отсутствии нагрузки в конце линии R_{н =} ∞ происходит отражение электромагнитной волны от конца линии. Волна отражается без изменения фазы напряжения. В результате в линии образуются две волны электромагнитных колебаний: прямая и отраженная. Наложение отраженной волны на прямую приводит к возникновению интерференции и образованию узлов и пучностей. В линии образуются стоячие волны. Это значит, что в некоторых точках линии напряжения и токи достигают своих наибольших значений и остаются неизменными во времени. Эти точки и называются пучностями. Точки, в которых напряжения всегда равны нулю, называются узлами. На разомкнутом конце линии всегда имеется пучность напряжения и узел тока.

Линии характеризуются волновым сопротивлением   [ Ом] и коэффициентом затухания , где L ₁, C ₁, R ₁ – погонные величины.

Для идеальной линии = 0, а граничная частота согласованной линии

       На практике линия обладает активным сопротивлением проводов. В результате волна затухает по мере продвижения вдоль линии, а граничная частота линии не равна бесконечности.

 

РАЗДЕЛ 3. РАДИОПРИЁМНЫЕ УСТРОЙСТВА.

Антенны.

Антенной называется линейная система, предназначенная для излучения или приёма электромагнитных колебаний. Функции передающей и приёмной антенн противопо­ложны, а потому понятие «антенна» следует определить отдельно применительно к этим функциям.

Передающая антенна представляет собой устройство для пре­образования энергии тока высокой частоты в энергию электро­магнитных волн, излучаемых в заданных направлениях.

Приёмная антенна — устройство, преобразующее энергию электромагнитных волн, приходящих по заданным направлени­ям, в энергию тока высокой частоты. При этом преобразуется как энергия радиосигнала, так и помехи. Помехами называются излучения других систем радиопередачи, а также излучения атмосферного, космического происхождения и создаваемые различного рода производственными электрическими устройствами. Для успешного извлечения энергии из приходящих к приёмной антенне волн необходимо «обратное» излучение антенны. Одним из основных параметров, характеризующих свойства антенны, является коэффициент направленности.

Для приёмных антенн коэффициент направленности D опреде­ляется как отношение мощности, извлекаемой антенной из волн, которые проходят в направлении максимума приёма, к мощно­сти, извлекаемой, при той же напряжённости поля сигнала, ненаправленной (изотропной) приёмной антенной:

 

 

Для простейших приёмных антенн, более удобны параметры «действующая высота» антенны или «действующая длина» антенны.

Конструктивно приёмные антенны проще, чем передающие, так как напряжения и токи в них незначительны.

На длинных волнах, т. е. на волнах длиннее 1000 м (7<300 кгц), применяются несимметричные передающие антенны. Рис. 46а.

Наиболее эффективна такая антенна при длине  Иначе го­воря, высота мачт должна быть более 250 м. Но сооружение мач­ты даже высотой в 250 м сравнительно дорого. Поэтому иногда для длинноволновых передатчиков сооружаются мачты высотой 100—150 м и даже меньше.  

На длинных волнах могут применяться приёмные антенны в виде за­землённого вертикального провода без горизонтальной части или же с горизонтальной частью. У основания провода включает­ся сопротивление (на длинных волнах имеющее обычно преимущественно реактивный характер), которое питается током антен­ны и с которого снимается напряжение на вход приёмника.  

На длинных волнах основным видом помех оказываются внешние помехи, а не внутренние шумы приёмника. С увеличени­ем высоты антенны возрастает уровень сигнала, но увеличиваются и эдс, наводимые помехами. Поэтому не имеет смысла выполнять антенны выше двух-трёх десятков метров. Сечение провода может быть небольшим; горизонтальная часть состоит обычно из одного провода, и заземление выполняется достаточ­но простыми средствами.

Для радиоприёма, кроме открытых антенн, применяются замкнутые антенны без сердечника (рамочные антенны) и с сер­дечником из феррита (так называемые «магнитные» антенны).

Рамочная антенна (приёмная рамка) состоит из одного или нескольких витков, имеющих квадратную, круглую или много­угольную форму, симметричную относительно вертикальной оси. Своими концами рамка присоединяется к входным зажимам приёмника, причём параллельно ей может быть включён конден­сатор, с которым рамка образует колебательный контур, настраиваемый на частоту того или иного сигнала (Рис. 46б). Напря­жение, создаваемое под действием сигнала на зажимах конденса­тора, управляет работой приёмника.

а).                                                                       б).                                       в).

Рис. 46. Схема горизонтальной антенны а) и приёмной рамки б) и диаграмма

направленности рамки в горизонтальной плоскости в).

 

В приёмниках переносного типа требуются антенны, размещаемые под пластмассовым футляром. Такие миниатюрные антенны относятся тоже к замкнутому типу и выполняются в виде катушки, вдоль оси которой проходит удлинённый стержень из магнитодиэлектрика (Рис. 47). Наведение эдс в такой ка­ртушке можно объяснить воздействием магнитного поля сигнала, которое концентрируется в магнитном материале стержня, пронизывая плоскости витков катушки.  

Используя свойства направленности, аналогичные свойствам приёмной рамки, можно подавить помеху со стороны мощной радиостанции, сохраняя слышимость маломощной, расположен­ной под другим азимутом.

Рис. 47. Расположение катушек индуктивности на сердечнике магнитной антенны.

 

На коротких волнах, и особенно в диапазоне от 15 до 60м, осуществляются связь и радиовещание на большие расстояния. Для ближних связей короткие волны применяются лишь в специальных случаях. Следовательно, характерные требования к антеннам коротких волн исходят из условий работы дальних линий связи. В диапазоне коротких волн применяются для дальних связей два типа антенн, работающих в режиме бегущих волн. Первый тип — это ромбическая антенна, которая в разных конструкциях пригодна и как передающая, и как приёмная. Второй тип — ко­ротковолновая приёмная антенна бегущей волны.

 

На метровых волнах очень широко применяется однонаправ­ленная антенна, получившая название «волновой канал» (рис. 48). Она содержит один активный вибратор В, питаемый обычно коаксиальным кабелем, один рефлектор Р и несколько директоров Д. Все эти элементы укреплены своими серединами на металлической пустотелой штанге. Штанга проходит через точки нулевого заряда (или, что одно и то же, через пучности тока) перпендикулярно электрическому полю антенны, не нарушая его строения. Лишь активный вибратор изолирован от штанги и под­ключается к устройству симметрирования и, в случае необходимости, согласования с фидером.

 

Рис. 48. Антенна «волновой канал».

 

Ни в каком другом диапазоне волн нет такого разнообразия типов, принципов действия и конструкций антенн, как на ультра­коротких волнах. И это понятно: во-первых, сам диапазон УКВ чрезвычайно широк и по абсолютной частотной вместимости, и по соотношению между крайними частотами; во-вторых, ультра­короткие волны широко применяются не только в области связи и радиовещания, но и во многих других областях радиотехники. Диапазон УКВ позволяет сравнительно легко выполнять антенны, линейные размеры которых не только соизмеримы с длиной волны, но и значительно превосходят её. Это легче осуществить на дециметровых волнах, нежели на метровых, а на сантиметровых ещё легче, чем на дециметровых. Следовательно, в диапазонах УКВ возможности направленного излучения и приёма очень богаты, и чем короче волны диапазона, тем проще достигнуть острой направ­ленности при приемлемых размерах антенны. Вместе с тем, основ­ной способ связи на УКВ — это связь при геометрической видимости между антеннами корреспондентов. Это значит, что корреспон­дентам взаимно известны направления приёма, а потому приме­нение антенн с высокой направленностью не только возможно, но и очень выгодно. То же соображение относится и к приёму радиовещания и телевидения.

На ультракоротких волнах широко распространены зеркаль­ные антенны. В них радиоволны, создаваемые первичным излу­чателем (облучателем), падают на отражающую металлическую поверхность, называемую зеркалом или рефлектором; она форми­рует нужную диаграмму направленности отражённых волн (рис. 49).

Рис. 49. Параболическая антенна.

 

В технике связи наиболее распространено зеркало в форме параболоида вращения, который геометрически описывается как результат вращения параболы вокруг своей оси. Наиболее замечательное свойство параболы в том, что в любой её точке луч, исходящий из фокуса и отражаемый через раскрыв PQ, служит продолжением перпендикуляра к директрисе. Иначе говоря, отражённые лучи параллельны между собой.

3.2. Классификация радиоприёмных устройств.

Радиоприёмное устройство, являющееся частью системы передачи сообщений, предназначено для воспроизведения сообщения с заданной степенью точности. Под сообщением понимают какую-либо форму полезной информации. Полезной информацией в радиовещательном сигнале является тот или иной звуковой сигнал, например речь или музыка; в телевизионном сигнале – передаваемое изображение и его звуковое сопровождение.

Радиоприемные устройства можно разделить на две основные группы: профессиональные и радиовещательные. Профессиональные радиоприемники предназначены для радиосвязи, радиолокации, ра­дионавигации и т.д., радиовещательные — для приема вещательных звуковых и телевизионных программ.

Радиоприемные устройства можно классифицировать и по дру­гим признакам: 1) характеру модуляции принимаемых радиосигна­лов, например амплитудно-модулированных, частотно-модулирован­ных и т. д. 2); диапазону принимаемых радиосигналов (километро­вый, гектометровый, декаметровый, метровый, сантиметровый, мил­лиметровый); 3) типу используемых усилительных приборов (полу­проводниковые, электровакуумные); 4) способу питания (от сети пере­менного тока, бортовой сети или электрохимических источников тока); 5) конструктивному оформлению и т. д.

Радиоприёмное устройство состоит из трёх частей: приёмной антенны, радиоприёмника и воспроизводящего устройства. Функции антенны рассмотрены выше. Радиоприёмник осуществляет отделение радиосигнала от помехи и усиление принимаемого сигнала. Воспроизводящее устройство преобразует электрический сигнал в необходимое сообщение. В зависимости от характера принимаемого сообщения в качестве воспроизводящего устройства используются телефон, громкоговоритель, кинескоп, телеграфный аппарат, ЭВМ и т.д.

 

3.3. Основные качественные показатели радиовещательных приёмников.

Основными качественными показателями приемников являются следующие: 1) чув­ствительность; 2) избирательность; 3) диапазон рабочих частот; 4) качество воспроизведения; 5) помехоустойчивость.

Чувствительность. Способность радиоприемного устройства при­нимать слабые сигналы, при которых обеспечивается нормальная работа воспроизводящего устройства, называется чувствительностью. Чувствительность оценивается наименьшей величиной э. д. с. радио­сигнала Е_А или его мощностью Р_А в антенне, при которых нормально работает воспроизводящее устройство.

Чувствительность приемника зависит от общего усиления радио­сигнала от входной цепи до выхода радиоприемного устройства. Чем больше это усиление, тем меньшая э. д. с. ЕА или мощность РА требуется для нормальной работы воспроизводящего устройства и, следовательно, тем чувствительнее радиоприемник.

Чувствительность радиоприемников в диапазонах волн длиннее метровых оценивается обычно по э. д. с. радиосигнала в антенне, измеряемой микровольтами (мкВ) или милливольтами (мВ), а в диа­пазоне короче метровых волн — по мощности РА, измеряемой микро­ваттами (мкВт). Чувствительность приемников, работающих на встроен­ную (магнитную) или штыревую антенну, оценивается по напряжен­ности электромагнитного поля Е в месте приема. Зная напряжен­ность поля Е и действующую высоту антенны h_Д, можно вычислить э. д. с. радиосигнала в антенне:

.                        

В зависимости от назначения радиоприемника величина чувстви­тельности может быть от десятых долей микровольта до нескольких милливольт или в пределах  Вт.

В реальных условиях при оценке чувствительности учитываются помехи, действующие на входе приемника и ограничивающие возможность повышения чувствительности за счет повышения усиления. К таким помехам относятся атмосферные, промышленные, а также собственные шумы антенны и приемника. Поэтому для характери­стики чувствительности приемника используется понятие реаль­ной чувствительности.

Реальная чувствительность при приеме на внешнюю антенну характеризуется минимальным напряжением радиосигнала Е_А или мощностью р_а,, при кото­рой получается нормальная или стандартная выходная мощность при заданных параметрах входного радиосигнала и допустимом отно­шении сигнал/шум на выходе приемника.    При приеме на магнитную антенну реальная чувствительность характеризуется минимальной напряженностью электромагнитного поля в месте приема, при кото­рой получается нормальная или стандартная выходная мощность при заданных параметрах входного радиосигнала и допустимом отно­шении сигнал/шум на выходе приемника. Под нормальной выходной мощностью понимают величину, равную 0,1 но­минальной мощности, или соответствующее ей выходное напряже­ние U _вых,н  при заданном сопротивлении внешней нагрузки R _н: .                           

В некоторых случаях при определении чувствительности используют понятие стандартной выходной мощности. Стандартная выходная мощность принята равной 50 мВт (для приемников с номинальной мощностью менее 150 — 5 мВт).

Заданное отношение сигнал/шум на выходе приемника определя­ется видом принимаемого сигнала и чаще всего колеблется в пределах 3—20. Например, при приеме радиовещательных станций отно­шение напряжения полезного сигнала к напряжению помех при ампли­тудной модуляции должно быть не менее 20 дБ (10 раз), а при ча­стотной модуляции 26 дБ (20 раз); при этом глубина амплитудной модуляции должна быть 30%, а девиация частоты  15 000 Гц. Ча­стота модуляции 400 или 1000 Гц.

 

Избирательность. Способность радиоприемного устройства выде­лять полезный радиосигнал из совокупности различных радиоча­стотных колебаний, существующих в месте приема вследствие работы других радиопередатчиков, называется избирательностью.

Существуют различные виды избирательности приемников. Рас­смотрим широко применяемую частотную избирательность.

Частотной избирательностью приемника или просто избиратель­ностью называется способность приемника выделить сигнал, имеющий определенную несущую частоту, из ряда электрических колебаний с различными несущими частотами.

Рассмотрим два вида избирательности приемника: избиратель­ность по соседнему каналу и избирательность по побочным каналам. При супергетеродинном приеме основными побочными ка­налами являются зеркальный канал и канал прямого прохождения.

Об избирательности или селективности по соседнему каналу высо­кочастотного тракта приемника можно судить по его характеристике избирательности.

По­скольку характеристика избира­тельности определяет ослабление сигнала несущей частоты, распо­ложенной по частоте сравнительно близко от частоты настройки при­емника, то принято считать, что она определяет избирательность или селективность по соседнему каналу.

Величина расстройки  при которой определяется избира­тельность, зависит от назначения приемника. Так, например, селективность радиовещательных приемников по соседнему каналу в километровом и гектометровом диапазонах опре­деляется при расстройке ± 9 кГц. Чем уже характеристика избирательности приемника, тем выше его избирательность по соседнему каналу. Значительное сужение характеристики избирательности недопустимо с точки зре­ния частотных искажений.

Супергетеродинный приемник должен обладать избирательностью не только по соседнему каналу, но и по побочным каналам, в частно­сти по зеркальному каналу. Чис­ленно избирательность по зеркаль­ному каналу характеризуется величиной ослабления сигнала с зер­кальной частотой, т. е. сигнала, отличающегося от частоты настройки приемника на удвоенную промежуточную частоту.

Канал прямого прохождения – это приём радиостанций работающих на частоте равной или очень близкой к промежуточной частоте супергетеродинного приёмника.

 

Диапазон рабочих частот. Диапазон рабочих частот или волн приёмника определяется его назначением. Современная радиотехника использует широкий диапазон волн – от десятков тысяч метров (десятков килогерц) до ультракоротких волн, измеряемых сантиметрами и миллиметрами (десятки и сотни ГГц). Отечественные радиовещательные приёмники имеют диапазоны длинных и средних волн от 2000 м (150 кГц) до 187 м (1605 кГц) с провалом от 571 до 735 м (525 – 408 кГц), диапазон декаметровых волн от 25 до 76 м (3,95 – 12,1 МГц), а также диапазон метровых волн от 4,54 до 4,11 м (65,8 – 73 Мгц). Диапазон декаметровых волн обычно называют метровым диапазоном. У высококачественных приёмников он разделяется на несколько растянутых поддиапазонов, настройка которых осуществляется в узких участках шириной 100 – 300 кГц вблизи длин волн 25, 31, 41 и 49 м. Настройка радиоприёмника на нужную станцию осуществляется или с помощью изменения ёмкости конденсатора, или изменением индуктивности катушки. В современных приёмниках для настройки используются варикапы – полупроводниковые диоды, ёмкость которых изменяется в зависимости от приложенного к ним обратного напряжения. Такая настройка называется электронной.

Качество воспроизведения. На выходе приёмника качество воспроизведения сигнала определяется частотными, нелинейными и фазовыми искажениями, а также динамическим диапазоном приёмника. Частотные искажения вызывают изменение тембра звучания, а нелинейные искажения приводят к появлению хрипоты. Более подробно вопросы, касающиеся искажений, рассматриваются в курсе Усилительных устройств. В любом случае всегда стремятся к снижению величины искажений.

  Динамический диапазон приёмника – это отношение максимального уровня принимаемого входного сигнала при допустимом уровне искажений к чувствительности приёмника. Чаще всего динамический диапазон ограничивается нелинейными искажениями, возникающими за счёт перегрузки в последних каскадах приёмника. Современные приёмники имеют динамический диапазон 30 – 60 дБ.