Искажения ЧМ-сигнала в радиотракте 3 страница

Схема с автотрансформаторным согласованием (рис.39) используется при несимметричном типе фидера (коаксиальном).

Согласование достигается соответствующим выбором величины коэффициента трансформации

,

где - индуктивность части контурной катушки между точками подключения антенного фидера;

- взаимоиндуктивность между точками подключения фидера и всеми витками контура.

 

Рисунок 39 – Входная цепь с двойной автотрансформаторной связью

 

Схема с трансформаторным согласованием (рис.40) наиболее гибкая. Она может применяться как при симметричном, так и при несимметричном типе фидера.

 

 

 

Рисунок 40 –. Схема с трансформаторным согласованием:

а) с электростатическим экраном; б) без экрана

 

Особенно большое распространение схема получила при использовании симметричного фидера, так как она позволяет сделать вход приемника симметричным, что необходимо для устранения антенного эффекта неэкранированного фидера.

Устранение антенного эффекта достигается применением электростатического экрана между катушкой связи и контурной катушкой (рис.40а), а также специальной конструкцией фидера.

При наличии экрана связь между катушками будет только за счет взаимоиндуктивности М. Это позволяет устранить однотактную волну сигнала обоих проводов.

Электростатический экран устраняет влияние распределенной емкости между витками катушки связи и контура (рис.40б), что могло бы нарушить симметрию входа приемника.

Данная схема отличается от предыдущей способом связи входного контура с фидером. Величина коэффициента трансформации

, (5.24)

где - коэффициент связи.

Коэффициент связи, необходимый для согласования

. (5.25)

Величина зависит от выбора индуктивности . Конструктивно выполнимый не более 0,5 – 0,6. Поэтому надо так выбрать , чтобы согласование достигалось при возможно меньшем значении коэффициента связи .

.

Чаще всего рассматриваемые входные устройства применяются в приемниках, работающих на фиксированной частоте или в сравнительно узком поддиапазоне частот. Связь входного контура фидером конструктивно выполняется постоянной. Обычно согласования добиваются на средней частоте поддиапазона. По краям поддиапазона связь незначительно отличается от оптимальной, поэтому коэффициент передачи сохраняется близким к максимальному.

В тех сравнительно редких случаях, когда приходится работать в относительно широком диапазоне частот, связь выполняют также постоянной, добиваясь согласования в середине диапазона. При этом по краям диапазона будет рассогласование, что приведет к некоторым изменениям показателей входного устройства.

Схема с емкостным делителем (рис.41) используется при несимметричном типе фидера.

 

 

Рисунок 41 – Схема с емкостным делителем

 

Контур образован индуктивностью и емкостью

,

где , - междувитковая емкость катушки индуктивности .

В этой схеме полная емкость контура определяется последовательным соединением составляющих делителя и . Поэтому результирующее значение емкости будет меньше, чем в обычных контурах, где все емкости оказываются включенными параллельно и суммируются.

Коэффициенты трансформации делителя

, .

Причем , поэтому, если выбрано из условия согласования, то определяется однозначно: .

Достоинством схемы является возможность использования ее на более высоких частотах. Дело в том, что конструктивно затруднительно выполнить сосредоточенную индуктивность величиной менее 0,05 мкГн. Повышение резонансной частоты контура возможно только за счет уменьшения результирующей емкости контура. Возможности уменьшения емкости контура ограничены величинами емкости входа АЭ и емкости монтажа. В данной схеме их влияние меньше.

 

 

5.7 Особенности конструкции входных цепей для различных диапазонов волн

 

При работе на частотах ниже 100 МГц контур входной цепи реализуется на сосредоточенных - элементах.

На частотах выше 300 МГц катушка индуктивности контура вырождается в один неполный виток, а требуемая емкость становится соизмеримой с входной емкостью транзистора совместно с емкостью монтажа; контур превращается в отрезок линии.

Таким образом, в диапазоне длин волн короче 1м в качестве колебательного контура используются цепи с распределенными параметрами.

Колебательные контуры с сосредоточенными параметрами применяются до частот порядка 200 – 220 МГц, т.е. в метровом и более длинноволновых диапазонах.

В дециметровом диапазоне волн во входных цепях применяют коаксиальные резонаторы. Они представляют собой четвертьволновые отрезки коаксиальных линий, короткозамкнутых на одном конце.

Достоинством таких резонаторов является высокая добротность (десятки тысяч), стабильность, механическая прочность, жесткость конструкции, совершенное самоэкранирование, что устраняет нежелательные связи с другими элементами и потери на излучение.

Коаксиальные резонаторы хорошо сопрягаются с металлокерамическими лампами, с дисковыми выводами.

В большинстве случаев потери, вносимые в резонансную линию, намного превосходят ее собственные, поэтому можно считать ее идеальной, без потерь.

Связь резонансной линии с антенным фидером может быть автотрансформаторная (с помощью отвода от внутреннего провода, рис.42а), трансформаторная (витком связи, рис.42б), емкостная (рис.42в).

Настройку резонансных линий можно производить изменением емкости или действующей длины .

 

 

Рисунок 42 – Связь коаксиального резонатора с антенной при помощи

отвода (а), витка связи (б), емкости (в)

 

В сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн входная цепь приемника состоит из волноводного тракта, отдельные участки которого представляют собой одиночные или связанные объемные резонаторы. Они образуются замкнутой металлической оболочкой, во внутренней полости которой возбуждается электромагнитное поле с помощью отверстия в стенке резонатора, петли или штыря (рис.43).

 

 

 

 

Рисунок 43 – Виды связи объемного резонатора:

а – при помощи диафрагмы; б – петли; в – зонда

 

Достоинства объемных резонаторов: высокая добротность, стабильность, удобные размеры, почти идеальная экранировка.

Объемный резонатор может служить трансформирующим элементом.

В последнее время вместо отрезков коаксиальных линий и волноводов используют отрезки микрополосковых линий.

Входные устройства приемников СВЧ в конструктивном отношении нераздельно связаны с высокочастотным блоком, содержащим лампу бегущей волны, параметрический усилитель, усилитель на туннельном диоде или кристаллический преобразователь. Поэтому их удобнее рассматривать вместе.

 

Тема 6. Усилители радиочастоты

 

6.1 Назначение и основные характеристики усилителя радиочастоты

 

Усиление на частоте принимаемого сигнала производится с помощью усилителей радиочастоты (УРЧ). Кроме усиления должна обеспечиваться и частотная избирательность. Для этого усилители содержат резонансные элементы межкаскадной связи: одиночные колебательные контуры или системы связанных контуров.

Диапазонные УРЧ должны иметь контуры с переменной настройкой. Они чаще всего выполняются одноконтурными.

В диапазонах умеренно высоких частот активным элементом усилителя служит электронная лампа или транзистор.

На СВЧ применяются усилители с лампами бегущей волны, на туннельных диодах, параметрические и квантовые усилители.

В большинстве современных приемников используют однокаскадные УРЧ. Реже, при высоких требованиях к избирательности и коэффициенту шума, УРЧ могут содержать два или более каскадов.

Основные электрические характеристики усилителей:

1. Резонансный коэффициент усиления напряжения

.

В полосовых усилителях резонансный коэффициент усиления определяется на средней частоте полосы пропускания.

Коэффициентом усиления по мощности называют величину отношения мощности в нагрузке к мощности, потребляемой на входе усилителя:

,

где - активная составляющая входной проводимости усилителя;

- активная составляющая проводимости нагрузки.

Нагрузкой УРЧ чаще всего служит вход следующего каскада усилителя или преобразователя частоты.

2. Избирательность усилителя показывает относительное уменьшение усиления при заданной расстройке. Иногда избирательность характеризуют коэффициентом прямоугольности.

3. Коэффициент шума, определяющий шумовые свойства усилителя.

4. Искажения сигнала в усилителе. В УРЧ искажения могут быть: нелинейные, вызываемые нелинейностью характеристики активного элемента, и линейные – амплитудно-частотные и фазо-частотные.

5. Устойчивость работы усилителя определяется его способностью сохранять в процессе эксплуатации основные характеристики, а также отсутствием склонности к самовозбуждению.

 

 

6.2 Схемы усилителя радиочастоты

 

 

В усилителях радиочастоты находят применение в основном две схемы включения активного элемента: с общим катодом (ОК) и общей сеткой (ОС) в ламповых усилителях; с общим эмиттером (ОЭ) и общей базой (ОБ) в транзисторных (биполярных) усилителях; с общим истоком (ОИ) и общим затвором (ОЗ) в каскадах на полевых транзисторах.

Усилители с общим катодом (эмиттером, истоком) в диапазонах километровых, гектометровых, декаметровых и метровых волн позволяют получить наиболее высокое усиление по мощности по сравнению с другими схемами включения.

Усилители с общей сеткой (базой, затвором) отличаются большей устойчивостью против самовозбуждения. Поэтому в дециметровом диапазоне волн ламповые усилители используются только в схеме с общей сеткой.

Транзисторные усилители с общей базой (затвором) используются и на более длинноволновых диапазонах.

Принципы построения и анализа резонансных усилителей идентичны для различных схем включения усилительных приборов, потому в основном будем рассматривать усилители с общим катодом (эмиттером, истоком).

По способу связи контура с активными элементами различают схемы с непосредственной, автотрансформаторной и трансформаторной связью.

Схемы с непосредственной связью контура используются при больших входных и выходных сопротивлениях активного элемента (например, в усилителях на электронных лампах и на полевых транзисторах).

 

Рисунок 44 – Резонансный усилитель на полевом транзисторе

 

Рассмотрим схему резонансного усилителя на полевом транзисторе (рис.44).

Его отличие от резисторного в том, что в цепь стока включен колебательный контур, содержащий индуктивность и емкости , . Настраивается контур на резонансную частоту конденсатором переменной емкости .

На частоте резонанса контур имеет наибольшее эквивалентное активное сопротивление. При этом коэффициент усиления усилителя будет максимальным, называемым резонансным. На частотах, отличающихся от резонансной, эквивалентное сопротивление и коэффициент усиления уменьшаются, что определяет избирательные свойства усилителя.

Поскольку величина емкости конденсатора в 50 – 100 раз превышает максимальную емкость конденсатора , то резонансная частота контура определяется практически параметрами и .

В схеме применено последовательное питание стока через развязывающий фильтр и индуктивность (полевых транзисторах сток и исток можно поменять местами). Исходный режим на затворе определяется величиной падения напряжения тока истока на . Емкость устраняет отрицательную обратную связь по переменному току. Конденсатор разделительный. Резистор служит для подачи исходного напряжения на затвор.

Полевые транзисторы с изолированным затвором позволяют получить очень малую величину проходной емкости, обеспечивающую устойчивую работу усилителя даже на СВЧ, с показателями, лучшими, чем у электронных ламп.

Схемы с автотрансформаторной и трансформаторной связью контура позволяют устанавливать необходимую величину связи контура с активными элементами для достижения заданной избирательности и усиления, а также для повышения устойчивости работы усилителя.

Автотрансформаторная и трансформаторная схемы связи используются как в ламповых, так и в транзисторных усилителях, но особенно характерно их применение в усилителях на биполярных транзисторах, вследствие сравнительно малых входного и выходного сопротивлений у них даже на относительно невысоких частотах.

Рассмотрим автотрансформаторные и трансформаторные схемы связи на примере усилителей на биполярных транзисторах (рис.45, 46).

На рис.45 приведена схема с двойной автотрансформаторной связью контура с транзисторами. Ее отличие от схемы рис.44 в том, что контур подключен к усилительным приборам с помощью отводов с коэффициентами трансформации и . Напряжение питания на коллектор подано через развязывающий фильтр и часть витков катушки индуктивности контура . Исходный режим и температурную стабилизацию обеспечивают с помощью резисторов . Емкость устраняет отрицательную обратную связь по переменному току. Конденсатор – разделительный, предотвращает попадание питающего напряжения коллектора в цепь базы.

 

Рисунок 45 – Схема с двойной автотрансформаторной связью контура

 

 

На рис.46 приведена схема с трансформаторной связью.

Контур имеет трансформаторную связь с коллектором транзистора данного каскада и автотрансформаторную со входом следующего. Трансформаторная связь конструктивно более удобна (более гибкая).

Общим для всех схем является двойное частичное включение контура. Полное включение можно рассматривать как частный случай, когда коэффициенты включения (трансформации) равны единице.

 

Рисунок 46 – Схема с трансформаторной связью

 

6.3 Обратные связи в усилителях радиочастоты

 

В усилителях в целом и в отдельных его каскадах всегда образуются цепи, создающие пути для прохождения усиливаемого сигнала с выхода на вход. Эти цепи создают обратные связи.

При сильной положительной обратной связи может наступить самовозбуждение и усилитель превратится в генератор незатухающих колебаний. Если из-за обратной связи усилитель не возбуждается, но близок к самовозбуждению, то его работа будет неустойчива.

При малейшем изменении параметров усилительного прибора, например из-за изменения напряжения источника питания, температуры, будут резко меняться и усиление и полоса пропускания усилителя. Поэтому к усилителю предъявляют требование устойчивости, под которым понимают не только необходимость отсутствия самовозбуждения, но главным образом постоянство его параметров в процессе эксплуатации.

Причины образования обратных связей в усилителях:

1. Наличие внутренней обратной проводимости в усилительных приборах, связывающей входные и выходные цепи каскадов.

2. Связь через общие источники питания нескольких каскадов усиления.

3. Индуктивные и емкостные обратные связи, возникающие между монтажными проводами, катушками и другими деталями усилителя.

Обратная связь в усилителях возможна через общие цепи питания, через внешние элементы схемы, через проводимость внутренней обратной связи активного элемента. Первые два вида обратной связи, в принципе, могут быть устранены рациональным построением схемы и конструкции усилителя.

Обратная связь через общий источник питания в многокаскадных схемах, где элементом связи служит его внутреннее сопротивление, является одной из важных причин неустойчивости усилителей.

Эти обратные связи ослабляются в нужной степени введением в усилитель соответствующих развязывающих фильтров, состоящих из резисторов и емкостей , и снижением внутреннего сопротивления источника питания для переменных токов (например, шунтированием его большой емкостью).

Вредные магнитные и емкостные обратные связи устраняются рациональной конструкцией усилителя и его монтажа и экранированием основных элементов входной и выходной цепи отдельных каскадов.

Внутренняя обратная связь, принципиально присущая усилительным приборам, является главной причиной неустойчивости усилителей. Поэтому ее наличие должно учитываться при расчете усилителей.

Рассмотрим влияние внутренней обратной связи. Внутренняя обратная связь в усилителе обусловлена обратной проводимостью .

Через внутреннюю обратную связь создаются паразитные влияния выходного контура усилителя на входной (рис.47). При анализе свойств и параметров усилителя проводимость внутренней обратной связи до сих пор принималась равной нулю. Однако она всегда существует и необходимо установить, как следует учитывать ее влияние на работу отдельных каскадов и всего усилителя.

На рис.47 приведена упрощенная принципиальная схема каскада усилителя с автотрансформаторным включением контура I во входную цепь и контура II в выходную цепь усилительного прибора.

Рисунок 47 – К вопросу о влиянии внутрен­ней обратной связи

 

Предположим, что контуры I и II достаточно хорошо экранированы один от другого и в цепи питания включены блокирующие фильтры. В этом случае единственным источником обратной связи, которая может привести к самовозбуждению усилителя, будет проводимость усилительного прибора.

Наличие в усилительных приборах внутренней обратной связи через проводимость приводит к влиянию нагрузки и выходной проводимости усилительного прибора на его входную проводимость и изменяет ее характер.

 

6.4 Устойчивость работы усилителя радиочастоты

 

Наличие в усилительных приборах внутренней обратной связи приводит к взаимному влиянию контуров УРЧ (входного I и выходного II, рис.4), а также к нестабильности в процессе эксплуатации основных параметров усилителя: коэффициента усиления, полосы пропускания, избирательности и др.

Причем комплексный характер проводимости и крутизны усилительного прибора приводит к сложной частотной зависимости этого влияния.

Во входной контур I вносится дополнительная проводимость, которая в общем случае имеет комплексный характер и вызывает искажение формы его частотной характеристики.

Эти искажения тем сильнее, чем больше коэффициент усиления усилителя.

Для нормальной и устойчивой работы УРЧ необходимо обеспечить малое изменение формы его частотной характеристики под влиянием внутренней обратной связи. Для этого необходимо определить максимальное значение коэффициента усиления каскада, при котором эти искажения еще не будут влиять на качество работы усилителя.

Подобные искажения частотной характеристики под влиянием внутренней обратной связи приводят к неустойчивости ее формы. Небольшие изменения параметров усилительного прибора, вызванные неизбежными в процессе эксплуатации изменением температуры или режима питания, приводят к изменению формы частотной характеристики.

Для того чтобы форма частотной характеристики входного контура и его полоса пропускания не сильно искажались, необходимо, чтобы вносимая обратной связью проводимость практически не влияла на полную проводимость входного контура.

Усилитель считается устойчивым (устойчиво работающим), если внутренняя обратная связь усилительного прибора незначительно изменяет форму его частотной характеристики и полосу пропускания.

Для количественной оценки степени устойчивости используется коэффициент устойчивости, который характеризует влияние внутренней обратной связи на искажение частотной характеристики входного контура.

Коэффициент устойчивости равен отношению

,

где - эквивалентное сопротивление, добротность и полоса пропускания входного контура без учета влияния внутренней обратной связи;

- эквивалентное сопротивления, добротность и полоса пропускания входного контура с учетом влияния внутренней обратной связи.

Таким образом, за критерий устойчивости принимается величина, которая показывает, во сколько раз изменяется добротность и полоса пропускания входного контура за счет влияния внутренней обратной связи.

Если обратные связи отсутствуют, то и .

Если же обратные связи полностью скомпенсировали потреи во входном контуре и усилитель самовозбуждается, то и .

Таким образом, коэффициент устойчивости изменяется от 0 до 1. Чем больше коэффициент устойчивости, тем дальше усилитель от состояния самовозбуждения, тем меньше искажение формы его частотной характеристики и изменение полосы пропускания.

Можно допустить изменение полосы пропускания входного контура под влиянием внутренней обратной связи на (10-20)%, для чего обычно принимают .

Многокаскадные усилители более склонны к самовозбуждению за счет проводимости , чем однокаскадные.

 

 

6.5 Искажения в усилителях радиочастоты

 

Усиливаемые УРЧ сигналы обычно имеют сложную форму, т.е. состоят из колебаний различных частот с различными амплитудами и фазами. УРЧ может вносить в усиливаемый сигнал следующие виды искажений: амплитудно-частотные, фазо-частотные и нелинейные.

В связи с тем, что полоса пропускания УРЧ обычно значительно шире, чем основного избирательного тракта промежуточных частот, то практически УРЧ амплитудно-частотных искажений в усиливаемый сигнал не вносит. Такие УРЧ практически не вносят и фазо-частотных искажений, поскольку они широкополосные и обычно не содержат более двух каскадов.

Исключение составляют УРЧ диапазона километровых волн (10-500 кГц).

Наибольшую опасность в УРЧ представляют нелинейные искажения. Если характеристика усилительного прибора нелинейна для области амплитуд полезного сигнала на входе УРЧ, то в нем могут возникать нелинейные искажения.

При большой амплитуде мешающих сигналов и нелинейности характеристики усилительного прибора УРЧ между полезным и мешающим сигналами возникает нелинейное взаимодействие.

В результате появляются нелинейные явления, такие, как:

- перекрестная модуляция;