Входная цепь радиоприемника.
Входным устройством (входной цепью) называется часть схемы радиоприемника, связывающая антенну со входом первого каскада приемника и предназначена для более эффективной передачи полезного сигнала на этот вход и, обладая резонансными свойствами, служит для осуществления предварительной частотной избирательности.
Рассмотрим подробно работу входной цепи радиоприемника на которую поступает совокупность полезного и мешающего сигналов, наводимых в антенне внешними электромагнитными полями. Мешающими сигналами являются излучения посторонних радиостанций, индустриальных и атмосферных помех, которые накладываются на полезный сигнал. Уровень полезного сигнала на выходе радиоприемника может быть во много раз меньше уровня помех.
Кроме того, вследствии особенностей среды, в которых распространяются радиоволны, могут изменяться амплитуда и фаза полезного сигнала, что приводит к замираниям.
Поэтому на своем входе радиоприемник должен сформировать колебание, с заданной степенью точности воспроизводящее передаваемое сообщение (первичный модулирующий сигнал). То есть иметь как можно меньшую по величине (значить лучшую) чувствительность , которая измеряется минимальной э.д.с. (или мощностью) на входе приемника, при которой нормально работает оконечное устройство (ОУ). Чувствительность обычно измеряются микровольтах, а в УКВ приемниках — в микроваттах.
Входные цепи диапазонных радиоприемных устройств используют ненастроенную антенну, т.е. резонансная частота антенной цепи лежит вне диапазона рабочих частот. Поэтому далее приводятся схемы и представлен анализ входных цепей с ненастроенной антенной.
Чтобы отделить полезный сигнал от помех, необходима фильтрация полезного радиосигнала и подавление помех. Для этого во входной цепи радиоприемника применяется избирательная система в виде резонансного контура.
На рис.1 представлена структурная схема входной цепи, где антенна показана, как генератор напряжения Еа с внутренним сопротивлением Za и выходным напряжением Ua .
Напряжение Ua , пройдя через входное устройство, на его выходе будет уже иметь величину напряжения Uвц .
Качественным показателем входной цепи является коэффициент передачи входной цепи по напряжению:
Мера способности выделения полезного сигнала от совокупности помех называется избирательностью радиоприемника.
Считается, что нужная избирательность обеспечена, если на выходе приемника уровень полезного сигнала превышает суммарный уровень помех во столько раз, во сколько это требуется для нормальной работы оконечного устройства.
Избирательность в радиоприемнике осуществляется по различным характеристикам сигналов: несущей частоте (частотная избирательность), амплитуде (амплитудная избирательность), виду модуляции и т.п.
Частотная избирательность используется во всех радиоприемниках, так как несущие частоты сигналов радиопередающих устройств обычно выбирают различными, поэтому она осуществляется применением резонансных систем (колебательных контуров), настраиваемых на несущую частоту полезного сигнала. Благодаря этому амплитуда полезного сигнала на выходе входной цепи увеличивается, а амплитуды мешающих сигналов уменьшаются.
Об избирательности можно судить по резонансной характеристике входных колебательных контуров ( рис.2 ). Она представляет собой график, где показана зависимость коэффициента усиления К (или чувствительности) приемника от приходящей частоты радиосигнала с определенной расстройкой.
Допустим, что при несущей частоте сигнала fр коэффициент усиления равен Ко = Квц . Расстройка, для определения избирательности может быть какой угодно, но в радиовещательных приемниках обычно ее берут ±10 кГц.
Тогда полоса пропускания равна:
обычно отсчитывается на уровне 0,707 от максимального значения коэффициента усиления Ко .
Из рис.2 видно, что линия 1 графика усиления приемника выходит за пределы необходимой полосы пропускания 2∆f. А для высокой избирательности нужно, чтобы усиление имело максимальное постоянное значение в пределах полосы пропускания, и было равно нулю за пределами этого диапазона. Это возможно только при идеальной характеристике входной избирательной цепи которая должна иметь прямоугольную форму 2 .
Поэтому реальную избирательность можно также характеризовать коэффициентом прямоугольности — отношением полосы пропускания Пα на условном уровне α к полосе пропускания П на уровне 0,707:
Уровень α выбирают 0,1 или 0,01.
Чем ближе Кпα к единице, тем «прямоугольнее» резонансная кривая и, следовательно, лучше избирательные свойства входной цепи.
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 антенной
Проведем 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:
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:
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:
Так как при резонансе напряжение на катушке равно напряжению на конденсаторе, значить отношение напряжения на конденсаторе к напряжению источника напряжения тоже будет равно добротности:
Напряжение U , снимаемое с Ск , определяется соотношением:
Подставим формулу ( 4 ) в выражение ( 3 ) получаем
Из всего этого определяем коэффициент передачи напряжения:
Cоотношение С’a/Сэ всегда будет меньше единицы, т.к. емкость С’a только часть Сэ , поэтому и Ко тоже 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
Тогда из формулы ( 1 ) получаем равенство:
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
Перестройка входного контура выполняется изменением емкости переменного конденсатора Ск . А емкость Ск при резонансе контура равна:
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 связью с первым каскадом приемника ( рис.3б ).
В этой схеме энергия из антенной цепи через контур связи Lсв подается 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:
Только теперь напряжение Uc при резонансе, которое поступает с выхода контура на вход первого каскада приемника, будет равно:
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 K cчитать 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 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 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 ) 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 Lсв и 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.
Источник