Входные устройства при различной связи с антенной

1.

Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота
Кафедра СРТС
Прием и обработка сигналов
Лекция №4
Входные устройства при различной связи с
антенной

2.

По типу связи избирательной системы с антенной и УВЧ различают
входные устройства с:
1. индуктивной (трансформаторной и автотрансформаторной) связью;
2. емкостной связью;
3. комбинированной связью.
В зависимости от величины коэффициентов
трансформации
рассматривают основные режимы работы входного устройства с
настроенной и ненастроенной антенной.
При работе РПУ с настроенной антенной последняя представляется
источником ЭДС с величиной задающей ЭДС Еа
и внутренним
сопротивлением, которое носит чисто активный характер: Z a Ra , в
этом случае антенна вносит во входное устройство чисто активную
проводимость и полоса пропускания РПУ расширяется.
Данный режим работы осуществляется при работе РПУ на одной
частоте или в очень узком диапазоне частот, когда геометрические
размеры антенны обеспечивают активное входное сопротивление.

3.

1. Особенности построения входных устройств при
различной связи с антенной
Входное устройство с емкостной связью с антенной. Данный вид
связи используется в простых РПУ, т.к. параметры входного
устройства сильно зависят от частоты настройки РПУ.
Рисунок 1 – Принципиальная схема входного устройства с
емкостной связью с антенной

4.

Коэффициент передачи входного устройства по напряжению, степень
влияния параметров антенны на полосу пропускания и сдвиг частоты
настройки колебательного контура зависят от соотношения данных
емкостей.
Основные параметры входного устройства с емкостной связью с
антенной:
1
Резонансная частота: f 0
;
2 LэCэ
Lэ
Волновое сопротивление: э С ;
э
Резонансный коэффициент передачи входного устройства по
напряжению:
2
К вх 0 0 p2 LэQэСац

5.

Таким образом, при перестройке контура по частоте за счет
изменения емкости Ск и емкостном характере сопротивления антенны
резонансный коэффициент передачи по напряжению будет возрастать
при прочих постоянных параметрах так, как показано на рисунке:
Рисунок 2 – Зависимость резонансного коэффициента передачи по
напряжению от частоты настройки входного устройства

6.

При переходе от одного поддиапазона частоты к другому более
высоочастотному поддипазону скачкообразно уменьшается
величина Lэ, следовательно скачкообразно изменится и величина
Квхо. Для выравнивания Квхо по поддиапазонам изменяют
коэффициент трансформации р2 до значений, при которых
значения резонансного коэффициента передачи по напряжению в
нижних точках всех поддипазонов будет одинаковым.

7.

При изменении частоты настройки входного устройства будет
изменяться и полоса пропускания: FП f 0d э .
Рисунок 2 – Изменение резонансного коэффициента передачи в ДРЧ
При уменьшении резонансного коэффициента передачи по напряжению
полоса пропускания сужается.

8.

Связь колебательного контура с антенной зависит от величины
емкости Со. Чем она меньше, тем больше сопротивление конденсатора
Xc
1
C0
и тем слабее влияние антенны на контур. Поэтому величину Со
выбирают, исходя из следующих соображений:
1) Расширение полосы пропускания входного устройства за счет внесения
активной проводимости со стороны антенны Gац не должно превышать
25 %;
2) Сдвиг частоты настройки контура за счет внесения реактивной
проводимости со стороны антенны
Baц не должен превышать
допустимого значения.
Связь с антенной выбирают так, чтобы обеспечить максимум
резонансного коэффициента передачи по напряжению и уменьшить
влияние антенны на параметры входного устройства.
Достоинства: простота схемы, простая регулировка связи с антенной.
Недостатки: резкое изменение резонансного коэффициента в ДРЧ.

9.

Входное устройство с трансформаторной связью
Рисунок 4 – Входное устройство с трансформаторной связью
Входное устройство представляет собой одиночный параллельный
колебательный контур, настраиваемый на частоту принимаемого
сигнала путем перестройки либо конденсатора С либо катушки
индуктивности L. Антенна через фидер присоединена к катушке связи
Lo. Если антенно-фидерный тракт несимметричный, то и вход
приемника должен быть несимметричным. Для перехода с
несимметричной антенны на симметричный вход приемника или
наоборот может быть применен симметрирующий трансформатор
(балун).

10.

Степень связи с антенной реализуется путем подбора величины Lo
и взаимной индуктивности М. Коэффициент связи может быть
рассчитан в соответствии с выражением:
ксв
М
L0 L
Для простейших однослойных катушек коэффициент связи меньше
или равен величине 0,4-0,5; для многослойных – 0,6-0,8.
В общем случае резонансный коэффициент передачи по
напряжению задан в виде:
K вх 0
р0 р2Qэ
,
2
f 0 ац
1 2
f0
М
- параметр связи, характеризующий связь входного
где р0
Lац устройства с антенной
f 0 ац ; f 0
- частоты настройки антенной цепи и входного устройства

11.

Если параметры р0 ; р2 ;Qэ постоянны, то получаем два варианта
зависимости
резонансного коэффициента передачи напряжения
входного устройства от частоты настройки:
Если f 0 f 0ац , то говорят о работе с понижением частоты;
если f0 f0ац , то говорят о работе с повышением частоты. Антенная
цепь настраивается на одну постоянную частоту, лежащую за
пределами ДРЧ входного устройства с целью получения равномерного
коэффициента передачи по напряжению.

12.

Связь входного устройства с антенно-фидерной системой определяет
возможность передачи энергии сигналов от АФС к входному
устройству и влияет на полосу пропускания и настройку входного
устройства. Величины Lo и М выбирают так, чтобы связь была
максимальной, но не превышала допустимых значений с точки зрения:
1) допустимого расширения полосы пропускания контура за счет
вносимой в него активной проводимости со стороны антеннофидерной системы;
2) допустимой величины сдвига настройки входного устройства за
счет вносимой реактивной проводимости со стороны АФС.
Достоинства трансформаторной схемы:
1) Возможность
управления
зависимостью
резонансного
коэффициента передачи напряжения от частоты настройки
(возрастающий или падающий характер);
2) Легко обеспечить режим согласования с антенно-фидерным
трактом;
3) Возможность работать как с несимметричными, так и
симметричными антеннами.

13.

Недостатки: трудность в реализации связи на высоких частотах изза необходимости уменьшения числа витков катушки связи.
При работе с настроенной антенной цепью наиболее часто
используются входные устройства с автотрансформаторной связью.
В настоящее время в приемниках используют три вида таких
схем: 1) простая; 2) двойная; 3) схема с последовательным включением
индуктивности.
Антенна подключается через
фидер к части витков катушки
индуктивности
входного
устройства
L1.
Схема
используется в НЧ, СЧ и ВЧ
диапазонах. р1 – коэффициент
включения или трансформации.
Рисунок 5 – Простая схема с
U1
L1 w1
автотрансформаторной связью
p1
1
U2
L
w

14.

Включение со стороны входа первого каскада полное и: p2 U 4 1
U3
При этом входная активная проводимость и входная емкость первого
каскада приемника полностью подключаются к контуру и влияние
входа первого каскада на входное устройства максимальное. Это
является недостатком, для его устранения используется двойная схема
с автотрансформаторной связью.
С
целью
уменьшения
вносимых в контур входной
активной проводимости и
входной емкости со стороны
входа
первого
каскада
коэффициент
трансформации р2 также выбирают
меньше единицы.
Рисунок 6 – Двойная схема с
U
w
U
w
автотрансформаторной связью
p1 1 1 ; p2 4 2
U2
w
U3
w

15.

Общий коэффициент трансформации входного устройства:
pвх
U 4 w1
U 1 w2
Схема с последовательным включением индуктивности
Рисунок 7 – Схема с последовательным включением индуктивности
В данной схеме двойная трансформация производится в емкостной
ветви контура. Это обусловлено тем, что на частотах выше 200 – 300
МГц индуктивность обращается в одни виток и отводы реализовать
практически невозможно.

16.

Рисунок 8 – Эквивалентная схема входного устройства с
последовательным включением индуктивности
Из схемы следует, что антенна подключается к конденсатору С1, а
вход первого каскада к конденсатору С2. Величины данных емкостей
учитывают паразитные емкости вносимые со стороны антенны и
первого каскада. Емкостная ветвь контура состоит из
последовательно соединенных емкостей С1 и С2 и параллельно
подключенной к ним паразитной емкости катушки индуктивности
СL. Общая емкость контура
C1k p12Ca C2 k p22Cвх С м Ссх Сп
C1C2
Cэ C L
CL
C1 C2
C1k p12Ca C2 k p22Cвх С м Ссх Сп

17.

Коэффициенты трансформации в данной схемы определены как
p1
U1 1 / C1 Cэ
С2
U 2 1 / Cэ C1 С1 С2
p2
U 4 1 / C2 Cэ
С1
U 3 1 / Cэ C2 С1 С2
Общий коэффициент трансформации:
U 4 p1 C2
рвх
U 1 p2 C1
Для резонансного коэффициента передачи напряжения можно
записать:
p1 p2Ga
K вх 0
Gэ
Результирующее затухание контура:
d э эGэ э p12Ga G рез p22Gвх

18.

Проанализируем характер изменения резонансного коэффициента
передачи напряжения от частоты настройки.
К вх 0
p1 p2Ga p1 p2 эQэ p1 p2Qэ
Gэ
Ra
Ra
Lэ
Сэ
Коэффициенты трансформации р1 и р2 не зависят от частоты
настройки контура. Если предположить, что эквивалентная
добротность и активное сопротивление антенны постоянные величины в
пределах ДРЧ, то перестройка емкости контура ведет к увеличению
коэффициента передачи напряжения с ростом частоты настройки.

19.

Достоинства
автотрансформаторных
схем:
простота
изготовления и настройки.
Недостатки простой и двойной схем:
1) Невозможность
реализовать
малые
коэффициенты
трансформации, особенно при связи с антеннами с малыми
волновыми сопротивлениями;
2) При перестройке контура конденсатором переменной емкости
можно получить только нарастающий характер резонансного
коэффициента передачи напряжения.
Многоконтурные входные устройства
Сложные избирательные системы используется в качестве входных
устройств приемника, если к нему предъявляются повышенные
требования селекции помех до входа первого каскада. Эти требования
выражаются в необходимости получения относительно узкой полосы
пропускания при малом коэффициенте прямоугольности. Выполнение
требований возможно, если использовать двух-трехконтурные системы
или многозвенный полосовой фильтр.

20.

Связанные резонансные системы, содержащие два, три и более
резонансных контуров, применяются во входных устройствах
приемников, перестраиваемых в диапазоне частот. Повышение
избирательности
достигается
за
счет
уменьшения
коэффициента передачи и как следствие увеличение
коэффициента шума и ухудшения чувствительности.
Многозвенные полосовые фильтры применяют в приемниках,
работающих на одной или нескольких фиксированных частотах,
а также в профессиональных приемниках, диапазон которых
перекрывается несколькими полосовыми фильтрами.
При работе на фиксированных частотах переключаются
элементы фильтра или на каждой частоте подключается свой
фильтр.
При работе в диапазоне частот, как правило, используются
неперестраиваемые фильтры, полоса пропускания которых
равна ширине поддиапазонов.

21.

Рисунок 9 – Избирательные системы двухконтурного входного
устройства: а) с использованием трансформаторной связи; б) –
внутриемкостной; с) – внешнеемкостной связи

22.

Первый контур трансформаторно, автотрансформаторно или с
помощью емкостной связи соединяется с антенной или фидером, а
второй контур полностью или с помощью трансформаторной,
автотрансформаторной связи или через емкостной делитель
соединяется со входом первого каскада .
С учетом этого, параметры контуров можно представить в виде:
Емкости: С С С
С' , где С
С C
э1
1
пост1
а
пост1
L1
м1
'
Сэ 2 С2 Спост 2 Свх
, где Спост 2 СL 2 C м 2
Проводимости и затухания: Gэ1 G рез1 Ga' ; d э1 э1Gэ1
'
Gэ 2 G рез 2 Gвх
; d э 2 э 2Gэ 2
Связь между контурами оценивается коэффициентом связи и
параметром связи:
Х св
kсв
kсв
э1 э 2
; св
d э1d э 2

23.

Коэффициент связи при неидентичных и идентичных контурах :
А) при трансформаторной связи
kсв
М
Lэ1 Lэ 2
М
M
; kсв
Lэ
Lэ1Lэ 2
Б) при использовании внутриемкостной связи
kсв
1
Сэ1Сэ 2
С
Ссв
; kсв э
Ссв
Ссв
1
1
Сэ1 Сэ 2
В) при использовании внешнеемкостной связи:
kсв
Ссв
Ссв Сэ1 Ссв Сэ 2
Ссв
С
; kсв св
Сэ
Сэ1Сэ 2

24.

Так как коэффициент связи обычно мал, то при внешнеемкостной
связи Ссв < Cэ. Если физически нельзя реализовать малую Ссв, то
используют контура неполного включения к антенне и первому каскаду
Ссв
приемника и тогда:
kcв рк1 рк 2
Сэ
Практически имеют место два случая работы входного устройства:
1) Оба контура совершенно одинаковы, т.е. обладают одинаковыми
результирующими затуханиям, что имеет место если параметры
первого контура при подключении антенно-фидерной системы, и
параметры второго контура при подключении первого каскада
приемника, меняются примерно одинаково.
2) Оба контура имеют разные результирующие затухания, что имеет
место, если первый контур сильно шунтируется со стороны антеннофидерной системы, а влияние входа первого каскада на второй контур
невелико.

25.

Модуль коэффициента передачи напряжения избирательной системы
имеет вид:
KU
2
2
2 2
2 1 1
4
Gэ1
Gэ1Gэ 2
При параметре связи 1
все слагаемые подкоренного выражения
больше 0, знаменатель растет с ростом обобщенной расстройки
частоты, коэффициент передачи избирательной системы падает. При
нулевой обобщенной расстройке частоты имеет место один максимум в
АЧХ и для него значение коэффициента передачи составляет:
KU 0
1
2
Gэ1
Gэ1Gэ 2
Характеристика избирательности в рассматриваемом случае
определяется выражением:
KU 0
1
4
2
2
2
D
2
1
1
KU
1 2
2

26.

При критической связи между контурами kсв 1 характеристика
dэ
избирательности определена в виде:
D
1 4
4
2
Форма кривой избирательности при критической связи наиболее
благоприятна, так как имеет наиболее широкую уплощенную часть при
достаточно хорошем коэффициенте прямоугольности.
При параметре связи, большем единицы, второе слагаемое в
подкоренном выражении отрицательно при любом знаке обобщенной
расстройки и с ростом обобщенной расстройки знаменатель вначале
уменьшается, а затем растет. Поэтому коэффициент передачи
избирательной системы вначале растет, а затем падает. АЧХ имеет
два максимума при 1,2 2 1 . Кривая избирательности в данном
случае имеет два минимума и определена выражением:
KU 0 1
D
4 2 2 1 2 1 2
KU
2
2

27.

Рисунок 10 – Кривые избирательности двухконтурного входного
устройства при различном параметре связи

28.

Коэффициент передачи двухконтурного входного устройства с учетом
коэффициента передачи избирательной системы задан в виде:
K вх
р2
Ya
р2 р1Ya
р2 р1Ya
K
K
KU
U
U
'
2
р1 Ya Yн
Yэ1
р1 Ya Y1
где Yн' 12 Y1 - проводимость нагрузки, пересчитанная к антенне
p1
как источнику сигнала; Yэ1 р1 Ya Y1 - результирующая
проводимость первого контура.
2
Коэффициент передачи двухконтурного устройства на резонансной
частоте:
K вх 0
р2 р1 Ya
1 р2 р1 Ya
KU 0
Gэ1
1 2 Gэ1Gэ 2

29.

;

30.

При использовании на входе приемника многозвенных полосовых
фильтров, неперестраиваемыми в диапазоне частот, необходимо
проводить согласование антенны как источника сигнала с входными
параметрами фильтров. Это согласование осуществляется выбором
коэффициента трансформации р1. Со стороны выхода фильтр должен
быть нагружен на характеристическую проводимость Gх. Входная
проводимость первого каскада УРЧ обычно отличается от
характеристической и тогда между выходом фильтра и входом
первого каскада ставят трансформатор сопротивлений.
Рисунок 11 – Вариант построения многоконтурного входного устройства