Входные цепи дециметрового диапазона

 

В дециметровом диапазоне волн применяются коаксиальные и полосковые резонансные линии. В большинстве схем входных цепей приемников встречаются параллельные резонансные контуры.

Поэтому основными типами контуров являются четвертьволно­вый отрезок замкнутой или полуволновый отрезок разомкнутой линии. Входное сопротивление таких линий при настройке в резонанс имеет большую величину и является чисто активным. При расстройке в ту или другую сторону от резонанса входное сопро­тивление уменьшается и приобретает емкостной или индуктивный характер. Как известно, именно так изменяется вблизи резонанс­ной частоты полное сопротивление параллельного колебательного контура.

Резонансные линии, работающие в качестве колебательного контура, обладают высокой добротностью, величина которой может доходить до нескольких тысяч, причем с повышением частоты доб­ротность увеличивается.

Для уменьшения габаритных размеров высокочастотных бло­ков геометрическая длина линии выбирается меньшей, чем электри­ческая, определяемая длиной волны принимаемого сигнала. Для удлинения линии к ее концу подключается конденсатор, предназ­наченный для перестройки контура по диапазону, или совокуп­ность переменного и подстроенного конденсаторов (см. рисунок 8, а). Пе­рестройка контура может также осуществляться (см. рисунок 8, б)за счет перемещения короткозамыкающего плунжера из положения 1(f ₀ = f _{0 max}) в положение 2 (f₀ = f_{0 min}). Практическая реализа­ция этого метода перестройки сопряжена с трудностями создания долговечного и надежного трущегося контакта плунжера с коакси­альной линией. Короткозамкнутый плунжер можно создать элек­трическим путем, используя переменный конденсатор С_к, подклю­ченный к концу укороченной полуволновой линии (см. рисунок 8, в).При минимальном значении его емкости C_кmin обеспечивается ре­жим короткого замыкания в точке 1. В этом положении (так же, как в схеме рисунок 8, б) резонансная частота контура максимальна (f ₀ = f _{0 max}). Если же постепенно увеличивать емкость С_к,то точка эквивалентного короткого замыкания будет перемещаться вниз, достигая положения 2 при С_{к max}. В этом положении контур настроен на минимальную частоту диапазона f₀ = f_{0 min}.

 

Рисунок 8 – Схема входной цепи с перестройкой конденсатором переменной ем­кости (а), индуктивностью (б) и электрическим плунжером, образованным переменным конденсатором на конце полуволновой линии (в)

 

Контур с перестройкой конденсатором в конце полуволновой линии обладает некоторыми преимуществами перед контуром с пе­рестройкой конденсатором в начале четвертьволновой линии. Во-первых, при разных требованиях к коэффициенту перекрытия но диапазону k _пд = f _{0 max} / f_{0 min} в схеме рисунка 8, в требуется кон­денсатор с меньшей максимальной емкостью, а следовательно, и меньшими габаритами, чем в схеме рисунка 8, а. Во-вторых, в этой схеме конденсатор можно конструктивно расположить вдали от уси­лительного прибора, что существенно облегчает компоновку вход­ной цепи. В верхней части диапазона коэффициент передачи по на­пряжению и емкости конденсаторов настройки для линий обоих типов примерно одинаковы, но в нижней части диапазона полувол­новая линия имеет более высокий коэффициент передачи. Итак, полуволновые линии позволяют получить более качественные ха­рактеристики блока СВЧ в целом, однако иногда предпочтительнее применить четвертьволновые линии, так как это позволяет умень­шить габаритные размеры блока.

Функцию конденсатора переменной емкости может выполнять полупроводниковый прибор (например, варикап), емкость р — п- перехода которого изменяется в зависимости от приложенного на­пряжения. Такой способ настройки называют электронным.

Связь контура входной цепи с антенной и с входом 1-го каскада приемника может осуществляться по трансформаторной, емкост­ной или автотрансформаторной схемам. При использовании сис­темы из двух связанных контуров для связи между ними исполь­зуют отверстия связи в экранирующей перегородке, которые в за­висимости от их расположения могут быть эквивалентны либо ин­дуктивной, либо емкостной связи.

На рисунке 9 схема входной цепи представляет собой полосовой фильтр, состоящий из двух контуров L₁ С_п1 С_к~ и L₂ С_п2 С_к~, в ко­торых L₁ и L₂ выполнены в виде четвертьволновых отрезков l₁ и l₂, несимметричных полосковых линий. Контуры размещены в экра­нированных камерах. Связь 1-го контура со 2-м осуществляется через щель в перегородке между камерами. Принимаемый сигнал через антенную петлю связи L _свA поступает в 1-й контур. 2-й кон­тур включен в эмиттерную цепь усилителя радиочастоты через пет­лю связи L_{CB BX}. Настройка входной цепи на частоту сигнала осу­ществляется конденсаторами переменной емкости С_К~.

 

Рисунок 9 – Схема двухконтурной вход­ной цепи	Рисунок 10 – Схема входной цепи, выпол­ненная на короткозамкнутом четверть­волновом отрезке линии

 

Во входной цепи, в которой колебательный контур образован короткозамкнутым четвертьволновым отрезком линии l и конден­саторами С_к~ и С_п (см. рисунок 10), антенный ввод подключается к контуру с помощью петли связи L _свA. Эмиттерная цепь транзистора связана с входным контуром петлей связи L_{CB BX}. Входная цепь перестраивается в заданном диапазоне частот конденсатором С_к~.

Расчет схем (см. рисунки 9, 10) следует вести для средней резонансной час­тоты диапазона

f_0ср = (f_{0 min} + f_{0 mах})/2, (52)

а затем проверить основные показатели на крайних частотах.

Вначале выбирают тип линии (коаксиальная или полосковая). Затем из конструктивных соображений выбирают размеры линии, материал подложки и по соответствующим формулам рассчитыва­ют волновое сопротивление линии W. Обычно волновое сопротивление принимают равным 50—100 Ом. Электрическую длину линии k₀ l для средней частоты диапазона рассчитывают из ус­ловия k₀ l = 2π = 40...60°.

Из условия настройки входной цепи в резонанс с частотой f₀ рассчитывают емкость С_а

С₀ = 1/2 π f ₀ W tg (k₀ l). (53)

При этом

С₀ = С_к~ + С_п + С_в²_х (54)

(см. рисунок 11), где С_в²_х = С_вх—входная емкость 1-го каскада приемника, пересчитанная к входным зажимам линии (т_вх = U_ВХ/U — коэффициент трансформации).

 

Рисунок 11 – Эквивалентная схема одноконтурной входной цепи

 

Эквивалентная проводимость контура входной цепи на резонан­сной частоте равна

G_экв = G₀ + g_A + g_вх (55)

где G₀ — резонансная проводимость ненагруженного контура, рас­считывается в зависимости от типа выбранного резонатора по со­ответствующим формулам;

= U₁/U;

g_A = 1/R_A.

Эквивалентное затухание контура определяется собственным затуханием контура и затуханиями, вносимыми в контур из ан­тенной цепи и со стороны 1-го каскада приемника:

d_э = d + d_A + d_BX = G_э ρ (56)

где d_A = g_A ρ;; d_BX = g_ВХ ρ;; ρ = 1/ω₀С₀.

Коэффициент передачи входной цепи по напряжению на резонан­сной частоте равен

. (57)

Коэффициент трансформации, необходимый для согласования с источником сигнала (антенной), определяем по формуле

. (58)

 

Резонансный коэффициент передачи при согласовании

. (59)

Эквивалентное затухание контура при согласовании

d_эс = 2ρ (G₀ + g_вх). (60)

Полоса пропускания одноконтурной входной цепи

П = d_эf₀. (61)

Избирательность по зеркальному каналу равна

Se_3K ≈ . (62)

 

1. Найти характеристическое сопротивление контура ρ = 1/ω₀С₀.

2. Рассчитать эквивалентное затухание контура (61).

3. Рассчитать эквивалентную проводимость контура входной цепи (56).

4. Рассчитать коэффициент трансформации для заданной полосы пропускания в режиме согласования (60).

5. Рассчитать для согласования нагрузки с антенной.

6. Рассчитать коэффициент передачи входной цепи при согласовании (59).

7. Найти емкость подстроечного конденсатора (54).

8. Определить избирательность по зеркальному каналу (62).

 

На рисунок 12 сигнал поступает в широкополосный П-образный контур с параметрами L С С₀, включенный в эмиттерную цепь тран­зистора УРЧ. Индуктивность контура L образована отрезком l полуволновой полосковой линии. Контур настроен на среднюю частоту принимаемого диапазона.

В эквивалентной схеме рассматриваемой входной цепи (см. рисунок 13) антенно-фидерная система заменена генератором тока I _А с проводимостью g_A. Параметры 1-го каскада приемника, пересчитанные ко входным зажимам линии, обозначены g_вx и С_вх. Входную цепь рассчитывают для средней частоты принимаемого ди­апазона (52). Пренебрегая собственными потерями в линии, для режима согласования необходимо выполнить следующее условие:

g_вx sin ² (kl) = g_A sin ² (l₁– l) k (63)

где k = 2π , a l и l₁ — длины соответствующих участков линии, обозначенных на рисунке 13. Электрическую длину линии kl обычно выбирают в пределах 20...40°. Из этого условия определим длину l. Тогда для выполнения условия согласования (63) необ­ходимо, чтобы

. (64)

 

Рисунок 12 – Схема входной цепи с ши­рокополосным П-образным контуром

 

Волновое сопротивление линии W обычно выбирают равным 50...100 Ом, чтобы получить приемлемые размеры линии.

Чтобы настроить входную цепь на резонансную частоту f ₀, сле­дует выполнить два условия:

1 / ω;₀ (С₀ + С_вх) = W tg kl, 1/ ω₀ С = W tg [k (l₁–l)], (65)

с помощью которых можно рассчитать емкости конденсаторов С и С₀.

Входная проводимость 1-го каскада, пересчитанная в последо­вательное сопротивление линии и отнесенная ко входным зажи­мам линии, равна

r_вх = W² g_вx tg k l. (66)

 

 

Рисунок 13 – Эквивалентная схема входной цепи с широкополосным

П-образным контуром (см. рисунок 12)

 

В режиме согласования полное активное сопротивление линии с учетом потерь, вносимых из антенной цепи, будет в два раза боль­ше: r_э = 2r_вх. Поэтому эквивалентное затухание контура входной цепи в режиме согласования

. (67)

Полоса пропускания контура входной цепи

П = d_эf₀. (68)

Ослабление по зеркальному каналу

Se_3K ≈20 lg [ ]. (69)

Коэффициент передачи в режиме согласования

. (70)

Для снижения эквивалентного затухания контура входной цепи применяют неполное включение 1-го каскада ко входу линии (рисунок 14), при котором коэффициент трансформации равен

m_вх ≈ C_l / (С₁ + С₂ + С_вх). (71)

 

Рисунок 14 – Схема неполного включения 1-го каскада ко входу линии

 

В этом случае в формулах (63) — (66) g_вx нужно заменить на . А в формуле (65) величину С₀ + С_вх — на С₁ (С_вх + С₂)/ (С₁ + С₂ + С_вх). При этом коэффициент передачи в режиме согласования

(72)

1. Определить среднюю частоту диапазона (52)

2. Выбрать электрическую длину отрезка линии (на частоте f _0ср). Электрическую длину линии обычно выбирают в пределах 20...40°. Тогда l=λ₀/12 (при kl=30 °).

3. Для выполнения условия согласования рассчитать длину линии (64).

4. Из условия настройки контура в резонанс определить емкости конденсаторов (65).

5. Определить эквивалентное затухание контура входной цепи (67).

6. Найти полосу пропускания (68).

7. Определить ослабление помехи зеркального канала (69).

8. Определить емкость конденсатора С₀ =(С₀+С_вх) – С_вх.

9. Рассчитать коэффициент передачи входной цепи (70).