Согласующие антенные устройства радиопередатчиков

Согласующее антенное устройство (САУ) является выходным функциональным блоком ВЧ тракта радиопередатчика и устанавливается между антенной и оконечным усилителем мощности с целью повышения энергетических показателей последнего. От САУ существенно зависят КПД, время перестройки передатчика, удобство эксплуатации и др.

Входное сопротивление любой антенны носит комплексный характер (т. е. имеет активную и реактивную составляющие) и является функцией геометрических размеров антенны, ее конструкции и рабочей частоты колебаний, возбуждаемых в антенне. На рис. 2.14 показан возможный характер изменения активной (r_A) и реактивной (x_A) составляющих комплексного сопротивления антенны в зависимости от частоты излучаемых колебаний.

Поскольку подавляющее большинство УМ требует постоянного и активного сопротивления нагрузки, то основным назначением согласующего устройства является преобразование произвольного комплексного сопротивления передающей антенны в заданное активное сопротивление. Только в этом случае передача колебательной мощности в антенну будет максимальна.

Рис. 2.14. Характер изменения активной и реактивной составляющих
комплексного сопротивления антенны

Очевидно, что преобразование комплексного сопротивления антенны в чисто активное сопротивление эквивалента нагрузки R_ЭН возможно при выполнении следующих двух условий:

;

.

Таким образом, САУ должно обеспечить выполнение двух основных функций:

¨ компенсацию реактивной составляющей входного сопротивления антенны ;

¨ преобразование (трансформацию) активной составляющей входного сопротивления антенны в активное сопротивление R_ЭН, постоянное во всем диапазоне частот.

Для решения указанных задач согласующая цепь должна содержать не менее двух элементов, один из которых условно называют компенсирующим, а другой – трансформирующим. С учетом зависимости обеих составляющих входного сопротивления антенны от частоты, элементы согласующей цепи должны быть переменными и настраиваемыми независимо друг от друга.

Кроме отмеченных выше основных функций, САУ выполняет также две дополнительные функции:

¨ при работе передатчиков на симметричные антенны САУ обеспечивает преобразование несимметричного выхода УМ в симметричный;

¨ элементы САУ должны ослаблять уровень побочных излучений и обеспечить фильтрацию высших гармоник, возникающих в результате нелинейных искажений при усилении радиосигналов в УМ.

Рассмотрим возможность реализации перечисленных требований на примерах конкретных схем САУ.

В маломощных УКВ передатчиках широко применяется схема САУ в виде перестраиваемого четырехполюсника (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Типовая схема САУ маломощных УКВ радиостанций

В этой схеме имеется два органа настройки – конденсаторы переменной емкости C₁ и C₂, емкость которых изменяется в диапазоне частот одной ручкой НАСТРОЙКА АНТЕННЫ. Изменение емкости C₁, регулирующей связь САУ с антенной, осуществляется через редуктор с передаточным числом n (n > 10), т.е. скорость изменения емкости C₁ в n раз больше, чем скорость изменения емкости C₂. Конденсатор C₁ предназначен для компенсации реактивной вставляющей сопротивления антенны при x_A > 0, а конденсатор C₂ обеспечивает трансформацию активной составляющей сопротивления антенны r_A в сопротивление R_ЭН. Компенсация реактивной составляющей сопротивления антенны при x_A < 0 (емкостного характера) производится с помощью индуктивностей L₁, L₂ и L₃. Настройка такого САУ осуществляется по максимуму тока в антенне.

В КВ диапазоне, особенно в передатчиках средней мощности, настройка колебательных контуров обычно осуществляется изменением индуктивности контура L. На рис. 2.16 изображена схема САУ, выполненная в виде П-образного контура.

Рис. 2.16. Типовая схема САУ КВ радиостанции

САУ имеет два органа плавной настройки: вариометр Lи конденсатор переменной емкости C₂. Вариометр в основном обеспечивает компенсацию реактивной составляющей сопротивления антенны, а конденсатор обеспечивает преобразование активной составляющей сопротивления антенны в постоянное по величине входное сопротивление R_ЭН. Катушки индуктивности L₂ и конденсаторы C₂', подключаемые параллельно конденсатору C₂, дополнительно регулируют связь САУ с антенной.

Как было отмечено выше, при работе передатчиков на симметричные антенны к основным функциям САУ добавляется дополнительная: обеспечить преобразование несимметричного выхода усилителя мощности в симметричный. Эта задача может быть решена включением на выходе САУ специальных широкополосных симметрирующих трансформаторов (рис. 2.17). Такие симметрирующие трансформаторы находят применение в маломощных радиопередатчиках.

Рис. 2.17. Согласующе-симметрирующее устройство маломощных радиопередатчиков

1. Назначение и основные характеристики
радиоприемников

Неотъемлемой частью радиотехнической системы является радиоприемное устройство, предназначенное для преобразования принятых радиосигналов в сообщение с допустимой потерей информации. В состав любого радиоприемного устройства входят приемная антенна, радиоприемник и оконечная аппаратура.

Приемная антенна улавливает энергию электромагнитных волн, преобразует ее в энергию электрических колебаний, которые с помощью фидера или непосредственно подаются на вход радиоприемника.

Радиоприемник является основной частью радиоприемного устройства. В радиоприемнике полезный радиосигнал отделяется от помех, усиливается, преобразуется в первичный электрический сигнал и приводится к виду, необходимому для работы оконечной аппаратуры.

Таким образом, радиоприемник выполняет три основные функции:

¨ выделение полезного сигнала из суммы напряжений, наводимых на его входе как полезным сигналом, так и помехами;

¨ преобразование принимаемого сигнала в первичный электрический сигнал;

¨ усиление принимаемого сигнала.

Способность приемника выделять полезный сигнал называется избирательностью. Сигнал может отличаться от помех частотой, амплитудой, фазой, направлением прихода электромагнитной энергии, поляризацией и т. д. В зависимости от того, по какому из этих признаков осуществляется отделение сигнала от помех, различают частотную, амплитудную, фазовую, пространственную, поляризационную и другие виды избирательности. Основным видом избирательности современных радиоприемников является избирательность по частоте. В дополнении к частотной избирательности может использоваться избирательность и по другим параметрам сигнала.

Преобразование радиосигнала в первичный сигнал называется демодуляцией или детектированием. Схемное решение и принцип работы детектора (демодулятора) зависят от вида принимаемого сигнала.

Поскольку мощность сигналов, подаваемых на вход приемника, очень мала, то очевидна необходимость выполнения третьей функции приемника - усиление принимаемых сигналов. Усиление сигнала производится до уровня, необходимого для нормальной работы демодулятора (в тракте радиочастоты) и оконечной аппаратуры (в тракте ПЭС).

Качество выполнения указанных трех функций зависит от электрических характеристик радиоприемника и принципов его построения.

К основным электрическим характеристикам военных радиоприемников относятся:

¨ диапазон рабочих частот;

¨ виды принимаемых сигналов;

¨ чувствительность;

¨ избирательность;

¨ частотная точность;

¨ качество воспроизведения;

¨ время перестройки радиоприемника.

1. Диапазон рабочих частот определяется двумя параметрами: граничными частотами и и коэффициентом перекрытия диапазона по частоте

Диапазон частот зависит от назначения радиоприемника. В пределах заданного диапазона приемник можно перестраивать плавно или дискретно с определенным интервалом – шагом сетки частот, который является одной из характеристик приемника.

2. Виды принимаемых сигналов определяются назначением приемника. Современные многоцелевые радиоприемники обеспечивают прием многих видов сигналов: телефонных ОМ и ЧМ, телеграфных АТ, ЧТ, ДЧТ и ОФТ.

Поскольку обработка различных сигналов имеет свою специфику, общий тракт приемника разветвляется на ряд частных трактов приема.

3. Чувствительность радиоприемника характеризует его способность обеспечить прием слабых сигналов. Количественно чувствительность приемника оценивается либо минимальной величиной ЭДС полезного сигнала в антенне, либо минимальной мощностью сигнала на входе приемника, при которых обеспечивается требуемый уровень сигнала на выходе при заданном соотношении ( )между уровнями сигнала и шума.

Чувствительность измеряется, как правило, в микровольтах (мкВ). Она зависит от уровня шумов, степени усиления сигнала и от требуемого превышения сигнала над шумами на выходе приемника. Современные военные радиоприемники имеют чувствительность от десятых долей микровольта до десятков микровольт.

4. Избирательность радиоприемника характеризует его способность выделять полезный сигнал из совокупности сигналов и помех, воздействующих на вход приемника. Принято различать односигнальную (линейную) и многосигнальную (нелинейную) избирательности.

Односигнальная (линейная) избирательность характеризует избирательные свойства радиоприемника при воздействии на его вход колебания одной частоты. Количественно она оценивается характеристикой избирательности, которая определяется отношением (D)уровня входного сигнала на заданной частоте к его уровню на частоте настройки при неизменном уровне сигнала на выходе приемника. Иначе говоря, кривая избирательности показывает (рис. 3.1, а), во сколько раз (D раз) необходимо увеличить сигнал на входе приемника, чтобы при данной расстройке сигнал на выходе приемника оставался постоянным.

В реальных радиоприемниках величина ослабления D может достигать больших значений при относительно малой расстройке, поэтому характеристики избирательности обычно строят в логарифмическом масштабе. По оси ординат откладывают D не вразах, а в децибелах, т.е.

,

при этом график проходит через начало координат (рис. 3.1, б).

Рис. 3.1. Характеристики избирательности радиоприемника

Основными параметрами характеристики избирательности являются:

– полоса пропускания равная удвоенному значению расстройки ( ), при которой чувствительность приемника уменьшается либо в 2 раза (D = 6 дБ), либо в раз (D = 3 дБ);

– полоса мешания , определяемая абсциссами точек, соответствующих уменьшению чувствительности приемника либо в 100 раз (D = 40 дБ), либо в 1000 раз (D = 60 дБ);

– коэффициент прямоугольности , определяющий степень приближения характеристики избирательности к идеальной (прямоугольной) форме. Избирательность приемника тем лучше, чем ближе к единице коэффициент прямоугольности.

Линейная или односигнальная избирательность не дает полного представления об избирательных свойствах приемника, работающего в реальных условиях.

Многосигнальная (нелинейная) избирательность определяет избирательные свойства приемника при воздействии на его вход одновременно сигнала с относительно малой амплитудой и сильной помехи (одной или нескольких).

Наличие на входе приемника большой по амплитуде помехи может привести к нелинейным эффектам в приемном тракте и к блокированию полезного сигнала на выходе.

Наиболее просто поддается оценке двухсигнальная избирательность, определяемая при наличии только одной помехи. На вход приемника подается полезный сигнал на частоте настройки и помеха с изменяемой частотой. На каждой частоте определяется допустимая амплитуда помехи. Характеризуется двухсигнальная избирательность полосой частот, в пределах которой помеха заданного уровня вызывает нелинейные эффекты в тракте приема, что приводит к уменьшению величины полезного сигнала на выходе приемника.

5. Частотная точность приемника характеризует его способность устанавливать и поддерживать с допустимой погрешностью заданное значение частоты. Количественно частотная точность оценивается величиной абсолютной ( ) или относительной ( ) расстройки приемника относительно частоты принимаемого радиосигнала.

Частотная точность зависит от точности первоначальной установки частоты принимаемого сигнала, а также от изменения настройки приемника в процессе работы под действием различных дестабилизирующих факторов (механических воздействий, климатических условий, стабильности питающих напряжений и т. п.).

6. Качество воспроизведения радиоприемника определяется степенью искажения принимаемых сигналов. Различают нелинейные, амплитудно-частотные и фазочастотные искажения.

Нелинейные искажения вызываются нелинейностью амплитудных характеристик отдельных элементов приемного тракта (усилителей, преобразователей частоты, демодуляторов и т. п.). Амплитудно-частотные искажения обусловлены различиями в коэффициентах усиления для разных составляющих спектра первичного электрического сигнала (ПЭС) и наиболее полно они оцениваются амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) приемного тракта. Фазочастотные искажения обусловлены нелинейностью фазовой характеристики приемника, под которой понимают зависимость фазы ( ) ПЭС на выходе приемника от частоты меняющегося входного напряжения.

Рассмотренные виды искажений по разному влияют на различные виды принимаемых сигналов. Например, при приеме телефонных радиосигналов большое значение имеют нелинейные искажения, тогда как фазочастотные несущественны, поскольку человеческое ухо не реагирует на изменение фазы звуковых колебаний. При приеме телеграфных сигналов фазочастотные искажения, напротив, наиболее опасны, так как приводят к резким искажениям формы выходных видеоимпульсов.

7. Время перестройки приемника с одной частоты на другую определяет надежность и эффективность радиосвязи и составляет у современных автоматизированных радиоприемников около 1 с и менее. В последнее время в связи с освоением автоматизированных способов ведения радиосвязи требования к времени перестройки радиоприемников резко возросли. Так, при использовании радиостанций в составе частотно-адаптивных радиолиний, время перестройки должно ограничиваться единицами миллисекунд.

Рассмотренные характеристики являются основными. В ряде случаев могут приводиться дополнительные эксплуатационные и конструктивные характеристики: мощность, потребляемая от источников питания, динамический диапазон, выходная мощность, сопротивление нагрузки, на которую рассчитан приемник, надежность, независимость работы от климатических условий, габариты, масса и др.