Схемотехника радиоприемников. Практическое пособие.

Глава 4, Структура и параметры широкополосного тракта

В гл. 1 мы ознакомились с фундаментальными основополагающими критериями построения широкополосных трактов приемников. Теперь пришло время углубить наши знания в схемотехнике и конструировании этих систем. Решение данной задачи облегчается тем, что в гл. 2 и особенно в гл. 3 уже рассмотрены основные схемотехнические методы и функциональные элементы. В качестве “иллюстрирующей” системы выберем относительно простой объект, а именно широкополосный тракт описываемого в следующей главе радиолюбительского приемника на диапазоны 80 м и 20м.

Этот широкополосный тракт предназначен для приема сигналов в диапазонах частот (f_c)3,5 ... 4,0 МГц и 14,0... 14,5 МГц, преобразуемых к промежуточной частоте f_Z = 9 МГц с использованием только одного диапазона частот гетеродина f_u = 5,0... 5,5 МГц. Настройка в диапазоне 20 м соответствует реализации соотношения f_с = f_Z + f_u , а в диапазоне 80 м-соотношения f_с = f_z — f_u; в первом случае частота гетеродина и частота принимаемого сигнала изменяются согласованно, во втором случае понижение частоты гетеродина приводит к повышению частоты принимаемого сигнала. Таким образом, диапазон 80 м является одновременно зеркальным каналом (f_i) приема для диапазона 20 м и наоборот; все это следует из фундаментального соотношения f_c = f_z + f_u для процесса преобразования частоты.

Как показывает опыт и подтверждают кривые на рис. 1.2, для приема сигналов с частотами до 15 МГц (это как раз рассматриваемый нами случай) не имеет смысла использовать приемники с F_RX < 20 дБ. Иногда высказываемые противоположные утверждения носят, по-видимому, субъективный характер, т. е. не следуют из измеряемых на практике характеристик приемников, или же они связаны с наличием нераспознанных дефектов системных компонентов (плохо установленные антенны, расстроенные селекторы и т. п.).

Из рис. 1.1 хорошо видно, что на выходе полосового фильтра преселектора с шириной полосы пропускания 1 МГц для наиболее “нагруженного” диапазона 80 м мощность (векторная сумма) принимаемых сигналов может достигать —12 дБм. Соответственно этому динамическая характеристика (КР) нашего приемника должна быть определена в приемном тракте: между разъемом подключения антенны и фильтрами основной селекции.

Блок-схема приемного тракта со всеми необходимыми пояснениями представлена на рис. 4.1. 

Четыре верхних строки цифр на этом рисунке представляют значения параметров IР₃, КР, G_p и F для семи функциональных блоков; в двух следующих строках (в нижней части рисунка) указаны допустимые значения мощности широкополосного сигнала P_hs и мощности полезного сигнала P_es в узлах сопряжения блоков; в самой нижней строке для сравнения приведены узловые уровни мощности полезного сигнала Р_с10 при отношении сигнал/шум 10 дБ. Резюме по техническим характеристикам рассматриваемого широкополосного тракта и некоторая другая важная информация содержатся в самой нижней части рисунка.

Блок 1. Если непосредственно за разъемом подключения антенны мы устанавливаем аттенюатор с затуханием 20 дБ и используем его при приеме сигналов в диапазоне 80 м (учитывая, что в этом диапазоне F_ex ³ 40 дБ), то тем самым эффективно увеличиваем на эти 20 дБ значения параметров IP и КР широкополосного тракта. Точно так же изменяется RF, в результате атмосферные шумы, зачастую достигающие 4... 8 баллов по шкале S, снижаются более чем на 3 балла; динамические диапазоны при этом полностью сохраняются. Во многих случаях можно работать с ослаблением ВЧ-сигнала на 20 дБ и на диапазоне 20 м.

Блок 2. Мы используем полосовой фильтр третьего порядка, схема которого приведена на рис. 3.16, а. Этот фильтр должен быть субоктавным с А_i < 1 дБ. Для диапазона 80 м при f_mg = 3,74 МГц и В_р = 0,5 МГц (» 13%) пригоден фильтр Чебышева с Ар = 0,1 дБ. Фильтр на диапазон 20 м, принимая во внимание довольно малое значение А_i, приходится делать менее узкополосным, чем это требуется, например, с f_mg = 14,22 МГц и Вр = 1,8 МГц (» 12,7%). В этом случае мы выбираем фильтр Баттерворта с А_р = 3 дБ; внутри диапазона перестройки приемника D f = 0,5 МГц величина А_р для такого фильтра составляет » 0,002 дБ, и, следовательно, его избирательность эффективно выше, чем у фильтра с чебышевской характеристикой (см. разд. 3.3). Свойства фильтров в отношении подавления частот f_z и f_i мы обсудим ниже.

Блок 3. При оптимальной ВЧ-селекции с В_р = 0,5 МГц в диапазоне 80 м (из двух диапазонов приемника он наиболее сильно “нагружен” принимаемыми сигналами) средняя мощность широкополосного сигнала на входе смесителя составляет около —15 дБм. Учитывая необходимость надежного подавления пиковых значений мощности, мы выбираем смеситель среднего уровня на диодах Шотки (рис. 3.1) с IP_i3 = + 20 дБм и KP_i= + 7 дБм. Типичное значение a_i для такого смесителя около 6 дБ (SSB-прием), именно на эту величину снижается мощность, поступающая на следующие за смесителем каскады. Тракт ПЧ должен начинаться с диплексера.

Блок 4. Это первое активное звено приемного тракта. Здесь мы используем малошумящий усилитель с ООС Х-типа (по схеме на рис. 3.6). При требуемом значении G_P = 8 дБ и необходимом для обеспечения F £ 1,8 дБ значении I_С £ 15 мА простая реализация подобного усилителя с KP_i = +2 дБм невозможна (см. рис. 3.7), поэтому мы увеличиваем G_P за счет достаточного уменьшения глубины обратной связи. При этом, однако, КР_i уменьшается до 0 дБ. Тем не менее такая “недопустимая” (по отношению к КР_i) операция весьма условно противоречит выводам гл. 1, поскольку за практически неощутимую “цену”-2дБ для KP_i-мы избавляемся от необходимости вводить еще одну ступень усиления перед фильтром основной селекции. Для устранения принципиально более сильных собственных шумов такой двухступенчатый каскад пришлось бы к тому же делать с заметно большим усилением, чем это необходимо при требуемом F, и этот избыток усиления в полной мере сказался бы на помехоустойчивости приемника.

Блок 5. Этот аттенюатор необходим для развязки фильтра основной селекции и смесителя, поскольку величина А_х для промежуточного усилителя (блок 4) составляет всего лишь 2,2 дБ. Таким образом, для эффективного значения А_х здесь мы получаем 2,2 + 4 = 6,2 дБ; это не так много, но с другой стороны, если принять во внимание F_RX, значение А_х и не может быть выше.

Блок 6. Так как рассматриваемый приемник предназначен в основном для SSB-связи (J3E), то мы используем восьмирезонаторный кварцевый фильтр с шириной полосы пропускания 2,1. ..2,5 кГц. Подобные фильтры характеризуются значениями A_i= 3,1 ...3,5 дБ; для монолитных фильтров A_i = 5...6дБ. С учетом работы на нагрузку с полным сопротивлением 50 Ом рекомендуется кварцевый фильтр типа XF-9S33 с В_р = 2,4 кГц и A_i = 3,2 дБ.

Блок 7. Этот усилитель полностью идентичен усилителю, используемому в блоке 4. К его выходу нужно подключить резистор с сопротивлением » 50 Ом, который оказывает обратное воздействие на фильтр основной селекции и оптимальным образом (в широкой полосе частот) нагружает выход последнего. Последующая часть схемы должна обеспечивать F < 8 дБ; в прототипе она представляет собой каскад из трех ИМС типа SL1612C с эффективным значением коэффициента усиления по напряжению 84... — 26 дБ (АРУ обеспечивает изменение этого коэффициента в пределах 110 дБ).

ВЧ-селекция. Прежде всего по формуле, приведенной на рис. 3.16, мы должны рассчитать значения фактора W _fx для критических (в отношении требуемого ослабления) частот f_z и f_i. Затем, используя полученные значения W _fx, из кривых на рис. 3.13 нужно найти соответствующие значения A_fz и A_fi (A_s). Все они превышают 70 дБ; можно было бы обеспечить и значения 75... 82 дБ (за исключением параметра A_fz на диапазоне 20 м), для этого, правда, фильтр на диапазон 80 м нужно дополнить отсасывающим контуром на частоту f_i (» 14 МГц). Значение параметра A_fz, характеризующее ослабление ПЧ, определяется суммой A_s (для фильтра) и А_х (f_e:f_z) (для смесителя); селективность приемника по зеркальному каналу А_fi определяется только свойствами ВЧ-селектора. При указанных значениях A_fz и А_п соответствующие помехи почти полностью исключаются; для высококачественных профессиональных приемников значения этих параметров > 80 дБ, а уровень 100 дБ соответствует границе “практичности”, переход через которую экономически неоправдан.

Помехоустойчивость. Максимально допустимое значение будет здесь определяться допустимой мощностью рассеяния смесителя +23 дБм (0,2 Вт) (по отношению к этому значению величиной Р_u можно, очевидно, пренебречь). Так как при нагрузке смесителя широкополосным сигналом такого уровня он уже на 14... 16 дБ “заходит” в область компрессии, то на его выходе мы получим максимум + 3 дБм. Таким образом, в компрессии будет находиться и усилитель блока 4. В результате исключаются перегрузки (> +10дБм) фильтра основной селекции. Максимальное значение P_cs не превышает уровня 0 дБ; последний определяется динамической характеристикой системы АРУ в тракте ПЧ приемника. В условиях, когда все каскады, находящиеся перед фильтром основной селекции, работают в линейном режиме (т. е. при уровнях сигналов ниже своих КР-уровней), можно принимать сигналы, мощности которых не превышают —1,5 дБм или +18,5 дБм (с отключенным и включенным ВЧ-аттенюато-ром соответственно); нужно, конечно, принимать во внимание и величину P_hs.

Чувствительность. Проектируемое значение коэффициента шума приемника 20 дБ минус 5 дБ (резервных) на возможные потери (см. рис. 4.1, внизу). При измерениях на четырех прототипах получены значения 14... 15 дБ, причем F » 8 дБ для оконечных (вне широкополосного тракта) каскадов приемника.

Динамика. Согласно формуле, приведенной на рис. 1.5, при IР₃ = +20дБм и RF = —125,2 дБм (F = 15 дБ) величина параметра DB₃, на которую нужно обратить основное внимание, составляет 96,8 дБ. Это очень высокое значение подтверждено экспериментальными измерениями (96... 97 дБ). Таким образом, уменьшение чувствительности приемника, обусловленное интермодуляционными искажениями, заметным образом может проявиться только при мощности внеполосных сигналов P_hs ³ —28,4 дБм, т. е. при P_hs = P_DB3 (см. рис. 1.5); при P_hs < P_DB3 этот эффект очень мал и сказывается (селективно) на приеме только самых слабых полезных сигналов.

По профессиональной классификации все приведенные цифры характеризуют приемник “улучшенного среднего класса”.

Тем, кто проявляет более глубокий интерес к затронутым вопросам, настоятельно рекомендуем интенсивное аналитическое и интерпретационное изучение отмеченных выше взаимосвязей, так как они имеют исключительно важное значение. Без такой фундаментальной подготовительной работы конструирование уже не очень сложных, но высококачественных связных электронных устройств описанных, например, в настоящей главе и тех, которые будут описаны ниже, - становится обыкновенной авантюрой.