Схемотехника радиоприемников. Практическое пособие.

Глава 9. Широкополосный тракт на 1...30 МГц с ПЧ =45 МГц

Рассматриваемая ниже схема приемника заимствована из SSB-трансивера для радиотелефонной связи, устанавливаемого на военных самолетах (США). Данную систему, рассекреченную по всей вероятности весной 1983 г., можно считать последней представительницей технологического поколения радиотехнических систем, в которых еще можно было “увидеть” отдельные функциональные элементы; в той области применения, откуда “пришла” эта схема, внедряются все более и более сложные гибридные модули с абсолютно непостижимой внутренней организацией, причем стремление к предельной миниатюризации является лишь одним из факторов, обусловливающих этот процесс.

Схемотехнически относительно простой супергетеродинный приемник с одним преобразованием частоты имеет очень интересные технические характеристики: IР₃ = +25 дБм, КР = + 5 дБм, F = 8 дБ, RF = - 132 дБм и DB₃ = 105 дБ, причем, как видно из значения коэффициента шума, в приемном тракте используется усилитель ВЧ (с коэффициентом усиления по мощности 6 дБ). Приведенные характеристики реализуются на частотах ³ 10 МГц; на более низких частотах в связи с высоким уровнем внешних шумов обеспечивается постепенное уменьшение чувствительности приемника (максимально на 30 дБ) с целью улучшения его помехоустойчивости (F » 40 дБ и IР₃ » + 55 дБм при f = 1 МГц); это вполне допустимая мера, если учесть обычно строго заданное положение антенны приемника, к тому же всегда можно оставить чувствительность приемника на прежнем (предельном) уровне и в низкочастотной области спектра, если возникнет такая необходимость.

В гл. 10 рассматриваются принцип построения и схемы некоторых критических по ВЧ модулей синтезатора частоты, используемого для настройки данного приемника, а в разд. 12.2-схема усилителя системы АРУ со смесительным детектором в его тракте ПЧ; с учетом последней из названных схем мы полностью “просмотрим” весь сигнальный тракт этого приемника от разъема подключения антенны до блока обработки НЧ сигнала.

9.1. Тракт ВЧ и система предварительной АРУ

Принципиальная электрическая схема этой части широкополосного тракта представлена на рис. 9.1.

Фильтр верхних частот третьего порядка с граничной частотой 10 МГц и крутизной спада АЧХ 9 дБ/октава выполняет функцию входного селектора. Этот фильтр обеспечивает частотно-зависимую компенсацию известного увеличения средней мощности полезных сигналов и внешних шумов на входе приемника в низкочастотном участке спектра; он снижает эту мощность до уровня, который не перегружает последующие каскады. Выводы фильтра при необходимости можно закоротить с помощью миниатюрной перемычки и тем самым исключить его из тракта прохождения сигнала (функциональный обход).

За фильтром-преселектором приемный тракт расщепляется на две альтернативных ветви: в первой-сигнал усиливается на 6 дБ широкополосным усилителем ВЧ с ООС Х-типа, во второй - ослабляется на 24 дБ аттенюатором; таким образом, в первом случае выходной уровень сигнала на 30 дБ выше, чем во втором. Выбор того или иного варианта осуществляется системой АРУ с помощью язычковых реле. Усилитель ВЧ характеризуется настолько высоким значением IР_о3 (+37 дБм), что на величину IР₃ всего приемника могут влиять только те из следующих за этим усилителем каскадов, для которых значение параметра IP_i3 сравнимо с IР_i3 » 30 дБ для усилителя. В отношении усилителя заметим также, что подобные схемы при ненагруженных сигнальных входах почти наверняка самовозбуждаются. То, что в данном случае, несмотря на очень высокие требования по запасу устойчивости, ничего подобного не происходит, говорит о профессионализме разработчика; такие “мелочи” легко устраняются. Можно, например, не подавать питание на неработающий усилитель или в крайнем случае замкнуть оба его сигнальных входа через 50-омные резисторы на общий провод.

Основной ВЧ-селектор состоит из двух ФНЧ: эллиптического фильтра седьмого порядка и фильтра Чебышева третьего порядка. Сигналы зеркального канала и ПЧ подавляются более чем на 80 дБ и 90 дБ соответственно; в подавление ПЧ вносит свой вклад (³ 30 дБ) развязка входов смесителя.

В нижней части рис. 9.1 показан блок переключения (с помощью реле) альтернативных ветвей тракта (с усилителем ВЧ или ВЧ-аттенюатором); его работой управляет система АРУ приемника. В этот блок в порядке очередности выполняемых функций входят: неинвертирующий компаратор, преобразователь импеданса (оба в составе микросхемы IC1) и-для каждого из двух реле-инвертирующий ТТЛ-формирователь с открытым коллектором (IC2). Блок работает следующим образом. В отсутствие принимаемого сигнала (полезной компоненты), т. е. при полном усилении АРУ-ПЧ-процессора, вырабатываемое последним регулирующее напряжение постоянного тока U_AGC в точке С нашей схемы £ 2 В. При этом на выходе компаратора устанавливается низкий уровень напряжения (» О В), на выходе преобразователя импеданса - высокий уровень (» 5 В) и на выходе ТТЛ-формирователя-низкий уровень. Естественно, что в этом состоянии контакты реле замкнуты на усилитель ВЧ. Появление на входе приемника полезного сигнала, способного вызвать уменьшение усиления в тракте ПЧ на » 57 дБ (чему соответствует U_AGC » 4,1 В в точке С), приводит к опрокидыванию уровней сигналов на выходах элементов рассматриваемой схемы и включению в сигнальный тракт аттенюатора (исходное положение контактов реле, показанное на принципиальной схеме). При включении аттенюатора усиление тракта ПЧ внов'ь возрастает-регулирующий сдвиг вниз (относительно максимального уровня) уменьшается до » 27 дБ (U_AGC » 3,6 В). Обратное переключение схемы к использованию усилителя ВЧ происходит при уровне входного сигнала, приводящего при воздействии на систему АРУ к регулирующему сдвигу вниз всего лишь на 10 дБ (u_agc » 3 В). При этом U_AGC повышается до » 3,7 В. Из-за неизбежного разброса параметров величину гистерезиса и пороги переключения приходится подстраивать с помощью двух регулировочных резисторов, устанавливаемых на входах компаратора. Система АРУ работает в режиме так называемого задержанного регулирования, т. е. вырабатываемое ею регулирующее напряжение U_AGC при исчезновении или резком уменьшении сигнала в течение времени задержки отключения АРУ (» 0,7 с) остается на неизменном уровне, чтобы затем относительно быстро (за время < 150 мс) перейти к более низкому уровню (с ВЧ-усилением); с другой стороны, при увеличении мощности сигнала аттенюатор подключается по истечении малого времени срабатывания АРУ (» 15 мс). Тем самым обеспечивается надежное переключение в обе стороны. Величина гистерезиса компаратора составляет почти ± 25 дБ, поэтому практически исключаются также ошибочные срабатывания системы из-за колебательных замираний (дребезг контактов реле); “размах” этих замираний оказывается, как правило, заметно ниже указанной величины гистерезиса.

Как специалист, довольно широко информированный в области современной профессиональной радиотехники и особенно хорошо знакомый с принципами конструирования, используемыми разработчиками США, я вижу совершенно определенные тенденции в будущей модификации описанной здесь концепции построения тракта ВЧ: во-первых, автоматический выбор усиления или ослабления ВЧ-сигнала в зависимости от мгновенного значения мощности принимаемых сигналов и внешних шумов в нужном канале приема; во-вторых, не зависящая от этого возможность непрерывного изменения ВЧ-затухания в низкочастотном участке спектра (£ 10 МГц). Все это рекомендуется прежде всего при априорно непредсказуемой эффективности антенны; в этом случае следует также использовать дополнительные субоктавные ВЧ-селекторы.

9.2. Смеситель, предусилитель ПЧ и фильтры основной селекции

Вторая и заключительная часть принципиальной электрической схемы широкополосного приемного тракта представлена на рис. 9.2.

В качестве смесителя используется кольцо на диодах Шотки, относящееся к классу устройств очень высокого уровня. Схема этого готового гибридного модуля структурно соответствует схеме смесителя, представленной на рис. 3.3; учитывая его чрезвычайно широкий частотный диапазон 0,5 (0)...450 МГц, пришлось применить емкостно компенсированные трансформаторы на двухпроводных линиях. По данным изготовителя при Р_u = +20 дБм для этого модуля IP_i3 = + 30 дБм, КР; = + 15 дБм и А_i = 5...7дБ.

Сигнал ПЧ поступает через ПФ-диплексер на первый предусилитель ПЧ с ООС Х-типа, который при усилении G_p = 7 дБ характеризуется значением IP_L, = +28 дБм. Для улучшения развязки между его входом и выходом (А_{х »} 2,2 дБ) на выходе усилителя установлен аттенюатор с затуханием 2 дБ; таким образом, эффективное значение коэффициента усиления по мощности для этой цепи составляет 5 дБ.

Основная селекция сигнала осуществляется двумя восьмирезонаторными фильтрами, каждый из которых выделяет одну из боковых полос для несущей с частотой 45 МГц; этот довольно дорогой модуль позволяет избавиться от необходимости применения еще более дорогого цифрового способа выбора боковой полосы в синтезаторе частоты путем сдвига как частоты гетеродина, так и вспомогательной несущей частоты. Указанные виды связи J3E и RЗЕ-это SSB-телефония с полностью или частично подавленной несущей соответственно. Для подключения фильтров применяются язычковые реле, управляемые каскадом из четырех инвертирующих ТТЛ-формирователей с открытым коллектором; при подаче высокого уровня (5 В) на вход каскада (вход “Выбор фильтра”) выбирается USB-фильтр (верхняя боковая полоса), при подаче низкого уровня (0 В) - LSB-фильтр (нижняя боковая полоса). С целью обеспечения оптимальной эффективности фильтров, т. е. для предотвращения емкостного шунтирования функционирующего в данный момент фильтра со стороны нефункционирующего, выводы последнего необходимо заземлить по ВЧ. Для таких специфических фильтров A_i » 4,5 дБ. Выпускаются и сравнимые по параметрам стандартные фильтры, например XF-45S02.

В качестве второго предусилителя ПЧ используется, как и прежде, усилитель с ООС Х-типа, для которого значение параметра IР_i3 с учетом узкополосности усиливаемого сигнала выбрано на уровне всего лишь + 23 дБм. Коэффициент усиления по мощности равен 8 дБ.

Эффективное значение G_P для всего широкополосного тракта, т. е. от антенного гнезда (рис. 9.1) до точки Е схемы (рис. 9.2), составляет 7,3 дБ при коэффициенте шума F = 7,2 дБ. С учетом шумов последующих каскадов (F » 1 дБ) коэффициент шума всего приемника оказывается равным 7,8 дБ. Эти значения, вытекающие из требований потребителей, необходимо гарантировать с помощью целенаправленных производственных мер, в частности отбора конструктивных элементов и индивидуальной сборки модулей; все это сказывается на экономических показателях.