книги / Радиоприемные устройства.-1
.pdfиспользуют по два варикапа, включенных последовательно по переменному току, что позволяет уменьшить влияние нелинейностей четных т:орядков.
На СВЧ находят применение УРЧ на СВЧ-транзисторах (до сантиметровых волн включительно), СВЧ-электронных лампах (метровый и дециметровый диапазоны), ЛБВ, приборах с "отрицательным” сопротивлением, а также пара метрические и квантовые усилители.
Транзисторные усилители в последнее время широко распространены в СВЧ-технике. Наряду с БТ используются ПТ с затвором типа барьера Шотки (ПТШ) на основе арсенида галлия. В последнем случае можно повысить рабо чую частоту УРС до 80 ГГц (сравнительно с 15 ГГц для Б Т ), что объясняется большой подвижностью носителей в ПТШ. На частотах 0,3—30 ГГц козффициент усиления транзисторных однокаскадных усилителей составляет около 5 -6 дБ при полосе 3 -4 % от несущей, коэффициент шума около 6 дБ.Харак терно, что режимы согласования УРС по шумам и мощности дня ПТШ отлича ются в меньшей степени, чем для БТ. Конструктивно транзисторы выполняют ся на основе безвыводного кристалла, кристалла с выводами, в условно гер метичной (не по всем внешним воздействиям) и полностью герметичной кон струкциях.
В качестве согласующих цепей на входе и выходе каскада используют трансформирующие фильтры, выполненные на отрезках длинных линий, в том числе полосковых, волноводах или на сосредоточенных элементах (в длинно волновой части диапазона). Если согласование осуществляется в широком
11 Зак. 5685
2 |
1 |
3 |
2 |
to?»
его использование требует принятия мер по обеспечению идентичности плеч усилителя. На рис. 4.53, а приведена электрическая схема одного плеча, а на рис. 4.53, б - топология балансного усилителя, где 1 —транзисторы; 2 —на весные конденсаторы; 3 —пленочные резисторы; 4 —направленные ответви тели.
На рис. 4.54 показана упрощенная волноводная конструкция усилителя на "отрицательном* сопротивлении типа туннельного диода. Сам диод 4 разме щен в волноводе, высота которого выбирается из условия трансформации со противления источника сигнала, что обеспечивает согласование. Волновод под ключен к циркулятору (на рис. 4.54 не показан) через плавный переход 6 , вы полняющий роль согласующего трансформатора сопротивлений. Подстройка усилителя на заданной частоте осуществляется подвижным поршнем 5 в вол новоде. Элемент 2 —резистор для подачи смещения на диод; 1 —разъем в це пи смещения; 3 —четвертьволновой отрезок коаксиальной линии, используе мой в схеме стабилизации.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ И ПОВТОРЕНИЯ
4.1. Какие требования предъявляются к усилителям радиосигналов в зависимости от области их применения? 4.2. Назовите и сравните различные виды параметров, использу емых для описания усилительных приборов в усилителе радиосигналов. 4.3. В чем заклю чается сущность иммигансного метода исследования устойчивости усилителя радиосигна лов? 4.4. В чем отличие коэффициента устойчивости усиления от коэффициента предель ного усиления усилителя радиосигналов? 4.5.Укажите методы борьбы с генерацией в уси лителе радиосигналов. В чем их достоинства и недостатки? Дайте рекомендации по приме нению методов. 4.6. Как повысить коэффициент усиления усилителя радиосигналов? 4.7. Начертите схемы резонансных УВЧ, укажите назначения всех элементов. 4.8. Как из меняется в диапазоне частот резонансный коэффициент усиления УВЧ? Как устранить влияние неравномерности его характеристики на работу РПУ? 4.9. В чем достоинства каскодного УВЧ? 4.10. Начертите схемы полосовых усилителей высокой частоты, укажите назначения всех элементов. 4.11. Каковы зависимости основных характеристик полосово го усилителя высокой частоты от числа каскадов? 4.12. Почему в активных фильтрах воз можно подавление помех приему без использования индуктивных компонентов? 4.13. Ка ковы особенности работы ААС-фильтров на высоких частотах? 4.14. Сравните между со бой различные виды полосовых усилителей высокой частоты с высокоэффективными из бирательными цепями. 4.15. От чего зависят характеристики УВЧ на основе приборов с "отрицательным’’ сопротивлением? 4.16. Сравните особенности УВЧ.различных диапазо нов волн.
5.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ 5 Л. Классификация преобразователей частоты и требования к ним
Приведем общие сведения о преобразователях частоты. На рис. 5.1 дана обобщенная структурная схема ПЧ. Она содержит: источник сигнала (ИС) с частотой со,; цепь согласования с источником сигнала ЦС1; смеситель (См), включающий нелинейные или параметрические (нелинейно-параметрические) элементы; цепь согласования ЦС2 с гетеродином (Г ); устройство формирова ния (Ф) колебания гетеродина, обеспечивающее требуемые частоту, интенсив ность и другие параметры колебания гетеродина; цепь согласования ЦСЗ с на грузкой (Н).
|
Преобразование частоты может быть выполнено |
на основе: 1) нелинейно- |
го |
преобразования колебаний входного сигнала и |
(г) и гетеродина uT(t)\ |
2) |
перемножения этих сигналов; 3) управления коэффициентом передачи ли |
|
нейного устройства (усилителя), на вход которого подается UQ( t) , с помощью колебания гетеродина; 4) параметрического эффекта, сопровождаемого пре образованием в реактивном элементе энергий колебаний сигнала и вспомога тельного гетеродина в энергию колебания преобразованной частоты.
В ПЧ первого вида используют нелинейную характеристику соответствую щего электронного прибора или устройства, содержащего несколько элект ронных приборов: у = L (и (г ), ит(t) ). В результате в его токе возникает бес
конечное множество колебаний вида тсо Г |
± п сос , т о с ± mooг , где m , п = |
= 0, 1, 2, 3,..., одно из которых (обычно со |
- сос или сос - со ) отфильтровы |
вается с помощью фильтрующей системы, используемой вместо нагрузки (см. рис. 5.1). В качестве нелинейных элементов применяются биполярные и поле вые транзисторы, различные полупроводниковые диоды, электронные лампы различных видов от простейших (диодов) до специальных многосеточных пре образовательных ламп. Диапазон рабочих частот этого вида ПЧ очень велик и включает СВЧ.
В ПЧ второго вида используют свойства устройств, выполняющих матема
тическую операцию перемножения двух функций: |
|
|
|
|
у = Auc (t)ur (t), |
|
|
(5,1) |
|
где А — коэффициент, не зависящий от ис и иг . |
|
|
|
|
При перемножении uc (t) = Um ccoscoct и u r (t) |
= |
£/mrcoscor f |
втоке.у |
|
возникают колебания вида сог ± со, и сос ± сог ,одно |
из |
которых далее |
от |
|
фильтровывается в нагрузке. В качестве перемножителей в настоящее |
время |
|||
обычно применяют специализированные интегральные схемы, работающие |
на |
|||
умеренно высоких частотах. |
|
|
|
|
В реальных перемножителях на частотах, где их инерцией можно прене бречь, вместо (5.1) следует записать более общее выражение:
|
У = \ |
+ Л Л (г)иг ( 0 |
+ A 2uc (t) + A 3uT(t)+ F (A .,u c (t).u t (t)),(5.2) |
где А. |
— коэффициенты; F |
— нелинейная функция, содержащая степени |
|
ис (г) |
и ит(t) |
выше первой. Побочные колебания, возникающие вследствие |
|
неидеальности перемножителя, должны быть подавлены в избирательной на
Рис. 5.1
грузке перемножителя.
В ПЧ третьего вида используют преобразование типа |
|
|
У - |
( 0 , |
(5.3) |
где F = F ,(ыг ( 0 ) • |
|
|
Если функция F - A uv (t) , то, как следует из (5.1) |
и (5.3), алгоритмы |
|
работы ПЧ второго и третьего видов оказываются одинаковыми. В ПЧ четвер того вида применяют параметрическое преобразование энергии в реактивных элементах.
Независимо от способов реализации, ПЧ должны обладать следующими ха
рактеристиками: |
|
|
1) |
высоким коэффициентом преобразования К |
, равным отношению на |
пряжения преобразованной частоты на выходе ПЧ к напряжению сигнала на |
||
его входе: |
|
|
|
К пр = Uпр'/U с ;9 |
(5.4) |
2) стабильностью параметров в диапазоне перестройки РПУ cocmin
—состах*:
3) высокой избирательностью по соседним каналам приема, что частично обеспечивается соответствующей фильтрующей системой в нагрузке ПЧ;
4)малыми частотными искажениями в полосе пропускания этой фильтру ющей системы;
5)малыми нелинейными искажениями, что связано с использованием на практике во всех видах ПЧ электронных компонентов с нелинейными харак теристиками;
6)высокой устойчивостью работы. Под устойчивостью понимают стабиль
ность преобразованной частоты со^ при неизменной частоте входного сигна ла, стабильность других параметров ПЧ (коэффициента преобразования, фор мы АЧХ |и др.) при действии дестабилизирующих факторов, а также удален ность от режима генерации.
Требование стабильности частоты сопр фактически является требованием к стабильности частоты гетеродина, так как в супергетеродинном РПУ частоты
со |
и со |
связаны линейными зависимостями со |
= со |
+ со |
или со |
—со - |
п р |
г |
г |
с |
пР |
г |
С |
- со^р , откуда следует |
|
|
|
|
||
|
|AWnp|= U W r l. |
|
|
|
(5.5) |
|
Для перемножительных ПЧ, а также ПЧ на основе линейного усилителя с переменным коэффициентом передачи дополнительными параметрами явля ются параметры функциональных характеристик (5.1) и (5.2) : масштабный коэффициент А , коэффициенты А. неидеальности перемножения, а также частотный и динамический диапазоны преобразователей, обеспечивающих за данную точность выполнения (5.1), (5.3).
S.2. Общая теория и параметры преобразователей частоты
Целью общей теории преобразования частоты является получение соотно шений, которые описывают работу любого ПЧ независимо от его устройства. Она строится на основе теории многополюсников. В самом общем случае ПЧ может быть представлен в виде шестиполюсника с тремя парами полюсов со ответственно 11, 22, 33 (рис. 5.2), к которым приложены три напряжения — гетеродина, сигнала И преобразованной (промежуточной) частоты:
w |
г |
= |
|
„ cosco |
г |
Г , |
|
|
|
|
|
|
гп г |
|
* |
|
|
||
и с |
= |
|
и т С C 0 S ( w |
c |
* + |
4>е ) > |
( 5 . 6 ) |
||
U |
|
= |
С/__COS( CL>________ ) . |
|
|||||
пр |
|
|
m пр |
4 |
|
пр |
^пр' |
|
|
Структура, |
Приведенная на рис. 5.2, описывается системой трех уравнений |
||||||||
Ч |
= |
A < Wc - Wr ' Mn p )’ |
|
||||||
Ч = № * > |
мг*мпр)- |
|
(5-7) |
||||||
Ч =
где f. — функционалы, учитывающие как нелинейные, так и инерционные свойства шестиполюсника (см. § 2.1.1).
Для упрощения анализа положим, что, во-первых, ПЧ в рабочем диапазоне частот не имеет Заметной инерции, а возможные фазовые сдвиги колебаний и (г), м (г), и (г) обусловлены внешними цепями; во-вторых, к соответствующим полюсам шестиполюсника подсоединены фильтрующие системы, ис ключающие появление на них любых других колебаний, кроме учитываемых в (5.6). При выполнении указанных условий под f. в (5.7) можно понимать не функрионалы, а соответствующие функции.
Разложим токи в системе (5.7) в ряды Тейлора. Так как в реальных ГИ напряжение гетеродина обычно существенно больше напряжений сигнала и преобразованной частоты, то разложение ведется по степеням малых перемен ных, а влияние большого колебания иг (t) учитывается в коэффициентах ряда (их сч;ггают периодическими функциями от ит(t) и, следовательно, времени). То: да для первых двух уравнений в (5.7) получим:
i — f . |
+ |
( |
* А . |
и |
+ |
Т А |
и |
||
---- ) |
( -------) |
||||||||
с |
1иг |
|
ди |
с |
ит С |
ди |
“ г |
||
|
|
|
|
|
|
|
пр |
|
|
|
|
|
|
d f |
|
и |
d f |
|
|
? |
= |
/ |
+ ( — |
) |
+ ( —~~“) |
||||
?тр |
|
2“ г |
|
ди с |
иг |
С |
пр |
|
|
+
143
(5*)
и+
"Р
где индекс и означает зависимость коэффициентов ряда Тейлора от большой переменной, т. е. и т( t)
Так как указанные коэффициенты определяются периодической функци ей времени, то они могут быть разложены в бесконечные ряды Фурье:
А г |
- ' о х |
+ J / m |
l fcc° s* < v ; |
|
|
|
|
||||||
A u r |
= |
702 + Д |
/ т г к |
008* |
^ |
|
|
|
|
|
|||
d f, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ттс Ч =° ъхо |
+ к= 1 ° вхк с°5к“ |
г * ’ |
|
|
(59 ) |
||||||||
d f , |
|
|
G |
|
|
G - .c o s k w |
t ; |
|
|
|
|||
( ------ ),, = |
+ |
2 |
|
|
|
||||||||
ди пр“г |
|
0п |
k= i |
О"*' |
|
г |
|
|
|
|
|||
d f 2 |
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
( — |
) u |
|
= |
V |
^ Т т к 008^ |
^ |
|
|
|
|
|||
дис |
|
г |
|
|
к = |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
д / 2 |
|
|
= Gn + |
|
G . cosкш t . |
|
|
|
|||||
( ----- ) |
|
|
2 |
|
|
|
|||||||
Кдипр ' |
“г |
0 |
k= 1 |
mfc |
|
|
|
|
|
|
|||
Как следует из (5.9), производные |
d f. /дис и d f./d u ^ |
представляют со |
|||||||||||
бой колебания соответствующих проводимостей ПЧ с частотой |
гетеродина : |
||||||||||||
( d /t /д ис) и |
- входной проводимости |
(?BJ( (f) для сигнала; |
( p f j d м ^ )ц |
||||||||||
проводимости обратной передачи |
(г ); |
(d f jd u ) |
— проводимости пря |
||||||||||
мой передачи, или крутизны S (f ) ; |
(d f2/dunp) u -вы ходной |
'проводимости |
|||||||||||
G (t). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5.3
Ограничимся тремя членами рядов (5.8), куда подставим (5.6), (5.9) г и
определим комплексные амплитуды токов |
соответствующих частот *тс>1т1ф |
||||||||||||||||||||||
например для случая |
со |
|
= |
сог - |
сос . При этом учтем известные тригономет |
||||||||||||||||||
рические соотношения: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
со sco |
|
f cos со |
|
t |
= |
|
— cos (со |
r |
+ со |
) t |
+ — COS(GJ |
- |
|
со |
) t |
; |
|
||||||
|
|
С |
|
Г |
|
|
|
|
2 |
v |
|
С |
' |
2 |
г |
|
|
с' |
|
|
|||
cos со |
Г |
f cos со |
np |
t — |
|
— cos(co |
r |
+ со |
) t + — cos(co |
г |
- |
со |
) t , |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
v |
|
|
пр' |
^ |
4 |
|
пр' |
' |
||||||
где для рассматриваемого способа преобразования частоты |
сог - |
сопр = сос |
|||||||||||||||||||||
Выделяя интересующие нас составляющие токов с частотами |
сос и со^ |
||||||||||||||||||||||
находим: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
т с |
= |
G |
n U |
|
+ " G n C/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
(5.10) |
||||||||
|
|
|
вхО |
т с |
|
|
2 |
0п |
|
т пр * |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
/ |
тпр |
|
= 4 5 |
т |
1 |
U |
|
|
+ |
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(5.11) |
|||
|
|
|
2 |
т с |
|
О т п р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
где фазы |
<рс и </>пр учтены в комплексных амплитудах Umc и |
Gm ^ |
|||||||||||||||||||||
Система уравнений (5.10), (5.11) описывает эквивалентный |
преобразова-. |
||||||||||||||||||||||
телю частоты четырехполюсник, в котором влияние гетеродина учтено в со ответствующих коэффициентах (рис. 5.3). Переходя в (5.10), (5.11) к извест
ной форме записи У-параметров такого четырехполюсника, |
получаем: |
|
т с |
^ И п р ^ г п с + ^1 2 п р ^ш п р * |
(5.12) |
|
||
/ тп р = |
Y21 пр и т с + Y22 пр итпр |
(5.13) |
где y.fcnp —параметры эквивалентного четырехполюсника в режиме прёобразованйячастоты (УПпр = Свх0; Уа1пр = \ Sn l \ Г 12пр = j GQn, Y22np=G Q). -'Рассмотрим физический смысл компонентов тока в (5.10)-(5.13) . Как следует из изложенного, эти компоненты обусловлены соответствующими ко эффициентами разложения в ряд Фурье функции S (г), GBX (г) , GQn (г) и G ( t ) . Тогда в соответствии с (5.10), (5.12) первое слагаемое. GBx0 Umc —это ток
частоты сигнала, проходящий во входной цепи ПЧ при коротком замыкании 1
(КЗ) на его выходе, а второе слагаемое -^ о п ^ тп р “ тoк, соответствующий
12 Зак. 5685 |
169 |
|
эффекту преобразования колебания промежуточной частоты в колебание час тоты сигнала при КЗ на входе ПЧ. Действительно, если структура преобразова теля такова, что напряжение преобразованной частоты поступает на нелиней ный элемент, то в его токе возникает колебание разностной частоты с о - с равной частоте со В отличие от полезного эффекта, а именно: преобразова ния частоты сигнала в промежуточную частоту, этот эффект называется
эффектом обратного преобразования частоты. |
^ |
Согласно (5.11), (5.13), первое слагаемое |
i^m c “ эт0 соответствую- |
щий основному полезному эффекту ПЧ ток преобразованного в промежуточ ную частоту колебания с частотой сигнала при КЗ на его выходе, а второе сла гаемое GQUmпр —ток промежуточной частоты, проходящей в выходной цепи ПЧ при КЗ на его входе.
При использовании однонаправленных преобразовательных элементов (транзисторных, триодных и более сложных ламповых и т.д.) эффект обрат ного преобразования можно не учитывать, так как напряжение промежуточ ной частоты, передаваемое на вход нелинейного элемента по цепи внутренней
обратной связи, мало. Для этого случая система уравнений ПЧ может быть за
писана в виде: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
Y |
llnp |
U |
I |
тпр |
= Y |
U |
+ Y |
U |
|
m e |
|
т с 9 |
|
21 пр |
т с |
22пр |
т п р ’ |
|
|||
адляПЧ, рею щ их высокое выходное сопротивление,когда Y22apUm |
< < |
||||||||||
« Y- |
U |
, так: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
21 пр |
т с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ т с |
Y llnp |
|
Iтп р |
^ Y21 пр Uт с |
' |
|
(5.14) |
||||
Параметр |
У21пр |
|
|
т 1 |
называют также крутизной преобразования |
||||||
S Она равна половине амплитуды первой гармоники колебания крутизны характеристики тока ПЧ S ( t) при работающем гетеродине. Если преобразова ние частоты осуществляется на п-й гармонике колебания гетеродина, т. е. <опр = псотсос , то 1 равна половине амплитуды и-й гармоники S (t) „
Из изложенного можно сделать следующие выводы:
1) |
область воздействия ис (г) и |
( t ) , где справедливо разложение токов |
/*с (f) и i |
( 0 в короткие ряды Тейлора с тремя членами вида (5.8), является |
|
областью, где ПЧ для колебаний сигнала и промежуточной частоты может быть |
||
замещен |
линейным четырехполюсником. |
Действительно, как следует из |
(5.12), (5.13), токи и напряжения указанных колебаний связаны линейными зависимостями. Это, однако, не противоречит нелинейности ПЧ, так как толь ко в данном случае происходит колебание крутизны характеристики выход ного тока каскада и образуется колебание промежуточной частоты. Возмож ность линейного режима по полезному эффекту является преимуществом рас сматриваемого принципа преобразования частоты.
При увеличении входного сигнала в разложениях вида (5.8) необходимо учитывать большее число членов, в результате чего зависимости токов и напря жений на полюсах ПЧ оказываются нелинейными. Таким образом, область