Конспект лекций для студентов 4 курса дневного отделения специальности 210401. 65 «Физика и техника оптической связи»

Автотрансформаторное входное устройство


Этот тип входного устройства нашел широкое применение на практике в приемниках метровых волн при несимметричном типе фидера. Нa более коротких волнах конструктивное выполнение такой схемы затруднительно, однако применяемые в этих диапазонах входные устройства приводятся к эквивалентной схеме автотрансформаторного типа. Поэтому изучению основных свойств таких входных цепей уделяется большое внимание.
Принципиальная схема автотрансформаторного входного устройства приведена на рис 4.2.
Настройка на частоту принимаемого сигнала производится изменени­ем либо индуктивности либо емкости (что хуже). Но следует отметить, что настройка емкостью на практике применяется чаще, так как она проще конструктивно. Заменим эту схему эквивалентной (рис. 4.3).

Рис.4. 2

Рис.4. 3

Если антенна согласована с фидером, то сопротивление генератора равно активному волновому сопротивлению фидера W.

Объединим


. (4.7)
При этом резонансная частота входной цепи может быть определена как


. (4.8)

Проводимость G_к можно представить в виде

, (4.9)


d_к - собственное затухание контура LC (обычно порядка 0,01÷0,005).
Обозначим


. (4.10)


Перейдем от генератора ЭДС к генератору тока, при этом справедливы следующие соотношения


, . (4.11)




Рис.4. 4

С учетом этих замечаний мы можем перейти к эквивалентной схеме на базе генератора тока. Эквивалентная схема при этом имеет вид представ­ленный на рис. 4.4. В этом случае колебательный контур заменен эквива­лентным с учетом входных параметров активного элемента усилительного каскада.
Генератор тока I с проводимостью g можно пересчитать ко входу ак­тивного элемента, при этом значения тока генератора и его проводимости можно представить следующим образом

, . (4.12)

Структурную схему входной цепи для этого случая можно предста­вить в виде (рис. 4.5)

Рис.4. 5

На резонансной⁴'частоте проводимости индуктивной и емкостной ветвей взаимно компенсируются и схема принимает вид, показанный на рис. 4.6.

Напряжение на входе активного элемента U₀ можно определить по следующей формуле


. (4.13)

Рис.4. 6

Тогда резонансный коэффициент передачи по напряжению можно определить как
. (4.14)


Если уменьшать коэффициент трансформации т, перемещая отвод вниз по катушке индуктивности, то это будет оказывать на работу схемы два встречных действия:
1. Генератор слабее воздействует на контур, что учитывается множи­телем т в числителе выражения (4.14);
2. Проводимость g слабее шунтирует контур, увеличивая его доброт­ность, что учитывается множителем m² при первом члене знаменателя.
В результате совместного действия этих факторов коэффициент передачи по напряжению К₀ при некотором т достигает максимального значения. Очевидно, что максимум К₀ достигается в режиме согласования нагрузки G с приведенной проводимостью генератора тока I. Из условия согласования определим оптимальное значение коэффициента трансформации


. (4.15)


Согласование возможно лишь при , т.к. в противном случае , что в рассматриваемом случае неосуществимо.
Коэффициент передачи по напряжению в режиме согласования можно представить в виде
. (4.16)


На базе полученных выражений можно представить К₀ как функцию , m_с, для этого разделим числитель и знаменатель выражения (4.14) на m_с² и после несложных преобразований получим

, (4.17)
где .
Зависимость К₀ от а представлена на рис. 4.7.

Рис.4. 7
Рис.4. 8


Из представленного графика видно, что умеренное отклонение от ре­жима согласования слабо изменяет величину .
Резонансная кривая входной цепи соответствует резонансной кривой колебательного контура. Оценим затухание такого контура

(4.18)
,

где - затухание контура входной цепи, рассчитанное с учетом собственных потерь и шунтирующего влияния входной проводимости активного элемента, но без учета влияния потерь в антенно-фидерной системе.
Зависимость от а приведена на рис 4.8. Как видно из представ­ленной зависимости при увеличении коэффициента трансформации m затухание d быстро возрастает, а, следовательно, избирательность входного


устройства соответственно ухудшается. В режиме согласования при затухание контура входной цепи увеличивается в 2 раза ( ).
Следовательно, присоединение согласованного фидера антенны вдвое ухудшает затухание контура, рассчитанное с учетом собственных потерь и шунтирующего действия активного элемента.
Из представленных графиков, показывающих изменение коэффициента передачи по напряжению и затухания входной цепи от коэффициента а, следует, что практически выгодно несколько уменьшать коэффициент трансформации по сравнению с режимом согласования, т.к. это почти не изменяет коэффициент передачи по напряжению, но заметно улучшает избирательность входной цепи.
При строгих требованиях к избирательности целесообразно сильно уменьшать коэффициент трансформации, если можно примириться с проигрышем в величине коэффициента передачи.
Необходимо иметь при этом виду, что рассогласование увеличивает потери в фидере и может вызвать в нем многократные отражения, что приводит к нежелательным повторениям принимаемого радиосигнала и искажению принимаемого сигнала.
Рассмотрим, как влияет величина емкости на коэффициент передачи по напряжению и на избирательность входного устройства.
Резонансная проводимость контура равна . Подставим ее в выражения для определения коэффициента передачи по напряжению и затухания при согласовании, тогда получим


, (4.19)
. (4.20)


Если изменять полную емкость контура С, то для сохранения настройки на заданную частоту необходимо изменять индуктивность L. При этом собственное затухание контура d_к остается приблизительно постоянным. С учетом этих выражений можно сделать вывод, что уменьшение емкости С увеличивает коэффициент передачи по напряжению К₀ и увеличивает результирующее затухание d, ухудшая избирательность входной цепи. Это действие изменения емкости проявляется более или менее сильно в зависимости от соотношения проводимостей и .
Чтобы лучше проследить эту зависимость, рассмотрим два крайних случая:
1. , что соответствует случаю работы входной цепи на поле­вой транзистор (или лампу). В этом случае указанные величины могут определяться по следующим формулам


, (4.21)


. (4.22)

В этом случае уменьшение емкости увеличивает коэффициент передачи по напряжению К₀, и не влияет на затухание (т.е. в этом случае избирательность входной цепи не изменяется).

2. , что соответствует работе входного устройства на биполярный транзистор. Соответствующие выражения можно представить как


, (4.23)
. (4.24)


В этом случае, наоборот, уменьшение емкости не влияет на коэффи­циент передачи по напряжению, но увеличивает затухание во входной цепи, тем самым ухудшая ее избирательность.
Рассматривая эти выводы, необходимо помнить, что само соотноше­ние проводимостей и зависит от величины емкости С и может случиться, что малая емкость С будет соответствовать случаю , тогда как при большой емкости будет справедливо соотношение . Необходимо помнить, что уменьшение полной емкости контура С ограничивается указанными выше причинами.
К недостаткам автотрансформаторной входной цепи следует отнести то, что в режиме согласования нельзя получить заданную полосу пропус­кания входной цепи, т.к. в этом случае затухание во входной цепи увеличивается в два раза.