ГЛАВА 16. ПРИЕМНИКИ

16.1. ПРИЕМ ПОРОГОВЫХ СИГНАЛОВ

16.1.1. Типы приемников

Рассматриваются приемники с детектированием сигналов, которые можно определить как составляющую электромагнитной волны, несущую информацию. Практически приемнйк образует звено между антенной и индикатором, или отметчиком. Сигналы могут быть слабыми и неизменно связанными с шумом или случайными флюктуациями. Таким образом, главной проблемой в технике приема является отделение сигнала от шумового фона. При приеме сверхвысоких частот существует много источников помех, но все они при тщательно выполненной конструкции приемника могут быть сведены только к шумам, происходящим в результате совершенно случайных процессов. Влияние этих случайных шумов на прием сигналов было предметом серьезного изучения [39, 196, 199, 381]. Такой шум может возникнуть в сопротивлении и электронных потоках и поддается анализу статистическими методами [16, 17, 213, 214, 2911. Относительные величины шумов разных типов зависят от конструкции и свойств каждого приемника [131, 138, 176, 205, 206, 276].

В видеодетектор ном приемнике приходящий высокочастотный сигнал выпрямляется непосредственно на входе от антенны, а результирующий звуковой или видеосигнал усиливается и выделяется в индикаторе. Такой приемник характеризуется простотой, малыми размерами, низкой стоимостью и широкополосной частотной характеристикой; на малых уровнях сигнала детектор квадратичен и чувствительность низкая, в результате чего приемник подвержен таким помехам, как фон и микрофонный эффект. В приемнике с

усилением по высокой частоте детектору предшествуют один или более каскадов высокочастотного усиления. Такой тип приемника характеризуется избирательностью и чувствительностью, достигаемой в результате усиления, вносящего малые шумы.

Предельное усиление в усилителе [275] достигается в том случае, когда положительная обратная связь увеличивается до значения, при котором лампа начинает генерировать. Сверхгенеративный метод Армстронга [3] позволяет использовать для усиления и область генерирования, создавая условия, при которых схема генерирует лишь небольшую часть времени.

Рис. 16. 1. Сверхрегенеративный приемник: а — типичная триодная схема; б - входной сигнал (1), цикл изменения активной проводимости (11), колебания в линейном режиме {111), колебания в логарифмическом режиме (1111).

Такие простые приемники полезны на сверхзвуковых частотах; в них используются триоды, клистроны и магнетроны непрерывного генерирования.

Типичная схема приведена на рис. 16,1, а; на рис. 16,1, б показаны формы модулированного входного сигнала (1) и изменение активной проводимости цепи (11), модулированной с частотой подавления или гашения генерации. В течение начального периода активная проводимость падает от положительного значения до нуля. В следующий интервал нарастают собственные колебания с резонансной частотой, достигая максимальной амплитуды, когда проводимость снова становится равной нулю. Затем следует период подавления где колебания гасятся. Выходной сигнал сверхгенеративного приемника состоит поэтому из последовательности радиочастотных импульсов, появляющихся в интервалах с частотой подавления. Чтобы избежать искажений, частота подавления колебаний должна быть в несколько раз больше максимальной частоты модуляции. Если максимальная амплитуда, которой достигают колебания, не ограничивается кривизной характеристики лампы, то эта амплитуда будет пропорциональна сигналу в начальный

момент нарастания колебаний. Тогда говорят, что приемник работает в линейном режиме, показанном на рис. 16.1, б {111). Если амплитуда колебаний ограничивается характеристикой лампы, то амплитуда выходного импульса остается постоянной, но приращение площади огибающей кривой выходного сигнала будет пропорционально логарифму амплитуды сигнала. Такой логарифмический режим показан на рис. 16.1, б (1111).

В супергетеродинном приемнике высокочастотный сигнал после предварительного усиления или без него подводится к смесителю или преобразователю. В этот смеситель вводится также, как показано на рис. 16.2, немодулированный сигнал местного высокочастотного гетеродина, амплитуда которого в смесителе велика по сравнению с амплитудой входного высокочастотного сигнала.

Рис. 16. 2. Блок-схема супергетеродинного приемника.

На выходе смесителя сигнал содержит много частотных составляющих, в том числе составляющую с разностной частотой, нужное значение которой может быть установлено посредством настройки гетеродина. Этот сигнал промежуточной частоты с соответствующими боковыми полосами модуляции затем усиливается до уровня, необходимого для детектирования. Амплитудное преобразование в смесителе по существу является линейным и имеет хорошую эффективность. При отсутствии избирательных цепей на частоте сигнала такой приемник также будет принимать «зеркальный» сигнал, частота которого отличается от частоты сигнала на величину, равную удвоенной промежуточной частоте.

Настройка приемника на частоту сигнала может поддерживаться с помощью схемы автоматической подстройки частоты (АПЧ), воздействующей на гетеродин. Хотя местный гетеродин может являться источником дополнительных шумов, супер гетеродинный приемник характеризуется высокой чувствительностью и фактически находит на сверхвысоких частотах почти универсальное применение. Полоса пропускания до детектора определяется шириной полосы УПЧ и может быть, таким образом, расширена лишь при использовании нескольких когерентных местных гетеродинов. В одной из таких систем [42] для получения необходимого спектра в смеситель вводится принимаемый сигнал СВЧ и напряжение с более низкой частотой на УВЧ; в другой системе [68] для достижения широкой

полосы пропускания и обеспечения свойственной супергетеродинам высокой чувствительности используются два синхронизированных гетеродина с качающейся частотой. Спектр частот в диапазоне от 2 до 4 Ггц с интервалами между соседними частотами от 50 до 250 Мгц может быть получен от гетеродина, использующего ЛБВ, путем непосредственного умножения частоты [70].

Как при детектировании, так и при смешении используются нелинейные свойства устройства для преобразования энергии сигнала в энергию другой частоты; используемые в настоящее время методы являются более совершенными по сравнению с прежним когерером Лоджа [141]. Было показано [30, 189, 210], что для детектирования могут быть использованы термоэлектронные диоды, конструкция которых обеспечивает малое время пролета электронов и малую межэлектродную емкость. В одном диоде [99] катод и анод образуют коаксиальную линию, вдоль которой распространяется высокочастотная энергия; образцы хорошо работают в области частот но только при довольно высоких уровнях на входе. Небольшие коаксиальные и плоские диоды [59, 60] укреплялись поперек волновода сечением но эффективность и шумовая характеристика при низком уровне несущей частоты оказались плохими.

При другом методе сигнал можно вводить в резонансную полость отражательного клистрона, на отражатель которого подавалось такое смещение, чтобы он сортировал электроны по их высокочастотной скоростной модуляции. Устройство с электронным лучом [159], использующее полосу режекции периодического магнитного фокусирования, обладало хорошей чувствительностью и большим перекрытием по частоте. В детекторе подобного типа использован [37] модулированный по плотности луч, который дрейфует в пространстве, свободном от внешних полей, и рассеивается в направлении цилиндрического коллектора; если последний выполнен из резистивного материала, то возникает напряжение, которое является функцией модулирующего сигнала. В другом детекторе для обеспечения резонансной системы используется циклотронное движение электронов в пучке. Настройка производится изменением прикладываемого магнитного поля. Циклотронное движение наблюдается при пропускании через сетку электронов, движущихся по спирали; перехватываемый при этом ток имеет наибольшее значение при резонансе и пропорционален высокочастотному сигналу. Один из образцов работал в диапазоне частот Типовые значения полосы и чувствительности с возможными отклонениями составляли В качестве широкополосных смесителей [114] и детекторов [328, 413] рассматривались также электронные лампы.

Из твердых тел было предложено использовать в качестве детектора намагниченные ферриты [36, 243] и произведен анализ [136] их работы в качестве смесителя [200, 246, 398]. Также было предложено [9] воспользоваться явлением Холла в полупроводнике, но полученная при этом эффективность оказалась низкой. Материал

помещался в резонансной полости [402] так, что на него воздействовали магнитное поле, создаваемое местным гетеродином, и перпендикулярное высокочастотное электрическое поле сигнала. Мгновенное значение образующейся при этом электродвижущей силы Холла пропорционально произведению полей местного гетеродина и сигнала, в результате чего эта э. д. с. имеет составляющие с суммарной и разностной частотами. Туннельные диоды, рассмотренные в разд.

17.1.2, нашли применение в приемниках сверхвысоких частот [363, 366, 390, 416]. Однако схемы, в которых используются полупроводниковые диоды с точечным контактом, оказались наилучшими по сравнению с другими методами детектирования и смешения и нашли широкое применение в области сверхвысоких частот. Они будут описаны в разд. 16.2.