Повышение реальной избирательности приемника

И. Белавенцев, Г. Давыдов

Эфир сильно уплотнен - в антенне помимо полезного сигнала наводятся э.д.с. других станций, часто превышающих основной в сотни, тысячи и более раз. Поэтому во всех видах приемных устройств важнейшая роль отводится частотной избирательности как свойству выделять полезный сигнал из суммы мешающих сигналов различных частот. Количественно избирательность оценивают по резонансной характеристике приемника, представляющей собой зависимость величины э.д.с. в антенне (или ее эквиваленте) от частоты приходящих колебаний при неизменной настройке и при условии, что выходная мощность приемника остается постоянной.

На рис.1 в качестве примера приведена такая характеристика (сплошная линия). Здесь расстройка :

    f - частота, на которой в антенне (или ее эквиваленте) наводится э.д.с. Ea
    fo - частота настройки приемника, на которой в антенне наводится э.д.с. Eao, соответствующая чувствительности приемника.

Для приема определенного полезного сигнала с наименьшими искажениями необходимо обеспечить соответствующую полосу пропускания, в пределах которой ослабление не превышает заданной величины, например в два раза, т.е. 6 дБ. Вне полосы пропускания должно обеспечиваться максимально возможное ослабление. Чем выше это ослабление, тем выше избирательность приемника по соседнему каналу.


Рис. 1. Характеристика фильтра

Резонансная характеристика учитывает резонансные свойства только контуров усилителей ВЧ и ПЧ. Снимается она при подаче на вход приемника одного высокочастотного напряжения. В то же время в большинстве реальных случаев на вход приемника одновременно воздействуют по крайней мере два высокочастотных напряжения - от принимаемой станции и от мешающей.

При этом оценка избирательных свойств с помощью резонансной характеристики является удовлетворительной лишь при сравнительно небольшом напряжении помехи, не превосходящем 10-100 мкВ, что при слабом сигнале соответствует отношению напряжения помехи и сигнала меньше 100. При сильных помехах эта характеристика не отображает реальной избирательности приемника.

Для более полной оценки избирательных свойств приемника снимают характеристику реальной избирательности, учитывающую многие явления, обусловленные нелинейностью отдельных элементов приемника. При определении реальной избирательности большую роль играет модуляция сигнала сильной помехой во входных каскадах приемника. Такую модуляцию называют перекрестной модуляцией.

Особенность перекрестной модуляции состоит в том, что с прекращением работы принимаемой станции слышимость мешающей станции также исчезает, так как общие избирательные свойства приемника достаточны для отстройки от помехи. Процессы, происходящие при перекрестной модуляции, можно пояснить на примере работы каскада усилителя ВЧ.

Предположим, что на сетку лампы действуют два напряжения: полезного сигнала и помехи. Пусть амплитуда напряжения помехи Umп значительно больше амплитуды сигнала Umc. Контур усилителя ВЧ настроен на частоту сигнала, а частота помехи отличается от нее настолько, что при отсутствии полезного сигнала напряжение помехи на выходе каскада практически отсутствует. Коэффициент усиления каскада определяется по формуле:

K = S Rэ
    S - крутизна характеристики лампы в рабочей точке р (рис.2).
    Rэ - эквивалентное резонансное сопротивление анодного контура.

При подаче на вход полезного сигнала на выходе каскада появится напряжение: Umc вых = K Umc.

Если на сетку лампы подать немодулированное напряжение полезного сигнала и помехи одновременно, то при значительной амплитуде напряжения помехи - рабочая точка будет перемещаться по участку 1-2.


Рис. 2

За счет нелинейности характеристики крутизна будет изменяться от максимального значения в точке 1 до минимального в точке 2. Соответственно будет изменяться коэффициент усиления K, а следовательно, и выходное напряжение Umc вых. При этом, если напряжение мешающей радиостанции модулированно, то боковые частоты помехи как бы "пересядут" со своей несущей на несущую полезного сигнала.

Никакими резонансными системами в последующих каскадах приемника подавить такую помеху, не подавив полезный сигнал, нельзя. В этом заключается одно из наиболее неприятных свойств перекрестной помехи.

Задача борьбы с перекрестной помехой состоит в том, чтобы подавить помеху до первого нелинейного элемента приемника - усилителя ВЧ или смесителя. Подверженность приемника перекрестным помехам оценивают по характеристике реальной избирательности.

На рис.1 кроме резонансной характеристики приемника приведена характеристика реальной избирательности (пунктирная линия). По горизонтальной оси отложены значения расстройки между несущими частотами помехи и сигнала, по вертикальной оси - превышение э.д.с. помехи над сигналом Еп/Ес. При больших превышениях характеристика реальной избирательности оказывается гораздо шире резонансной характеристики.

Следует заметить, что характеристика реальной избирательности не отражает избирательных свойств супергетеродинного приемника по отношению к станциям, работающим на некоторых специфических частотах, а именно:

Если помехи от таких станций имеют высокий уровень, они создают биения с принимаемым сигналом. В реальных условиях на вход приемника воздействуют не одна, а множество станций. Их сигналы частично проникают в приемник в виде перекресных помех и помех на специфических частотах. Практически это означает, что в часы значительной нагрузки эфира почти на любой частоте могут оказаться помехи, "маскирующие" работу слабо слышимой DX станции. У оператора при этом склыдывается впечатление, что данный частотный канал "занят" и не может быть использован для связи, хотя это впечатление может быть результатом недостаточно совершенной частотной избирательности приемника.

Имеются различные методы борьбы с перекрестными помехами:

  1. Применение направленных антенн.
  2. Правильный выбор режимов усилителей ВЧ (в частности, включение аттенюаторов на входе приемника, применение ламп с удлиненной характеристикой или полевых транзисторов).
  3. Повышение избирательности входных цепей приемника.

Последнему методу борьбы с помехами в настоящее время уделяется все большее внимание. При этом удается устранить (или ослабить) действие на приемник не только перекрестных помех, но и помех на специфических для супергетеродина частотах. На входе современных приемников начинают применять различного рода фильтры: начиная от LC фильтров верхних или нижних частот, кончая полосовыми многозвенными кварцевыми фильтрами. Применение кварцевых фильтров дает особенно высокие результаты. Однако и более простые меры повышения избирательности входных цепей в ряде конкретных случаев могут дать определенный эффект.

В большинстве приемников получили применение простейшие одноконтурные входные цепи с индуктивной или емкостной связью с антенной. Некоторое улучшение избирательности здесь можно получить, используя регулируемую связь с антенной. Такая регулировка часто обеспечивается с помощью переменного конденсатора, ось которого выводится на переднюю панель приемника. Уменьшая связь, получают уменьшение вносимых из антенны в контур потерь. Благодаря этому повышается качество входного контура, следовательно, его резонансная характеристика становится более острой.


Рис. 3. Фильтрующая приставка

Другим простейшим способом, позволяющим несколько ослабить перекрестную помеху, является расстройка входного контура относительно частоты помехи. Если в приемнике имеется подстройка входа с помощью дополнительного конденсатора, то этой подстройкой можно нарушить симметрию резонансной характеристики входной цепи относительно частоты принимаемого сигнала. При этом ослабление помехи во входной цепи возрастет, реальная избирательность повысится.

Как при уменьшении связи с антенной, так и при расстройке входного контура произойдет некоторое уменьшение коэффициента передачи входной цепи на частоте сигнала, которое компенсируется с помощью регулировки усиления приемника.

Для получения повышенной избирательности в отношении помех от радиостанций, работающих на определенной частоте (например, на fпр), довольно часто в цепь антенны включают специальные фильтры, как это сделано, например, в спортивном КВ приемнике "Радио" №9/1966.

Естественной мерой повышения избирательности ВЧ тракта является увеличение числа входящих в него резонансных контуров. Обычно ВЧ тракт делается перестраиваемым, поэтому с ростом числа контуров конструкция приемника усложняется. В любительских и радиовещательных приемниках часто применяют один-два контура, в простых профессиональных приемниках число контуров доходит до трех, в лучших - до четырех.

Чтобы усовершенствовать уже имеющийся приемник, можно подключить к его входу фильтрующую приставку с дополнительными контурами, настраиваемыми на частоту принимаемого сигнала. Такая приставка может быть выполнена, например, по схеме с двумя контурами, связанными внутренне-емкостной связью (Ссв на рис.3). Следует добиваться получения максимально возможной добротности контуров. При перестройке приемника приставка подстраивается по наибольшему ослаблению помехи.


Рис. 4. Области применения фильтров

Если слишком ограничивать габариты приставки, то для диапазона 14 МГц можно изготовить контуры с добротностью 100-150. При этом полоса пропускания составит 150-200 кГц.

Не смотря на сравнительно большую полосу, действие двухконтурной приставки может быть достаточно эффективным, так как, во-первых, за счет контуров входного тракта приемника общая избирательность системы приставка - приемник будет несколько выше, во-вторых, немного расстраивая приставку относительно частоты сигнала, можно получить дополнительное ослабление помехи.

Если приемник имеет один-два входных контура, то после включения данной приставки прием будет заметно улучшен за счет снижения уровня помех.

Увеличивать число контуров нецелесообразно из-за возростания потерь в полосе пропускания и связанного с этим уменьшения чувствительности за счет уменьшения коэффициента передачи входной цепи и увеличения коэффициента шума приемного устройства.

Катушка L2 и L3 наматывается на каркасах диаметром 20 мм посеребренным проводом диаметром 0,8 мм. Длина намотки 22 мм, число витков - по 12. Катушки L1 и L4 наматывают вплотную к L2 и L3 на тех же каркасах проводом ПЭЛШО 0,3. Длина намотки 2 мм, число витков - по 4.

Дальнейшее повышение реальной избирательности требует сужения полосы пропускания входных фильтров. На рис.4 приведены (ориентировочно) области частот, в пределах которых в настоящее время применяются полосовые фильтры, построенные на различных элементах, и указаны границы полос пропускания, обеспечиваемые этими фильтрами. По горизонтальной оси отложены частоты, по вертикальной - полосы пропускания в процентах от средней частоты фильтра.

На рис.4 видно, что для борьбы с помехами путем совершенствования резонансной характеристики ВЧ тракта могут быть применены либо LC, либо кварцевые фильтры. Последние обладают наибольшими возможностями для существенного повышения реальной избирательности приемника. Высокая добротность кварцевых резонаторов позволяет получить полосовые фильтры с малым затуханием в полосе прозрачности, большой крутизной скатов и большим затуханием в полосе непрозрачности.

Рис. 5. Однокристальный кварцевый фильтр

Принципиальный недостаток кварцевых фильтров с точки зрения использования их во входных цепях приемных устройств состоит в невозможности их перестройки. Перестройку приемника приходится ограничивать узким участком диапазона в пределах полосы пропускания фильтра, а для перехода на другой участок переключать фильтры. Однако высокие качества кварцевых фильтров заставляют мириться с этим недостатком.

Качество кварцевого фильтра практически тем выше, чем большее количество кварцевых резонаторов входит в него. Однокристальные (рис.5), наиболее простые в конструировании и налаживании, дают возможность в небольших пределах регулировать полосу пропускания (регулировкой С1 и С2), но не обладают высокими качествами резонансной характеристики.

Более хорошую резонансную характеристику имеют двухкристальные фильтры (рис.6).

Рис. 6. Двухкристальный кварцевый фильтр

Очень хорошие результаты при дальнем приеме в условиях сильных помех получаются с восьмикристальными фильтрами, дающими весьма крутые скаты характеристики, затухание вне полосы прозрачности до 80-100 дБ и очень малые, менее 1 дБ, потери в полосе прозрачности. Пример схемы такого фильтра приведен на рис.7.

Рис. 7. Восьмикристальный кварцевый фильтр

Интересно отметить, что использование подобных кварцевых фильтров на входе приемных устройств позволило во время празднования столетней годовщины существования Международного Союза Электросвязи, Женева, 1967 г., вести одновременную работу из одного здания шести КВ радиостанциям. Из них три станции работали на 14 МГц любительском диапазоне. Все передатчики излучали мощность по 1 кВт и имели антенны, установленные на одной крыше.

Катушки L1 и L3 для диапазона 14 МГц фильтров, показанных на рис.5, 6, намотаны посеребренным проводом диаметром 0,8 мм на каркасе диаметром 20 мм. Число витков - 12, длина намотки - 22 мм. Отводы от катушек L1 и L3 подбираются при налаживании. Катушка L2 намотана на каркасе диаметром 40 мм и состоит из 2х10 витков провода ПЭЛШО 0,3. Длина намотки - 10 мм. Катушка L1 заключена в цилиндрический экран диаметром 30 мм и высотой 30 мм, разрезанный по образующей, и помещена внутрь катушки L2.

Включение любых фильтров между антенной и приемником может быть эффективно лишь при условии тщательной экранировки самого приемника, фильтра-приставки, ее входа и выхода. Соединения приемника с фильтром должны выполняться коаксиальным кабелем. Чтобы избежать снижения коэффициента передачи входной цепи и потери чувствительности приемника, необходимо вход фильтра-приставки согласовать с антенной, а его выход - с приемником.

И. Белавенцев, Г. Давыдов. "Радио" №5/1969 год