1. Порядок выполнения предварительного расчета.

4.3.1.1. Выбор и обоснование выбора структурной схемы приемника

При выборе структурной схемы приемника необходимо на основе исходных данных, прежде всего: диапазона частот, чувствительности и избирательности определить тип приемника — приемник прямого усиления или приемник супергетеродинного типа — и необходимость различных составляющих блоков этой схемы. Как правило, приоритет принадлежит супергетеродинному приемнику с одним преобразованием частоты, за исключением приемника УКВ диапазона, который может быть выполнен как по схеме с одним преобразованием, так и с двумя преобразованиями частоты. Супергетеродинный метод приема по сей день остается основным, так как он позволяет обеспечить устойчивый прием весьма слабых сигналов в условиях интенсивных помех. Сверхминиатюризация элементной базы, в том числе применение в современных приемниках универсальных микросхем, не изменила основного принципа построения структурной схемы супергетеродинного радиоприемника, хотя он может представлять собой очень сложное устройство, в котором производится не одно, а несколько преобразований частоты сигнала.

Весь тракт супергетеродинного приемника состоит из тракта радиочастоты (ТРЧ) — от антенны до детектора и усилителя звуковой частоты (УЗЧ) — от детектора до оконечного воспроизводящего устройства (ВУ). В свою очередь ТРЧ состоит из тракта высокой частоты (ТВЧ) — от антенны до преобразователя частоты (ПЧ) и тракта промежуточной частоты (ТПЧ) — от преобразователя частоты до детектора.

Состав ТВЧ определяется в основном требованиями к избирательности приемника по зеркальному каналу Sе_з. В простейшем случае ТВЧ состоит из одноконтурной входной цепи (ВЦ) и одного апериодического или одного резонансного усилителя высокой частоты (УВЧ), в некоторых приемниках УВЧ может быть многокаскадным или отсутствовать вовсе. На этапе предварительного выбора и обоснования структурной схемы приемника необходимость применения резонансного УВЧ определяется расчетом числа контуров п (см. формулу (1)), работающих на частоте принимаемого сигнала при заданной избирательности по зеркальному каналу

где: Q_э- эквивалентная добротность входного контура или контура УВЧ,

см. таблица 1.1.1;

f_пч - значение промежуточной частоты, кГц;

f_max - максимальная частота заданного рабочего диапазона РПУ, кГц.

ВНИМАНИЕ! В приведенной формуле значение Sе_з приведены в дБ.

При расчете по приведенной формуле значение f_пч = 465 кГц для приемников с АМ сигналом (диапазоны ДВ, СВ, КВ) и f_пч = 10,7 МГц для приемников ЧМ сигналов (диапазон УКВ). В дальнейшем в п.1.3 должны быть приведены обоснования выбора этих или других значений промежуточной частоты (например, для приемников ДВ и СВ диапазонов возможно использование промежуточной частоты 110 или 115 кГц).

Ориентировочные значения добротности контуров, которые могут быть выбраны в качестве предварительных, приведены в таблице.

Таблица Значения добротности контуров

Диапазон волн	Эквивалентная добротность контура Qэ
Длинные Средние Короткие УКВ	3…15 10…40 30…90 100…200

Если при расчетах значение п 1, то заданная избирательность приемника по зеркальному каналу обеспечивается ВЦ и, следовательно, УВЧ применять не надо. Если п больше единицы, но меньше двух, то нужно взять один каскад УВЧ и т.д. Кроме того, необходимо учитывать, что число каскадов УВЧ ограничивается числом секций блока переменных конденсаторов, который может использоваться для перестройки частоты ВЦ, гетеродина и каскадов УВЧ. Максимальное число секций такого конденсатора 4, а в большинстве случаев даже 2 или 3. Вместо переменных конденсаторов возможно, а в диапазоне УКВ целесообразно, использование перестройки частоты с помощью варикапов.

Применение хотя бы одного каскада УВЧ целесообразно в приемниках УКВ диапазона и не только для обеспечения высокой избирательности по зеркальному каналу, но и для получения низкого уровня шумов. Поэтому первый

каскад такого приемника может быть выполнен на малошумящем транзисторе, например, можно использовать маломощные полевые транзисторы.

Состав ТПЧ определяется в основном требованиями к избирательности приемника по соседнему каналу Sе_с. Для обеспечения нужного значения Sе_с предпочтительнее применять схему УПЧ с ФСС, который может включаться либо после ПЧ перед первым каскадом УПЧ, который выполняется как апериодический усилитель, либо после первого каскада УПЧ перед вторым каскадом УПЧ. Возможны также и другие варианты построения УПЧ. Например, первый каскад УПЧ является резонансным, но имеющим слабую избирательность по соседнему каналу, а основная избирательность обеспечивается ФСС электромеханического типа или пьезоэлектрическим ФСС, который включается после второго или третьего каскада УПЧ. Число каскадов УПЧ определяется и чувствительностью приемника.

Исходя из приведенных выше соображений, необходимо составить предварительную структурную схему приемника, которая должна быть выполнена в виде рисунка на отдельном листе формата А4 с обозначениями всех блоков приемника. В процессе дальнейшей работы эта схема может корректироваться.

4.3.1.2 Выбор числа поддиапазонов приемника

Если при неизменной индуктивности контуров ВЦ и УВЧ не удается перекрыть диапазон принимаемых частот переменным конденсатором или с помощью варикапа, то его делят на поддиапазоны, в каждом из которых имеется своя индуктивность. Коэффициент диапазона К_Д характеризуется отношением граничных значений принимаемых частот, т.е. вычисляется по формуле (2):

К_Д = f_max / f_min (2)

Значение К_Д должно находиться в пределах 1,1…3,1, поскольку емкость переменного конденсатора и лучших варикапов изменяется примерно в 9…10 раз. Если же К_Д превышает значение 3,1, то диапазон приемника разбивается на поддиапазоны таким образом, чтобы в пределах каждого из них коэффициент К_Д не превышал значение 3,1.

4.3.1.3 Выбор и обоснование выбора значения промежуточной частоты

В данном пункте должно быть приведено обоснование выбора значения промежуточной частоты для заданного диапазона частот. При этом необходимо учитывать требования ГОСТ 17692-89 к радиовещательным приемникам (см. Головин О.В. Радиоприёмные устройства. — М.: Высшая школа, 2003).

4.3.1.4 Расчет параметров избирательной системы ТВЧ

а) Избирательная система ТВЧ обеспечивает избирательность приемника по побочным каналам (зеркальному каналу и по промежуточной частоте) и принимает участие в формировании общей резонансной характеристики приемника.

К параметрам избирательной системы ТВЧ, которые необходимо рассчитать, относятся общее число контуров п ВЦ и УВЧ и их эквивалентная добротность Q_э. Исходными данными для расчета этих параметров служат избирательность по зеркальному каналу (Sе_з) и полоса пропускания ТВЧ (2F_ТВЧ).

б) Для расчета добротности контуров Q_э необходимо предварительно задаться таким числом контуров п, чтобы обеспечить заданное значение Sе_з. Для этого можно использовать результаты расчетов по формуле п.2.1 или исходить из того, что один колебательный контур может обеспечить при промежуточной частоте 465 кГц избирательность 25…40 дБ в диапазоне 150…1600 кГц; 12…25 дБ в диапазоне 1600…15000 кГц; при промежуточной частоте 10,7 МГц (для УКВ диапазона) избирательность одного контура 20…30 дБ.

Добротность контуров ТВЧ должна одновременно удовлетворять двум противоречивым условиям: обеспечить избирательность по зеркальному каналу Sе_з и полосу пропускания 2F_ТВЧ.

Таким образом, для определения точного значения Q_э находят два значения добротности: Q_эи (добротность из условия обеспечения избирательности Sе_з) и Q_эп (добротность из условия обеспечения полосы пропускания 2F_ТВЧ). В дальнейшем оба эти значения используются для выбора истинного значения эквивалентной добротности контуров Q_э.

Значение добротности Q_эи рассчитывается из условия обеспечения Sе_з по формуле (3):

Значение добротности Q_эп рассчитывается из условия обеспечения полосы пропускания по формуле (4):

В приведенной формуле для диапазона 150-405 кГц коэффициент частотных искажений М_к = 0,6…0,8; для диапазона 500-3000 кГц М_к = 0,7…0,9; для диапазона выше 3000 кГц М_к = 0,9…0,95. Полоса пропускания ТВЧ рассчитывается по формуле (5)

,

где - полоса воспроизводимых частот;

- допустимая неточность сопряжения настроек контуров: для диапазона УКВ она составляет 5…15 кГц; для диапазона КВ - 1…3 кГц; для диапазонов ДВ и СВ – 0,3…1 кГц;

- возможное отклонение частоты гетеродина от номинального значения – (0,2…0,6)10^-3f_min, для УКВ диапазона можно принять эту величину равной (0,02…0,05)10^-3f_min.

После вычисления Q_эп и Q_эи искомое значение добротности Q_э находится из условия: Q_эп > Q_э > Q_эи. При выполнении этих условий можно получить резонансную кривую контура, обеспечивающую заданную селективность (Sе_з) и полосу пропускания (2F_ТВЧ).

Если при расчёте окажется, что Q_эи > Q_эп, то необходимо, если это возможно, уменьшить коэффициент частотных искажений М_к и/или полосу пропускания, за счет изменения (уменьшения) значений f_сопр и/или f_г, либо увеличить число контуров (n), однако не рекомендуется выбирать n > 3.

Полученное значение Q_э должно быть практически осуществимо. В РПУ на биполярных транзисторах контур шунтируется малым входным сопротивлением транзистора, поэтому собственная (конструктивная) добротность контура (Q) уменьшается. Для того, чтобы входное сопротивление транзистора вносило в контур нужное (небольшое) затухание, связь контура с транзистором делают трансформаторной или автотрансформаторной. В этом случае искомое значение Q_э не будет превышать 0,8Q, т.е. значение Q = Q_э /0,8.

Исходя из сказанного, необходимо выбирать такое значение величины Q_э, которая должна быть возможно ближе к значению Q_эи. После того, как значение Q_э будет выбрано, его приравнивают к Q_{э max} – величине добротности на максимальной частоте диапазона (f_max).

Далее рассчитывают значение добротности на минимальной частоте диапазона (f_min) по формуле (6):

При правильно выполненных расчётах должны выполняться неравенства: Q_эп > Q_эmin;  Q_эmax > Q_эи.

Затем проверяется возможность реализации заданной Sе_з при полученных значениях: Q_эmin и Q_эmax

на f_min по формуле (7):

на f_max по формуле (8):

полученные значения должны превышать заданную селективность Sе_з по ТЗ.

в) С помощью параметров рассчитанной избирательной системы ТВЧ вычисляется избирательность Sе_c ТВЧ (Sе_cтвч) по формуле (9) и фактически вносимые частотные искажения М_твч при заданной полосе пропускания 2F по формуле (10):

где F- стандартная расстройка – 9 кГц для диапазонов ДВ, СВ и КВ и 250 кГц для диапазона УКВ.

Полученные значения М_твч и Sе_cтвч используются при дальнейших расчетах в п.п. 4.3.1.5, 4.3.1.6

Рассчитывается по формуле (11) избирательность РПУ по промежуточной частоте Sе_пч

где Q_э – добротность контура на частоте f₀ ,

f₀ – крайняя частота диапазона наиболее близкая к f_пч.

Если полученное значение Sе_пч окажется меньше значения 50…60 дБ, то во входной цепи необходимо предусмотреть фильтр-пробку, индуктивность которой выбирается по формуле (12):

При этом значение емкости С_ф выбирают в соответствии со шкалой номинальных значений Е12 в пределах 200-600 пФ.

4.3.1.5 Распределение частотных искажений по трактам приемника.

Значение допустимых частотных искажений, заданное в ТЗ коэффициентом М, должно быть распределено по всему тракту РПУ.

Частотными искажениями в ТЗЧ задаются в пределах 2…6 дБ, поэтому коэффициент частотных искажений ТРЧ вычисляется по формуле (13):

(13)

Полученное значение состоит из частотных искажений ТВЧ и ТПЧ. Частотные искажения ТПЧ определяются по формуле (14):

(14)

Значение М_ТВЧ было определено в предыдущем пункте.

ВНИМАНИЕ! Величины частотных искажений в данных расчётах измеряются в дБ.

4.3.1.6 Выбор избирательной системы ТПЧ

Избирательная система ТПЧ обеспечивает избирательность приёмника по соседнему каналу (Sе_с) и вместе с ТВЧ формирует сквозную резонансную характеристику приёмника.

Значение избирательности, по которому рассчитывают избирательную систему ТПЧ (формула (15)) определяют исходя из запаса на 15…20%, что позволяет обеспечить заданные требования при ухудшении избирательности, вызванном неточностью сопряжения настроек контуров:

.

Если в качестве избирательной системы ТПЧ используется ФСС, выполненный в виде многозвенных LC- фильтров, то число звеньев ФСС выбирается в соответствии с Sе_сТПЧ, при этом можно полагать, что избирательность каждого звена ФСС для f_пч = 465 кГц составляет 12…15 дБ.

Если в качестве избирательной системы ТПЧ используется ФСС пьезоэлектрического, электромеханического типа или на ПАВ, то необходимо выбрать такую модель фильтра (см., например, справочную литературу 4), которая обеспечивает требуемое значение Sе_сТПЧ. Если значение Sе_с стандартного ФСС меньше требуемого, то необходимо использовать каскад УПЧ, например, с двухконтурным полосовым LC- фильтром, который должен обеспечить дополнительные 12…15 дБ избирательности.

Если в качестве избирательной системы ТПЧ принята система с распределённой избирательностью, то в этом случае необходимо использовать каскады с двухконтурными полосовыми фильтрами. В этом случае число двухконтурных фильтров при f_пч = 465 кГц выбирается в соответствии с Sе_сТПЧ из расчёта 12…15 дБ на один фильтр.

4.3.1.7 Определение числа каскадов ТРЧ и распределение усиления по каскадам

Для определения числа каскадов ТРЧ задаётся величина напряжения на входе детекторного каскада (U_d) из расчёта обеспечения режима линейного детектирования. Для детекторного каскада, выполненного на полупроводниковом диоде это напряжение должно быть 0,5…1,0 В.

Необходимый коэффициент усиления ТРЧ с 1,5…2 кратным запасом, учитывающим разброс параметров усилительных элементов, рассчитывается:

- для РПУ с внешней антенной по формуле (16):

,

где Е_А – чувствительность по ТЗ (В);

• для РПУ с внутренней ферритовой антенной по формуле (17):

,

где U_вх – амплитуда напряжения сигнала на входе первого каскада приемника, рассчитываемая по формуле (18):

где Е – напряжённость поля в месте приёма (чувствительность В/м) заданная по ТЗ;

h_gmin – минимальная действующая высота ферритовой антенны – 0,008…0,01 м;

Q_эmax – наименьшее значение эквивалентной добротности входного контура на f_max;

n_вх – коэффициент включения входного контура в цепь первого каскада, обычно он выбирается равным 0,1…0,2.

Ожидаемый коэффициент усиления всего тракта радиочастоты ТРЧ определяется коэффициентами усиления отдельных каскадов, используемых в этом тракте, т.е. зависит от выбранной структурной схемы — числа усилительных каскадов и числа и типов контуров. Для каждой конкретной структурной схемы необходимо составить свою формулу для расчета ожидаемого коэффициента усиления ТРЧ (К_ТРЧ), однако целесообразно воспользоваться ниже приведенными рекомендациями.

Коэффициент усиления К_ТРЧ можно рассчитать по формуле (19):

В приведённых формулах:

n – число контуров ТРЧ (УВЧ или АВЧ),

m – число каскадов ТПЧ (УПЧ).

Все остальные обозначения приведены в таблице, в которой указаны также и реальные значения коэффициентов усиления (коэффициентов передачи) отдельных каскадов РПУ.

Примечание – При использовании стандартных ФСС (электромеханических, пьезоэлектрических, на ПАВ и т.д.) необходимо учесть их паспортные данные по прямым потерям (коэффициент К_ФСС) в полосе пропускания фильтра (см., например, справочную литературу 4).

Таблица. Коэффициенты усиления (передачи) каскадов РПУ

	Наименование цепи или каскада	Обозначение	Значение коэффициента усиления (передачи)
	Входная цепь с наружной антенной при коэффициенте включения nвх=0,1	Квхц	0,1-0,4
	Входная цепь с магнитной антенной	Квхц	0,1-0,6
	Каскад усилителя высокой частоты: резонансный апериодический	КУВЧ КАВЧ	3-7 3-5
Каскад усилителя промежуточной частоты: апериодический одноконтурный широкополосный одноконтурный широкополосный на входе детектора двухконтурный		КАПЧ КШПЧ1 КШПЧ2 КУПЧ	10-40 20-30 30-100 15-20
Преобразователь частоты: с двухконтурным фильтром с ФСС		КПЧ - -	12-20 7-12

После выбора одной из разновидностей структурной схемы с помощью таблицы рассчитывают ожидаемый коэффициент усиления ТРЧ и сопоставляют его с расчётной величиной К^`_ТРЧ.

При этом должно выполняться неравенство: К_ТРЧ > К^`_ТРЧ

По данным, полученным в результате расчёта, составляется уточненная структурная схема ТРЧ.

4.3.1.8 Выбор и обоснование выбора структурной схемы УЗЧ

Усилитель звуковой частоты (УЗЧ) состоит из предварительного усилителя УЗЧ (несколько усилительных каскадов) и выходного каскада УЗЧ. Для определения структурной схемы УЗЧ необходимо определить число и тип усилительных каскадов. Расчет начинают с выходного каскада - поскольку он определяет заданную максимальную выходную мощность приемника Р_{вых max}.

Схему выходного каскада УЗЧ выбирают, исходя из следующих рекомендаций:

- при заданной выходной мощности Р_{вых max} < 50мВт обычно используется однотактная схема работающая в режиме класса А на маломощных транзисторах.

• при Р_{вых max}  0,2Вт используют в основном двухтактную схему в режиме АВ;

• при Р_{вых max} > 0,2Вт применяют двухтактную схему в режиме класса В или АВ на мощных транзисторах.

Транзисторы выходного каскада выбирают, исходя из условия допустимой мощности рассеяния на коллекторе Р_кmax > Р_к, где Р_кmax – значение мощности рассеяния, приведенное в ТУ на транзистор, а Р_к рассчитывается по нижеприведенным формулам.

в режиме А по формуле (20)	в режиме АВ и В при Рвых max 0,2Вт по формуле (21)	в режиме АВ и В при Рвых max > 0,2Вт по формуле (22)

в перечисленных формулах:

Р`_{вых max} – выходная мощность, приходящаяся на один транзистор;

- при двухтактной схеме P`_{вых max} = Р_{вых max} /2;

- при однотактной схеме P`_{вых max} = Р_{вых max} ;

h_тр – КПД выходного трансформатора – (0,7…0,8), при использовании бестрансформаторной схемы h_тр = 1;

 - коэффициент использования коллекторного напряжения – (0,8…0,95).