Вначале небольшой экскурс в теоретические основы радиотехники, без которого трудно понимать дальнейшее. Радиоволны, излучаемые передатчиками, распространяются во все стороны от передающих антенн со скоростью света. С увеличением расстояния от антенны мощность электромагнитных волн уменьшается, в простейшем случае, обратно пропорционально квадрату расстояния:
где Р — излучаемая передатчиком мощность;
r — расстояние до точки приема;
р — плотность потока мощности (мощность, проходящая через квадратную площадку в 1м2, находящуюся на расстоянии r от передатчика). Очевидно, каким бы ни было большим расстояние r, плотность потока мощности никогда не обратится в ноль. Это означает, что в любой точке пространства присутствует излучение абсолютно всех радиостанций, работающих на земном шаре, что само по себе достаточно интересно. Электромагнитная волна представляет собой чередующиеся во времени и пространстве переменные электрические и магнитные поля. В любом проводнике, ориентированном параллельно силовым линиям напряженности электрического поля (Е), наводится ЭДС (Е) в соответствии с правилом
где hд — действующая высота проводника. При размерах проводника, существенно меньших длины волны, действующая высота равна половине геометрической длины проводника. Если теперь к проводнику, являющемуся фактически приемной антенной, подключить настроенный на частоту какой-либо радиостанции колебательный контур так, как это показано на рис.1, то на его выходе выделится некоторое напряжение Uc. Выясним, от чего зависит величина этого напряжения, обратив внимание на то, что фактически — это напряжение на конденсаторе С1.
Для простоты будем полагать, что соотношение числа витков в катушках L1, L2 и связь между ними таковы, что ЭДС взаимной индукции, наводимая в катушке L2, будет равна ЭДС, наведенной в антенне (формула 2). Под действием этой ЭДС ток в контуре будет протекать последовательно через катушку L2 и конденсатор С1. Эквивалентную схему колебательного контура при этом можно представить в виде, изображенном на рис.2.
ЭДС, наводимая в контуре, учтена источником Е, а резистор rп учитывает активные потери в контуре. Эти потери обусловлены расходом энергии на нагревание проводника катушки и переизлучением части энергии элементами контура. Подробнее об этих процессах можно прочитать, например, в [2]. Из рис.2 видно, что по отношению к эквивалентному источнику Е колебательный контур теперь является последовательным. В таком контуре, как известно, существует резонанс напряжений, при котором напряжения на реактивных элементах контура в Q раз больше ЭДС, введенной в контур. На основании этого можно записать
где
р — характеристическое сопротивление контура;
?0 — его резонансная частота.
Формула (3) показывает, что увеличением Q можно теоретически получить сколь угодно большое значение напряжения Uс, доведя тем самым принятый сигнал до величины, необходимой для нормальной работы последующих каскадов. К сожалению, на практике сложно получить добротность контура выше 200...350. Кроме того, в реальных схемах к контуру, параллельно конденсатору С1, подключается остальная часть приемника, которую можно учесть ее входным сопротивлением Rвх. Очевидно, и в этом сопротивлении будет рассеиваться часть принятой мощности. Возникающие дополнительные потери принято учитывать эквивалентным увеличением сопротивления потерь rп в контуре на величину rдоп. Формула для пересчета имеет вид
Результирующая добротность контура, называемая эквивалентной (Qэ), уменьшается:
и в практических конструкциях составляет величину 50... 120. Чтобы картина была полной, необходимо было бы в знаменатель формулы (5) добавить еще третье слагаемое, учитывающее потери энергии в контуре за счет шунтирующего действия антенны. Для простоты дальнейшего изложения будем полагать эти потери равными нулю.
Существует давно известный способ повышения (умножения) добротности, подробно описанный в [2]. Суть его заключается в том, что потери в контуре компенсируются за счет энергии источника питания. Механизм компенсации понятен из рис.3.
К конденсатору контура подключен транзистор VT1. Напряжение Uc с конденсатора поступает на базу транзистора VT1, что вызывает изменение тока, протекающего в коллекторной цепи за счет источника питания G1. Амплитуда изменений определяется выражением
где S — крутизна транзистора в рабочей точке.
Протекая по катушке L2, этот ток наводит в катушке L1 ЭДС взаимной индукции (обратной связи)
где М — взаимоиндукция катушек L1 и L2.
Фазировка катушек выбирается таким образом, чтобы ЕОС была синфазна с колебаниями, происходящими в контуре, т.е. обратная связь была положительной. Ток I в контуре теперь течет под действием суммы Е+Еос, и амплитуда колебаний нарастает. Обратим внимание на то, что амплитуда возрастает, в конечном счете, за счет энергии источника питания.
Поскольку при резонансе суммарное сопротивление реактивных элементов контура равно нулю, для входного контура справедливо выражение
Напряжение на конденсаторе теперь можно записать в виде
Откуда
Подставив правые части выражений для I и IK в предыдущую формулу, получим
Выражение (3) справедливо и для рассматриваемого случая, с той лишь разницей, что здесь имеется в виду эквивалентная добротность Qэ, учитывающая компенсацию потерь в контуре за счет положительной обратной связи. Воспользовавшись (3), предыдущее выражение перепишем в виде
Сократив обе части равенства на Е, выразим в явном виде эквивалентную добротность
Пользуясь тем, что при резонансе
окончательно запишем
Сравнивая выражения (5) и (6), можно сделать следующие полезные для практики выводы:
- в знаменателе формулы (6) за счет положительной обратной связи появилось дополнительное слагаемое MS/C1, имеющее размерность сопротивления;
- знак этого сопротивления отрицательный, что уменьшает общее сопротивление потерь контура;
- манипулируя величиной М или S, можно сделать сопротивление потерь контура сколь угодно малым, в том числе и равным нулю;
- увеличивая Qэ, в соответствии с формулой (3) можно получать в контуре колебания любой желаемой амплитуды.
Физический смысл отрицательного сопротивления, уменьшающего общее сопротивление потерь, заключается в том, что в контур, за счет положительной обратной связи, вносится из коллекторной цепи энергия источника питания, компенсирующая потери энергии сигнала в контуре. Энергия вносится в виде колебаний той же частоты, что и у поступивших в контур из антенны. Происходящая компенсация потерь, или, другими словами, восстановление энергии сигнала называется регенерацией, а приемники, использующие рассмотренный принцип для повышения коэффициента усиления — регенеративными. Конкретные схемы регенеративных приемников можно посмотреть в [2].
|
