Входные цепи с электронной перестройкой по частоте

Входные цепи с электронной перестройкой частоты используются в устройствах приема и обработки сигналов диапазонного типа и в устройствах, рассчитанных на прием фиксированных частот. Первые необходимы для обеспечения плавной настройки на частоту полезного сигнала на любом участке диапазона принимаемого сигнала. Вторые – для обеспечения подстройки частоты в определенных дискретных точках диапазона принимаемых длин волн.

Электронная перестройка частоты в резонансных цепях входной цепи производится изменением емкости или индуктивности реактивных элементов. Это достигается путем воздействия управляющих напряжений (токов) на реактивные элементы колебательного контура входной цепи. В качестве реактивных элементов используются вариконды, варикапы и ферровариометры.

Вариконд – сегнетоэлектрический конденсатор, изменяющий емкость под воздействием приложенного электрического поля за счет изменения диэлектрической проницаемости материала.

Варикап – полупроводниковый прибор, емкость p - n перехода которого зависит от величины приложенного обратного напряжения.

Ферровариометры – катушка самоиндукции с ферритовым сердечником. Изменение индуктивности катушки основано на изменении магнитной проницаемости ферритового сердечника под действием постоянного подмагничивающего поля.

Из перечисленных выше реактивных элементов наибольшее распространение получили варикапы. Достоинствами варикапов являются:

§ малый расход мощности на управление;

§ высокая стабильность емкости n-p перехода при изменении температуры окружающей среды;

§ практически безынерционное изменение емкости n-p перехода;

§ относительно высокая добротность;

§ широкий частотный диапазон применения варикапов;

§ низкий уровень собственных шумов;

§ высокая надежность и долговечность;

§ небольшие размеры и вес;

§ нечувствительность к вибрациям и нагрузкам.

Недостатки избирательных цепей, использующих варикапы:

§ нелинейность вольтфарадной характеристики, что приводит при больших уровнях воздействия на вход радиоприемника сигналов к нелинейным явлениям вида блокирования, перекрестные и интермодуляционные искажения, гармонические искажения;

§ зависимость добротности варикапа от частоты (падает с ростом частоты) и от приложенного напряжения (возрастает при увеличении управляющего напряжения).

Зависимость таких основных параметров варикапов, как емкость и добротность, от частоты, начального смещения и уровня воздействующего сигнала приводит к соответствующим изменениям характеристик колебательного контура.

Добротность контура с варикапом определяется выражением

, (4.55)

где , – добротность индуктивности и емкости соответственно.

Для контура (рис. 4.19, а) добротность контура определяется выражением

, (4.56)

где – добротность варикапа.

Для контура (рис. 4.19, б) определяется выражением

, (4.57)

где – постоянная емкость контура.

Добротность контура (рис. 4.19, в) определяется добротностью индуктивной и емкостной ветвями контура. Добротность емкостной ветви контура определяется выражением

. (4.58)

Включение последовательного конденсатора позволяет уменьшить потери, вносимые в контур варикапом. Однако такое включение емкости связи (рис. 4.19, в) и (рис. 4.20, а) приводит к уменьшению коэффициента перекрытия по частоте. Для устранения этого недостатка используют схему с встречно-последова-тельным соединением варикапов, называемых варикапными матрицами.

Рис. 4.19 - Эквивалентные схемы колебательных контуров входной цепи с электронной перестройкой частоты

Добротность современных варикапов, предназначенных для перестройки частоты достигает 200…600, а изменение емкости (коэффициент перекрытия) более 10 раз.

Вольтфарадная характеристика варикапа описывается выражением

, (4.59)

где – справочное значение емкости варикапа;

– напряжение, при котором дано справочное значение емкости;

– управляющее напряжение на варикапе;

n – коэффициент, зависящий от технологии изготовления варикапа (для сплавной технологии n = 0,33; для диффузионной – n = 0,5).

Нелинейная зависимость емкости варикапа от управляющего напряжения приводит к тому, что при действии сигнала происходит сдвиг резонансной частоты и нуля фазовой характеристики контура, а в спектре тока появляются высшие гармонические составляющие. Величина сдвига резонансной частоты и нуля фазы зависит от амплитуды воздействующего сигнала. Чем больше амплитуда сигнала, тем больше сдвиг. Относительный сдвиг квазирезонансной частоты контура с варикапом (рис. 4.19, а) при воздействии с амплитудой

. (4.60)

Для улучшения линейности характеристики варикапов используется схема встречно-последовательное соединение (рис. 4.20, б). Такое соединение варикапов в контуре позволяет перераспределить напряжение между варикапами, что значительно уменьшает сдвиг резонансной частоты контура.

Рис. 4.20 - Эквивалентные схемы колебательных контуров входной цепи с электронной перестройкой по частоте с варикапом (а) и с варикапной матрицей (б)

Схема управления частотой настройки варикапов осуществляется изменением обратного напряжения смещения на диоде через сопротивление R _ф. Значение сопротивления R _ф выбирается таким образом, чтобы оно не шунтировало колебательный контур.