Разработка и расчет радиоприемного устройства КВ диапазона: комплексный подход для курсовой работы

В эпоху повсеместного распространения цифровых технологий и беспроводной связи, роль радиоприемных устройств (РПрУ) остается фундаментальной, особенно в таких стратегически важных областях, как дальняя связь, радиовещание, радионавигация и военные приложения. Коротковолновый (КВ) диапазон, известный своей способностью обеспечивать связь на тысячи километров за счет многократного отражения радиоволн от ионосферы, продолжает оставаться ареной для инновационных инженерных решений. Именно поэтому разработка и расчет КВ радиоприемника представляет собой не только увлекательную, но и весьма актуальную задачу для будущих специалистов в области радиотехники.

Данная курсовая работа ставит перед собой амбициозную цель — предоставить комплексное руководство по проектированию и расчету КВ радиоприемного устройства. Мы рассмотрим не только классические методы, но и современные подходы, включая аспекты цифровой обработки сигналов (ЦОС) и использования программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Основные задачи работы включают:

1. Обоснование выбора структурной схемы РПрУ для КВ диапазона.
2. Детальный расчет всех ключевых функциональных узлов приемника.
3. Анализ и оптимизация основных эксплуатационных характеристик, таких как чувствительность, избирательность и динамический диапазон.
4. Изучение методов минимизации помех и искажений, включая особенности конструирования высокочастотных узлов.
5. Обзор современных тенденций и программных средств моделирования в радиотехнике.

Мы стремимся не просто представить набор формул, но и глубоко раскрыть инженерную логику за каждым решением, делая акцент на практической применимости и обоснованности выбора элементной базы. Это позволит студентам получить всесторонние знания и навыки, необходимые для успешного проектирования сложных радиотехнических систем. При этом, важно осознавать, что каждое принятое решение на этапе проектирования напрямую влияет на конечную производительность и надёжность устройства, что делает этап планирования и расчёта критически важным для всей дальнейшей работы.

Теоретические основы радиоприема: Принципы построения и классификация РПрУ

Определение и основные функции радиоприемного устройства

Радиоприемное устройство (РПрУ) — это сложная система, состоящая из взаимосвязанных узлов, блоков и электрических цепей. Его основное предназначение заключается в улавливании высокочастотных электромагнитных колебаний, которые представляют собой принимаемое радиоизлучение. После улавливания РПрУ выполняет задачу выделения полезных сигналов из общего потока радиоизлучения, часто зашумленного помехами. Завершающий, но не менее важный этап — преобразование выделенных сигналов к виду, который обеспечивает эффективное использование содержащейся в них полезной информации. Это может быть звук для радиотелефонной связи, текст для радиотелеграфии, изображение для телевидения или данные для систем навигации и радиолокации. Таким образом, РПрУ выступает в роли моста между эфиром и конечным потребителем информации, делая невидимые электромагнитные волны доступными и понятными. Иными словами, без РПрУ весь потенциал беспроводной передачи данных остался бы нереализованным, подчеркивая его фундаментальное значение в современном мире.

Классификация радиоприемных устройств

Разнообразие задач, решаемых радиоприемом, привело к обширной классификации РПрУ, основанной на ряде ключевых признаков. Понимание этих категорий критически важно для обоснованного выбора архитектуры приемника в рамках любой инженерной задачи, включая курсовую работу.

1. По роду работы (назначению):
   • Радиотелефонные: Предназначены для приема голосовых сообщений (например, AM, FM, SSB).
   • Радиотелеграфные: Для приема телеграфных сигналов (CW).
   • Телевизионные: Для приема видео- и аудиосигналов телевидения.
   • Радионавигационные и радиолокационные: Используются в системах определения местоположения и обнаружения объектов.
2. По типу модуляции:
   • AM (амплитудная модуляция): Классический тип, используется в радиовещании.
   • FM (частотная модуляция): Применяется для высококачественного звука и связи.
   • SSB (однополосная модуляция): Эффективна для дальней связи, телеграфии и голосовой связи в КВ диапазоне, требуя специфических методов демодуляции.
   • CW (непрерывная волна): Телеграфные сигналы, также широко используемые в КВ.
3. По типу тюнера:
   • Аналоговые: Традиционные приемники с механической или электронной настройкой.
   • Цифровые: Используют синтезаторы частоты и цифровую обработку для настройки и демодуляции.
4. По исполнению:
   • Стационарные: Для постоянного размещения, часто с сетевым питанием.
   • Портативные: Мобильные, малогабаритные устройства.
5. По способу питания:
   • Сетевые: Питание от электросети.
   • Батарейные/аккумуляторные: Автономное питание.

В контексте данной курсовой работы, ориентированной на КВ диапазон, наиболее целесообразным будет выбор приемника, способного работать с амплитудной модуляцией (AM), однополосной модуляцией (SSB) и телеграфными сигналами (CW). Это обусловлено спецификой КВ диапазона, где SSB и CW являются доминирующими видами связи для радиолюбителей и дальней связи. С учетом требований к чувствительности и избирательности, а также гибкости настройки, предпочтение будет отдано супергетеродинной архитектуре, возможно, с элементами прямого преобразования для SSB/CW, что позволит достигнуть высокой производительности. Таким образом, выбор архитектуры не случаен, а является прямым следствием анализа требований и особенностей среды функционирования.

Сравнительный анализ приемников прямого усиления и супергетеродинных приемников

Исторически и технологически радиоприемники развивались по двум основным направлениям: приемники прямого усиления и супергетеродинные приемники. Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки, определяющие область их применения.

Приемники прямого усиления:

• Принцип работы: Принимаемый высокочастотный сигнал (ВЧ) усиливается на радиочастоте, затем детектируется и усиливается на низкой частоте (НЧ).
• Достоинства: Простота схемы, низкая стоимость, отсутствие зеркального канала приема.
• Недостатки:
  • Низкая избирательность: Полоса пропускания резонансных цепей возрастает с повышением частоты, что затрудняет выделение слабого сигнала на фоне сильных помех, особенно в КВ и УКВ диапазонах.
  • Низкая чувствительность: Ограниченные возможности усиления на ВЧ приводят к низкому отношению сигнал/шум.
  • Перестройка: Для изменения принимаемой частоты требуется перестраивать все резонансные контуры ВЧ-тракта.
• Применение: В основном для малогабаритных, недорогих устройств, предназначенных для приема мощных или близлежащих радиостанций, где требования к избирательности и чувствительности невысоки.

Супергетеродинные приемники:

• Принцип работы: Входной ВЧ-сигнал смешивается с сигналом местного гетеродина, в результате чего образуется сигнал промежуточной частоты (ПЧ). Этот ПЧ-сигнал затем усиливается и детектируется.
• Достоинства:
  • Высокая избирательность: Основное усиление и избирательность реализуются на фиксированной промежуточной частоте. Это позволяет использовать высококачественные, сложные фильтры (например, кварцевые) с частотной характеристикой, близкой к прямоугольной.
  • Высокая чувствительность: Возможность сосредоточить усиление на ПЧ, где проще реализовать стабильные и высокоэффективные усилители.
  • Простота настройки: Для перестройки на другую станцию достаточно синхронно изменять частоту гетеродина (F_Г) и частоту входного сигнала (F_С) таким образом, чтобы разность F_Г — F_С = F_ПЧ (промежуточная частота) оставалась постоянной. Неперестраиваемый УПЧ значительно упрощает конструкцию.
  • Высокий динамический диапазон: За счет более оптимального распределения усиления по каскадам.
• Недостатки:
  • Наличие зеркального канала приема: Приемник может принимать сигналы не только на основной частоте, но и на частоте F_ЗК = F_С ± 2F_ПЧ. Требуются дополнительные меры (преселекторы, УВЧ) для подавления зеркального канала.
  • Сложность схемы: Большее количество узлов по сравнению с приемниками прямого усиления.
• Применение: Широко распространены во всех видах радиосвязи и вещания, от бытовых приемников до профессиональной аппаратуры, благодаря своим превосходным характеристикам по чувствительности и избирательности.

Для КВ диапазона, где наблюдается высокая плотность радиостанций и присутствуют значительные помехи, супергетеродинный приемник является предпочтительным выбором. Он способен обеспечить необходимую избирательность и чувствительность для выделения слабых сигналов. При этом, для приема SSB/CW сигналов в КВ диапазоне, где важна простота и отсутствие несущей, могут быть использованы приемники прямого преобразования, которые, по сути, являются частным случаем супергетеродина с нулевой промежуточной частотой (F_ПЧ = 0). В таких приемниках звуковой сигнал выделяется непосредственно после смесителя и низкочастотной фильтрации. Специализированные микросхемы двойного балансного смесителя, такие как SA612A, NE602 или К174ПС1, идеально подходят для таких схем благодаря высокому динамическому диапазону (85-90 дБ) и широкому частотному диапазону (0-500 МГц).

Особенности коротковолнового (КВ) диапазона

Коротковолновый (КВ) диапазон, охватывающий длины волн от 10 до 100 метров, или частоты от 3 до 30 МГц, занимает особое место в истории и современном мире радиосвязи. Его уникальные характеристики распространения радиоволн делают его незаменимым для дальней связи на тысячи километров.

Распространение радиоволн в КВ диапазоне:
Ключевая особенность КВ диапазона — дальнее распространение радиоволн за счет многократного отражения от ионосферы. Ионосфера — это слой ионизированного газа в верхних слоях атмосферы, который действует как гигантское «зеркало» для радиоволн определенных частот. В зависимости от плотности ионизации, высоты слоев и угла падения, радиоволны могут отражаться от ионосферы и возвращаться к Земле, затем снова отражаться от поверхности Земли и опять направляться в ионосферу, преодолевая огромные расстояния. Это явление позволяет устанавливать связь между континентами без использования спутников.

Деление на поддиапазоны:
Характеристики ионосферы меняются в течение суток и в зависимости от солнечной активности. Это обусловливает деление КВ диапазона на «ночные» и «дневные» поддиапазоны, где эффективность распространения сигналов оптимальна в определенное время суток:

• Ночные поддиапазоны: (например, 90, 75, 60, 49, 40, 31 м) — частоты ниже 10 МГц. В ночное время ионосфера становится менее плотной, и более низкие частоты лучше отражаются, обеспечивая дальнюю связь.
• Дневные поддиапазоны: (например, 25, 21, 19, 16, 15, 13, 11 м) — частоты выше 10 МГц. Днем плотность ионизации выше, что позволяет отражаться более высоким частотам.

Специфика приема SSB/CW сигналов:
В КВ диапазоне, особенно в радиолюбительской и профессиональной связи, широко используются виды модуляции, отличные от стандартной АМ:

• Однополосная модуляция (SSB — Single Side Band): Это высокоэффективный вид модуляции, при котором передается только одна из боковых полос, а несущая подавляется. Это позволяет значительно экономить мощность передатчика и эффективно использовать спектр частот. Для приема SSB-сигналов требуется специальный демодулятор, который восстанавливает подавленную несущую (обычно с помощью битового осциллятора — BFO) и смещает частоту сигнала в звуковой диапазон.
• Телеграфные сигналы (CW — Continuous Wave): Это простейшая форма модуляции, при которой передача информации осуществляется путем включения/выключения несущей. Для приема CW-сигналов также необходим BFO, чтобы преобразовать принимаемый тональный сигнал в слышимый для оператора звук.

Применение приемников прямого преобразования (ППП):
Для приема SSB и CW сигналов в КВ диапазоне часто применяются приемники прямого преобразования. В отличие от классического супергетеродина с фиксированной ПЧ, в ППП промежуточная частота равна нулю. Это означает, что входной высокочастотный сигнал смешивается с сигналом гетеродина, частота которого очень близка к частоте принимаемого сигнала, так что разностная частота (или «промежуточная частота») сразу попадает в звуковой диапазон.

• Преимущества ППП для SSB/CW:
  • Простота схемы: Отсутствие УПЧ упрощает конструкцию.
  • Высокая стабильность: Легче обеспечить стабильность на одной частоте.
  • Эффективность для узкополосных сигналов: Отлично подходит для приема узкополосных SSB и CW сигналов.
• Недостатки ППП:
  • Низкая избирательность по соседнему каналу: Поскольку основная фильтрация происходит на НЧ, трудно подавить мощные соседние станции.
  • Чувствительность к помехам гетеродина: Проникание сигнала гетеродина в антенну может создавать помехи.
  • Необходимость диапазонных фильтров: Для подавления побочных каналов приема на частотах, кратных частоте гетеродина, и для обеспечения приемлемой избирательности, особенно в многодиапазонных приемниках.

Использование специализированных микросхем двойного балансного смесителя, таких как SA612A (NE602, К174ПС1), является оптимальным решением для построения ППП. Эти микросхемы обладают высоким динамическим диапазоном (85-90 дБ) и широким диапазоном рабочих частот (0-500 МГц), что делает их идеальными для КВ приложений.

В итоге, выбор архитектуры КВ приемника будет балансировать между классическим супергетеродином (для общих случаев AM/FM) и ППП (для специализированных SSB/CW приложений), часто интегрируя элементы обоих подходов для достижения максимальной универсальности и эффективности.

Методика проектирования: Выбор структурной схемы и предварительный расчет

Общие принципы выбора структурной схемы

Проектирование радиоприемного устройства начинается с выбора его структурной схемы. Этот этап является основополагающим, так как определяет общую архитектуру, основные функциональные узлы и их взаимосвязь. От правильного выбора схемы зависят все последующие этапы расчета и, в конечном итоге, достижение требуемых эксплуатационных характеристик приемника. Процесс выбора структурной схемы можно представить в виде последовательных шагов:

1. Определение требуемой полосы пропускания: Этот параметр напрямую связан с видом принимаемого сигнала (АМ, ЧМ, SSB, CW) и требуемым качеством приема. Для АМ-сигналов полоса пропускания шире, для CW и SSB – значительно уже.
2. Выбор промежуточной частоты (ПЧ): В супергетеродинных приемниках выбор ПЧ является компромиссом между требованием хорошего подавления зеркального канала (чем выше ПЧ, тем лучше) и обеспечением высокой избирательности по соседнему каналу (чем ниже ПЧ, тем проще реализовать узкополосные фильтры). Для КВ диапазона часто выбирают одну или две ПЧ, например, 455 кГц или 10,7 МГц.
3. Выбор избирательной системы тракта ПЧ: Именно тракт промежуточной частоты играет ключевую роль в формировании резонансной характеристики приемника и обеспечении требований по ослаблению соседнего канала. Здесь используются различные типы фильтров: LC-контуры, пьезокерамические фильтры, кварцевые фильтры. Кварцевые фильтры обеспечивают наилучшую избирательность благодаря высокой добротности.
4. Определение числа и типа избирательных систем: Это зависит от требуемой избирательности. Для сложных приемников могут использоваться многокаскадные УПЧ с несколькими избирательными контурами или фильтрами.
5. Выбор способа и элемента настройки: Настройка может быть механической (конденсаторы переменной емкости) или электронной (варикапы, синтезаторы частоты). Современные приемники чаще используют синтезаторы частоты для гетеродина, обеспечивающие высокую стабильность и точность настройки.
6. Выбор типа детектора: Зависит от вида модуляции. Для АМ — амплитудный детектор, для ЧМ — частотный детектор, для SSB/CW — смеситель с опорным генератором (BFO) или детектор произведения.
7. Выбор активных приборов ВЧ тракта: Это транзисторы (биполярные, полевые) или специализированные микр��схемы для УВЧ, смесителя и гетеродина. Выбор определяется рабочими частотами, требуемым усилением, коэффициентом шума и динамическим диапазоном.
8. Распределение требуемого усиления: Общее усиление приемника распределяется по каскадам (УВЧ, смеситель, УПЧ, УНЧ) таким образом, чтобы обеспечить требуемую чувствительность и динамический диапазон при минимальных искажениях.

Эскизный расчет на этом этапе включает определение примерных значений этих параметров, позволяющих сформировать начальное представление о компонентах и их характеристиках.

Определение основных характеристик радиоприемника

Для эффективного функционирования радиоприемника критически важно обеспечить оптимальные значения трех ключевых характеристик: чувствительности, избирательности и динамического диапазона. Эти параметры взаимосвязаны и определяют способность устройства принимать слабые сигналы, выделять их из помех и обрабатывать широкий спектр сигналов без искажений.

Расчет чувствительности: Влияние собственных шумов

Чувствительность — это одна из важнейших характеристик РПрУ, определяющая его способность принимать слабые сигналы. Она выражается как минимальное входное напряжение высокочастотного сигнала, необходимое для получения стандартной выходной мощности при заданном отношении сигнал/шум на выходе. Для ДВ, СВ и КВ диапазонов стандартное отношение сигнал/шум обычно составляет 20 дБ.

Измерение чувствительности:
Обычно чувствительность измеряется при подаче на вход приемника высокочастотного сигнала, модулированного с частотой 400 или 1000 Гц при глубине модуляции 30%.

Роль собственных шумов:
В диапазоне СВЧ и для высокочувствительных приемников, как в КВ диапазоне, реальная чувствительность определяется в первую очередь собственными шумами устройства. Эти шумы генерируются компонентами приемника (резисторами, транзисторами, диодами) и ограничивают минимальный уровень полезного сигнала, который может быть обнаружен.

Коэффициент шума (NF — Noise Figure):
Коэффициент шума является фундаментальной характеристикой, описывающей вклад устройства в общее зашумление сигнала. Он определяется как отношение отношения сигнал/шум на входе к отношению сигнал/шум на выходе, выраженное в децибелах:

NF = 10 · lg (Sвх / Nвх / Sвых / Nвых) = 10 · lg (F), где F — фактор шума.

Для каскадного соединения усилительных элементов (например, УВЧ, смеситель, УПЧ) общий фактор шума (F_ОБЩ) определяется по формуле Фрииса:

FОБЩ = F1 + (F2 - 1)/G1 + (F3 - 1)/(G1G2) + ...

Где:

• F_N — фактор шума N-го элемента (в разах, не в дБ).
• G_N — коэффициент усиления N-го элемента (в разах, не в дБ).

Обоснование требований к первому каскаду:
Как видно из формулы Фрииса, вклад последующих каскадов в общий коэффициент шума уменьшается с увеличением усиления предыдущих каскадов. Это означает, что для минимизации результирующего коэффициента шума приемника (и, следовательно, для повышения чувствительности) к первому каскаду (например, УВЧ) предъявляются самые строгие требования: он должен обладать минимальным собственным шумом и максимальным усилением. Таким образом, выбор малошумящих транзисторов и оптимизация схемотехники первого каскада критически важны.

Обеспечение избирательности: Подавление помех

Избирательность — это способность приемника выделять полезный сигнал из помех и ослаблять сигналы мешающих станций, которые отличаются по частоте от принимаемой. В супергетеродинных приемниках избирательность обеспечивается подавлением мешающих сигналов по трем основным каналам:

1. По соседнему каналу:
   • Причина: Помехи от станций, работающих на частотах, близких к частоте полезного сигнала.
   • Обеспечение: Основная избирательность по соседнему каналу достигается за счет фильтра усилителя промежуточной частоты (УПЧ). Благодаря фиксированной ПЧ, здесь можно использовать высокодобротные, узкополосные фильтры (кварцевые, пьезокерамические), обеспечивающие высокую прямоугольность частотной характеристики.
2. По промежуточной частоте (ПЧ):
   • Причина: Прямое прохождение мощного сигнала помехи на частоте, равной промежуточной частоте приемника, минуя УВЧ и смеситель, непосредственно в тракт УПЧ.
   • Обеспечение: Подавление помехи по ПЧ достигается с помощью преселектора (входных контуров и УВЧ), которые имеют достаточную избирательность, чтобы ослабить сигнал на частоте ПЧ до безопасного уровня.
3. По зеркальному каналу:
   • Причина: При работе смесителя, помимо основной разностной частоты (F_Г — F_С = F_ПЧ), может также образовываться сигнал промежуточной частоты из другой входной частоты, называемой зеркальной. Частота зеркального канала (F_ЗК) определяется по формуле:
     FЗК = FС ± 2FПЧ (для высокочастотного гетеродина: F_ЗК = F_Г + F_ПЧ; для низкочастотного: F_ЗК = F_Г — F_ПЧ).
     Например, если F_С = 7 МГц и F_ПЧ = 455 кГц, то F_ЗК = 7 МГц + 2 · 0,455 МГц = 7,91 МГц. Если на частоте 7,91 МГц присутствует мощная помеха, она будет преобразована в ПЧ и пройдет через приемник.
   • Обеспечение: Подавление зеркального канала является критически важным и осуществляется с помощью полосовых фильтров, включенных во входную цепь, а также усилителя радиочастоты (УРЧ), который должен обладать достаточной избирательностью для ослабления сигнала на частоте зеркального канала до приемлемого уровня до его поступления на смеситель.

Для КВ диапазона, где высока вероятность мощных помех, качественная избирательность по всем трем каналам является краеугольным камнем успешного приема.

Расчет динамического диапазона: Баланс между чувствительностью и линейностью

Динамический диапазон (DR_ОБЩ) радиоприемника определяет его способность одновременно принимать как очень слабые, так и очень сильные сигналы без существенных искажений или перегрузки. Он выражается как разница между максимальным P_МАКС и минимально-обнаружимым MDS сигналом на входе приемника:

DRОБЩ = PМАКС - MDS (в дБ)

Где:

• Уровень минимально-обнаружимого сигнала (MDS — Minimum Detectable Signal): Это наименьший уровень сигнала, который приемник способен различить на фоне собственных шумов. Он определяется в первую очередь собственными шумами приемника (связан с коэффициентом шума NF). Чем ниже MDS, тем выше чувствительность приемника.
• Величина максимального сигнала (P_МАКС): Это максимальный уровень входного сигнала, при котором приемник еще работает без существенных нелинейных искажений (интермодуляционных искажений, перекрестных помех, компрессии усиления). Он определяется уровнем допустимых нелинейных искажений и линейностью всех каскадов приемника, особенно УВЧ и смесителя.

Факторы, влияющие на MDS и P_МАКС:

• MDS: Зависит от коэффициента шума (NF), полосы пропускания приемника (B) и теплового шума (kTB, где k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура).
  MDS = kTB · F (в ваттах), где F — фактор шума.
• P_МАКС: Зависит от точек компрессии (IP1 — точка интерсепта 1-го порядка, IP3 — точка интерсепта 3-го порядка) и точки компрессии усиления (P1dB). Чем выше эти точки, тем выше P_МАКС.

Оптимизация динамического диапазона:
Оптимизация динамического диапазона представляет собой сложную инженерную задачу, требующую баланса между чувствительностью и линейностью, поскольку эти параметры часто являются взаимоисключающими.

• Для повышения чувствительности необходимо снижать уровень шума (уменьшать NF) и увеличивать усиление первых каскадов.
• Для повышения линейности и P_МАКС необходимо использовать компоненты с высокой линейностью, снижать усиление в первых каскадах, чтобы избежать их перегрузки мощными сигналами, и применять методы, такие как автоматическая регулировка усиления (АРУ).

В КВ диапазоне, где одновременно присутствуют как очень слабые дальние станции, так и мощные местные помехи, высокий динамический диапазон является критически важным. Приемник с низким динамическим диапазоном будет «забиваться» сильными сигналами, делая прием слабых станций невозможным. Таким образом, при проектировании необходимо тщательно подходить к выбору активных элементов и распределению усиления, чтобы обеспечить оптимальный баланс этих характеристик.

Электрический расчет функциональных узлов радиоприемника

Электрический расчет каждого каскада радиоприемника — это кульминация проектирования, где теоретические принципы воплощаются в конкретные значения параметров элементов схемы. Расчет проводится покаскадно, обычно начиная с последнего каскада (например, УНЧ) и его связи с детектором, и продвигаясь к первому каскаду и его согласованию с преселектором. Основная цель — определить параметры нагрузки и номиналы элементов, при которых обеспечивается требуемое усиление, избирательность, линейность и минимальный уровень шумов для каждого каскада.

Расчет усилителя высокой частоты (УВЧ)

Назначение: Усилитель высокой частоты (УВЧ) является первым активным каскадом приемника, расположенным после входных контуров (преселектора). Его основные функции:

1. Усиление полезного сигнала: Предварительное усиление слабых входных сигналов для повышения общей чувствительности приемника.
2. Обеспечение избирательности по побочным каналам приема: Прежде всего, подавление зеркальной помехи. УВЧ, настроенный на частоту принимаемого сигнала, ослабляет сигналы, находящиеся на частоте зеркального канала, до того, как они достигнут смесителя.
3. Улучшение отношения сигнал/шум: Выбор малошумящих активных элементов для УВЧ критически важен, так как его коэффициент шума вносит наибольший вклад в общий коэффициент шума приемника (согласно формуле Фрииса).
4. Развязка антенны от гетеродина: Предотвращение излучения сигнала гетеродина в антенну.

Выбор элементной базы:
УВЧ может быть выполнен на дискретных полевых или биполярных транзисторах.

• Полевые транзисторы (ПТ): Часто предпочтительны для УВЧ благодаря высокому входному сопротивлению, что упрощает согласование с входными контурами, и низкому коэффициенту шума на высоких частотах. Двухзатворные ПТ (например, КП327, BF998) позволяют легко реализовать систему автоматической регулировки усиления (АРУ) по второму затвору.
• Биполярные транзисторы (БТ): Могут использоваться для УВЧ, особенно на более низких КВ частотах, но требуют более тщательного согласования входных цепей из-за низкого входного сопротивления.

Расчетные аспекты:

1. Режим работы: Выбор рабочей точки транзистора (ток покоя, напряжение) для обеспечения требуемого усиления и линейности.
2. Расчет резонансных контуров: Определение индуктивностей и емкостей контуров для настройки на рабочую частоту и обеспечения требуемой полосы пропускания.
3. Расчет коэффициента усиления: Определение коэффициента усиления каскада на заданной частоте.
4. Расчет коэффициента шума: Оценка вклада УВЧ в общий шум приемника.
5. Согласование импедансов: Обеспечение максимальной передачи мощности от антенны к УВЧ и от УВЧ к смесителю.

Расчет смесителя

Назначение: Смеситель — это ключевой узел супергетеродинного приемника, который осуществляет преобразование входного высокочастотного сигнала в сигнал промежуточной частоты (ПЧ). Это достигается путем нелинейного смешивания входного сигнала (F_С) с сигналом местного гетеродина (F_Г). В результате образуются гармоники суммарной и разностной частот, а также их комбинации. Задача смесителя — выделить одну из разностных частот, которая и будет являться промежуточной (F_ПЧ = |F_Г — F_С|).

Принцип работы:
Смеситель является нелинейным элементом. Если на его вход подаются два сигнала:

• U_C = U_CM cos(ω_Ct) — сигнал с антенны
• U_Г = U_ГМ cos(ω_Гt) — сигнал гетеродина

На выходе смесителя появятся колебания с частотами ω_Г ± ω_С, а также их гармоники и комбинации. Сигнал промежуточной частоты (F_ПЧ) затем выделяется с помощью полосового фильтра.

Выбор элементной базы:

• Дискретные транзисторы: Могут использоваться как биполярные, так и полевые транзисторы.
• Специализированные микросхемы двойного балансного смесителя: Для КВ диапазона и, особенно, для приемников прямого преобразования, оптимальным выбором являются интегральные схемы, такие как SA612A (аналоги NE602, К174ПС1).
  • Достоинства SA612A:
    • Высокий динамический диапазон (85-90 дБ), что обеспечивает хорошую линейность и устойчивость к сильным помехам.
    • Широкий диапазон рабочих частот (от 0 до 500 МГц), позволяющий использовать их в КВ диапазоне.
    • Интегрированный гетеродин и буферные каскады, что упрощает схему.
    • Низкое энергопотребление.
    • Двойная балансная схема обеспечивает эффективное подавление входных сигналов и сигнала гетеродина на выходе смесителя.

Расчетные аспекты:

1. Коэффициент преобразования: Отношение напряжения (или мощности) на ПЧ выходе к напряжению (или мощности) на ВЧ входе.
2. Линейность: Оценка интермодуляционных искажений (IP3) и точки компрессии (P1dB) для обеспечения требуемого динамического диапазона.
3. Входное/выходное сопротивление: Согласование с УВЧ и УПЧ.
4. Уровень сигнала гетеродина: Определение оптимального уровня сигнала гетеродина для максимального коэффициента преобразования и минимальных шумов.

Расчет гетеродина

Назначение: Гетеродин — это маломощный генератор высокочастотных колебаний, который обеспечивает стабильную и точную частоту для преобразователя частоты (смесителя). Его стабильность и чистота спектра критически важны для качества приема.

Расчетные аспекты:

1. Структура контура: Выбор типа автогенератора (емкостная трехточка Колпитца, индуктивная трехточка Хартли, генератор Клаппа и др.). Для КВ диапазона часто используются LC-генераторы или генераторы на основе кварцевых резонаторов (для фиксированных частот или как опорный генератор для синтезатора).
2. Параметры элементов контура: Определение индуктивности (L) и емкости (C) контура для обеспечения заданной частоты генерации:
   fг = 1 / (2π · √LC)
   При перестраиваемом гетеродине, конденсатор C должен быть переменным (или набор варикапов).
3. Стабильность частоты: Один из важнейших параметров гетеродина. Она зависит от:
   • Температурной стабильности: Подбор температурных коэффициентов емкостей (ТКЕ) для компенсации температурного дрейфа индуктивности. Например, использование конденсаторов с ТКЕ, компенсирующим изменение индуктивности катушки с температурой.
   • Стабильности питающего напряжения: Применение стабилизаторов напряжения.
   • Добротности контура: Чем выше добротность контура, тем стабильнее частота.
   • Механической стабильности: Жесткая конструкция катушек и монтаж элементов.
4. Расчет автогенератора:
   • Выбор активного элемента (транзистора или микросхемы).
   • Расчет режима работы активного элемента.
   • Определение глубины положительной обратной связи, необходимой для устойчивой генерации.
   • Расчет выходной мощности гетеродина, достаточной для нормальной работы смесителя.

Сопряжение настройки контуров УВЧ и гетеродина:
В супергетеродинных приемниках с перестраиваемым преселектором необходимо обеспечить сопряжение настройки контуров УВЧ и гетеродина. Это означает, что при изменении частоты настройки приемника, частота гетеродина (F_Г) и частота входного контура УВЧ (F_С) должны изменяться таким образом, чтобы их разность (F_Г — F_С) оставалась строго равной промежуточной частоте (F_ПЧ).
Для этого используются специальные секции переменных конденсаторов или варикапов с рассчитанными характеристиками, а также дополнительные корректирующие индуктивности и емкости. Сложность сопряжения возрастает с увеличением перекрываемого частотного диапазона.

Расчет усилителя промежуточной частоты (УПЧ)

Назначение: Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) является «сердцем» супергетеродинного приемника. Он обеспечивает:

1. Основное усиление: Здесь сосредоточена большая часть общего усиления приемника, необходимого для доведения слабого сигнала до уровня, достаточного для детектора.
2. Избирательность по соседнему каналу: Благодаря постоянству промежуточной частоты (F_ПЧ), избирательные системы УПЧ могут быть неперестраиваемыми и настроены на оптимальную полосу пропускания.

Выбор элементной базы и избирательных систем:

• Активные элементы: Могут использоваться дискретные транзисторы или интегральные микросхемы УПЧ.
• Избирательные системы: Для обеспечения высокой избирательности применяются:
  • LC-контуры: В одно- или многоконтурном исполнении.
  • Пьезокерамические фильтры: Обеспечивают хорошую избирательность при компактных размерах.
  • Кварцевые фильтры: Обладают наивысшей добротностью и обеспечивают наиболее крутые скаты частотной характеристики, что критически важно для узкополосного приема (SSB, CW) и высокой избирательности по соседнему каналу.
• АРУ (Автоматическая Регулировка Усиления): Каскады УПЧ часто охватываются системой АРУ. АРУ автоматически изменяет усиление УПЧ в зависимости от уровня входного сигнала, выравнивая уровень сигнала на выходе приемника. Это предотвращает перегрузку последующих каскадов сильными сигналами и обеспечивает комфортный уровень громкости при приеме слабых станций. Расчет АРУ включает определение диапазона регулировки и постоянных времени срабатывания/отпускания.

Расчетные аспекты:

1. Число каскадов: Определяется требуемым общим усилением УПЧ.
2. Коэффициент усиления одного каскада: Выбор транзисторов и режима их работы.
3. Полоса пропускания: Определение параметров избирательных элементов (L, C, добротность) для обеспечения заданной полосы пропускания и формы АЧХ.
4. Стабильность: Предотвращение самовозбуждения УПЧ.
5. Линейность: Минимизация искажений при максимальном уровне сигнала.

Расчет детектора

Назначение: Детектор — это нелинейный элемент, предназначенный для преобразования модулированных высокочастотных колебаний (ПЧ-сигнала) в низкочастотные колебания, соответствующие передаваемому сообщению (например, звуковые). Тип детектора выбирается в соответствии с видом модуляции.

Типы детекторов и их расчетные аспекты:

1. Амплитудный детектор (для AM):
   • Принцип: Выделение огибающей АМ-сигнала. Чаще всего используется диодный детектор (однополупериодный или двухполупериодный).
   • Расчет: Выбор диода (германиевые или диоды Шоттки для низких уровней сигнала, кремниевые для более высоких), расчет RC-цепи фильтра нижних частот, которая должна отфильтровывать ВЧ-составляющую, но пропускать НЧ-составляющую без искажений.
     • Постоянная времени RC-цепи должна быть много больше периода ВЧ, но много меньше периода НЧ.
2. Частотный детектор (для FM):
   • Принцип: Преобразование изменения частоты в изменение амплитуды, а затем амплитудное детектирование. Примеры: частотный дискриминатор, детектор соотношения, детектор Фазовой АвтоПодстройки Частоты (ФАПЧ).
   • Расчет: Определение параметров резонансных контуров или элементов ФАПЧ для обеспечения линейной характеристики преобразования частоты в напряжение.
3. Детектор произведения (для SSB/CW):
   • Принцип: Смешивание SSB/CW сигнала (на ПЧ) с опорным сигналом от битового осциллятора (BFO), частота которого близка к несущей, которую подавили при передаче. В результате смешивания образуется разностная частота, которая является звуковым сигналом.
   • Расчет: Выбор смесителя (может быть аналогичен основному смесителю, например, SA612A), расчет частоты BFO, которая должна быть точно настроена для правильного восстановления звука.

Расчет усилителя низкой частоты (УНЧ)

Назначение: Усилитель низкой частоты (УНЧ) является конечным каскадом радиоприемного тракта. Его задача — усилить продетектированный низкочастотный сигнал по напряжению и мощности до уровня, достаточного для работы оконечного устройства, такого как громкоговоритель, наушники или записывающее устройство.

Расчетные аспекты:

1. Требуемая выходная мощность: Определяется типом оконечного устройства и его чувствительностью. Для наушников это могут быть милливатты, для громкоговорителя — ватты.
2. Число каскадов: УНЧ может быть многокаскадным и состоять из предварительного усилителя напряжения и оконечного усилителя мощности.
3. Выбор элементной базы:
   • Дискретные транзисторы: Для предварительных каскадов или мощных оконечных усилителей.
   • Интегральные микросхемы УНЧ: Широко используются благодаря своей компактности, простоте применения и хорошим характеристикам (например, LM386 для малой мощности, TDA2030, TDA2050 для средней мощности).
4. Расчет режимов работы: Определение токов покоя, напряжений смещения для обеспечения требуемого усиления и минимальных нелинейных искажений.
5. Частотная характеристика: УНЧ должен иметь равномерную АЧХ в диапазоне звуковых частот (20 Гц – 20 кГц) с минимальными искажениями.
6. Выходное сопротивление: Согласование УНЧ с сопротивлением нагрузки (громкоговорителя или наушников).
7. Коэффициент гармонических искажений (К_Г): Должен быть минимизирован, особенно для высококачественного приема.
8. Эффективность: Для портативных устройств важен КПД УНЧ для экономии энергии батарей.

Каждый из этих расчетов требует внимательного подбора компонентов, учета их параметров и свойств, а также проверки на соответствие заданным требованиям. Детальные математические модели и алгоритмы, основанные на теории цепей и электроники, используются для точного определения номиналов элементов и режимов работы.

Оптимизация эксплуатационных характеристик и борьба с помехами

После проведения электрического расчета, следующим критически важным этапом является оптимизация эксплуатационных характеристик радиоприемника. Цель этого процесса — не только достичь проектных значений чувствительности, избирательности и динамического диапазона, но и обеспечить их устойчивость в реальных условиях эксплуатации, где присутствуют разнообразные помехи.

Методы регулировки и коррекции характеристик

Для адаптации приемника к меняющимся условиям эфира и повышения качества приема применяются различные методы регулировки и коррекции:

1. Регулировка полосы пропускания:
   • В условиях отсутствия значительных помех, полосу пропускания приемника обычно делают достаточно широкой для пропускания всех основных составляющих спектра полезного сигнала, что обеспечивает максимально возможное качество звука или передачи данных.
   • Однако, при появлении сильной помехи (например, соседней станции или шумовой помехи), полосу пропускания сужают. Это позволяет «отрезать» мешающие сигналы, улучшая отношение сигнал/помеха и повышая избирательность. Такая регулировка может быть реализована с помощью переключаемых фильтров (например, кварцевых или пьезокерамических) с разной полосой пропускания или с использованием более сложных цифровых фильтров в тракте ЦОС.
2. Частотная коррекция:
   • В радиоприемниках часто возникает необходимость корректировать частотную характеристику тракта для компенсации искажений, вносимых элементами схемы, или для формирования желаемой АЧХ, например, для выделения определенного частотного диапазона.
   • Частотная коррекция осуществляется с помощью специальных, в том числе регулируемых, фильтров. Это могут быть RC-цепочки, LC-контуры, активные фильтры или параметрические эквалайзеры. Например, для улучшения разборчивости речи могут применяться фильтры, подчеркивающие определенные частоты.
3. Снижение шума фидера:
   • Фидер (линия передачи от антенны к приемнику) может вносить существенное затухание сигнала и генерировать собственный тепловой шум, что снижает общую чувствительность приемника.
   • Для уменьшения этого эффекта применяются следующие меры:
     • Уменьшение затухания в фидере: Использование высококачественных коаксиальных кабелей с низкими потерями, минимизация длины фидера, использование фидеров с большим диаметром центрального проводника.
     • В некоторых случаях, для высокочувствительных систем (например, в радиоастрономии), применяется охлаждение фидера до криогенных температур для минимизации теплового шума. В КВ диапазоне это, как правило, не применяется, но использование кабелей с низкими потерями всегда актуально.

Оптимизация преселектора

Преселектор — это входные цепи приемника, расположенные до УВЧ или смесителя, состоящие из одного или нескольких резонансных контуров. Его оптимизация является одной из основных задач для обеспечения:

1. Многосигнальной избирательности: Преселектор должен эффективно ослаблять мощные внеполосные сигналы, которые могут вызвать перегрузку УВЧ и смесителя, приводя к интермодуляционным искажениям.
2. Значительного ослабления сигнала на побочных частотах: В частности, подавление сигнала зеркального канала. Чем выше добротность и избирательность преселектора, тем лучше подавляются сигналы на частоте зеркального канала, которые, как мы помним, могут вызвать прием помехи на ПЧ.
3. Минимального ослабления полезного сигнала: При этом преселектор не должен вносить существенных потерь в принимаемый полезный сигнал, чтобы не ухудшать чувствительность приемника.

Методы оптимизации:

• Использование высокодобротных LC-контуров: Чем выше добротность контура, тем круче его частотная характеристика и тем лучше он отфильтровывает нежелательные сигналы.
• Многоконтурные преселекторы: Последовательное или параллельное включение нескольких контуров для увеличения общей избирательности.
• Использование варакторов: Для электронной перестройки преселектора в широком диапазоне частот, обеспечивая сопряжение с гетеродином.

Цифровая обработка сигнала (ЦОС) для улучшения качества приема

Современные радиоприемники все чаще интегрируют технологии цифровой обработки сигнала (ЦОС), которые значительно расширяют возможности по улучшению качества приема и борьбе с помехами. ЦОС позволяет выполнять сложные алгоритмы, которые трудно или невозможно реализовать в аналоговом виде.

Методы снижения шумов и помех с использованием ЦОС:

1. Быстрый математический анализ, выявление и подавление нежелательных сигналов:
   • Цифровой сигнал, полученный с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), может быть проанализирован в реальном времени с использованием мощных цифровых процессоров или ПЛИС.
   • Алгоритмы ЦОС способны идентифицировать характерные признаки помех (например, узкополосные тональные помехи, импульсные помехи) и отделять их от полезного сигнала.
2. Алгоритмы подавления тонального сигнала (Noise Blanker, Notch Filter):
   • Noise Blanker: Эффективен для подавления импульсных помех (например, от систем зажигания), «вырезая» короткие фрагменты сигнала, содержащие импульс, и «сшивая» оставшуюся часть.
   • Автоматические режекторные фильтры (Automatic Notch Filter — ANF): Автоматически обнаруживают и подавляют узкополосные тональные помехи (например, от промышленных установок), динамически формируя узкий режекторный фильтр на частоте помехи. При этом полезный сигнал практически не страдает.
3. Подавители шумов (Noise Reduction — NR):
   • Эти алгоритмы анализируют спектр сигнала и шума, выявляют повторяющиеся шумовые составляющие и вычитают их из полезного сигнала.
   • Существуют различные подходы: адаптивная фильтрация, спектральное вычитание, вейвлет-анализ. Современные NR-алгоритмы способны значительно улучшить разборчивость речи и снизить уровень фонового шума.

Применение ЦОС позволяет не только эффективно бороться с различными видами помех, но и реализовать адаптивные фильтры, гибкую регулировку полосы пропускания, различные режимы демодуляции и множество других функций, недоступных для чисто аналоговых приемников. Это является мощным инструментом для инженера, позволяющим достичь ранее немыслимого качества приёма. В конце концов, разве не в этом заключается истинный прогресс?

Современные тенденции и программные средства моделирования

Эволюция радиотехники неразрывно связана с развитием цифровых технологий и вычислительной мощности. Эти изменения кардинально меняют подходы к проектированию и реализации радиоприемных устройств, предлагая новые возможности для повышения производительности и гибкости.

Концепция программно-определяемого радио (SDR)

Одной из наиболее значимых современных тенденций в радиотехнике является широкое распространение программно-определяемого радио (SDR — Software-Defined Radio). В отличие от традиционных аналоговых приемников, где большая часть функций реализуется аппаратными блоками, в SDR-системах многие операции, традиционно выполняемые аналоговыми компонентами, переносятся в цифровую область и выполняются программно.

Принципы SDR:
Основная идея SDR заключается в том, чтобы перенести аналого-цифровое преобразование как можно ближе к антенне. Это означает, что входной высокочастотный сигнал после минимальной аналоговой обработки (усиление, фильтрация) сразу же оцифровывается с помощью высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей (АЦП). После этого вся дальнейшая обработка сигнала (фильтрация, демодуляция, декодирование) осуществляется в цифровом виде с помощью мощных процессоров или, чаще, программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Роль АЦП и ПЛИС в цифровом переносе частоты (DDC):

• АЦП (Analog-to-Digital Converter): Является ключевым элементом SDR, преобразуя широкополосный аналоговый радиочастотный сигнал в цифровой поток данных. Чем выше частота дискретизации и разрядность АЦП, тем шире диапазон частот, который может быть оцифрован непосредственно.
• ПЛИС (FPGA — Field-Programmable Gate Array): Это микросхемы, логическая структура которых может быть сконфигурирована пользователем. В SDR ПЛИС выполняют функции цифрового переноса частоты «вниз» (DDC — Digital Down Conversion). DDC позволяет из цифрового широкополосного потока выделить нужный участок спектра, перенести его на нулевую промежуточную частоту и отфильтровать. Это значительно упрощает аналоговую часть приемника, так как отпадает необходимость в нескольких каскадах смесителей и громоздких аналоговых фильтрах.

Возможности цифровой обработки сигнала в SDR:
Цифровая обработка сигнала в SDR открывает беспрецедентные возможности:

• Создание эффективных полосовых фильтров: Цифровые фильтры могут иметь практически идеальную прямоугольную частотную характеристику, обеспечивая высочайшую избирательность и гибкую перестройку полосы пропускания без изменения аппаратной части.
• Демодуляция сигналов любого типа: Программная реализация демодуляторов позволяет принимать практически любые виды модуляции (AM, FM, SSB, CW, цифровые виды) путем простой смены программного алгоритма, без замены аппаратных компонентов.
• Отображение спектра принимаемого сигнала: SDR-системы позволяют визуализировать спектр в реальном времени (спектроанализатор, водопад), что значительно упрощает поиск станций, оценку помеховой обстановки и настройку.
• Адаптивные алгоритмы: Реализация адаптивных систем шумоподавления, подавления импульсных помех, компенсации фазовых искажений и других интеллектуальных функций.

Таким образом, SDR-приемники предоставляют высокую гибкость, масштабируемость и возможность обновления функционала через программное обеспечение, что делает их перспективным направлением в разработке радиоприемных устройств.

Обзор программных средств для моделирования

Разработка сложных радиотехнических устройств, таких как КВ радиоприемники, немыслима без применения специализированных программных средств моделирования (САПР). Компьютерное моделирование позволяет анализировать разработанное устройство на различных этапах проектирования, оптимизировать его параметры, выявлять потенциальные проблемы и формировать техническое задание для смежных блоков аппаратуры еще до начала производства.

Ниже представлен обзор основных программных средств, широко используемых в радиотехнике:

1. MATLAB и Simulink:
   • MATLAB: Мощная среда для численных расчетов, анализа данных и программирования. Обладает обширными возможностями для обработки сигналов.
   • Simulink: Графическая среда для моделирования динамических систем. Идеально подходит для проектирования и прототипирования систем связи.
   • Пакеты расширения (Toolboxes):
     • Signal Processing Toolbox: Для анализа, проектирования и реализации систем обработки сигналов.
     • Filter Design Toolbox: Для проектирования цифровых и аналоговых фильтров.
     • RF Toolbox и RF Blockset: Специально предназначенные для проектирования, симуляции и анализа радиочастотных цепей и беспроводных систем. Позволяют работать с S-параметрами, коэффициентом шума, нелинейными эффектами.
     • Wavelet Toolbox: Для вейвлет-анализа и обработки сигналов.
   • Simscape и SimElectronics: Для моделирования электронных схем и мехатронных систем.
2. Advanced Design System (ADS) от Keysight (ранее Agilent):
   • Профессиональный пакет САПР для проектирования и моделирования СВЧ и ВЧ устройств. ADS позволяет проводить широкий спектр анализов: частотный, временной, нелинейный, анализ шумов, интермодуляционных искажений.
   • Обладает обширными библиотеками компонентов и мощными возможностями для топологического проектирования печатных плат ВЧ.
3. Схемотехнические симуляторы:
   • Multisim (Electronics Workbench): Популярный пакет для моделирования аналоговых, цифровых и смешанных схем. Отличается интуитивно понятным интерфейсом и обширной библиотекой компонентов.
   • Qucs (Quite Universal Circuit Simulator): Бесплатный симулятор схем с открытым исходным кодом, поддерживающий аналоговое, цифровое и ВЧ моделирование. Позволяет проводить гармонический баланс, моделирование шумов и S-параметров.
   • DcAcLab: Онлайн-инструмент для моделирования электронных схем, простой в использовании для базовых расчетов.
4. RFSim99: Специализированная программа для моделирования и анализа радиотехнических цепей, ориентированная на любительскую и полупрофессиональную разработку. Позволяет быстро оценить параметры ВЧ-фильтров, усилителей и других блоков.

Методология компьютерного моделирования

Процесс компьютерного моделирования радиотехнических устройств обычно следует определенной методологии:

1. Построение принципиальной схемы: Инженер создает принципиальную схему устройства в выбранном пакете САПР, используя графический редактор.
2. Преобразование схемы в эквивалентную модель: Внутренне программа преобразует принципиальную схему в набор математических моделей, описывающих поведение каждого компонента.
3. Использование библиотечных моделей радиоэлементов: Каждый радиоэлемент (транзистор, диод, резистор, конденсатор, индуктивность) заменяется его соответствующей библиотечной моделью, которая содержит параметры, описывающие его характеристики (например, S-параметры для ВЧ-транзисторов, модели SPICE для дискретных компонентов). Эти модели могут быть как идеализированными, так и реальными, полученными из datasheets производителей.
4. Настройка параметров анализа: Пользователь задает тип анализа (например, частотный анализ для получения АЧХ, временной анализ для переходных процессов, анализ шумов, анализ нелинейных искажений).
5. Запуск симуляции и анализ результатов: Программа выполняет расчеты, а затем представляет результаты в виде графиков, таблиц или других визуализаций. Инженер анализирует полученные данные, сравнивает их с проектными требованиями и вносит корректировки в схему.
6. Итеративный процесс: Моделирование является итеративным процессом. После анализа результатов часто требуется изменить параметры компонентов или даже переработать часть схемы, чтобы достичь желаемых характеристик.

Применение этих программных средств значительно сокращает время и стоимость разработки, позволяет исследовать множество вариантов конструкций и оптимизировать параметры устройства до создания физического прототипа.

Требования к конструированию и монтажу высокочастотных узлов

При проектировании и сборке высокочастотных (ВЧ) узлов радиоприемника, особенно для КВ диапазона, необходимо проявлять предельную внимательность и учитывать специфические требования, которые существенно отличаются от работы с низкочастотными цепями. Несоблюдение этих правил может привести к нестабильности, самовозбуждению, повышенным шумам и искажениям, делая все предыдущие расчеты бессмысленными.

Экранирование ВЧ-узлов

Экранирование является одним из наиболее эффективных методов борьбы с электромагнитными помехами и взаимовлиянием между различными частями схемы.

1. Необходимость ВЧ-экранов на печатной плате:
   • Защита чувствительных каналов: Экраны применяются для защиты входных каскадов (УВЧ, смеситель) от высокочастотных наводок, создаваемых другими элементами схемы (например, гетеродином, цифровыми блоками) или внешними источниками.
   • Экранирование мощных ВЧ-каскадов: Мощные передающие или генерирующие ВЧ-каскады (например, гетеродин, выходные каскады передатчиков) также нуждаются в экранировании, чтобы их излучение не влияло на другие части приемника и не проникало в антенну.
2. Типы и материалы экранов:
   • Экраны-крышки: Часто состоят из рамки (обечайки), которая припаивается к печатной плате, и съемной пружинной крышки. Эта конструкция оптимальна по стоимости и удобству монтажа/демонтажа.
   • Материалы: Обычно используются сталь или сплавы на основе меди (например, латунь, мельхиор) толщиной от 0,1 до 0,5 мм. Медь обладает высокой электропроводностью, что обеспечивает эффективное экранирование. Сталь также эффективна, особенно для магнитных полей.
   • Эффективность экранирования: Зависит от материала экрана, его толщины, целостности (отсутствия щелей) и частотного диапазона. Для высоких частот важна хорошая проводимость и отсутствие резонансов в объеме экрана.
3. Экранирование проводников и развязка:
   • Чувствительные сигнальные линии (например, от антенны к УВЧ) могут быть экранированы с помощью коаксиальных кабелей.
   • Развязка: Цепи питания, особенно в многокаскадных усилителях, требуют тщательной развязки с помощью конденсаторов (керамических, электролитических) и ферритовых бусин, чтобы предотвратить распространение ВЧ-шумов по цепям питания.

Правильное заземление в ВЧ-устройствах

Правильная организация «земли» (общий провод) является одним из наиболее критичных аспектов в ВЧ-проектировании. Некорректное заземление может стать источником серьезных проблем с помехами и стабильностью.

1. Отсутствие протяженных узких областей земляных полигонов:
   • На печатной плате необходимо избегать создания «островков» или «перешейков» земляного полигона между выводами компонентов. Такие узкие участки могут работать как ВЧ-антенны или создавать значительные индуктивные сопротивления для высокочастотных токов, нарушая целостность земляного слоя.
   • Эти области следует удалять (расширять) или соединять дополнительными переходными отверстиями (виасами) с основным земляным полигоном внутреннего слоя, чтобы обеспечить низкоимпедансный путь для ВЧ-токов.
2. Соединение неподсоединенных залитых областей:
   • Любые залитые области на печатной плате, не используемые для сигнальных цепей, должны быть соединены с земляным полигоном внутреннего слоя (или основного земляного слоя). Неподсоединенные «островки» могут действовать как паразитные антенны или конденсаторы, улавливая или излучая помехи.
3. Особенности заземления экранов кабелей:
   • Одностороннее заземление: Применяется для низкочастотных сигналов, чтобы избежать земляных петель. Экран кабеля заземляется только на одном конце.
   • Двухстороннее заземление: Для ВЧ-токов предпочтительнее двухстороннее заземление экранов кабелей. Это обеспечивает максимально низкий импеданс для ВЧ-токов и эффективное экранирование. Однако, при этом возрастает риск возникновения земляных петель на низких частотах, что может потребовать дополнительных мер (например, изоляции низкочастотной «земли»). Выбор зависит от компромисса между ВЧ-эффективностью и НЧ-помехами.

Трассировка печатных плат (RF PCB design)

Проектирование печатных плат для ВЧ-устройств (RF PCB) требует глубокого понимания принципов высокочастотной электродинамики, поскольку на частотах выше 100 МГц (а иногда и ниже) дорожки и компоненты начинают вести себя как распределенные параметры, а не как идеальные сосредоточенные элементы.

1. Учет работы на высоких частотах (обычно выше 100 МГц):
   • Линии передачи: Дорожки на плате должны рассматриваться как линии передачи. Их длина, ширина, толщина диэлектрика и наличие земляного слоя определяют волновое сопротивление. Несогласованность волнового сопротивления приводит к отражениям сигнала и стоячим волнам, вызывая потери и искажения.
   • Минимизация длины проводников: Чем короче ВЧ-проводники, тем меньше их паразитные индуктивности и емкости, что способствует стабильности и минимизации потерь.
   • Разделение ВЧ и НЧ цепей: ВЧ- и НЧ-цепи должны быть максимально разнесены друг от друга на плате.
2. Предотвращение отражений и искажений сигналов:
   • Согласующие резисторы (терминаторы): Для согласования волнового сопротивления линии передачи с сопротивлением нагрузки или источника используются согласующие резисторы. Они могут быть включены последовательно (для согласования выхода) или параллельно (для согласования входа).
   • Развязывающие конденсаторы: Критически важны для защиты низкочастотных/постоянных токов от ВЧ-шума и обеспечения стабильного питания. Они устанавливаются как можно ближе к выводам микросхем, имеют малую индуктивность и низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Используются параллельно, чтобы шунтировать ВЧ-шумы на землю.

Минимизация источников помех и искажений

Борьба с помехами — это постоянная задача при разработке РПрУ. Помехи можно классифицировать по источнику происхождения:

1. Классификация источников помех:
   • Атмосферные помехи: Грозовые разряды, атмосферные шумы.
   • Промышленные установки (индустриальные помехи): Электродвигатели, сварочные аппараты, линии электропередачи, системы зажигания автомобилей, цифровые устройства.
   • Внутренние шумы самого приемника: Тепловые шумы компонентов, дробовые шумы, фликкер-шум, шумы гетеродина.
2. Методы борьбы с помехами:
   • Подавление шумов в источнике: Установка фильтров на источнике помех (например, сетевые фильтры, помехоподавляющие конденсаторы на коллекторных двигателях).
   • Создание нечувствительных к шумам приемников: Это достигается за счет:
     • Высокой избирательности (узкие фильтры).
     • Малого коэффициента шума.
     • Высокого динамического диапазона (линейность).
     • Применения специальных алгоритмов ЦОС (см. предыдущий раздел).
   • Минимизация передачи шумов через канал связи:
     • Экранирование: Изоляция чувствительных цепей и всего корпуса приемника от внешних полей.
     • Заземление: Правильная организация земляных шин и полигонов.
     • Балансировка: Использование балансных линий и дифференциальных усилителей для подавления синфазных помех.
     • Фильтрация: Применение полосовых, режекторных и фильтров нижних/верхних частот.
     • Изоляция: Гальваническая развязка цепей.
     • Разнесение и ориентация элементов: Физическое удаление чувствительных цепей от источников помех, правильная ориентация индуктивностей для минимизации взаимных наводок.
     • Регулировка величины полного сопротивления схемы: Оптимизация импедансов для уменьшения наводок.
     • Правильный выбор кабелей: Использование экранированных кабелей, витых пар.

Оптимизация систем электропитания для ВЧ приемопередатчиков

Система электропитания является потенциальным источником значительных помех для ВЧ-узлов. Шум, проникающий из цепей питания, может модулировать полезный сигнал или вызывать нестабильность.

1. Использование линейных стабилизаторов напряжения (LDO):
   • В отличие от импульсных стабилизаторов, LDO-стабилизаторы генерируют значительно меньше шума на выходе. Они обеспечивают чистое и стабильное напряжение, что критически важно для питания чувствительных ВЧ-каскадов, гетеродинов и АЦП.
   • Выбор LDO с высоким коэффициентом подавления пульсаций по питанию (PSRR) и низким собственным шумом.
2. Ферритовые фильтры (ферритовые бусины):
   • Устанавливаются в цепях питания перед чувствительными компонентами. Ферритовые бусины представляют собой индуктивность, которая значительно увеличивает импеданс на высоких частотах, эффективно подавляя ВЧ-шумы, проникающие по цепям питания, при минимальном влиянии на постоянный ток.
   • Правильный подбор ферритовых бусин по частотной характеристике импеданса и токовой нагрузке.

Тщательное следование этим рекомендациям по конструированию и монтажу позволяет создать устойчивое, надежное и высокопроизводительное радиоприемное устройство, способное эффективно функционировать в условиях реального эфира.

Заключение

В рамках данной курсовой работы была выполнена комплексная задача по разработке и расчету радиоприемного устройства для коротковолнового (КВ) диапазона. Мы последовательно прошли все ключевые этапы проектирования, начиная с теоретических основ и заканчивая детальными рекомендациями по конструированию и монтажу высокочастотных узлов.

Было дано четкое определение РПрУ, рассмотрены основные принципы его классификации и обоснован выбор супергетеродинной архитектуры как наиболее оптимальной для КВ диапазона, особенно при приеме SSB и CW сигналов. Проведен анализ специфики КВ диапазона, включая особенности распространения радиоволн и необходимость учета «ночных» и «дневных» поддиапазонов.

Ключевым этапом стал детальный предварительный расчет, в ходе которого были определены требования к таким фундаментальным характеристикам, как чувствительность, избирательность и динамический диапазон. Особое внимание уделено роли коэффициента шума и формуле Фрииса для его расчета, а также методикам подавления помех по зеркальному и соседнему каналам.

Наиболее объемной частью работы стал покаскадный электрический расчет функциональных узлов приемника: УВЧ, смесителя, гетеродина, УПЧ, детектора и УНЧ. Для каждого узла были представлены не только принципы работы, но и обоснование выбора элементной базы (например, микросхемы SA612A для смесителя), а также специфические математические модели и алгоритмы, необходимые для определения параметров контуров и режимов работы транзисторов.

Не менее важным аспектом стала оптимизация эксплуатационных характеристик и борьба с помехами. Рассмотрены методы регулировки полосы пропускания, частотной коррекции и оптимизации преселектора. Отдельное внимание уделено применению цифровой обработки сигнала (ЦОС) для снижения шумов и помех, что является одной из современных парадигм в радиотехнике.

Завершающий блок работы был посвящен обзору современных тенденций, таких как программно-определяемое радио (SDR) с его возможностями цифрового переноса частоты (DDC), а также программным средствам моделирования (MATLAB/Simulink, ADS, Multisim), которые позволяют существенно повысить эффективность проектирования. Наконец, были подробно изложены критически важные требования к конструированию и монтажу высокочастотных узлов, включая экранирование, правильное заземление, особенности трассировки печатных плат и минимизацию всех видов помех.

Практическая значимость данной курсовой работы заключается в предоставлении студентам исчерпывающего, структурированного и детализированного руководства, которое выходит за рамки стандартных академических требований. Полученные знания и навыки позволят будущим инженерам не только успешно спроектировать КВ радиоприемник, но и развить глубокое понимание принципов работы и особенностей реализации сложных радиотехнических систем. Перспективы дальнейших исследований включают углубление в разработку адаптивных алгоритмов ЦОС для динамической оптимизации приема, изучение новых архитектур SDR и применение более совершенных программных средств для многодоменного моделирования.

Список использованной литературы

1. А. Соболевский. Измерения при налаживании радиоприемника. Измерение чувствительности и избирательности. URL: http://www.radioland.net.ua/izmerenie-chuvstvitelnosti-i-izbiratelnosti/ (дата обращения: 29.10.2025).
2. Айбукс. MATLAB и SIMULINK для радиоинженеров. — 2-е изд., эл. URL: https://ibooks.ru/books/details?id=202868 (дата обращения: 29.10.2025).
3. Википедия. Программно определяемая радиосистема. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B3%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%BC%D0%BD%D0%BE-%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8F%D0%B5%D0%BC%D0%B0%D1%8F_%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0 (дата обращения: 29.10.2025).
4. Викиучебник. Понятие о помехах и методы борьбы с ними. URL: https://ru.wikibooks.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BD%D1%8F%D1%82%D0%B8%D0%B5_%D0%BE_%D0%BF%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%85%D0%B0%D1%85_%D0%B8_%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4%D1%8B_%D0%B1%D0%BE%D1%80%D1%8C%D0%B1%D1%8B_%D0%B3%D0%B8 (дата обращения: 29.10.2025).
5. Дьяконов В.П. Книга «MATLAB и SIMULINK для радиоинженеров». М.: ДМК Пресс, 2006. URL: https://dmkpress.com/catalog/electronics/radio/978-5-89818-616-6/ (дата обращения: 29.10.2025).
6. Журнал Радон. SDR — просто о сложном. URL: http://radon.org.ru/sdr-prosto-o-slozhnom/ (дата обращения: 29.10.2025).
7. Контур-М. Коэффициент шума. URL: http://www.konturm.ru/lib/tv/koef_noise.htm (дата обращения: 29.10.2025).
8. ПЛАНАР. Коэффициент шума. URL: https://www.planarmik.ru/useful/koefficient-shuma (дата обращения: 29.10.2025).
9. АО НПП «Автоматизированные системы связи». Цифровая обработка сигналов. URL: https://npp-as.ru/products/elektronnika/tsifrovaya-obrabotka-signalov/ (дата обращения: 29.10.2025).
10. Радионаблюдатель (SWL). Борьба с помехами радиоприему. URL: http://www.qrz.ru/articles/detail.phtml?id=439 (дата обращения: 29.10.2025).
11. Сайт Паяльник. Начальные сведения по ВЧ-дизайну. URL: https://cxem.net/beginner/design1.php (дата обращения: 29.10.2025).
12. Studfile.net. Метод измерения реальной чувствительности радиоприемного устройства. URL: https://studfile.net/preview/7343460/page:40/ (дата обращения: 29.10.2025).
13. Studfile.net. Предварительный расчет приемника. URL: https://studfile.net/preview/7343460/page:12/ (дата обращения: 29.10.2025).
14. Studfile.net. Расчет усилителя промежуточной частоты — Радиоприемные устройства. URL: https://studfile.net/preview/7343460/page:22/ (дата обращения: 29.10.2025).
15. Studfile.net. Регулировки в радиоприемных устройствах. URL: https://studfile.net/preview/7343460/page:51/ (дата обращения: 29.10.2025).
16. Studfile.net. Обеспечение избирательности приемника. URL: https://studfile.net/preview/7343460/page:15/ (дата обращения: 29.10.2025).
17. Studme.org. Супергетеродинный приемник — ОБЩАЯ ТЕОРИЯ СВЯЗИ. URL: https://studme.org/168903/informatika/supergeterodinnyy_priemnik (дата обращения: 29.10.2025).
18. Технологии в Электронной Промышленности. Изготовление ВЧ-экранов для печатных плат. URL: https://www.tech-e.ru/2012/03/izgotovlenie-vch-ekranov-dlya-pechatnyh-plat/ (дата обращения: 29.10.2025).
19. Хабр. Автономный SDR приёмник на ПЛИС. URL: https://habr.com/ru/articles/240755/ (дата обращения: 29.10.2025).
20. Хабр. Простой SDR приёмник на ПЛИС. URL: https://habr.com/ru/articles/202650/ (дата обращения: 29.10.2025).
21. Цифровая техника в радиосвязи. Чувствительность приемника. URL: https://digteh.ru/WLL/ChuvstvPrm.php (дата обращения: 29.10.2025).
22. Цифровая техника в радиосвязи. Избирательность приемника. URL: https://digteh.ru/WLL/ChastotIzbirat.php (дата обращения: 29.10.2025).
23. Электронный каталог DSpace ВлГУ. РАСЧЕТ И СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ РАДИО. URL: https://www.elib.vlsu.ru/bitstream/123456789/2250/1/119.pdf (дата обращения: 29.10.2025).
24. cyberleninka.ru. Чувствительность радиоприёмных устройств. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/chuvstvitelnost-radiopriemnyh-ustroystv/viewer (дата обращения: 29.10.2025).
25. cyberleninka.ru. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРЕСЕЛЕКТОРА ПО ПАРАМЕТРАМ ЭФФЕКТИВНОЙ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТИ. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/127-optimizatsiya-preselektora-po-parametram-effektiv-noy-izbiratelno/viewer (дата обращения: 29.10.2025).
26. cyberleninka.ru. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ РАДИОПРИЕМНИКА ИЗМЕРИТЕЛЬНО. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/modelirovanie-chastotnyh-preobrazovaniy-radiopriemnika-izmeritelno/viewer (дата обращения: 29.10.2025).
27. COMPEL. Оптимизация систем электропитания для сигнальных цепей. Часть 3. Радиочастотные приемопередатчики. 2021. №4. URL: https://www.compel.ru/lib/ne/2021/4/2-9-optimizatsiya-sistem-elektropitaniya-dlya-signalnyh-tsepey-chast-3-radiochastotnye-priemoperedatchiki/ (дата обращения: 29.10.2025).
28. Радиосканер.Ру. Уменьшение электромагнитных помех: 5 подсказок. URL: https://www.radioscanner.ru/info/article001.html (дата обращения: 29.10.2025).
29. ELTECH. Некоторые способы уменьшения электромагнитных помех. URL: https://www.eltech.ru/ru/news/nekotorye-sposoby-umensheniya-elektromagnitnyh-pomeh (дата обращения: 29.10.2025).
30. WL. Шумы и помехи в радиоканалах. URL: http://www.radiovl.ru/docs/wireless/15-noises.pdf (дата обращения: 29.10.2025).
31. VIASION. Проектирование печатных плат ВЧ-устройств: практическое руководство для инженеров. URL: https://viasion.com/ru/rf-pcb-design-guide/ (дата обращения: 29.10.2025).
32. SMD.ru. СВЧ экраны электромагнитного экранирования на печатную плату. URL: https://smd.ru/katalog/s-v-ch-ekrany-elektromagnitnogo-ekranirovaniya/ (дата обращения: 29.10.2025).
33. АВОК. Заземление экрана. URL: https://www.abok.ru/forum/index.php?showtopic=4818&st=140 (дата обращения: 29.10.2025).
34. cna.susu.ru. Проектирование и моделирование СВЧ-устройств в MATLAB R2010. 2015. URL: https://www.cna.susu.ru/files/2015/03/Mod.doc (дата обращения: 29.10.2025).
35. cna.susu.ru. СОДЕРЖАНИЕ 1. Общие указания по проектированию. 2015. URL: https://www.cna.susu.ru/files/2015/03/TSAR.doc (дата обращения: 29.10.2025).
36. КВАРЦ. Проектирование радиоприемных устройств на базе аналоговых блоков. 2004. №11. URL: https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/1032/1/kvar_2004_11.pdf (дата обращения: 29.10.2025).
37. MathWorks. Matlab и Simulink в радиоизмерениях. URL: https://www.mathworks.com/products/communications-system-toolbox/sdr-and-usrp.html (дата обращения: 29.10.2025).