Tребования, предъявляемые к укв радиостанции.

Tребования, предъявляемые к УКВ-радиостанции.

Для того чтобы сформулировать требования, предъявляемые к любительской УКВ радиостанции, необходимо ответить на вопрос: от чего зависит эффективность такой радиостанции и каковы пути ее повышения.

Для любого вида связи, в том числе и для радиосвязи на УКВ, характерны потери сигнала на пути следования и наличие внешних и внутренних помех.

Рассмотрим, от чего зависят потери на радиолинии. Для упрощения будем считать, что распространение радиоволн происходит в свободном пространстве, т. е. на пути следования радиоволн от корреспондента к корреспонденту отсутствуют их поглощение и переотражение. Подобный случай характерен для радиосвязи в космическом пространстве, а также с небольшими поправками для наземной радиосвязи в пределах прямой видимости. К тому же при всех прочих видах распространения ультракоротких волн потери на радиолинии можно разделить на потери свободного пространства и дополнительные потери, присущие данному виду распространения.

Предположим, что один из корреспондентов использует антенну, одинаково излучающую во все стороны (так называемый изотропный излучатель). Тогда на расстоянии r излучаемая передатчиком мощность Р_пер равномерно распределится по поверхности сферы (рис. 1), имеющий площадь . В результате на вход приемника второго корреспондента попадает сигнал мощностью:

рис. 1

В случае, если передающая антенна обладает направленными свойствами, мощность принимаемого сигнала возрастет и потери будут равны:

, где Gпер — коэффициент усиления передающей антенны.

Из полученной формулы можно сделать важный вывод — эффективность антенны зависит от ее площади, т. е. для поддержания эффективности антенны надо сохранять ее площадь независимо от рабочей длины волны. Об этом часто забывают при освоении высокочастотных диапазонов. Если использовать один и тот же тип антенны (например, восьмиэлементный волновой канал) для диапазонов 144 и 432 МГц, то на верхнем диапазоне мы получим проигрыш в 9 раз. Для диапазона 1296 МГц этот проигрыш составит уже 81 раз, т.е. для получения тех же потерь на линии нужно или у одного из корреспондентов установить систему из 81 антенны “волновой канал”, или у обоих установить по девять таких антенн. Это, в частности, следует из формулы:

Видно, что при неизменной конструкции антенны, а следовательно, неизменном коэффициенте усиления потери L растут при уменьшении длины волны в квадратичной зависимости. Единственная мера борьбы — это повышение коэффициента усиления антенн. Не следует, однако, забывать о том, что при повышении коэффициента усиления сужается диаграмма направленности, узконаправленные антенны не облегчают радиосвязь на УКВ.

Действительно, на коротких волнах, где в основном используются слабонаправленные антенны, для установления радиосвязи необходимо выполнение двух условий — совпадение времени работы в эфире и совпадение частот (мы не берем в расчет условий прохождения радиоволн). На УКВ к этим условиям добавляется еще одно — антенны двух корреспондентов должны быть направлены друг на друга.

Рассмотрим теперь, от чего зависит дальность радиосвязи на УКВ. Для повышения дальности необходимо увеличивать размеры антенн. Это, конечно, очень трудоемкий путь, однако это единственный способ, практически не имеющий ограничений. Второй способ повышения дальности — это увеличение мощности передатчика. Однако максимальная мощность любительского передатчика определена соответствующим разрешением и не должна превышать 5 Вт. И, наконец, третий способ — это повышение чувствительности приемника. Здесь наши возможности в конечном счете ограничены внешними шумами и помехами, такими как индустриальные помехи, космические шумы и тепловые шумы, излучаемые атмосферой и земной поверхностью.

Для того, чтобы оценить предельные возможности радиостанции, удобно ввести понятие ее “энергетического потенциала”. Энергетический потенциал численно равен максимально допустимому значению потерь (в децибелах) на трассе распространения сигнала при связи с однотипной радиостанцией. Рассмотрим подробнее, как он определяется и от чего зависит.

Прежде всего определим минимальную мощность сигнала, который необходимо подвести ко входу приемника. При отсутствии внешних помех чувствительность определяется уровнем собственных шумов, который для удобства расчетов обычно приводится ко входным зажимам приемника.

Для оценки интенсивности собственных шумов приемника обычно пользуются единицами kT₀. Здесь k — постоянная Больцмана (1,38*10 ^-23 Дж/град), а T₀ — температура окружающей среды (около 300 К). Таким образом, 1 kT₀ = 4*10^-21 Вт/Гц. Термин “интенсивность” в данном случае применяется потому, что данная единица характеризует не просто приведенную мощность входных шумов, а мощность, отнесенную к полосе пропускания. Это очень удобно, так как не надо каждый раз оговаривать полосу пропускания приемника, как это потребовалось бы при оценке шумов в единицах мощности — ваттах. В этом смысле еще больше неудобств доставляет пользование единицами напряжения — микровольтами, так как в данном случае надо еще указывать входное сопротивление приемника. Так, например, ответить на вопрос, какой приемник лучше — имеющий чувствительность 1 мкВ или 2 мкВ, можно только после того, как будут оговорены входные сопротивления и полосы пропускания данных приемников. Единица kT₀ имеет строго определенный физический смысл — такие тепловые шумы генерирует активное сопротивление, нагретое до температуры T₀. Если сопротивление, равное входному, подключить ко входу идеального приемника, то мощность шумов, приведенная ко входу, будет равна 1 kT₀. В реальном приемнике к шумам внешнего сопротивления добавятся собственные шумы, поэтому чувствительность реального приемника всегда больше 1 kT₀. Числовой коэффициент, стоящий перед kT₀, называется коэффициентом шума приемника. Он обозначается буквой F. Мощность собственных шумов приемника, приведенную ко входу, можно определить, пользуясь формулой:

Например, интенсивность шумов приемника описываемой радиостанции в диапазоне 144 МГц равна 1,8 kT₀ (т. е. собственные шумы равны 0,8 kT₀. Определим, чему это соответствует в долях ватта при полосе пропускания приемника 3000 Гц. В соответствии с проведенными рассуждениями собственные шумы приемника в ваттах, приведенные к его входу, будут равны:

Р_ш.вх = (1,8 – 1)*4*10^-21*3000 = 10 ^-17 Вт.

Теперь, когда известна мощность входных шумов, можно определить минимальное значение полезного сигнала. Для работы телеграфом при данной полосе пропускания пороговое значение сигнала может быть примерно в 10 раз меньше мощности шумов. Тогда мощность сигнала равна:

Р_С = 10 ^-18 Вт.

Пусть мощность передатчика равна 5 Вт. Тогда без учета усиления антенн и при использовании на другом конце линии аналогичной радиостанции допустимо максимальное ослабление на радиолинии в 5*10¹⁸ раз. Если для приема и передачи используются направленные антенны с усилением 10 раз, то допустимые потери возрастут до 5*10²⁰ раз, или 207 дБ. Таким образом, в разобранном примере энергетический потенциал радиостанции равен 207 дБ. Теперь нетрудно подсчитать, какова предельная дальность действия таких радиостанций в космическом пространстве для диапазона 144 МГц:

В обычных земных условиях в связи с кривизной земной поверхности потери на линии связи нарастают значительно быстрее. При стандартных условиях тропосферного распространения затухание 200 дБ соответствует расстоянию примерно 200—300 км. При благоприятных условиях дальность может увеличиваться до 400—500 км и более. Известны случаи, когда даже меньший энергетический потенциал радиостанции позволял перекрывать расстояния около 2000 км.

Рассмотрим теперь вопрос о помехоустойчивости радиостанции. Приведенный расчет энергетического потенциала сделан с учетом только внутренних помех, т. е. с учетом собственных шумов, возникающих в приемном устройстве. Однако часто предельная дальность радиосвязи определяется помехами внешнего происхождения, которые условно можно разделить на три основные группы — помехи от других радиостанций, импульсные помехи и шумовые помехи. Помехи, относящиеся к первой группе, появляются под действием мощных сигналов близко расположенных любительских радиостанций, а также под действием мощных сигналов телевизионных и радиовещательных передатчиков. В первом случае мешающий сигнал попадает в полосу пропускания усилителя высокой частоты, смесителя, а часто и в полосу пропускания последующих каскадов. Под действием мощной помехи меняется режим работы этих каскадов, что может привести к полному пропаданию полезного сигнала.

Меры борьбы с подобными помехами — это повышение линейности и возможно меньший коэффициент усиления каскадов, предшествующих узкополосному фильтру.

Помехи от телевизионных передатчиков могут непосредственно воздействовать на входной каскад УВЧ и проникать по так называемым комбинационным каналам. Рассмотрим практический пример. Конвертер диапазона 144 — 146 МГц имеет промежуточную частоту 4 — 6 МГц и, следовательно, частоту собственного гетеродина 140 МГц. Если выходная частота гетеродина получена путем удвоения частоты 70 МГц, то при недостаточной фильтрации на смеситель неизбежно попадет и утроенная частота 210 МГц. При этом образуется паразитный канал приема на частотах 214 — 216 МГц, которые лежат в пределах 11-го телевизионного канала. По этой причине, например, большинство конвертеров, имеющих промежуточную частоту 4 — 6 МГц, непригодны для эксплуатации в условиях Москвы. Меры борьбы с подобными помехами — повышение качества гетеродина и улучшение селективности УВЧ.

Помехи, относящиеся ко второй группе, — импульсные помехи более характерны для городских условий. Это помехи от систем зажигания автомобилей, от коллекторных электродвигателей, от искрения контактных проводов трамваев и троллейбусов, а также от большого количества прочих источников. Если импульсные помехи хорошо выделяются на фоне шумов в виде отчетливых щелчков или тресков, то в таком случае достаточно эффективно помогают различного рода ограничители амплитуды. В условиях большого города импульсные помехи от многих источников сливаются в сплошной шум, который “на слух” воспринимается как шум теплового происхождения. Импульсные помехи такого вида непосредственно примыкают к помехам, относящимся к третьей группе, т. е. к шумам различного происхождения. Как уже указывалось, это могут быть шумы космического происхождения (прежде всего Солнца), а также тепловые шумы, излучаемые атмосферой и земной поверхностью. На большом удалении от города именно эти шумы определяют предельную чувствительность радиостанции. При антенне, направленной на горизонт, интенсивность таких шумов составляет примерно 1 kT₀. В условиях города интенсивность шумов может возрастать в десятки и даже сотни раз. К сожалению, принципиально отсутствуют методы борьбы с помехами такого рода. Единственно, что можно делать, — это по возможности сужать полосу пропускания приемника. Однако особенности человеческого уха таковы, что даже при приеме телеграфных сигналов не имеет смысла делать полосу пропускания приемника уже 500—1000 Гц.

Подводя итог сказанному, можно сделать вывод, что радиолюбителям, живущим в благоприятной помеховой обстановке, следует обратить основное внимание на уменьшение собственных шумов приемника. При этом можно ориентироваться на цифру 2 kT₀ (с учетом потерь в фидере), так как дальнейшее снижение шумов уже не даст большого выигрыша. Важно также, чтобы радиостанция обеспечивала наиболее эффективные виды работы телеграф и SSB.

При разработке описываемой здесь радиостанции была предпринята попытка найти компромисс между чувствительностью, селективностью и простотой конструкции. Так, для получения заданной чувствительности было использовано минимальное количество каскадов усиления, были приняты меры по повышению спектральной чистоты гетеродинных трактов. В радиостанции в основном отсутствуют дефицитные детали. При изготовлении радиостанции требуется минимальный объем слесарных работ.

Далее >> (Функциональная схема)