Оптимизация динамического диапазона радиоприемника по интермодуляции третьего порядка

Получено аналитическое выражение динамического диапазона радиоприемника (РПМ) по интермодуляции третьего порядка, позволяющее определить зависимости величин динамического диапазона РПМ и его чувствительности от соотношения параметров последовательно включенных каскадов. Даны рекомендации по выбору оптимальных параметров последовательно включенных каскадов, обеспечивающих максимум величины динамического диапазона, максимум чувствительности или минимум суммарного ухудшения чувствительности и динамического диапазона.

Вопросу оптимизации динамического диапазона РПМ по интермодуляции третьего порядка посвящен ряд работ [1-5]. Однако в них недостаточно полно определены зависимости величин динамического диапазона и чувствительности РПМ от соотношения параметров последовательно включенных каскадов высокочастотного тракта РПМ. Для выявления этих зависимостей найдем, как и в [3], аналитическое выражение динамического диапазона по интермодуляции третьего порядка для л последовательно включенных каскадов высокочастотного тракта РПМ без учета их частотно-избирательных свойств:

где Dи = Uи/Umin - динамический диапазон РПМ; Uи - уровень восприимчивости РПМ к интермодуляционным помехам (верхняя граница динамического диапазона); Umin - чувствительность РПМ (нижняя граница динамического диапазона); Umin i, Dи i и Ki - чувствительность, динамический диапазон и коэффициент передачи отдельных каскадов.

Выразим Umin через Umin i и после несложных преобразований приведем выражение (1) к виду, удобному для проведения анализа:

Сомножители в квадратных скобках характеризуют изменение величины динамического диапазона РПМ в зависимости от соотношения параметров двух соседних последовательно включенных каскадов. Структура этих сомножителей такова, что при любых соотношениях параметров соседних каскадов величина сомножителей меньше единицы. Слагаемые в обеих квадратных скобках содержат два вида соотношений параметров Dит/Dи i+1 и Umin i/Ki-1 Umin i-1. Следует отметить, что возможности по управлению величиной динамического диапазона РПМ путем изменения соотношенийD_{и 1} / D_{и i+1} ограничены и во многих случаях для реальных высокочастотных трактов выполняется условие

(3)

Где D_{и k} - динамический диапазон отдельного каскада

В связи с этим, а также для сокращения объема данной статьи определим зависимости величины динамического диапазона РПМ от соотношения U_{min i} /K_i-1 * U_{min i-1} при выполнении условия (3). Положим

С учетом (3) и (4) выражение (2) принимает вид

Коэффициент r представляет собой отношение чувствительности (нижней границы динамического диапазона) последующего каскада к минимально возможному уровню сигнала (уровню шумов) на выходе предыдущего каскада. В реальных высокочастотных трактах чувствительность последующих каскадов в результате соответствующего их подбора может быть ниже, равна или выше уровня шумов предыдущего каскада, т. е. по физическому смыслу коэффициент г представляет собой коэффициент согласования нижних границ динамических диа-пазонов каскадов, применяемых в трактах РПМ.

Выбор необходимого (реально применимого) коэффициента согласования при проектировании РПМ должен определяться допустимым снижением чувствительности первого каскада. На рисунке приведены результаты расчетов зависимостей изменения динамических диапазонов и чувствительностей трактов относительно аналогичных параметров первого (отдельного) каскада (дельта D=Dи/Dиh и дельта Umin = Umin/Umin i) от величины г для высокочастотных трактов РПМ с n = 2, 3 и 4.

Из рисунка видно, что с увеличением r чувствительность трактов снижается, а величина динамических диапазонов вначале возрастает и достигает максимальных значений при r=1, т. е. величина r=1 является оптимальной по критерию максимума величины динамического диапазона РПМ. Снижение чувствительности РПМ при этом равно 3; 5 и 6 дБ соответственно при п = 2, 3 и 4. При дальнейшем увеличении коэффициента согласования снижаются и чувствительность, и динамический диапазон РПМ, т. е. анализировать зависимость при r >1 не имеет смысла.

Построение высокочастотных трактов с коэффициентом согласования r=1, несмотря на снижение чувствительности радиоприемников относительно чувствительности первых каскадов, можно рекомендовать для РПМ, которые проектируются на заданную (не максимально возможную) чувствительность и к которым предъявляются требования по достижению максимально возможной величины динамических диапазонов. В данном случае первый каскад РПМ должен иметь необходимый запас по чувствительности (3; 5 и 6 дБ) относительно заданной чувствительности РПМ.

Наиболее строгие ограничения на допустимую величину снижения чувствительности будут иметь место в том случае, когда РПМ проектируется заведомо на максимально возможную чувствительность (например, РЛС дальнего обнаружения). Снижение чувствительности не более чем на 0,5 дБ получается при r<=0,3; при r=0,3 обеспечивается с заданной погрешностью (0,5 дБ) максимум чувствительности РПМ.

Снижение динамического диапазона в этом случае равно 7, 14 и 22 дБ соответственно при n = 2, 3 и 4.

Построение высокочастотного тракта с коэффициентом согласования менее 0,3 нецелесообразно, так как чувствительность РПМ при этом повышается незначительно (менее 0,5 дБ), а динамический диапазон резко снижается.

Характер зависимостей дельта D [дБ] и дельта U min [дБ] позволяет выбрать такое значение коэффициента согласования r, при котором обеспечиваются минимальные потери чувствительности и динамического диапазона одновременно. Для определения этого значения на рисунке приведены результаты расчетов зависимостей суммарного ухудшения величины чувствительности и динамического диапазона РПМ (дельта U mi n + |AD |) от величины коэффициента согласования. Из графиков видно, что значения n = 0,65; 0,74; 0,8 соответственно при n = 2, 3 и 4 являются оптимальными по минимуму суммарного ухудшения чувствительности и динамического диапазона.

С достаточной для практики точностью в высокочастотных трактах с числом каскадов n = 2-4 можно рекомендовать единое значение коэффи­ циента согласования по этому критерию r = 0,7.

Значения динамических диапазонов и чувствительностей РПМ при числе каскадов n= 2, 3 и 4 будут при этом снижены соответственно на 4,5; 7,5; 10 дБ и 1,5; 2,5; 3 дБ. Оптимальное значение коэффициента согласования по минимуму суммарного ухудшения величин динамического диапазона и чувствительности РПМ можно рекомендовать для большинства РПМ, которые проектируются не на максимально возможную чувствительность.

Практическое осуществление согласования каскадов по динамическим диапазонам заключается в подборе соответствующих каскадов, параметры которых обеспечат выбранный (исходя из особенностей назначения радиоприемников) коэффициент согласования и требуемые значения параметров РПМ, установленные в нормативно-технических документах. Параметры каскадов при этом должны удовлетворять следующим условиям:

Umim = Umin т— дельта Umin ;
Dи. k= D и. t — дельта D ;
Umin n = rKn - 1Umin n -1, где

дельта Umin т, дельта D и .т—требуемые значения параметров РПМ; дельта U min , дельта D — необходимое превышение параметров первого (отдельного) каскада над требуемыми параметрами РПМ.

Значения дельта D , дельта U min при одинаковых динамических диапазонах применяемых каскадов для различных значений коэффициентов согласования и числа каскадов n=2, 3 и 4 приведены в таблице.

Список литературы

1. Курушин А. А., Кекшев В. Б. Радиотехника, 1981, т. 36, № 8.
2. Голубев В. Н. Эффективная избирательность радиоприемных устройств.— М.: Связь, 1978.
3. Солонников В. А., Арустамов Г. А. Вопросы радиоэлектроники, 1973, вып. 11.
4. Щербаков Ю. Ф. Вопросы радио электроники, 1972, вып. 2.
5. Ли За Сон. Радиотехника и электроника, 1983, т. XXVIII, № 1.

Поступила после доработки 23 апреля 1984 г.