УПРАВЛЯЕМЫЙ ПРЕСЕЛЕКТОР, СОВМЕЩЕННЫЙ С МАГНИТНОЙ ФЕРРИТОВОЙ АНТЕННОЙ
CONTROLLED PRESELECTOR INTEGRATED WITH MAGNETIC FERRITE ANTENNA

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при построении входных цепей программно-определяемых радиоприемных устройств.
Качественные характеристики радиоприемного устройства могут быть значительно улучшены благодаря использованию входного перестраиваемого преселектора. Такой преселектор должен иметь фиксированную полосу пропускания во всем диапазоне перестройки, минимальное число регулируемых компонентов. Использование преселектора позволяет уже во входном тракте значительно ослабить влияние нежелательных сигналов от мешающих радиостанций, помех по зеркальному каналу, промышленных помех, которые могут стать причиной появления интерференционных помех. Особенно сильное влияние возникающие интерференционные помехи оказывают на полезные сигналы, использующие квадратурную (многофазную) амплитудную модуляцию (см. Архипкин В.Я., Мешковский К.А. Сравнительная помехозащищенность систем связи с широкополосными и узкополосными сигналами. Информация и космос, №3, 2004, с.23), которая широко используется в современных методах цифровой связи.
Из заявки на патент США №2001/0036811 (опубликована 01.11.2001; H03J 5/24) известно устройство, в котором для управления частотой настройки магнитной ферритовой антенны используется параллельный контур с набором емкостей, подключение которых к контурной катушке при настройке приемника осуществляется с помощью электронных ключей (см. Фиг.3 указанной заявки). Похожее решение использовано в патенте США №4403347 (опубликован 06.09.1983; H03F 3/193, H03G 3/18, H03G 3/20, H03G 3/30, H03J 3/06, H03J 3/20, Н04В 1/18), за исключением того, что вместо электронной коммутации емкостей использован конденсатор переменной емкости.
Известно устройство согласно патенту США №4805232 (опубликован 14.02.1989; H01Q 5/00, H01Q 7/00, H04B 1/18), в котором для управления частотой настройки используются варикапы, подключаемые к контурной катушке магнитной антенны.
Недостатком перечисленных устройств является необходимость использования усилительного каскада с высоким входным сопротивлением; тем самым обеспечивается минимальное шунтирование параллельного контура входным сопротивлением усилительного каскада. Однако высокоимпедансные каскады особенно чувствительны к наводкам и промышленным помехам, которые принимаются ферритовой антенной.
Известно техническое решение (Задорожный С.М. Подавление синфазной помехи радиоприему. Радиоаматор, №1, Киев, 2008), в котором подавление синфазной помехи осуществляется за счет применения симметричной входной цепи, образованной параллельным контуром и балансным трансформатором. Однако при таком решении удается добиться лишь частичного подавления синфазной помехи несмотря на стабилизацию рабочей точки входных истоковых повторителей.
Наиболее близким к предлагаемому решению является ферритовая антенна со сдвоенной катушкой, описанная в патенте США №6529169 (опубликован 04.03.2003; G08B 13/24, H01Q 7/08), содержащая ферритовый стержень, две катушки, расположенные на концах ферритового стержня, перестраиваемый конденсатор, подключенный параллельно катушкам, согласующий трансформатор, предварительный усилитель, причем внешние концы катушек подключены к перестраиваемому конденсатору, а внутренние концы - к первичной обмотке согласующего трансформатора, выход которого подключен к входу предварительного усилителя.
Недостатком прототипа является использование достаточно высокоомных катушек, которые вместе с ферритовым сердечником образуют для сетевых наводок низкочастотный автотрансформатор, напряжение с которого поступает вместе с полезным сигналом на вход высокоимпедансного предварительного усилителя на полевых транзисторах, создавая тем самым условия для возникновения интермодуляционных помех. Такое явление используется, например, для простейших схем дистанционного управления с помощью магнитной петли (см. Войцеховский Я. Дистанционное управление моделями. Пер. с польского, под ред. А.П. Павлова и Н.Н. Путятина. М.: «Связь», 1977, с.20, рис.2.1.а). На магнитную петлю, выполненную в виде одножильного провода, проложенного по периметру зоны ответственности, от усилителя низкой частоты поступают команды управления на частотах в несколько сотен герц. Приемное устройство представляет собой ферритовую антенну, катушка которой подключается к другому усилителю низкой частоты. Благодаря электромагнитной индукции в катушке ферритовой антенны наводится напряжение с частотой передаваемых команд. Сходные процессы происходят в условиях городской застройки, пронизанной тысячами проводов промышленной питающей сети, помехи которой из-за явления электромагнитной индукции наводятся на катушках ферритовых антенн.
При необходимости изменения поддиапазона принимаемых волн в известном устройстве требуется использовать дополнительные катушки или отводы от имеющихся катушек непосредственно на ферритовой антенне, что не является технологичным при массовом производстве.
В случае использования варактора в качестве перестраиваемого конденсатора нарушается симметрия входной цепи и ее балансировка относительно синфазных помех.
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков устройств, известных из области техники, уменьшение интермодуляционных помех, создаваемых низкочастотными наводками промышленной сети.
Указанная задача решается тем, что известное устройство, содержащее ферритовый стержень, две катушки, расположенные на концах ферритового стержня, перестраиваемый конденсатор, подключенный управляющим входом к выходу схемы управления настройкой, согласующий трансформатор, предварительный усилитель, выход которого является выходом преселектора, а балансный вход которого подключен к выходной (вторичной) обмотке согласующего трансформатора, дополнительно содержит второй перестраиваемый конденсатор, подключенный своим управляющим входом к выходу схемы управления, и две дополнительные катушки индуктивности, причем первые выводы перестраиваемых конденсаторов подключены к общей шине, а вторые выводы перестраиваемых конденсаторов подключены соответственно к первым выводам дополнительных катушек индуктивности, вторые выводы дополнительных катушек индуктивности подключены соответственно к внутренним выводам катушек, расположенных на ферритовом стержне, внешние выводы катушек, расположенных на ферритовом стержне, подключены соответственно к выводам первичной обмотки согласующего трансформатора, средняя точка первичной обмотки согласующего трансформатора подключена к общей шине, при этом каждая из катушек, расположенных на ферритовом стержне, представляет собой один или более последовательно соединенных плоских витков.
В качестве перестраиваемых конденсаторов могут использоваться дискретные перестраиваемые конденсаторы, варакторы и др.
Далее изобретение более подробно раскрывается со ссылкой на фигуры, на которых представлены варианты осуществления изобретения.
На Фиг.1 представлена структурная схема управляемого преселектора, совмещенного с магнитной ферритовой антенной, при использовании дискретного перестраиваемого конденсатора.
На Фиг.2 представлена структурная схема управляемого преселектора, совмещенного с магнитной ферритовой антенной, при использовании в качестве перестраиваемого конденсатора варактора.
На Фиг.3 представлена конструкция одновитковых катушек, их расположение на ферритовом стержне, а также способ их подключения и крепления к печатной плате.
Управляемый преселектор, совмещенный с магнитной ферритовой антенной, содержит:
2
1 - микроконтроллер. Осуществляет управление передачей данных по шине данных, например IC или SPI. Может быть использован микроконтроллер общего назначения, например с ядром ARM Cortex-M3 серии LPC1700 фирмы NXP Semiconductors. Значение формируемого кода данных определяет значение емкости перестраиваемых конденсаторов.
2
2 - регистр. Осуществляет прием и хранение цифрового кода, посылаемого с микроконтроллера по шине данных. Имеет свой уникальный адрес. Может быть использован, например, 16-ти разрядный регистр РСА9535 для шины данных IC от фирмы NXP Semiconductors.
3 - схема управления настройкой. Формирует на своем выходе цифровой код согласно варианту осуществления изобретения, отображенному на Фиг.1, или аналоговое напряжение согласно варианту, отображенному на Фиг.2, которые управляют величиной емкости перестраиваемых конденсаторов 4 и 5.
4, 5 - перестраиваемые конденсаторы. Конденсаторы, значение емкости которых меняется в зависимости от управляющего воздействия (цифрового кода или напряжения).
6, 7 - управляемые цифровым кодом аналоговые ключи. Могут быть использованы, например, ключи типа ADG811 компании Analog Devices, обладающие сверхнизким замыкающим сопротивлением, достигающим значения менее 0,8 Ом.
N-1
8, 9 - банк конденсаторов, значение емкостей которых распределено по двоичному закону: 2·C, где N=1, 2, 3… - целое число, равное количеству разрядов управляющего кода.
A
10 - одновитковые катушки L. Располагаются на ферритовом стержне. Выполняются из тонкой листовой меди (фольги).
A
11 - катушка индуктивности L′. Дополнительная высокодобротная катушка индуктивности. Может быть выполнена на броневом или тороидальном сердечнике.
B
12 - катушка индуктивности L′. Дополнительная высокодобротная катушка индуктивности. Может быть выполнена на броневом или тороидальном сердечнике.
B
13 - одновитковые катушки L. Располагаются на ферритовом стержне. Выполняются из тонкой листовой меди (фольги).
14 - ферритовый стержень. Выбирается в зависимости от рабочего диапазона частот. Для частот длинноволнового и средневолнового диапазона может быть применен феррит марки 400НН или 600НН. Для более высокочастотных диапазонов может быть применен феррит марки 150ВЧ или комбинации ферритовых стержней разной магнитной проницаемости (см. Хомич В.И. Приемные ферритовые антенны. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963; патент РФ №2256264 (опубликован 10.07.2005; H01Q 7/08)).
15 - согласующий трансформатор. Осуществляет согласование импедансов контурных катушек ферритовой антенны и предварительного дифференциального усилителя. Может быть выполнен в виде ВЧ-трансформатора, например, типа TT25-1-SMD фирмы Mini-Circuits или другого типа в зависимости от требуемого рабочего диапазона частот.
16, 17, 18, 19 - резисторы. Определяют коэффициент усиления и входное сопротивление симметричного дифференциального усилителя.
20 - предварительный усилитель. Осуществляет усиление полезного сигнала с одновременным подавлением синфазной помехи.
21 - симметричный операционный усилитель. Может быть использован, например, операционный усилитель типа THS 4520 фирмы Texas Instruments.
22 - цифроаналоговый преобразователь. Осуществляет прием цифрового кода с шины данных и преобразование его в напряжение, пропорциональное значению цифрового кода. Может быть использован, например, цифроаналоговый преобразователь из состава микросхемы PCF 8591 компании NXP Semiconductors.
23, 25 - варакторы. Представляют собой p-n переход, емкость которого определяется величиной обратного напряжения смещения, прикладываемого к переходу. Могут быть использованы, например, варакторы типа 1SV149 фирмы Toshiba или ВВ202 компании NXP Semiconductors.
24 - согласующий резистор. Служит для предотвращения шунтирования низким выходным сопротивлением цифроаналогового преобразователя емкостного элемента (варактора) колебательного контура. Имеет значение 100÷200 кОм.
26 - подстроечный резистор. Служит для балансировки варакторов с целью компенсации технологического разброса их номинальных емкостей. Имеет значение 100÷200 кОм.
27 - плоский ферритовый стержень. Также может использоваться ферритовый стержень круглого сечения.
A
B
28 - одновитковые катушки L и L.
29 - контактная площадка на печатной плате.
30 - печатная плата.
31 - переходные металлизированные отверстия печатной платы. Обеспечивают вместе с печатными проводниками последовательное соединение соседних одновитковых катушек.
Работа управляемого преселектора, совмещенного с магнитной ферритовой антенной, происходит следующим образом. Магнитная составляющая электромагнитной волны полезного сигнала наводит в ферритовом сердечнике 14 высокочастотное магнитное поле, которое благодаря высокой магнитной проницаемости ферритового сердечника концентрируется по величине и за счет явления электромагнитной индукции наводит в одновитковых катушках 10 и 13 высокочастотное напряжение, которое прикладывается, с одной стороны, к первичной обмотке согласующего трансформатора 15, а с другой стороны - к высокодобротным катушкам индуктивности 11 и 12. Перестраиваемый конденсатор 5, подключенный к катушке индуктивности 11, которая, в свою очередь, последовательно соединена с катушкой 10, подключенной к согласующему трансформатору 15, образуют первый последовательный колебательный контур. Аналогично, перестраиваемый конденсатор 4 вместе с катушками 12 и 13, а также согласующим трансформатором 15 образуют второй последовательный колебательный контур. В случае когда резонансная частота указанных контуров совпадает с частотой принимаемого сигнала, сопротивление последовательных колебательных контуров достигает своего наименьшего значения, равного омическому сопротивлению последовательно включенных катушек и половине первичной обмотки согласующего трансформатора, а высокочастотный ток принимаемого сигнала в первичной обмотке согласующего трансформатора достигает своего максимального значения. Для других частот, при которых условия резонанса не соблюдаются, сопротивление последовательных колебательных контуров резко увеличивается, а ток в первичной обмотке согласующего трансформатора уменьшается. Таким образом, при изменении значения емкости перестраиваемых конденсаторов происходит симметричная (по двум каналам) настройка преселектора на нужную частоту.
Управление емкостью перестраиваемых конденсаторов может осуществляться как дискретно, в соответствии с вариантом, представленным на Фиг.1, так и с помощью варакторов, как показано на Фиг.2.
2
2
0
0
В первом случае, т.е. при дискретном управлении емкостью перестраиваемых конденсаторов, цифровой код, соответствующий частоте настройки приемника, поступает с микроконтроллера 1 по шине данных на вход регистра 2. В качестве шины передачи данных часто используется шина IC (см. The IC-Bus Specification. Version 2.1. 2000. Philips Semiconductors). Двоичный код с выхода регистра 2 затем поступает на цифровые входы управляемых аналоговых ключей 6 и 7. При нулевом значении кода 0000…00 все ключи разомкнуты и значение перестраиваемых конденсаторов определяется значением емкости C=C - некоторым дискретным значением емкости, выбор которого зависит от разрядности используемого двоичного кода и необходимого диапазона перестройки банка конденсаторов. При увеличении двоичного кода на единицу, что соответствует коду 0000…01, срабатывают аналоговые ключи 6 и 7 самых младших разрядов, величина емкости каждого из перестраиваемых конденсаторов становится равной C+C и т.д. В общем виде значение емкости перестраиваемых конденсаторов может быть представлено как:
где N=1, 2, 3… - число разрядов двоичного кода;
a
a
i
1
∈(1, 0) - значения разрядов двоичного кода,  - младший разряд.
Σ
0
0
Например, при N=8 величина емкости перестраиваемых конденсаторов C может изменяться от C при двоичном коде 0000…00 до (C+255·C) при двоичном коде 1111…11.
Во втором случае, при управлении емкостью перестраиваемых конденсаторов с помощью варакторов согласно Фиг.2, цифровой код, соответствующий частоте настройки приемника, поступает с микроконтроллера 1 по шине данных на вход цифроаналогового преобразователя 22, на выходе которого формируется положительное напряжение, пропорциональное значению двоичного кода. Это напряжение через резистор 24 и подстроечный резистор 26 поступает на катоды варакторов, аноды которых подключены к общей шине. При изменении напряжения от 1 до 8 В варакторы, например типа 1SV149, меняют свою емкость от 540 до 30 пФ.
Для уменьшения влияния технологического разброса параметров варакторов используется подстроечный резистор 26, с помощью которого можно в определенных пределах добиться большей идентичности характеристик изменения емкости варакторов в зависимости от приложенного напряжения.
Важной особенностью предлагаемого изобретения, особенно привлекательной для программно-определяемых приемников, является постоянство полосы пропускания преселектора при изменении частоты его настройки.
Как известно из Шебес М.Р., Каблукова М.В. Задачник по теории линейных электрических цепей. М.: Высш. шк., 1990, с.128, полоса пропускания любого контура определяется следующим выражением:
0
где Δf - полоса пропускания; Q - добротность; f - частота настройки.
Так как , а величина добротности Q для последовательного контура равна:
то выражение для Δf примет следующий вид:
K
K
Здесь R - активное сопротивление контура и его нагрузки (активное сопротивление контурных катушек 11, 10, 12, 13 и половины первичной обмотки согласующего трансформатора 15), L и C - индуктивность и емкость компонентов контура.
Так, для первого контура:
K1
11
10
15
R=R+R+R,
для второго контура:
K2
12
13
15
R=R+R+R.
Здесь:
K1
K2
R и R - активные сопротивления соответственно первого и второго контура;
11
12
R и R - активные сопротивления соответственно катушек индуктивности 11 и 12;
10
13
R и R - активные сопротивления соответственно катушек 10 и 13;
15
R - активное сопротивление половины первичной обмотки согласующего трансформатора 15.
K1
A
A
15
L=L′+L+L,
K2
B
B
15
L=L′+L+L.
Здесь:
K1
K2
L и L - индуктивность компонентов соответственно первого и второго контура.
A
B
L′ и L′ - индуктивность соответственно катушек индуктивности 11 и 12;
A
B
L и L - индуктивность катушек 10 и 13 соответственно.
K
Σ
C=C - величина емкости перестраиваемых конденсаторов 4 и 5.
Σ
K
Как следует из (1), полоса пропускания преселектора не зависит от значения емкости C, которая меняется в процессе настройки и определяется только величиной активного сопротивления R и значением индуктивности L. Это дает возможность, в отличие от прототипа, устанавливать необходимую полосу пропускания выбором величины индуктивности катушек индуктивности 11, 12. Постоянство полосы пропускания позволяет в программно-определяемых приемниках установить твердые границы для дальнейшей цифровой полосовой фильтрации в процессоре сигнальной обработки.
0
Высокочастотное напряжение, прикладываемое к первичной обмотке согласующего трансформатора 15, с коэффициентом трансформации k передается во вторичную обмотку и поступает затем на дифференциальный вход симметричного операционного усилителя 20.
0
Оптимальное значение коэффициента трансформации k определяется следующим соотношением (см. Application Note on Transformers / AN-20-002. www.minicircuits.com/app/AN20-002.pdf):
где Ry - входное сопротивление предварительного усилителя, равное сумме значений сопротивлений резисторов 16 и 18; Ra - выходное сопротивление последовательных контуров.
После усиления полезного сигнала и подавления синфазной помехи выходной сигнал поступает с выхода предварительного усилителя 20 на выход преселектора для последующего преобразования в радиоприемном устройстве. Коэффициент усиления по неинвертирующему и инвертирующему входам определяется отношением резисторов 19, 18 и 17, 16.
В отличие от обычного операционного усилителя в дифференциальном включении симметричные операционные усилители позволяют получить одинаковые входные сопротивления как по инвертирующему, так и по неинвертирующему входам. В результате соблюдается условие полной симметрии и оптимальное согласование всего тракта. Следствием этого является более полное, в отличие от прототипа, подавление синфазных помех, уровень которых соизмерим со значениями коэффициента подавления синфазных помех, гарантированных операционным усилителем, и может достигать 60÷80 dB.
Есть важное ограничение, которое не позволяет использовать широкополосные (в том числе и симметричные) операционные усилители в обычных высокоимпедансных схемах. Это требование обеспечения низкого входного сопротивления, обычно порядка сотен Ом. Только при таких значениях гарантируется устойчивая работа усилителей в широком диапазоне частот. Такие рекомендации можно найти в руководствах по применению как обычных широкополосных операционных усилителей типа AD8000, ОРА847, так и симметричных типа AD8351, THS4509, THS4520.
Однако именно эти требования наилучшим образом выполняются в заявляемом преселекторе, где именно низкое входное сопротивление предварительного усилителя обеспечивает наилучшее согласование с низкоимпедансными последовательными контурами ферритовой антенны.
На Фиг.3 заявляемого преселектора приведен вариант исполнения одновитковых катушек при использовании плоского ферритового стержня. Аналогичным образом может быть выполнена конструкция и при использовании круглого ферритового стержня. На каждой половине ферритового стержня 27 располагается одна или более одновитковых катушек 28, которые с помощью контактных площадок 29 припаиваются к печатной плате 30. Контактные площадки 29 посредством переходных металлизированных отверстий 31 и печатных проводников обеспечивают последовательное соединение одновитковых катушек 28. Припаянные к контактным площадкам одновитковые катушки 28, выполненные из меди или посеребренной латуни, обеспечивают механическое крепление ферритовой антенны к печатной плате. Такая конструкция катушек ферритовой антенны позволяет значительно уменьшить их омическое сопротивление, уменьшить величину паразитных межвитковых емкостей и получить высокую добротность, особенно на верхних диапазонах.
Заявляемый управляемый преселектор, совмещенный с магнитной ферритовой антенной, обеспечивает постоянство полосы пропускания при изменении частоты его настройки, одинаковые входные сопротивления как по инвертирующему, так и по не инвертирующему входам и характеризуется низким входным сопротивлением, что способствует наилучшему согласованию с низкоимпедансными последовательными контурами ферритовой антенны. Благодаря этому предлагаемый управляемый преселектор более эффективно, в сравнении с известными из уровня техники устройствами, подавляет интермодуляционные помехи, создаваемые, в частности, низкочастотными наводками промышленной сети.