Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра телекоммуникационных систем

 

 

РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА 

Конспект лекций

для студентов всех форм обучения специальностей

 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации,

5В071600 – Приборостроение

 

 

 

Алматы 2011 

СОСТАВИТЕЛЬ: Н.Н. Гладышева. Радиопередающие устройства. Конспект лекций для бакалавров всех форм обучения специальностей 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации, 5В071600 – Приборостроение  Алматы: АУЭС, 2011. – 68 с.

 

Конспект лекций предназначен для помощи при самостоятельном изучении курса «Радиопередающие устройства».  В конспекте лекций изложена теория  и практические особенности построения и применения основных каскадов радиопередающих устройств на полупроводниковых приборах:  усилителей мощности, автогенераторов, умножителей частоты. Рассмотрены вопросы реализации автогенераторов и  усилителей мощности на СВЧ приборах. Определены перспективы  развития техники радиопередающих устройств различного назначения.

В конспекте приведен  обзор основных путей развития передатчиков и решения технических задач при  развитии радиопередающих устройств.  Необходимость самого конспекта лекций обусловлена потребностью  более глубокого понимания процессов, происходящих в радиопередающих устройствах,  и направлена на то, чтобы студенты могли ориентироваться, на какие вопросы или  темы необходимо  уделить наибольшее внимание при изучении данного курса. В конспекте лекций, помимо описания основных принципов построения схем передатчиков, представлены ссылки на литературу, которая может быть использована при изучении той или иной темы. Приведены основные структурные и принципиальные схемы, необходимые для понимания процессов, происходящих в радиопередающих устройствах.

Ил. 66, табл. 2, библиогр. – 1 назв.,  

 

Рецензент: доцент Е.В. Ползик

 

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2011 г.

 

  

© НАО «Алматинский Университет энергетики и связи», 2011 г.  

 

Содержание 

Введение                                                                                                  3

1 Лекция. Основное назначение радиопередающих устройств

(РПДУ), терминология и требования. Основные этапы

развития техники и теории                                                            3

2Лекция. Функциональные и обобщенные структурные схемы

радиопередающих устройств. Основные пользователи РПДУ    7      

3 Лекция. Генератор с внешним возбуждением                                               12

4 Лекция. Режимы работы генератора с колебаниями первого

и второго рода                                                                               16

5 Лекция. Гармонический анализ импульсов выходного тока

генератора                                                                                      20

6 Лекция. Схемы питания генератора                                                     23  

7 Лекция. Режимы работы генератора по  напряженности                   26

8 Лекция. Сложение мощностей генераторов                                        29

9 Лекция. Выходные каскады передатчиков                                          36

10 Лекция. Автогенераторы. Режимы самовозбуждения

автогенераторов                                                                             40  

11 Лекция. Кварцевая стабилизация частоты                                         46

12 Лекция. Схемы кварцевых автогенераторов                                               49

13 Лекция. Системы диапазонно-кварцевой стабилизации частоты     53

14 Лекция. Модуляция. Виды модуляции                                                        58

15 Лекция. Типовые схемы передатчиков                                                       62

Список литературы                                                                                 67

 

                                                                        Сводный план 2011 г., поз. 361

 

Введение 

За последние годы произошли существенные изменения  в области передачи, обработки и защиты и использования информации. Новые разработки электронных приборов, успехи в области микроэлектроники и интегральных микросхем позволили  существенно повысить основные технические характеристики радиопередающих устройств, снизить массу и габариты аппаратуры, повысив при этом ее надежность  и уменьшив электропотребление.

В технике радиосвязи, радиовещания и телевидения более точно определились места ряда систем и перспективы их развития. К таким системам следует отнести однополосное радиовещание, цифровое радиовещание, различные системы связи с подвижными объектами, мобильные радиотелефоны, бесшнуровые телефоны, спутниковое радио- и телевизионное вещание и другие.  Так как  в ограниченном объеме конспекта лекций не представляется возможным рассмотреть весь материал по схемотехнике и расчетам радиопередающих устройств, подразумевается, что студент должен освоить предлагаемую  информацию, а все остальное зависит от стремления студента к познаниям. В то же время без данного минимума невозможно изучать последующие курсы, такие, как системы подвижной связи, многоканальные системы, спутниковые и радиорелейные системы и другие. 

 

1 Лекция. Основное назначение радиопередающих устройств (РПДУ), терминология и требования. Основные этапы развития техники и теории

 

Цель занятия:

1)    Назначение и принцип действия передатчика.

2)    Классификация передатчиков.

3)    Основные направления развития передатчиков.

4)    Основные технические характеристики радиопередающих устройств.

 

Радиопередающие устройства (РПДУ) предназначены для выполнения двух основных функций - генерации электромагнитных колебаний высокой или сверхвысокой частоты и управления ими – модуляции в соответствии с передаваемым сообщением.

В дальнейшем изложении используем следующие основные определения.

Информация  - совокупность сведений, определяющих меру знаний о тех или иных событиях, явлениях или фактах.

Сообщение – совокупность знаков или символов, содержащих ту или иную информацию.

Информационный сигнал – физический процесс, отображающий (несущий) передаваемое сообщение.

Электрический сигнал – изменяющиеся по закону сообщений (информации) электрические величины (ток, напряжение, мощность).

Ниже приведены функции передатчиков в радиосистемах и основные требования к ним.

Передатчики должны обеспечивать:

- генерирование несущей радиочастоты и ее усиление до соответствующего уровня  на выходе – излучаемая мощность передатчика;

-  модуляцию несущей радиочастоты сигналом, содержащим передавае­мые данные, заранее определенного уровня – глубина модуляции для АМ, девиация частоты для ЧМ и ФМ. Необходимо предотвра­щать модуляцию, превышающую допустимый уровень;

-   излучение минимума сигналов на частотах вне допускае­мой полосы. Внеполосное «ложное» излучение строго отслежи­вается по нормативам Агентства радиосвязи МРТ.

На основании вышеизложенного в состав радиопередающего устройства должны входить:

-  высокочастотный задающий автогенератор;

-  модулирующее устройство;

-  усилитель мощности (генератор с внешним возбуждением);

-  устройство питания и контроля.

В зависимости от изменяемого параметра несущей радиочастоты (вида модуляции) радиопередающие устройства бывают:

- с амплитудной модуляцией;

- с угловой модуляцией (частотной или фазовой);

- с импульсной модуляцией.

Вид модуляции, рабочая частота (диапазон рабочих частот) и выходная мощность определяются назначением передатчика. Ориентировочно классификация РПДУ по диапазону частот и колебательным мощностям:

- 10 кГц – 100 кГц – сверхнизкие частоты (объекты ниже уровня моря – шахты, подводные лодки и др.)  мощностью до 100кВт;

- 100-250 кГц - диапазон ДВ (применяют вещательные передатчики мощностью до 2 МВт;

- 525-1625 кГц - диапазон СВ -  до 1 МВт;

- 250-525 кГц - применяют в радионавигации (суда, самолеты) - до 50 кВт;

- 1.5-30 МГц - радиовещательные станции мощностью до 200 кВт, а также передатчики магистральных линий связи (телеграф, телефон);

- 35-45 МГц - низовая, стационарная или подвижная связь (в пределах города или района) мощностью 10-15Вт, частотная модуляция;

- 48,75-230 МГц - частоты телевизионных каналов (метровый диапазон 12 телевизионных каналов), амплитудная модуляция, звуковое сопровождение с частотной модуляцией;

- 66-72 МГц - диапазон УКВ;

- 140-160 МГц - низовая связь;

- 430-1000 МГц - диапазон ДМВ (440-460МГц выделены для низовой связи);

- 11ГГц - радиорелейная связь, бортовые станции искусственных спутников Земли мощностью  40-200Вт, наземные передатчики на спутники мощностью 4-15кВт, передатчики тропосферных линий связи мощностью 4-15кВт;

         По своему назначению радиопередающие устройства имеют название системы, в которую они входят:

- радиосвязные (магистральные, зоновые, низовые, радиорелейные, тропосферные, спутниковые и др.);

- радиовещательные;

- телевизионные (передатчики изображения и звукового сопровождения);

- радиолокационные и радионавигационные;

- радиотелеметрические и другие.

В зависимости от диапазона частот и колебательной мощности передатчики могут быть выполнены:

- на радиолампах;

- на транзисторах, микросборках или микросхемах;

- на элементах СВЧ - техники (магнетроны, диоды Ганна, ЛБВ и др.).

Основными направлениями развития радиопередающих устройств в настоящее время являются:

- разработка и создание новых типов транзисторов, способных работать на частотах до 40ГГц с выходной мощностью до несколько десятков Вт;

- использование цифровых, помехозащищенных способов модуляции;

- освоение более высокочастотных диапазонов.

РПДУ используются для работы в диапазонах длинных и средних волн (ДСВ), коротких волн (KB), ультракоротких (метровых) волн (УКВ, MB), дециметровых волн (ДМВ) и сантиметровых волн (СМВ). Границы этих диапазонов, а также встречающиеся в тех­нической литературе наименования частотных полос помещены в Таблице 1.1

Т а б л и ц а  1.1- Границы диапазонов

Сокращенное наименование диапазона	Полоса частот, МГц	Диапазон волн, м	Наименование
			Частот	волн
ДСВ	0,03—0,3 0,3-3	10000—1000 1000—100	Низкие (НЧ) Средние (СЧ)	Километровые Гектометровые
КВ	3—30	100—10	Высокие (ВЧ)	Декаметровые
УКВ (MB)	30—300	10—1	Очень высокие (ОВЧ)	Метровые
ДМВ	300—3000	1—0,1	Ультравысокие (УВЧ)	Дециметровые
СМВ	3000-30000	0,1-0,01	Сверхвысокие (СВЧ)	Сантиметровые

 

Иногда диапазон ДСВ условно разбивают  на два самостоятельных диапазона:  длинноволновый (ДВ)  и  средневолновый (СВ), проводя границу на частоте 0,3 МГц.

Если РПДУ предназначено для работы в двух смежных диапазонах, то при классификации принимают во внимание один из них (с большим числом каналов).

Номинальная мощность РПДУ (Р~_А) – это средняя за период РЧ колебания величину энергии, подводимую к антенне (фидеру): для вещательных — в режиме молчания (телефонная мощность), для связных — в режиме нажатого ключа (пиковая мощность) и для телевизионных — на уровне вершин синхроимпульсов.

Различают РПДУ: маломощные (до 0,1 кВт), средней мощности (0,1 – 10 кВт), мощные (10 ... 500 кВт) и сверхмощные (свыше 500 кВт).

К важнейшим техническим характеристикам РПДУ относятся нестабильность частоты колебаний, промышленный коэффициент полезного действия и уровень внеполосных излучений.

Нестабильность частоты подразделяется на абсолютную, выра­женную в герцах, и относительную:

На = fи – fп;                                     (1.1)

Но = На/fп;                                      (1.2)

где fи и fп — частоты, соответственно излучаемая и присвоенная. Иногда пользуются понятием отклонение рабочей частоты от но­минала за сутки (или месяц). Для современных РПДУ (в зависи­мости от диапазона рабочих частот, номинальной мощности, условий эксплуатации и др.) относительная нестабильность устанав­ливается в пределах 10^-3... 10^-6, но в ряде случаев (например, яри синхронном вещании) может достигать значения 10^-9. Высо­кая стабильность частоты позволяет ослабить помехи радиоприе­му, свести полосу пропускания приемного устройства к минимуму.

Промышленный КПД характеризует экономичность работы РПДУ и представляет собою отношение номинальной мощности Р~_А  к общей мощности, потребляемой от сети переменного  тока РПДУ со всеми вспомогательными устройствами:

                                     

 = (Р~_А  / Робщ) 100% .                 (1.3)

 

Чем больше мощность РПДУ, тем выше нормы на минимальное значение промышленного КПД. При номинальных мощностях РПДУ от 30 до 250 кВт значение  должно быть не менее 45%.

Внеполосными излучениями называются такие, которые распо­ложены вне полосы, отведенной для передачи полезной информа­ции (см. рисунок 1.1). К ним относятся: гармонические — излучения на частотах, кратных присвоенной fп и возникающие вследствие ра­боты электронных приборов генератора в классах АВ, В или С; паразитные — излучения, случайно возникающих РЧ колебаний, не связанных с рабочей частотой; побочные — излучения комби­национных составляющих, связанных с формированием  рабочей частоты или с процессом модуляции. Внеполосные излучения являются источником дополнительных помех радиоприему.

 

 

Рисунок 1.1 – Возможный спектр излучения РПДУ

 

По существующим нормам мощность любого, такого излучения, например, для вещательных РПДУ диапазонов ДСВ и KB должна быть на 40 - 60 дБ меньше средней мощности основного колебания.

В процессе работы РПДУ должно обеспечивать определенные параметры качества передаваемого сообщения: воспроизводимый диапазон частот информационного сигнала, неравномерность амп­литудно-частотной характеристики, среднеквадратичный коэффи­циент гармоник, отношения сигнал-шум и. сигнал-фон и др.

 

Литература: [6, стр. 9-15].

 

2 Лекция. Функциональные и обобщенные структурные схемы радиопередающих устройств. Основные пользователи РПДУ

 

Цель занятия:

1)    Назначение РПДУ различных диапазонов волн.

2)    Требования, предъявляемые к передатчикам различного назначения.

3)    Особенности построения функциональных и структурных схем РПДУ.

 

2.1 Радиовещательные передатчики

 

Радиовещательные передатчики предназначены для передачи речи, музыки и другой звуковой информации. Они имеют следующими характеристиками.

Рабочий диапазон волн: километровые (ДВ), гектометровые (СВ), декаметровые (KB), метровые (УКВ).

Частотный  режим:

­- в ДВ и УКВ диапазонах радиовещание осуществляют на одной ча­стоте в любое время суток;

- в СВ диапазоне — на разных частотах в дневное и ночное время суток;

- в KB диапазоне используется несколько рабочих частот. Виды  модуляции:

- в УКВ диапазоне - ЧМ с наивысшей частотой до 15 кГц;

- в ДВ, СВ, KB диапазонах - AM с наивысшей частотой до 10 кГц.

Выходная мощность: для ДВ, СВ, KB передатчиках дальнего и сверхдальнего вещания - от 1 Вт до 1 МВт.

Для повышения КПД до 95 % используют бигармонический режим работы (приближение к ключевому режиму). Для повышения КПД до 97 % переходят от традиционных ключе­вых Е-режимов к Д-режимам. В мощных СВ-ДВ передатчиках применяется анодная модуляция в выходном каскаде. Использование двухтактных модуляторов позво­ляет получить высокие КПД и электроакустические характеристики. Используют дополнительно анодную (коллекторную) модуляцию и в каскадах, предшествующих выходному.

При построении СВ-ДВ передатчиков средней мощности (5...20 кВт) применяется   режим  усиления   модулирующих  колебаний. Это связано с тем, что на базе высокоэффективных ламповых тетро­дов можно построить простой по схеме и конструкции передатчик, работающий в режиме усиления модулированных колебаний (УМК). Все остальные каскады — транзисторные, где и осуществляется AM.

 

 

Рисунок 2.1 – Функциональная схема радиовещательного радиопередатчика диапазона 525…1605 кГц мощностью 5 кВт

 

В настоящее время мощ­ности РПДУ СВ-ДВ диапазонов перестали увеличивать, при этом радиове­щание будет обеспечиваться сетью синхронных по частоте станций не­большой мощности (1…10 кВт), передающих одну общую программу. Функциональная схема радиовещательного передатчика диапазона 525. .1605 кГц мощностью 5 кВт показана на рисунке 2.1.

В нем приме­нена AM, осуществляемая в трех каскадах предварительного УМ ВЧ. Передатчик выполнен на транзисторах, за исключением выходного лам­пового   каскада.

 

2.2 Передатчики профессиональной радиосвязи

 

Профессиональная радиосвязь используется для передачи ТЛФ и ТЛГ сообщений, цифровой и графической информации. Передача осу­ществляется на одной боковой полосе с разделением каналов в KB и УКВ диапазонах Уровень выходной мощности достаточно низкий: Рвых = (0,3...100) кВт. Радиопередатчики профессиональной связи имеют следующие осо­бенности.

 Выходные каскады радиопередатчиков строят по схеме резонансно­го усиления на генераторных тетродах с выходной  мощностью до 100 кВт. В УКВ передатчиках ЧМ вещания сформированный в маломощном возбудителе ЧМ сигнал, усиливается или непосредственно,  или с одновременным умножением частоты. Надежность достигается различными  методами резерви­рования:  применением схем сложения мощностей полукомплектов передатчика или введением пассивного резерва в виде передатчи­ка такой же мощности.

Мощность УКВ передатчика не превышает десятков киловатт, так как в УКВ диапазоне прием радиоволны возможен лишь в пределах прямой видимости.   Передатчики, выходная мощность которых меньше единиц киловатт,  полностью транзисторные.

 

2.3 Телевизионные передатчики

 

Особенности схемотехнического построения. Сигналы изо­бражения и звукового сопровождения в телевидении (TV) передаются на двух различных частотах, расположенных рядом. Интервал между несущей частотой звука и несущей частотой изображения составляет 6,5 МГц.  Ширина полосы, которую занимают обе частоты, равна 8 МГц.

Телевизионный передатчик состоит из двух передатчиков, работа­ющих на общую антенно-фидерную систему в М и ДМ диапазонах волн: передатчика звукового сопровождения и передатчика теле­визионного  изображения.

Схемы TV передатчика звука и УКВ передатчика ЧМ вещания во многом схожи. К преимуществам частотно-модулированного сигнала можно отнести его помехозащищенность, к недостаткам — широкую по­лосу, занимаемую в диапазоне высокой частоты.

Передатчики сигнала изображения имеют особенности, связанные с тем, что спектр сигнала изображения (видеосигнал) занимает полосу частот 0...6 МГц Для уменьшения рабочей полосы частот применяют AM (а не ЧМ). Основная энергия видеосигнала содержится в полосе до 1,5 МГц, что позволяет еще сократить полосу передаваемого сигнала без внесения существенных искажений в сигнал. Для этого ча­стично подавляют нижнюю боковую полосу AM колебаний.

Особенности TV радиостанций последнего поколения заключаются в сле­дующем. Передатчики состоят из двух полукомплектов в каждом канале, мощности которых складываются в мостовом устройстве.    При выхо­де из строя одного полукомплекта работа продолжается  на другом с уменьшением излучаемой мощности в два раза.    При сложении мощностей полукомплектов передатчиков на их выходе впервые введена система эхопоглощения отраженных сигналов, возникших в антенно-фидерных устройствах.   

         Уровень модуляции  перенесен  на среднее значение частоты и применены   новые схемы   модуляционных устройств.     Число  мощных УМК в TV передатчике не превышает двух-трех (в зависимости от мощ­ности станции), включая модулируемый  каскад.

 

Рисунок 2.3 – Функциональная схема ТV передатчика.

 

В настоящее время принято построение TV радиостанций, в кото­ром  используется:

- в максимальной степени транзисторная и микромодульная техника в основном технологическом оборудовании;

- не более одного-двух ЭВП  в мощных каскадах УМ  каналов изо­бражения  и  звука;

- блочное резервирование предварительных трактов и  нагруженное резервирование оконечных усилителей мощности, что существенно повышает надежность работы радиопередающего устройства.

 

2.4 Передатчики радиорелейных и спутниковых систем связи

 

Радиорелейные системы связи применяются для организации мно­гоканальной связи. Ана­логовые РРЛ используют для передачи многоканальных телефонных сообщений и телевизионных сигналов совместно с сигналами звуково­го сопровождения. Цифровые РРЛ служат для передачи в цифровой форме телефонных, сиг­налов данных с большой скоростью, а также сигналов телевидения и видеотелефонных сигналов.

Упрощенная функциональная схема РПДУ наземной части радиорелей­ной, тропосферной или спутниковой связи (см. рисунок 2.4) содер­жит следующие крупные многокаскадные узлы:

- кварцевый автогенератор (АГ) с частотой fкв;

- тракт умножения частоты, обеспечивающий заданную стабильность выходной  частоты  nfкв);

- тракт промежуточной частоты с модулируемым по частоте АГ, обес­печивающий заданную девиацию частоты при заданных показате­лях качества модуляции;

- смеситель (СМ)   или   преобразователь   частоты,   осуществляющий формирование рабочей частоты РПДУ:  fр = nfкв + fпр;

- тракт усиления   мощности,  обеспечивающий   получение  заданной мощности  РПДУ.

Рисунок 2.4 – Типовая функциональная схема радиопередатчика наземной части РЭС

 

          2.5 Передатчики тропосферных линий связи

 

Тропосферные линии связи (ТЛС) построены на явлении отражения радиоволн дециметрового и сантиметрового диапазонов волн в тропо­сфере.

За счет многолучевого характера распространения радиоволн в тро­посфере и их интерференции в точке приема возникают замирания сигнала. Для их исключения передатчик ТЛС работает одновремен­но на нескольких поднесущих частотах, каждая из которых промодулирована одним и тем же передаваемым сообщением и смещена относительно соседней на частоту Fк.

На  приемном   конце ТЛС  проводится   корреляционная  обработка приходящего сигнала.

Для повышения надежности работы передатчика ТЛС и эффектив­ности борьбы с замираниями используют обычно два передатчи­ка, работающих одновременно на отдельные антенны.  Центральная поднесущая второго передатчика смещается относительно централь­ной поднесущей первого передатчика на 3FK (см. рисунок 2.5). Сложение мощностей двух передатчиков осуществляется в эфире. Формиро­вание такого сложного сигнала реализуется в каждом передатчике за счет того,  что уже промодулированные полезным сообщением колебания подвергаются дополнительной частотной модуляции по гармоническому закону с частотой Fк.

                                     

Рисунок 2.5 – Пример спектра сигнала тропосферного               радиопередатчика

 

Литература: [12, стр. 214 – 227].

    

       3 Лекция. Генератор с внешним возбуждением

 

      Цель занятия:

1)    Назначение и принцип действия ГВВ.

2)    Особенности работы ламповых ГВВ.

3)    Особенности работы транзисторных ГВВ.

 

Одним из основных элементов передатчика является генератор с внешним возбужде­нием (ГВВ) – устройство, преобразующее энергию источника по­стоянного тока в энергию тока высокой частоты. В качестве усилительного прибора ГВВ в современных радиопере­датчиках используются электровакуумные лампы, биполярные и полевые транзисторы, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды (ЛПД), магнетроны и др.

 

 

 

 

 

 

 

ЗГ - задающий генератор;    ПУ - промежуточный усилитель;

ОУМ - оконечный усилитель мощности; ИП - источник питания;

М – модулятор.

Рисунок 3.1 Структурная схема радиопередающего устройства

Применение того или иного усилительного прибора опре­деляется мощностью и диапазоном рабочих частот. Маломощные генераторы выполняются на биполярных транзисто­рах.

Ламповый генератор с внешним возбуждением. Простейшая схема лампового генератора с внешним возбуж­дением (см. рисунок 3.2).
В ней имеются следующие электри­ческие цепи: цепь анода:  источник анодного

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.2 – Схема генератора с внешним возбуждением

 

питания Е_А, колебательный контур LC, участок анод – катод лампы, соединительные провода;  цепь управляющей сетки: источник  напряжения смещения Е_С, источник переменного напря­жения U_С, участок сетка – катод лампы и соединительные провода; цепь накала катода: источник напряжения накала, нить накала и соединительные провода.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.3 – Графики напряжений и токов в генераторе с внешним возбуждением

 

Физические процессы в схеме генератора с внешним возбужде­нием протекают следующим образом. Будем считать: напряжение катода накала уже включено, катод накален и эмиттирует электронный поток,  во входной сеточной цепи включено напряжение смещения Е_С, устанавливающее начальное положение рабочей точки на анодно-сеточной характеристике лампы. После этого включается напряже­ние источника анодного питания Е_А.

При включенных двух постоянных напряжениях Е_А и Е_С протекает только постоянный анод­ный ток I_А0 по цепи: +Е_A, индуктивная ветвь контура, анод – катод внутри лампы, -Е_A. Значение тока I_А0 можно определить по статической характеристике (см. рисунок 3.3), измерить амперметром А₀, включенным в цепь постоянного анодного тока (см. рисунок 3.2).

Напряжение высокой частоты, которое надо усилить, подается во входную сеточную  цепь лампы. Это напряжение называ­ют напряжением возбуждения. Для простоты анализа его прини­мают косинусоидальным

                                          ,                                       (3.1)

 где U_C – амплитудное зна­чение напряжения возбуждения. Под действием переменного на­пряжения возбуждения ток в цепи анода будет изменяться     

                                         ,                               (3.2)

где I_A0 – постоянная составляющая анодного тока, создаваемая источником анодного питания, I_A~ – амплитуд­ное значение переменной составляющей анодного тока, вызванное действием напряжения возбуждения.

Переменная составляющая анодного тока протекает по цепи: анод – катод внутри лампы, через источник питания (через кон­денсатор С_БЛ), колебательный контур к аноду лампы. Колебатель­ный контур, настроенный в резонанс с частотой напряжения возбуж­дения, оказывает переменной составляющей анодного тока большое (R_Э = 10 кОм) и чисто активное сопротивление R_Э. Поэтому пере­менная составляющая I_A~, проходя через контур, создает на нем падение напряжения

                          .                      (3.3)

 Вследствие усилительных свойств лампы напряжение U_ВЫХ = U_А будет намного больше подведенного к сетке напряжения возбуждения. Мощность созданных в контуре колебаний будет также больше мощности ко­лебаний, поданных на вход генератора. Таким образом, в процес­се работы генератора происходит усиление подведенных ко входу колебаний по мощности.

Транзисторный генератор с внешним возбуждением. Процесс усиления колебаний в этой схеме происходит следующим образом. При включении источника кол­лекторного питания Е_К в выходной цепи протекает слабый начальный ток, называемый обратным током коллектора и обозна­чаемый I_КЭ0. Для схемы с общим эмиттером обратный ток коллек­тора I_КЭ0 определяется при токе базы, равном нулю (см. рисунок 3.5). Обратный ток коллектора протекает по цепи: +Е_К, контур LС, коллектор – ба­за – эмиттер транзистора, –Е_К. Значение обратного тока коллек­тора определяется концентрациями неосновных носителей заря­да, поэтому обратный ток коллектора во многих случаях можно не учитывать.

Для установления рабочей точки в исходное положение во входную цепь транзистора включается постоянное напряжение смещения Е_БЭ. Таким образом, в исходном режиме к переходам транзистора приложены два постоянных напряжения: смещения Е_ЕЭ и питания Е_К. При этом в цепях транзистора протекают толь­ко постоянные токи.

Рисунок 3.4 – Схема транзисторного генератора с внешним возбуждением

 

Рисунок 3.5 – Выходные  характеристики транзистора в схеме с ОЭ

 

При включении переменного напряжения возбуждения  во входной цепи появляется переменная составляю­щая входного тока, протекающая по цепи: от источника напряже­ния возбуждения (точка 1), (см. рисунок 3.4), база – эмиттер, к источнику возбуждения (точка 2). Транзистор, как известно, является элек­тронным прибором, управляемым током. Это значит, что измене­ние в небольших пределах напряжения на эмиттерном переходе U_ЭБ вызывает значительное изменение входного I_Б, а следова­тельно, и выходного I_K токов. Переменная составляющая коллекторного тока i_К протекает в выходной цепи: коллектор  – эмиттер, через источник пита­ния Е_K (через С_БЛ), контур LС, коллектор. На контуре переменная составляющая коллекторного тока создает переменное падение на­пряжения , значение которого больше, чем на входе. Таким образом, в транзисторном генераторе с внешним возбужде­нием осуществляется усиление колебаний по току, напряжению, а, следовательно, и по мощности.

 

Литература: [6, стр.16 – 41].

 

4 Лекция. Режимы работы генератора с колебаниями первого

и второго рода

 

      Цель занятия:

1)    Особенности основных режимов работы ГВВ.

2)    Режим линейного усиления.

3)    Режимы усиления с отсечкой выходного тока.

 

      Режим работы генератора колебаниями первого рода. Режим работы генератора, при котором перемен­ный ток i_ВЫХ в выходной цепи протекает на протяжении всего пе­риода колебаний во входной цепи генератора, называется режимом колебаний первого рода. Для осуществления такого режима рабочую точку в исходном состоянии выбирают на середине линейного участка на вольт-амперной характеристике усилительного прибора. На Рисунке 4.1 показан выбор рабочей точки в режиме колебаний первого рода на анодно-сеточной характеристике лампы при Е_С  = 0.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.1 – Графики токов и напряжений при колебаниях первого рода

 

При действии во входной цепи генератора только постоянного напряжения смещения, т.е. при е_С =Е_С, в выходной цепи протека­ет только постоянный ток I_А0. Поскольку сопротивление катушки контура для постоянного тока незначительно, падением напряжения на ней пренебрегаем. Тогда можно считать, что все напряжение ис­точника питания выходной цепи Е_А (см. рисунок 3.2) приложено к аноду, т. е. е_А=Е_А0. В этом случае источник питания расходует мощность Р₀ = I_А0 Е_А0. Эта мощность называется подводимой.

Таким образом, при действии во входной цепи только постоян­ного напряжения смещения и отсутствии напряжения возбужде­ния вся мощность, расходуемая источником питания, выделяется на аноде в виде тепла Р₀ = Р_А. Это бесполезные затраты энергии источника питания.

При включении переменного напряжения возбуждения в цепи управляющей сетки действует результирующее напряжение . В этом случае в выходной цепи, кро­ме постоянного анодного тока, протекает еще и переменный анод­ный ток I_A~ . Так как рабочая точка находится на прямолинейной части характеристики лампы, то приращение анодного тока прямо пропорционально приращению напряжения на сетке. В результате этого анодный ток изменяется по тому же закону, что и напряже­ние на сетке, т. е. . Во время положительного полупериода электронный поток больше (участок t₂–t₄   на рисунке 4.1, б), а во время отрицательного (участок t₄–t₆ на рисунке 4.1, б) он меньше, чем при постоянном значении анодного тока I_А0.

Поскольку контур настроен в резонанс с частотой переменного анодного тока (R_Э большое), то на контуре создается большое па­дение напряжения. Переменное на­пряжение U_K создает в контуре ток I_K, называемый контурным. Значение контурного тока I_K в Q раз больше переменного анодно­го тока , где Q – добротность контура. Измеряют кон­турный ток амперметром A₂, включенным в разрыв цепи контура (см. рисунок 3.2). В результате изменения напряжения на контуре результирующее напряжение на аноде соотношений между токами и также изменяется. Граничные напряжениями в генераторе с внешним мгновенные значения результирующего возбуждением при колебаниях напряжения на аноде определяются первого рода гранич­ными значениями .

При значение  и результирующее напряжение на аноде будет мини­мальным . Это зна­чение напряжения на аноде на­зывают остаточным напряжением. При значение  и  результирующее напря­жение на аноде будет макси­мальным  .Амплитуда напряжения на контуре U_K может достигать зна­чения, близкого к величине на­пряжения источника питания, т.е. . Таким образом, мгновенное значение напряжения на аноде   изменяется от нуля до уд­военного значения  Е_А

 

                                                                                                          (4.1)

                                                                                    

На рисунке 4.2 приведены времен­ные диаграммы, характеризую­щие фазовые соотношения между напряжениями и токами в гене­раторе. Рассматривая их, замеча­ем, что напряжение между ано­дом и катодом е_А пульсирующее. Оно состоит из постоянного напряжения источника анодного питания Е_А и переменного напряжения на контуре и_К. Переменное напряжение на аноде лампы является выходным напряжением генератора. Поскольку протекающий че­рез контур анодный ток  и напряжение  по фазе совпадают, то в контуре выделяется мощность 

                                             .                            (4.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.2 – Графики фазовых соотношений между токами и напряжениями в генераторе с внешним возбуждением при колебаниях первого рода

 

Режим работы генератора колебаниями второго рода. Режим работы генератора, при котором ток в его выходной цепи протекает через усилительный прибор (лампу или транзистор) на протяжении части периода изменения напря­жения возбуждения, называется режимом колебаний второго рода. Для установления такого режима исходную рабочую точку надо сместить (см. рисунок  4.3).

Это достига­ется увеличением напряжения смещения. При этом возможны три случая:

       а) если рабочая точка А смещена на нижний изгиб характери­стики (см. рисунок 4.3, а), то выходной ток будет протекать через усили­тельный прибор на протяжении только положительного полупери­ода напряжения возбуждения. На протяжении отрицательного полупериода выходного тока не будет, т. е. нижняя половина тока отсекается;

       б) при увеличении напряжения смещения рабочая точка смес­тится еще больше влево, и выходной ток будет проходить на про­тяжении времени, меньшем половины периода  (см. рисунок 4.3, б);

        в) если рабочую точку переместить вправо (см.  рисунок 4.3, в), то ток в выходной цепи будет протекать на протяжении части периода, большей полпериода.

 

Рисунок 4.3 - Графики токов и напряжений при колебаниях второго рода

При колебаниях второго рода ток в выходной цепи усилительного прибора генератора имеет форму периодичес­кой последовательности импульсов, продолжительность которых зависит от значения напряжения смещения.

По форме импульсы выходного тока генератора бывают: косинусоидальные – имеют вид косинусоиды (см. рисунок 4.3, а); косинусоидальные притуплённые – верхняя часть косинусоидального импульса несколько притуплена за счет верхнего изгиба характеристики уси­лительного прибора (см. рисунок 4.3, г, импульс А); косинусоидальные с верхней отсечкой – верхняя часть импульса значительно срезана (см. рисунок 4.3, г, импульс В).

Косинусоидальные импульсы выходного тока характеризуются: амплитудой импульса и углом нижней отсечки .

Амплитудой импульса называют максимальное значение тока в импульсе, а углом нижней отсечки называют выраженную в угловой мере (радианах или градусах) половину части периода, в течение кото­рой протекает ток. Этот угол может иметь значение от нуля до 180°. При =180° генератор работает в режиме колебаний перво­го рода, а при 0<<180° – в режиме колебаний второго рода. В усилителях напряжения режим при  = 90° называют режимом класса В, при >90° – режимом класса АВ, при <90° – режи­мом класса С.

 

Литература: [6, стр.74 – 97].

 

5 Лекция. Гармонический анализ импульсов выходного

тока генератора

 

       Цель занятия:

1)    Составляющие косинусоидального импульса.

2)    Энергетические показатели основных режимов работы ГВВ.

 

Для анализа тока, протекающего в виде периодической последовательности импульсов косинусоидальной формы, пользуются теоремой Фурье. Согласно теореме Фурье, периодическая последователь­ность косинусоидальных импульсов тока может быть представле­на в виде суммы ряда гармонических составляющих и постоянной составляющей

   ,   (5.1)

где  – постоянная составляющая; ,  – гармонические составляющие, часто называемые просто гармониками.

Первая гармоническая составляющая  является осно­вной. Постоянная составляющая , а также амплитуды всех гар­моник зависят от угла отсечки  и от амплитуды импульса

, .        (5.2)

где  – коэффициенты пропорциональности, которые называют коэффициентами разложения. Они зависят от угла ниж­ней отсечки  и показывают, какую часть амплитуды импульса со­ставляет  каждая  составляющая.

Рисунок 5.1 – Графики коэффициентов Берга

 

Коэффициенты разложения вы­числены и приведены в таблицах А.И. Берга. По этим данным построены зависимости (см. рисунок 5.1). Пользуясь ими, можно проследить зависи­мость энергетических показателей генератора от угла отсечки . Так, коэффициент  с увеличением  увеличивается, достигая мак­симума при  = 120°. Амплитуда первой гармо­ники тока имеет наибольшее значение при  = 120°. При этом колебательная мощность будет наибольшая. При  = 90° ам­плитуда первой  гармоники меньше, чем при  = 120°, и составляет половину амплитуды импульса. Значение  с увеличением отсечки  увеличивается. Зависимость коэффициентов разложения других гармоник можно проследить по их кривым. Для примера на Рисунке 5.2 приведены кривые составляющих тока  косинусоидального им­пульса  при  = 90°.

Рисунок 5.2 – Графики разложения косинусоидальных импульсов на составляющие при =90°

 

Коэффициент полезного действия. Учитывая соотношения токов и напряжений, определим максимально возможный КПД при колебаниях первого рода

      (5.3)

Но реально при колебаниях первого рода  составляет 35...40%, так как  и . Для мощных генераторов это очень низкий КПД. Колебания первого рода используются в маломощ­ных усилителях и в тех случаях, когда низкий КПД не ухудшает энергетических показателей устройства в целом.

Энергетические показатели выходной цепи генератора при режиме работы колебаниями второго рода. Коэффициент полезного действия выходной цепи генератора при колебаниях второго рода

                      .                   (5.4)

Подставив в это выражение значения и, получим

.  (5.5)

Отношение амплитуды переменной составляющей напряжения  к значению постоянной составляющей  называется коэф­фициентом использования напряжения источника питания и обо­значается буквой  (кси). Этот коэффициент показывает, какую часть напряжения источника питания составляет выходное напря­жение. В генераторах с независимым возбуждением значение ко­эффициента  выбирают в пределах 0,8...0,95. Тогда КПД

                               .                            (5.6)

В качестве примера определим значения КПД при  = 90° и при  = 120°:

,     .

Если принять  = 1, то , . Сравнивая значе­ние КПД при колебаниях второго рода со значением его при коле­баниях первого рода, замечаем, что КПД выходной цепи генерато­ра в режиме колебаний второго рода намного больше, чем в режи­ме колебаний первого рода.

Высокий КПД – важное преимущество генератора, работающе­го в режиме колебаний второго рода.

Рассматривая зависимость , видим, что при коле­баниях второго рода КПД можно увеличить, уменьшив угол отсеч­ки . Но при уменьшении , как видно из кривой зависимости , уменьшается мощность колебаний. Максимальная мощность генератора будет при =120°. Но КПД при этом не будет макси­мальным, так как  при =120° имеет большое значение. Выбира­ют угол отсечки таким, чтобы на выходе генератора была доста­точная мощность при высоком КПД, а   – в пределах 60...90°.

Рисунок 5.3 – К пояснению КПД выходной цепи генератора

Ключевой режим работы транзисторного и лампового генерато­ра с независимым возбуждением. Ключевой режим работы гене­ратора применяют для повышения КПД его выходной цепи.

Чтобы понять, при каких условиях повышается КПД, вспомним процесс

преобразования энергии источника постоянного тока в энергию тока высокой частоты. Перемещение энергии от источника пита­ния в контур осуществляется носителями электрических зарядов – электронами. Движущиеся в ускоряющем    электрическом поле электроны отбирают энергию от источника, а движущиеся в тор­мозящем поле, создаваемом напряжением контура, отдают ему энергию. Так происходит процесс преобразования энергии. Но в данном случае ставится задача выяснить эффективность процесса преобразования, т. е. определить, какая часть энергии источника питания преобразуется в энергию тока  высокой  частоты,  иначе определить КПД выходной цепи генератора. Рассмотрим кривые, приведенные на рисунке 5.3, которые отображают работу генератора колебаниями второго ро­да при синусоидальной форме колебаний. Передача энергии в кон­тур движущимися в тормозящем поле электронами происходит во время первого полупериода – в промежутке вре­мени t₁–t₄. Для увеличения КПД напряжение на выходном электроде должно иметь форму, показанную линией 2 (см.  рисунок 5.3). Получение такого режима достигается подачей на вход генератора напряжения воз­буждения, прерываемого ключом. Если возбуждать генератор импульсным напряжением, то в цепи выходного электрода ток будет протекать в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов. Включенный в выход­ную цепь, резонансный контур создает активное сопротивление на­грузки только для первой гармоники. Поэтому при любой форме тока напряжение на контуре (и на аноде или коллекторе) будет изменяться по гармоническому закону.

 

Литература: [6, стр.41 – 47].

 

6 Лекция. Схемы питания генератора

 

      Цель занятия:

1)    Питание выходных цепей ГВВ.

2)    Питание входных цепей ГВВ.

3)    Особенности схем питания ГВВ в зависимости от рабочей частоты.

 

Выходная цепь генератора состоит из следующих трех элементов: источника питания, усилительного прибора и нагрузки (колеба­тельного контура). Эти три элемента могут быть соединены меж­ду собой любым способом, но так, чтобы, образованная этими элементами выход­ная цепь удовлетворяла следующим требованиям:

- переменная составляющая выходного тока должна прохо­дить через

нагрузку (колебательный контур), выделяя в нем мощ­ность;

- потери мощности, выделяемой переменной составляющей на других 

 элементах выходной цепи, должны быть по возможности исключены;

- потерь энергии радиочастоты в цепи постоянного тока быть не должно;

- измерительные приборы должны быть включены в участки цепи, где нулевой потенциал, чтобы не увеличивать начальной емкости контура и не создавать путей утечки высокочастотно­го тока.

Различают параллельную и последовательную схемы питания выходной  

цепи генератора.

Рисунок 6.1 – Схемы питания выходной цепи генератора

Емкость разделительного конденсатора С_Р выбирают такой, чтобы падение напряжения на нем не превышало 5% падения на­пряжения на контуре. Это достигается выполнением условия , где , откуда .

Сопротивление дросселя постоянному току r незначительно.

Учитывая все это, индуктивность дросселя высокой частоты выби­рают такой, чтобы через него ответвлялось не больше 0,01 перемен­ной составляющей выходного тока рабочей частоты. Чаще всего .

Схема параллельного питания выходной цепи имеет два преи­мущества:

      - безопасность в эксплуатации, так как на контуре нет высо­кого постоянного напряжения;

      - уменьшение влияния руки оператора на настройку контура, так как заземлен ротор конденсатора: при этом можно объединить роторы конденсаторов нескольких каскадов передатчика на одной оси.

Входной цепью в транзисторном генераторе по схеме с общим эмиттером является цепь база – эмиттер транзистора, в ламповом – цепь управляющей сетки лампы.

Входная цепь состоит из трех элементов: источника напряжения смещения, напряжения возбуждения и участка внутри усилительного прибора. Таким участком в лампе является промежуток сетка – катод, а в транзисторе – участок база – эмиттер. Напря­жение смещения служит для установления исходного положения рабочей точки на статической характеристике усилительного прибора (). Напряжение возбуждения – для управления электронным потоком с целью создания колебательной мощности.

Рисунок 6.2 – Входные характеристики генераторной лампы и транзистора

 

Входные характеристики генераторных ламп и биполярных транзисторов расположены веерообразно (см. рисунок 6.2, а, б). Для уп­рощения анализа и расчета входной цепи генератора реальные вход­ные характеристики заменяют идеализированными прямолинейны­ми (см. рисунок 6.2, в).

В генераторах с внешним возбуждением на электронных лампах и полевых транзисторах напряжение смещения чаще всего отрицательное. В генераторах на биполярных транзисторах напря­жение смещения бывает или открывающим, или равным нулю, поскольку характеристики этих приборов имеют более правое рас­положение.

       Если в цепи управляющего электрода (сетки, базы) действу­ет только постоянное напряжение смещения Е_С , то во входной цепи ток не протекает. Для лампового генератора такое состояние схе­мы, приведенной на рисунке 2.2, определяется положением исходной рабочей точки А на рисунке 6.2, в:

 е_С =Е_С , i_C = 0. В транзисторном ге­нераторе, схема входной цепи которого приведена  на рисунке 3.4, полярность напряжения смещения и его значение зависят от тре­буемого положения исходной рабочей точки, типа транзистора и режима работы. Оно может быть запирающим, отпирающим и ну­левым, поскольку характеристики транзистора имеют правое рас­положение. На рисунке 6.2 в показано возможное положение исход­ных рабочих точек А, В и С соответственно.

В диапазоне СВЧ транзисторы обычно работают с нулевым смещением на эмиттерном переходе, так как введение запирающе­го смещения уменьшает усиление транзистора.

       При включении напряжения возбуждения  в це­пи управляющего электрода будет действовать результирующее напряжение 

                              .                 (6.1)

В транзисторных генераторах на высоких частотах из-за инерционности транзистора при переходе из состояния отсечки в активное и обратно импульсы тока коллектора i_K и напряжения  u_Э становятся несимметричными. Однако это незначительно изменяет результаты расчета входной и выходной цепей генератора.

 

       Литература: [6, стр.16 – 28, 50-55].

 

 

7 Лекция. Режимы работы генератора по напряженности

 

Цель занятия:

1)    Нагрузочные характеристики ГВВ.

2)    Динамические характеристики ГВВ.

3)    Недонапряженный, критический и перенапряженный режимы.

 

Основной задачей генератора с внешним возбуждением является создание возможно большей мощности колебаний на заданной частоте при достаточно высоком КПД. Полезная колебательная мощ­ность  определяется соотношением сопротивлений электронного прибора и нагрузки, а при выбранном электронном приборе – только эквива­лентным сопротивлением нагрузки, роль которой выполняет коле­бательный контур. Изменение сопротивления  вызывает измене­ние токов, напряжений и мощностей в цепях электронного прибо­ра, т. е изменение режима работы генератора по напряженности. Зависимость какого-либо параметра генератора от сопротивления нагрузки называют нагрузочной характеристикой генератора. Ос­новными параметрами генератора являются: колебательная мощ­ность , КПД (), подводимая мощность , анодные (коллектор­ные) токи и выходное напряжение.

Динамической характеристикой генератора называется зависи­мость мгновенных значений тока в цепи любого электрода элект­ронного прибора от напряжений на всех электродах при одновре­менном изменении их и наличии сопротивления нагрузки в выход­ной цепи. Динамические характеристики генератора строятся на статических характеристиках электронного прибора.

Динамические характеристики генератора при различных сопротивлениях нагрузки  в выходной цепи ее приведены на рисунке 7.1. При  = 0 динамическая характеристика представляет со­бой прямую линию, проходящую перпендикулярно оси абсцисс через точку с координатами , .

 

Рисунок 7.1 – Динамические характеристики генератора

 

Рисунок 7.2 – Нагрузочные характеристики ГВВ

 

При увеличении сопротивления нагрузки  ко­лебательная мощность  сначала возрастает, достигая некоторого максимального значения , а затем уменьшается. Сопротивле­ние нагрузки , при котором создаваемая генератором колеба­тельная мощность  максимальна, называется оптимальным и обозначается .

В зависимости от сопротивления нагрузки различают режимы работы генератора по напряженности: оптимальный, недонапряженный и перенапряженный.

Режим работы генератора при оптимальном значении сопро­тивления нагрузки называется оптимальным, критическим или гра­ничным. Динамическая характеристика, соответствующая оптима­льному режиму, пересекает статическую в точке ее верхнего изло­ма, т. е. в точке перехода от вертикального участка характеристи­ки к горизонтальному при заданном или выбранном максимальном напряжении на управляющем электроде (точка Б на рисунке 7.1)  или . Эта точка (Б) называется точкой критического режима. На рисунке 7.1 видно, что при различных значениях выбранного максимального значения на управляющем электроде () положение точки критического режима изменяется (Б, Б'). Геометрическое   место точек критического режима назы­вается линией критического режима.

Поскольку динамическая характеристика  – прямая линия, то выходной (анодный или коллекторный) ток повторяет по форме напряжение возбуждения. В оптимальном режиме импульс анодного тока синусоидальный с немного притуплённой верхуш­кой за счет появления небольшого сеточного тока.

Режим работы генератора при сопротивлении, меньшем, чем оптимальное, называется недонапряженным. В недонапряженном режиме падение напряжения на нагрузке  меньше, чем в опти­мальном.

Характерными признаками недонапряженного режима явля­ются:

       -  малое падение напряжения на нагрузке ;

       - большое остаточное напряжение на выходном электроде ;

       - большой ток выходного электрода ( или ) и выделение большой мощности ( или ) на выходном электроде;

       - малый ток управляющего электрода  ( или ); недонагруженность управляющего электрода, отсюда и название – недонапряженный режим;

       - синусоидальный, остроконечный импульс выходного тока;

       - небольшие колебательная мощность  и КПД выходной цепи генератора, что ограничивает применение недонапряженного режима в каскадах умножения частоты и при сеточной модуляции.

Режим работы генератора при сопротивлении нагрузки, боль­шем оптимального, называется перенапряженным. В транзистор­ных генераторах он называется режимом насыщения. В этом ре­жиме:

       - большое падение напряжения  на нагрузке, так как боль­шое ;

       - малое остаточное напряжение на выходном электроде (или );

       - небольшой выходной ток ( или );

       - большой ток управляющего электрода ( или ); управляю­щий электрод перегружен, отсюда и название режима – перена­пряженный.

В перенапряженном режиме происходит значительное перерас­пределение тока выходного и управляющего электродов (катодно­го тока между сеткой и анодом, эмиттерного – между базой и кол­лектором).

Пользуясь динамическими характеристиками, строят нагрузоч­ные характеристики, приведенные на рисунке 7.2. Рассматривая на­грузочную характеристику колебательной мощности , ви­дим, что значение колебательной мощности  сначала возраста­ет, достигая максимума, а затем уменьшается. Максимум колеба­тельной мощности  совпадает с переломом в графиках зависи­мостей  и .

Режим, соответствующий макси­муму полезной колебательной мощности, называется граничным. Из нагрузочной характеристики КПД видно, что максимального значения КПД выходной цепи генератора достигает в слегка перенапряженном режиме.

Выходное напряжение  в недонапряженном ре­жиме возрастает до области критического режима, так как  уве­личивается, а  уменьшается незначительно. В перенапряжен­ном режиме это произведение меняется в небольших пределах, так как резкое уменьшение тока  компенсируется увеличением .

Нагрузочная характеристика подводимой мощности  повто­ряет форму кривой для , так как , а значение на­пряжения питания  постоянное. Мощность, рассеиваемая на вы­ходном электроде, с увеличением  уменьшается (см. рисунок 7.2).

Из анализа нагрузочных характеристик можно сделать следую­щие выводы:

       а) для получения максимальной мощности  и достаточно большого   значения КПД  оптимальным является критический или слабо перенапряженный режим. Из графиков рисунка 7.2 для  и  видно, что максимумы точек 1 и 2 их не совпадают. Максимальная колебательная мощность создается генератором в крити­ческом режиме, но КПД при этом несколько ниже максимального;

       б) в недонапряженном режиме небольшая  и низкий , а тепловые потери  на выходном электроде электронного при­бора большие, что может вызвать перегрев его и разрушение;

        в) важным достоинством слабо перенапряженного режима яв­ляется незначительное изменение выходного напряжения при изме­нении сопротивления нагрузки;

        г) в сильно перенапряженном режиме значения основных энер­гетических показателей генератора ( и ) небольшие, а поте­ри на управляющем электроде сильно возрастают. В лампе это приводит к перегреву сетки и разрушению ее. Для транзистора пе­ренапряженный режим менее опасен.

 

      Литература: [6, стр.58 – 64].

 

 

8 Лекция. Сложение мощностей генераторов

 

Цель занятия:

1)    Необходимость сложения мощностей.

2)    Требования к схемам сложения.

3)    Различные способы сложения мощностей.

4)    Влияние частотного диапазона на способы сложения мощностей.

 

Требуемая мощность передатчика во многих случаях не может быть обеспечена одной лампой или транзистором. А параллельное и двухтактное   включение усилительных приборов (ламп, транзисторов) имеет ряд  недостатков. Основные из них следующие:

- отказ одного из усилительных приборов может вызвать выход из строя

остальных приборов. При отказе одного напряжение на нагрузке уменьшается вдвое, что эквивалентно уменьшению вдвое сопротивления нагрузки для оставшегося целым усилительного прибора. Генератор переходит из граничного режима в недонапряженный. Мощность, рассеиваемая на выходном электроде, повысится; он может перегреться и перегореть;

      - низкая устойчивость к паразитным  генерациям  из-за увеличения   числа паразитных реактивностей и усложнения схемы;

       - неравномерность распределения токов усилительных приборов из-за  разброса их параметров усугубляется связью через общую нагрузку. При  разбросе  параметров ламп одна из них (с меньшим сопротивлением) будет работать в режиме потребления мощности, а другая – в режиме генерации.

Все это приводит к резкому снижению надежности передатчика. Поэтому получение большой мощности достигается методом сложения (суммирования) мощностей отдельных сравнительно маломощных генераторов. Различают три метода сложения мощностей:

      - сложение мощностей нескольких блоков в общем контуре;

      -  сложение высокочастотных полей в пространстве;

      -  сложение мощностей с помощью мостовых схем.

Схемы сложения мощностей должны удовлетворять следующим требованиям:

      - каждый генератор должен быть согласован с нагрузкой так, чтобы он отдавал в нагрузку номинальную мощность ;

       - общая мощность, выделяемая в нагрузке, должна быть равна сумме номинальных мощностей отдельных генераторов ;

       - входы суммирующего устройства должны быть взаимно независимыми;

       - при появлении неисправности в одном генераторе мощность в нагрузке не должна уменьшаться больше чем на величину мощ­ности одного генератора.

Имеется еще ряд дополнительных требований, например ком­пактность суммирующего устройства, удобство подключения ге­нераторов к нему и др.

Сложение мощностей в общем контуре. В этом случае око­нечный каскад передатчика выполняется в виде нескольких одно­типных блоков, возбуждаемых синфазно от одного общего воз­будителя. В этих схемах необходимо обеспечить синфазность нап­ряжений возбуждения выходных каскадов блоков, которые иначе будут работать как бы на расстроенную нагрузку.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 8.1 – Схема сложения мощностей в одном контуре

 

Схема передатчика, в котором сложение мощностей произво­дится в общем контуре, приведена на рисунке 8.1. Достоинство этой схемы – возможность включения и выключения отдельных блоков без перерыва работы всего передатчика, недостаток схемы – взаимная связь между блоками через общий контур нагрузки, что сильно усложняет настройку передатчика, особенно на КВ. Поэтому схему применяют в мощных передатчиках ДВ и СВ, в которых не требуется быстрая смена волны.

Сложение мощностей в пространстве. Метод сложения мощ­ностей в пространстве используют в тех случаях, когда требуется увеличить напряженность электромагнитного поля, создаваемого антенной передатчика в заданном направлении. Сущность метода в том, что несколько автономных передатчиков работают на одной частоте от одного общего возбудителя. Каждый передатчик имеет свою отдельную антенну направленного действия. Для примера на рисунке 8.2 показана схема сложения мощностей двух передатчиков. Для ослабления связи между выходными каскадами передатчиков их антенны располагают на расстоянии . Антенны питаются синфазными токами. В пространстве формируется общая диаграмма направленности, так что в месте приема происходит сложение электромагнитных полей, создаваемых антеннами, и результирующая напряженность поля соответствует суммарной мощности отдельных передатчиков. Если же токи, питающие антенны, сдвинуть по фазе, то результирующая диаграмма направленности изменит свое положение. Это используется для быстрого поворота диаграммы направленности (излучения) электрическим способом.

Рисунок 8.2 – Схема сложения мощностей в пространстве

 

Совокупность отдельных симметричных полуволновых вибраторов называют фазированной антенной решеткой. Комбинированием числа вибраторов в вертикальном и горизонтальном рядах можно сформировать требуемую диаграмму направленности. Таким  образом,  обеспечивается возможность электронного управления направлением излучения в вертикальной и горизонтальной плоскостях без механического перемещения решетки вибраторов.

Сложение мощностей с помощью мостовых схем. Идеальная схема сумматора должна удовлетворять следующим требованиям:

     - сложение мощностей. Общая мощность , выделяемая в нагрузке всеми генераторами, должна быть равна сумме мощ­ностей отдельных генераторов. Для достижения этого необходимо согласовать выход каждого генератора с нагрузкой так, чтобы он отдавал в нагрузку номинальную мощность;

      - независимость входов. Означает, что выходы генераторов или входы сумматора должны быть взаимно развязаны. Это не­обходимо для того, чтобы изменения режима одного из генера­торов не влияли на работу других генераторов;

       - уменьшение мощности. При неисправности одного генера­тора общая мощность в нагрузке должна уменьшиться только на величину мощности одного генератора;

        - широкополосность. Сумматоры должны пропускать заданную полосу частот. Их применяют как в узкополосных, так и в широкополосных передатчиках. В последнем случае для расши­рения полосы пропускания часто используют широкополосные трансформаторы;

         - обратимость сумматоров. Сумматоры являются взаимообратимыми устройствами.  Они могут осуществлять как суммирование, так и деление мощностей. Для использования сумматора в качестве делителя нужно генератор и нагрузку поменять местами. Деление мощности бывает необходимо для возбуждения нескольких последующих генераторов.

Мостовым устройством называется многополюсник, с помощью которого обеспечивается совместная взаимонезависимая работа нескольких отдельных генераторов радиочастотных колебаний на одну общую нагрузку.

Схемы мостовых устройств классифицируются по следующим показателям:

- фазовым соотношениям суммируемых сигналов  на синфаз­ные, противофазные и квадратурные;

- частотным свойствам  на узкополосные () и широкополосные;

- элементной базе  устройства на R–, L–, C элементах, транс­форматорные и др.;

-  способу сложения  по току или напряжению.

Принцип работы мостовой схемы сложения мощностей двух генераторов Г1 и Г2 рассмотрим на примере обычного четырехплечего квадратного моста Уитстона, схема которого приведена на рисунке 7.3. Мост состоит из двух активных сопротивлений ( и ) и двух реактивных (X1 и Х2). При равенстве произведений сопротивлений противоположных плеч мост будет сбалансирован и генераторы Г1 и Г2, подключенные к разным его диагоналям, не будут влиять один на другой.

Если напряжения генераторов действуют, как показано Рисунке 8.3, то токи в плечах моста будут протекать в направлениях, указанных на Рисунке стрелками. При равенстве амплитуд и синфазности напряжений генераторов Г1  и Г2 токи  в нагрузке  будут складываться, а на балластном сопротивлении  – вычитаться. Если в реактивных сопротивлениях X1 и Х2 потерь нет, то при равенстве амплитуд и фаз токов в нагрузке вся сум­марная мощность  обоих генераторов полностью выделяется в нагрузке . При неисправности одного из ге­нераторов мощность другого делится пополам между сопротив­лениями нагрузки  и балластным . Поэтому выход из строя одного генератора приводит к уменьшению мощности в нагрузке в 4 раза.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7.3 – Мостовая схема сложения мощностей

Схема Т-образного моста с сосредоточенными параметрами приведена на рисунке 8.4. Мост составлен из параллельного коле­бательного контура LС1С2, нагрузки  и балластного резистора . Контур, настроенный на рабочую частоту, обладает сопро­тивлением . При синфазной работе обоих генераторов токи в нагрузке  и  складываются, а в балласте  и  направле­ны встречно. При полной симметрии схемы взаимное влияние генераторов исключается, но мост имеет узкую полосу пропускания. Этот недостаток устраняется в схемах на широко­полосных трансформаторах  (см. рисунок 8.5). Мощности генераторов Г1 и Г2 суммируются на сопротивлении нагрузки . Взаимная развязка генераторов обес­печивается балластным резистором . При соответствующем выборе элементов схемы нагрузка и режим одного из генераторов не зависят от состояния другого.

Рисунок 8.4 – Схема сложения мощностей на основе Т-образного моста	Рисунок 8.5 – Схема сложения мощностей на широкополосном трансформаторе

 

Квадратурные мосты применяют в диапазоне метровых и бо­лее коротких волн. В них равноамплитудные колебания генера­торов взаимно сдвинуты по фазе на . Этот начальный сдвиг создается в фазовращателе ФВ (см. рисунок 8.6). Четыре отрезка чет­вертьволновых линий образуют кольцо. При этом к нагрузке  токи генераторов подходят синфазно и суммируются, а к балластному резистору  – противофазно и вычитаются.

Рисунок 8.6 – Квадратурный мост сложения мощностей

Квадратурные мосты применяют в тех случаях, когда необходимо устранить в нагрузке явление фидерного «эха», возникающего при неточном согласовании фидера и антенны.

В квадратурном мостовом  устройстве (см. рисунок 8.6) появившийся в сумматоре отраженный сигнал поступает на выходы генераторов и, от­разившись, вторично попадает в нагрузку и балластный резистор. В нагрузке отраженные сигналы противофазны, взаимно компен­сируются и антенной не излучаются. В балластном сопротивлении отраженные сигналы синфазны, они суммируются. Мостовые схемы сложения мощностей генераторов по напряжению  и току (см. рисунки 8.7 и 8.8) этих недостатков лишены.

 

Рисунок 8.7 - Схема широкополосной мостовой схемы сложения мощностей генераторов по напряжению

 

Рисунок 8.8 - Схема широкополосной мостовой схемы сложения мощностей генераторов по току

 

      Литература: [6, стр.176 – 198].

 

9 Лекция. Выходные каскады передатчиков

 

Цель занятия:

1)     Требования, предъявляемые к выходным каскадам передатчика.

2)     Простая схема выходного каскада.

3)     Сложная схема выходного каскада.

4)     Выходные фильтрующие системы.

5)     Схемная реализация выходного каскада.

 

Выходным каскадом передатчика называется оконечный каскад его, работающий на антенну, т. е. каскад, отдающий мощность радиочастотных колебаний в антенну непосредственно или через фидер.

Выходной каскад передатчика должен удовлетворять основным требованиям: создавать необходимую мощность пе­редатчика в антенне (фидере), осуществлять фильтрацию высших гармонических составляющих и согласовывать выходное сопро­тивление генератора с входным сопротивлением нагрузки.

Выходной каскад является наиболее мощным каскадом пере­датчика. Он потребляет большую часть энергии источников питания. Поэтому качество его работы определяет основную харак­теристику радиопередающего устройства – промышленный КПД.

Для передачи информации каждому каналу связи отводится определенная полоса излучаемых частот. Все колебания, выходящие за пределы этой полосы, являются побочными.  К внеполосным  излучениям  относятся  колебания  выс­ших  гармоник  выходного тока,  а также паразит­ные   колебания,   возникающие   при   самовозбуждении  ГВВ. Допустимые значения мощности побочных излучений приведены в таблице 9.1.

Т а б л и ц а - 9.1

Диапазон частот, МГц	Мощность на основных частотах Р, кВт	Допустимая мощность побочных излучений
		абсолютная , мВт	oтносительная 10lg(/P), дБ
< 30	< 0.5; 0.5…50 50	< 50	< -40 < -60
30…235	<0.025; 0.025…1 > 1	< 0.025 < 1	< -40 < -60
235…470	< 0.025	< 0.025
235…960	0.025…20 > 20	< 20	< -60

 

Основной причиной появления побочных колебаний является работа электронного прибора в режиме колебаний второго рода. Наиболее интенсивные колебания второй и третьей гармоник. Подавление четных гармоник, в том числе и второй, осуществляется приме­нением двухтактной схемы. Часто, из-за асиммет­рии схемы нельзя добиться полного подавления второй гармоники и в двухтактной схеме. Для подавления нечетных гармоник, в том числе и третьей, угол отсечки выходного тона выбирают .

Основное ослабление высших гармоник обеспечивается коле­бательной системой выходной цепи каскада. Нагрузка выходного каскада – антенна – включается в его выходную цепь непосредственно или через промежуточный контур. В зависимости от спо­соба включения антенны в выходную цепь генератора различают схемы выхода: простую и сложную.

Простой схемой выходного каскада передатчика называется схема, в которой антенна включается непосредственно в анодную (коллекторную) цепь выходного каскада (см. рисунок 9.1).

 

 

 

 

 

Рисунок 9.1 – Простая схема выходного каскада передатчика

 

В этой схеме выходной контур образован индуктивностями катушки связи L_CB и катушки настройки L_K (вариометр) и пара­метрами антенны R_А и Х_A, т.е. антенный контур является выход­ным. Простая схема – одноконтурная. Настройка контура на рабочую частоту осуществляется вариометром L_Н. Подбор оптимального сопротивления нагрузки выходной цепи электронного прибора R_Э.ОПТ осуществляется подбором коэффициента включения р_L путем переключения числа витков катушки связи L_CB.

Достоинства простой схемы:

- высокий КПД, так как нет потерь энергии на промежуточных элементах;

- простота конструкции.

Недостатки простой схемы:

- низкая фильтрация высших гармоник;

- при обрыве антенны оставшиеся элементы не обеспечивают оптимальное сопротивление нагрузки, и вся подводимая мощность рассеивается на выходном электроде электронного прибора, что приводит к его перегреву и выходу из строя.

Поэтому простая схема выходного каскада может быть использована лишь в маломощных связных передатчиках.

Сложной схемой выходного каскада передатчика называется схема, в которой антенна подключается к выходной цепи оконечного каскада не непосредственно, а через промежуточный контур. Кроме того, могут быть добавлены фильтры. На рисунке 9.2 приведена схема выходного каскада с автотрансформаторной связью промежуточного и антенного контуров.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9.2 – Сложная схема выходного каскада с автотрансформаторной связью промежуточного и антенного контуров

 

Схема выходного каскада на транзисторе, включенном с общим эмиттером, приведена на рисунке 9.3.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9.3 – Схема выходного каскада на транзисторе

 

Достоинства сложной схемы:

       - лучшая, чем в простой схеме,  фильтрация высших гармоник;

       - более точная и более широкая регулировка значений сопротивления нагрузки в выходной цепи генератора, так как она вы­полняется двумя способами: изменением связи промежуточного контура с антенной и коэффициента включения контура в выходную цепь генератора;

       - удобство в эксплуатации: настройка контура в резонанс и регулировка связи мало зависят одно от другого.

Недостатки сложной схемы:

       - КПД выходной цепи ниже из-за потерь энергии на промежу­точном контуре и других элементах связи;

       - сложнее конструкция колебательной системы: большие габариты, масса;

       - сложнее настройка из-за большого числа регулируемых эле­ментов.

Если двухконтурная схема не обеспечивает заданной фильтрации, применяются дополнительные фильтрующие системы, представляющие собой фильтры низкой или высокой частоты, а также их сочетание. Лучшую фильтрацию высших гармоник имеют П-образный контур.

Лучшую фильтрацию обеспечивает сдвоенный  П-образный контур (см. рисунок 9.4 б).

 

 

 

 

Рисунок 9.4 – Схема П-образного контура простого (а) и сдвоенного (б)

 

В узкодиапазонных передатчиках, работающих на фиксиро­ванных частотах, для повышения фильтрации высших гармоник в выходную цепь включают дополнительные контуры – фильтр-пробки и фильтр-дырки, настроенные точно на частоту п-й гар­моники. Схема фильтрующей системы, состоящей из параллель­ных колебательных контуров, настроенных на вторую 2f, третью 3f и четвертую 4f гармоники, приведена на рисунке 9.5. Для токов основной рабочей частоты сопро­тивления контуров малы.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9.5 – Схема фильтрующей системы

  

Рисунок 9.5– Схема фильтрующей системы

 

Для примера: выходной каскад передатчика базового блока радиотелефона Panasonic KX-T9080BX выполнен на транзисторах Q311-Q313, которыми управляет интегральный синтезатор частоты. Выходная фильтрующая система представляет собой диплексор F306, разделяющий спектры частот приема и передачи.

Модулирующий сигнал через ограничивающий потенциометр VR303 подается на варикап D305 частотно-модулируемого автогенератора, собранного на транзисторе Q309. Туда же с вывода 9 микросхемы заводится управляющее напряжение смещения варикапа от фазового детектора, включенного в цепь фазового синтезатора. Такие схемы стабилизации частоты применяются во многих моделях радиотелефонов, работающих в диапазоне 800 – 900 МГц. В качестве синтезатора частоты могут использоваться программируемые микроконтроллеры типа РIC16XX или их аналоги.

 

Рисунок 9.6 – Принципиальная схема выходного каскада передатчика
Panasonic KX-T9080BX

 

Литература: [6, стр.199 – 221].

 

10 Лекция. Автогенераторы. Режимы самовозбуждения

автогенераторов

 

       Цель занятия:

1)    Принцип получения колебаний радиочастоты.

2)    Условия самовозбуждения.

3)    Трехточечные схемы автогенераторов.

4)    Колебательные характеристики автогенератора.

5)    Мягкий режим самовозбуждения.

6)    Жесткий режим самовозбуждения.

 

Принцип получения колебаний радиочастоты. В качестве первоисточника электрических колебаний радиочасто­ты используют колебательный контур из индуктивности L и ем­кости С. Известно, что если в контур LC ввести извне некоторое количество энергии, то в контуре возникнут свободные затухающие электрические колебания. Чтобы колебания в контуре стали незатухающими, необходи­мо пополнять потери энергии в контуре от источника питания.

Электронное устройство, преобразующее энергию постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний радиочастоты, называется автогенератором.

 

 

 

 

 

Рисунок 10.1 – Структурная схема автогенератора

 

В радиопередающих устройствах автогенераторы «задают» частоту первоначальных колебаний и выполняют роль задающих генераторов.

Основными требованиями, предъявляемыми к автогенераторам радиопередающих устройств, являются обеспечение заданного значения номинала и стабильности частоты генерируемых коле­баний.

Обычно выходная мощность транзисторных автогенераторов составляет несколько милливатт – единицы ватт в зависимости от назначения.

Условия самовозбуждения. Для устойчивой работы автогене­ратора необходимо выполнение двух условий: баланса фаз и ба­ланса амплитуд.

Баланс амплитуд – это условие поступления количества энергии от источника питания  в контур, необходимой для вос­полнения всех потерь в контуре и поддержания колебаний незатухающими.

Баланс фаз – это условие своевременной  подачи энергии  в контур, то есть сумма фазовых сдвигов колебаний по цепям прямой передачи (усиления) и об­ратной связи должна быть равна или кратна 360°.

Уравнение устойчивого самовозбуждения. Допустим, что в начале рассматриваемого цикла колебаний на контуре действует переменное напряжение . При этом по цепи обратной связи на сетку подается напряжение, определяемое коэффициентом обратной связи . Под действием этого нап­ряжения в анодной цепи протекает ток      

                                                   .                        (10.1)

Эти выражения написаны в комплексной форме для учета сдвига по фазе между анодным током  и напряжением на ано­де . Появляется сдвиг потому, что в общем случае частота ге­нерируемых колебаний ω может несколько отличаться от собст­венной частоты контура ω₀. В результате появится фазовый сдвиг между анодным током  и напряжением на контуре  и экви­валентное сопротивление контура будет иметь, кроме активной r_Э, еще и реактивную составляющую

                                               .                             (10.2)

Для упрощения анализа и расчета автогенератора было введено понятие о средней кру­тизне

                                   ,               (10.3)

где S – мгновенное значение крутизны характеристики.

Анодный ток , проходя по контуру, создает на нем напря­жение        

                                 .                   (10.4)

В установившемся режиме должно выполняться равенство . Тогда . Обычно значение D очень мало и им можно пренебрегать. Тогда можно записать

                                                         .                         (10.5)

 Известно, что комплексные числа рав­ны, если равны порознь их модули и аргументы. Тогда произведение модулей .

Это уравнение получено немецким ученым Баркгаузеном и называется основным уравнением стационарного режима автогене­ратора.

В транзисторных автогенераторах условия самовозбуждения имеют некоторые особенности. Внешний коэффициент обратной связи определяется отноше­нием амплитуды напряжения возбуждения на внешних зажимах «эмиттер – база» U_Б  к амплитуде колебательного напряжения на коллекторном контуре U_K, т.е.

                                                         .                               (10.6)

Внутренний коэффициент обратной связи определяется отно­шением амплитуды напряжения возбуждения на внутреннем пе­реходе «эмиттер – база» U_ЭБ к амплитуде напряжения на контуре, т.е. . Условие баланса амплитуд при этом . Но , где  – коэффициент передачи напряжения в цепи «база – эмиттер».  Тогда  основное  уравнение самовозбуждения принимает вид

                                                       .                      (10.7)

Общее правило построения трехточечных схем автогенераторов. В индуктивной трехточечной схеме (см. рисунок 10.2, а) эле­менты контура подключены к транзистору в следующем порядке. Конденсатор С2 подключен между коллектором и базой транзистора. Конденсатор С1 является разделительным. Катушка L1 подключена по высокой частоте между базой и эмиттером: к базе через тот же конден­сатор С1, а к эмиттеру через блокировочные конденсаторы С5 и СЗ. Катушка L2 подключена между коллектором и эмиттером транзистора через те же конденсаторы С5 и СЗ. В результате получим эквивалентную схему, приведенную на рисунке 10.3, а.

Схема емкостного трехточечного автогенератора приведена на рисунке 10.3, б.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 10.2 – Трехточечные схемы автогенераторов

 

 

 

 

 

 

Рисунок 10.3 – Эквивалентные схемы автогенераторов

 

Сравнив эквивалентные схемы автогенераторов по индуктивной и емкостной трехточечным схемам, можно установить общее правило построения трехточечных схем: реактивные сопротивле­ния между эмиттером и базой Х_ЭБ и эмиттером и коллектором Х_ЭК должны быть одинакового знака, а реактивность «база – коллектор» Х_БК должна быть противоположного знака.

Такой порядок подключения реактивностей колебательной системы к   транзистору необходим для выполнения баланса фаз. Значения реактивных сопротивлений контура должны быть подобраны  так,  чтобы в контуре  были колебания с частотой

                                 .                            (10.8)

 Для этого должно быть выполнено условие , т. е. реактивное   сопротивление емкостной ветви должно быть равно реактивному сопротивлению индуктивной ветви. Для индуктивной трехточки

 

                             ,

для емкостной    .                               (10.9)

 

Режимы самовозбуждения. Колебательной характеристикой называется зависимость амплитуды  первой гармоники коллекторного тока от амплитуды управляющего напряжения на базе транзистора . Вид колебательной характеристики зависит от положения рабочей точки на проходной характеристике транзистора .

При работе транзистора в режиме колебаний первого рода, т. е. когда рабочая точка А выбрана на середине линейного участка проходной характеристики, колебательная характеристика имеет выпуклую форму (см. рисунок 10.3, б, I). Если рабочая точка на переходной характеристике транзисто­ра выбрана в области отсечки выходного тока В (режим колеба­ний второго рода), то колебательная характеристика начинается несколько правее нуля. Затем по мере увеличения входного (управляющего) напряжения колебательная характеристика имеет нижний изгиб, соответствующий нелинейному нижнему участку проходной характеристики, и соответственно верхний изгиб (см. рисунок 10.3, б, II).

Линией обратной связи называется графически выраженная зависимость напряжения обратной связи от тока в выходной цепи транзистора. Поскольку цепь обратной связи линейна, то ли­ния обратной связи представляет собой   прямую линию, восхо­дящую из начала координат (см. рисунок 11.1, в).

 

 

 

Рисунок 10.3 – Колебательные характеристики и линии обратной связи

 

Мягкий режим самовозбуждения. На рисунке 11.2.а  амплитудная колебательная характеристика генераторов в режиме колебаний первого рода   (кривая линия)   и амплитудная характеристика об­ратной связи  автогенератора   (прямая линия)  совмещены  на одном графике.  Допустим, что в контуре за счет флуктуации появился  ток. Этот ток по цепи обратной связи создает на входе  напряжение возбуждения   U^I.  Это  напряжение в соответствии с колебательной характеристикой   вызывает в выходной цепи ток I^II. При токе I^II на входную цепь   автогенератора в соответствии с линией обратной связи наводится напряжение U^II, которое вызывает ток I^III и т. д. Последовательность нарастания колебаний показана на рисунке 10.2, а  стрелками.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 10.2 – Графики токов и напряжений в мягком (а) и жестком (б) режимах самовозбуждения

 

       Так, колебания в контуре будут нарастать до значения, определяемого точкой   пересечения колебательной характеристики и линии обратной свя­зи (В). Точка В соответствует режиму установившихся колебаний: в выходной цепи протекает ток I_УСТ, на участке «база – эмиттер» соз­дается напряжение U_УСТ.  В точке В выполняется баланс ампли­туд, и в автогенераторе устанавливаются устойчивые колебания.

Таким образом, в режиме колебаний первого рода колебания в автогенераторе возникают после включения источника питания самостоятельно и нарастают до установившегося значения плавно, мягко. Поэтому такой режим колебаний называют мягким режимом самовозбуждения.

Жесткий режим самовозбуждения. Если рабочая точка на проходной характеристике транзистора выбрана в области отсечки выходного тока, колебательная характеристика пересекается с ли­нией обратной связи в двух точках, как показано на рисунке 11.2, б. В области I кривая проходит под прямой – это значит, как было показано выше, что потери в контуре превышают пополнения энергии, и колебания не возникают. В области II кривая проходит над прямой – это значит, что потери в контуре меньше, чем по­полнения, и колебания могут зарастать.

Из этого видно, что в режиме колебаний второго рода колебания автоматически от флуктуаций возникнуть не могут (участок а–1 на рисунке 10.2, б). Для возникновения колебаний в автогенераторе в режиме коле­баний второго рода необходимо во входную цепь транзистора подать напряжение значительной амплитуды . Только после этого резкого, жесткого внешнего толчка напряжения колебания возникают и быстро нарастают. Отсюда и режим само­возбуждения называется жестким. Колебания нарастают до уста­новившегося значения, соответствующего точке В устойчивых ко­лебаний.

 

      Литература: [6, стр.225 – 232]

 

11 Лекция. Кварцевая стабилизация частоты

 

      Цель занятия:

1)    Недостатки параметрической стабилизации частоты.

2)    Кварц и его свойства.

 

Недостатки параметрической стабилизации частоты. В связи с тем, что, как было показано, частота создаваемых автогенерато­ром колебаний определяется параметрами эквивалентного коле­бательного контура, стабилизация частоты сводится к выполне­нию двух требований:

       - частота колебаний должна определяться только колебательным контуром или цепью обратной связи; добротность контура или цепи обратной связи должна быть высокой;

        - колебательный контур автогенератора (или цепь обратной связи) должен обладать высокими эталонными свойствами.

Параметрические способы стабилизации частоты направлены на стабилизацию параметров колебательного контура. Но реально выполняемые контура в большинстве случаев не обладают достаточной добротностью  и  эталонными свойствами.  Автогенераторы с LС–контурами обеспечивают стабильность частоты порядка   . А этого оказывается недостаточно.

Кварц и его свойства. Кварцевая пластина обладает пьезоэффектом – прямым и обратным. Сущ­ность пьезоэффекта заключается в полном преобразовании элек­трической энергии в механическую и обратно.

Прямой пьезоэффект состоит в том, что механические дефор­мации (сжатие, растяжение, изгиб) кварцевой пластины вызыва­ют появление электрических зарядов на гранях ее. Как правило, используются пластины косых срезов с колебаниями сжатия – растяжения по ширине (в диапазоне 50,.. 500 кГц) и с колеба­ниями сдвига по толщине (в диапазоне выше 500 кГц).

Если кварцевую пластину поместить в электрическое поле, т. е. к параллельной паре граней приложить разность потенциалов, то вдоль перпендикулярных осей возникнет механическая деформация – обратный пьезоэффект.

Под действием переменного электрического поля в пластине возникают упругие механические колебания.  Так, при колебаниях сдвига по толщине основная частота механических колебаний кварцевого резонатора определяется соотношением

                                                   ,                                           (11.1)

где М – частотный коэффициент;

       d – толщина пластины.

 Для пластины с колебаниями сдвига по толщине М = 1.5…3 МГц/мм. Для  повышения  частоты  необходимо    уменьшать толщину пластины d. Но пластины тоньше 0.1 мм оказываются хрупкими и не изготовляются.  Следовательно,  частота  основных колебаний кварцевой пластины составляет   15...30 МГц. Как и во всякой колебательной системе, в кварцевом резонаторе наблюдается ряд колебаний высших частот – гармоник. При необходимости   стабилизации более высоких частот используют высшие гармоники механических колебаний кварцевой пластины: нечетные  (п = 3, 5, 7), так как только в этом случае на обкладках резонатора получаются заряды противоположных знаков.

Эквивалентная схема кварца. Поведение кварца в переменном электрическом поле анало­гично поведению электрического колебательного контура 3-го вида (см. рисунок 13.1, а).

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 11.1  – Эквивалентная схема кварца

 

Параметры кварцевого резонатора. Основными параметрами эквивалентной электрической схемы кварцевого резонатора яв­ляются динамические индуктивность L_КВ и емкость C_КВ, сопротив­ление r_КВ и статическая емкость С₀, добротность  и коэффициент включения .

Динамическая индуктивность L_КВ отражает инерционные свой­ства пластины (массу ее), ее значение от десятых до единиц генри. Динамическая емкость кварца C_КВ является аналогом элас­тичности, т. е. величины, обратной упругости. Емкость C_КВ очень мала – сотые доли пикофарады. Сопротивление r_КВ отражает все потери энергии колебаний в кварцевом резонаторе, основными из которых являются потери на внутреннее трение при механических деформациях кристалла (r_КВ – от единиц до сотен Ом). Емкость С₀ характеризует статическую емкость кварцедержателя (С₀ = 1...50 пФ).

Параметры эквивалентного контура кварцевого резонатора существенно отличаются от параметров LС-контура. При такой большой индуктивности L_КВ и столь малой емкости C_КВ характе­ристическое сопротивление кварца  получается очень большим.

Поэтому, несмотря на сравнительно большое со­противление потерь r_КВ, добротность эквивалентного контура кварца получается очень большой – порядка 100000, а для обычного контура Q = 100...200.

Резонансная характеристика кварца. Колебательный контур, соответствующий эквивалентной схеме кварцевого резонатора, характеризуется двумя резонансными частотами: частотой последовательного резонанса в ветви, образованной динамическими параметрами собственно кварца , и частотой параллельного резонанса всего контура с учетом емкости кварцедержателя С₀

 

.      (11.2)

 

Отношение  обычно значительно меньше единицы  (). Поэтому резонансная частота собственно кварца  незначительно отличается от частоты . Разность этих час­тот составляет от   нескольких сотен до двух-трех тысяч герц.

Зависимости сопротивлений кварцевого резонатора  и  как эквивалентного контура представлены на рисунке 13.2. Из них видно, что в интервале частот  кварцевый резонатор име­ет индуктивное сопротивление, т. е. представляет собой индук­тивность. Для всех остальных частот – емкостное сопротивление. Резонансная характеристика параллельного контура очень ост­рая, так как добротность контура высокая. Поэтому резонансная частота собственно кварца  находится далеко за пределами полосы частот параллельного контура.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 11.2 – Резонансные характеристики кварца

 

Фазочастотная характеристика резонатора вследствие высокой добротности его  имеет  большую  крутизну в  узких диапазонах частот вблизи  и . Это является усло­вием обеспечения высокой стабильности частоты кварцевых резонаторов.

Кроме того, кварцевый резонатор обла­дает высокой эталонностью собственных ча­стот и фиксирующей способностью вследствие  механической прочности и химической стойкости, не изменяющихся   под действием дестабилизирующих факторов.

 

Литература: [6, стр.240 – 244].

 

     12 Лекция. Схемы кварцевых автогенераторов

 

     Цель занятия:

1)    Осцилляторные схемы автогенераторов.

2)    Фильтровые схемы автогенераторов.

 

Для построения схем высокостабильных автогенераторов кварце­вый резонатор используют либо как высокоэталонную индуктив­ность, замещая им катушку в емкостной трехточечной схеме, ли­бо как высокодобротный последовательный контур в цепи поло­жительной обратной связи автогенератора. В соответствии с мес­том включения кварца в схему автогенератора различают две группы кварцевых автогенераторов: осцилляторные и фильтровые.

Осцилляторные схемы. В них кварц включается вместо одной из индуктивностей в обобщенной трехточечной схеме (см. рисунок 12.1, а, б, в). Колебания в этих схемах могут существовать только тогда, когда кварц имеет индуктивное сопротивление, т. е. на частоте, близкой к собственной резонансной частоте кварца . На других частотах баланс фаз не выполняется и колебания в автогенераторе не возникают. На практике чаще всего исполь­зуется емкостная трехточечная схема, у которой кварц включает­ся вместо индуктивности в участок коллектор – база. Эта схема обладает лучшей стабильностью частоты, что является следстви­ем меньшего шунтирования кварцевого резонатора самим тран­зистором. Кроме того, в схеме отсутствуют катушки индуктивно­сти, что дает возможность построения автогенераторов в инте­гральном исполнении. Простейшая принципиальная схема транзис­торного автогенератора с кварцем, включенным в цепь база – коллектор, приведена на рисунке 12.2. Это емкостная трехточечная схема автогенератора. Работа автогенератора по этой схеме воз­можна только на частоте кварца. При неисправности кварца (шунтировании его или обрыве в цепи) генерация срывается. Недо­статком этой схемы является то, что кварц шунтируется сопротивлением коллекторно-базового перехода транзистора, что сни­жает стабильность частоты генерируемых колебаний, так как это сопротивление изменяется под действием дестабилизирующих факторов.

Рисунок 12.1 – Осцилляторные схемы

Рисунок 12.2 – Схема кварцевого автогенератора

 

Фильтровые схемы. В них кварцевый резонатор включают последовательно в цепь обратной связи, соединяющую базу, эмиттер или коллектор транзистора с колебательным контуром автогене­ратора. Варианты включения кварцевого резонатора в схему ем­костной трехточки приведены на рисунке 12.3.

 

 

 

 

 

 

 

 

                               Рисунок 12.3 – Фильтровые схемы автогенератора

 

Кварцевый резонатор может быть также включен в колебательный контур. На основной частоте последовательного резонанса (или на нечетной механической гармонике) кварц обладает только небольшим активным сопротивлением. При этом создаваемая кварцем цепь обратной связи замыкается, условия самовозбуждения выполняются, и возникают колебания в автогенераторе. Принципиальная схема кварцевого автогенератора с кварцем в цепи обратной связи приведена на рисунке 12.4.

Двухкаскадные схемы. Автогенератор, работающий на гармонике частоты кварца, можно построить на основе однокаскадного усилителя, включив кварцевый резонатор в цепь обратной связи, как показано на рисунке 12.4. Эта схема получила название схемы Батлера. Здесь часть напряжения с колебательного контура через кварцевый резонатор подается на эмиттер в 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 12.4 – Схема кварцевого автогенератора с кварцем в цепи обратной связи

 

противофазе с напряжением на коллекторе. Этим обеспечивается баланс фаз. Баланс амплитуд достигается подбором сопротивления резистора R_Э. Чтобы сохранить высокую фиксирующую способность кварце­вого резонатора и этим обеспечить высокую стабильность часто­ты, необходимо уменьшать сопротивления, включаемые в цепь об­ратной связи последовательно с кварцевым резонатором.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 12.5 – Схема Батлера с повышенной стабильностью частоты

 

Создание высокостабильных колебаний в схеме Батлера дости­гается включением в цепь обратной связи эмиттерного повтори­теля на транзисторе VТ2 (см. рисунок 9.5). Емкость конденсатора С1 выбирают из условия обеспечения баланса амплитуд, а кварцевый резонатор включают через малое выходное сопротивление эмит­терного повторителя, чем обеспечивается высокая фиксирующая способность кварцевого резонатора. Это происходит потому, что в цепь обратной связи последовательно с резонатором не вклю­чены большие сопротивления и добротность его определяется в основном сопротивлением только самого кварца.

Сравнив  различные схемы  автогенераторов,  можно отметить, что лучшие устойчивость и стабильность обеспечиваются: в осцилляторных схемах  на частотах до 30 МГц, в автогенераторах с кварцем в контуре  до 90 МГц, по схеме Батлера  свыше 90 МГц.

Схема автогенератора «Гиацинт-М». Радиопередающие  устройства     радиостанций  обычно выполняют по классической схеме, состоящей из возбудителя-синтезатора, усилителя мощности, модулятора, антенно-фидерного устройства, блоков управления и электропитания.

В составе возбудителя-синтезатора имеется опорный генератор «Гиацинт-М», обеспечивающий высокую стабильность часто­ты.

Тракт высокой частоты ОГ состоит из автогенератора с БУ, кварцевого резонатора, УВЧ, нагруженного на выходной транс­форматор, и схемы коррекции частоты. Автогенератор выполнен по двухконтурной схеме на микросхеме 159НТ1А (см. рисунок 12.6). Ин­дуктивная ветвь колебательной системы состоит из кварцевого резонатора Р1, варикапа VD1 (2В102Е) и конденсатора С1. Дру­гая ветвь контура является емкостным делителем, в одно плечо которого входит конденсатор С2, во второе – конденсаторы С6, С8, С9 и С10, подбором которых можно корректировать частоту генератора в пределах 5...8 Гц. Роль внешнего контура выпол­няет резистор R5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Рисунок 12.6 - Схема автогенератора «Гиацинт-М»

 

Режим работы микросхемы автогенератора и БУ по постоян­ному току определяется резисторами R2–R6. Питание микросхем осуществляется стабилизированным напряжением +9 В.

Работа автогенератора основана на принципе использования отрицательного входного сопротивления эмиттерного повторителя, нагруженного на емкость. Квар­цевый резонатор Р1, включен­ный в цепь базы, возбуждается на частоте, близкой к частоте по­следовательного резонанса.

Возбуждение на требуемой механической гармонике достига­ется выбором емкостей С2 и СЗ. Одновременно изменением их значений в определенных   пределах возможна корректировка частоты генератора в пределах 5...8 Гц по частоте 5 МГц и восста­новление номинальной частоты. С автогенератора сигнал частоты 5 МГц поступает на вход буферного усилителя, выполненного по схеме эмиттерного повторителя на втором транзисторе микросхе­мы. С его нагрузки R6 через разделительный конденсатор С7 на­пряжение радиочастоты 5 МГц подается на выход автогенератора.

 

       Литература: [6, стр.244 – 247]

 

13 Лекция. Системы диапазонно-кварцевой стабилизации частоты

 

     Цель занятия:

1)    Гетеродинный (интерполяционный) метод.

2)    Метод многократного гетеродинирования.

3)    Метод косвенной интерполяции.

4)    Синтезаторы частот.

 

Гетеродинный (интерполяционный) метод получения высокостабильных колебаний состоит в следующем: каждая рабочая частота f₀ создается суммированием или вычитанием частот колебаний двух генераторов – кварцевого и перестраиваемого. Структурная схема такого возбудителя приведена на рисунке 13.1, а. От кварцевого автогенератора (КАГ) сигнал подается на смеситель (См). Одновременно на смеситель подается колебание одной из частот от перестраиваемого автогенератора (ПАГ). Выбирая одну из гармо­ник КАГ и одну из частот ПАГ, можно получить ряд частот в не­котором плавном диапазоне. После смесителя требуемая рабочая частота выделяется полосовым фильтром (ПФ).

Лучшее ослабление побочных составляющих можно получить компенсационным методом, при котором используется двойное преобразование частоты при одном перестраиваемом генераторе. Структурная схема такого преобразователя приведена на рисунке 13.1, б. От КАГ колебание подается на первый смеситель См1, где понижается до значения, легко отделяемого полосовым фильтром ПФ1. Поскольку ПФ1 не перестраиваемый, то конструкция его уп­рощается. Отфильтрованное колебание затем подается на второй смеситель См2, где частота колебания повышается до значения рабочей.

 

 

 

 

 

Рисунок 13.1 – Структурная схема синтезатора, работающего интерполяционным  методом с одним преобразованием (а) и с двойным преобразованием (б)

 

  Многократное гетеродинирование позволяет получить произ­вольное число рабочих частот. Это достигается тем, что частоты от обоих генераторов f_Э.Г  и f_А.Г изменяются дискретно.

Структурная схема многократного гетеродинирования приве­дена на рисунке 13.2. Колебания от опорного автогенератора КвОАГ подаются на преобразователь Пр1. Туда же подаются колебания от другого автогенератора Кв1. На выходе получаем суммарные и разностные частоты. И так после каждого следующего звена. На выходе возбудителя можно получить большое число частот.

 

 

 

 

         Рисунок 13.2 – Структурная схема многократного гетеродинирования

 

Метод косвенной интерполяции частоты состоит в следующем. Рабочее колебание формируется синхронизируемым диапазонным автогенератором, частота которого непрерывно сравнивается с эталонной частотой другого (эталонного) генератора (см. рисунок 13.3). Для этого колебания от синхронизируемого автогенератора (САГ) и кварцевого опорного автогенератора (КАГ) подаются на смеситель См, на выходе которого выделяются колебания с разностной частотой f_К – f_С или f_С – f_К. Последнее одновременно с колебанием от перестраиваемого генератора ПАГ подается на фазовый детек­тор (ФД), где происходит их сравнение. На выходе ФД появ­ляется напряжение рассогласования, которое подается через  реактивный элемент РЭ (например, варикап) на САГ и корректиру­ет частоту выходного колебания.

 

 

 

 

 

Рисунок 13.3 – Структурная схема косвенной интерполяции

 

Декадные синтезаторы частот. Принцип построения декадных синтезаторов частот сводится к выполнению последовательных операций:

-  от опорного генератора с частотой f_ОГ, кратной 10 (напри­мер, 100 кГц, 1 МГц), получают спектр из десяти смежных гар­моник;

-  выбирают одну из этих десяти гармоник декадным пере­ключателем частоты, имеющим десять положений (от 0 до 9);

-  выбранную составляющую частоты, т.е. п-ю гармонику, складывают с частотой опорного генератора; при этом первая цифра суммарной часто­ты соответствует номеру положения декадного переключателя;

-  деление суммарной частоты на 10, что переводит введенную цифру в следующий, более низкий, десятичный порядок;

-  полученное колебание используется в качестве опорного для следующей декады возбудителя, в котором осуществляется выбор своей гармонической составляющей опорного генератора, соответствующей цифре  соседнего порядка в числе программируемой рабочей частоты, затем суммарное колебание делят и используют для следующей декады и т.д.;

-  В результате на выходе такого возбудителя получается коле­бание с частотой, совпадающей по значению с показанием декадных переключателей.

 

 

Рисунок 13.4 – Структурная схема декадного синтезатора частот

 

Рисунок 13.4 - Структурная схема декадного синтезатора частоты

 

Рисунок 13.5 - Принципиальная схема синтезатора частот с ФАПЧ

 

От опорного генератора на вход датчика опорных частот (ДОЧ), в котором формируется f₀ и десять частот f_k с одинаковым шагом Δf ,

, где k = 0, 1, 2, ..., 9. Частота f₀ обычно кратна Δf. Затем на первый сумматор С1 подаются две частоты: опорная частота f₀ и одна из частот f_k, определяемая выбранным положением К1.  Колебания суммарной частоты выделяются фильтром Ф1 этой частоты и поступают в делитель. Таким образом, на выходе первой декады получается одна из частот

,              (13.1)

где k₁ = 0, 1, 2, …, 9, т.е. после первой декады имеется сетка из 10 частот с шагом в 10 раз меньше, чем Δf.

Сигнал с частотой опорного генератора 5 МГц поступает на делитель с фиксированным коэффициентом деления (DD2), на выходе которого получается сигнал опорной частоты 1 МГц (КТ33). Сигнал с частотой выходного генератора, собранного на транзисторе VT3 через схему нормализатора (DD1), подается на вход делителя с переменным коэффициентом деления (КТ34). Требуемый коэффициент деления устанавливается переключателями SA1,SA2. Выходные сигналы делителей сравниваются импульсно-фазовым детектором (DD7). В случае их несоответствия на выходе 6 микросхемы DD7 вырабатывается напряжение ошибки, которое подается на регулирующий элемент (VD5), входящий в контур выходного генератора. При этом частота выходного генератора приводится в соответствие с частотой эталонного генератора.

 

Рисунок 13.6 - Принципиальная схема интегральных синтезаторов частоты  с ФАПЧ

 

Появление интегральных микросхем синтезаторов частоты с ФАПЧ решило сразу несколько проблем – получение сетки частот одновременно для приемника и передатчика в малогабаритных станциях при использовании одного кварцевого резонатора, простое переключение каналов приемника и передатчика набором двоичного кода, упрощение схемы высокочастотного тракта. Синтезатор формирует сетку частот, используя метод деления частоты опорного кварцевого генератора с помощью делителя частоты с программируемым коэффициентом деления. Перестраиваемые генераторы имеют невысокую стабильность и управляются напряжением. Стабилизация частоты осуществляется с помощью системы фазовой автоподстройки частоты. Система ФАПЧ представляет собой фазовый детектор, на входы которого поступают частоты с выхода ГУН и опорного генератора. Детектор сравнивает фазы поступающих сигналов и формирует на выходе сигнал ошибки – относительный показатель разности фаз. Полученный сигнал ошибки после обработки в ФНЧ поступает на управляющий элемент ГУН – варикап  и, таким образом, управляет частотой генератора.

 

      Литература: [6, стр.247 – 257].

 

     14 Лекция. Модуляция. Виды модуляции

 

      Цель занятия:

1)    Общие сведения о модуляции.

2)    Амплитудная модуляция.

3)    Угловая модуляция.

4)    Сжатие динамического диапазона при модуляции.

 

Общие сведения. Радиочастотные колебания, создаваемые радиопередатчиком и излучаемые его антенной в виде электромагнит­ных волн, используются для передачи информации потому, что они легко распространяются на большие расстояния.

Сообщения, которые необходимо передавать, чаще всего пред­ставляют собой низкочастотные колебания. Такие колебания не могут распространяться на большие расстояния. Поэтому спектр низкочастотного сигнала необходимо перенести в область радиочастот. Для этого необходимо осуществлять  управление ими. Узкополосным сигналом называется сигнал, у которого полоса пропускания не превышает 15-20% от несущей частоты сигнала.

Моделью узкополосного сигнала является гармонический сигнал

 

                                           ,                              (14.1)

        

          где    А – амплитуда;

                    –  фаза сигнала;

                    - начальная фаза.

Существует амплитудная и угловая модуляция

         ,

 – амплитудная модуляция (АМ),

 - угловая модуляция,

          –  частотная (ЧМ),

          - фазовая (ФМ).

Импульсная модуляция                                                              

           .                                     (14.2)

Процесс управления колебаниями радиочастоты с помощью ко­лебаний информационной частоты называется модуляцией.

Модуляция осуществляется с помощью специального устройст­ва, называемого модулятором.

Радиочастотные колебания характеризуются тремя параметра­ми:

амплитудой, частотой и фазой. Для осуществления модуляции необходимо изменять во вре­мени один из параметров радиочастотного колебания в соответст­вии с передаваемым сигналом. В зависимости от того, какой из параметров радиочастотного колебания изменяется, различают амплитудную, частотную и фазовую модуляцию.

Для передачи телеграфных сигналов изменяют один из параметров радиочастотных колебаний в соответствии с телеграфным кодом. Радиотелеграфную модуляцию называют манипуляцией. Различают соответственно манипуляцию амплитудную, частотную и фазовую.

Амплитудной модуляцией называется процесс изменения амп­литуды колебаний радиочастоты в соответствии с изменением амп­литуды колебаний низкой частоты передаваемого сигнала.

Для простоты анализа рассмотрим модуляцию одним тоном частоты Ω, График колеба­ния показан на Рисунке 14.1, при этом выражение тока радиочастоты при модуляции принимает вид

.                                                   (14.3)

Выполняя дальнейшее преобразование выражения тока модулированных колебаний, получаем

. (14.4)

Отношение приращения амплитуды тока несущей частоты при модуляции  к его значению до модуляции  обозначают буквой m и называют коэффициентом глубины модуляции или глу­биной модуляции. Значение коэффициента глубины модуляции m зависит только от амплитуды модулирующего колебания. Например, при передаче речи или музыки – от громкости звука.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Рисунок 14.1 – Временная диаграмма амплитудно-модулированных колебаний

 

При линейной модуляции коэффициент m прямо пропорционален амплитуде напряжения мо­дулирующего сигнала , где а – коэффициент пропорцио­нальности.

На рисунке 14.2 приведены временные диаграммы амплитудно-модулированных колебаний при различных коэффициентах модуляции m. Для осуществ­ления амплитудной модуляции без искажений коэффициент мо­дуляции  не должен превышать единицы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

Рисунок 14.2 – Графики амплитудно-модулированных колебаний при различной глубине модуляции

 

Выражение для тока амплитудно-модулированных колебаний можно представить в следующем виде

. (14.5)

Видно, что промодулированное по амплитуде колебание явля­ется сложным и состоит из трех составляющих:

-  колебания несущей частоты  с амплитудой , такой же, как и до модуляции;

-  колебания с частотой  и амплитудой , назы­ваемого колебанием верхней боковой частоты;

-  колебания с частотой , и амплитудой , называе­мого колебанием нижней боковой частоты.

Графически спектр колебаний, промодулированных по ампли­туде, можно изобра­зить, как показано на рисунке 14.3.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 14.3 – Спектр частот при амплитудной модуляции

 

 

                           

Рисунок 14.4 – Временное представление ЧМ сигнала

Рисунок 14.5 – Спектральное представление УМ сигнала

 

 

                                                                                                                 (14.6)

если                                        .

      

Спектр ФМ колебания шире, чем ЧМ при модуляции тем же сигналом, поэтому на практике ФМ при модуляции непрерывного сообщения не применяется. Теоретически ширина спектра ЧМ бесконечна, приближенно равна:

 

П = 2f₁  2f,  где  f – девиация, f₁ - полоса пропускания           (14.7)

     

Более точная формула  

 

                             (14.8)

       Сжатие динамического диапазона используется для снижения максимальных уровней сильных сигналов, приводящих к перегрузкам усилительного и передающего трактов, и одновременного повышения уровня слабых сигналов, которые могут быть заглушены шумами и помехами. Таким образом, компрессор уменьшает разность уровней громких и тихих звуков (слогов), улучшая разборчивость речи.

        Развитие интегральной схемотехники привело к появлению специализированных МС компрессоров и экспандеров. Обычно они совмещаются в одной МС, называемой компандером (компрессор - экспандер). Каждая часть схемы содержит ограничитель напряжения, ОУ с изменяемым коэффициентом усиления, двухполупериодный выпрямитель, цепи питания и смещения.

 

Литература: [6, стр.280, 293 – 298].

 

     15 Лекция. Типовые схемы передатчиков

 

      Цель занятия:

1)    Передатчики в интегральном исполнении.

2)    Телевизионные передатчики.

3)    Однополосные передатчики.

4)    Передатчики с УМ.

 

Фирмой Motorola были разработаны специализированные ИС маломощных РПДУ для радиотелефонов, которые можно встретить во многих моделях Sony, Funai, Premier и др. На рисунке 15.1 а, б приведены структурные схемы МС2831А и МС2833, а на рисунке 15.1 в -  схема включения МС2833. Обе ИС рассчитаны на работу в диапазоне питающих напряжений (3,0…8,0) В и потребляют сравнительно небольшой ток от источника питания (4,0 мА, 4 В).

РПДУ на микросхеме МС2833 содержит те же узлы, что и передатчики на транзисторах: задающий генератор с внешним управлением системой ФАПЧ, частотный модулятор с переменной реактивностью (варикапом), буферный усилитель РЧ, предоконечный и выходной каскады усилителя мощности.

Рисунок 15.1 – Передатчики в интегральном исполнении

 

  С задающего генератора ВЧ колебания подаются внутри МС на буферный усилитель, с выхода которого (вывод 14) через конденсатор С207 сигнал поступает на базу транзистора предоконечного каскада Q2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         Рисунок 15.2 – Структурная схема телевизионного передатчика

Колебательный контур Т7202 в коллекторной цепи Q2 настроен на третью гармонику частоты задающего генератора, т.е. каскад является усилителем-утроителем. Выделенное контуром Т202 напряжение снимается с катушки связи и проходит через конденсатор С202 на базу выходного транзистора УМ(Q1). В коллекторной цепи Q1 включен антенный  контур Т201.  

         Рисунок 15.3 - Структурные схемы передатчиков с ОМ

 

а – с непосредственной ЧМ в автогенераторе; б – с использованием фазового модулятора; в – с автоматической подстройкой частоты на основе синтезатора частот.

Рисунок 15.4 - Структурные схемы передатчиков низовой связи с угловой модуляцией

 

         Системы частотной и фазовой автоподстройки частоты. Данные системы используются в передатчиках с угловой модуляцией для обеспечения требуемой стабильности частоты. Структурная схема фазовой автоподстройки частоты приведена на рисунке 15.5.

                                           

 

 

 

 

 

  Рисунок 15.5 – Структурная схема системы ФАПЧ

 

Подмодулятор предназначен для усиления и обработки НЧ-сигнала, поступающего с микро­фона на вход передатчика. На рисунке 15.5 представлена принципиальная электрическая схема подмодулятора радиостанции РН-12Б.

Модулирующий сигнал от микрофона через подстроенный резистор R14 и разделительный конденсатор С20 поступает на вход микросхемы ИС305, где осуществляется его усиление и предварительная коррекция частоты с последующим ограничением по амплитуде. Да­лее через подстроечный резистор R12 и разделительный конденсатор С15 сигнал поступает на вход согласующего селективного резистивно-емкостного (RC) усилителя на ИС322, ограничиваю­щего полосу НЧ-сигнала до 3000 Гц.

 

 

         Рисунок 15.5 -  Принципиальная электрическая схема подмодулятора

 

 

 

Рисунок 15.6 - Принципиальная электрическая схема генератора-модулятора

 

 Задающий генератор (ЗГ) на микросхеме ИС314, построенный по схеме "емкостной трехточки", генерирует ВЧ-колебания в диапазоне 12...15 МГц. Частота генератора на каждом рабочем ка­нале стабилизируется одним из кварцевых резонаторов, подключаемых переключателем каналов. Точная установка номинальной частоты генера­тора осуществляется подстроечным конденсатором соответственно.

     Фазовый модулятор на микросхеме ИС316 работает по схеме с преобразованием амплитуд­ной модуляции в фазовую. Модулирующий НЧ сигнал поступает на модулятор с микросхемы ИС322 подмодулятора через разделительный конденсатор С14.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

      Резонансный контур Т-13 в нагрузке фазового модулятора, настроенный  на частоту задающе­го генератора, подавляет паразитную AM модулятора.

 

Литература: [6, стр.334 – 435].

 

Список литературы 

          1. Муравьев О.Л. Радиопередающие устройства связи и вещания. – М.: Радио и связь, 1983.

          2. Муравьев О.Л. Радиопередающие устройства. -  ч.1. – М.: Связь, 1974.

          3. Муравьев О.Л. Радиопередающие устройства. -  ч.2. – М.: Связь, 1978.

          4. Городецкий С.А. Радиопередающие устройства магистральной связи. – М.: Связь, 1980.

          5. Ильина Н.Н. Радиовещательные радиопередающие устройства. – М.: Связь, 1980.

          6. Радиопередающие устройства. В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А. Ляховкин и др. Под ред. В.В. Шахгильдяна. – М.: Радио и связь, 2003. – 559 с.

          7. Иванов В.К. Оборудование радиотелевизионных передающих станций. – М.: Радио и связь, 1989. -  320 с.

          8. Проектирование и техническая эксплуатация радиопередающих устройств, М.А. Сиверс, Г.А. Зайтленок, Ю.Б. Несвижский и др. – М.: Радио и связь, 1989. – 368 с.

          9. Проектирование радиопередающих устройств. Под ред. В.В. Шахгильдяна. – М.: Радио и связь, 2003. – 453 с.

          10. Петров Б.Е., Романюк В.А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. – М.: Высшая школа, 1989. – 398 с.

  11. Каменецкий М.В., Заикин В.А. Радиотелефоны. – С.П – б.: Наука и  

техника, 2000. – 256 с.

          12. Ворона В.А. Радиопередающие устройства. Основы теории и расчета – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 382 c.