Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании

Публикации для людей, интересующихся наукой и техникой

Радиопередающие устройства систем радиосвязи

Структурная схема радиопередатчика

Радиопередатчиком называется радиотехническое устройство, преобразующее первичные электрические сигналы в радиосигналы определённой мощности, необходимой для обеспечения радиосвязи на заданном расстоянии с требуемой надёжностью.

В радиопередающее устройство, кроме радиопередатчика, входит и антенно-фидерное устройство.

Структурная схема радиопередатчика представлена на рис.1.

Структурная схема радиопередатчика

Рис. 1

Радиопередатчик включает следующие узлы:

Возбудитель, предназначенный для преобразования первичных электрических сигналов в радиосигналы, формирование сетки высокостабильных частот с заданным интервалом между соседними частотами, с помощью которых осуществляется перенос сформированных радиосигналов непосредственно на рабочую частоту в заданном диапазоне.

Усилитель мощности УМ предназначен для усиления радиосигналов, сформированных в возбудителе, до величины, обеспечивающей требуемую дальность связи с заданной надёжностью.

Согласующее антенное устройство САУ обеспечивает согласование УМ с передающей антенной с целью излучения антенной максимальной мощности, подводимой к ней от УМ.

Источник электропитания предназначен для преобразования энергии переменного тока частоты 50 Гц в энергию напряжений, необходимых для питания каскадов передатчика.

Кроме указанных узлов, к радиопередатчику относятся дополнительные системы: управления, блокировки, сигнализации и принудительного охлаждения. Перечисленные выше узлы содержит любой радиопередатчик, независимо от его мощности и назначения.

Возбудители радиопередатчиков

Функции возбудителя, в простейшем случае может выполнить диапазонный автогенератор с параметрической стабилизацией частоты, модулируемый или манипулируемый первичным электрическим сигналом. До недавнего времени такие возбудители широко использовались в маломощных передатчиках, особенно метрового диапазона волн. Однако, в силу недостаточной стабильности частоты возбудителей с параметрической стабилизацией (δ<10-4), в последние 10 лет от них отказались. На смену им пришли возбудители с диапазонной кварцевой стабилизацией рабочих частот. Такие возбудители представляют собой сложные радиотехнические устройства, содержащие сотни каскадов различного назначения. Всё многообразие схем современных возбудителей может быть представлено в виде обобщенной схемы (рис. 2).

В соответствии с выполняемыми функциями, любой современный возбудитель содержит следующие функциональные элементы: синтезатор частот СЧ, блок формирования радиосигналов БФС, тракт преобразования радиосигналов.

Схема современного возбудителя

Рис. 2

В составе возбудителя обязательно присутствуют диапазонные и кварцевые автогенераторы.

Автогенераторы

Автогенератор – это радиотехническое устройство, предназначенное для преобразования энергии источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний. В автогенераторе, колебания возникают без постороннего воздействия при включении источника питания.

Автогенератор можно представить, как усилитель с положительной обратной связью (рис. 3).

Схема автогенератора

Рис. 3

Автогенератор включает в себя следующие узлы:

  • усилительный элемент (электронная лампа, транзистор, и др.);
  • нагрузка усилительного элемента в автогенераторах гармонических колебаний – это, как правило, LC колебательный контур;
  • цепь положительной обратной связи – пассивный четырёхполюсник с коэффициентом передачи ẞ<1 ;
  • стабилизированный источник питания.

Схема транзисторного автогенератора с индуктивной обратной связью представлена на (рис. 4).

Схема транзисторного автогенератора

Рис. 4

Состав схемы:

  • транзистор Т1 – усилительный элемент;
  • колебательный контур LкCк – нагрузка усилительного элемента;
  • Lсв - индуктивность положительной ОС;
  • резисторы R1 и R2 и ёмкость С1 обеспечивают смещение на базу транзистора;
  • резистор Rэ и ёмкость Сэ обеспечивают температурную стабилизацию режима транзистора по постоянному току;
  • Rн и Сн – элементы нагрузки генератора;
  • Ср – разделительный конденсатор;
  • Сбл – блокирует источник по переменному току.

Автоматическое смещение в автогенераторах

Для того чтобы АГ возбуждался в мягком режиме, а в стационарном состоянии работал в энергетически выгодном режиме с отсечкой тока, применяют автоматическое смещение на управляющий электрод усилительного элемента.

Начальное смещение подаётся или от отдельного источника, или через делитель R1R2 (рис. 5). Оно определяет НРТ на линейном участке передаточной характеристики.

Автоматическое смещение в автогенераторах

Рис. 5

Генератор возбуждается мягко. По мере роста амплитуды колебаний возникает автоматическое смещение ЕБЭ авт за счёт выпрямленного тока базы или за счёт постоянной составляющей тока эмиттера. Рабочая точка смещается в точку «В», и смещение становится стационарным, АГ работает с отсечкой тока в энергетически выгодном режиме.

Влияние нагрузки на стабильность частоты автогенератора

Нагрузка АГ обычно нестабильна во времени и в общем случае комплексна. Нагрузка, подключенная через элемент связи к контуру АГ, вносит свою реактивность в контур, изменяя его параметры, а, следовательно, и частоту АГ. Чем больше связь контура АГ с нагрузкой, тем больше влияние нагрузки на частоту АГ. Для увеличения стабильности частоты АГ применяют неполное включение контура АГ к нагрузке или применяют постоянную во времени и независимую от частоты нагрузку, что достигается включением между АГ и нагрузкой буферного каскада (рис. 6).

Схема буферного каскада

Рис. 6

Буферный каскад БК ставится в режим без отсечки тока, при котором его входное сопротивление не зависит от сопротивления нагрузки. БК имеет незначительный коэффициент усиления по мощности и низкий КПД.

На практике часто пользуются двухконтурной схемой АГ (рис. 7), в которой нагрузка слабо влияет на его частоту.

Двухконтурная схема автогенератора

Рис. 7

Автогенератор собран на двух транзисторах по каскадной схеме, т. е. на транзисторе Т1 собран АГ по схеме ёмкостной трёх точки. Транзистор включен по схеме с ОК. Нагрузкой в коллекторной цепи является входное сопротивление усилительного каскада, собранного на транзисторе Т2, включённого по схеме ОБ. Входное сопротивление каскада с ОБ очень мало и практически не зависит от нагрузки в коллекторной цепи. Таким образом, АГ работает на постоянную нагрузку, не зависимую от ZН. Вследствие малости входного сопротивления усилительного каскада, собранного на Т2, коллектор Т1 через малое сопротивление БЭ транзистора Т2 и разделительную ёмкость СР соединён по ВЧ с корпусом.

Влияние внешнего контура АГ на внутренний дополнительно ослабляют шунтированием внешнего контура, магнитным экранированием контуров и настройкой внешнего конура на вторую гармонику АГ, собранного на Т1.

Автогенераторы на диодах Ганна

Диод Ганна является двухполюсным полупроводниковым прибором, обладающим динамическим отрицательным сопротивлением в СВЧ-диапазоне, что позволяет использовать его для генерации и усиления электрических колебаний в СВЧ диапазоне. В отличие от всех прочих полупроводниковых приборов, называемых диодами, диод Ганна имеет однородную полупроводниковую структуру без p-n перехода с невыпрямляющими контактами выводов. Его ВАХ, снятая на постоянном токе, подобна характеристикам обычного резистора. Появление отрицательного сопротивления на определённых частотах обусловлено объёмными явлениями, возникающими при высокой напряжённости электрического поля в некоторых полупроводниковых материалах.

Наиболее распространённым полупроводником для изготовления диодов Ганна является арсенид галлия. В этом материале электроны в зоне проводимости могут находиться в двух подзонах (долинах). В первой из них, где энергия электронов ниже, они обладают более высокой подвижностью, чем во второй, где энергия электронов высокая. При напряженности поля ниже критической (Екр=1,5–4 кВ/см) электроны проводимости находятся в нижней долине, и скорость их дрейфа пропорциональна приложенному напряжению. При Е>ЕКР происходит «заброс» электронов в верхнюю долину, где увеличение приложенного напряжения уменьшает подвижность электронов, что равносильно уменьшению тока или увеличению сопротивления этой области, т. е. в данной области имеет место отрицательное сопротивление. Увеличение сопротивления в этой области приводит к перераспределению падения напряжения вдоль полупроводника. В этой области падение напряжения увеличивается, в остальных участках напряжённость поля падает и становится ниже критического.

Домен сильного поля зарождается возле катода – вывода, присоединённого к отрицательному полюсу внешнего источника напряжения. Зародившись, он сразу же начинает дрейфовать с большой скоростью (около 105 м/с) в направлении к аноду, достигнув которого пропадает. При этом напряжённость поля в полупроводниках возрастает, и возле катода зарождается новый домен, и т. д. В результате этих процессов ток, проходящий через полупроводник при напряжениях, создающих поле выше критического, пульсирует (возрастает в моменты исчезновения домена) с периодом, равным времени пробега τ доменом длины кристалла. Значение τ для диодов Ганна из GaAs, в зависимости от расстояния между контактами, составляет 10-9 – 10-10 с и менее, что соответствует частотам генерации порядка единиц – десятков ГГц.

Основными параметрами диодов Ганна, предназначенных для работы в качестве генераторов СВЧ, являются: диапазон частот генерируемых колебаний, отдаваемая мощность и КПД. При нагрузке диода Ганна на резонатор условия для зарождения домена возникают лишь в определённой фазе колебаний, поэтому рабочая частота генератора может отличаться от собственной частоты диода и изменяется соответствующей настройкой резонатора.

Мощности генераторов на диодах Ганна зависят от КПД и условий теплоотдачи и составляют сотни милливатт – единицы ватт в непрерывном режиме, десятки – сотни ватт в импульсном режиме. КПД приборов составляет 5–15%.

Диод Ганна может работать в усилителях мощности СВЧ-диапазона. Коэффициент усиления составляет 40–50 дБ. Выходная мощность - единицы ватт в непрерывном режиме. Это делает их перспективными для усиления мощности в радиопередающих устройствах СВЧ диапазона. Однако высокий коэффициент шума (до 20 дБ) не позволяет их использовать во входных цепях СВЧ-радиоприёмников. Кроме рассмотренного режима работы, называемого доменным, диоды Ганна могут работать в режиме ограниченного накопления объёмного заряда (ОНОЗ), который возникает при условии, что напряжённость поля превышает критическую в течение некоторой части периода τ движения домена вдоль полупроводника. В этом режиме частота генерации вообще не зависит от времени пробега домена, она полностью определяется параметрами внешнего резонатора и может изменяться в широких приделах вплоть до 100 ГГц и более.

Общие принципы построения синтезаторов частот

Практические схемы синтезаторов частот весьма разнообразны. Несмотря на это разнообразие, можно отметить общие принципы, лежащие в основе построения современных синтезаторов:

  • все синтезаторы основаны на использовании одного высокостабильного опорного колебания с некоторой частотой f0, источником которого обычно является опорный кварцевый генератор;
  • синтез множества частот осуществляется широким использованием делителей, умножителей и преобразователей частоты, обеспечивающих использование одного опорного колебания для формирования сетки частот;
  • обеспечение синтезаторами частот декадной установки частоты возбудителя.

По методу формирования выходных колебаний синтезаторы подразделяются на две группы: выполненные по методу прямого (пассивного) синтеза и выполненные по методу косвенного (активного) синтеза.

К первой группе относятся синтезаторы, в которых выходные колебания формируются путём деления умножения частоты опорного генератора с последующим сложением и вычитанием частот, полученных в результате деления и умножения.

Ко второй группе относятся синтезаторы, формирующие выходные колебания в диапазонном автогенераторе гармонических колебаний с параметрической стабилизацией частоты, нестабильность которого устраняется системой автоматической подстройки частоты (АПЧ) по эталонным (высокостабильным) частотам.

Синтезаторы обоих групп могут быть выполнены с использованием аналоговой или цифровой элементной базы.

Синтезаторы, выполненные по методу прямого синтеза

Схема синтезатора

Рис. 8

Высокостабильный кварцевый генератор ОГ формирует колебания с частотой f0, которые поступают на делители и умножители частоты ДЧ и УЧ. Делители частоты понижают частоту ОГ f0 в целое число раз (d), а умножители частоты увеличивают её в целое число раз (к). Частоты, полученные в результате деления и умножения частоты опорного генератора (f0), используются для формирования опорных частот в специальных устройствах, которые называют датчиками опорных частот ДОЧ. Общее количество датчиков опорных частот в синтезаторе частот СЧ зависит от диапазона формируемых синтезатором частот и интервала между соседними частотами: чем шире диапазон частот СЧ и меньше интервал, тем больше количество ДОЧ требуется. При декадной установке частоты каждый ДОЧ формирует десять опорных частот с определённым интервалом между соседними частотами. Общее количество необходимых датчиков определяется количеством цифр (разрядов) в записи максимальной частоты синтезатора. Например, максимальная частота синтезатора, формирующего сетку частот с интервалом Δf = 1 кГц, 5 МГц = 5000 кГц, т. е. содержит четыре разряда. Поэтому синтезатор должен иметь четыре датчика опорных частот: ДОЧ I, формирующий десять частот с интервалом Δf1= 1 кГц, ДОЧ II -десять частот с интервалом Δf2 = 10Δf1 = 10 кГц, ДОЧ III - десять частот с интервалом Δf3 = 10Δf2 = 100 кГц, ДОЧ IV формирует частоты с интервалом Δf4 = 10Δf3 = 1000 кГц = 1 МГц. Количество опорных частот с интервалом 1 МГц в данном примере только пять.

Опорные частоты, сформированные в датчиках, подаются на смесители. Полосовые переключаемые фильтры, включённые на выходе смесителей, выделяют в данном примере суммарную частоту: на выходе первого f1 + f2, на выходе второго f1 + f2 + f3, на выходе третьего f1 + f2 + f3 + f4.

Частота на выходе возбудителя при декадной установке определяется положениями переключателей каждой декады.

Относительная нестабильность частоты на выходе синтезатора равна нестабильности ОГ. Недостатком такого типа синтезаторов является наличие на его выходе большого числа комбинационных частот, что объясняется широким использованием смесителей.

Синтезаторы частот, построенные по методу косвенного синтеза

В синтезаторах, выполненных по методу косвенного синтеза, источником выходных колебаний является диапазонный автогенератор гармонических колебаний, автоматически подстраиваемый по высокостабильным частотам, формируемым в блоке опорных частот БОЧ.

Суть автоматической подстройки частоты АПЧ состоит в том, что колебания автогенератора с помощью высокостабильных частот преобразуются к некоторой постоянной частоте fапч, которая сравнивается с эталонным значением частоты. В случае несовпадения сравниваемых частот формируется управляющее напряжение, которое подается на управляемый реактивный элемент и изменяет величину его реактивности (ёмкости или индуктивности). Управляемые реактивные элементы включаются в контур, определяющий частоту АГ. Частота АГ изменяется до тех пор, пока fапч не приблизится к эталонной частоте с достаточно малой остаточной расстройкой.

В зависимости от устройства сравнения все системы АПЧ можно разделить на три вида:

  • системы с частотной автоподстройкой частоты ЧАП, в которой в качестве сравнивающего устройства используются частотные детекторы ЧД;
  • системы с фазовой автоподстройкой частоты ФАП, использующие в качестве сравнивающего устройства фазовые детекторы ФД;
  • системы с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты ИФАП, в которых сравнивающим устройством являются импульсно-фазовые детекторы ИФД.

Формирование радиосигналов

В коротковолновой радиосвязи используются узкополосные радиосигналы:

  • телефонные с однополосной модуляцией ОМ;
  • телефонные с частотной модуляцией ЧМ;
  • телеграфные с амплитудой манипуляцией АТ;
  • телеграфные с частотной манипуляцией ЧТ;
  • телеграфные с двойной частотной манипуляцией ДЧТ;
  • телеграфные с относительной фазовой манипуляцией ОФТ.

Формирование радиосигналов с однополосной модуляцией

Основным методом формирования радиосигналов ОМ является фильтровой метод. Структурная схема, реализующая этот метод формирования ОМ сигналов, приведена на рис. 9.

Структурная схема фильтрового метода

Рис. 9

Существо метода заключается в том, что спектр первичного телефонного сигнала переносится в область радиочастот рядом последовательных преобразований с помощью увеличивающихся по частоте несущих колебаний ƒ1, ƒ2, ƒ3. Перенос спектра первичного телефонного сигнала F=0,3-3,4 кГц в область радиочастот посредством одного преобразования ограничивается трудностью расфильтровки нижней и верхней боковых полос частот на выходе БМ. Для эффективной расфильтровки частоту несущего колебания ƒ1 выбирают сравнительно низкой (для многих радиосистем 128 кГц) и для расфильтровки после первого преобразования используют кварцевые фильтры.

Принципы построения усилительных трактов радиопередатчиков

Требования, предъявляемые к усилительному тракту радиопередатчика вследствие того, что возбудители радиопередатчиков обеспечивают выходную мощность единицы милливатт, для обеспечения заданной мощности в антенне усилительный тракт должен иметь несколько последовательно соединённых каскадов усиления мощности. Количество каскадов определяется требуемой выходной мощностью и усилительной способностью усилительных элементов.

К усилительным каскадам предъявляют требования;

  • обеспечение заданной мощности в нагрузке;
  • линейность усиления радиосигналов;
  • возможно высокий КПД;
  • подавление побочных колебаний, возникающих в процессе усиления радиосигналов;
  • простота и минимальное время перестройки во всём диапазоне частот.

Любой усилитель мощности состоит из следующих элементов: входной согласующей цепи СЦ; активного усилительного элемента УЭ; выходной согласующе-фильтрующей цепи СФЦ и нагрузки усилителя.

Усилительный элемент УЭ предназначен для преобразования энергии источника постоянного тока в энергию ВЧ колебаний, частота и форма которых определяется входным радиосигналом.

В качестве усилительных элементов могут использоваться: электронные лампы, транзисторы, лампы бегущей волны, пролётные клистроны, платинотроны, магнетроны.

Согласующе-фильтрующая цепь СФЦ включается на выходе УЭ и выполняет две функции: обеспечивает согласование нагрузки каскада с нагрузкой УЭ, т. е. обеспечивает равенство zн=Rуэ. При этом обеспечивается максимальная выходная мощность и подавляются побочные колебания.

Линейность усилителя зависит от положения рабочей точки на проходной характеристике iвых=fUвх УЭ и его сопротивления нагрузки. Существует оптимальное значение сопротивления нагрузки Rгр, при котором мощность на выходе максимальна. Если Rуэ>Rгр, мощность на выходе уменьшается, а УЭ переходит в нелинейный режим.

Требование линейности усиления находится в противоречии с требованием увеличения КПД усилителя.

Подавление побочных колебаний, простота и скорость перестройки усилителя полностью определяется СФЦ. С этой точки зрения наиболее оптимальными следует считать такие СФЦ, которые работают в широком диапазоне частот и не требуют перестройки, а также использовать широкополосные УЭ, такие как ЛБВ, платинотроны и др.

Усилительные элементы и их режим работы

В мощных передатчиках в качестве УЭ до сих пор используются электронные лампы и мощные транзисторы.

Если на УЭ поданы только постоянные напряжения, то такой режим УЭ считается статическим, если на выход подано входное напряжение и подключена нагрузка, то такой режим называется динамическим.

Если на УЭ поданы только постоянные напряжения, то Статистический режим определяет положение рабочей точки на проходной характеристике. В зависимости от положения рабочей точки на проходной характеристике УЭ различают следующие его режимы работы: режим А, режим В, режим АВ, режим С.

Режим А, когда рабочая точка расположена в середине линейного участка проходной характеристике УЭ (рис. 10).

Работа в статистическом режиме

Рис. 10

При работе усилительного элемента в режиме А обеспечивается линейность усиления при условии, что амплитуда усиливаемого сигнала на входе УЭ не выходит за пределы линейного участка характеристики.

Недостатком этого режима следует считать низкий КПД, обусловленный большой постоянной составляющей выходного тока Iа0. Поэтому работа в режиме А целесообразна в маломощных промежуточных каскадах, удельный вес которых в общем энергетическом балансе усилительного тракта незначителен.

Режим В характеризуется положением рабочей точки на нижнем изгибе проходной характеристики, определяемой пересечением её линейного участка с осью абсцисс (рис. 11).

Режим положения рабочей точки

Рис. 11

При работе УЭ в режиме В усиливаются только положительные полупериоды входных колебаний, а отрицательные отсекаются (работа с отсечкой выходного тока при Ɵ=π/2), поэтому ток на выходе УЭ представляет собой импульсы длительностью, равной полупериоду входного колебания Твх/2. Такая последовательность импульсов тока представляет собой сумму постоянной составляющей Iа0, первой гармоники Iа1 и чётных гармоник Iа2, Iа4....., при этом амплитуды всех составляющих линейно зависят от амплитуды сигнала на входе. Следовательно, если на выходе УЭ включить избирательную систему, пропускающую только первую гармонику и подавляющую высшие гармоники, то усилитель будет работать в линейном режиме.

Постоянная составляющая выходного тока УЭ в режиме В значительно меньше, чем в режиме А, поэтому КПД усилителя больше. По этой причине режим В целесообразно применять в мощных каскадах усилительного тракта, когда требуется линейность усиления и возможно больший КПД.

Понравилась статья? Всё ли вам понятно? Хотел вам порекомендовать заглянуть на наш канал YouTube. Так же посмотреть уже готовые проекты на скачивание, среди которых чертежи, схемы и 3D модели.