Выходные цепи радиопередающих устройств

Частотные синтезаторы.

Задающие генераторы.

Предназначение радиопередатчиков.

Схема и конструкция радиопередатчика зависят от различных факторов: на­значения, диапазона рабочих волн, мощности и т.д. Тем не менее, можно выделить некоторые типичные блоки, которые с теми или иными вариациями имеются в большинстве передатчиков.

Структура передатчика (рис. 11.1) определяется его основными об­щими функциями, к которым относятся:

- получение высокочастотных колебаний требуемой частоты и мощности;

- модуляция высокочастотных колебаний передаваемым сигналом;

- фильтрация гармоник и прочих колебаний, частоты которых вы­ходят за пределы необходимой полосы излучения и могут создатьпомехи другим радиостанциям;

- излучение колебаний через антенну.

Остановимся более подробно на требованиях к отдельным функ­циональным узлам радиопередатчика.

Рис.11.1 Функциональная схема радиопередатчика

Генератор высокой частоты, часто называемый задающим или опорным генератором, служит для получения высокочастотных коле­баний, частота которых соответствует высоким требованиям к точно­сти и стабильности частоты радиопередатчиков.

Синтезатор преобразует частоту колебаний опорного генератора, которая обычно постоянна, в любую другую частоту, которая в данное время необходима для радиосвязи или вещания. Стабильность час­тоты при этом преобразовании не должна существенно ухудшаться. В отдельных случаях синтезатор частоты не нужен, например, если генератор непосредственно создает колебания нужной частоты. Од­нако с синтезатором легче обеспечить требуемую высокую точность и стабильность частоты, так как он, во-первых, работает на более низ­кой частоте, на которой легче обеспечить требуемую стабильность; во-вторых, он работает на фиксированной частоте. Кроме того, со­временные синтезаторы приспособлены для дистанционного или ав­томатического управления синтезируемой частотой, что облегчает общую автоматизацию передатчика.

Промежуточный усилитель высокой частоты, следующий за син­тезатором, необходим по следующим причинам:

- благодаря промежуточному усилителю с достаточно большим коэффициентом усиления от опорного генератора и синтезатора не требуется значительной мощности;

- применение промежуточного усилителя между синтезатором и мощным усилителем ослабляет влияние на генератор и синтезатор возможных регулировок в мощных каскадах передатчика и в антенне.

Усилитель мощности (его называют генератором с внешним воз­буждением) увеличивает мощность радиосигнала до уровня, опреде­ляемого требованиями системы радиосвязи. Главным требованием к усилителю мощности является обеспечение им высоких экономиче­ских показателей, в частности коэффициента полезного действия.

Выходная цепь служит для передачи усиленных колебаний в ан­тенну, для фильтрации высокочастотных колебаний и для согласова­ния выхода мощного оконечного усилителя с антенной, т.е. для обес­печения условий максимальной передачи мощности.

Модулятор служит для модуляции несущих высокочастотных ко­лебаний передатчика передаваемым сигналом. Для этого модулятор воздействует в зависимости от особенностей передатчика и вида мо­дуляции (амплитудная, частотная, однополосная и др.) на один или несколько блоков из числа обведенных пунктиром на рис. 11.1. Напри­мер, частотная модуляция может получаться в синтезаторе частоты либо (реже) в генераторе высокой частоты; амплитудная модуляция получается воздействием на мощный и промежуточный усилители.

Устройство электропитания обеспечивает подведение ко всем блокам токов и напряжений, необходимых для нормальной работы входящих в их состав транзисторов, ламп и прочих электронных эле­ментов, а также систем автоматического управления, устройств защи­ты от аварийных режимов и прочих вспомогательных цепей и уст­ройств.

На рис. 11.1 не показаны многочисленные объекты вспомогательно­го оборудования, входящие в состав передатчика (особенно мощно­го), например средства автоматического и дистанционного управле­ния; контрольно-измерительные приборы, устройства дистанционного контроля и сигнализации; устройства защиты и блокировки, выклю­чающие цепи высокого напряжения при аварийных режимах или опасности для обслуживающего персонала и др.

Технические показатели радиопередатчиков. К основным по­казателям радиопередатчика относятся: диапазон волн, мощность, коэффициент полезного действия, вид и качество передаваемых сигналов.

Мощность передатчика обычно определяется как максимальная мощность высокочастотных колебаний, поступающая в антенну при отсутствии модуляции, при непрерывном излучении. Однако этой ха­рактеристики недостаточно для оценки мощности радиопередатчика. Дело в том, что в технике радиосвязи часто приходится иметь дело с сигналами, напряжение которых изменяется в очень широких преде­лах и в сравнительно короткие промежутки времени может принимать значения, в несколько раз превосходящие средний уровень. Харак­терным примером подобного режима может служить радиолокацион­ный передатчик, излучающий импульсы длительностью около 1 мкс, разделенные интервалами около 1 мс, т.е. в 1000 раз большей дли­тельности.

В соответствии с изложенным, мощность передатчика, помимо цифры максимальной мощности, при непрерывной работе характери­зуют значениями пиковой мощности, которая может быть обеспечена в течение ограниченных промежутков времени. Например, если сред­няя мощность передатчика при непрерывной работе 100 кВт, то она может доходить до 200 кВт, если длительность импульсов не превы­шает интервалов между ними.

Важнейшими показателями радиопередатчика являются стабиль­ность излучаемой им частоты и уровень побочных излучений.

По существующим международным нормам отклонение от номи­нала частоты передатчика для радиосвязи на гектометровых волнах не должно превышать 0,005 %; для радиовещательных передатчиков отклонение частоты в этом диапазоне не должно превышать 10 Гц.

Побочными излучениями радиопередатчика называются излучения на частотах, расположенных за пределами полосы, которую занимает передаваемый радиосигнал. К побочным излучениям относятся гар­монические излучения передатчика, паразитные излучения и вредные продукты взаимной модуляции.

Гармоническими излучениями (гармониками) передатчика называ­ются излучения на частотах, в целое число раз превышающих частоту передаваемого радиосигнала.

Паразитными излучениями называются возникающие иногда в передатчиках колебания, частоты которых никак не связаны с час­тотой радиосигнала или с частотами вспомогательных колебаний, используемых в процессе синтеза частот, модуляции и других про­цессов обработки сигнала.

Известно, что при действии в нелинейной цепи, например двух ЭДС с частотами f₁ и f₂, спектр тока содержит, помимо составляю­щих с этими частотами и их гармоник, также составляющие с часто­тами вида mf₁ ± nf₂, где т и п - целые числа. Это явление и лежит в основе взаимной модуляции; оно обусловлено наличием в передат­чике элементов, обладающих нелинейными характеристиками, глав­ным образом транзисторов или электронных ламп.

Интенсивность побочных излучений характеризуется мощностью соответствующих колебаний в антенне передатчика. Например, по действующим международным нормам радиопередатчики на частотах до 30 МГц должны иметь мощность побочных излучений не менее чем в 10 000 раз (на 40 дБ) ниже мощности основного излучения и не более 50 мВт.

Особенности усилителей мощности радиопередающих уст­ройств. Усилители мощности в технике радиопередающих устройств принято называть генераторами с внешним возбуждением.

Нагрузкой выходного каскада является контур, настроенный на частоту усиливаемых колебаний. Требования к усилителям мощности в радиопередающих устрой­ствах отличаются двумя характерными особенностями:

- во-первых, требуется получить большую выходную мощность при минимуме потерь;

- во-вторых, нет необходимости сохранять форму усиливаемых ко­лебаний, как в усилителях звуковой частоты.

Генератор с внешним возбуждением (ГВВ) представляет собой преобразователь мощности источника постоянного тока Р₀ в мощ­ность высокой частоты Р_к. Работа ГВВ возможна только при подаче на его вход внешнего сигнала Р_вх (от возбудителя). При этом Р_вх < Р_к. Основные показатели работы ГВВ: мощность радиочастоты в нагруз­ке Р_к, КПД генератора η=Р_К/Р₀, коэффициент усиления по мощно­сти К_р = Р_К/Р_ВХ, спектр колебаний в нагрузке внутри и вне занимаемой полосы частот, отсутствие самовозбуждения.

В качестве усилительных приборов в ГВВ используют электрон­ные лампы, биполярные и полевые транзисторы, а в ключевых гене­раторах - и тиристоры. Электронные лампы широко применяют бла­годаря их универсальности. Они работают в широком диапазоне частот и обеспечивают выходную мощность от единиц ватт до не­скольких мегаватт, устойчивы к внешним воздействиям (температура, давление, механические нагрузки), имеют срок службы до 5000 ч. По­лупроводниковые приборы применяют в передатчиках малой и средней мощности.

Физические процессы, лежащие в основе работы ламп и транзи­сторов, различны, однако их вольт-амперные характеристики качест­венно одинаковы, хотя и имеют некоторые различия. Лампы облада­ют левыми характеристиками, а характеристики транзисторов сдвину­ты вправо, и запирание транзистора происходит при нулевом напря­жении на базе.

Генератор внешнего возбуждения может работать как в линейном, так и в нелинейном режиме. Линейный режим работы обеспечивается при угле отсечки 9 = 180°. Угол отсечки 6 - это выраженная в угловой мере (градусах, радианах) половина той доли периода, в течение ко­торой существует анодный (коллекторный) ток.

Рис. 11.2 Режимы работы без отсечки (а) и с отсечкой (б) анодного тока

Режим усилителя мощности радиочастоты при Ө = 180° называется колебаниями пер­вого рода (они соответствуют классу А в апериодических усилителях). В режиме колебаний первого рода ГВВ применяют крайне редко из-за невысокого КПД, не превышающего 50 %.

В этом режиме (его называют режимом без отсечки анодного тока) амплитуды входного напряжения и напряжения смещения подобраны так, что работа происходит на линейном участке характеристики лам­пы (или транзистора) (рис. 11.2, а). При этом кроме переменной со­ставляющей тока в цепи протекает большой постоянный ток I_0, кото­рый обусловливает энергетические потери. Полная потребляемая мощность источника Р₀ = I₀Е_а определяется этим током и напряже­нием питания Е_а. Полезная мощность связана только с переменной составляющей тока I₁. Нелинейный режим обеспечивается при Ө < 180° (колебания вто­рого рода). При этом форму импульсов анодного (коллекторного) тока характеризуют амплитуда I_am (I_Km) и угол отсечки Ө. Углом отсечки называется та часть периода (см. рис. 11.2, б), в течение которого протекающий ток изменяется от максимального значения до нуля.

Основная литература: 1осн[59-79],

Дополнительная литература: 11доп[171-199] 14доп[4-9;192-206],

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте назначение радиопередатчика.

2. Зачем нужен задающий генератор?

3. Зачем нужен синтезатор частоты?

4. Назначение выходной цепи радиопередающего устройства?

5. Что такое побочные излучения радиопередатчика?

Дата добавления: 2014-11-08