Воздушная перспектива. Трудности передачи цветом

Учебные вопросы, время и содержание занятия

1 Вопрос. Основные требования, предъявляемые к УМ. Основные характеристики усилителей мощности. Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения мощности электрических колебаний (сигналов) без изменения их формы или частотного спектра. Однако на практике используют три термина: усилитель мощности, усилитель напряжения и усилитель тока. Эти термины условны, но достаточно обоснованны. В усилителе мощности основной задачей является выделение определенной мощности на полезной нагрузке, а выходное напряжение не имеет значение. Оно может быть даже меньше чем на входе. В усилителе напряжения работы выбирается так, чтобы выходное напряжение сигнала получалось возможно больше входного. При этом величина выходной мощности не имеет существенного значения, хотя она, конечно, больше, чем на входе В усилителе тока интересуются только этим параметром сигнала, а его мощность и напряжение не имеет значение. В настоящее время встречаются различные названия усилителей, применяемых до преобразователя частоты. Их называют усилителями высокой частоты (УВЧ), усилителями радиочастоты (УРЧ), усилителями частоты применяемого сигнала (УЧС), усилителями сигнальной частоты (УСИ) и т. д. Усилительные каскады можно так же квалифицировать:

По способу включения лампы или транзистора усилительные каскады бывают:

· С общим катодом · С общей сеткой · С общим анодом · С общим эмиттером · С общей базой · С общим коллектором

В зависимости от вида нагрузки лампы или транзистора, каскад может быть резисторный (реостатный), трансформаторный или дроссельный. Иногда применят комбинированную нагрузку, тогда получается каскад резисторно - транформаторный или резисторно - дроссельный.
По числу усилительных приборов в каскаде их делят на однокаскадные и двухкаскадные. Самостоятельные группы составляют каскадные усилители и усилители на составных транзисторах.
В особые группы выделяют усилители колебаний (СВЧ) на лампах бегущей волны, на туннельных диодах, параметрические усилители, молекулярные усилители.

В любом усилителе усиление электрических сигналов осуществляется путем преобразования энергии источника питания. Данный процесс возможен благодаря использованию усилительного прибора. Наиболее часто усилительным прибором является лампа или транзистор. Управление усилительным прибором осуществляет полезный сигнал. Основные характеристики усилителя:

Коэффициент усиления по напряжению Кu.

Он показывает во сколько раз напряжение сигнала на входе усилителя отличается от напряжения на выходе: Кu= Uвых/ Uвх.

Коэффициент усиления по току Кi.

Он показывает, во сколько раз ток сигнала на выходе усилителя отличается от тока сигнала на входе: Кi = Iвых/ Iвх => Кi(дб) = 20lgKi

Коэффициент усиления по мощности Кр.

Он показывает, во сколько раз мощность сигнала на выходе усилителя, больше чем на входе: Кр = Рвых/Рвх =Uвых*Iвых/ Uвх*Iвх = Ku* Ki Kp(дб) = 10 lgKp

Входное сопротивление усилителя.

Это есть сопротивление между входными зажимами усилителя при условии, что к ним подведено напряжение испытательного сигнала: Zвх = Uвх/Iвх

Выходное сопротивление.

Это есть сопротивление между выходными зажимами усилителя, при условии, что ЭДС источника входного сигнала равна нулю, а сопротивление внешней нагрузки отключено (Zн).

Нелинейное искажение сигнала.

Причиной нелинейных искажений является кривизна характеристик усилительных приборов и трансформаторов. В результате нелинейных искажений изменяется форма усиливаемого сигнала. Степень искажения формы выходного испытательного сигнала можно оценить при помощи коэффициента гармоник Кг = √(Рг/Р) = √(Р2 + Р3 + Р4 + …./Р) Он представляет собой квадратный корень из отношения мощностей, выделяемой на активной нагрузке всеми высшими гармониками Рг, к мощности создаваемой первной гармоникой Р. Коэффициент гармоник принято выражать в процентах. У хороших усилителей Кг = 2-5%. Экспериментально коэффициент гармоник изменяется при помощи специальных измерительных приборов.

Частотные искажения сигнала. Возникают в усилителе при усилении сложных реальных сигналов. Суть искажения в неодинаковом усилении колебаний различной частоты. Причиной неравномерного усиления являются реактивные элементы усилителя. К ним относятся колебательные контуры, конденсаторы, есмкости мантажа, индуктивности, емкости трансформаторов

Коэффициент частотных искажений М равен отношению усиления на средних частотах усилителя к усилению на заданной частоте М = Кс/К

Фазовые искажения сигнала.

Возникают в усилителе одновременно с частотными искажениями, так как обуславливаются одними элементами схемы. Они нарушают нормальные фазовые сдвиги усиливаемого сигнала и дополнительно изменяют его форму.

Динамический диапазон усилителя.

Это есть отношение максимально допускаемого напряжения входного испытательного сигнала к минимально допустимому. Данное понятие показывает, что усилитель не может усиливать сигналы очень малой величины (они заглушаются шумами) и сигналы слишком большой величины (их форма чрезмерно искажается). Динамический диапазон усилителя определяется в децибелах по уравнению: Д(дб) = 20lg(Uвх max/ Uвх min) 2 Вопрос. Режимы работы усилительных элементов. Независимо от схемы построения выходных каскадов радиопередатчиков к их усилителя предъявляется ряд общих требований:

Получение максимально возможного КПД.
Высокая линейность усиления сигнала.
Заданная степень фильтрации побочных колебаний (мощность любого не основного колебания передатчика не должна превышать в КВ диапазоне 50 млВт, а в УКВ диапазоне – 1 млВт)
Максимальное время перестройки.
Высокая техническая надежность.
Устойчивость в работе.
Простота в эксплуатации.

2.1 Недонапряжённый режим работы УМ. Усилители мощности строятся как на лампах, так и на транзисторах. Один из вариантов схемы лампового усилителя мощности изображен на рисунке 2.1. На управляющую сетку лампы усилителя подаются одновременно два напряжения: напряжение смещения Е_g и напряжение возбуждения U_ВХ. Между сеткой и катодом действует результирующее напряжение U_g. При подаче на соответствующие электроды лампы постоянных напряжений E_A, E_g₂и Е_g₁под действием напряжения на управляющей сетке в анодной цепи лампы потечет ток i_А, который в общем случае является несинусоидальным и имеет форму периодических импульсов.

Рис. 2.1. Схема лампового усилителя мощности. В зависимости от формы импульса анодного тока различают три режима работы усилителя мощности: недонапряженный, граничный и перенапряженный. Тот или иной режим определяется питающими напряжениями, напряжением возбуждения и сопротивлением нагрузки и в целом – формой динамической характеристики анодного тока усилителя. В недонапряженном режиме импульс анодного тока имеет остро-конусную (синусоидальную) вершину (рис. 2.2). Этот режим характеризуется малыми токами в цепях сетки лампы.

Рис. 2.2. Формы импульсов анодного тока лампы 2.2 Перенапряжённый режим работы УМ. Если импульс имеет впадину, то режим усилителя называется перенапряженным. В зависимости от степени провала в импульсе различают слабоперенапряженный (в) и сильноперенапряженный (г) режимы. В перенапряженном режиме токи сеток велики. Промежуточное положение занимает так называемый граничный режим. В реальных условиях работы усилителя мощности импульс тока в граничном режиме имеет плоскую вершину (импульс тока в граничном режиме при построении его по идеализированным характеристикам оказывается остроконечным). Основными параметрами импульсов анодного тока является амплитуда импульса I_m, угол нижней отсечки Ф, угол верхней отсечки Ф1 и угол отсечки Ф2, характеризующий провал в импульсе анодного тока в сильно перенапряженном режиме. Форма импульса и его параметры существенно влияют на амплитуды гармоник и на величину постоянной составляющей анодного тока. При исследовании усилителя мощности при изменениях питающих напряжений, напряжения возбуждения и сопротивления нагрузки удобно и целесообразно пользоваться динамическими характеристиками усилителя. Динамическая характеристика устанавливает связь между анодным током и одновременно изменяющимися напряжениями на аноде и управляющей сетке. На рисунке 2.3 представлена динамическая характеристика усилителя мощности в недонапряженном (а), слабо перенапряженном (б) и сильно перенапряженном (в) режимах.

Рис. 2.3. а) Динамическая характеристика в недонапряженном режиме

Рис. 2.3 б) Динамическая характеристика в слабо перенапряженном режиме

Рис. 2.3 в) Динамическая характеристика в сильноперенапряженном режиме. На рисунке 3.1 изображена динамическая характеристика усилителя мощности в граничном режиме.

Рис. 3.1. Динамическая характеристика в граничном режиме. С некоторым приближением можно считать, что усилитель развивает наибольшую мощность в нагрузке в граничном режиме, когда динамическая характеристика доходит до пика граничного режима при максимальном напряжении на сетке.

Учебные вопросы, время и содержание занятия

1 Вопрос. Назначения, требования, предъявляемые к САУ – 20 минут. Согласующее устройство (СУ) предназначена для преобразования комплексных переменных в диапазоне частот входных сопротивлений применяемых антенн в активное сопротивление нагрузки УМ, равное 75 Ом, и дополнительной фильтрации высоких гармоник рабочей частоты. Согласующее устройство является выходным функциональным блоком ВЧ тракта радиопередатчика, устанавливаемым между антенной и оконечным усилителем мощности с целью повышения энергетических показателей последнего. Общие требования, которым должно удовлетворять СУ: - настройка на весь заданный комплект антенн при минимальных пределах изменения элементов (последним определяется габариты и масса СУ); - максимальная точность согласования, т.е. минимальное отклонение сопротивления на выходе СУ от требуемой величины, поскольку от этого зависят пределы изменения режима усиления мощности; - минимальные потери, для чего согласующая цепь выполнена с использованием высокодобротных элементов; - фильтрация высших гармоник, что достигается применением согласующих цепей в виде звеньев ФНЧ; - однозначность настройки, что упрощает автоматизацию процесса последней; - минимальное время перестройки. 2. Вопрос. Общее устройство САУ – 50 минут. Обеспечение высокой надежности радиосвязи при различных условиях ее ведения предполагает использование значительного количества передающих антенн, входное сопротивление которых (в общем случае) является комплексным, частотно-зависимым и изменяется в весьма широких пределах. Поскольку усилительный элемент (например, лампа) выходного каскада передатчика отдает требуемую мощность лишь при вполне определенном активном сопротивлении нагрузки R_ГР, то возникает необходимость преобразования комплексного сопротивления антенны Z_A(jw) к этой постоянной величине R_ГРили, иначе, необходимость согласования нагрузки лампы с входным сопротивлением антенны. Согласование достигается использованием различных технических решений. В случае резонансного усилителя мощности и небольших пределов изменения входного сопротивления антенны согласование может быть обеспечено непосредственно настройкой анодного контура, одним из элементов которого является антенна. Такой каскад с одним контуром для настройки усилителя мощности и антенны принято называть выходным каскадом простой схемы. При более широких пределах изменения комплексного сопротивления антенны Z_A(jw) в анодной цепи используются два и более связанных контура. Внешний по отношению к лампе контур называют антенным. Он содержит элементы компенсации реактивности антенны и трансформации ее сопротивления. Остальные контуры называются промежуточными. При настроенном антенном контуре требуемая величина сопротивления нагрузки лампы достигается подбором связи между контурами. Выходной каскад, выполненный по этому принципу, называют выходным каскадом сложной схемы. Возможен ряд случаев, при которых наиболее целесообразным является конструктивное оформление элементов, обеспечивающих согласование усилителя с антенной, в виде отдельного блока, называемого согласующим устройством. Например, при резонансном усилителе мощности такое построение выходного каскада оказывается весьма удобным для обеспечения требования настройки передатчика без излучения. Структурная схема выходного каскада в этом случае изображена на рисунке 1.1. Настройка усилителя мощности производится на эквивалент нагрузки R_Н, а согласующее устройство может быть настроено по сигналу от возбудителя с помощью ВЧ моста, три плеча которого образуются постоянными сопротивлениями, равными R_Н, а четвертое плечо – входным сопротивлением согласующего устройства. Мост будет сбалансирован, если последнее сопротивление также равно R_Н.

Рис. 1.1. Структурная схема выходного каскада. Легко заметить, что при подключении согласующего устройства к резонансному усилителю мощности образуется, как и в случае выходного каскада сложной схемы, система связанных контуров. Отличие этих двух решений состоит в способе настройки элементов согласования, а именно: в согласующем устройстве различные значения сопротивления антенны приводятся к постоянной величине нагрузки усилителя мощности R_Н, в то время как входное сопротивление настроенного антенного контура может принимать значения, лежащие в некоторых пределах, при которых регулировкой связи между контурами достигается граничным режимом работы лампы. Использование в выходном каскаде усилителя на коммутируемых фильтрах или УРУ делает наличие согласующего устройства обязательным, поскольку оба типа усилителей требуют постоянное сопротивление нагрузки. Основным назначением согласующих устройств является преобразование произвольного комплексного сопротивления антенны Z_A(jw) в постоянное сопротивление нагрузки усилителя мощности R_Н. Процесс преобразования Z_A(jw) в сопротивление R_Нбудем называть согласованием, а электрическую цепь, обеспечивающую это преобразование, согласующей цепью. Понятие «согласующее устройство» (СУ) включает в себя согласующую цепь и дополнительные элементы, обеспечивающие настройку этой цепи. Если в комплект передающих антенн наряду несимметричными входят и симметричные антенны, то функции симметрирования выхода передатчика могут быть также возложены на согласующее устройство. В этом случае его называют согласующим-симметрирующим. Простейшим согласующим устройством является обычный ВЧ трансформатор, преобразующий некоторое активное сопротивление R в требуемое:

, где

- коэффициент трансформации. Использование трансформатора может обеспечить достаточно точное согласование лишь при постоянной величине трансформируемого сопротивления R. При комплексном сопротивлении антенны

необходимо не только трансформировать реактивную составляющую, но и компенсировать реактивную составляющую. Следовательно, согласующая цепь должна содержать не менее двух элементов, один из которых можно условно назвать трансформирующим, а другой – компенсирующим. Учитывая частотную зависимость составляющих входного сопротивления антенны, легко заметить, что в согласующей цепи элементы должны быть переменными, настраиваемыми.

Рис. 1.2. Схема включения согласующей цепи. В общем виде схема включения согласующей цепи изображена на рисунке 1.2. При нагруженной на Z_A(jw) и настроенной согласующей цепи ее входное сопротивление со стороны зажимов 1 – 1 на любой частоте должно быть равно R_Н, т. е. Z₁(jw)= R_Н. Это сопротивление является нагрузкой усилителя мощности. В соответствии с принципом проходящей мощности вся мощность, подводимая ко входу согласующего устройства и развиваемая на его входном сопротивлении, полностью передается и выделяется в активной составляющей сопротивления антенны R_A(w). Последнее возможно при отсутствии потерь в элементах согласующей цепи и при условии, что ее входное сопротивление со стороны зажимов 2 – 2 является комплексно-сопряженной величиной сопротивления антенны. Другими словами, если настроенную согласующую цепь нагрузить со стороны зажимов 1 – 1 на сопротивление R_Н, то ее входное сопротивление со стоны зажимов 2 – 2 Z₂(jw)= Z ^*_А(jw). Таким образом, при настроенной согласующей цепи ее оба входа оказываются согласованными, а сама цепь представляет собой частотно-зависимый трансформатор сопротивлений. Согласующая цепь может быть настроена вручную или автоматически. В автоматизированном согласующем устройстве в качестве элементов, обеспечивающих настройку согласующей цепи, используются датчики рассогласования. Они включаются на входе согласующей цепи и дают информацию об отклонении ее входного сопротивления Z₁(jw) от значения R_Н. Поскольку это отклонение может характеризоваться двумя величинами, то для настройки элементов цепи используются два датчика, один из которых является датчиком активного сопротивления, проводимости или модуля, а другой – датчиком фазы. Возможная структурная схема автоматизированного согласующего устройства изображена на рисунке 1. 3. По информации, получаемой от датчиков рассогласования, и в соответствии с заложенным алгоритмом устройство управления с помощью исполнительного устройства производят перестройку трансформирующего и компенсирующего элементов согласующей цепи. Настройка заканчивается при выполнении условия (входного сопротивления) Z₁(jw)≈R_Н. В силу ряда причин практически всегда согласование обеспечивается с некоторой погрешностью.

Рис. 1.3. Структурная схема автоматизированного СУ В неавтоматизированных СУ устройство управления и исполнительное устройство отсутствуют, а в качестве датчика при настройке может использоваться индикаторный прибор проходящей мощности. В этом случае понятие «согласующая цепь» и «согласующее устройство» совпадают. Сформулируем общие требования, которым должно удовлетворять согласующее устройство. Оно должно обеспечивать максимальную точность согласования на своем входе, то есть минимальное отклонение сопротивления Z₁(jw) от величины R_Н. Это отклонение характеризуют коэффициентом отражения р на входе СУ или коэффициентом бегущей волны КБВ. Потери в согласующем устройстве должны быть минимальными, для чего согласующая цепь выполняется из высокодобротных реактивных элементов. С целью уменьшения побочных излучений передатчика целесообразно, чтобы согласующее устройство обладало фильтрующими свойствами. В связи с этим согласующие цепи составляются преимущественно из элементов, образующих звенья ФНЧ. Согласующее устройство должно обладать простотой и однозначностью настройки, а поэтому количество элементов в согласующей цепи должно быть минимальным. Для автоматизированных передатчиков важным показателем является время перестройки согласующего устройства, которое не должно превышать единиц секунд. Наконец, согласующее устройство должно иметь минимальные габариты, которые определяются как проходящей мощностью, так и КБВ используемых антенн. Величина последнего в ряде случаев приводит к тому, что габариты согласующего устройства могут быть соизмеримы с размерами усилителя мощности выходного каскада.