Структурные схемы радиопередающих устройств

 

Упрощенная структурная схема радиопередатчика состоит из преобразователя частоты, полосового фильтра и выходного усилителя (рисунок 3.3).

 

 

Рисунок 3.3 Упрощенная структурная схема радиопередатчика

 

На вход радиопередающего устройства поступает модулированный сигнал. В современных системах связи модуляция проводится на стандартной промежуточной частоте. К примеру, в системах связи, работающих в диапазонах СВЧ, промежуточная частота может быть 70, 140 или 820 МГц (существуют и другие стандарты). Задачей радиопередающего устройства, в таких случаях, является преобразование сигнала промежуточной частоты в рабочий диапазон частот и доведение мощности сигнала до необходимого уровня.

Преобразователь частоты состоит из смесителя и задающего генератора. Смеситель представляет собой нелинейный элемент, который смешивает частоты сигналов, поступающих на него и выдает на выходе две полосы частот - суммарные и разностные (в данном случае сумму и разность промежуточной частоты и частоты задающего генератора).

Полосовой фильтр выделяет одну из полос частот.

Для работы преобразователя частоты необходимы высокостабильные генераторы. Любой генератор состоит из усилителя и цепей обратной связи (рисунок 3.4).

При достаточном усилении сигнала (балансе амплитуд) и при правильной фазе сигнала, поступающего через цепь обратной связи (балансе фаз), в схеме возникают незатухающие колебания, форма которых определяется частотными характеристиками составляющих схемы. Если характеристики усилителя и цепи обратной связи формируются узкополосными элементами (контурами или резонаторами), то форма колебаний будет близка к синусоидальной. В случае применения широкополосных элементов - генерируются импульсные колебания.

 

 

 

Рисунок 3.4 Структурная схема генератора

 

В задающих генераторах передатчиков применяются синусоидальные генераторы, стабильность которых определяется стабильностью контуров или резонаторов. В генераторах передатчиков 5-9 диапазонов нашли широкое применение кварцевые резонаторы. На более высоких частотах используются кварцевые генераторы с умножением частоты, синтезаторы частоты и, в последние годы, - генераторы на диэлектрических резонаторах.

Усилители передатчиков (УВЧ) обеспечивают необходимую выходную мощность, которая сильно отличается в разных диапазонах. К примеру, в диапазонах длинных и средних волн мощность радиостанций может составлять сотни киловатт и, даже, мегаватты, в диапазонах СВЧ - единицы и доли ватт, а в оптических диапазонах - единицы милливатт. Соответственно, усилители строятся на мощных лампах, транзисторах, микросхемах. Появились твердотельные, микроскопические усилители для радиосистем, работающих на частотах в десятки ГГц.

Оптические передатчики работают на специальных светодиодах и лазерах.

 

 

АВТОГЕНЕРАТОРЫ

Автогенератором, или генератором с самовозбуждением, назы­вается устройство, преобразующее энергию источников питания в радиочастотные колебания без возбуждения извне.

Генератор с самовозбуждением представляет собой усилитель с резонансной нагрузкой, охваченный положительной обратной связью (рисунок 4.1а). В качестве активного элемента могут быть использованы как электронная лампа, так и транзистор. Такая схе­ма автогенератора получила название схемы с трансформаторной обратной связью. Первичные колебания в резонансном контуре LC возникают вследствие любых случайных изменений питающих напряжений (флуктуации), влияний внешних электромагнитных полей и т. п. Эти колебания через катушку L_св -поступают на вход усилителя (сопротивление конденсатора С_с пренебрежимо мало). Переменное напряжение положительной обратной связи u_пос уп­равляет электронным потоком лампы.

 

Рисунок 4.1 Принципиальные схемы автогенераторов с трансформаторной обратной связью (а, б) и влияние начального смещения на самовозбуждение транзисторного автогенератора (б)

 

Первая гармоника анодно­го тока создает падение напряжения на контуре LC. Амплитуда свободных колебаний увеличивается. Они вновь трансформируются во входную цепь, вновь усиливаются и т. д. Нарастание ампли­туды колебаний продолжается до определенного предела, обусловленного параметрами автогенератора. В системе устанавли­вается динамическое равновесие между потерями радиочастотной, энергии в контуре и восполнением ее за счет источника питания Е_а. Это так называемый установившийся (стационарный) режим автогенератора. Параметры цепочки сеточного автосмещения под­бираются таким образом, чтобы в момент включения напряжение смещения было бы минимальным. Тогда лампа работает в клас­се А и возможно усиление колебаний сколь угодно малой ампли­туды. По мере нарастания напряжения u_пос увеличиваются сеточ­ный ток и отрицательный потенциал на сетке. В стационарном ре­жиме активный элемент работает в классах Вили С, что облег­чает тепловой режим автогенератора вследствие уменьшения по­терь на аноде (коллекторе). Это обстоятельство способствует повышению стабильности частоты генерируемых колебаний. По­следние через разделительный конденсатор С_р поступают на сле­дующий каскад радиочастотного тракта — буферный усилитель. Аналогичным образом происходит самовозбуждение транзи­сторного варианта автогенератора (рисунок 4.1 6). Характеристики ба­зового и коллекторного токов полупроводникового триода имеют некоторый сдвиг вправо относительно начала координат (рисунок 4.1). Если ограничиться применением только автосмещения, то в на­чальный момент времени напряжение на базе будет равно нулю (u_б=0) и первичные автоколебания не будут вызывать появление коллекторного тока. Самовозбуждение не наступит.

Поэтому в транзисторных автогенераторах используется комбинированное смещение, представляющее собою алгебраическую сумму двух на­пряжений; постоянного Е_нач и автоматического, возникающего на резисторе R_э, за счет протекания по нему постоянной составляю­щей тока эмиттера I_э0:

 

Е _см = –Е_нач + I_э0 R_э

Тогда в момент включения питающих напряжений будет действо­вать Е_нач, открывающее транзистор. По мере увеличения ампли­туды колебаний будет возрастать падение напряжения на R_э.

Ре­зультирующий отрицательный потенциал на базе уменьшится, и активный элемент будет работать в классе С. Одновременно це­почка R_эC_э будет стабилизировать режим транзистора при изме­нении температуры окружающей среды.

Самовозбуждение в автогенераторах с обратной связью воз­можно только при выполнении следующих двух условий:

1) как и в любом усилителе на лампе или транзисторе переменные напря­жения на сетке (базе) и аноде (коллекторе) должны быть всегда противофазны; в рассматриваемой схеме с трансформаторной об­ратной связью это достигается правильным включением концов катушки L_св;

2) амплитуда напряжения обратной связи U_пос дол­жна быть не менее некоторой минимальной величины.

Первое условие называется балансом фаз, а второе — балансом амплитуд.

Автогенератор, выполненный по схеме с трансформаторной связью, не нашел широкого распространения в радиопередающих устройствах из-за некоторой сложности его конструкции и гене­рации колебаний на относительно низких частотах. Предпочтительнее в этом отношении генераторы с самовозбуждением, пост­роенные на основе так называемых трехточечных схем.

На рисунке 4.2 а и б показаны два варианта таких автогенераторов на транзисторах — с индуктивной и емкостной обратной связью. В обоих случаях активный элемент тремя основными электродами (к, б и э) подключен к трем точкам колебательного контура. Отсюда и та­кое наименование — трехточечная схема.

В первой из них напря­жение положительной обратной связи u_пос снимается с одной из катушек индуктивности контура (L_бэ), а во второй — с конден­сатора С_бэ. В остальном обе схемы полностью совпадают. Процесс самовозбуждения и работа в стационарном режиме аналогичны тем же явлениям в только что рассмотренном варианте с транс­форматорной связью.

Начальное смещение на базу (E_нач) пода­ется не от отдельного источника, а снимается с резистора R₁, через который протекает ток I_14. Питание коллекторной цепи осуществляется по параллельной схеме. Назначение остальных элемен­тов такое же, как и в схемах генераторов с внешним возбужде­нием и усилителей звуковых сигналов.

Для упрощения анализа работы этих двух автогенераторов целесообразно рассмотреть их эквивалентные схемы (рисунок 4.2 в и г), в которых сохранены только цепи токов радиочастоты, причем принимаем во внимание, что сопротивления конденсаторов С_р, С_б и С_э имеют пренебрежимо малую величину.

Несмотря на кажу­щиеся отличия между данными эквивалентными трехточечными схемами, молено выявить для них общие условия самовозбуждения и доказать, что работоспособными являются только эти два ва­рианта сочетаний реактивных элементов Х_бк, Х_эб и Х_эк.

Рисунок 4.2 Принципиальные и эквивалентные схемы транзисторных автогенераторов с индуктивной обратной связью (а, в) и емкостной обратной связью (б, г)

Во-первых, обязательное условие наличия положительной об­ратной связи в автогенераторе требует, чтобы коэффициент обрат­ной связи β_{по с} был бы также положительной величиной.

Следовательно, реактивные сопротивления Х_эб и Х_эк должны одновременно носить либо индуктивный, либо емкостный характер. Во-вторых, резонанс в колебательном контуре автогенератора возможен только при условии

 

Х_бк + Х_эб + Х_эк = 0.

 

Таким образом, если Х_эб и Х_эк являются индуктивными сопротивлениями, то Х_бк должно быть емкостным рисунок 4.2 в) и наобо­рот (рисунок 4.2 г). Любое другое сочетание реактивных сопротивле­ний приведет к нарушению вышеуказанных условий самовозбуж­дения.

Практика показывает, что такой подход является весьма плодотворным при анализе сколь угодно сложных принципиаль­ных схем автогенераторов с обратной связью.

Все вышесказанное относится также и к ламповым автогене­раторам при условии соответствующего замещения коллектора, базы и эмиттера транзистора анодом, сеткой и катодом электро­вакуумного триода.

Автогенераторы, схемы которых изображены на рисунке 4.2, явля­ются одноконтурными. Они относительно просты в изготовлении и настройке.

К их существенному недостатку следует отнести невы­сокую стабильность частоты генерируемых колебаний, поскольку единственный резонансный контур, параметрами которого опреде­ляется эта частота, подвержен влиянию последующих каскадов радиочастотного тракта — изменяются вносимые сопротивления, добротность контура и т. д.

Указанный недостаток удалось значи­тельно ослабить в так называемых двухконтурных автогенерато­рах. Один из контуров, защищенный от внешних воздействий, практически целиком определяет частоту генерации, а второй, слабо связанный с первым, выполняет роль внешней нагрузки.

Рассмотренные выше схемы автогенераторов используются в диапазонах километровых и декаметровых волн. На более высо­ких частотах их применение оказывается невозможным с конст­руктивной точки зрения, так как междуэлектродные емкости элек­тронной лампы и распределенные индуктивности ее вводов стано­вятся неотъемлемыми составными частями резонансных систем генераторов с самовозбуждением.

Поэтому здесь используются ав­тогенераторы, построенные на основе так называемых сложных трехточечных схем. Они также относятся к классу двухконтурных автогенераторов, но связь между резонансными системами осуще­ствляется не через общий электронный поток, а через одну из междуэлектродных емкостей триода.

Каждый из двух контуров оказывается расстроенным по отношению к частоте генерации и его сопротивление носит реактивный характер, что позволяет про­водить анализ работы таких автогенераторов на основе уже хо­рошо известных трехточечных схем.

Рассмотрим вопросы, связанные со стабильностью частоты автогенератора. Жесткие требования, предъявляемые к радиопере­дающим устройствам в отношении постоянства частоты излучае­мых колебаний, требуют детального анализа даже незначитель­ных, на первый взгляд, причин, влияющих на этот параметр.

От­носительная нестабильность частоты всего радиопередающего устройства определяется только автогенератором и, прежде всего, параметрами его резонансной системы. Из теории радиотехниче­ских цепей известно, что точное значение частоты свободных ко­лебаний в резонансном контуре может быть определено при по­мощи следующей формулы:

 

. (4.1)

 

В подавляющем большинстве случаев при исследовании физиче­ских процессов в колебательном контуре и устройствах, в состав которых он входит, с целью упрощения полагают, что его сопро­тивление потерь r = 0 и пользуются упрощенной формулой

 

.

 

В вопросах, связанных с нестабильностью частоты, такое упрощение неприемлемо, так как влияние потерь соизмеримо с воз­действием на величину ω₀ других дестабилизирующих факторов. Таким образом, в соответствии с формулой (4.1) частота генерируе­мых колебаний зависит не только от величин индуктивности L и емкости С колебательного контура, но и от сопротивления потерь, как собственных, так и вносимых в контур.

Выясним взаимосвязь между этими тремя параметрами и дестабилизирующими факторами. Вследствие механических воздей­ствий (вибраций, рассыхания каркасов и т. п.) меняются геомет­рические размеры катушек и конденсаторов колебательных кон­туров автогенераторов.

В прямой зависимости от этих размеров находятся величины их индуктивностей и емкостей. В итоге про­исходит отклонение частоты генерации от заданного значения. Изменение температуры окружающей среды также отражается на изменении размеров спиралей катушек, пластин конденсаторов и диэлектриков.

Например, в течение нескольких минут после вклю­чения питающих напряжений происходит разогрев внутренних де­талей автогенератора. Увеличиваются диаметр и длина спирали катушки, возрастает площадь пластин конденсатора, изменяются диэлектрические проницаемости изоляционных материалов. Большинство этих факторов вызывает увеличение индуктивности L и емкости С колебательного контура. В итоге по мере разогрева ав­тогенератора происходит постепенное уменьшение частоты коле­баний. Это явление наблюдается в течение 20—30 мин и носит название «выбега частоты».

На нестабильность частоты влияют также изменения питаю­щих напряжений. Они воздействуют в основном на перераспреде­ление объемных зарядов в междуэлектродных промежутках лам­пы. С ними связаны величины междуэлектродных емкостей, входящих в колебательную систему автогенератора.

Влияние последующих каскадов радиочастотного тракта зак­лючается в изменениях активных и реактивных составляющих со­противлений, вносимых в контур автогенератора. В соответствии, с выражением (4.1) это отражается на величине частоты резо­нансной системы.

От влажности и давления окружающего пространства зависят величины проницаемости диэлектриков и их проводимость. Изме­нение атмосферных условий также приводит к уходу частоты.

Многообразие дестабилизирующих факторов и сложный меха­низм воздействия на частоту генерации требуют применения це­лого комплекса мер, направленных на их ослабление. Сюда отно­сятся амортизация блока автогенератора, повышение жесткости его конструкции и т.п.

Воздействие на частоту автогенератора температурных изменений может быть ослаблено за счет исполь­зования термостата — устройства, внутри которого автоматически поддерживается постоянная температура. Герметизация термоста­та позволяет избежать влияния на частоту изменений влажности и давления.

Для борьбы с температурным фактором используются специальные конденсаторы, емкость которых не увеличивается, а уменьшается при нагревании, компенсируя тем самым увеличение индуктивности контура. Каркасы катушек изготовляются из высококачественного радиофарфора. Спирали наносятся либо мето­дом вжигания серебряной проволоки, либо намоткой предвари­тельно разогретого медного провода.

Автогенератор, как прави­ло, имеет отдельный источник питания, напряжение которого в ряде случаев стабилизируется. Ослабление влияния на частоту автогенератора последующих каскадов радиочастотного тракта достигается включением буферного каскада, который работает без сеточных токов и вследствие этого имеет неизменное входное со­противление.

Автогенератор тщательно экранируется от влияния внешних электромагнитных полей. Применение умножителей ча­стоты также способствует ослаблению влияния более мощных каскадов на возбудитель.

Исследования показывают, что стабильность частоты автогене­ратора во многом определяется добротностью его резонансной си­стемы Q. Чем больше ее величина, тем выше стабильность. Обыч­ный колебательный контур с сосредоточенными параметрами имеет в наилучшем случае добротность 250—300 единиц, а с учетом вносимых сопротивлений — и того меньше.

Поэтому автогенератор с таким контуром обладает довольно низкой относительной нестабильностью — порядка 10^-3—10^-4. Гораздо большая вели­чина добротности у так называемых кварцевых резонаторов — до нескольких миллионов единиц. Параметры кварца также мало подвержены влиянию внешних факторов. Конструктивно такой резонатор выполняется в виде пластины, вырезаемой из кристал­ла природного или синтетического кварца.

На ее поверхности с двух сторон наносятся тонкие серебряные покрытия, используемые в качестве электродов. Пластина помещается в металлический, пластмассовый или стеклянный баллон, внутри которого обычно создается вакуум. Тем самым достигается изоляция пластины от атмосферных воздействий, механических повреждений и загряз­нения ее поверхности. Кроме того, устраняется трение вибрирую­щей пластины о воздух, что позволяет сохранить высокую доброт­ность резонатора. Посредством специальных кварцедержателей, имеющих наружные выводы, резонатор подключается к радиотехнической схеме.

Как всякое упругое механическое тело, кварцевая пластина способна совершать колебания в каждом из трех измерений (по длине, ширине и толщине). Частоты этих колебаний строго зави­сят от геометрических размеров пластины. На практике в автоге­нераторах чаще всего используются колебания по ее толщине. В этом случае их частота может быть определена при помощи следующей приближенной формулы:

 

где f₀ - собственная частота колебаний, МГц; d - толщина плас­тины, мм.

Повышение резонансной частоты f ₀ связано с необходимостью уменьшения этого размера, что неизбежно влечет за собою снижение механической прочности пластины. Во избежание ее раз­рушения она должна быть не тоньше 0,3 мм, что соответствует резонансной частоте 10 МГц. Этим обстоятельством частично объясняется необходимость применения умножителей в радиоча­стотных трактах передатчиков декаметровых волн.

Использование кварца в радиотехнических устройствах воз­можно благодаря наличию у него пьезоэлектрического эффекта: любая механическая деформация пластины вызывает появления электрических зарядов на ее противоположных гранях и наобо­рот. Резонансные свойства кварцевой пластины и явление обра­тимого пьезоэффекта дают возможность представить ее в виде некоторой эквивалентной электрической схемы, показанной на рисунке 4.3 а.

 

Рисунок 4.3 Эквивалентная схема (а) и частотная характеристика (б) квар­цевого резонатора

 

В ней собственно пластина заменена последовательным резонансным контуром с эквивалентными электрическими пара­метрами L_кв, С_кв и r_кв. Параллельно ему подключена емкость кварцедержателя и монтажа С₀.

На рисунке 4.3 б показан характер изменения реактивного сопро­тивления такого контура в зависимости от частоты вынужденных колебаний ω. При малых значениях ω сопротивлением емкости С₀ можно пренебречь, так как оно велико и подключено параллель­но цепи L _кв, С _кв и r_кв. Сопротивление последней в интервале ча­стот 0—ω _пос носит емкостный характер.

На частоте ω _пос возник­нет резонанс напряжений в последовательном контуре. При даль­нейшем увеличении ω эквивалентное сопротивление последователь­ной ветви будет иметь индуктивный характер и возрастать по величине.

Одновременно уменьшается сопротивление паразитной емкости С₀, которым на этих частотах уже пренебрегать нельзя, поскольку с увеличением ω оно убывает по абсолютной величине и становится соизмеримым с индуктивным сопротивлением левой ветви. Наконец, на частоте ω _пар наступит резонанс в параллель­ном контуре.

Кварцевый резонатор используется в автогенераторах двояко: либо как некоторая высокоэталонная эквивалентная индуктив­ность в интервале частот ω _пос —ω _пар, либо как узкополосный фильтр на частоте ω _пос, включаемый в цепь обратной связи.

 

 

Генератор с внешним возбуждением (ГВВ)