гвв. 1 Классификация и физический механизм работы вч и свч генераторов

• Название: 1 Классификация и физический механизм работы вч и свч генераторов
• Дата: 18.04.2023
• Размер: 5.65 Mb.
• Имя файла: гвв.docx
• Тип: Документы; #1070900
• страница: 2 из 40

Глава 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВЧ ГЕНЕРАТОРА С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

2.1. Обобщенная схема генератора с внешним возбуждением и ее анализ

Большое число разнообразных схем ВЧ генераторов с внешним возбуждением, являются частным случаем обобщенной структурной схемы (рис. 2.1,а), состоящей из трех, каскадно-включенных, четырехполюсников (ЧП) - входной и выходной согласующих электрических цепей и электронного прибора - транзистора или лампы.




Рис. 2.1. Обобщенная схема ВЧ генератора с внешним возбуждением

Назначение электрических цепей состоит в согласовании входного и выходного сопротивлений электронного прибора соответственно с источником возбуждения и нагрузкой и в фильтрации высших гармоник сигнала. Электронный прибор может быть представлен в виде генератора тока , имеющего внутреннюю проводимость входного и выходного , сопротивлений (рис. 2.1,б). Все эти элементы являются нелинейными и частотно-зависимыми. Конечная цель анализа работы ВЧ генератора (см. рис. 2.1,а) при подаче на его вход одночастотного сигнала состоит: в определении его энергетических параметров - выходной колебательной мощности ВЧ сигнала, поступающего в нагрузку, ; мощности потребления по постоянному току от источника питания ; коэффициента полезного действия (КПД) , коэффициента усиления по мощности , где - мощность входного источника сигнала;

определение условий оптимального режима работы ВЧ генератора согласно определенному критерию. Такими критериями могут являться: максимум колебательной мощности в нагрузке максимальный КПД , максимальный коэффициент усиления по мощности , минимум искажений, вносимых усилителем в сигнал, максимальная ширина полосы пропускания;

расчете и построении различных характеристик генератора: динамической, нагрузочной, амплитудной, фазоамплитудной, амплитудно-частотной, фазочастотной в одночастотном режиме работы. Определение данных характеристик дается ниже. Дополнительный анализ работы ВЧ генератора может проводиться при усилении модулированных и сложных ВЧ сигналов, например многочастотных. Перечисленные параметры и характеристики ВЧ генератора можно найти с помощью метода гармонической линеаризации (рис. 2.2).



Рис. 2.2. Принцип метода гармонической линеаризации

Электронный прибор и ВЧ генератор в целом являются нелинейными устройствами. В частности, при подаче на вход такого прибора синусоидального напряжения (рис. 2.2,а) сигнал на его выходе искажается (рис. 2.2,б). Согласно разложению функции в ряд Фурье (2.5) сигнал, приведенный на рис. 2.2,б, можно представить в виде суммы постоянной составляющей и нескольких гармоник (рис. 2.2,в). Из этой «смеси» с помощью фильтра можно выделить только 1-ю гармонику сигнала. Именно такую функцию и выполняет выходная согласующая цепь в схеме ВЧ генератора (см. рис. 2.1,а). Поэтому напряжение на нагрузке генератора снова приобретает синусоидальную форму (рис. 2.2,г).

Именно в фильтрации несинусоидального сигнала, выделении из него 1-й гармоники сигнала и преобразовании его вновь в синусоидальный сигнал и состоит метод гармонической линеаризации, лежащий в основе анализа ВЧ генератора. Сам анализ включает в себя:

- определение с помощью ВАХ электронного прибора формы тока на его выходе при подаче на вход синусоидального сигнала;

- разложение в ряд Фурье согласно (4.5) полученной несинусоидальной зависимости для тока эквивалентного генератора электронного прибора (см. рис. 2.1,б);

-определение напряжения на выходе электронного прибора; определение выходной мощности 1-й гармоники поступающей в нагрузку;

- определение потребляемой мощности от источника постоянного тока и КПД генератора;

- анализ входной цепи ВЧ генератора, определение мощности входного сигнала , и коэффициента усиления генератора по мощности ,

- выбор схемы и расчет выходной и входной согласующих электрических цепей ВЧ генератора (см. рис. 2.1,а).

2.2. Баланс мощностей в ВЧ генераторе

Поскольку в ВЧ генераторе происходят процессы преобразования энергии разных источников, то важно составить баланс мощностей для выходной и входной цепей всего устройства.

В выходной цепи происходит преобразование энергии источника постоянного тока мощностью в энергию высокочастотных колебаний мощностью . Поэтому для нее баланс мощностей имеет вид

, (2.1)

где - мощность, рассеиваемая в виде тепла в электронном приборе (в лампе - на аноде, в биполярном транзисторе - на коллекторе, в полевом - на стоке).

Мощность рассеивания можно определить как разность или с помощью определенного интеграла:

, (2.2)

где , - ток и напряжение на выходе электронного прибора. Во входной цепи первичным источником является высокочастотный генератор с ЭДС (см. рис. 2.1,а), отдающий ВЧ генератору мощность . Поэтому во входной цепи баланс мощностей имеет вид

, (2.3)

где - мощность, передаваемая источнику постоянного тока во входной цепи, если таковой имеется; - мощность, рассеиваемая в виде тепла в электронном приборе (в лампе - на управляющей сетке, в биполярном транзисторе - в базе, в полевом - на затворе).

Суммарная мощность тепла, рассеиваемая в электронном приборе, согласно (2.1) и (2.3) запишется в виде . Значение не должно превышать максимально допустимую мощность рассеивания электронного прибора, указываемую в его паспорте.

2.3. Динамические характеристики ВЧ генератора и максимально отдаваемая им мощность

Л
юбой генератор отдает максимальную мощность в нагрузку при выполнении определенного условия. Из курса электротехники известно, что генератор с ЭДС и внутренним сопротивлением ; при и отдает в нагрузку максимальную мощность, равную , при (рис. 2.3). Мощность называется номинальной мощностью генератора.

Рис. 2.3. Определение номинальной мощности генератора.

В ВЧ генераторах оба параметра ( и ), зависящие от многих факторов, не являются постоянными величинами, и поэтому здесь условие получения максимальной мощности, передаваемой генератором в нагрузку, усложняется и вытекает из понятия «динамическая характеристика генератора по 1-й гармонике сигнала». Пусть в результате эксперимента или расчета найдены зависимости для функций напряжения и тока , на выходе электронного прибора. Пример графиков таких функций приведен на рис. 4.4,а,б. Из двух данных зависимостей, исключив время t, можно получить третью , называемую динамической характеристикой ВЧ генератора для мгновенных значений тока и напряжения (рис. 4.4,в).




Рис. 2.4. Динамическая характеристика ВЧ генератора для

мгновенных значений тока и напряжения

Разложив в ряд Фурье семейство функций и , определим первые гармоники тока и напряжения . Зависимость называется динамической характеристикой по 1-й гармонике сигнала. Пример такой характеристики приведен на рис. 4.5,г. С ее помощью определим условия передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку. Функция является нелинейной, зависящей от частоты и мощности входного сигнала и напряжения питания. Зафиксируем данные параметры и запишем для мощности, передаваемой генератором в нагрузку:

, (2.4)

где - динамическая характеристика ВЧ генератора по 1-й гармонике сигнала (см. рис. 2.5, г); - фазовый угол между векторами и .

Найдем частную производную функции (2.4) и приравняем ее к нулю для определения экстремума функции:

, (2.5)

Из (4.5) при получим

. (2.6)

На графике функции (см. рис. 2.5,г ) условию (2.6) передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку соответствует точка А, режиму короткого замыкания - точка В, холостого хода - точка С. Раскроем физическое содержание выражения (2.6). Под отношением



следует понимать модуль внутренней дифференциальной проводимости по 1-й гармонике сигнала эквивалентного генератора. Ее равенство проводимости нагрузки и есть условие передачи максимальной мощности (4.6), которое можно представить в виде

,

где - проводимость нагрузки, подключенной к выходу электронного прибора, на частоте 1-й гармоники сигнала.

Точку А на динамической характеристике (см. рис. 2.4,г) можно найти графическим путем как точку пересечения двух графиков согласно (2.6). Для этого необходимо в n-точках динамической характеристики определить значения ее координат и и производную как тангенс угла касательной в этой точке. Далее согласно (4.6) построим два графика:

.

Точка пересечения данных графиков определяет условия получения максимальной мощности отдаваемой ВЧ генератором в нагрузку. Чтобы убедиться в этом, следует построить график зависимости . Пример таких построений приведен на рис. 2.5. На рисунке показаны зависимости (см. рис. 2.5,а), и (см. рис. 2.5,б), (см. рис. 2.5,в).



Рис. 2.5. Условие получения максимальной мощности, отдаваемой генератором по 1-й гармонике сигнала.

2.4. Нагрузочные, амплитудные и частотные характеристики ВЧ генератора

По мимо динамической характеристики работа ВЧ генератора определяется еще тремя видами характеристик: нагрузочной, амплитудной и частотной. Нагрузочные характеристики ВЧ генератора есть зависимости его выходных электрических параметров: колебательной мощности потребляемой и мощности рассеивания в электронном приборе амплитуд первых гармоник тока и напряжения постоянной составляющей тока и КПД от сопротивления нагрузки генератора . С их помощью можно выбрать оптимальный режим работы генератора по различным критериям (например, получению максимального КПД) и определить влияние изменения нагрузки (например, влияние входного сопротивления антенны) на выходные параметры ВЧ гeнератора. Примеры таких характеристик приведены на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Нагрузочные характеристики ВЧ генератора

Амплитудные и частотные характеристики ВЧ генератора. При подаче на вход ВЧ генератора синусоидального сигнала , сигнал на его выходе или нагрузке (см. рис. 2.1, а) имеет вид , т.е. отличается от входного амплитудой сигнала и фазой. Амплитудные характеристики есть зависимости амплитуды и фазы выходного сигнала от амплитуды входного сигнала:

; .

Пример таких характеристик приведен на рис. 2.7.

Р
ис. 2.7. Амплитудные характеристики ВЧ генератора

С помощью амплитудных характеристик, определяемых в одночастотном режиме работы, можно, например, рассчитать выходной комбинационный спектр при многочастотном входном сигнале. Частотные характеристики есть зависимости номинального коэффициента усиления по мощности ВЧ генератора и фазы выходного сигнала от частоты входного сигнала:

; .

Да нные характеристики определяют частотные свойства ВЧ генератора. Пример амплитудно-частотной характеристики приведен на рис. 4.8. С помощью данной характеристики, построенной в одночастотном режиме работы, можно определить прохождение через усилитель широкополосных сигналов, а также использование ВЧ генератора в диапазонных радиопередатчиках без перестройки электрических согласующих цепей.

Рис. 4.8. Частотные характеристики ВЧ генератора

2.5. Согласование электронного прибора с источником возбуждения и нагрузкой и номинальный коэффициент усиления по мощности ВЧ генератора

Номинальный коэффициент передачи или усиления по мощности ЧП. Структурная схема ВЧ усилителя состоит из трех каскадно соединенных ЧП (см. рис. 2.1, а). Рассмотрим, как передается мощность сигнала через один отдельно взятый ЧП (рис. 2.9, а). Параметром, количественно оценивающим данный процесс, является номинальный коэффициент передачи или усиления ЧП по мощности, равный отношению активной мощности, переданной в нагрузку к номинальной мощности высокочастотного источника возбуждения:

, (2.7)

г
де - номинальная мощность источника возбуждения с амплитудой и внутренним комплексным сопротивлением , где - действительная, активная часть этого сопротивления.

Рис. 2.9. Передача мощности сигнала через один отдельно взятый ЧП

В активном четырехполюснике, т.е. содержащем электронный прибор усилительного типа, можно получить значение . В реактивном ЧП, т.е. содержащем только реактивные элементы - конденсаторы и индуктивности - значение , поскольку такой ЧП не может усиливать сигнал по мощности. При реактивном ЧП в случае имеет место оптимальное согласование источника возбуждения с нагрузкой, при котором номинальная мощность полностью, без потерь поступает в нагрузку.

В случае прямого присоединения нагрузки к генератору (рис. 2.10) для коэффициента передачи мощности с учетом (2.7) получим

. (2.8)

Пример. При и согласно (4.8) получим . Максимальное значение в схеме на рис. 2.10 имеет место при выполнении условия

, (2.9)

т.е. когда сопротивления являются комплексно сопряженными (их действительные части равны, а реактивные части равны по модулю и противоположны по знаку). При расчете коэффициента в схеме с реактивным ЧП (см. рис. 2.9,а) можно воспользоваться эквивалентной схемой, приведенной на рис. 2.9,б, где - входное сопротивление ЧП, нагруженного на сопротивление . Значение в схеме на рис. 2.9,б рассчитывается по формуле (2.8) путем замены на . Номинальный коэффициент усиления по мощности ВЧ генератора. В ВЧ генераторе (см. рис. 2.1,а) два ЧП (входная и выходная согласующие цепи) являются реактивными, а средний (с электронным прибором) - активным. Для всего соединения в целом – трех каскадно включенных ЧП - номинальный коэффициент усиления генератора можно представить в виде произведения трех множителей:

(2.10)

г
де - коэффициент передачи по мощности входной согласующей цепи; - собственный коэффициент усиления электронного прибора (лампы или транзистора); - коэффициент передачи по мощности выходной согласующей цепи. Согласно (2.10) для получения максимально возможного коэффициента усиления ВЧ генератора с внешним возбуждением недостаточно иметь высокое значение данного параметра у самого электронного прибора: необходимо также оптимально согласовать входное сопротивление этого прибора с внутренним сопротивлением источника возбуждения, а выходное - с сопротивлением нагрузки. Для решения данной задачи необходимо знать входное и выходное сопротивления электронного прибора (см. рис. 2.1,б) и произвести их оптимальное согласование соответственно с внутренним сопротивлением источника возбуждения и нагрузкой , т.е. выполнить условие (2.9).

Рис. 2.10 .

При этом схему ВЧ генератора (см. рис. 2.1,а) можно представить в виде двух частей: для входной и выходной цепей (рис. 2.11).




Рис. 2.11. Входная и выходная части согласующей цепи

Согласно обозначениям, приведенным на рис. 2.11, условиями оптимального согласования для входной и выходной согласующих цепей является выполнение соответственно следующих равенств:

; . (2.11)

При выполнении условий (2.11) значения коэффициентов передачи входной и выходной согласующих цепей и и коэффициент усиления ВЧ генератора (2.10) принимает максимальное значение , определяемое только электронным прибором.

Выводы по главе:

1. Именно в фильтрации несинусоидального сигнала, выделении из него 1-й гармоники сигнала и преобразовании его вновь в синусоидальный сигнал и состоит метод гармонической линеаризации, лежащий в основе анализа ВЧ генератора. Сам анализ включает в себя:

- определение с помощью ВАХ электронного прибора формы тока на его выходе при подаче на вход синусоидального сигнала;

- разложение в ряд Фурье согласно (4.5) полученной несинусоидальной зависимости для тока эквивалентного генератора электронного прибора (см. рис. 4.1,б);

-определение напряжения на выходе электронного прибора; определение выходной мощности 1-й гармоники поступающей в нагрузку;

- определение потребляемой мощности от источника постоянного тока и КПД генератора;

- анализ входной цепи ВЧ генератора, определение мощности входного сигнала , и коэффициента усиления генератора по мощности ;

- выбор схемы и расчет выходной и входной согласующих электрических цепей ВЧ генератор.

ГВВ в передатчиках выполняют различные функции:

- усиление напряжения и мощности;

- умножение частоты;

- модуляция и др.

Вследствие этого анализ работы ГВВ применительно к той или иной реализуемой им функции обычно сводится к решению следующих задач:

1. Рассматриваются режимы работы ЭП в ГВВ, собранных по различным схемам, определяются характеристики этих режимов и связь их с энергетическими показателями ГВВ. Выбираются энергетически эффективные режимы.

2. Анализируются особенности управления режимами ГВВ, определяются связи между характеристиками режимов ГВВ и результирующими модуляционными характеристиками, а также условия минимума нелинейных искажений.

3. Устанавливается спектральный состав колебаний на выходе ГВВ – необходимый показатель для проектирования колебательных систем.

Однако общего метода, который бы позволил выполнить анализ ГВВ с различными ЭП без упрощений и приближений пока не существует. Главной причиной такого положения являются инерционность процессов в ЭП и нелинейность их характеристик. И поскольку инерционность процессов в ЭП прежде всего приводит к понижению выходной мощности и КПД ГВВ с такими приборами. То для понижения зависимости параметров ГВВ от степени инерционности ЭП их стали выпускать для различных диапазонов частот с различной инерционностью ( в лампах для более высокочастотных диапазонов уменьшают расстояние между электродами. в БПТ уменьшают толщину базы. В ПТ делают короче канал и уменьшают толщину области дрейфа). Вследствие этого при использовании в ГВВ. Например, лампы с граничной частотой 250МГц можно считать, что она безинерционна. Если рабочая частота ГВВ не превышает 200 – 250 МГц. Похожая ситуация имеет место и для транзисторов.

Таким образом, практическая необходимость учета инерционности процессов в ЭП была значительно снижена. В большинстве современных методов анализа ГВВ предполагают, что ЭП – безинерционный, и учитывают лишь его нелинейные характеристики. В ГВВ с БТ учет инерционности процессов сведен к учету частотной зависимости параметров транзистора.

Все имеющиеся и разрабатываемые методы анализа и расчета ГВВ, учитывающие только нелинейные свойства ЭП, различаются в основном лишь способом аппроксимации характеристик ЭП.

Различают:

- графоаналитический метод;

- аппроксимация отрезками прямых параллельных линий;

- аппроксимация веерообразно расходящимися прямыми;

- аппроксимация степенными рядами;

- аппроксимация математическими функциями.

В настоящее время продолжают совершенствоваться машинные методы анализа и расчета ГВВ с нелинейными и инерционными ЭП, использующие математические модели электронных приборов. Это направление наиболее перспективно, поскольку позволяет учитывать максимум особенностей ЭП, рассчитывать с желательной точностью характеристики, которые невозможно получить при использовании более простых методов.

УСТРОЙСТВА ГЕНЕРИРОВАНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ РАДИОСИГНАЛОВ

Учебное пособие для студентов

радиотехнического факультета

 

Севастополь
УДК 621.396.61

 

Климов В.П. Устройства генерирования и формирования радиосигналов. Учебное пособие для студентов радиотехнического факультета. - Севастополь: Изд-во Сев НТУ,2002,- 82 с.

 

Целью учебного пособия является оказание помощи студентам в освоении и закреплении основных теоретических положений курса.

 
СОДЕРЖАНИЕ

 

Предисловие.......................................................................................................... 5

Введение................................................................................................................ 6

 

Часть 1. Генераторы с внешним возбуждением, автогенераторы и возбудители диапазона высоких частот.

 

1.1. Общие сведения........................................................................................... .8

1.2. Активные элементы...................................................................................... 8

1.3. Режимы работы АЭ в генераторах внешнего возбуждения...................... 10

1.4. Нагрузочные характеристики ГВВ............................................................. 12

1.5. Узкополосные согласующие цепи связи..................................................... 13

1.6. Широкополосные цепи связи...................................................................... 15

1.7. Трансформаторы типа “длинная линия” – ТДЛ........................................ 16

1.8. Принципы построения схем....................................................................... 17

1.9. Сложение мощностей активных элементов. Мостовые схемы сложения. Усилитель с синфазными мостами, квадратурный мост, многополюсные схемы сложения.. 19

1.10. Широкополосные усилители. Идеальное, предельное и оптимальное согласование. Теория Фано.......................................................................................................... 23

1.11. Блочно-модульный принцип построения транзисторных широкополосных усилителей мощности............................................................................................ 25

1.12. Усилители с распределённым усилением................................................... 26

1.13. Умножители частоты. Варакторные, на диодах с накоплением заряда, транзисторные....................................................................................................... 28

1.14. Автогенераторы. Основное уравнение АГ................................................. 29

1.15. Кварцевые автогенераторы......................................................................... 31

1.16. Принципы построения диапазонных возбудителей с кварцевой стабилизацией частоты.................................................................................................................. 33

1.17. Формирование сетки частот по методу прямого синтеза с использованием идентичных декад.................................................................................................. 34

1.18. Возбудители косвенного синтеза................................................................ 36

1.19. Цифровой синтезатор частоты.................................................................... 37

1.20. Квантовые стандарты частоты в синтезаторах.......................................... 37

 

Часть 2. Формирование сигналов с амплитудной (АМ), частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) модуляцией. Однополосная модуляция (ОМ).

2.1. Общие сведения........................................................................................... 39

2.2. Амплитудная модуляция. Способы осуществления.................................. 41

2.3. Однополосная модуляция. Балансные модуляторы. Фильтры в однополосной аппаратуре............................................................................................................. 44

2.4. Методы формирования однополосного сигнала....................................... 46

2.5. Частотная и фазовая модуляции. Общие сведения.................................... 48

2.6. Аналитическое сравнение ФМ и ЧМ........................................................... 49

2.7. Способы осуществления ЧМ....................................................................... 52

2.8. Фазовая модуляция. Способы осуществления........................................... 56

 

Часть 3. Телеграфная работа. Формирование радиосигналов в передатчиках цифровой связи.

 

3.1. Амплитудная манипуляция......................................................................... 59

3.2. Частотная манипуляция............................................................................... 61

3.3. Фазовая манипуляция.................................................................................. 64

3.4. Общие вопросы формирования радиосигналов в передатчиках цифровой связи 65

3.5. Относительная фазовая манипуляция ОФМ-2........................................... 67

3.6. Формирование радиосигналов ОФМ-4...................................................... 70

3.7. Формирование радиосигналов КАМ-16.................................................... 72

 

Приложение А. Передатчики релейной и спутниковой связи................... 77

Приложение Б. Классификация радиочастотных спектров и типов излучения. 84

 

4. Библиография.................................................................................................... 82
ПРЕДИСЛОВИЕ

 

В основу учебного пособия положены первоисточники [1,2,3], а также курс лекций, который читался автором в Сев НТУ в 1997-2001гг. Главная цель, которую поставил автор, состояла в том, чтобы изложить в систематизированном и доступном виде ряд важных вопросов генерирования и формирования радиосигналов и способы управления колебаниями для формирования радиосигналов с заданными параметрами. По возможности автор стремился не перегружать материал пособия математическими выкладками и доказательствами. Поэтому в ряде случаев строгому обоснованию рассматриваемых результатов уделяется меньшее внимание, чем их прикладной стороне.

Автор не ставил перед собой задачу рассмотреть все наиболее существенные вопросы генерирования и формирования радиосигналов. Некоторые вопросы рассмотрены очень кратко, а некоторые вообще не затронуты.

Несмотря на это автор надеется, что пособие облегчит студентам знакомство с имеющейся литературой по рассматриваемым вопросам, позволит им быстрее и правильнее ориентироваться в этой литературе при решении тех или иных задач в процессе учебно-исследовательской работы, курсового и дипломного проектирования.

Учебное пособие состоит из трёх методически связанных между собой частей. В части 1 рассмотрены схемы и режимы работы генераторов с внешним возбуждением, умножители частоты, автогенераторы и синтезаторы частот. В части 2 изложены вопросы формирования сигналов с амплитудной, однополосной, частотной и фазовой модуляцией. В части 3 рассмотрены вопросы формирования сигналов с амплитудной, частотной и фазовой манипуляцией, формирование сигналов в цифровых системах связи.

 

Примечание.

В настоящее время для студентов дневной формы обучения читаются дисциплины: “Устройства генерирования и формирования радиосигналов” и “Радиопередающие устройства”, объединённые общей канвой и изучаемые в шестом и седьмом семестрах соответственно. Студенты заочной формы обучения изучают одну дисциплину: “Устройства генерирования и формирования радиосигналов”. В неё составной частью входит курс “Радиопередающие устройства”. Вследствие этого студенты дневной формы обучения выполняют курсовой проект по дисциплине “Радиопередающие устройства”, студенты заочной формы обучения – по дисциплине “Устройства генерирования и формирования радиосигналов”. Задание на курсовое проектирование и все требования совершенно идентичны.

Содержание учебного пособия охватывает основные разделы обеих дисциплин.

ВВЕДЕНИЕ

Устройство генерирования и формирования радиосигналов – это источник модулированных радиочастотных или оптических колебаний для радиотехнических систем того или иного назначения (связь, телевидение, локация, навигация и др.). УГФРС, предназначенные для передачи информации в соответствующих средах связи, в качестве которых используются эфир, кабельные и оптические линии в дальнейшем для краткости будем называть передатчиками. Назначение передатчика – сформировать сигнал в соответствии с требованиями, установленными при разработке системы, и подвести его к антенне или линии связи.

Радиосигналом называют колебание радиочастоты, один или несколько параметров, которого изменяются (модулируются) в соответствии с передаваемым сообщением (информацией). Спектр частот радио сигнала характеризуют: частота несущей f0; допустимая абсолютная нестабильность частоты несущей Δf0; допустимая относительная нестабильность частоты несущей σf=f0/Δf0 ; занимаемая полоса частот, ширина зоны внеполосных излучений.

Точность, с которой фиксируется положение спектра радиосигнала на оси частот, определяется нестабильностью несущей частоты Δf0.Обычно задают требования на допустимую относительную нестабильность частоты σf= Δf0/f0.

Под занимаемой полосой частот обычно понимается интервал между нижней fн и верхней fв частотами, в котором сосредоточено 99% мощности сигнала.

Вид модуляции определяется при проектировании радиосистемы. Различают следующие виды модуляции:

амплитудную (АМ), применяемую в радиовещании, связи, телевидении (при передаче изображения). Модуляция импульсами используется в многоканальных системах связи с временным разделением каналов и в радиолокационных системах, а также в ряде оптических систем передачи информации;

частотную (ЧМ), применяемую в высококачественном радиовещании, телевидении (звуковое сопровождение), в радиорелейных линиях, в системах частотной телеграфии (манипуляции);

фазовую (ФМ), применяемую в радиосвязи, в системах фазовой телеграфии и при формировании сложных сигналов;

комбинированную.

УГФРС и созданные на их основе передающие комплексы можно классифицировать по ряду признаков.

По мощности различают передатчики очень малой (Рн<3 Вт, где Рн- мощность в нагрузке), малой (3 - 100 Вт) и средней (0,1 - 3 кВт) мощности, а также мощные (3 - 100 кВт) и сверхмощные (более 100 кВт); по виду модуляции – передатчики, работающие в непрерывном режиме с АМ, ЧМ, ФМ или их сочетаниями, и импульсные; по активным элементам в мощных (выходных) каскадах – ламповые, транзисторные, клистронные и т.д.; по условиям работы – стационарные и подвижные.

Современные РПДУ должны иметь возможность быстро перестраиваться на любую из большого числа дискретных частот.

Экономичность передатчика определяется промышленным КПД, т.е. отношением мощности в нагрузке к полной мощности, потребляемой от источника питания.

Мощность любого побочного излучения вновь разрабатываемых передатчиков не должна превышать 25×10^-6–1×10^-3 Вт в зависимости от диапазона частот, мощности и назначения передатчика.

Применение микропроцессоров позволяет автоматизировать перестройку всех каскадов, обеспечивая оптимальные энергетические показатели.
Часть 1. ГЕНЕРАТОРЫ С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ, АВТОГЕНЕРАТОРЫ И ВОЗБУДИТЕЛИ ДИАПАЗОНА ВЫСОКИХ ЧАСТОТ

Общие сведения

Источники колебаний, используемые в устройствах формирования и усиления радиосигналов, делятся на два больших класса: генераторы с внешним возбуждением (ГВВ) и генераторы с самовозбуждением, или автогенераторы (АГ). ГВВ – источник колебаний, создающий их под воздействием колебаний другого, обычно менее мощного ГВВ или АГ. К ГВВ относятся усилители мощности (УМ) и умножители частоты (УЧ) на активных элементах.

Основными энергетическими характеристиками УМ является максимальная выходная мощность, коэффициент усиления по мощности Кр и коэффициент полезного действия η.

Структурная схема УМ в общем случае содержит активный элемент (АЭ), входную (ЦСвх) и выходную (ЦСвых) цепи согласования, а также цепи блокировки по напряжению питания (ЦБП) и по напряжению смещения (ЦБС).

Нагрузка выходного УМ передатчика, в простейшем случае, представляет собой входное сопротивление антенны или фидерную линию, соединяющую передатчик с антенной.

Каждый промежуточный УМ многокаскадного тракта нагружен на входное сопротивление АЭ следующего каскада. Характерными особенностями реальных нагрузок УМ является их комплексный характер, зависимость от частоты, в ряде случаев нелинейность.

 

Активные элементы.

Основными электронными приборами в ГВВ являются лампы, лампы бегущей волны (ЛБВ), клистроны и транзисторы. Ориентировочно области использования этих приборов представлены на рисунке 1.1.



Рисунок 1.1 Область применения ЭП.

 

Современные генераторные лампы (ГЛ) принято подразделять по допустимой мощности, рассеиваемой на аноде на следующие подгруппы: маломощные (Ра.доп<25 Вт), средней мощности (25 Вт<Ра.доп<1 кВт) и мощные (1 кВТ < Ра.доп).

Особенности ГЛ отмечены в их маркировке, которая состоит из буквенных и цифровых символов. Первая буква “Г” – генераторная (лампа), вторая – “К”, ”У” или “C” указывает диапазон волн, вплоть до которого возможно частичное или полное её использование (“K” – коротковолновый, “У” – ультракоротковолновый, “C” – сантиметровый). Следующий за ними цифровой символ соответствует порядковому номеру заводской разработки. За ним могут стоять буквы

“A”, ”Б” или “П”, указывающие на способ охлаждения анода: водяной воздушный или пароводяной (испарительный) соответственно. Отсутствие этих букв означает, что ГЛ имеет естественный способ охлаждения. Например, ГУ-81, ГУ-74Б, ГС-9Б. Модуляторные и импульсные ГЛ имеют в индексе буквы “M” и “И” (например, ГМ-60, ГИ-33Б, ГМИ-25А).

В передатчиках малой мощности лампы практически вытеснены транзисторами. На транзисторах часто выполняются и каскады средней мощности (до 10 кВт) с использованием мостовых схем сложения мощности.

Транзисторы, как полевые (ПТ), так и биполярные (БП), - принципиально более низковольтные приборы, чем ГЛ. Увеличение их мощности за счёт тока ограничено снижением входных и нагрузочных сопротивлений, затрудняющим согласование со стандартными нагрузками (50;75 Ом и т.д.). На частотах до 4 ГГц чаще применяются БТ, а выше 4ГГц предпочтительнее оказываются ПТ. В ключевых усилителях ПТ имеют меньшее время переключения. Мощные ПТ, используемые в ключевых усилителях, работают с токами до 20 – 30 А при напряжениях питания до 800 В и уровнях выходной мощности 1 – 2 кВт.

Пролётные клистроны и ЛБВ относятся к приборам со скоростной модуляцией электронного потока. По сравнению с ГЛ пролётные клистроны обладают рядом достоинств. Они могут работать на частотах 0,2 – 40 ГГц при выходных мощностях до 500 кВт. Однако, по сравнению с ламповыми клистронные ГВВ имеют меньший электронный КПД и большую стоимость. Мощные клистроны имеют принудительное водяное или воздушное охлаждение, но буквы “A” и “Б” в маркировке, в отличие от маркировки ГЛ, указывают не на способ охлаждения, а на одну из особенностей данной модификации ЭП.

ЛБВ уступают клистрону в отношении выходной мощности и КПД, но имеют и ряд преимуществ перед ним: значительно большую полосу усиления (20 – 30 % от среднего значения частоты) и меньшие собственные шумы.