«Радиопередающие и радиоприемные устройства». 1 Лекция. Основное назначение радиопередающих устройств (рпду), терминология и требования. Основные этапы
 Скачать 1.79 Mb.
|
|
9 Лекция.Выходные каскады передатчиков Цель занятия: 1) Требования, предъявляемые к выходным каскадам передатчика. 2) Простая схема выходного каскада. 3) Сложная схема выходного каскада. 4) Выходные фильтрующие системы. 5) Схемная реализация выходного каскада. Выходным каскадом передатчика называется оконечный каскад его, работающий на антенну, т. е. каскад, отдающий мощность радиочастотных колебаний в антенну непосредственно или через фидер. Выходной каскад передатчика должен удовлетворять основным требованиям: создавать необходимую мощность передатчика в антенне (фидере), осуществлять фильтрацию высших гармонических составляющих и согласовывать выходное сопротивление генератора с входным сопротивлением нагрузки. Выходной каскад является наиболее мощным каскадом передатчика. Он потребляет большую часть энергии источников питания. Поэтому качество его работы определяет основную характеристику радиопередающего устройства – промышленный КПД. Для передачи информации каждому каналу связи отводится определенная полоса излучаемых частот. Все колебания, выходящие за пределы этой полосы, являются побочными. К внеполосным излучениям относятся колебания высших гармоник выходного тока, а также паразитные колебания, возникающие при самовозбуждении ГВВ. Допустимые значения мощности побочных излучений приведены в таблице 9.1. Т а б л и ц а - 9.1
Основной причиной появления побочных колебаний является работа электронного прибора в режиме колебаний второго рода. Наиболее интенсивные колебания второй и третьей гармоник. Подавление четных гармоник, в том числе и второй, осуществляется применением двухтактной схемы. Часто, из-за асимметрии схемы нельзя добиться полного подавления второй гармоники и в двухтактной схеме. Для подавления нечетных гармоник, в том числе и третьей, угол отсечки выходного тона выбирают . Основное ослабление высших гармоник обеспечивается колебательной системой выходной цепи каскада. Нагрузка выходного каскада – антенна – включается в его выходную цепь непосредственно или через промежуточный контур. В зависимости от способа включения антенны в выходную цепь генератора различают схемы выхода: простую и сложную. Простой схемой выходного каскада передатчика называется схема, в которой антенна включается непосредственно в анодную (коллекторную) цепь выходного каскада (см. рисунок 9.1).
Рисунок 9.1 – Простая схема выходного каскада передатчика В этой схеме выходной контур образован индуктивностями катушки связи LCBи катушки настройки LK(вариометр) и параметрами антенны RА и ХA,т.е. антенный контур является выходным. Простая схема – одноконтурная. Настройка контура на рабочую частоту осуществляется вариометром LН. Подбор оптимального сопротивления нагрузки выходной цепи электронного прибора RЭ.ОПТосуществляется подбором коэффициента включениярLпутем переключения числа витков катушки связи LCB. Достоинства простой схемы: - высокий КПД, так как нет потерь энергии на промежуточных элементах; - простота конструкции. Недостатки простой схемы: - низкая фильтрация высших гармоник; - при обрыве антенны оставшиеся элементы не обеспечивают оптимальное сопротивление нагрузки, и вся подводимая мощность рассеивается на выходном электроде электронного прибора, что приводит к его перегреву и выходу из строя. Поэтому простая схема выходного каскада может быть использована лишь в маломощных связных передатчиках. Сложной схемой выходного каскада передатчика называется схема, в которой антенна подключается к выходной цепи оконечного каскада не непосредственно, а через промежуточный контур. Кроме того, могут быть добавлены фильтры. На рисунке 9.2 приведена схема выходного каскада с автотрансформаторной связью промежуточного и антенного контуров.
Рисунок 9.2 – Сложная схема выходного каскада с автотрансформаторной связью промежуточного и антенного контуров Схема выходного каскада на транзисторе, включенном с общим эмиттером, приведена на рисунке 9.3.
Рисунок 9.3 – Схема выходного каскада на транзисторе Достоинства сложной схемы: - лучшая, чем в простой схеме, фильтрация высших гармоник; - более точная и более широкая регулировка значений сопротивления нагрузки в выходной цепи генератора, так как она выполняется двумя способами: изменением связи промежуточного контура с антенной и коэффициента включения контура в выходную цепь генератора; - удобство в эксплуатации: настройка контура в резонанс и регулировка связи мало зависят одно от другого. Недостатки сложной схемы: - КПД выходной цепи ниже из-за потерь энергии на промежуточном контуре и других элементах связи; - сложнее конструкция колебательной системы: большие габариты, масса; - сложнее настройка из-за большого числа регулируемых элементов. Если двухконтурная схема не обеспечивает заданной фильтрации, применяются дополнительные фильтрующие системы, представляющие собой фильтры низкой или высокой частоты, а также их сочетание. Лучшую фильтрацию высших гармоник имеют П-образный контур. Лучшую фильтрацию обеспечивает сдвоенный П-образный контур (см. рисунок 9.4 б).
Рисунок 9.4 – Схема П-образного контура простого (а) и сдвоенного (б) В узкодиапазонных передатчиках, работающих на фиксированных частотах, для повышения фильтрации высших гармоник в выходную цепь включают дополнительные контуры – фильтр-пробки и фильтр-дырки, настроенные точно на частоту п-йгармоники. Схема фильтрующей системы, состоящей из параллельных колебательных контуров, настроенных на вторую 2f, третью 3f и четвертую 4f гармоники, приведена на рисунке 9.5. Для токов основной рабочей частоты сопротивления контуров малы.
Рисунок 9.5– Схема фильтрующей системы Для примера: выходной каскад передатчика базового блока радиотелефона Panasonic KX-T9080BX выполнен на транзисторах Q311-Q313, которыми управляет интегральный синтезатор частоты. Выходная фильтрующая система представляет собой диплексор F306, разделяющий спектры частот приема и передачи. Модулирующий сигнал через ограничивающий потенциометр VR303 подается на варикап D305 частотно-модулируемого автогенератора, собранного на транзисторе Q309. Туда же с вывода 9 микросхемы заводится управляющее напряжение смещения варикапа от фазового детектора, включенного в цепь фазового синтезатора. Такие схемы стабилизации частоты применяются во многих моделях радиотелефонов, работающих в диапазоне 800 – 900 МГц. В качестве синтезатора частоты могут использоваться программируемые микроконтроллеры типа РIC16XX или их аналоги.  Рисунок 9.6 – Принципиальная схема выходного каскада передатчика Panasonic KX-T9080BX Литература: [6, стр.199 – 221]. 10 Лекция. Автогенераторы. Режимы самовозбуждения автогенераторов Цель занятия: 1) Принцип получения колебаний радиочастоты. 2) Условия самовозбуждения. 3) Трехточечные схемы автогенераторов. 4) Колебательные характеристики автогенератора. 5) Мягкий режим самовозбуждения. 6) Жесткий режим самовозбуждения. Принцип получения колебаний радиочастоты. В качестве первоисточника электрических колебаний радиочастоты используют колебательный контур из индуктивности L и емкости С. Известно, что если в контур LC ввести извне некоторое количество энергии, то в контуре возникнут свободные затухающие электрические колебания. Чтобы колебания в контуре стали незатухающими, необходимо пополнять потери энергии в контуре от источника питания. Электронное устройство, преобразующее энергию постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний радиочастоты, называется автогенератором.
Рисунок 10.1 – Структурная схема автогенератора В радиопередающих устройствах автогенераторы «задают» частоту первоначальных колебаний и выполняют роль задающих генераторов. Основными требованиями, предъявляемыми к автогенераторам радиопередающих устройств, являются обеспечение заданного значения номинала и стабильности частоты генерируемых колебаний. Обычно выходная мощность транзисторных автогенераторов составляет несколько милливатт – единицы ватт в зависимости от назначения. Условия самовозбуждения. Для устойчивой работы автогенератора необходимо выполнение двух условий: баланса фаз и баланса амплитуд. Баланс амплитуд– это условие поступления количества энергии от источника питания в контур, необходимой для восполнения всех потерь в контуре и поддержания колебаний незатухающими. Баланс фаз – это условие своевременной подачи энергии в контур, то есть сумма фазовых сдвигов колебаний по цепям прямой передачи (усиления) и обратной связи должна быть равна или кратна 360°. Уравнение устойчивого самовозбуждения. Допустим, что в начале рассматриваемого цикла колебаний на контуре действует переменное напряжение . При этом по цепи обратной связи на сетку подается напряжение, определяемое коэффициентом обратной связи . Под действием этого напряжения в анодной цепи протекает ток . (10.1) Эти выражения написаны в комплексной форме для учета сдвига по фазе между анодным током и напряжением на аноде . Появляется сдвиг потому, что в общем случае частота генерируемых колебаний ω может несколько отличаться от собственной частоты контура ω0. В результате появится фазовый сдвиг между анодным током и напряжением на контуре и эквивалентное сопротивление контура будет иметь, кроме активной rЭ,еще и реактивную составляющую . (10.2) Для упрощения анализа и расчета автогенератора было введено понятие о средней крутизне  , (10.3)где S – мгновенное значение крутизны характеристики. Анодный ток , проходя по контуру, создает на нем напряжение  . (10.4)В установившемся режиме должно выполняться равенство . Тогда . Обычно значение D очень мало и им можно пренебрегать. Тогда можно записать . (10.5) Известно, что комплексные числа равны, если равны порознь их модули и аргументы. Тогда произведение модулей . Это уравнение получено немецким ученым Баркгаузеном и называется основным уравнением стационарного режима автогенератора. В транзисторных автогенераторах условия самовозбуждения имеют некоторые особенности. Внешний коэффициент обратной связи определяется отношением амплитуды напряжения возбуждения на внешних зажимах «эмиттер – база» UБк амплитуде колебательного напряжения на коллекторном контуре UK, т.е. . (10.6) Внутренний коэффициент обратной связи определяется отношением амплитуды напряжения возбуждения на внутреннем переходе «эмиттер –база» UЭБк амплитуде напряжения на контуре, т.е. . Условие баланса амплитуд при этом .Но , где – коэффициент передачи напряжения в цепи «база – эмиттер». Тогда основное уравнение самовозбуждения принимает вид . (10.7) Общее правило построения трехточечных схем автогенераторов.В индуктивной трехточечной схеме (см. рисунок 10.2, а) элементы контура подключены к транзистору в следующем порядке. Конденсатор С2 подключен между коллектором и базой транзистора. Конденсатор С1 является разделительным. Катушка L1 подключена по высокой частоте между базой и эмиттером: к базе через тот же конденсатор С1, а к эмиттеру через блокировочные конденсаторы С5 и СЗ. Катушка L2 подключена между коллектором и эмиттером транзистора через те же конденсаторы С5 и СЗ. В результате получим эквивалентную схему, приведенную на рисунке 10.3, а. Схема емкостного трехточечного автогенератора приведена на рисунке 10.3, б.
Рисунок 10.2 – Трехточечные схемы автогенераторов
Рисунок 10.3 – Эквивалентные схемы автогенераторов Сравнив эквивалентные схемы автогенераторов по индуктивной и емкостной трехточечным схемам, можно установить общее правило построения трехточечных схем: реактивные сопротивления между эмиттером и базой ХЭБ и эмиттером и коллектором ХЭК должны быть одинакового знака, а реактивность «база – коллектор» ХБК должна быть противоположного знака. Такой порядок подключения реактивностей колебательной системы к транзистору необходим для выполнения баланса фаз. Значения реактивных сопротивлений контура должны быть подобраны так, чтобы в контуре были колебания с частотой  . (10.8)Для этого должно быть выполнено условие ,т. е. реактивное сопротивление емкостной ветви должно быть равно реактивному сопротивлению индуктивной ветви. Для индуктивной трехточки  ,для емкостной  . (10.9)Режимы самовозбуждения.Колебательной характеристикойназывается зависимость амплитуды первой гармоники коллекторного тока от амплитуды управляющего напряжения на базе транзистора . Вид колебательной характеристики зависит от положения рабочей точки на проходной характеристике транзистора . При работе транзистора в режиме колебаний первого рода, т. е. когда рабочая точка А выбрана на середине линейного участка проходной характеристики, колебательная характеристика имеет выпуклую форму (см. рисунок 10.3, б, I). Если рабочая точка на переходной характеристике транзистора выбрана в области отсечки выходного тока В (режим колебаний второго рода), то колебательная характеристика начинается несколько правее нуля. Затем по мере увеличения входного (управляющего) напряжения колебательная характеристика имеет нижний изгиб, соответствующий нелинейному нижнему участку проходной характеристики, и соответственно верхний изгиб (см. рисунок 10.3, б, II). Линией обратной связиназывается графически выраженная зависимость напряжения обратной связи от тока в выходной цепи транзистора. Поскольку цепь обратной связи линейна, то линия обратной связи представляет собой прямую линию, восходящую из начала координат (см. рисунок 11.1, в).  Рисунок 10.3 – Колебательные характеристики и линии обратной связи Мягкий режим самовозбуждения. На рисунке 11.2.а амплитудная колебательная характеристика генераторов в режиме колебаний первого рода (кривая линия) и амплитудная характеристика обратной связи автогенератора (прямая линия) совмещены на одном графике. Допустим, что в контуре за счет флуктуации появился ток. Этот ток по цепи обратной связи создает на входе напряжение возбуждения UI. Это напряжение в соответствии с колебательной характеристикой вызывает в выходной цепи ток III. При токе IIIна входную цепь автогенератора в соответствии с линией обратной связи наводится напряжение UII,которое вызывает ток IIII и т. д. Последовательность нарастания колебаний показана на рисунке 10.2, а стрелками.
Рисунок 10.2 – Графики токов и напряжений в мягком (а) и жестком (б) режимах самовозбуждения Так, колебания в контуре будут нарастать до значения, определяемого точкой пересечения колебательной характеристики и линии обратной связи (В). Точка В соответствует режиму установившихся колебаний: в выходной цепи протекает ток IУСТ, на участке «база – эмиттер» создается напряжение UУСТ. В точке В выполняется баланс амплитуд, и в автогенераторе устанавливаются устойчивые колебания. Таким образом, в режиме колебаний первого рода колебания в автогенераторе возникают после включения источника питания самостоятельно и нарастают до установившегося значения плавно, мягко. Поэтому такой режим колебаний называют мягким режимом самовозбуждения. Жесткий режим самовозбуждения.Если рабочая точка на проходной характеристике транзистора выбрана в области отсечки выходного тока, колебательная характеристика пересекается с линией обратной связи в двух точках, как показано на рисунке 11.2, б. В области I кривая проходит под прямой – это значит, как было показано выше, что потери в контуре превышают пополнения энергии, и колебания не возникают. В области II кривая проходит над прямой – это значит, что потери в контуре меньше, чем пополнения, и колебания могут зарастать. Из этого видно, что в режиме колебаний второго рода колебания автоматически от флуктуаций возникнуть не могут (участок а–1 на рисунке 10.2, б). Для возникновения колебаний в автогенераторе в режиме колебаний второго рода необходимо во входную цепь транзистора подать напряжение значительной амплитуды . Только после этого резкого, жесткого внешнего толчка напряжения колебания возникают и быстро нарастают. Отсюда и режим самовозбуждения называется жестким. Колебания нарастают до установившегося значения, соответствующего точке В устойчивых колебаний. Литература: [6, стр.225 – 232] | |||||||||||||||||||||||||||||||
