Лк_2. Классификация, каскады, структурная схема и параметры радиопередатчиков
 Скачать 235 Kb.
|
|
Лекция 2. КЛАССИФИКАЦИЯ, КАСКАДЫ, СТРУКТУРНАЯ СХЕМА и параметры РАДИОПЕРЕДАТЧИКОВ 2.1. Классификация РПДУ 2.2. Каскады и блоки РПДУ 2.3. Структурная схема РПДУ 2.4. Параметры РПДУ  2.5. Излучения РПДУ и проблема электромагнитной совместимости 2.6. Международное сотрудничество в области радиосвязи 2.1. Классификация РПДУ РПДУ классифицируют по назначению, объекту использования, диапазону частот, мощности и виду излучения. Назначение РПДУ определяется радиотехнической системой, в которой оно используется, и связано с видом передаваемой информации. Различают: радиосвязные, радиовещательные, телевизионные, радиолокационные, радиотелеметрические, радионавигационные и другие. Объект использования определяется местом установки РПДУ: наземные стационарные, самолетные, спутниковые, корабельные, носимые, мобильные, т.е. устанавливаемые на автомобилях, железнодорожном транспорте и иных наземных передвижных объектах. По диапазону частот РПДУ различают на: сверхдлинноволновые, длинноволновые, средневолновые, коротковолновые, ультра- коротковолновые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые. Передатчики пяти первых диапазонов объединяются общим названием - высокочастотные, трех последних - сверхвысокочастотные. Границей между РПДУ ВЧ и СВЧ диапазонов является частота 300 МГц. При частоте менее 300 МГц передатчик относится к ВЧ диапазону, выше - к СВЧ диапазону. По мощности ВЧ сигнала, подводимого к антенне, РПДУ различают: малой - до 10 Вт, средней - 10 ... 500 Вт, большой- 500 Вт... 10 кВт, сверхбольшой - выше 10 кВт. По виду излучения передатчики разделяют на работающие в непрерывном и импульсном режимах. Для характеристики типа радиопередатчика следует указать, к какому виду он относится в каждом из пяти названных разрядов. Пример 1. Радиосвязной радиопередатчик самолетного типа, УКВ диапазона, средней мощности, непрерывного излучения. Пример 2. Радиолокационный радиопередатчик, мобильный, сантиметрового диапазона, сверхбольшой мощности, импульсного излучения. В табл. 2.1 приведены некоторые типы радиосистем и радиопередатчиков различного назначения с привязкой к диапазонам волн. Таблица 2.1
2.2. Каскады и блоки РПДУ Радиопередатчик представляет собой сборку из отдельных каскадов и блоков, каждый из которых функционирует и самостоятельно, и в сочетании с другими частями всего устройства. К числу каскадов относятся: автогенератор, или генератор с самовозбуждением, - источник ВЧ или СВЧ колебаний. В зависимости от метода стабилизации частоты различают кварцевые и бескварцевые автогенераторы; генератор с внешним или независимым возбуждением - усилитель ВЧ или СВЧ сигнала по мощности. В зависимости от полосы пропускания различают узко- и широкополосные генераторы; умножитель частоты, служащий для умножения частоты колебаний; преобразователь частоты,предназначенный для смещения частоты колебаний на требуемую величину; делитель частоты,служащий для деления частоты колебаний; частотный модулятор,осуществляющий частотную модуляцию; фазовый модулятор, осуществляющий фазовую модуляцию; фильтры,служащие для пропускания сигнала только в определенной полосе частот; сумматор (он же делитель) мощностей сигналов,в котором происходит суммирование мощностей однотипных сигналов или деление сигнала по мощности в требуемое число раз; мостовое устройство - разновидность сумматора при сложении мощностей двух сигналов или делении в два раза мощности сигнала; направленный ответвитель,служащий для отбора части мощности сигнала из основного канала его распространения; согласующее устройство,предназначенное для согласования выходного сопротивления радиопередатчика с входным сопротивлением антенны; аттенюатор,служащий для регулирования мощности сигнала; фазовращатель,необходимый для управления фазой сигнала; ферритовые однонаправленные устройства (циркуляторы и вентили),служащие для пропускания сигнала только в одном направлении; балластные сопротивления,в которых происходит рассеивание мощности; К числу основных блоков, составляемых из каскадов, относятся: блок усиления ВЧ или СВЧ сигнала по мощности, выполняемый из последовательно включенных генераторов с внешним возбуждением; блок умножителей частоты,применяемый в случае большого коэффициента умножения; синтезатор частот,предназначенный для образования дискретного множества частот; возбудитель,включающий в свой состав синтезатор частот и частотный или фазовый модулятор; амплитудный модулятор,служащий для осуществления амплитудной модуляции; импульсный модулятор,предназначенный для осуществления импульсной модуляции; антенно-фидерное устройство,соединяющее выход радиопередатчика с антенной и включающее фильтр, направленный ответвитель, ферритовое однонаправленное и согласующее устройства; блоки автоматического регулирования, служащие для стабилизации или управления параметрами радиопередатчика. К их числу относятся: устройства автоматической подстройки частоты, автоматической перестройки электрических цепей усилительных каскадов, автоматической перестройки согласующего устройства, автоматического управления мощностью, автоматического поддержания теплового режима. Современные устройства автоматического регулирования строятся на основе микропроцессора. 2.3. Структурная схема РПДУ Разнообразные типы радиопередатчиков выполняются как комбинация соответствующих каскадов и блоков. Обобщенная структурная схема РПДУпредставлена на рис. 2.1.  Рис. 2.1. Обобщенная структурная схема РПДУ Возбудитель служит для формирования сетки рабочих частот с требуемой стабильностью. При небольшом числе рабочих частот возбудитель строится по принципу «кварц - волна», что означает: каждой из частот соответствует свой кварцевый автогенератор. Переход с одной частоты на другую осуществляется с помощью электронного коммутатора. При большом числе частот возбудитель представляет собой цифровой синтезатор частот, в состав которого входит кварцевый автогенератор, называемый опорным, делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД) и устройство автоматической подстройки частоты. Такой синтезатор может быть построен на основе большой интегральной микросхемы. Частота кварцевых автогенераторов обычно не превышает 100 Гц. Поэтому при частоте передатчика больше данного значения в устройство включаются умножители частоты, повышающие частоту сигнала в необходимое число раз. Получение требуемой выходной мощности радиопередатчика осуществляется с помощью блока усиления мощности, каскадно включенных ВЧ или СВЧ генераторов с внешним возбуждением. При выходной мощности передатчика, превышающей мощность одного прибора, в выходном каскаде происходит суммирование мощностей генераторов. Между выходным каскадом радиопередатчика и антенной включается антенно-фидерное устройство (АФУ). В состав АФУ входят: фильтр для подавления побочных излучений радиопередатчика, датчики падающей и отраженной волны и согласующее устройство. При работе в СВЧ диапазоне вместо последнего обычно применяется ферритовое однонаправленное устройство - вентиль или циркулятор. Частотная модуляция осуществляется в возбудителе радиопередатчика, фазовая - в возбудителе или ВЧ умножителях и усилителях, амплитудная и импульсная - в ВЧ усилителях. С помощью блока автоматического управления выполняются автоматическая стабилизация параметров радиопередатчика (в первую очередь, мощности и температурного режима), защита при нарушении нормальных условий эксплуатации (например, при обрыве антенны) и управление (включение-выключение, перестройка по частоте). При составлении и расчете структурной схемы транзисторного радиопередатчика исходят из его назначения, условий работы и следующих основных параметров:  — выходной мощности, подводимой к антенне;  - диапазона рабочих частот, стабильности частоты, вида модуляции и характеристик модулирующего сигнала. Общий коэффициент усиления сигнала по мощности радиопередатчика  где  - мощность сигнала, поступающего в антенну;  - коэффициент передачи АФУ;  - мощность сигнала возбудителя (обычно <10... 20 МВт).Тот же параметр, выраженный в децибелах относительно мощности в 1 Вт:  (2.1)где , - мощность, Вт. Общий коэффициент умножения по частоте  (2. 1)где - диапазон частот радиопередатчика;  - диапазон частот возбудителя. Исходя из значения  , равного произведению коэффициентов умножения отдельных каскадов, определяется число умножителей, каждый из которых имеет значение  =2...3. Общий коэффициент усиления сигнала по мощности радиопередатчика есть произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов. Выбрав тип электронного прибора в каждом из каскадов и определив по справочнику или рассчитав значения коэффициентов усиления данных приборов, можно составить структурную схему проектируемого радиопередатчика. Рассмотрим пример при следующих исходных данных: мощность сигнала, передаваемого в антенну, =20 Вт; коэффициент передачи АФУ  составляет 0,8 или 1 дБ; мощность возбудителя =5 МВт. Согласно (2.1) общий коэффициент усиления сигнала по мощности радиопередатчика  или  =5000. Например, при коэффициенте усиления одного электронного прибора, равном 10 дБ, т.е. в 10 раз по мощности, для получения общего коэффициента усиления в 37 дБ потребуется четыре последовательно включенных ВЧ генератора - усилителей мощности ВЧ колебаний. 2.4. Параметры радиопередатчика К основным параметрам радиопередатчика, характеризующим его технические показатели, относятся: диапазон частот несущих колебаний  ; число частот Nвнутри этого диапазона. В самом простом случае радиопередатчик может быть одночастотным и тогда  ; шаг сетки рабочих частот  в заданном диапазоне, определяемый согласно выражению  , (3.1)где  . Радиопередатчик может работать на любой из фиксированных частот внутри диапазона (рис. 2.2). Например, радиопередатчик системы УКВ самолетной радиосвязи работает в диапазоне частот 118...136 МГц при шаге =25 кГц, общее число частот согласно (3.1) N=721. Недопустимо излучение радиопередатчика не только вне закрепленного за ним диапазона частот , но и на частоте, отличной от фиксированной сетки частот, например между частотами  и  ; нестабильность частоты несущих колебаний. Различают абсолютную и относительную нестабильность частоты, долговременную и кратковременную. Абсолютной нестабильностью частоты называется отклонение частоты  излучаемого радиопередатчиком сигнала от номинальногo значения частоты  . Например, =120 МГц, а фактически радиопередатчик излучает сигнал с частотой =119,9994 МГц. Следовательно, абсолютная нестабильность частоты  120 - 119,9994 МГц = 0,0006 МГц = 0,6 кГц.  Рис. 2.2. Сетка частот генератора Относительной нестабильностью частоты называется отношение абсолютной нестабильности частоты к ееноминальному значению:  (3.2)Согласно (3.2) в рассмотренном примере относительная нестабильность  =0,000005= .В современных радиопередатчиках относительная нестабильность частоты обычно не превышает (2...3)  . Но в некоторых случаях, например системах радионавигации, к этому параметру предъявляются еще более жесткие требования: в них следует иметь  . выделенная полоса частот излучения  . В режиме несущих колебаний радиопередатчик излучает сигнал  ,где  - частота несущих колебаний. С  пектр такого колебания имеет одну составляющую (рис. 2.3, а). При любом виде модуляции - амплитудной, частотной, фазовой и импульсной - спектр сигнала становится или линейчатым (рис. 2.3, б), или сплошным (рис. 2.3, в), занимая определенную полосу частот  . Рис. 2.3. Спектры несущего и модулированного колебаний Для этого спектра выделяется определенная полоса частот , При этом следует соблюдать неравенство  , т.е. спектр сигнала должен укладываться в выделенную для него полосу. В противном случае излучения одного радиопередатчика могут мешать другим радиопередатчикам, проникая в выделенные для них полосы излучения. в  ыходная мощность несущих колебаний  - активная мощность, поступающая из радиопередатчика в антенну. Антенна имеет входное комплексное сопротивление  . Поэтому при измерении выходной мощности радиопередатчика антенна может быть заменена эквивалентным сопротивлением  . Мощность, рассеиваемая в активной составляющей сопротивления  , и есть выходная мощность радиопередатчика , излучаемая антенной (рис. 2.4, а). Рис. 2.4. Мощность можно определить и вторым способом при непосредственном подключении радиопередатчика к антенне. По связывающему их фидеру распространяются две волны: в прямом направлении - падающая, в обратном - отраженная от антенны (рис. 2.4, б). При этом мощность радиопередатчика  (2.3) где  - мощность падающей волны;  - мощность отраженной волны; суммарная мощность, потребляемая радиопередатчиком от источника или блока питания по всем цепям,  коэффициент полезного действия, или промышленный КПД, определяемый как отношение выходной мощности радиопередатчика к потребляемой:  .Вид модуляции и определяющие его параметры. При амплитудной модуляции таким параметром является коэффициент модуляции  , при частотной - девиация частоты  , A при фазовой - девиация фазы  при импульсной - длительность импульса  и период их повторения Т. Параметры передаваемого сообщения. Таким сообщением может быть речевая, факсимильная, телевизионная, телеметрическая и другая разнообразная информация, в том числе и считываемая с компьютера. Сообщение может передаваться в форме аналогового (рис. 2.5, а) или цифрового сигнала (рис. 2.5, б). При аналоговом сообщении основным характеризующим его параметром является полоса частот спектра сигнала, при цифровом — число бит в секунду (битом называется единица цифровой информации при двоичном коде это 1 или 0).  Рис. 2.5. П  араметры, характеризующие допустимые искажения передаваемого сообщения. В результате процесса модуляции, т.е. наложения на несущие колебания исходного сообщения, последнее претерпевает некоторые изменения или, иначе говоря, искажается. В каждом конкретном случае устанавливается вид и норма на эти искажения. Например, при передаче сообщения в виде синусоидального сигнала таким параметром является коэффициент нелинейных искажений, определяющий появление в исходном сигнале 2, 3-й и последующих гармоник. При передаче импульсных сигналов искажения можно характеризовать по изменению формы сигнала - допустимой длительности фронта (рис. 2.6). Побочные излучения радиопередатчика. В идеальном случае радиопередатчик должен излучать только сигнал на частоте несущей, и его спектр должен укладываться в выделенную полосу частот (рис. 2.7, а). Однако по нескольким причинам, основной из которых является нелинейный характер процессов, протекающих в каскадах радиопередатчика, в спектре излучаемого им сигнала появляются побочные составляющие (рис. 2.7, б). Побочные излучения, лежащие за пределами, но вблизи выделенной полосы частот, называются внеполосными. Кроме них радиопередатчик может излучать гармоники - сигналы с частотой  ,  и т.д., а также субгармоники - сигналы с более низкой частотой  . Кроме того, возможно излучение так называемых «паразитных» колебаний, причиной возникновения которых является самовозбуждение в усилительных каскадах радиопередатчика. Возникновение «паразитных» колебаний должно быть практически исключено.  Рис. 2.7. Поскольку полностью исключить побочные излучения нельзя, особенно в мощных радиопередатчиках, то устанавливается норма на их значение или в абсолютных единицах (т.е. указывается, что мощность такого то побочного излучения не должна превышать N МВт), или в относительных единицах к мощности основного, полезного излучения. Обычно эта норма составляет не менее -60 дБ, т.е. по мощности побочное колебание должно быть меньше мощности основногo не менее чем в 10 раз. На некоторых частотах эта норма может достигать -100 дБ, - 110 дБ и т.д. Нормы, связанные с управлением радиопередатчика: время установления в нем нормального режима работы после включения, время перехода с одной частоты несущей на другую, режим полной или частичной мощности излучения и другие требования. Нормы на надежность и долговечность, массу и габаритные размеры радиопередатчика устанавливают в соответствии с общими нормами для радиотехнической аппаратуры. В радиопередатчиках повышенной мощности устанавливаются специальные нормы, диктуемые техникой безопасности. 2.5. Излучения радиопередатчика и проблема электромагнитной совместимости В мире работают миллионы радиопередатчиков, создающих вокруг Земли электромагнитное поле. Радиосигналы приходят на Землю и из космоса: на околоземных орбитах находятся сотни спутников, на каждом из них установлено по несколько радиопередатчиков. Только систем дальней спутнико-космической радиосвязи в мире насчитывается около 50. Каждой радиотехнической системе отводится строго определенная полоса частот, в которой допускается радиоизлучение. Однако фактически радиопередатчик помимо полезного сигнала излучает и побочные колебания, которые по отношению к другой радиотехнической системе являются помехами. Обратимся в этой связи к рис. 2.7, б. Пусть номинальная частота радиопередатчика равна . Но помимо нее радиопередатчик излучает и сигнал, пусть и весьма малой мощности, на частоте . Именно на эту частоту настроены радиоприемники другой радиотехнической системы. По отношению к ним сигнал частотой является помехой, причем весьма сильной, если радиопередатчик первой системы расположен близко от радиоприемника второй системы. В целом данная проблема, связанная с одновременной работой нескольких радиотехнических систем без взаимного влияния друг на друга, называется электромагнитной совместимостью. При этом следует рассматривать электромагнитную совместимость радиотехнической аппаратуры, работающей в пределах одного объекта, на обширной территории. На многих современных объектах - кораблях, самолетах, спутниках - располагается много разнообразной радиотехнической аппаратуры, относящейся к разным системам и работающей в разных частотных диапазонах. Вот примерный перечень радиоаппаратуры, устанавливаемой на современном самолете гражданской авиации: связная радиостанция УКВ диапазона, с помощью которой летчик поддерживает радиотелефонную связь с наземными службами; связная радиостанция дециметрового диапазона спутнико-космической системы для радиосвязи самолета с дальними наземными объектами; радиокомпас, позволяющий определять направление полета; аппаратура дециметрового диапазона спутнико-космической радионавигационной системы для точного определения местоположения самолета; радионавигационная аппаратура длинноволнового диапазона, работающая по сигналам наземных радиопередатчиков; радиовысотомер сантиметрового диапазона для определения высоты полета; радиолокатор сантиметрового диапазона, с помощью которого просматривается окружающее пространство и обеспечивается безопасность полет а, исключающая возможность столкновения самолета с другими летательными аппаратами; комплекс радиоаппаратуры, обеспечивающий «слепую» посадку самолета. Во все перечисленные радиотехнические устройства входят радиопередатчики и радиоприемники, и они не должны мешать друг другу при совместной, одновременной работе. Для обеспечения данного обязательного требования радиопередатчики должны излучать побочные колебания ниже определенной допустимой нормы. Только при этом условии может быть решена проблема электромагнитной совместимости радиоаппаратуры, работающей на одном объекте, в рассмотренном случае, самолете. Другая сторона электромагнитной совместимости связана с работой радиотехнических систем на обширных территориях. Обратимся в этой связи к космической системе радиосвязи, в которой на спутнике устанавливается антенна, «освещающая» большую территорию на Земле, например всю Россию. Чтобы радиоизлучения со спутника не влияли на наземные средства радиосвязи, мощность спутникового радиопередатчика должна быть ограничена. В этой связи вводится норма на плотность потока мощности, создаваемого излучениями спутника у поверхности Земли, которая не должна превышать -152 дБ  в полосе 4 кГц. Такие же жесткие требования вводятся на побочные излучения радиовещательных и телевизионных наземных радиопередатчиков с целью исключения их взаимного влияния друг на друга. 2.6. Международное сотрудничество в области радиосвязи В каждой стране существует государственная служба (условно назовем ее «службой по радиочастотам»), регламентирующая весь комплекс вопросов, связанных с радиоизлучениями. Эти службы выдают лицензии фирмам на право работать в определенном диапазоне на строго фиксированных частотах; регламентируют нормы на параметры радиоэлектронных систем, в том числе на допустимые побочные излучения радиопередатчиков; следят за выполнением установленных норм, связанных с передачей радиосигнала. Никто не имеет права выходить в эфир, т.е., проще говоря, включать радиопередатчик, без разрешения службы по радиочастотам. Такие же жесткие правила по радиоизлучениям существуют и в международном масштабе. Распределением частот, вопросами нормирования параметров радиоэлектронных систем, исследованием всего комплекса технических вопросов, связанных с передачей и приемом радиосигналов, занимается Международный союз электросвязи (МСЭ), членом которого является и Россия. Благодаря решениям, принимаемым МСЭ, понижается возможность взаимных радиопомех и создаются условия для одновременной работы множества радиоэлектронных систем во всем мире. Международный союз электросвязи исследует технические проблемы, относящиеся к космической, воздушной, морской и наземной подвижной и стационарной радиосвязи, к радионавигации и радиолокации. Его задачей является также разработка рекомендаций по организации всемирной службы передачи стандартных частот и сигналов времени, а также много других вопросов. В рамках МСЭ заключен ряд международных соглашений с участием всех развитых стран, в том числе и России, согласно которым никто не имеет право размещать на околоземных орбитах радиосвязные спутники без разрешения соответствующего международного органа. Последний выдает разрешения на работу в определенных частотных диапазонах, устанавливает технические характеристики систем космической радиосвязи, регламентирует нормы на излучения спутниковых радиопередатчиков, например на допустимую плотность потока мощности у поверхности Земли. Другой пример международного сотрудничества относится к системам самолетной и морской радиосвязи. За всеми аэродромами мира, связанными с международными авиалиниями, закреплены частоты, на которых работают наземные диспетчерские службы. Экипаж любого самолета, совершающего международные перелеты, может выходить в эфир только на выделенных ему частотах. Существует также частота для передачи срочных, аварийных сообщений. В системах УКВ радиосвязи такая «аварийная частота» равна 121,5 МГц. Аналогичная ситуация имеет место и в радиотехнических системах морской радиосвязи. В первую очередь это касается систем, дальней спутнико-космической радиосвязи и систем спасения на воде с помощью специальных радиобуев. Радиоизлучения во всех этих системах должны соответствовать международным нормам. Контрольные вопросы 1. В чем состоит назначение радиопередатчика? 2. Назовите радиотехнические системы, в которых применяются радиопередатчики. 3. На какие диапазоны делятся волны в радиотехнике? 4. Где проходит граница между высокими и сверхвысокими частотами? 5. Как радиопередатчики подразделяются по мощности? 6. На каких объектах используются радиопередатчики? 7. Назовите каскады, из которых состоит радиопередатчик. 8. Нарисуйте структурную схему радиопередатчика с амплитудной модуляцией. 9. Нарисуйте структурную схему радиопередатчика с частотной модуляцией. 10. Нарисуйте структурную схему радиопередатчика с импульсной модуляцией. 11. Зачем необходимо антенно-фидерное устройство? 12. Напишите выражение для коэффициента усиления радиопередатчика по мощности в разах и децибелах. 13. Рассчитайте коэффициент усиления радиопередатчика по мощности в разах и децибелах при мощности сигнала, передаваемого в антенну =1 кВт, коэффициенте =0,7 и мощности возбудителя =1МВт. 14. Рассчитайте коэффициент усиления радиопередатчика по мощности в разах и децибелах при коэффициенте усиления 1-го каскада 8 дБ, 2-го каскада - 9 дБ, 3-ro каскада - 6 дБ. 15. Перечислите основные параметры радиопередатчика. 16. Как связаны абсолютная и относительная нестабильности частоты? 17. Что означает выделенная полоса частот? Можно ли выходить за ее пределы? 18. Как лучше измерить выходную мощность радиопередатчика? 19. Что такое промышленный КПД радиопередатчика? 20. Как выглядят аналоговое и цифровое сообщения? 21. Какие побочные колебания может излучать радиопередатчик? 22. Что такое электромагнитная совместимость радиоэлектронной аппаратуры? 23. В чем состоит сущность международного сотрудничества в области радиоизлучений? 24. Какие функции выполняют государственные службы по радиочастотам? |