ВВЕДЕННЯ

У посібнику розглядаються принципи побудови пристроїв генерації і формування радіосигналів, призначених для передачі інформації. Такі пристрої називатимемо радіопередавальними пристроями (РПП). Призначення передавача - сформувати сигнал відповідно до певних вимог, встановлених при розробці системи, і підвести його до антени або лінії зв’язку.

Визначення. Радіопередавальний пристрій - комплекс радіотехнічних засобів, призначений для перетворення енергії джерел живлення в енергію високочастотних коливань і управління цими коливаннями з метою передачі інформації. Радіосигналом називають коливання радіочастоти, один або декілька параметрів якого змінюються (модулюються) відповідно до повідомлення яке передається (інформацією).

Класифікація РПП. За призначенням розрізняють передавачі радіомовні, телевізійні, для радіозв’язку, радіонавігація, телеметрична, радіолокації і так далі.

По потужності - передавачі малої (<100 Вт), середньої (0,1...3 кВт) і великої (більше 3 кВт) потужності.

По вигляду модуляції - передавачі з амплітудною (AM), частотною (ЧМ), фазовою (ФМ), імпульсною або кодово-імпульсною модуляцією і ін.

По активних елементах в могутніх (вихідних) каскадах - транзисторні, лампові, клістронні і ін.

По діапазону хвиль - довгохвильові, середньохвильові, короткохвильові, УКХ, НВЧ і так далі

Основні параметри і характеристики РПП:

1. Діапазон робочих частот (або фіксована робоча частота).

2. Вид модуляції і її параметри.

3. Потужність радіопередавача в антені.

4. Діапазон модулюючих частот.

5. Коефіцієнт корисної дії.

6. Допустима нестабільність частоти.

7. Допустимий рівень нелінійних спотворень.

8. Допустимий рівень позасмугових випромінювань.

Структурні схеми РПП. У багатьох випадках структура РПП складається з двох частин - збудник і підсилювач потужності. У збуднику на малому рівні потужності формуються високочастотні коливання і проводиться їх модуляція. У підсилювачі потужності ці коливання посилюються і по фідеру поступають в антену. Розглянемо два приклади структурних схем радіомовних передавачів.

На мал. В1 представлена структура передавача з амплітудною модуляцією.

На мал. В.2 приведена структурна схема передавача з частотною модуляцією. Модуляція здійснюється за допомогою управителя (Упр) частотою автогенератора. Для стабілізації середньої частоти ЧМ-коливань використовується схема автопідстроювання частоти (АПЧ).

Мал. В.1 – Структурна схема передавача з амплітудною модуляцією

Збудник (задаючий генератор - ЗГ) є малопотужним автогенератором, частота якого стабілізована кварцевим резонатором. Подальші каскади підсилюють потужність до необхідного рівня. Структурна схема - багатокаскадна. Перший після ЗГ каскад - буферний (БК), він ослабляє вплив подальших каскадів на збудник (автогенератор), що запобігає погіршенню стабільності його частоти. Подальше множення частоти в одному або декількох каскадах (УЧ) дозволяє знизити частоту збудника, що також сприяє підвищенню її стабільності, ослабляє вплив могутніх каскадів і нестабільності навантаження на збудник. У даній схемі модуляція здійснюється в проміжному каскаді (МК - модульований каскад), що модулює напругу поступає на МК через підсилювач низької частоти - модулятор М. Модулірованниє коливання поступають далі на підсилювач потужності РОЗУМ, з виходу якого по фідеру сигнал проходить в антену.

На мал. В.2 приведена структурна схема передавача з частотною модуляцією. Модуляція здійснюється за допомогою управителя (Упр) частотою автогенератора. Для стабілізації середньої частоти ЧМ-коливань використовується схема автопідстроювання частоти (АПЧ).

Мал. В.2 – Структурна схема передавача з частотною модуляцією

З малюнків видно, що основними елементами структурних схем є автогенератори і генератори із зовнішнім збудженням (ГВВ) - підсилювачі потужності і помножувачі частоти.

Структура генератора із зовнішнім збудженням. Структурна схема ГВВ в загальному випадку містить активний елемент (АЕ), вхідний (Цс1) і вихідний (Цс2) ланцюги узгодження, ланцюги джерела живлення (ІП) і зсуву. Вихідна ЦС в першу чергу забезпечує трансформацію опору навантаження, підсилювача в оптимальний опір навантаження для активного елементу на основній частоті коливань.

Мал. В.3 – Структурна схема генератора зовнішнього збудження ( ГЗЗ )

Критерії оптимізації навантаження можуть бути різними, наприклад - досягнення максимальних рівнів потужності, ККД ŋ або коефіцієнта посилення по потужності К_р. Зазвичай на практиці прагнуть знайти компромісне рішення: отримати задану потужність при достатньо високих значеннях ŋ і К_р

Крім того, вихідна ЦС забезпечує придушення вищих гармонік.

Вхідна ЦС трансформує вхідний опір АЕ в оптимальний опір навантаження для джерела збудження.

Активні елементи. Вибір активних елементів залежить від робочих частот, потужності і призначення ГЗЗ. У діапазонах довгих, середніх, коротких і ультракоротких хвиль в ГЗЗ середньої і великої потужності широко використовуються електровакуумні прилади (лампи) - тріоди, тетроди і пентоди. На частотах до 30 Мгц застосовуються тетроды, розраховані на потужності до 1000 кВт при напрузі живлення 10...14 кВ. Тетроди УКВ діапазону мають потужності порядка десятки кіловат, що знижуються до верхнього краю діапазону.

Велика потужність вакуумних приладів пояснюється використанням в них високої напруги. Принципово більш низьковольтними приладами є транзистори - як польові (ПТ), так і біполярні (БТ). Збільшення їх потужності за рахунок струму обмежене зниженням вхідних і навантажень опорів, що утрудняє узгодження із стандартними навантаженнями (50, 75 Ом і так далі). Тому одиничні потужності транзисторів не перевищують сотень ватів.

У передавачах малої потужності лампи практично витиснені транзисторами. На транзисторах часто виконуються і каскади середньої потужності (до 10 кВт) з використанням мостових схем складання потужностей.

Статичні вольт-амперні характеристики (ВАХ) активних елементів і їх апроксимація. При розгляді процесів в генераторах із зовнішнім збудженням на безінерційних активних елементах часто використовують вольт-амперні характеристики - вхідні, прохідні і вихідні. ВАХ генераторних ламп (тетродів) приведені на мал. В.4.

На цих характеристиках позначено: i_a - струм анода і_g1 струм першої (що управляє) сітки, i_g2 - ток другої (екранною) сітки, e_g - напруга на першій сітці, E'_g - напруга замикання лампи, е_а - напруга на аноді. Прохідні характеристики i_a=ƒ(e_g) дані при трьох різній напрузі на аноді. Параметром сімейства вихідних характеристик i_a=ƒ(e_g) є напруга на першій сітці. Прохідна характеристика i_g1=ƒ(e_g) відмінна від нуля тільки при позитивній напрузі на сітці, що управляє.

Мал. В.4 – Статистичні ВАХ генераторного тетрода

Біполярні транзистори безінерційними можна вважати лише на дуже низьких частотах. Статичні ВАХ приведені на мал. В.5.

Мал. В.5 – Статистичні ВАХ біполярних транзисторів

Видно, що вихідні характеристики біполярних транзисторів i_к = ƒ(e_к) дуже схожі на вихідні характеристики генераторних ламп i_а = ƒ(e_а). На цих характеристиках - три області: 1) - область слабкої залежності струму колектора від колекторної напруги (активна область); 2) - область насичення при малих значеннях колекторної напруги; 3) область відсічення. Межу між першими двома областями називають лінією критичного режиму, крутизна її S_кр назад пропорційна опору насичення транзистора r_наc

Особливість прохідних характеристик БТ i_к = ƒ(e_б) у тому що вони відмінні від нуля тільки при позитивній напрузі на базі відносного емітера (транзистори п-р-п), причому напруга відсічення Е'_б рівна приблизно 0,7 В для кремнієвих транзисторів і 0,2...0,3 В - для германієвих. Вхідні характеристики БТ i_б = ƒ(e_б) відрізняються від прохідних лише масштабним множником β₀ = h_21э - коефіцієнт посилення струму в схемі із загальним емітером. Певна схожість з приведеними вище характеристиками виявляється і у ВАХ польових транзисторів (ПТ). Маючи на увазі вказану схожість і відмінності характеристик ГЛ, БТ і ПТ, теоретики придумали «узагальнений активний елемент» - безінерційний прилад, що не існує реально, але що дозволяє формалізувати аналіз процесів в генераторах із зовнішнім збудженням. Довелося вигадувати і назви електродів цього «приладу», наприклад - «витік», «керуючий електрод», і «колектор» [3]. Це дозволяє застосувати єдину методику аналізу і розрахунку електричних режимів, як би справедливу для АЕ всіх трьох типів - ГЛ, БТ, ПТ. При цьому використовують частково-лінійну апроксимацію ВАХ. Приклад апроксимації характеристик лампи приведений на мал. В.6.

Мал. В.6 – Апроксимація вихідних ВАХ тріода

Необхідно відзначити, що схеми, приведені на мал. В.1 і В.2 , є класичними і довгий час фактично були базовими при вивченні курсів «Радіопередавальні пристрої» і «Пристрої формування сигналів». В даний час використання інтегральних технологій привело до розробки складних схем збудників радіопередавачів в мініатюрного виконання. При цьому структури багатьох радіопередавачів зводяться до схеми мал. В.7, що містить синтезатор частот, модулятор і підсилювач потужності. При великій різноманітності цифрових методів модуляції сучасні мікросхеми-синтезатори - це багатофункціональні пристрої, що вимагають докладнішого вивчення в названих дисциплінах.

Мал. В.7. – Структура сучасного радіопередавача сигналів

Синтезатор дозволяє генерувати набір вихідних частот, кратних високо стабільній частоті ƒ₀, яка є опорной.

Широкого поширення набули дві групи синтезаторів:

1) синтезатори з ФАПЧ (PLL), побудовані за принципом непрямого синтезу частот

2) інтегральні схеми, що використовують прямий цифровий синтез (DDS).

Інтегральні схеми першої групи містять місцевий генератор LO, що формує вихідний сигнал з робочою частотою ƒ_LO, дільника частоти із змінним коефіцієнтом ділення (N-divider) і фазо-частотный детектор PFD. Імпульси вихідного струму PFD інтегруються і перетворяться в напругу, що поступає через фільтр нижніх частот на регулювання частоти місцевого генератора. Місцевий генератор - генератор, керований напругою (ГУН).

Приклад - серія приймачів ADF7xxx фірми Analog Devices.

Одна з інтегральних схем цієї серії - ADF7012 - економічний однокристальний передавач для роботи в діапазоні 75 Мгц...1 Ггц, який може застосовуватися в таких областях, як дистанційне керування, видалене управління доступом і безпровідне підключення датчиків. ADF7012 має вбудований синтезатор частоти з ФАПЧ. Підтримує наступні режими модуляції: FSK/GFSK/OOK/GOOK/ASK.

Вбудований стабілізатор напруги забезпечує стабільність параметрів у всьому діапазоні живлячої напруги. Вихідна потужність передавача може ступінчасто мінятися від -16 до +14 дБм з кроком 0,4 дБм. Швидкість передачі даних може складати до 150 кБіт/с. ІС працює при напрузі живлення +2,3...+3,3 В. Прі роботі на частоті 315 Мгц і вихідній потужності 0 дБм струм споживання складає близько 10 мА.

Випускається дана ІС в 24-вивідному корпусі TSSOP.

На всі передавачі і приймачі фірма Analog Devices випускає відповідні оцінні плати, що дозволяють швидко ознайомитися з роботою даних ІС, оцінити їх можливості і характеристики і розробити на базі оцінної плати свій пристрій - все це дозволяє заощадити інженерну працю (вартість якого постійно зростає).

Фірмою Analog Devices розроблена програма ADIsim-LINK для моделювання і розробки систем на базі приймачів ADF7xxx. При використанні програми ADIsim-LINK, що поставляється в комплекті з оцінною платою, розробник може швидко спроектувати і оптимізувати систему зв’язку і звести до мінімуму час виходу на ринок.

Мал. В.8 – Інтегральна схема – радіопередавач

Контрольні питання

1. Складіть структурну схему РПУ при заданій потужності в антені, робочій частоті, виді модуляції.

2. Перерахуєте основні функції збудників і вимоги, що пред’являються до них.

3. Назвіть основні параметри і характеристики РПУ.

4. У якому каскаді краще здійснювати модуляцію при АМ-радіомовленні?

5. Переваги і недоліки модуляції на малому рівні потужності.

1. Принципи побудови генераторів із зовнішнім збудженням

Генератором із зовнішнім збудженням називається каскад радіопередавача, що перетворює енергію джерела живлення в енергію високочастотних коливань за наявності зовнішнього збудження на вході. По виконуваних функціях генератори із зовнішнім збудженням розділяють на підсилювачі потужності і помножувачі частоти.

1.1. Транзисторний генератор із зовнішнім збудженням в режимі з відсіченням колекторного струму

Розглянемо спочатку простий випадок використання біполярного транзистора в області нижніх частот при збудженні гармонійною напругою. При цьому транзистор можна вважати безінерційним активним елементом.

Принципова схема генератора із зовнішнім збудженням приведена на мал. 1.1.

Мал. 1.1 – Принципова схема ГЗЗ

На вхід генератора подається гармонійна напруга

Напруга на базі

, (1.1)

де Е_б - напруга зсуву; U_мб - амплітуда змінної напруги.

Струм колектора i_к(t) = S[e_б(t)-E'], де S - крутизна апроксимованої прохідної характеристики транзистора, Е' - напруга відсічення колекторного струму. Підставляючи сюди вираз (1.1), отримаємо:

, (1.2)

де cosθ = (Е' - Е_б)/U_тб; θ - кут відсічення колекторного струму (мал. 1.2). Максимального значення імпульсу колекторного струму (мал. 1.2) набудемо при підстановці ωt = 0 у формулу (1.2):

I_{к max} = i_{к max} = SU_тб(1-cosθ) (1.3)

Мал. 1.2 – Імпульс колекторного струму під час збудження гармонійною напругою

Періодична послідовність імпульсів колекторного струму розкладається в ряд Фурье:

i_к(t) = I_к0 + ΣI_кпcos(nωt),

де I_к0 - постійна складова, I_кп - амплітуди гармонійних складових колекторного струму, причому I_к0 = α₀(θ)І_{к max}, I_кп = α_п(θ)І_{к max}

Коефіцієнти Берга:

, , ,

де

при п ≥ 2

Перша гармоніка імпульсів колекторного струму І_к1 = S₁U_тб, де S₁ - усереднена по першій гармоніці крутизна прохідної характеристики транзистора:

S₁ = Sγ₁(θ), γ₁(θ) = α₁(θ)(1-cosθ)

Залежність γ₁(θ) приведена на мал. 1.4. Відзначимо, що при Еб = Е' кут відсічення рівний 90°, γ₁(90°) = 0,5.

Мал. 1.3 – Графік коефіцієнтів Берга

Мал. 1.4 – Графік залежності γ₁ від кута відсічки

У режимі посилення потужності коливальний контур в колекторному ланцюзі транзистора налаштований на першу гармоніку імпульсів колекторного струму. При цьому напруга на колекторі

e_к(t) = Е_к - U_ткcosωt (1.4)

де Е_к - напруга колекторного живлення, U_тк - амплітуда змінної напруги; знак «-» в цій формулі означає, що змінна напруга на базі і на колекторі протифазні.

Амплітуда колекторної напруги залежить від величини опору навантаження для першої гармоніки імпульсів колекторного струму R_к:

U_тк = I_к1R_к. (1.5)

У схемі на мал. 1.1 R_к = R_рез, де R_рез - резонансний опір коливального контура. Відзначимо, що у разі часткового включення контура в колекторний ланцюг транзистора (див. далі п. «Ланцюга узгодження») опір навантаження менший, ніж резонансний опір коливального контура, а саме

R_к = Р²R_рез

де р ≤ 1 - коефіцієнт включення.

У режимі множення частоти контур в ланцюзі колектора налаштований на n-у гармоніку імпульсів колекторного струму. При цьому напруга на колекторі

е_к(t) = E_к – U_ткcos(nωt)