10. Особенности передатчиков разного назначения

10.1. Радиовещательные передатчики

Радиовещательные передатчики предназначены для передачи речи, музыки и другой звуковой информации. Они работают в диапазонах километровых (длинных, ДВ), гектометровых (средних, СВ), декаметровых (коротких, КВ) и метровых (ультракоротких, УКВ) волн. В последнем диапазоне используется частотная (фазовая) модуляция, в остальных – амплитудная. Передатчики АМ могут модулироваться сигналом с наивысшей частотой до 10 кГц, ЧМ – до 15 кГц. Радиовещательные передатчики ДВ и УКВ диапазонов волн, как правило, работают на одной частоте независимо от времени суток и года. В связи с особенностями распространения гектометровых волн передатчики СВ диапазона имеют две разные частоты: для светлого и темного времени суток. Еще большее число рабочих частот у КВ передатчиков. Выходные мощности лежат в пределах от сотен ватт до единиц мегаватт. Последние цифры характеризуют ДВ и СВ передатчики, используемые для дальнего и сверхдальнего радиовещания.

При мощностях больших нескольких киловатт выходные каскады выполняют, как правило, на электровакуумных приборах, в первую очередь на триодах и тетродах. Остальные каскады при этом строятся на транзисторах. При меньших мощностях передатчики полностью транзисторные. Они строятся по принципу сложения мощностей нескольких двухтактных транзисторных модулей.

Для вещательных передатчиков, которые зачастую имеют весьма значительные мощности, актуальной является задача повышения КПД мощных каскадов усиления. С этой целью в ДВ и СВ передатчиках часто используется так называемый бигармонический режим работы. На вход лампы мощного усилительного каскада подают, кроме колебаний основной частоты, колебания третьей гармоники с определенной амплитудой и фазой, а в анодную цепь, кроме основного контура, настроенного на первую гармонику и связанного с нагрузкой, включается также дополнительный контур, настроенный на третью гармонику. Следствием этого является уплощение формы импульсов анодного тока и напряжения, они становятся близкими к прямоугольным, значительно снижается мощность рассеяния на аноде. Последнее и определяет повышение электронного КПД каскада вплоть до 95%.

В настоящее время задача повышения КПД вещательных передатчиков решается также методом перехода к чисто ключевым режимам работы ламповых ВЧ усилителей мощности, аналогичным ключевым режимам транзисторных генераторов (см. раздел 3.5 в [7]).

Во многих мощных СВ, ДВ и КВ радиовещательных передатчиках применяется анодная амплитудная модуляция. Эффективность и линейность анодной модуляции повышают за счет модуляции не только в выходном, но и в предшествующих ВЧ каскадах. Слабым в энергетическом отношении местом у передатчиков, работающих с анодной модуляцией, является модуляционное устройство, которое обычно строится по двухтактной схеме и работает в классе B (т.е. с углом отсечки 90°). Низкий КПД модулятора снижает общий КПД передатчика. В связи с этим ведутся интенсивные поиски путей повышения КПД мощных модуляторов. Для решения этой задачи перспективным оказалось применение в них ключевого режима. В ключевом режиме нелинейность активных приборов не имеет значения. Это приводит к тому, что в ряде случаев качественные показатели модуляторов, использующих ключевые режимы работы (например, уровень нелинейных искажений), существенно лучше соответствующих показателей модуляторов, работающих в классе B.

Рис. 10.1. Схема ключевого модулятора

Схема ключевого модулятора приведена на рис. 10.1. В модуляционном устройстве применяется преобразование входного низкочастотного сигнала в последовательность прямоугольных импульсов с широтно-импульсной модуляцией. Это обеспечивает работу мощного НЧ усилителя модулятора, выполненного на лампе, в ключевом режиме. Входной НЧ сигнал модулирует по ширине прямоугольные импульсы, создаваемые специальным маломощным генератором Г, входящим в состав модуляционного устройства. Частота следования импульсов выбирается существенно (в несколько раз) выше максимальной частоты модулирующего сигнала. Модулированные по ширине импульсы далее управляют мощной лампой, работающей в ключевом режиме. Поступающие на ее вход импульсы открывают лампу на время длительности импульсов. Чем больше длительность импульсов, тем большую часть времени лампа находится в открытом состоянии, когда ее сопротивление минимально. В закрытом состоянии сопротивление лампы очень велико. Поэтому среднее за период повторения импульсов сопротивление лампы зависит от длительности импульсов, т.е. от НЧ модулирующего сигнала. Чем длительность импульса больше, тем меньше среднее сопротивление лампы. Таким образом, лампа работает как регулируемое модулирующим сигналом сопротивление. Включая такую лампу последовательно с источником анодного напряжения ВЧ усилителя передатчика, получаем схему анодной модуляции. Чтобы исключить проникновение в схему модулируемого ВЧ усилителя составляющей с частотой следования вспомогательных прямоугольных импульсов, между ним и лампой модулятора включают дополнительный фильтр нижних частот.

В качестве примера построения радиовещательного передатчика на рис. 10.2 приведена структурная схема передатчика ПСВ – 2000 (передатчик средних волн с выходной мощностью 2000кВт). Он состоит из двух одинаковых моноблоков с кВт каждый, мощности которых складываются в мостовом устройстве и через антенно-согласующее устройство (АСУ) подводятся к антенне. Построение передатчика из двух моноблоков, независимо работающих на общую антенну, обеспечивает его высокую надежность (выход из строя одного моноблока не приводит к прекращению вещания, снижается лишь мощность в антенне).

Рис.10.2. Структурная схема радиовещательного передатчика ПСВ-2000

Возбудитель моноблока 1 построен по принципу «кварц - волна» (с переключением кварцевых автогенераторов при смене рабочей частоты). Относительная нестабильность выходной частоты не превышает . Буферный каскад 2 служит для ослабления влияния последующих каскадов передатчика на возбудитель. Промежуточный усилитель 3, широкодиапазонный (не перестраивается при смене рабочей частоты), выполнен на четырех двухтактных транзисторных модулях, мощности которых складываются.

Предварительный 4 и выходной 5 усилители мощности, резонансные, перестраиваемые, построены на электронных лампах, причем выходной на трех генераторных триодах ГУ-65П, соединенных параллельно для получения на выходе моноблока мощности 1000 кВт. С целью повышения КПД в этих усилителях применяется высокоэффективный бигармонический режим, благодаря чему достигается высокий промышленный КПД всего передатчика . Фильтр гармоник 6 служит для подавления побочных излучений передатчика.

Амплитудная модуляция (на аноды ламп) осуществляется как в выходном, так и в предварительном усилителях. Комбинированная модуляция позволяет повысить линейность модуляционной характеристики. Мощный модулятор 7 построен на тех же электронных лампах, что и выходной усилитель.

В УКВ передатчиках ЧМ вещания сформированный в маломощном возбудителе ЧМ сигнал усиливается или непосредственно, или с одновременным умножением частоты. Модуляция осуществляется с помощью варикапов, которые одновременно используются и для автоподстройки средней частоты передатчика. В связи с необходимостью выпуска необслуживаемых и телеуправляемых УКВ вещательных станций они в максимальной степени выполнены на транзисторах. Для повышения надежности работы используются различные методы резервирования. С этой целью применяют системы сложения мощностей полукомплектов передатчиков или вводят пассивный резерв в виде передатчика той же мощности. Его включают лишь при выходе из строя основного передатчика.

УКВ ЧМ вещание осуществляется в диапазонах 66 – 73 МГц и 100 – – 108 МГц. Радиоволны этих диапазонов распространяются лишь в пределах прямой видимости, поэтому максимальные мощности вещательных УКВ передатчиков не превышают обычно десятков киловатт. Такой уровень мощности позволяет лампу (или пролетный клистрон, если передатчик работает в дециметровом диапазоне волн), использовать лишь в выходном каскаде передатчика. Остальные каскады выполняются на транзисторах. Передатчики до нескольких киловатт выпускаются полностью транзисторными.

В заключение отметим, что в диапазонах ДВ, СВ и КВ наметился переход к цифровому радиовещанию. Это позволит резко повысить качество вещания, приблизив его к стандартам, принятым для УКВ ЧМ вещания.