Радиотаратқыш және радиоқабылдағыш құрылғылар

4.1. Радиотаратқыш құрылғылар

Радиотаратқыштың негізгі функционалдық құрылымы.

Радиотара-қыштың схемасы және құрылысы әртүрлі факторларға тәуелді: арналуына, жұмыстық толқындар ауқымына, қуатына және т.б. Сонымен қатар, көптеген радиотаратқыштарда сондай және басқа варианттарда болатын кейбір типтік бөліктерді көрсетуге болады.

Таратқыш құрылымы оның орындайтын негізгі функцияларымен анықталады:

- қажетті жиіліктегі және қуаттағы жоғары жиілікті тербелістерді алу;

- таратылатын сигналмен жоғары жиілікті тербелістерді модуляциялау;

- қажетті сәулелену жолағы шегінен шығып кететін және басқа радио-станцияларға бөгеуліктер жасауы мүмкін гармоникалар мен бөтен тербелістерді сүзгілеу (фильтрация жасау);

- антенна арқылы тербелістерді сәулелендіріп шығару.

Радиотаратқыштың жалпылама қүрылымдық сұлбасы 4.1–суретте берілген.

4.1 – сурет. Радиотаратқыштың жалпылама құрылымдық сұлбасы

Радиотаратқыштың функционалдық сұлбасы 4.2-суретте көрсетілген. Мұнда жоғары жиілік генераторы, көбінесе беруші немесе тіректік генератор деп аталады, жиілігі радиотаратқыштың дәлдігі мен жиілігі стабилдігінің жоғары талаптарына сәйкес келетін өте жоғары жиілікті тербелістерді алуға арналған.

Сұлбада көрсетілген модулятор таратылатын сигналмен таратқыштың тасымалдаушы жоғары жиіліктік тербелістерін модуляция жасауға арналған.

Осы үшін модулятор таратқыштың ерекшеліктеріне және модуляция түріне (амплитудалық, жиіліктік,біржолақты және т.б.) байланысты үзік сызықпен 4.1 – суретте қоршалғанның ішіндегі бір немесе бірнеше бөліктерге әсер етеді.

Мысалы, жиіліктік модуляцияны жиілік синтезаторында немесе (сирегірек) жоғары жиілік генераторында алуға болады; амплитудалық модуляцияны қуатты және аралық күшейткіштерге әрекет етіп алуға болады.

Антенна

Жиілік Беруші

синтезаторы генератор

М одулятор

Аралық Қуат Шығыс

күшейткіш күшейткіші тізбек

Электр

қоректену көзі

4.2- сурет. Радиотаратқыштың функционалдық сұлбасы

Синтезатор, әдетте тұрақты болатын тіректік генератордың тербеліс жиілігін, қазіргі уақытта радиобайланысқа немесе хабар таратуға керек басқа кезкелген жиілікке түрлендіріп береді.

Синтезатордан кейін орналасқан жоғары жиілік аралық күшейткіші келесі себептер бойынша қажет:

• үлкен күшейту коэффициенті бар аралық күшейткіш арқасында тіректік генератор мен синтезатордан айтарлықтай қуат керек емес;

• синтезатор мен қуатты күшейткіш арасында аралық күшейткішті қолдану таратқыштың қуатты каскадтарында және антеннада мүмкін болатын реттеулердің генератор мен синтезаторға әсерін әлсіретеді.

Қуат күшейткіші (оны сыртқы қоздырылуы бар генератор деп атайды) радиобайланыс жүйесінің талаптарымен анықталатын деңгейге дейін радиосигналдың қуатын арттырады. Қуат күшейткішіне басты талап – жоғары экономикалық көрсеткіштерді қамтамасыз ету, соның ішінде пайдалы әсер коэффициентін.

Шығыс тізбек күшейтілген тербелістерді антеннаға беріп жіберуге, жоғары жиілікті тербелістерді сүзгілеуге және қуатты ақырғы күшейткіш шығысын антеннамен үйлестіруге арналған, яғни қуатты максималды тарату жағдайын қамтамасыз ету үшін.

Электр қоретендіру құрылғысы қалыпты жұмысқа қажетті токтар мен кернеулерді барлық блоктарға, олардың құрамына кіретін транзисторларға, шамдарға және басқа электрондық элементтерге, сондай-ақ автоматты басқару жүйелеріне, апаттық режимдерден қорғау құрылғыларына және де басқа қосымша тізбектер мен құрылғыларға жеткізуді қамтамасыз етеді.

Километрлік, гектометрлік және декаметрлік толқындар радиотаратқыштары әдетте тобымен арнайы кәсіпорындарда – таратушы радиостанцияларда орналастырылады. Таратқыштардың көп санында радиостанциялар радиоорталықтар деп аталады. Метрлік және дециметрлік толқындар радиохабар тарату таратқыштары, ережеге сәйкес, теледидарлық хабар тарату таратқыштарымен бірге орналастырылады. Осы таратқыштар орнатылған байланыс кәсіпорындары радиотеледидарлық таратушы станциялар (орталықтар) деп аталады.

Радиотаратқыштардың техникалық көрсеткіштері. Радиотаратқыш-тың негізгі көрсеткіштеріне: толқындар диапазоны, қуаты, пайдалы әсер коэффициенті, таратылатын сигналдардың түрі мен сапасы жатады. Радиотолқындардың классификациясына сәйкес километрлік, гектометрлік, декаметрлік және басқа толқындардың таратқыштары деп бөледі. Осы айырмашылықпен олардың сәйкесті конструкциялары ерекшеліктері байланысты, өйткені әртүрлі диапазондарда тербелістік контурлардың конс-трукциялары және күшейткіш элементтер типтері әртүрлі. Таратқыш бір немесе бірнеше өзіне бөлінген бекітілген толқындарда жұмыс істеуі мүмкін, немесе ол үздіксіз толқындар диапазонында қандай да болмасын толқын ұзындығына дәлдеп келтірілуі мүмкін.

Таратқыш қуаты әдетте, модуляция жоқта, үздіксіз сәулеленуде антеннаға келіп түсетін жоғары жиілікті тербелістердің максималды қуаты ретінде анықталады. Бірақ та бұл көрсеткіш радиотаратқыш қуатын бағалауда жеткіліксіз. Мәселе мынада, радиобайланыс техникасында көбінесе кернеуі өте ауқымды шектерде өзгеретін және салыстырмалы қысқа. уақыт аралықтарын-да, орташа деңгейден әлдеқайда асып кететін сигналдармен жұмыс істеуге тура келеді. Осы режимге сәйкесті мысал ретінде ұзақтылығы 1 мкс- қа жуық, шамамен 1 мс интервалдармен бөлінген, яғни 1000 есе үлкен ұзақтылықты импульстерді сәулелендіріп шығаратын радиолокациялық таратқышты келтіруге болады.

Радиохабар тарату жүйелерінде тербеліс амплитудасы максималды мәндерге жететін уақыт аралықтары әдетте таратқыштың жұмысы жалпы уақытының көп бөлігін алады (мысалы, 10-20 %), олардың ұзақтылығы оншақты миллисекундқа жетеді, бірақ бұл жағдайда да таратқыштың айтылған уақыттық үдетілуі мүмкін болады, бірақ кішкене шектерде.

Таратқыш қуатын максималды қуат сандық мәнімен қатар, үзіліссіз жұмысында шыңдық қуатпен сипаттайды, ол шектелген уақыт аралықтарында қамтамасыз етілуі мүмкін. Мысалы, егер таратқыштың үздіксіз жұмысында орташа қуаты 100 кВт болса, ол 200 кВт-қа жетуі мүмкін, егер импульстер ұзақтылығы олардың арасындағы интервалдардан аспаса.

Радиотаратқыштың маңызды көрсеткіштері ретінде олардың сәулелендіріп шығару жиілігі тұрақтылығы және қосымша сәулелену деңгейі алынады. Мәселе мынада, егер осы таратқышқы бекітілген сигнал жиілігі қатаң түрде ұстап тұрылса, осы жиілікке бапталған қабылдағыш берілген сигналдарды, келістіруді қажет етпей-ақ, қосылғаннан кейін бірден қабылдай бастайды; бұл радиобайланыстың пайдалану қолайлылығын және жоғары сенімділігін арттырады және жабдықты автоматтандыруды жеңілдетеді. Осыдан басқа, радиобайланыс және хабар тарату үшін пайдаланылатын жиіліктік диапазондар бір уақытта жұмыс істейтін радиостанциялардың сигналдарымен қатты тығыздалған, сондықтан таратқыштың жиілігі рұқсат етілген мәннен өзгеше болса, онда ол екінші таратқыштың жиілігіне жақындап кетеді, бұл оның сигналдарды қабылдауына бөгеуіл тудырады.

Қазіргі халықаралық нормалар бойынша таратқыштың гектометрлік толқындардағы радиобайланысы үшін жиілік номиналынан ауытқуы 0,005 %-тен аспауы тиіс; ал радиохабар таратқыштары үшін осы диапазондағы жиіліктің ауытқуы 10 Гц – тен аспауы тиіс. Декаметрлік толқындарда қуаты 0,5 кВт-тан үлкен таратқыштар үшін жиіліктің рұқсатты тұрақсыздығы 1510^-6 тең, бұл 4 –тен 30 МГц диапазонында жиіліктің 60 – тан 450 Гц –ке дейінгі жиіліктік абсолютті ажырауға сәйкес келеді.

Радиотаратқыштың қосалқы сәулеленуі деп таратылатын радиосигнал алып жатқан жолақтың сыртқы шегінде орналасқан жиіліктердегі сәулеленуді айтады. Қосалқы сәуленуге сонымен таратқыштың гармоникалық сәулеленуі, зыянды сәулеленулер және өзара модуляцияланудың зыянды өнімдері жатады.

Таратқыштың гармоникалық сәулеленуі (гармоникалары) деп жиіліктері бірнеше есе таратылатын сигналдың жиілігінен асып түсетін жиіліктердегі сәуленуді айтады.

Таратқыштарда кейде пайда болатын, жиіліктері радиосигнал жиілігімен немесе қосымша тербелістердің жиіліктерімен байланысы жоқ жиіліктер деп, синтездеу, модуляция процестерінде және сигналды өңдеудің басқа процестерінде пайдаланылатын тербелістерді айтады.

Радиохабар тарату үшін келесі жиіліктер ауқымы, тасымалдаушы жиіліктегі сәулелену қуаты және модуляция түрі қолданылады:

• 150... 285 кГц – километрлік толқындар диапазонында (ұзын толқындар), қуаты -500 кВт-қа дейін, модуляциясы –амплитудалық;

• 525...1605 кГц – гектометрлік толқындар диапазонында (орташа толқындар), қуаты 500 кВт-қа дейін, модуляциясы амплитудалық;

• 3,95... 26,1 МГц –декаметрлік толқын диапазонында (қысқа толқындар), қуаты – 500 кВт-қа дейін, модуляциясы амплитудалық;

• 66... 73 және 87,5...108 МГц – метрлік диапазонда (УКВ ЖМ – хабар тарту), қуаты 15 кВт –қа дейін, модуляциясы жиіліктік.

Кварцтық автогенератор. Көбінесе беруші немесе тіректік генератор деп аталатын жоғары жиілік автогенераторы, жиілігі радиотаратқыштың жиілігі дәлдігіне және стабилдігіне қойылатын жоғары талаптарға сай келетін жоғарғы жиілікті алу үшін қолданылады.

Автогенератордың тербелістік контурындағы еркін тербелістердің жиілігі негізінен оның индуктивтігі мен сыйымдылығына тәуелді. Осы көрсеткіштер тек қана орауыш пен конденсатордың қасиеттерімен байланысты емес, сондай-ақ тербелістік контурға қосылған шығыс тізбектерге де тәуелді. Қоршаған ортаның температурасы немесе оның басқа көрсеткіштері қажетті индуктивтік пен сыйымдылықтың мәндерінің өзгеруіне әкелуі, осы арқылы контур тербелісінің жиілігіне әсер етуі мүмкін. Бұл жағдайда генератордың қозып шығатын тербелістері жиілігі өзгереді.

Тербелістердің стабилді жиілігін алудың ең тиімді әдісі генератор контурына кварцтық резонаторды қосу болып табылады. Мұндай резонатор кварц кристалынан кесіп алынған, екі металл электроды арасына орналастырылған жұқа кесінді. Осы квацтық кесіндінің пьезоэлектрлік қасиеті бар. Кесіндіге айнымалы кернеу берсек, онда пластина механикалық тербелістерге түседі. Сонымен кварцтық кесіндінің, қандай-да болмасын серпінді дененікіндей, оның өлшемдеріне тәуелді механикалық тербелістерінің резонанстық жиілігі бар. Егер кесіндіні электр тізбегіне қоссақ, ол кәдімгі резонастық жүйе болып шығады, яғни тербелістік контур қасиетіне ие болады. Оны эквиваленттік схемасын тізбекті қосылған индуктивтік, сыйымдылық және активті кедергі деп көрсетуге болады, оларға резонатор шықпалары арасындағы сыйымдылық паралелді қосылады. Осы кварцтық резонатордың екі резонанстық жиілігі бар: тізбекті резонанс жиілігі және параллелді резонанс жиілігі .

Тізбекті қосылған С_к мен С₀ сыйымдылығы С_к сыйымдылығынан кіші болғандықтан ₀  _к .

4.3 – сурет. Кварцтық автогенератор схемасы

Кварцтық резонатордың тамаша қасиеті оның көрсеткіштерінің температура өзгеруіне және қоректену кернеуі өзгеруіне төмен тәуелділігі. Мысалы қоршаған орта температурасының 1^оС өзгеруінде немесе қоректену кернеуінің 0,1В өзгеруінде кварцтық резонаторы бар генератордың жиілігінің салыстырмалы өзгерісі 10^-8 -ден аспайды. Сондықтан кварцтық резонаторлар автогенераторлардың стабилді жиілігін қамтамасыз ету үшін кеңінен қолданыла бастады.

Транзисторлық кварцтық автогенератордың іс жүзінде қолданылатын бір схемасы 4.3- суретте көрсетілген. Кварцтық резонатор тізбектік резонанс жиілігі _к –ға жақын жиілікте қозады. Жиілікті реттеу үшін резонатормен тізбекті қосылған орауыш L қарастырылған. Транзистордың жұмыс нүктесі R1- R2 резисторларымен анықталады. П резонаторымен және L орауышпен бірге С1 және С2 конденсаторлары сыйымдылықтық үш нүктелі автогенератор схемасын құрып тұр.

Цифрлық синтезатор. Қазіргі радиотаратқыштар тек бір жиілікте емес, жиіліктердің кең ауқымында (диапазонында) жұмыс істеуге арналған. Бұл жағдайда, қандай-да болмасын жиілікте таратқыш жұмыс істесе де ол жиіліктің қажетті тұрақтылығын қамтамасыз етуі тиіс. Әрбір жиілік үшін кварцтық генераторды пайдалану тиімді емес. Сондықтан арнайы құрылғылар –жиілік синтезаторлары қарастырылып жасалған, оларда стабилді тіректік генератор негізінде жиілікті тікелей немесе жанама синтездеу әдістері қолданылады.

Бір немесе бірнеше f_тір тіректік жиіліктерден жиіліктердің дискреттік жиынтығын қалыптастыруды жиіліктер синтезі деп атайды. Тіректік жиілік ретінде автогенератордың, әдетте кварцтық, жоғары стабилді жиілігі алынады. Осы синтез процесін іске асыратын құрылғы синтезатор деп аталады.

Тікелей синтездеуде синтезатордың шығыс жиілігі тіректік генератор тербелісі жиілігін көп ретті тізбекті түрде жүргізілетін бөлу, көбейту, қосу және алу операцияларын орындау жолымен алынады және сондай-ақ осы операциялар кезінде пайда болатын тербелістерді де осылайша өңдеумен.

Жиілікті бөлу арнайы каскадтармен - жиілікті бөлгіштермен, олар ретінде триггерлер алынуы мүмкін, жүргізіледі.

Көбейткіштер ретінде әдетте, жиілігі көбейтуге жататын, тербелістен қысқа импульстерді қалыптастастыратын гармониктер генераторы пайдаланылады. Осы импульстердің спектрі гармоникаларға бай. Енсіз жолақты сүзгі көмегіменимпульстер спектрінен керекті гармоника сигналы бөлініп алынады.

Жиіліктерді қосу және алу түрлендіргіштерде ( кейде оларды араластырғыштар деп атайды) жиілікті түрлендіру процесінде мүмкін болады, Түрлендіргіш кірісіне жиіліктерін қосу немесе алу қажет екі сигнал беріледі.

Түрлендіргіште осы сигналдардың өзара әрекеттесуі кезінде әртүрлі комбинацияланған жиіліктердің құрастырушылары пайда болады, соның ішінде қосынды және айырмалық, олардың біреуі сүзгімен бөлініп шығарылады.

Жиіліктің тікелей синтезі принципін жиілік синтезаторының 4.4 – суретте көрсетілген құрылымдық сұлбасы бойынша түсіндіруге болады, мұнда келесі белгілеулер берілген: Г - 1 МГц жиілікті кварцтық генератор; Д1-Д3 - 10 -ға жиілік бөлгіші; У1-У3 - өзгермелі көбейту коэффициенті бар жиілік көбейткіштері; Пр1, Пр2 – жиілік түрлендіргіштері. Мысалы, 156 кГц жиілікті алу қажет дейік. Д1-Д3 бөлгіштерден кейін сәйкесті түрде 100, 10 және 1 кГц жиіліктер алынады. У1-У3 көбейткіштері баптау қосқыштарын n₁ = 1, n₂ = 5 және n₃ = 6 қойсақ , көбейткіштер шығысында сәйкесті түрде 100, 50, және 6 кГц жиіліктерді аламыз. Пр2 түрлендіргіші шығысында жиілігі 50 + 6 = 56 кГц қосынды сигнал бөлініп шығады, ал Пр1 түрлендіргішінде - керекті жиілік 156 кГц шығады.

Көбейткіштерден және түрлендіргіштерден кейін қажетті жиіліктерді бөліп шығару резонанстық контурлар немесе сүзгілермен жүзеге асырылады.

Синтезатор қазіргі радиотаратқыштар мен радиоқабылдағыштардың міндетті бөлігі болып табылады.

Синтезатордың негізгі көрсеткіштері:

- шығыс сигнал жиіліктер диапазоны;

- жиіліктер саны N мен жиіліктер торы адымы f_а;

- ұзақ уақытты жиілік тұрақсыздығы;

- шығыс сигналдағы қосымша құрастырушылар деңгейі;

- бір жиіліктен екінші жиілікке ауысу уақыты.

4.4-сурет. Жиілік синтезаторы құрылымдық сұлбасы

Қазіргі синтезаторларда қалыптастырылатын жиіліктер саны 10 мыңға жетуі мүмкін, ал тор адымы ондаған Гц-тен ондаған және жүздеген кГц-ке дейін өзгеруі мүмкін.

Қазіргі уақытта синтезаторды құру әдісі жиілікті импульсті – фазалық автоматты баптау схемаларын және есептеу техникасы элементтерін пайдалануға негізделген.

Жиіліктік түрлендіргіш. Радиотаратқыштар мен радиоқабылдағыш-ардағы радиосигналды түрлендірудің бір түрі олардың жиілігін өзгертуде жатыр - u₁(t) = U₁ sin₁t сигналының орнына u₂(t) = U₂ sin₂t сигналын алу. Осындай жиілікті түрлендіру радиожиілік күшейткішінен аралық жиілік күшейткішіне өткенде барлық супергетеродиндік радиоқабылдағыштарда жүзеге асырылады. Мұнда жиілікті өзгерту араластырғыш көмегімен жүргізіледі, оның кірісіне жиілігі f_с қабылданған сигнал және жиілігі f_г гетеродин сигналы беріледі, ал оның шығысынан айырмалық жиілік f_n = f_с - f_г

сигналы алынады (4.5 – сурет). Кейбір жағдайда аайырма емес қосынды жиілікті алу керек болады f₃ = f₁ + f₂ .

Жалпы жағдайда жиілікті түрлендіру операциясын f₃ = n f₁  mf₂ түрінде көрсетуге болады, мұнда n, m – бүтін оң сандар. Мұндай операцияны транзистор көмегімен іске асыруға болады, оның кірісіне жиіліктері f₁ және f₂ екі сигналды

4.5 – сурет. Жоғары жиілікті тербелісті түрлендіру сұлбасы

беріп, ал шығысына қажетті f₃ жиілікке бапталған контурды қосып (4.6 – сурет).

4.6 – сурет. Транзистордағы жиілік түрлендіргіш схемасы

Өуелі жиілікті түрлендірудің i= au² квадратикалық сипаттамасы бар сызықты емес элементтің көмегімен қарапайым мысалын қарайық. Осындай элементтің кірісіне жиіліктері f₁ пен f₂ екі сигналды және тұрақты ығысу кернеуі U₀ –ді беріп ток үшін аламыз

i= au² = a(U₀ + U₁ sin₁t + U₂ sin₂t ) ² =

= a(U₀ + U₁² sin²₁t + U₂² sin²₂t + 2U₀ U₁ sin₁t +

+ 2U₀ U₂ sin₂t + 2U₁U₂ sin₁t sin₂t).

Тригонометриялық түрлендірулер жасап, аламыз

i = A₀ + A₁ sin₁t + A₂ sin₂t + A₃ cos2₁t + A₄ cos2₂t

+ A₅ cos( ₁ - ₂)t + A₆ cos( ₁ + ₂)t. ( 4.1 )

Табылған өрнектен (4.1) өрнектен көрініп тұр, сызықты емес элементтің тоғы спектрінде кіріс сигналдардың ( f₁ + f₂ ) қосынды және ( f₁ - f₂ ) айырма түріндегі құрастырушылары бар екені. Сөйтіп, квадратикалық сипаттамасы бар сызықты емес элементтің көмегімен кіріс сигналдардың жиіліктерінен қосынды алуға да, айырма алуға да болатыны.

Сонымен, сызықты емес элемент көмегімен, қажетті шамаға жылжыта отырып, сигнал жиілігін түрлендіруін іске асыруға болады.

Жиіліктерді қосу және бір – бірінен алу түрлендіргіштерде (кейде оларды араластырғыштар дейді) жиілікті осылай түрлендіру арқылы жасалады. Түрлендіргіш кірісіне оларды бір – біріне қосу немесе алу керек болатын жиіліктері әртүрлі екі сигнал беріледі. Түрлендіргіште осы сигналдардың бір- бірімен әрекеттесуі нәтижесінде әртүрлі комбинациялық жиіліктер құрастырушылары пайда болады, соның ішінде қосынды және айырма, олардың біреуі сүзгімен бөлініп алынады.