1.3. Структурные схемы передатчиков

Типовые структурные схемы передатчиков АМ-, ЧМ- и ФМ-сиг-налов изображены на рис. 1.2.

Долговременную стабильность частоты передатчика определяет опорный генератор (ОГ). Обычно в таких ОГ используется автогене­ратор с кварцевым резонатором. Нужное значение несущей частоты формируется из частоты ОГ в синтезаторе частоты (СЧ), преобразо­ванием частоты в умножителях промежуточных каскадов (ПрК) или в преобразователе частоты (ПЧ) вверх (рис. 1.2, б). Амплитудная модуляция высокочастотных колебаний осуществляется в последнем или в нескольких последних каскадах усилителя мощности (УМ) (рис. 1.2, а). Модуляция (манипуляция) частоты производится в управляемом по частоте ЧМГ (рис. 1.2, б) или в СЧ, а фазовая моду-

Рис 1.2 типовые структурные схемы передатчиков с амплитудой (а), частотной (б), и фазовой модуляцией (в)

ОГ — опорный генератор; СЧ — синтезатор частоты; ПрК — промежуточные каскады; УМ — усилитель мощности; AM — амплитудный модулятор; М — модулятор фазовый; ПЧ — преобразователь частоты вверх; ИП — источник питания; АСУ — автоматизированная система управления; АУ — антенное устройство; ЧМГ — частотно-модулируемый генератор

яция (манипуляция) — в фазовом модуляторе М на низком уровне мощности (рис. 1.2, в).

Электропитание каскадов передатчика осуществляется с помо­щью блока источников питания (ИП). Экономичность передатчика определяется промышленным коэффициентом полезного действия (КПД), т.е. отношением мощности, передаваемой в нагрузку (на вход антенного устройства АУ), к мощности, потребляемой от ИП. Авто­матизированная система управления (АСУ) предназначена для конт­роля работоспособности и управления режимами каскадов и передат­чика в целом с помощью вычислительных средств.

Кроме указанных основных функциональных узлов в состав пере­датчика могут входить вспомогательные узлы и подсистемы: охлаж­дения, отвода рассеиваемого тепла, блокировки и сигнализации, автоматической настройки и перестройки и др.

1.4. Структурные схемы основных функциональных узлов и общие сведения о них

Как видно из предыдущего параграфа, большинство передатчиков являются многокаскадными устройствами и состоят из некоторого набора функциональных узлов. Функциональные узлы можно условно разделить на высокочастотные, низкочастотные и узлы, обеспечивающие напряжения питания и смещения.

На выходах высокочастотных узлов генерируются высокочастот­ные колебания, с использованием которых формируются выходные сигналы передатчиков.

Если выходное колебание высокочастотного функционального узла формируется под влиянием высокочастотного внешнего воз­действия (напряжения возбуждения), то этот узел называют генера­тором с внешним возбуждением (ГВВ). Частота выходного колеба­ния ГВВ определяется частотой входного колебания. Если она равна частоте входного колебания, то ГВВ часто называют усилителем мощности колебаний (УМ). Если выходная частота в .У раз выше входной, то ГВВ называют умножителем частоты, если в М раз ниже, то делителем частоты.

Если для формирования выходного колебания высокочастотного функционального узла не требуется внешнего возбуждения и колеба­ния возникают за счет достаточно сильной положительной обратной связи, то такой узел называют генератором с самовозбуждением или (значительно чаще) автогенератором (АГ). Колебания в АГ возни­кают и поддерживаются на требуемом уровне выходной мощности за счет энергии, отбираемой от источников питания. Частота этих колебаний определяется параметрами цепи обратной связи по высо-

кой частоте, в состав которой обычно входит один или несколько колебательных контуров с достаточно высокой добротностью. Часть цепи положительной обратной связи, определяющую частоту автоко­лебаний, обычно называют колебательной системой АГ.

Выходными каскадами в большинстве передатчиков (рис. 1.2) являются усилители мощности. На долю этих каскадов обычно при­ходится большая часть общей мощности, потребляемой передатчи­ком от источников питания, поэтому при их проектировании особое внимание уделяется достижению максимального КПД. В промежу­точных каскадах в схемах рис. 1.2 используются как УМ, так и умно­жители частоты, поэтому изучению вопросов проектирования таких каскадов уделяется значительное внимание в данном пособии.

Типовая структурная схема двухкаскадного УМ показана на рис. 1.3, а. Простейший каскад УМ содержит активный элемент (АЭ) и цепь согласования (ЦС) выхода АЭ с нагрузкой. Активный элемент представляет собой электронный прибор, ток выходной цепи кото­рого управляется напряжением на входе. В современных передатчи­ках в качестве АЭ используются электронные лампы, биполярные транзисторы, полевые транзисторы, тиристоры и другие приборы. Большинство реально используемых АЭ являются трехполюсниками, поэтому в схеме рис. 1.3 АЭ изображены в виде трехполюсников.

Рис. 1.3. Типовая структурная схема двухкаскадного усилителя мощности (а) и эквивалентная структурная схема выходного каскада (б)

Выходной ток каждого АЭ i_вых(t) протекает между выходным электродом и общим для входной и выходной цепей электродом, а входной ток i_вх(t) — между входным и общим электродом. Управля­ющее этими токами входное напряжение АЭ е_вх(/), содержащее уси­ливаемую высокочастотную составляющую, приложено между вход­ным и общим электродом. В общем случае i_вх(t) и i_вых(t) токи зависят как от e_вх(t), так и от напряжения е_вых(t) между выходными электро­дами АЭ.

Внешней нагрузкой выходного каскада является входное сопро­тивление фидера, соединяющего выход передатчика с антенной, или (в более простом случае) входное сопротивление антенны. Цепь согласования выхода АЭ с нагрузкой преобразует входное сопротив­ление внешней нагрузки Z_{H 0} во входное сопротивление цепи согла­сования Z_H, которое в рабочей полосе частот формируемого сигнала должно быть выбрано так, чтобы обеспечить работу АЭ в заданном режиме. Нагрузкой предвыходного каскада является входное сопро­тивление АЭ выходного каскада. Соответственно его ЦС преобразует входное сопротивление выходного каскада в сопротивление нагрузки АЭ предвыходного каскада, необходимое для реализации заданного режима этого АЭ.

Для реализации заданного режима на выходные электроды каж­дого АЭ должно быть подано постоянное напряжение питания, а на входные — напряжение смещения. В схеме рис. 1.3, а они обеспечи­ваются соответственно источниками напряжений питания Е_п и сме­щения Е_с.

Каждый из токов АЭ имеет постоянную и переменную составляю­щие. Постоянная составляющая выходного тока АЭ i_вых(t) в схеме рис. 1.3, а проходит через источник напряжения питания Е_п и выход­ную ЦС. Она определяет мощность Р₀, потребляемую выходной цепью выходного каскада. Переменная (высокочастотная) составля­ющая выходного тока АЭ проходит через входное сопротивление ЦС и замыкается через блокировочную емкость С_бл. Ее выбирают так, чтобы исключить ответвление заметной части высокочастотной составляющей в цепи питания. Поскольку в выходных каскадах АЭ для получения высокого КПД усилителя мощности АЭ используют в нелинейном режиме, высокочастотные составляющие тока i_вых(t) и падения напряжения на входном сопротивлении ЦС и_вых(t) содержат как спектральные компоненты формируемого сигнала, так и спект­ральные компоненты, частоты которых лежат в окрестности высших гармоник формируемого сигнала. Выходная ЦС должна обеспечить

не только передачу мощности сигнальной составляющей во вне­шнюю нагрузку, но и максимально возможное подавление (фильтра­цию) высших гармоник.

Постоянная составляющая входного тока АЭ i_вх(t) в схеме рис. 1.3, а проходит через источник напряжения смещения Е_с и выходное сопротивление межкаскадной ЦС. Переменная составляю­щая входного тока АЭ проходит через выходное сопротивление меж­каскадной ЦС и замыкается через блокировочную емкость С_бл.

При расчетах и проектировании многокаскадные УМ (или ГВВ) разделяют на отдельные каскады. На рис. 1.3, б показана эквивалент­ная структурная схема выходного каскада двухкаскадного УМ рис. 1.3, а. В эту схему входят АЭ выходного каскада и выходная ЦС. Реальная нагрузка заменена ее эквивалентным сопротивлением Z_{H 0}. Предвыходной каскад, являющийся источником возбуждения для выходного, заменен эквивалентным источником напряжения возбуж­дения и_и.в(t)с выходным сопротивлением Z_H.B. Параметры эквива­лентного источника возбуждения выбираются так, чтобы переменная составляющая входного напряжения и_вх(t) и полное входное напря­жение е_вх(t) были такими же, как в многокаскадном УМ.

Пример структурной схемы автогенератора на трехполюсном АЭ показан на рис. 1.4. В этой схеме выход АЭ подключен ко входу цепи обратной связи (ЦОС), а выход ЦОС подключен ко входу АЭ. Схемы подключения источников напряжения питания АЭ и смещения подобны описанным выше.

Выходное напряжение в данном примере схемы передается со входа ЦОС через разделительную емкость С_p на сопротивление вне­шней нагрузки. Внешней нагрузкой для автогенератора обычно слу­жит входное сопротивление ГВВ (усилителя мощности или умножи-

Рис. 1.4. Пример структурной схемы автогенератора на трехполюсном АЭ

теля частоты), включаемого после АГ. Каскад, включаемый после АГ, обычно проектируется с таким расчетом, чтобы при обеспечении требуемой мощности на его выходе влияние изменений его нагрузки или других параметров на частоту автоколебаний было минималь­ным. Такой каскад обычно называют буферным.

В каждом из опорных автогенераторов, показанных на схемах рис. 1.2, в состав ЦОС входит кварцевый резонатор (КР), включен­ный таким образом, что необходимая для обеспечения устойчивых колебаний положительная обратная связь реализуется лишь на час­тоте, близкой к частоте последовательного резонанса эквивалентной схемы КР. Поэтому стабильность частоты автоколебаний близка к стабильности собственной частоты КР и на несколько порядков выше стабильности частоты собственных колебаний LC-контуров.

В АГ, используемых для получения ЧМ-колебаний (ЧМГ в схеме рис. 1.2) чаще всего используются LC-контуры, в емкостные ветви кото­рых включают варикапы. Изменение напряжения смещения на варика­пах приводит к изменению как их емкости, так и полной емкости кон­тура. Соответственно изменяются частота собственных колебаний контура и близкая к ней частота колебаний в автогенераторе.

Генераторы с внешним возбуждением и АГ различных мощностей и рабочих частот являются основными видами высокочастотных функциональных узлов передатчиков, изучаемых в данном пособии.

Низкочастотные функциональные узлы и, в частности, различного вида модуляторы также будут рассматриваться. Однако эти узлы под­робно изучаются в курсе, посвященном схемотехнике аналоговых электронных устройств. Поэтому в данной книге главное внимание обращается на особенности работы этих узлов в составе передатчи­ков. Методы расчета и проектирования источников питания рассмат­риваются в отдельном пособии.

Поскольку расчеты всех высокочастотных функциональных узлов опираются на результаты расчетов токов и напряжений в активных элементах, изложение основного материала курса начинается с ана­лиза работы АЭ в этих функциональных узлах.

Контрольные вопросы и задания

1. Приведите классификацию радиопередатчиков по различным показателям.

2. Поясните назначение и размещение на структурной схеме возбудителя, про­межуточных каскадов формирования сигнала, усилителя мощности, синтеза­тора частот.

3. В каких каскадах структурной схемы производится формирование амплитуд­ной, импульсной, частотной или фазовой модуляции?

4. Что называют коэффициентом полезного действия передатчика?

5., Какие задачи выполняет автоматизированная система управления?

6. Каким блоком радиопередатчика определяется долговременная стабильность несущей частоты формируемого сигнала?

7. Что такое генератор с внешним возбуждением? Назовите основные виды генераторов с внешним возбуждением.

8. Чем определяется частота выходного колебания генератора с внешним воз­буждением?

9. Что такое автогенератор? Чем определяется частота выходного колебания автогенератора?

Глава вторая

ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. ГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ