7.1. Общие сведения

Любой передатчик (см. гл. 1) начинается с возбудителя, в котором вырабатывается высокочастотное колебание с заданными парамет­рами. Структура и степень сложности выполняемых возбудителем функций определяются типом передатчика. В частности, возбудитель ВЧД-100, применяемый в коротковолновых передатчиках связи, обеспечивает:

1) телеграфную ЧМ-работу в плавном диапазоне частот;

2) двухканальную телеграфную работу по системе двойной час­тотной телеграфии (ДЧТ) в плавном диапазоне частот;

3) телеграфную АМ-работу в плавном диапазоне частот;

4) телефонную АМ-работу в плавном диапазоне частот;

5) телеграфную АМ-работу на трех фиксированных частотах;

6) телефонную АМ-работу на трех фиксированных частотах. Основой любого возбудителя служит автогенератор (генератор с

самовозбуждением, опорный генератор, задающий генератор), кото­рый непосредственно осуществляет функцию генерирования высоко­частотных колебаний, используя для этого энергию источников пита­ния. Простейший возбудитель (рис. 7.1) содержит автогенератор (АГ) на нужный диапазон частот, буферный каскад (БК) и усилитель мощности (УМ) или умножитель частоты (УЧ).

Основные технические требования к автогенератору определяют диапазон рабочих частот, стабильность частоты и мощность на выходе. Наиболее важной из этих трех характеристик является допустимая нестабильность частоты автоколебаний, поскольку ее невозможно улучшить в последующих ступенях передатчика. Разли­чают долговременную (время наблюдения за сигналом t_H > 1 с) и кратковременную (t_H < 1 с) нестабильность частоты. Долговремен­ную нестабильность частоты принято характеризовать относитель­ной нестабильностью частоты у = ∆f/f,

где f— частота генерации;

Рис. 7.1. Структурная схема простого возбудителя

∆f— изменение частоты за время наблюдения. В современных пере­датчиках значение у может лежать в интервале 10^-6 ...10^-15 . Кратков­ременную нестабильность частоты характеризуют уровнем фазовых или частотных шумов.

Выходная мощность АГ в составе возбудителя обычно лежит в пре­делах 1...10 мВт. Как правило, это маломощное устройство, прак­тически не влияющее на энергетические показатели передатчика в целом.

7.2. Основные уравнения автогенератора

7.2.1. Уравнения стационарного режима

Существует много подходов к изложению теории автогенерато­ров. В данном пособии изложение теории начнем с описания обоб­щенной структурной схемы АГ (рис. 7.2). Автогенератор представ­лен на ней кольцевой структурой из усилителя (У) и частотно-избирательного фильтра (Ф), формирующих замкнутое кольцо поло­жительной обратной связи. В рассматриваемых в этой главе АГ фильтры реализуются в виде одного или нескольких колебательных контуров и поэтому вместо термина «фильтр» чаще будет использо­ваться термин «колебательная система» АГ.

Если на выходе колебательной системы (фильтра) существует гармоническое колебание с частотой f и комплексной амплитудой то оно поступает на вход усилителя (т. е. ), усиливается и попадает на вход фильтра.

Комплексная амплитуда выходного колебания усилителя, которое будем считать гармоническим, связана с комплексной ампли­тудой входного колебания равенством

(7.1)

Рис. 7.2. Обобщенная структурная схема автогенератора

где K_yc(U_BX) — коэффициент усиления нелинейного усилителя, зави­сящий от амплитуды _Uвх входного колебания.

В свою очередь, входное напряжение фильтра = U_к свя­зано с его выходным напряжением комплексным коэффициентом передачи k, т.е.

(7.2)

Этот комплексный коэффициент характеризует передачу колеба­ния с выхода усилителя на его вход и называется коэффициентом обратной связи.

Очевидно, что в режиме установившихся колебаний (он также называется стационарным

режимом) справедливо вытекающее из (7.1), (7.2) равенство

(7.3)

Предполагая, что в стационарном режиме U_BX Ф 0, получаем из (7.3) равенство

. (7.4)

Оно означает, что в стационарном режиме коэффициент усиле­ния по кольцу обратной связи, записанный в левой части равенства (7.4), равен единице.

(7.5)

Представив тригонометрической форме: и k в тригонометрической форме:

, k=ke^{jφус.стац}

и подставив это выражение в (7.4), получим два уравнения, эквива­лентных (7.4):

(7.5)

(m = 0,1,2,.:.). (7.6)

Уравнение (7.5) определяет амплитуду колебаний U_BX, при которой выполняется условие существования стационарного режима. Из (7.1) видно, что оно определяет также и стационарную амплитуду U_K на выходе усилителя, поэтому его называют уравнением баланса амплитуд.

Уравнение (7.6) показывает, что на частоте установившихся коле­баний сдвиг фазы, вносимый полным кольцом обратной связи, дол­жен быть либо нулевым, либо равным

(-2πт), т.е. соответствовать запаздыванию колебания при прохождении по кольцу на целое число периодов. Это уравнение называют уравнением баланса фаз.

Эти уравнения являются основой для расчета стационарных жимов автогенераторов.

Предположим далее, что усилитель в схеме рис. 7.2 построен на БТ, включенном по схеме с общим эмиттером. Тогда комплексная амплитуда выходного напряжения усилителя выражается через комп­лексную амплитуду первой гармоники тока коллектора и одное сопротивление колебательной системы Z_K:

(7.7)

Зависимость называют колебательной характеристикой

активного элемента (в данном случае транзистора). Ее часто выра­жают через среднюю крутизну АЭ по первой гармонике:

(7.8)

Из (7.7) и (7 8) получим равенство

(7-9)

Сравнивая его с (7.1), видим, что в рассматриваемом усилителе

(7.10)

Из (7.10), (7.4) следует, что для данного усилителя комплексное урав­нение стационарного режима имеет вид

. (7.11)

Ему соответствует следующая запись уравнений баланса амплитуд И фаз:

; (7.12)

(т = 0, 1, 2 ...). (7.13)

Здесь и φ_S — соответственно модуль и фаза средней кру­пицы колебательной характеристики; Z_K и φ_S — модуль и фаза вход­ного сопротивления колебательной системы.

Для решения ряда задач теории АГ колебательную систему удобнее описывать не двумя характеристиками Z_K и к, а их произведением

Z_y = . (7.14)

Эта характеристика была введена в 30-х годах прошлого века ИМ. Крыловым и Н.Н. Боголюбовым и названа управляющим сопро­тивлением (отсюда индекс «у»).

С использованием этой характеристики уравнения стационарного режима записываются в виде:

(7.15)

(т = 0, 1, 2 ...). (7.16)

В общем случае модуль и фаза средней крутизны являются функ­циями как амплитуды колебаний U_BX, так и их частоты f . Однако, как правило, при построении АГ используют АЭ, у которых в рабочем диапазоне частот можно считать, что S₁ зависит только от амплитуды U_BX. По умолчанию это предположение было сделано при записи уравнений (7.8)—(7.12) и (7.15), также предполагается, что Z_y и φ_у зависят только от частоты f. Дальнейший анализ будет выполняться с использованием этих допущений.

Отметим, что зависимости S₁(U_BX) рассчитываются с учетом напряженности режима АЭ и того фактора, что в АГ амплитуды U_BX и U_K связаны соотношением (7.2).