Государственный экзамен по специальности 160905 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования»

70

Получили гармоническое колебание, характер изменения которого существенно зависит от значения и знака коэффициента Э, называемого коэффициентом затухания. Если Э больше нуля, то приведенное выше выражение представляет собой запись затухающего колебательного процесса. Если Э – отрицательная величина, амплитуда колебаний в контуре с течением времени увеличивается по экспоненциальному закону, и колебания не зату-

хают, а нарастают до установления стационарного режима:

Условие Э < 0 выполняется тогда, когда (r + R) < 0, т.е. когда контур содержит элемент с отрицательным сопротивлением, абсолютное значение которого удовлетворяет условию R > r. Реально ни один линейный элемент не обладает отрицательным активным сопротивлением. Нелинейные элементы при определенных условиях могут иметь отрицательное дифференциальное сопротивление.

Автогенераторы различных типов могут быть представлены в виде единой эквивалентной схемы (рисунок 25.2).

Рисунок 25.2 – Эквивалентная схема автогенератора

На рисунке 25.2 точки над буквами означают комплексные величины: Ub напряжение на входе четырехполюсника; Uk падение напряжения на

где n = 0, ±1, ±2, ...; S, К, Zk – модули комплексных величин; S – фаза средней крутизны активного четырехполюсника; K – фаза коэффициента обратной связи; Z – фаза эквивалентного сопротивления пассивного четырехполюсника.

Первое уравнение называется уравнением баланса амплитуд, а второе – уравнением баланса фаз. Данные уравнения справедливы для любого автоге-

71

нератора и являются необходимыми и достаточными условиями генерации автоколебаний.

Относительная нестабильность частоты колебаний автогенератора (АГ):

где f – абсолютная нестабильность частоты (величина отклонения частоты от нужного значения f).

Изменение амплитуды колебаний в автогенераторе мало влияет на сдвиги фаз в цепях автогенератора, поэтом частота колебаний определяется только балансом фаз.

Нарушение баланса фаз изменяет частоту так, что на новой частоте + баланс фаз восстанавливается.

Стабильность работы автогенератора определяется его фиксирующей

d

способностью KФ . d

Чем больше КФ, тем меньше изменяется частота колебаний при нарушении баланса фаз, т.е. тем выше стабильность частоты автогенератора. Фиксирующая способность автогенератора, прежде всего, определяется фиксирующей способностью колебательной системы. Фиксирующая способность контура КФ = 2Q, где Q – добротность контура.

Все дестабилизирующие факторы можно разделить на две группы:

внутренние и внешние.

Квнутренним факторам относятся собственные флуктуационные шумы, действующие в автогенераторе и являющиеся принципиально неустранимыми. Эти шумы определяют тот предел стабильности частоты автогенератора, который не может быть превзойден.

Квнешним факторам относятся колебания температуры окружающей среды, случайные колебания напряжения источников питания, вибрации и т.д. Эти факторы могут быть принципиально устранены или реально сведены

кминимуму.

При воздействии всех дестабилизирующих факторов и принятии всех мер по устранению их влияния общая нестабильность частоты в автогенераторах с колебательным контуром, выполненным на конденсаторах и катушках индуктивности, составляет значение порядка (5…10) 10 5. Однако это ниже допустимых норм.

Следовательно, электрические колебательные системы не могут обеспечить заданную степень стабильности частоты, поэтому нужно применять другие виды колебательных систем, например механические (кварцевые).

В типовых кварцевых резонаторах значения L составляют единицы генри (Гн), С – десятые или сотые доли пикофарад (пФ), сопротивление потерь rq

– единицы Ома (Ом). Поэтому добротность кварцевых резонаторов составляет от сотен тысяч до нескольких миллионов, что обеспечивает их высо-

72

кую фиксирующую способность. При этом изменения баланса фаз, если они не ведут к срыву автоколебаний, слабо влияют на частоту генерации.

Кварцевый генератор, т.е. автогенератор, в составе которого используют кварцевый резонатор, также испытывает воздействие дестабилизирующих факторов. Меры борьбы здесь такие же, т.е. термостатирование и герметизация.

Применение кварцевых резонаторов в АГ позволяет достаточно легко обеспечить относительную нестабильность частоты автоколебаний порядка ±1·10 5, а при использовании некоторых дополнительных мер, например термостатирования, нестабильность частоты может быть доведена до величины ±1·10 6 и даже до ±1·10 8 и выше.

73

ВОПРОС №26. СИНТЕЗАТОРЫ СЕТКИ ЧАСТОТ

Синтезатором частоты (СЧ) называется устройство, на выходе которого можно получить колебания любой заданной частоты из дискретного ряда в заданном диапазоне частот при соблюдении необходимых требований по стабильности вырабатываемых частот.

К основным характеристикам синтезаторов частоты относятся:

-рабочий диапазон f0min + f0max;

-шаг дискретности частот ∆f, т.е. разность по частоте между двумя

ближайшими частотами, вырабатываемыми СЧ;

-относительная нестабильность частоты δf;

-выходная мощность Р;

-неравномерность выходной мощности ∆Р в диапазоне частот;

-коэффициент нелинейных искажений;

-уровень шумовых составляющих на выходе СЧ;

-уровень подавления побочных излучений D.

Для того чтобы сформировать на выходе любого СЧ одну частоту из дискретного ряда, нужно сначала из колебания эталона частоты получить необходимое число колебаний так называемых опорных частот (обычно берется 10 опорных частот), а затем, преобразуя соответствующим образом эти опорные частоты, синтезировать из них нужную выходную частоту из возможного набора.

Таким образом, любой СЧ можно представить состоящим из датчика опорных частот (ДОЧ) и устройства синтеза частот, т.е. собственно синтезатора (рисунок 26.1). ДОЧ обычно состоит из одного опорного (эталонного) кварцевого автогенератора и системы формирования опорных частот, которая, по существу, тоже является синтезатором частоты.

Рисунок 26.1 – Структурная схема синтезатора частоты

В любом СЧ выходная частота равна алгебраической сумме опорных частот. Основное различие в методах синтеза определяется способом фильтрации выходных колебаний от большого числа побочных (нежелательных) колебаний.

74

Если фильтрация выходных сигналов может осуществляться пассивными методами, т.е. путем применения различных фильтров, то такие синтеза-

торы называются синтезаторами частоты с пассивной фильтрацией (СЧПФ).

Если фильтрация колебаний осуществляется активными методами, т.е. применением систем частотной и фазовой автоподстройки, в составе которых имеется автогенератор с плавной перестройкой частоты, то такие синтезаторы называются синтезаторами частоты с активной фильтрацией (СЧАФ).

СЧПФ называют синтезаторами частоты прямого синтеза, а СЧАФ – синтезаторами частоты обратного синтеза.

СЧПФ являются наиболее простыми, исходя из возможных схем их построения. Однако в них возникают определенные сложности с обеспечением высокой степени отфильтровывания полезных частотных колебаний, поэтому эти синтезаторы применяют для получения сравнительно небольшого числа частот (до тысяч) и при невысоких требованиях к уровню подавления побочных составляющих.

СЧАФ обычно строят по схеме с умножением (делением) частоты. В состав синтезаторов входят перестраиваемые (управляемые) генераторы с системой автоподстройки частоты.

Принцип функционирования устройств косвенного синтеза частот можно рассмотреть на примере синтезатора частот радиостанции «Баклан» (рисунок 26.2). Выходные колебания формируются схемой с помощью управляемого генератора (УГ), диапазон перестройки которого при работе на передачу составляет 118.000…135.975 МГц, а при работе на прием, когда синтезатор выполняет роль гетеродина, 138.000…155.975 МГц. Стабилизация частоты УГ осуществляется управляющим напряжением, получаемым с помощью импульсно-фазового детектора (ИФД). Для формирования управляющего напряжения к ИФД подводятся с одной стороны колебания от кварцевого опорного генератора, и с другой – от делителя частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) после деления частоты выходных колебаний УГ до значения 6.25 кГц, т.е. до частоты, равной частоте опорных колебаний, получаемых от кварцевого генератора. Управляющее напряжение на выходе ИФД равно нулю только при совпадении частот и фаз сигналов на его входе. При этих условиях частота УГ будет точно соответствовать номинальному значению, установленному на указателе настройки пульта дистанционного управления. Если частота УГ отклоняется от номинального значения, то появляется сдвиг частоты на выходе ДПКД от 6.25 кГц, и на выходе ИФД возникает управляющее напряжение, изменяющее частоту УГ, приводя ее к номинальному значению.

В цепи обратной связи между УГ и ИФД установлено два делителя частоты. Коэффициент деления первого из них постоянен и равен 8. Коэффициент деления второго ДЧ может изменяться под действием сигналов, поступающих с пульта дистанционного управления ПДУ, в пределах 2360…2719.5 с

75

интервалом 0.5. Это позволяет обеспечить формирование с помощью УГ любой из частот в диапазоне 118…135.975 МГц с дискретностью в 25 кГц.

Рисунок 26.2 – Синтезатор частот радиостанции «Баклан»

Таким образом, схема косвенного синтеза обеспечивает кварцевую стабилизацию множества дискретных значений частот излучаемых колебаний с помощью одного кварцевого генератора.

76

ВОПРОС №27. СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В ряде случаев требуется строить генераторы и передатчики таких больших мощностей, которые не могут быть получены от одной или небольшого числа существующих типов ламп или транзисторов.

Можно осуществлять сложение мощностей нескольких высокочастотных (ВЧ) генераторов, выполненных в виде идентичных модулей М1, ..., МN и подключаемых параллельно, либо последовательно с помощью широкодиапазонных трансформаторов (рисунок 27.1) или резонансных цепей связи к общей нагрузке ZH. Однако при таком суммировании требуются идентичность и синфазность работы отдельных генераторов и симметрия схемы.

а – последовательное; б – параллельное

Рисунок 27.1 – Блочно-модульное сложенного мощности

В современных радиопередающих устройствах различных диапазонов волн широкое применение получил метод сложения мощности с помощью мостовых схем. Каждый из генераторов работает независимо от других на оптимальную для него нагрузку, в то время как у остальных генераторов режим по ВЧ может меняться вплоть до короткого замыкания или холостого хода.

Принцип реализации мостовой схемы показан на рисунке 27.2. Два синфазных усилителя мощности Г1 и Г2 показаны в виде генераторов тока с двумя нагрузочными сопротивлениями: RН – полезное и RБ – балластное. Фазовращающий трансформатор Т 1:1 имеет коэффициент трансформации, равный единице. Если RН = RБ = 2R, то выполняется условие баланса моста.

Очевидно, что при I1 I2 вся мощность поступает в полезную нагрузку RH. В общем случае I1 I2 , и тогда наихудшим исходом будет выход из строя

одного из усилителей, так как выделяемая в нагрузке мощность уменьшится в 4 раза, т.е. половина мощности второго работающего усилителя выделится в балластном сопротивлении. Поэтому при выключении одного из усилителей целесообразно, особенно в мощных устройствах, переключать второй усили-

78

где b – расстояние между двумя соседними излучателями; 0 – угол, отсчитываемый от нормали к решетке и определяющий направление главного лепестка диаграммы направленности (рисунок 27.3, б).

Рисунок 27.3 – Линейная фазированная решетка

Угол θ0 определяется из условия компенсации разности хода лучей за счет разности фаз сигналов, подводимых к излучателям. С учетом (27.1) запишем:

79

Согласно (27.2), управляя величиной дискрета фазы ∆φ, можно изменять направление главного лепестка диаграммы направленности θ0, т.е. производить электронное сканирование лучом антенны. Диаграмма направленности (ДН) ФАР при N излучателях определяется выражением:

ДН ФАР, построенная при N = 16 и θ0 = 0, показана на рисунке 27.4.

Рисунок 27.4 – ДН плоской ФАР при N = 16 и θ0 = 0