книги из ГПНТБ / Пахлавян, А. Н. Радиопередающие устройства учебник

Г Л А В А П Е Р В А Я

РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

В линии беспроводной электрической связи радиопере­ дающее устройство совместно с антенной предназначается для со­ здания интенсивного излучения в пространство электромагнитных волн, изменяющихся в соответствии с законом передаваемых элек­ трических сигналов полезной информации.

Всякий радиопередатчик состоит из генератора высокой часто­ ты, преобразующего энергию источника постоянного или перемен­ ного тока в энергию колебаний высокой частоты, и модулятора — устройства, управляющего этими колебаниями в соответствии с законом изменения передаваемого смыслового сигнала. Получен­ ные в радиопередатчике электромагнитные колебания преобра­ зуются антенной в электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью 3-108 м/с. Достигая приемного ус­ тройства, они дают возможность восстановить передаваемую ин­ формацию. Структурная схема простейшего радиопередающего устройства приведена на рис. 1.1.

А

Первый в мире радиотелеграфный передатчик был построен изобретателем радио А. С. Поповым в 1895 г. В передатчике его системы возбуждались затухающие электрические колебания. Уп­ равление этими колебаниями осуществлялось при помощи теле­ графного ключа.

Радиопередатчики с затухающими электрическими высокоча­ стотными колебаниями совершетасгпвсюались до 1916 г.

Они были вытеснены радиопередатчиками незатухающих коле­ баний. Источником таких колебаний вначале был дуговой генера­ тор, принципиальная схема которого показана на рис. 1.2. Воз-

10

В 1928 г. .под руководством Б. П. Терентьева в Москве был построен 20-киловаттный «Опытный передатчик». Программы пе­ редач принимались на территории СССР и в Европе.

В 1929 г. была построена 100-киловаттная радиостанция им. ВЦСПС. Ее генераторная часть имела уже несколько каска­ дов с .внешним возбуждением. В 1933 г. под руководством А. Л. Минца была построена 500-киловаттная радиостанция. В ней для увеличения мощности включались шесть 100-киловаттных блоков, одновременно работающих на общую антенну. В каждом из блоков было 12 ламп мощностью по 30 кВт. Идея блокового построения радиопередатчиков для увеличения их выходной мощ­ ности была впоследствии заимствована американскими инжене­ рами при строительстве 500-киловаттной радиостанции в г. Цннцинати.

Во время Великой Отечественной войны была построена сред­ неволновая радиостанция, мощность которой достигала 1200 кВт. Она относилась к классу сверхмощных радиостанций и являлась единственной в мире.

В 1930 г. Б. П. Терентьевым был разработан коротковолновый радиопередатчик мощностью 40 кВт для телеграфной и радиоте­ лефонной связи Москвы с Ташкентом. На таком передатчике про­ водились первые опыты многоканальной радиосвязи.

Позднее, начиная с 1931 г., под руководством А. Л. Минца и И. X. Невяжского была создана серия коротковолновых передат­ чиков мощностью 1, 1'5 и 60 кВт для радиотелеграфной и радиоте­ лефонной работы и мощностью 120 кВт для радиовещания.

В 1938 г. была создана известная сверхмощная коротковолно­ вая радиовещательная станция РВ-96 под Москвой, на которой было реализовано предложение И. X. Невяжского о сложении мощностей двух радиопередатчиков по 60 кВт в пространстве при их работе на соседние антенны.

При создании мощных коротковолновых передатчиков весьма трудной проблемой оказалось обеспечение их устойчивой работы. Паразитные электрические связи, особенно через внутриламповую емкость анод—сетка, вызывали самовозбуждение мощных каска­ дов на нежелательных частотах, отличных от рабочих.

Для устранения этих явлений в мощных каскадах на генера­ торных триодах стали применять электрические мостовые схемы, которые компенсировали (нейтрализовали) нежелательные связи. Такие схемы нейтрализации были предложены советскими учены­ ми В. В. Татариновым, 3. В. Топуриа, Г. А. Зейтленком и немец­ ким ученым Бушбеком. Однако они имели ряд недостатков, из-за которых было трудно получить большие мощности в наиболее коротковолновых диапазонах.

М. А. Бонч-Бруевич в 1929 г. предложил новый принцип полу­ чения устойчивой работы триода в усилительной схеме на корот­ ких волнах. В предложенной им так называемой инверсной схеме заземленная (общая) сетка триода служила экраном, уменьшав­ шим паразитные емкостные связи. Однако мощные триоды иерво-

■13

средних волнах. Это обеспечило уверенное дальнее радиовещание и радиосвязь.

Передача электрических сигналов новых видов информации потребовала более широкой полосы частот пропускания трактами радиопередатчиков и приемников. Такую широкую полосу можно было обеспечить только на ультракоротких волнах. В овязи с этим, начиная с 40-х годов, получила большое развитие техника радио­ передатчиков ультракоротких волн.

Теорией и экспериментальными разработками укв генераторов много занимались советские ученые С. И. Евтянов, Г. А. Зейтленок, Н. Д. Девятков, Е. П. Корчагина, А. М. Кугушев, Д. П. Лин­ де, Н. И. Оганов, М. С. Нейман и др.

После Отечественной войны в СССР началось строительство сети телевизионных центров, оборудованных ультракоротковолно­ выми передатчиками, работающими в метровом диапазоне. Эти передатчики разрабатывались группой специалистов под руковод­ ством А. И. Лебедева-Карманова. Первый радиопередатчик мощ­ ностью 1'5 кВт для передачи телевизионного изображения был вве­ ден в эксплуатацию в Москве в 1948 г. Его выходной двухтакт­ ный каскад па триодах построен по схеме с общей сеткой. Анало­ гичные передатчики были позднее построены в Ленинграде и Кие­ ве (1952 г.). Массовое строительство телецентров в СССР нача­ лось в 1956 г. В настоящее время их число превышает 1000; 250 из них относятся к мощным станциям первого и второго классов.

Сооружение в Москве в районе Останкино Общесоюзного теле­ визионного центра имени 50-летия Октябрьской социалистической революции является огромным техническим достижением. Работа этой телевизионной станции обеспечивает телевизионным вещани­ ем аудиторию, число зрителей которой в 60 раз превышает ауди­ тории всех театров и концертных залов страны.

Развитие радиорелейных линий и радиолокации потребовало разработки передатчиков для дециметрового и сантиметрового диа­ пазонов волн.

Кроме совершенствования генераторных триодов и тетродов, являющихся наиболее мощными преобразователями энергии во всех диапазонах, включая дециметровый, получили распростране­ ние генераторные электронные приборы иных типов. Сейчас наибо­ лее мощными генераторами сантиметровых волн являются клистронные генераторы. В них .практически осуществлялись идеи со­ ветского ученого Д. А. Рожанского о возможном объединении ко­ лебательной системы и лампы в один общий прибор. Клистроны применяются в телевизионных передатчиках и передатчиках раз­ личных систем дальней радиорелейной связи (тропосферной, метеорной, при помощи искусственных спутников Земли и др.).

М. А. Бонч-Бруевич еще в 20-х годах выдвинул идею сочетания многоконтурной колебательной системы с электронным потоком в одном генераторном приборе. По этой идее в 1938 г. Н. Ф. Алек­ сеевым и Д. Е. Маляровым были созданы многорезонаторные маг­ нетронные генераторы, нашедшие широкое применение в импульс­

15

волны, позволяющие производить усиление и генерацию на деци­ метровых и сантиметровых волнах при электронной перестройке внутри широкого диапазона частот.

Построенные в СССР радиорелейные линии, работающие на волнах сантиметрового диапазона позволили осуществить обмен высококачественными передачами телевидения между всеми рес­ публиками Союза. Дальнейшим развитием радиорелейных систем связи явилась космическая связь, обеспечившая передачу сигна­ лов на сверхдальние расстояния.

23 апреля 1965 г. на околоземную орбиту был выведен совет­ ский спутник связи «Молния-1». Этот искусственный спутник вы­ полняет задачи внеземного активного ретранслятора в сети систе­ мы космической радиосвязи СССР «Орбита». Две мощные назем­ ные радиопередающие станции и система приемных радиостанций совместно со спутником «Молния- Ь> позволяют организовать связь между любыми пунктами, лежащими на территории СССР, Евро­ пы и Азии, а при помощи систем Интервидения — между любыми пунктами Земли. Соответственно выбранные орбиты нескольких спутников связи могут обеспечить непрерывную круглосуточную связь со всеми странами мира. Такая система радиосвязи сыграет огромную роль в освоении дальних районов нашей страны и куль­ турном развитии населения этих районов.

В последние годы успешно исследуются и опытно осваиваются интервалы миллиметрового, субмиллиметрового и светового диа­ пазонов волн. В связи с этим получает развитие новая отрасль радиотехники — квантовая электроника. Источниками электро­ магнитных колебаний этих диапазонов являются устройства, в ко­ торых используются квантовомеханические процессы в молекулах и атомах. Уже созданы и используются квантовые генераторы — лазеры, позволяющие получить стабильное, монохроматическое световое излучение, концентрируемое в очень узких лучах.

Опытные линии световой связи были впервые построены в Ленинграде, а затем в Москве (между МГУ и одной из городских автоматических телефонных станций). В Армении астрономиче­ ский центр в горах Бюракан и столица республики Ереван уже сейчас поддерживают связь через 24-канальную лазерную линию связи протяженностью 28 км.

Все средства радиосвязи органически входят в систему единой автоматизированной связи (ЕАСС), развивающейся в соответст­ вии с общими задачами народного хозяйства СССР и культурны­

Академии наук СССР. М., «Наука», 1969.

16

Г Л А В А В Т О Р А Я

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ

2.1. НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИНЦИП УСТРОЙСТВА И РАБОТА

Радиопередающее устройство предназначается для бес­ проводной передачи электрических сигналов на большие расстоя­ ния при помощи электромагнитных волн — радиоволн.

Радиопередатчик совместно с антенной завершает передающий тракт линии радиосвязи. В этом тракте до передатчика в отдель­ ных устройствах происходят следующие основные процессы:

1. Преобразование передаваемой естественной информации в соответствующие электрические сигналы; устройствами преобразо­ вания в зависимости о.т вида передаваемой информации могут быть: телеграфный ключ или аппарат, микрофон, передающая те­ левизионная камера, датчики телеметрических систем.

2. Усиление и коррекция электрических сигналов (в соответст­ вующих усилителях и корректирующих устройствах) для их пере­ дачи посредством соединительных линий к радиопередающему устройству.

В радиопередатчике электрические сигналы дополнительно уси­ ливаются до уровней, обеспечивающих необходимое воздействие на высокочастотные колебания передатчика. Известно, что пере­ дача сигналов радиометодами возможна только при помощи токов и напряжений высокой (радио) частоты. Процесс воздействия элек­ трических сигналов на высокочастотные колебания осуществляет­ ся непосредственно в радиопередатчике при помощи специальных устройств — манипуляторов и модуляторов (рис. 2.1).

Изменяющиеся высокочастотные токи (напряжения) отражают свойства передаваемых электрических сигналов и при помощи ан­ тенны преобразуются в электромагнитные волны, распространяю­ щиеся в окружающем антенну пространстве 1>. В каждом радио­ передатчике независимо от вида передаваемых электрических сиг­ налов обязательно выполняются три физических процесса, состав­ ляющих основу его работы.

1. Генерация несущих колебаний, заключающаяся в создании в электрических цепях передатчика переменных токов и напряже­ ний гармонического характера высокой частоты.

2. Модуляция или управление несущими колебаниями для из-

*) По условиям учебных «планов антенно-фидерные устройства изучаются э самостоятельном курсе. i г. ‘--тохпиче'*.

менения их характера по закону передаваемых электрических сиг­ налов.

3. Преобразование полученных в процессе модуляции высоко частотных сигналов в электромагнитные волны (радиоволны).

Несущие колебания создаются и усиливаются до требуемого уровня в генераторной или высокочастотной части передатчика. Ее

Гоператорная (Высокочастотная часть)

Рис. 2.1. Структурная схема современного многокаскадного ра­ диопередатчика

первым каскадом является задающий генератор, работающий в режиме самовозбуждения. Задающий генератор представляет ав­ тономную электрическую систему, обеспечивающую первоначаль­ ные устойчивые по частоте и амплитуде высокочастотные колеба­ ния. Обычно их мощность невелика, и поэтому они усиливаются в следующих каскадах тракта — генераторах с внешним возбужде­ нием. Выходной или оконечный каскад — наиболее мощный — свя­ зывается с антенной, являющейся внешней нагрузкой передатчика. Таким образом, каждый отдельный каскад (промежуточный и око­ нечный) является генератором (усилителем) высокочастотных колебаний, управляемым внешним возбуждающим напряжением, создаваемым в выходной цепи каждого предыдущего каскада — возбудителя. В их схемах могут применяться генераторные лам­ пы, транзисторы (на относительно низких радиочастотах и малых мощностях), а на самых высоких частотах радиодиапазона — спе­ циальные электровакуумные приборы.

Ниже рассматривается принцип генерации электромагнитных колебаний, осуществляемый в каждом отдельном промежуточном каскаде рассматриваемой структурной схемы рис. 2.1, выполнен­ ном на лампе.

Источником незатухающих высокочастотных токов и напряже­ ний является колебательная система, например параллельный кон­ тур, в котором благодаря энергии батареи Ев возбуждаются и поддерживаются незатухающие электромагнитные колебания. Рас­ смотрим схему рис. 2.2а. Возбужденные в контуре высокочастот­ ные колебания токов и напряжений поддерживаются благодаря периодическому пополнению запаса энергии от источника тока —

18

батареи Е&. В общей цепи контура и батареи включено реле Р. Управляющее внешнее воздействие на реле обеспечивает замыка­ ние (положение 1) и размыкание (положение 2) цепи в определен­ ные моменты времени. Так, в ту часть периодического процесса, когда полярность на пластинах конденсатора контура соответст­ вует знакам без скобок, цепь оказывается замкнутой, протекает

Рис. 2.2. Схемы, поясняющие принцип работы генератора:

а) условная; б ) ламповая; в ) транзисторная

ток (поток элементарных зарядов), определяемый разностью по­ тенциалов батареи Еа, и в контуре запасается энергия.

без скобок). Именно в эти полупериоды колебаний часть энергии потока зарядов отдается электрическому полю конденсатора кон­ тура. Если бы в следующие моменты при периодической переме­ не знаков полярности колебательного напряжения на контуре (знаки в скобках) цепь не разрывалась, поток зарядов испыты­ вал бы со стороны контура ускоряющее воздействие, в результате чего часть запасенной энергии расходовалась. Следовательно, для эффективной передачи энергии в контур и поддержания в нем наи­ больших амплитуд колебаний ток в общей цепи, питающей контур, должен протекать периодически в такт с возбужденными колеба­

колебаний в десятки и сотни мегагерц и значительно превосходит быстродействие всех известных электромеханических приборов.

19