Радиосвязь,_радиовещание,телевидение2

входящих в их состав транзисторов, ламп и прочих электронных элементов, а также систем автоматического управления, устройств защиты от аварийных режимов и прочих вспомогательных цепей и- уст ройств. Система электропитания содержит выпрямители, электромашинные генераторы с двигателями внутреннего сгорания, аккумуляторы, инверторы (преобразователи) низкого постоянного напряжения в более высокое или обратно, трансформаторы, коммутационную аппаратуру, резервные источники питания и устройства для автоматического перехода с основного источника на резервный в случае неисправностей и т.п.

На рис. 2.1 не показаны многочисленные объекты вспомогательного оборудования, входящие в состав передатчика(особенно мощного), например средства автоматического и дистанционного управления; контрольно-измерительные приборы, устройства дистанционного контроля и сигнализации; устройства защиты и блокировки, выклю-

чающие цепи высокого напряжения при аварийных режимах или опасности для обслуживающего персонала и др.

Радиопередатчики диапазонов километровых, гектометровых и декаметровых волн обычно размещаются группами на специальных предприятиях – передающих радиостанциях. При большом числе передатчиков радиостанции называются радиоцентрами. Радиовещательные передатчики метровых и дециметровых волн, как правило, размещаются вместе с передатчиками телевизионного вещания. Предприятия связи, на которых установлены эти передатчики, называются радиотелевизионными передающими станциями (центрами).

Технические показатели радиопередатчиков. К основным по-

казателям радиопередатчика относятся: диапазон волн, мощность, коэффициент полезного действия, вид и качество передаваемых сигналов.

В соответствии с классификацией волн(см. табл. 1.2) различают передатчики километровых, гектометровых, декаметровых и других волн. С этим различием связаны соответствующие особенности конструкций, так как в разных диапазонах различны конструкции колебательных контуров и типов усилительных элементов. Передатчик может работать на одной или нескольких выделенных для него фиксированных волнах, либо он может настраиваться на любую длину волны в непрерывном диапазоне волн.

Мощность передатчика обычно определяется как максимальная мощность высокочастотных колебаний, поступающая в антенну при отсутствии модуляции, при непрерывном излучении. Однако этой характеристики недостаточно для оценки мощности радиопередатчика. Дело в том, что в технике радиосвязи часто приходится иметь дело с сигналами, напряжение которых изменяется в очень широких пределах и в сравнительно короткие промежутки времени может принимать

значения, в несколько раз превосходящие средний уровень. Характерным примером подобного режима может служить радиолокационный передатчик, излучающий импульсы длительностью около1 мкс, разделенные интервалами около 1 мс, т.е. в 1000 раз большей длительности. Если бы при проектировании передатчика расчет велся на то, что в моменты этих выбросов мощность излучения соответствовала бы номинальной мощности, то фактическая средняя мощность излучения была бы во много раз меньше. Передатчик был бы использован значительно слабее своих возможностей, а при необходимости обеспечить большую дальность радиосвязи потребовалось бы применить передатчик значительно большей мощности.

Всистемах радиовещания промежутки времени, в которые амплитуда колебаний достигает максимальных значений, занимают обычно бóльшую часть общего времени работы передатчика(например, 10–20 %), длительность их доходит до десятков миллисекунд, но и в этом случае описанное временное форсирование передатчика возможно, хотя и в меньших пределах.

Всоответствии с изложенным мощность передатчика, помимо цифры максимальной мощности, при непрерывной работе характеризуют значениями пиковой мощности, которая может быть обеспечена

втечение ограниченных промежутков времени. Например, если средняя мощность передатчика при непрерывной работе100 кВт, то она может доходить до 200 кВт, если длительность импульсов не превышает интервалов между ними.

Важнейшими показателями радиопередатчика являются стабильность излучаемой им частоты иуровень побочных излучений. Дело

втом, что если строго соблюдается присвоенная данному передатчику частота сигнала, то настроенный на эту частоту приемник начинает принимать передаваемые сигналы тотчас после включения, не требуя подстроек; это способствует удобству эксплуатации и высокой надежности радиосвязи, а также облегчает автоматизацию оборудования.

радиостанций, поэтому если частота передатчика отличается от разрешенного значения, то она может приблизиться к частоте другого передатчика, что вызовет помехи приему его сигналов.

По существующим международным нормам отклонение от номинала частоты передатчика для радиосвязи на гектометровых волнах не должно превышать 0,005 %; для радиовещательных передатчиков отклонение частоты в этом диапазоне не должно превышать10 Гц. На декаметровых волнах допустимая нестабильность частоты для передатчиков мощностью более 0,5 кВт равна 15×10–6, что соответствует в диапазоне от 4 до 30 МГц абсолютному отключению частоты от 60 до 450 Гц. Некоторые системы радиосвязи по своему принципу

требуют, чтобы стабильность частоты была значительно лучше, чем предусматривается указанными нормами.

Побочными излучениями радиопередатчика называются излучения на частотах, расположенных за пределами полосы, которую занимает передаваемый радиосигнал. К побочным излучениям относятся гармонические излучения передатчика, паразитные излучения и вредные продукты взаимной модуляции.

Гармоническими излучениями (гармониками) передатчика называются излучения на частотах, в целое число раз превышающих частоту передаваемого радиосигнала.

Паразитными излучениями называются возникающие иногда в передатчиках колебания, частоты которых никак не связаны с частотой радиосигнала или с частотами вспомогательных колебаний, используемых в процессе синтеза частот, модуляции и других процессов обработки сигнала.

Известно, что при действии в нелинейной цепи, например двух ЭДС с частотами f1 и f2 , спектр тока содержит, помимо составляющих с этими частотами и их гармоник, также составляющие с частотами вида mf1 ± nf2 , где m и n – целые числа. Это явление и лежит в основе взаимной модуляции; оно обусловлено наличием в передатчике элементов, обладающих нелинейными характеристиками, главным образом транзисторов или электронных ламп.

Интенсивность побочных излучений характеризуется мощностью соответствующих колебаний в антенне передатчика. Например, по действующим международным нормам радиопередатчики на частотах до 30 МГц должны иметь мощность побочных излучений не менее чем в 10 000 раз (на 40 дБ) ниже мощности основного излучения и не более 50 мВт.

Показатели, определяющие качество передачи вещательного сиг-

нала (электроакустические показатели), в принципе не отличаются от аналогичных параметров электрического канала вещания, что естественно, поскольку передатчик является частью канала– трактом вторичного распределения.

Некоторое отличие заключается лишь в том, что эти показатели нормируются и измеряются относительно уровня сигнала, соответствующего определенному коэффициенту модуляции, сигналом частотой 1000 Гц. Для допустимого отклонения амплитудно-частотной характеристики этот коэффициент равен 50 %.

Коэффициент гармоник определяется при коэффициенте модуляции 50, 90, а также 10 %, что обусловлено наличием в модуляторе передатчика специфических искажений вида двустороннего ограничения, заметных при большом коэффициенте модуляции, вида «центральной отсечки», заметных при малом коэффициенте модуляции. Защищенность от интегральной помехи и от псофометрического шу-

Рис. 2.2. Режимы работы ламп без отсечки (а) и с отсечкой (б) анодного тока

мере (градусах, радианах) половина той доли периода, в течение которой существует анодный(коллекторный) ток. Режим усилителя

мощности радиочастоты при q = 180° называется колебаниями первого рода (они соответствуют классу А в апериодических усилителях). В режиме колебаний первого рода ГВВ применяют крайне редко из-за невысокого КПД, не превышающего 50 %.

В этом режиме (его называют режимом без отсечки анодного тока) амплитуды входного напряжения и напряжения смещения подобраны так, что работа происходит на линейном участке характеристики лампы (или транзистора) (рис. 2.2, а). При этом кроме переменной составляющей тока в цепи протекает большой постоянный ток I 0 , который обусловливает энергетические потери. Полная потребляемая мощность источника P0 = I 0Eа определяется этим током и напряжением питания Eа . Полезная мощность связана только с переменной составляющей тока I 1 .

Нелинейный режим обеспечивается при q < 180° (колебания второго рода). При этом форму импульсов анодного (коллекторного) тока характеризуют амплитуда I am ( I кm ) и угол отсечки q.

Углом отсечки называется та часть периода (см. рис. 2.2, б), в течение которого протекающий ток изменяется от максимального значения до нуля.

Энергетические соотношения в ГВВ рассмотрим на примере транзисторного каскада (рис. 2.3). Основными энергетическими характе-

возбуждения Pc = 0,5I б1U c , коэффициент полезного действия(элек-

Рис. 2.5. Недонапряженный (а, б), критический (в) и перенапряженный (в) режимы работы лампы

называется коэффициентом формы импульса тока, Uк E0 – коэффициентом использования коллекторного (анодного) напряжения.

Как видно из графика, при 0 < q < 120° полезная мощность падает с уменьшением q, а hэ растет (штриховая линия на рис. 2.4), достигая своего максимума (при заданном i а max ) при q = 0. Однако такой режим не имеет физического смысла, так как Pк и P0 принимают нулевые значения. На практике выбирают q = 90°. При этом полезная мощность меньше максимально возможной на7 %, а hэ выше почти

в 1,2 раза ( hэ =73 %). Более высокое значение можно получить в транзисторных ГВВ, работающих в ключевом режиме, когда импульс тока формируется в состоянии насыщения транзистора. Это повышает надежность работы схемы, так как при заданной генерируемой мощности потери в транзисторе минимальны; параметры транзистора мало влияют на генерируемую мощность; упрощается настройка генератора в производстве. Следует заметить, что форму импульса анодного тока могут искажать сеточные токи, так как при низком анодном напряжении, когда напряжение на сетке положительно, значительная часть общего катодного тока может ответвляться на сетку. Степень влияния сеточного тока характеризует напряженность режима работы генератора. По напряженности различают три режима работы: недонапряженный режим, характеризующийся остроконечной формой импульса анодного тока; критический режим, когда импульс анодного тока несколько усечен в верхней части, и перенапряженный режим, при котором возникает провал на вершине импульса анодного тока (рис. 2.5).

Напряженность режима в значительной мере определяется величиной нагрузочного сопротивления (эквивалентным сопротивлением контура Rэ), так как от него зависит напряжение на аноде лампы. Зависимости мощностей и КПД анодной цепи от сопротивления нагрузки выражаются нагрузочными характеристиками (рис. 2.6). Колебательная мощность в контуреPк1 = Uк1I к1 2 максимальна в критическом режиме ( Rэ = Rэ кр ). В недонапряженном режиме напряжение на кон-

тока почти не изменяется. При увеличении сопротивления Rэ в перенапряженном режиме подводимая мощность резко уменьшается вследствие появления провала в импульсах анодного тока и соответственного уменьшения постоянной составляющей анодного питания.

Мощность рассеяния на анодеPа представляет собой разность подводимой и колебательной мощностей. В области недонапряженного режима рассеиваемая мощность может быть настолько велика, что анод лампы расплавится. Это, в частности, происходит, если выключить задающий генератор при работе усилителя мощности в -ре жиме с малым углом отсечки.

Генерирование высокочастотных колебаний. Рассмотренный выше генератор требует для свой работы внешнее возбуждение.

Вместе с тем существует класс колебаний, возникновение которых не связано с каким-либо внешним воздействием. Они появляются как бы сами собой в специальных устройствах, имеют вполне определенную форму, параметры, свои особенности. Разумеется, из ничего эти колебания появиться не могут. Для их возникновения необходимы определенные условия, причины; о них будем говорить позже. Сейчас же обратим внимание на то, что колебания формируются самостоятельно, без постороннего воздействия. Такие колебания называются

автоколебаниями, а устройства, их порождающие, – автогенерато-

рами, которые далее будем называть просто генераторами. Определим те предпосылки, которые необходимы для самопроиз-

вольного возникновения автоколебаний. Для этого обратимся к обычному параллельному колебательному LC-контуру. Если контур подвергнуть кратковременному воздействию(например, импульсному), в нем возникнут электрические колебания, меняющиеся по синусоидальному закону. Из электротехники известно, что колебательный процесс в контуре не может продолжаться бесконечно долго, рано

или поздно он затухнет. Причина затухания тоже известна: из-за потерь в контуре энергия колебания непрерывно уменьшается, рассеивается. В конечном итоге колебание уменьшится до нуля.

Значит, для того чтобы колебание не исчезло, необходимо постоянно пополнять рассеиваемую энергию. Поскольку в контуре отсутствует источник энергии,

придется это делать за счет внешнего источника. В качестве него можно взять источник постоянного напряжения или тока.

Обратимся к схеме рис. 2.7. Если в отсутствие в LC-контуре колебаний ключ K перевести в положение 2, конденсатор С зарядится до напряжения источника Е, получив некоторое количество энергии. При переводе ключа в положение 1 в контуре возникнут свободные колебания. Чтобы колебания не затухали(из-за наличия сопротивления потерь Rп ), будем периодически в такт с колебательным процессом подключать конденсатор С к источнику Е. В результате конденсатор будет постоянно порциями подзаряжаться от источника, пополняя свою энергию. За счет этого колебания в контуре станут незатухающими. Для поддержания в контуре колебаний необходимо синхронное с ними переключение ключаK. Для этого необходима цепь управления (цепь обратной связи), передающая соответствующие команды на переключения. Очевидно, источником команд должен быть сам

Рассмотренная простейшая схема может считаться моделью автогенератора гармонических колебаний. Практическая реализация этой модели представлена схемой на рис. 2.8. Частотно-задающим звеном является LC-контур, источником энергии – источник постоянного напряжения Ec , включенный в цепь

стока полевого транзистораVT.

Роль ключа K выполняет затвор

транзистора. Напряжение Uз на

затворе управляет током стокаI. Переменная составляющая этого тока пополняет энергию контура. Обратная связь обеспечивается катушкой связи Lсв , индуктивно связанной с катушкой контураL. Степень обратной связи определяется, таким образом, коэффи-

70 Глава 2. Передающие и приемные устройства систем радиосвязи и вещания

циентом взаимоиндукции М. Транзистор не только выполняет функцию ключа K, но и «помогает» обратной связи, обеспечивая за счет своего усиления поступление в контур необходимых порций энергии.

Дополнительный источник Е в цепи затвора играет вспомогательную роль, устанавливая, как увидим далее, необходимый режим работы транзистора.

Таким образом, все необходимые для генерации элементы, определяемые моделью генератора(см. рис. 2.7), находим в принципиальной схеме рис. 2.8. Однако для генерации колебаний необходимо еще выполнить определенные условия, которые нужны, во-первых, для появления колебаний (баланс фаз) и, во-вторых, для поддержания возникших колебаний с определенной амплитудой и частотой

(баланс амплитуд).

Вначале рассмотрим физическую картину самовозбуждения. Естественно, в генераторе, как, впрочем, и в любой схеме и цепи,

колебания из ничего появиться не могут. Необходим какой-то толчок изнутри или снаружи. Таким внутренним толчком могут быть флуктуации напряжения или тока, вызванные тепловым движением носителей зарядов (электронов, ионов). Эти флуктуации очень малы по интенсивности, но при определенных условиях могут стать источником упорядоченных колебаний.

Рассмотрим более простую ситуацию, связанную с появлением тока в момент включения источника напряжения Ec. При появлении тока стока I конденсатор контура С зарядится и в контуре начнутся свободные затухающие колебания. Переменный ток i L , проходящий по катушке L, за счет взаимоиндукции вызывает появление переменного

пряжение Uк . Фактически напряжение Uк является усиленным транзистором переменным напряжением затвора. Частота напряжения на затворе равна частоте собственных колебаний контура. Следовательно, и переменная составляющая тока стока имеет ту же частоту. Поэтому в контуре автоматически всегда будет резонанс токов иLC- контур для переменной составляющей тока стока представляет большое резистивное сопротивление Rэк .

Для самовозбуждения обратная связь должна быть достаточно большой, иначе переменное напряжение на затворе вызовет слишком малую переменную составляющую тока стока, энергия которой окажется недостаточной для компенсации потерь в контуре.

Впринципе генератор похож на усилитель. Колебания, возникающие

вконтуре, с помощью обратной связи подаются на вход усилительного элемента (в данном случае транзистора), усиливаются им и выделяются