23.2. Получение больших мощностей

Современные радиопередающие устройства представляют собой сложные комплексы, в которых основными являются системы формирования радиосигнала, управления, блокировки и сигнали­зации, электропитания, охлаждения.

Простейшая схема системы формирования радиосигнала пере­датчика с амплитудной модуляцией показана на рис. 23.1, а. Для обеспечения малой нестабиль­ности частоты в передатчи­ках применяют маломощный возбудитель-генератор с квар­цевой стабилизацией частоты (см. § 16.5). Частота возбу­дителя выбирается в п раз ниже частоты несущей выход­ного радиосигнала. Мощность и частота гармонического ко­лебания, получаемого с воз­будителя, многократно уве­личиваются по мере его прохождения через каскады резона­нсных умножителей частоты и усилителей мощности, описанных со­ответственно в § 17.2 и 15.3. Усиленное гармоническое колеба­ние с частотой радиосигнала поступает на амплитудный модуля­тор, на другой вход которого поступает усиленный модулирующий сигнал. В маломощных передатчиках модуляция осуществляется смещением с помощью базовых или сеточных модуляторов. В мощ­ных передатчиках устанавливают анодные либо коллекторные модуляторы, а для облегчения режима работы модуляционного электронного прибора по управляющему электроду применяют модуляцию не только в оконечном каскаде передатчика, но и в предоконечных. Это дает возможность уменьшить входные токи мощного модулятора и тем самым повысить КПД.

В связных радиопередатчиках, работающих с одной боковой полосой, используют маломощные модуляторы, а нужную мощ­ность получают с помощью усилителей модулированных сигналов.

В передатчиках с частотной модуляцией модуляция выполня­ется в возбудителе путем воздействия модулирующим сигналом на частоту (рис. 23.1,6). Модулированный по частоте радиосигнал также многократно усиливается в умножителях частоты и усили­телях мощности.

Как видно из схем, представленных на рис. 23.1, радиопере­датчик собирается из каскадов, в отдельности рассмотренных в предыдущих главах учебника, поэтому здесь разбираются только специфические системотехнические вопросы.

Основной показатель передатчика — необходимая колебательная мощность — простейшим образом обеспечивается при разработке ламповых передатчиков. Современные мощные электронные лампы позволяют получить от одной лампы мощность, измеряемую сот­нями киловатт. Большие мощности получаются при использова­нии в одном каскаде нескольких мощных ламп. Часто применяют двухтактные схемы усилителей мощности и модуляторов, в каждом плече которых включено по две мощные лампы. Большее число ламп параллельно редко включают, так как из-за разброса пара­метров лампы нагружаются неодинаково.

Выходные каскады современных транзисторных либо тиристорных передатчиков конструируют из отдельных блоков, каждый из которых отдает свою мощность в общую нагрузку. В нагрузке мощности суммируются. При разработке метода суммирования мощностей важно обеспечить слабую связь между блоками.

Часто применяют мостовой способ сложения мощностей. Про­стейшая схема сумматора показана на рис. 23.2, а, его обобщен­ная схема — на рис. 23.2,б. В этой схеме для устранения взаим­ного влияния усилителей обычно подбирают R_б = R_н, а Z₁ = Z₂.

Мощности усилителей А1 и А2 складываются в сопротивлении нагрузки R_H, если амплитуды и фазы токов I₁ и I₂ одинаковы. При этом в балансном сопротивлении R_б мощность не выделя­ется. Если один из усилителей выходит из строя, то мощность оставшегося усилителя распределяется на сопротивлениях R_Н и R_б. Следовательно, при сложении мощностей достигается и эффект резервирования. При выходе из строя одного блока передача не прекращается, а только уменьшается мощность излучения.

Сложение мощностей двух транзисторных усилителей мощ­ности не позволяет получить достаточно большие мощности. По­этому приходится складывать мощности большего числа усилите­лей, применяя для этого многополюсные сумматоры и делители. Многополюсные делители необходимы для создания синфазных сигналов, возбуждающих отдельные усилители мощности.

Многополюсные сумматоры и делители реализуются в виде каскадно соединенных мостовых схем. На рис. 23.3 показана схема сложения мощностей четырех усилителей. Суммарная мощ­ность выделяется на сопротивлении R_н.

Конструктивно мостовые сумматоры выполняют различными способами: на основе трансформаторов, отрезков кабельных линий, волноводов, а в диапазоне микроволн — на отрезках полосковых линий, изготовляемых по интегральной технологии.

Наряду с мостовыми и многополюсными суммирующими устрой­ствами используют и сложение мощностей в пространстве. Этот способ перспективен в диапазоне метровых и более коротких волн в передатчиках, работающих на направленные антенны. Каждый усилитель мощности или модулятор питает автономную антенну. Все антенны располагаются так, чтобы связь между ними была слабой. Мощности, излучаемые отдельными антеннами в опреде­ленном направлении, складываются. Направление, в котором складываются мощности, зависит от расположения отдельных антенн, а также от фаз токов, питающих эти антенны, поэтому, изменяя фазы токов, можно менять диаграмму направленности антенны в целом.

Способ сложения мощностей в пространстве создает необходи­мые предпосылки для разработки интегральных модулей, в кото­рых конструктивно неразрывно связаны один блок передатчика и излучающая система.

Проблема получения больших мощностей решается примене­нием многокаскадных усилителей мощности. Однако из-за различных трудно предсказуемых связей в конструкции передат­чика часто нарушается его устойчивость. Передатчик становится склонным к самовозбуждению. Эта склонность тем больше, чем больше выходная мощность и число каскадов усиления. Само­возбуждается передатчик, как правило, на частотах, далеких от частоты радиосигнала. Продукт самовозбуждения попадает в ан­тенну и излучается. Следовательно, самовозбуждение передатчика увеличивает побочные излучения и уменьшает КПД передатчика. А релаксационное самовозбуждение на очень низких частотах, наблюдаемое в виде скачкообразных изменений излучаемой мощ­ности передатчика, значительно сокращает срок службы усили­тельных элементов.

В соответствии с критерием Найквиста (см. § 8.5) передатчик устойчив, если на частотах, на которых ОС положительна (J_mT = 0), модуль возвратного отношения Т петли обратной связи меньше единицы (Т < 1). Однако фазовая характеристика возвратного отношения петли паразитной ОС, охватывающей несколько каска­дов резонансных усилителей, изменяется очень быстро. Частот, на которых J_mT (ω) = 0, много. Поэтому считается, что передат­чик устойчив, если все его каскады устойчивы в отдельности и модуль возвратного отношения |Т | петли паразитной ОС, охва­тывающей весь передатчик, на любой частоте меньше единицы.

Последнее условие выполняется с помощью схемотехнических и конструктивных мер. Все маломощные каскады и частично мощные каскады экранируют. Отдельные каскады питаются от различных источников. Указанные меры уменьшают возвратное отношение на любой частоте. Применение умножителей частоты позволяет распределить коэффициент усиления мощности на частот­ной оси и таким образом уменьшить максимальный коэффициент усиления, в том числе и на частоте радиосигнала.

Определенную проблему представляет и обеспечение устойчи­вости отдельных каскадов. Резонансные усилители мощности часто возбуждаются за счет связи между выходной и входной цепями усилителя. Вероятность самовозбуждения уменьшают минимизацией числа реактивных элементов в контурах и проходных емко­стей, связывающих выходную цепь с входной, и шунтированием паразитных реактивных элементов резисторами, нейтрализацией проходной емкости, создавая петлю отрицательной ОС. В диапа­зоне сверхвысоких частот для обеспечения устойчивости отдель­ных каскадов используют усилители с общей базой и общей сеткой.

Большие мощности современных радиопередатчиков, сравни­тельно низкий промышленный КПД способствуют выделению боль­шого количества теплоты, поэтому для защиты от перегрева мало­мощные каскады конструктивно удаляют от мощных. Отвод теплоты от мощных каскадов, как правило, осуществляется спе­циальной системой охлаждения в передатчиках малой и средней мощности с помощью кондуктивной системы, когда теплота от нагретых частей усилительных элементов и деталей контуров благодаря теплопроводности охлаждаемого элемента передается другим частям конструкции. Для улучшения теплопроводности используют металлические (иногда алмазные) прокладки. В более мощных передатчиках применяют системы принудительного воз­душного или водяного охлаждения. В бортовых радиопередатчи­ках часто используют системы охлаждения, основанные на фазо­вых превращениях веществ (испарении, плавлении).

Литература: А.А. Каяцкас, “Основы радиоэлектроники”, Издательство «Высшая школа», Москва, 1988.