§ 7.4. Особенности схем и конструкций транзисторных радиопередатчиков

При рассмотрении работы основных радиоэлектронных устройств неоднократно отмечалось, что во всех современных радиоэлектронных схемах лампы могут быть заменены транзисторами. Это можно сделать и в радиопередающих устройствах. Но «транзисторизация» передат­чиков связана с определенными трудностями, главной из которых является получение большой высокочастотной мощности. В ламповых передатчиках эта задача решается за счет использования мощных высокочастотных генераторных ламп. К сожалению, в настоящее время нет сверхмощных транзисторов. Поэтому при создании тран­зисторных передатчиков нужно применять специальные схемы, поз­воляющие получить необходимые выходные мощности передатчика с помощью большого числа однотипных транзисторных усилителей мощности, в каждом из которых используются относительно маломощ­ные транзисторы.

Известно, что для повышения мощности в нагрузке можно сое­динять вместе несколько усилителей. Различают две схемы такого соединения: параллельную и последовательную, или двухтактную. При параллельном соединении усилителей соединяют вместе коллек­торы, базы и эмиттеры всех транзисторов. В двухтактных схемах каждый транзистор работает отдельно, а в нагрузке складываются их коллекторные токи (см. §3.11). Однако объединить большое число транзисторов ни в параллельной, ни в последовательной схеме не удается из-за большого разброса их параметров и склонности к само­возбуждению. В лучшем случае таким способом удается удвоить или утроить мощность в нагрузке, а требуемая выходная мощность передатчика часто на несколько порядков превышает мощность, ко­торую может отдать один транзистор. Поэтому для решения постав­ленной задачи используют специальные схемы сложения мощностей отдельных однотипных генераторов, называемых сумматорами. Сумматоры должны отвечать следующим требованиям.

Пусть N усилителей гармонического сигнала одной и той же ча­стоты имеют равные амплитуды колебаний на выходе и каждый и» них отдает в согласованную нагрузку мощность Р. Первое требование, которое предъявляют к сумматору, состоит в том, что он должен так согласовывать работу этих N усилителей, чтобы мощность на выходе сумматора была равна P_общ = NP.

Второе требование заключается в том, что все выходы сумматора должны быть развязаны между собой. Это означает, что любые изме­нения в режиме работы каждого отдельного усилителя (от холостого хода до короткого замыкания) не должны влиять на работу осталь­ных усилителей, каждый из которых по-прежнему должен отдавать в нагрузку мощность Р. При выходе из строя некоторого числа уси­лителей мощность в нагрузке должна снизиться на возможно меньшую величину.

В настоящее время используют два метода суммирования мощно­стей., При первом сложение сигналов по мощности производится с помощью антенной системы. В этом случае антенная система пред­ставляет собой сложное устройство, состоящее из N отдельных антенн, называемых излучателями. К каждому излучателю подво­дится сигнал от отдельного усилителя. Если сигналы излучателей сфазированы соответствующим образом, мощность, излучаемая антенной системой, оказывается равной NP, где Р — по-прежнему выходная мощность отдельного усилителя. При указанном методе суммирования обеспечивается очень хорошая развязка отдельных усилителей между собой, а при выходе из строя М усилителей мощность Р_общ уменьшает­ся только на величину МР. Кроме того, такая сложная антенная система, которая называется антенной решеткой (см. главу 8), позво­ляет получить улучшенные характеристики всей антенны. Например, изменяя фазы выходных напряжений отдельных каскадов, можно изменять важнейший параметр антенны — ее диаграмму направлен­ности. Однако рассмотренный метод суммирования пригоден только для СВЧ диапазона.

Более универсальным является второй, схемный метод суммиро­вания мощностей отдельных усилительных каскадов. Для его реали­зации используют многополюсники, к входам которых присоединяют усилители и балластные нагрузки, а к одному из них подключают антенну.

Одна из наиболее простых и распространенных схем такого вида, называемая мостовой, представлена на рис. 7.12, а.

При балансе моста связь между выходами передатчиковА и В будет очень слабой, т. е. развязка передатчиков окажется хоро­шей. Если при этом амплитуды выходных напряжений обоих передат­чиков будут одинаковы, а их фазы в точках 1 и 2 будут сдвинуты на ± π, то переменные токи в резисторе R₁ будут компенсироваться, а в резисторе R₂ — складываться (такое утверждение непосредственно следует из рис. 7.12, а, где стрелками указаны направления перемен­ных токов в плечах моста). Поэтому, если в качестве R₁ используется балластный резистор, а в качестве R₂ — антенна, то при идеальной настройке в балластном резисторе мощность не будет рассеиваться, а в антенне будет выделяться суммарная мощность. Реальный вариант описанной схемы приведен на рис. 7.12, б.

Эта схема может быть непосредственно использована на относи­тельно низких частотах. При повышении частоты работа такой мо­стовой схемы ухудшается из-за трудностей ее симметрирования. По­этому при повышении частоты применяют другое конструктивное оформление мостовых схем, например, кольцевой коаксиальный мост (рис. 7.13).

Три плеча этого моста имеют длину , а одно. В резуль­тате волны от передатчиков А и В приходят в точку 1 в фазе, а в точ­ку 2 — в противофазе, т. е. в идеальном случае сигналы от обоих пере­датчиков на входе балластного ре­зистора R_б компенсируются, а на входе антенны складываются. Что­бы получить максимальный эффект при сложении мощностей, необхо­димо выполнить два условия: выходные мощности передатчиков должны быть равны, а напряжения на входе балластного резистора — противофазны. Равенства мощно­стей добиваются изменением связи на выходе передатчика, а нужную фазу подбирают за счет изменения длины коаксиального кабеля.

Используя один мост, а в выходном усилителе передатчика — двухтактную схему, можно, имея транзисторы с выходной мощностью Р, получить выходную мощность передатчика, равную 4Р. Если требуется большая выходная мощность передатчика, применяют не­сколько мостовых схем. При этом в передатчиках с суммированием мощностей производят постепенное наращивание мощности, а числе» транзисторных усилителей обычно выбирают равным 2ⁿ. Один из воз­можных вариантов структурной схемы такого передатчика имеет вид, показанный на рис. 7.14.

Мостовые схемы обладают существенным недостатком, заключаю­щимся в том, что при выходе из строя одного из усилителей выходная мощность передатчика уменьшается в четыре раза и становится рав­ной P/2 (так как мощность работающего усилителя разделяется по­ровну между полезной и балластной нагрузками). Для его устранения необходимы специальные блокирующие устройства, которые при выходе из строя одного из усилителей подключают второй (работаю­щий) усилитель непосредственно к нагрузке.

Кроме специфической схемы мощных каскадов, в транзисторных передатчиках, по сравнению с ламповыми, существует ряд других отличий. Первое из них связано с защитными устройствами.

Мощные высокочастотные транзисторы, как правило, работают в режиме, близком к предельному. Поэтому даже кратковременное и сравнительно небольшое превышение этого режима нередко приво­дит к выходу транзистора из строя. Наиболее частыми причинами, на­рушающими нормальную работу транзистора, являются: импульсные перенапряжения, возникающие в цепях питания и приводящие к про­бою p-n-переходов транзистора; изменения нагрузки, вызывающие рассогласование и приводящие к изменению режима работы выходного каскада.

Нужно заметить, что макси­мальное напряжение, необходи­мое для питания транзисторных передатчиков, не превышает 30 В. Так как в большинстве случаев транзисторные передат­чики являются бортовыми, для их питания используют централизованную сеть постоянного тока,, обычно имеющуюся на подвижных объектах. Никаких преобразо­вателей напряжения или выпрямителей при этом не требуется, что приводит к значительному снижению габаритов и веса радиопере­датчиков. Однако в централизованной бортсети, к которой, кроме передатчика, подключается много других потребителей, возможно возникновение импульсных напряжений, превышающих номинальное напряжение питания в два-три раза.

Для предохранения транзисторов от импульсных перенапряжений передатчик подключают к бортсети через специальные защитные уст­ройства, которые можно разделить на два вида. К первому виду от­носятся ограничительные схемы, где используются, например, полупроводниковые стабилизаторы. Эти защитные устройства ограничи­вают величину напряжения питания на уровне U₁ (рис. 7.15, а). Защитные устройства второго вида осуществляют автоматическое отключение питающего напряжения, если оно превышает тот же уро­вень U₁ (рис. 7.15, б).

Устройства защиты с ограничением напряжения более предпочти­тельны, так как при этом не происходит отключения передатчика. Однако к. п. д. устройств второго вида выше, чем устройств первого вида.

Для нормальной работы выходного каскада транзисторного пере­датчика необходимо иметь хорошее согласование его выходного со­противления с нагрузкой. Если нагрузка изменяется и согласование нарушается, то, во-первых, появляется отраженная волна, а, во-вто­рых, уменьшается мощность, отдаваемая в нагрузку и, следователь­но, растет мощность рассеяния на коллекторе. Увеличение мощности рассеяния повышает температуру коллекторного перехода, увеличи­вает ток I_К0 и может вызвать пробой транзистора. Появление отражен­ной волны может привести к значительному обратному напряжению между коллектором и эмиттером и также вызвать пробой транзистора.

Из изложенного следует, что в транзисторном передатчике необ­ходимо предусматривать включение системы защиты, которая предот­вращала бы отрицательные последствия рассогласования выходного каскада с нагрузкой. Оптимальным методом защиты от рассогласова­ния является применение ферритовых вентилей и циркуляторов, включаемых в антенно-фидерный тракт передатчика. Эти устройства поглощают отраженную волну, защищая транзистор от перегрузок.

Существенным вопросом при проектировании транзисторных ра­диопередатчиков является обеспечение необходимого теплового режима всех его узлов и элементов. Особенно важно снижать рабочую темпе­ратуру полупроводниковых приборов. Для более интенсивного тепло­обмена в транзисторных передатчиках широко используют радиаторы, отвод тепла от которых производится путем как естественной, так и искусственной (с помощью вентиляторов) конвекции. Поддержание определенного теплового режима во многом определяет конструкцию передатчика. Обычно все полупроводниковые приборы располагают на общем теплоотводящем радиаторе. При необходимости электриче­ской изоляции транзистора относительно радиатора между ними по­мещают изоляционную теплопроводящую прокладку, например, из бериллиевой керамики.

Конструкции современных транзисторных передатчиков имеют три модификации.

Основой первой модификации служит теплоотводящий радиатор, на котором, кроме полупроводниковых приборов, располагаются все остальные элементы схемы. Каждый каскад находится в отдельном отсеке, а все каскады экранируются.

Вторая модификация является модульной. Каждый высокочастот­ный каскад собирают на отдельной плате или небольшом радиаторе, образующем модуль. Каждый модуль отдельно настраивают и регули­руют. Затем из отдельных модулей (высокочастотных и низкочастот­ных) на общей плате монтируют схему всего передатчика.

Третья модификация использует интегральные и гибридные схе­мы, являющиеся законченными высокочастотными и низкочастотными узлами с определенными выходными параметрами. Из таких схем и создается схема передатчика в целом.

Первая модификация конструкции передатчика обычно приме­няется в KB диапазоне, остальные — в СВЧ диапазоне.

Литература: В. Н. Ушаков, “Основы радиоэлектроники и радиотехнические устройства”, Изд-во «Высшая школа», Москва, 1976.