электросвязь / 29. Структурная схема передатчиков

Лекция 29

Назначение и структурная схема радиопередатчика

Основные этапы развития радиопередатчиков

Радиопередатчиками называются радио технические устройства служащие для генерирования, усилия по мощности и модуляции ВЧ и СВЧ колебаний, подводимых к антенне и излучающих в производство.

Под сигналом понимают колебание, несущее информацию.

Электромагнитный сигнал, излученный в пространство, называется радиосигналом.

Первые РПД разработанные (16.03.1859г. в Пермской обл.) А. С. Поповым и Маркони были искровыми.

Рис.1. Упрощенная схема радиоприемника Попова

Рис.2. Осциллятор Герца

7 мая 1895 г. В Петербургском Университете Попов впервые продемонстрировал свой чувствительный газоотметчик, принимающий колебания, излучаемые видоизмененным осциллятором Герца. Этот день отмечается как День Радио. Позже в 24 марта 1896г. он продемонстрировал созданный им искровой радиопередатчик, передав на расстояние в 250м из одного здания в другое азбукой Морзе первую в мире радиограмму. Она была записана на ленту телеграфического аппарата («Генрих Герц»)

Сущность осциллятора состояла в том, что к двум латунным стержням, на концах которых были закреплены шары, накалившие электрические заряды, подключалось индукционная катушка, создающая напряжение в несколько десятков киловольт. К другим концам стержней были прикреплены полированные шарики, зазор между которыми (искровой промежуток) составлял несколько миллиметров. Когда напряжение превышало напряжение пробоя, в зазоре вспыхивала искра и происходило возбуждение электромагнитных колебаний, длина волны =2l. Два стержня с шариками – вибратор.

Рис.3. Упрощенная схема радиопередатчика Попова

Рис.4. Упрощенный вариант радиопередатчика:

а – схема; б – график колебаний.

Когда К1 замкнута, К2 разомкнута и наоборот. При замыкании К1 конденсатор С заряжается до Е, при размыкании К1 и замыкании К2 в контуре возникает затухающий колебательный процесс. В радиопередатчике (рис. 4) роль контактных групп выполняет прерыватель, создающий при нажатом плече импульсы в первичной обмотке, при этом во вторичной обмотке возникает высокое напряжение, периодически приводившее к электрическому пробою разряднику, и в антенном контуре возникают затухающие колебания. Длительность посылки соответствующих тире и точка.

Рис. 3 в качестве электромагнитной волны Попов использовал осциллятор Герца (рис. 2), в котором генерация ВЧ колебаний является следствием искрового разряда, а в качестве регистратора усовершенствованный когерер – стеклянную трубку длиной 70 мм и диаметром 10 мм, наполовину засыпанную железными опилками. К внутренним стенкам трубки с разрывом 2 мм были прикреплены 2 тонкие пластины, шириной 2 мм. Когерер реагировал на электрические разряды, замыкая цепь электромагнитных реле, контакты которого замыкали цепь включения звонка.

После каждого приема сигнала Когерер необходимо было встряхивать, чтобы железные пластины вновь становились чувствительными к электрическим зарядам. Встряхивание происходило автоматически, с помощью звонка молоточек ударял по трубке Когерера. К Когереру Попов присоединил длинный провод увеличивающий чувствительность. Таким образом прибор стал реагировать на грозовые раскаты (от сюда название).

Упрощенная схема радиопередатчика Попова изображена на рис. 3. Чтобы понять, как происходила генерация ВЧ колебаний в таком передатчике, рассмотрим упрощенную схему (рис. 4). В радиопередатчике А. С. Попова присутствуют все необходимые элементы, обеспечивающие все основные функции передатчика. Генерация осуществляется путем преобразования энергии источника постоянного тока в энергию ВЧ колебаний с помощью прерывателя, антенного контура и искрового разрядника, а модуляция - с помощью ключа.

Затем стали использовать машинные генераторы (частотой 15 кГц, мощностью 2 кВт).

В дальнейшем выделяются 3 основные направления:

1) увеличение мощности генерируемых непрерывных колебаний; 2) уменьшение нестабильности частоты; 3) освоение более высоких диапазонов частот.

Эти проблемы решили электровакуумные приборы, которые сделали радиопередатчики более надежными, долговечными, малогабаритные.

РПД представляет собой сборку из отдельных каскадов и блоков. К наиболее важным относятся:

1. автогенератор или генератор с самовозбуждением, является источником ВЧ и СВЧ. В зависимости от стабилизации частоты различают кварцевые или бескварцевые;

2. генератор с внешним или независимым возбуждением является усилителем ВЧ или СВЧ сигнала по мощности. В зависимости от ПП различают узко и широкополосные генераторы.

3. Умножитель частоты;

4. Преобразователь частоты, предназначен для смещения частоты колебаний на требуемую частоту;

5. Делитель частоты;

6. Частотный модулятор, предназначен для фазовой модуляции;

7. Фазовый модулятор;

8. Фильтры, для пропускания сигнала только в определенной полосе частот. Различают полосовые, НЧ, ВЧ и режекторные фильтры;

9. Согласующие устройства, служащие для согласования выходного сопротивления радиопередатчика с входным сопротивлением антенны.

К числу основных блоков, составляемых из каскадов относится:

- блок ВЧ или СВЧ сигнала по мощности, составляет из последовательно включенных генераторов с внешним возбуждением;

- блок умножителя частоты, использующий в случае большого коэффициента умножителя;

- синтезатор частот, служит для образования дискретного множества частот;

- возбудитель, включающий синтезатор частот, частотный или фазовый модулятор;

- амплитудный модулятор;

- импульсный модулятор;

- АФУ, соединяющий выход РПД с антенной и содержащий фильтр, направленный ответвитель, ферритовое однонаправленное и согласующее устройства;

- блоки автоматического регулирования, служащие для стабилизации параметров РПД. Строятся на основе микропроцессора.

Переход с одной частоты на другую осуществляется с помощью электрического коммутатора. При большом числе работающих частот возбудитель представляет собой цифровой синтезатор частот, построенный на основе большой интегральной схемы (БИС).

Принцип функционирования передатчиков диспетчерской связи.

В диспетчерской связи наибольшее применение находят передатчики с аппаратной модуляцией, используемые для радиообмена в телефонном режиме.

f₀

f₀

ЗГ

БУ

У

М

АРГМ

f₀, f₀+F

F

Мк

Рис.1 Структурная схема приемника диспетчерской связи

Принимаемый сигнал поступает из антенны во входную цепь (ВЦ), представляющую собой резонансную колебательную систему, состоящую из катушек индуктивностей и конденсаторов. Она настраивается на частоту сигнала 'fc принимаемой станции и пропускает его к усилителю высокой частоты (УВЧ). Такой усилитель содержит в качестве нагрузки, колебательный контур, который также настраивается на частоту сигнала f_с.

Полоса пропускания колебательного контура связана с его добротностью соотношением.

2Δf_c = f_{рез /} Q

(1.1)

где f_рез — частота резонанса;

Q - добротность контура.

Выражение (1.1) в первом приближении относится и к более сложным многоконтурным системам.

Добротность Q мало меняется с частотой. Внутри диапазона волн она практически остается постоянной. Ориентировочные значения добротности контуров для различных диапазонов указаны в табл. 2. Там же приведены данные о полосе пропускания, рассчитанные по выражение (1.1) для одной из частот каждого диапазона.

Задающий генератор такого передатчика (ЗГ) предназначен для формирования колебаний несущей частоты fо с высокой стабильностью, при которой обеспечивается беспорядочное ведение связи. Допустимая относительная нестабильность fo в диапазоне УКВ составляет (10÷50) • 10^-6, а в диапазоне КВ не превышает (0,5÷50) • 10^-6. Указанные величины достигаются применением кварцевой стабилизации частоты и размещением генераторов в термостате.

Беспоисковое установление связи в современных передатчиках обеспечивается путем формирования в ЗГ дискретной, сетки рабочих частот с возможностью выделения любой из них. Это достигается использованием в качестве ЗГ синтезаторов частоты. Шаг сетки частот в той части диапазона УКВ, которая отводится для диспетчерской радиосвязи (118—136 МГц), составляет по нормам ICAO 25 кГц, что позволяет получить 720 фиксированных волн связи. В диапазоне КВ (2—30 МГц) интервал между соседними частотами сетки составляет 100 Гц, а число фиксированных волн достигает 280 тыс.

Стабильность частоты ЗГ в значительной мере зависит от нагрузки, параметры которой могут изменяться при перестройке передатчика и под действием различных дестабилизирующих факторов (напряжения питания, температуры, влажности воздуха и др.). Для предотвращения подобного влияния между ЗГ и последующими каскадами передатчика устанавливается буферный усилитель (БУ) обладающий высоким входным сопротивлением и представляющий для ЗГ ничтожную нагрузку. Попутно БУ выполняет функцию предварительного усилителя высокой частоты, развивая мощность, необходимую для работы следующего усилителя.

Усилитель мощности (УМ) предназначен для получения требуемого уровня мощности сигнала в антенне передатчика. Амплитуда несущей частоты подвергается модуляции в УМ. Для этого изменяют его коэффициент усиления в соответствии с мгновенным значением модулирующего сигнала. Коэффициентом усиления УМ можно управлять по-разному. Чаще всего используют ток питания УМ, изменяя его по закону модулирующего сигнала. Достаточный уровень тока получают ст модулятора М, представляющего собой усилитель низкой частоты, нг вход которого подается сигнал от микрофона Мк.

Глубина модуляции m зависит как от амплитуды звукового сигнала на входе М, так и от его коэффициента усиления. Для предотвращения паре модуляции, вызываемой повышением громкости звуков перед микрофоном, применяется автоматическая регулировка глубины модуляции (АРГМ). Ее сущность заключается в уменьшении коэффициента усиления М с ростом среднего значения m на выходе передатчика и аналогична принципу действия АРУ приемника.

Кварцевая стабилизация частоты передатчика

Формирование колебаний несущей частоты в передатчике обеспечивается генератором с самовозбуждением, входящим в состав блока возбудителя. Как известно, такой генератор состоит из усилительного элемента (в качестве которого применяется транзистор, электронная лампа или диод, обладающий отрицательным сопротивление), колебательного контура и цепи обратной связи.

В свободном контуре возникающие по какой-либо причине электрические колебания затухают вследствие рассеяния энергии. Эти потери можно компенсировать включением в контур отрицательного сопротивления, «например в виде туннельного диода, или путем усиления колебаний и передачи части их энергии в контур по цепи обратной связи.

Генераторы с самовозбуждением широко используют емкостную связь (рис.3), особенно в диапазоне УКВ.

Колебательный контур состоит из катушки индуктивности L_к, и емкости, образованной двумя последовательно соединенными конденсаторами С_к и Ссв. Возникшие в нем колебания при включении источника тока создают на Сов гармоническое напряжение, которое усиливается транзистором и оказывается приложенный к контуру. Если фаза этого напряжения совпадает с фазой колебания, вызвавшего его появление, а амплитуда достаточна для компенсации.

Таким образом, условием самовозбуждения генератора является баланс амплитуд и фаз в петле обратной связи. В качестве элементов колебательного контура может- быть использован кварцевый резонатор. Он представляет собой пластину, вырезанную из кристалла кварца и обладающую пьезоэффектом.

Рис. 3 Емкостная трехточка с кварцевой стабилизацией частоты

Под действием электрического поля в кварцевой пластине возникает механическое усилие, приводящее к ее деформации. Изменение полярности прикладываемого напряжения приводит к изменению направления действия силы. Поэтому переменное напряжение, приложенное к кварцу, заставляет, его колебаться, а если частота приближается к частоте механического резонанса, то амплитуда колебаний оказывается значительной. Эти колебания обладают высокой стабильностью, а сопутствующее им изменение электрических зарядов на поверхностях пластины позволяет включить ее в схему генератора (рис. 4)

Электрическим эквивалентом кварцевого резонатора является колебательный контур (рис. 5). Эквивалентами массы, упругости и потерь на трение являются элементы L_кв, С_кв и г. Емкость держателя, в котором укрепляется пластина кварца, отображается элементом С_дер.

Рис.4 Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Рис.5 Резонансная характеристика кварцевого резонатора

Такой контур обладает двумя резонансами — последовательным f_{рез 1} и параллельным f_peз2, причем f_рез1 < f_рез2 (рис.6). Между ними сопротивление эквивалентной схемы имеет индуктивный характер. Поэтому кварцевым резонатором можно заменить элемент 1к схемы генератора (см. рис.3), получая схему с кварцевой стабилизацией частоты (см. рис. 4). Практически последовательно с кварцем включают дополнительно катушку индуктивности для компенсации емкостной составляющей кварцевого контура и получения требуемых фазовых соотношений.

Крутизна характеристики кварца пропорциональна его добротности. Чем круче резонансная характеристика, тем меньше отличается частота установившихся колебаний от f_рез1 так как для получения необходимой величины индуктивного сопротивления между базой и коллектором транзистора требуется меньший сдвиг частоты.

Увеличение дробности приводит к возрастанию энергии колебаний, запасаемой кварцевым резонатором по сравнению с энергетическими запасами в других элементах генератора, влияющих на его нестабильность (например, в емкостях р— n — переходов транзистора). Поэтому дестабилизирующее влияние указанных элементов значительно ослабляется при использовании в генераторе кварца, добротность которого составляет Q = (20÷30) тыс., а в случае помещения в вакуумную колбу — 500 тыс.

С понижением резонансной частоты кварца возрастают величины реактивных составляющих его импеданса. Поэтому реактивные элементы генератора, оказывающие дестабилизирующее воздействие, влияют слабее и относительная нестабильность кварцевого генератора понижается.

Кварцевые генераторы могут работать на основной гармонике в диапазоне частот от 4 кГц до 10 МГц. Низкочастотный предел обусловлен трудностью получения больших пластин кварца. Высокочастотный предел определяется тем, что чрезвычайно тонкая пластина является слишком хрупкой. Более высокие частоты могут генерироваться с использованием высших гармоник колебаний кварца или, что более распространено, с применением основных колебаний и умножением частоты.

Мощность, которую можно стабилизировать с помощью кварцевого генератора, ограничивается на низких частотах опасностью разрушения пластины от механических напряжений, обусловленных значительными амплитудами колебаний, а на высоких — опасностью перегрева кварца вследствие рассеяния в нем энергии высокой частоты. Для достижения высокой стабильности кварцевый генератор должен обладать малой мощностью.