Разработка передатчика низовой радиосвязи

Многие из показателей передатчика  являются взаимно противоречивыми. Так, стремление получить от электронного или полупроводникового прибора  большую мощность с высоким КПД  приводит к необходимости использовать режимы работы со сложной формой тока и напряжения. В спектре таких токов и напряжений, кроме рабочих составляющих, содержатся многочисленные нерабочие – гармоники. Следовательно, применив такой выгодный с точки зрения мощности и КПД режим, приходится принимать меры для подавления нерабочих составляющих спектра, например, ставить многокаскадные фильтры; стоимость, габаритные размеры, масса каскада возрастут, а потери энергии в деталях фильтра уменьшат выигрыш КПД.

Стремление получить от электронного или полупроводникового прибора  большую мощность и высокий КПД  часто находится в противоречии с заданными требованиями на малые  нелинейные искажения при амплитудной модуляции.

Требование высокой стабильности частоты (малого f_нест или e), не удается или экономически невыгодно непосредственно реализовать в генераторе большой мощности.

Для преодоления подобного рода противоречий необходимо, прежде всего, предъявлять к передатчику целесообразные, не завышенные и не заниженные требования. При заниженных требованиях может нарушиться работа системы, в которую входит передатчик, или могут появиться недопустимо большие помехи другим системам. При завышенных требованиях затраты на разработку, производство и эксплуатацию передатчиков могут оказаться неоправданно большими; завышенные требования могут быть просто невыполнимыми.

Основным путем преодоления  противоречий, содержащихся в технических  требованиях к современному передатчику, является путь разделения функций между  несколькими каскадами передатчика  таким образом, чтобы каждый каскад обеспечивал реализацию одного требования и не создавал препятствий для  реализации других требований другими  каскадами. Так, мы приходим к идее многокаскадного  передатчика с частотной модуляцией, который, будет разработан в данной курсовой работе.

 

1.2 Структурная схема передатчика

 

Только передатчики простейших РТС строят как однокаскадные, в  виде мощного автогенератора, работающего непосредственно на антенно-волноводную (антенно-фидерную) систему. Такими являются передатчики метеонавигационных самолетных и навигационных судовых радиолокаторов (рисунок 1).

 

 

Рисунок 1. – Функциональная структурная схема однокаскадного

передатчика:

АГ - генератор электрических колебаний радиочастоты,

М – модуляционное  устройство,

В – устройство питания,

0 – система  охлаждения,

Ау –  автоматическое управление

 

Большинство современных передатчиков, строятся по многокаскадной схеме. Структурная схема такого радиопередатчика показана на рисунке 2.

 

Рисунок 2. – Структурная схема многокаскадного передатчика

 

Источником колебаний радиочастоты является задающий генератор АГ (генератор  с самовозбуждением или автогенератор), который должен обеспечить получение  нужной частоты с заданной допустимой нестабильностью частоты для указанных внешних условий. Генератор с высокой стабильностью частоты обычно имеет малую мощность Р_АГ =0,001... 0,01 Вт. Для получения заданной мощности на выходе передатчика колебания автогенератора приходится усиливать.

Число усилителей мощности радиочастоты (УМ) определяется требуемым коэффициентом  усиления, усилительной способностью и выходной мощностью каждой ступени. В качестве активного усилительного элемента УМ используют электронные лампы и полупроводниковые приборы (транзисторы, тиристоры), пролетные многорезонаторные клистроны, амплитроны, лампы бегущей волны и др.

Применение многокаскадной структурной  схемы – основной путь получения высокой стабильности частоты мощного передатчика. Поскольку основные каскады, включая самые мощные, являются усилителями, энергетические и многие качественные показатели передатчика (полезная мощность, промышленный КПД и т.д.) определяются параметрами каскадов усиления.

Последний, самый мощный, каскад усиления УМ_n определяет выходную полезную мощность, а следовательно, и промышленный КПД передатчика. Этот каскад называют выходным или оконечным; УМ₂, УМ₃ и т.д. считают промежуточными (предварительными), а УМ_n-1 – предоконечным каскадом усиления.

Для получения высокого КПД большинство  ГВВ работают со сложной периодической  формой тока в выходной цепи, отличающейся от гармонической. Следовательно, спектр тока выходной цепи содержит как основную составляющую рабочей частоты f_н, так и гармонические составляющие частоты 2f_н, 3f_н, 4f_н, кроме этих составляющих в составе спектра тока могут быть и всевозможные комбинационные составляющие. Для того чтобы гармоники рабочей частоты и иные побочные составляющие не попали в антенну и не мешали работе других радиолиний (чтобы уровень этих составляющих не превышал допустимого), на выходе передатчика устанавливают выходную фильтрующую (колебательную) систему (ФС), т.е. фильтр, пропускающий рабочие и ослабляющий неосновные составляющие спектра выходного тока электронного или полупроводникового прибора.

Необходимость в сложной, громоздкой и дорогой многоконтурной системе  на выходе передатчика обусловлена  использованием негармонической формы  тока для получения высокого КПД.

В передатчиках СВЧ и более ВЧ диапазонов для обеспечения заданной (допустимой) нестабильности частоты  можно применять автогенератор, работающий на частоте, в несколько  раз меньшей номинальной частоты  передатчика. При этом в состав тракта усиления мощности следует включать умножители частоты (на рисунке 2 не показаны), способствующие также уменьшению влияния нагрузки передатчика и его мощных каскадов на работу автогенератора. Однако основным в ослаблении этого влияния является первый каскад усиления, называемый буферным.

Передаваемое сообщение, например сигнал звуковой частоты W, усиливается в модуляционном устройстве, которое также имеет несколько каскадов усиления. Сигнал с последнего каскада модуляционного устройства подается на один из каскадов радиочастоты (указано штриховой), где происходит модуляция (амплитудная, частотная, импульсная, однополосная или др.). Последний каскад называют модулятором, а предшествующий – подмодулятором.

Кроме того, в состав мощного передатчика  входит несколько выпрямителей, образующих систему питания, система охлаждения, система управления, блокировки и сигнализации, обеспечивающая установленный порядок включения и выключения передатчика, безопасность обращения с ним для обслуживающего персонала и сигнализирующая о неисправном состоянии передатчика.

Угловая модуляция может быть получена прямым способом, когда модулируется непосредственно частота автогенератора передатчика, или косвенным, когда  в промежуточном каскаде передатчика  производится фазовая модуляция. Структурные  схемы передатчиков с этими способами  модуляции приведены на рисунках 3 и 4.

 

Рисунок 3. – Структурная схема передатчика с прямой ЧМ

Рисунок 4. – Структурная схема передатчика с косвенной ЧМ

 

Другими словами, прямую частотную  модуляцию осуществляют: в полупроводниковых генераторах путем изменения параметров колебательного контура с помощью варикапов, варикондов, реактивного транзистора, нелинейной индуктивности (на частотах от нескольких мегагерц до десятков гигагерц); в диодных генераторах (на туннельном диоде, диоде Ганна) путём изменения напряжения смещения на диоде; в транзисторных RC-генераторах путём изменения режима работы транзистора (тока коллектора, напряжения смещения на переходе эмиттер-база).

В системах косвенного получения частотной  модуляции используются фазовые модуляторы (ФМ).

Известны четыре наиболее распространённые структурные схемы передатчиков с ФМ:

• с ФМ на выходе передатчика;
• с ФМ в предоконечных каскадах с последующим усилением мощности сигнала ФМК;
• с ФМ в начальных каскадах с последующим умножением частоты и усилением мощности сигнала ФМК;
• с ФМ на поднесущей частоте с последующим транспонированием и усилением ФМ сигнала.

Те и другие способы получения ЧМ имеют свои недостатки и достоинства. Достоинство прямого метода – возможность получения глубокой и достаточно линейной частотной модуляции, недостаток – трудность обеспечения стабильности средней частоты колебания с ЧМ. Достоинство косвенного способа – высокая стабильность средней частоты, недостатки – неглубокая модуляция, трудность передачи низких модулирующих частот.

Возможность получения глубокой и  линейной ЧМ делает предпочтительным прямой способ в радиовещательных передатчиках и передатчиках НРС. При этом для  повышения стабильности средней  частоты используют систему автоматической подстройки частоты (АПЧ) по высокостабильному  кварцевому эталону. Структурная схема  такого передатчика приведена на рисунке 5.

 

Рисунок 5. − Структурная схема ЧМ передатчика с эталонным

генератором

 

Для построения передатчика НРС (согласно техническому заданию) воспользуемся подобной схемой, но уточним состав и количество входящих в неё блоков.

Так как обычно в передатчиках НРС  возбудитель не предусматривают, то НЧ сигнал подается сразу на ГУН. Но для увеличения стабильности по частоте  в качестве эталонного генератора в  передатчике с ЧМ можно использовать кварцевый автогенератор. На варикап VD1 подается модулирующее напряжение U_W, на варикап VD2 – управляющее напряжение системы фазовой автоподстройки частоты. Разделение функций управления объясняется тем, что девиация частоты под влиянием модулирующего сигнала относительно невелика в сравнении с диапазоном подстройки ведомого генератора.

Умножители частоты включают в  структуру передатчика для повышения  устойчивости, но при этом из-за нелинейностей  их АЧХ увеличиваются нелинейные искажения ЧМК в «n» раз, соответственно, где n – коэффициент умножения частоты.

В нашем случае, источником сигнала U_W является микрофон с последующим усилителем звуковой частоты (УЗЧ) Управление ГУН в этом случае также производится через два варикапа, на один из которых подаётся модулирующее напряжение U_W с выхода УЗЧ, а на другой варикап – управляющее напряжение системы ФАПЧ. Девиация частоты под действием модулирующего сигнала на выходе передатчика равна 20 кГц. Индекс модуляции:

 

 (1.1)

 

где Df – девиация частоты на выходе ГУН (или передатчика, в зависимости от того хотим ли мы получить индекс модуляции на входе или на выходе передатчика соответственно), а F_в – верхняя частота спектра речевого сигнала т.е. F_в = 3,4 кГц.

На выходе ГУН, как было сказано  выше, сигнал имеет небольшую девиацию частоты » 3 кГц и соответственно небольшой коэффициент модуляции:

 

 (1.2)

 

а по техническому заданию передатчик должен обеспечить девиацию частоты как минимум Df = 20 кГц.

Поделив полученный индекс модуляции  на выходе передатчика на индекс модуляции на входе передатчика (выходе ГУН) можно определить во сколько раз необходимо произвести умножение частоты сигнала на входе передатчика для получения требуемой девиации частоты в 20 кГц сигнала на выходе передатчика:

 

 (1.3)

 

С учетом того, что необходимо минимизировать число каскадов, а стандартный максимальный коэффициент умножения частоты одного каскада n = 4, то в нашем случае, число каскадов умножителей частоты получается k = 3, а коэффициент умножения частоты каждого каскада n = 2. При этом девиация частоты на выходе передатчика получится Df = 3400 × 2× 2× 2 » 27,2 кГц. Мощность на выходе ГУН порядка 50 мВт. Выходная колебательная мощность нашего ЧМ передатчика по техническому заданию должна быть 10 Вт, следовательно, входной сигнал передатчика необходимо по мощности усилить в 200 раз. Оконечный же мощный каскад передатчика в соответствии с расчётами, (раздел 2. РАСЧЁТ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА) может обеспечить коэффициент усиления по мощности порядка К_р » 32. Умножив на КПД согласующей цепи (примерно 0,8) получим К_рпол » 25. Значит, необходимо обеспечить коэффициент усиления по мощности как минимум ещё в 8 раз, перед оконечным каскадом будут стоять еще 3 умножителя напряжения с коэффициентами усиления по мощности (с учетом потерь в согласующих цепях) порядка К_р » 2. После выше изложенных рассуждений, проводимых с целью обозначить необходимые составные части и объяснить назначение этих частей в структурной схеме, предлагается структурная схема передатчика НРС с ЧМ, вид которой показан на рисунке 6:

 

Рисунок 6. − Структурная схема проектируемого ЧМ передатчика

 

Таким образом, структурная схема  нашего ЧМ передатчика вместе с блоками  уже имеющимися в схеме на рисунке 5 в своём составе дополнительно  содержит:

• Микрофон, который обеспечивает преобразование речевого сообщения в электрический входной сигнал передатчика;
• Усилитель звуковой частоты, который обеспечивает усиление амплитуды сигнала поступающего с микрофона на управляющий варикап;
• Буферный каскад, необходимый для защиты ГУН, генератора частоты и системы ФАПЧ от влияния на них последующих каскадов;
• 3 умножителя частоты с коэффициентами умножения частоты n = 2, необходимые для обеспечения требуемой девиации частоты на выходе передатчика;
• усилитель мощности;
• цепь согласования, обеспечивающую согласование выходного сопротивления оконечного каскада передатчика с входным сопротивлением фидера 75 Ом на заданной частоте.