Разработка радио-передатчика

Введение

 

Радиопередающее устройство – источник радиочастотных колебаний  в системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиолокации, телеуправления и т.д. Его назначение – сформировать радиосигнал, который подводится к  антенне или линии связи (коаксиальному  кабелю, волноводу, радиорелейной линии). Радиосигналом называется высокочастотное  колебание, один или несколько параметров которого изменяются (модулируются) в  соответствии с передаваемым сообщением.

Современные радиопередающие устройства классифицируют по области их применения. Этот признак  определяет рабочий диапазон, общую  структуру, вид модуляции, способ стабилизации частоты и прочие основные данные передатчиков. Классификация производится еще и по мощности в нагрузке, виду активного элемента в мощных каскадах, по условиям работы.

Структура радиопередающих  устройств различна в зависимости  от целевого назначения и рабочего диапазона станции. Поэтому мы ознакомимся  с принципами построения радиопередающих  устройств различных типов. При  этом по техническому признаку все  радиопередатчики разбиты на две  группы: с непрерывным и импульсным излучением сигналов. Вне зависимости  от целевого назначения у передатчиков каждой из этих групп много общего между собой. К первой группе относятся  передатчики радиовещательных, связных, телевизионных, части радионавигационных станций и линий телеуправления. Ко второй группе относятся передатчики  радиолокационных станций, многоканальных линий связи, телеуправления и радионавигационных станций.

По принципу работы радиовещательные и связные  станции близки друг к другу, но если передатчики с непрерывным излучением сигналов работают на

 

фиксированной волне (так же работают и телевизионные  станции), то

передатчики с импульсным излучением сигналов могут  изменять свою рабочую частоту в  пределах широкого диапазона.

Радиовещательные  и связные передатчики строятся по многокаскадной схеме состоящей  из генератора с самовозбуждением (его  называют задающим генератором передатчика), одного или нескольких каскадов усиления (генераторов с внешним возбуждением), модулятора и антенно-фидерного  устройства. Некоторые из промежуточных  генераторов с внешним возбуждением могут работать в режиме умножения  частоты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Классификация радиопередатчиков

Радиопередатчики  классифицируются:

1. По назначению – связные, радиовещательные, телевизионные, радиолокационные, радионавигационные, телеметрические и т.д.;
2. По мощности – маломощные (до 100 Вт), средней мощности (до 10 кВт), мощные (до 1000 кВт) и сверхмощные (свыше 1000 кВт)[7];
3. По роду работы (виду излучения) – телеграфные, телефонные, однополосные, импульсные и т.д. Виды излучения обозначаются тремя индексами: первый (буква) характеризует вид модуляции: A – амплитудная, F – частотная, Р – импульсная; второй (цифра) определяет тип передачи: 0 – излучение немодулированной несущей, 1 – телеграфирование без модулирующей звуковой частоты, 2 – тональная телеграфия и т.д.; третий индекс (буква) определяет вспомогательные характеристики[7];
4. По способу транспортировки – стационарные и подвижные (переносные, автомобильные, корабельные, самолетные и т.д.);
5. По диапазону частот – ДВ, СВ, КВ, УКВ.

 

Структурная схема радиопередающего устройства

Рисунок 1 - Структурная схема радиопередающего устройства ЗГ  – задающий генератор; УМН – каскад умножения частоты колебаний; УС – усилительные каскады; АФУ –  антенно-фидерное устройство.

Задающий  генератор предназначен для создания незатухающих высокочастотных колебаний  в определенном диапазоне частот при необходимой стабильности, устанавливаемой  частоты.

Умножители  и усилители повышают частоту  и повышают мощность колебаний создаваемых  задающим генератором.

Устройство  управления колебаниями изменяет один или несколько параметров незатухающих гармонических колебаний по закону передаваемого сигнала. Это производится воздействием на выходной или предоконечный  каскад либо на задающий генератор  или на один из промежуточных каскадов усилительного тракта.

Антенно-фидерное устройство преобразует энергию  высокочастотных колебаний в  энергию электромагнитного излучения.

 

 

 

 

2. Блок-схемы  передатчиков

При расчете  и составлении блок-схемы передатчика  исходят из следующих основных требований технического задания: диапазона частот, мощности в антенне, вида модуляции, стабильности частоты.

Рисунок 2 – Блок-схемы передатчиков малой мощности: а –  прямого усиления; б – с системой АПЧ

1 – стабильный  возбудитель частоты; 2 – каскады  умножения частоты; 3 – каскады  усиления сигнала по мощности; 4 – выходной усилитель мощности (ГВВ); 5 – система АПЧ; 6 – мощный  автогенератор; 7 – эталонный генератор  системы АПЧ

 

Выбирается  блок-схема прямого усиления или  АПЧ (рисунок 2). При использовании  блоков в передатчике на транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером, имеющих высокий коэффициент, выбирают  схему прямого усиления.

Схема с АПЧ  используется в УКВ и ДМВ диапазонах, когда выходной каскад передатчика  собирается на транзисторе, включенном по схеме с общей 

 

базой. При этом наличие мощного автогенератора позволяет уменьшить количество высокочастотных каскадов.

Производят  расчет, цель которого определение  количества каскадов передатчика, выбор  типа транзистора, выбор колебательной  системы и метода стабилизации частоты.

Расчет блок-схемы  ведется от выходного каскада, выбирая  по мощности каждого каскада соответствующий  транзистор. Затем выбирается тип  автогенератора и метод стабилизации частоты. Определяют коэффициенты умножения  каскадов. В зависимости от вида модуляции выбирается тип модулятора. В соответствии с диапазоном частот выбирается колебательная система  и метод перестройки.

На основании  проведенных расчетов составляется блок-схема передатчика.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Электрические схемы передатчиков

Электрические схемы каскадов передатчика должны удовлетворять его техническим требованиям и назначению. К каскадам передатчика относятся: выходной (оконечный) каскад, предоконечный каскад, умножители частоты, возбудитель и модулятор.

 

3.1.Схемы выходного каскада

Схемы оконечного каскада определяется рядом электрических, конструктивных и эксплуатационных требований к передатчику и  типом антенны. В передатчиках, работающих с несимметричными антеннами, применяются однотактные схемы выхода (рис.3 а,б). При работе на симметричные антенны использовать двухтактные схемы.

 

а

б Рисунок 3 – Схемы однотактных усилителей мощности

 

При проектировании радиопередатчиков выбор схемы выходного каскада определяется следующими закономерностями.

Каскад  на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис.3,а; рис. 4), имеет по сравнению со схемой с общей базой (рис.3, б) ряд преимуществ: больший коэффициент усиления, что сокращает необходимое число каскадов усиления; высокое, чем в схеме с ОБ, входное сопротивление, что обеспечивает согласование с источником сигнала; выходное сопротивление транзистора имеет активный характер, что уменьшает чувствительность каскада к рассогласованию с нагрузкой. Схему с ОЭ удобно использовать в выходном каскаде при работе на антенну, параметры работы которой отличаются на различных диапазонах или изменяются во время работы (например в подвижных радиостанциях).

Недостатки  схемы с ОЭ – зависимость коэффициента усиления, а также входного и выходного  сопротивлений усилителя от частоты  и сопротивлений источника сигнала  и нагрузки.

 

Рисунок 4 – Схема однотактного выходного усилителя мощности при включении транзистора по схеме с ОЭ

 

3.2. Схемы промежуточного усилителя.

На практике применяются две основные схемы  промежуточных каскадов усиления с  настроенной и апериодической нагрузками.

Наибольшее  распространение получили схемы  с настроенным контуром в коллекторной цепи, работающие в режиме усиления или умножения частоты.

Промежуточные каскады обеспечивают заданное напряжение и мощность для возбуждения следующего каскада; минимальное влияние изменений в выходной цепи (например расстройки) на входную; постоянное по величине выходное напряжение (мощность) в рабочем диапазоне частот; отсутствие искажений выходного сигнала.

В зависимости  от вида связи с выходным каскадом различают схемы с емкостной (рис.5, а,б), автотрансформаторной (рис.5, в) и индуктивной связями (рис.5, г).

Достоинство емкостной связи - высокое постоянство коэффициента включения в диапазоне и снижение появления высокочастотных паразитных колебаний в цепи базы следующего каскада вследствии снижения емкостного сопротивления участка база-эмиттер.

Недостаток  схемы – неудобство регулировки  напряжения возбуждения и некоторое  увеличение начальной емкости контура за счет делителя С1,С2

(рис.5, б).

В схеме  с автотрансформаторной связью (рис.5, в) подбор связи осуществляется изменением точки подключения выходного каскада к контуру. Схема отличается высоким постоянством коэффициента включения в диапазоне, если величина индуктивности дросселя больше не менее чем в 10..20 раз индуктивности контурной катушки.

Схема с индуктивной связью (рис.5, г) применяется в передатчиках, работающих на одной частоте. Величина коэффициента включения, определяющего степень связи контура с входной цепью возбуждаемого каскадавыбирается в зависимости от вида режима работы последнего.

 

а

б

в

г Рисунок 5 – схемы промежуточных каскадов

Если  возбуждаемый каскад работает в недонапряженном  режиме, то выбирают слабую связь, с  целью повышения стабильности напряжения возбуждения, которое влияет на выходной ток активного элемента каскада.

При работе в перенапряженном режиме можно  допустить более сильную связь, а следовательно и большую  неравномерность напряжения возбуждения.

 

3.3. Схемы задающего генератора (ЗГ).

В современных  передатчиков малой и средней  мощности используются:

1. одноконтурные схемы с индуктивной связью, буферным каскадом и емкостной связью.
2. двух контурные схемы с емкостной связью
3. схемы с кварцевой стабилизацией частоты.

 

3.3.1. Схемы транзисторных генераторов

 

Рисунок.6 - Задающий генератор с индуктивной связью.

 

Рисунок 7 - Задающий генератор с емкостной связью.

 

Рисунок 8 - Задающий генератор с буферным каскадом.

 

Одноконтурные схемы представлены на рис.6; рис.7; рис.8.

1. последовательное питание коллекторной цепи.
2. параллельное питание коллекторной цепи.
3. автотрансформаторной связи схем с параллельным питанием и общим выходным электродом  (коллектор, сток, анод) который можно заземлить через конденсатор переменной емкости и тем самым устранить влияние оператора на настройку частоты.

В схемах с емкостной связью рис.7. применяется последовательное питание, что конструктивно выгоднее.

С точки  зрения стабильности частоты все 3 схемы  равноценны.

Вывод: одноконтурная  схема задающих генераторов широко используется в многокаскадных, диапазонных  передатчиках.

 

3.3.2. Схемы кварцевых генераторов

Схемы кварцевых  генераторов используются в тех случаях, когда повышенные требования к стабильности частоты не могут быть выполнены обычными мерами (температурная стабилизация).

Кварцевые генераторы подразделяются:

1. На генераторы параллельного резонанса.
2. Генераторы последовательного резонанса.

В генераторах  параллельного резонанса возбуждение  происходит на частоте внутри резонансного интервала,  но вблизи параллельного  резонанса. В генераторах последовательного  резонанса возбуждение происходит на частоте вблизи последовательного  резонанса. Реактивное сопротивление  кварца равно нулю, а его активное сопротивление очень мало.