Разработка радио-передатчика

При стабилизации фиксированных частот распространены схемы с кварцевым резонатором  включенных в цепь коллектор-база (емкостная  трехточка), или в цепь база-эмиттер (индуктивная трехточка).

С точки  зрения стабильности обе схемы позволяют получить стабильность порядка (1…5)·10^-5[1]. Схема с кварцевым резонатором в цепи коллектор-база обеспечивает лучшею стабильность. Ее недостаток в том, что схема будет работать в тяжелых условиях с большей амплитудой напряжения. На кварцах рассеивается менее 5% мощности подводимой к генератору. Для разных типов кварцевых генераторов эта мощность не должна превышать 1…2 мВт [2].

На рис.9. приведена практическая схема осцилляторного кварцевого генератора с емкостной трехточкой на частоту 14,1 МГц и показана его связь с удвоителем частоты [3].

 

Рисунок 9 - Схема осцилляторного кварцевого генератора

с удвоителем частоты.

 

На рис.10. показаны схемы генераторов параллельного резонанса, в которых возбуждение кварца производится на основной частоте 15…20 МГц. В генераторах по схеме емкостной трехточки, кварц включен между коллектором и базой транзистора (рис. 10, а). Они просты по конструкции и настройке и обеспечивают стабильность частоты.

 

а

б

в

Рисунок 10 - Варианты принципиальных схем кварцевых генераторов параллельного резонанса

 

На рис. 11. приведена схема возбуждения кварца на механических гармониках. Один из конденсаторов схемы емкостной трехтонки заменен параллельным контуром, который настраивается в резонанс на частоту ниже частоты генерации. В результате контур имеет емкостную проводимость на частоте нужной гармоники, а на низших гармониках и на основной частоте - индуктивную проводимость, что исключает возможность генерации на низших гармониках и основной частоте.

 

а

б

 

 

Рисунок 11 - Принципиальная схема кварцевого генератора (емкостная трехточка) на механической гармонике кварца (а)

и ее эквивалентная  схема (б)

 

а

б

 

Рисунок 12 - Принципиальные схемы кварцевого генератора последовательного резонанса:

 

На рис 12 приведены схемы генераторов последовательного резонанса. В схеме на рис 12, б последовательно с катушкой L1 включен конденсатор С_у, образуя с ней последовательный контур, который настроен на частоту ниже частоты генерации. В результате на частоте генерации контур L1 С_у будет иметь индуктивное сопротивление. Конденсатор С_у может быть включен и в схеме на рис. 12, а вместо разделительного конденсатора С_р. Контур L1C_y включают последовательно с кварцем в тех случаях, когда требуется перестраивать частоту генератора в широких пределах. В таком случае удается увеличить подстройку частоты в 3 раза[± (60—150) • • f_к] Где f_к – частота в МГц. Для этого увеличивается значение индуктивности в 3 раза и включается конденсатор С_у такой емкости, при которой кварц возбуждается вблизи последовательного резонанса. С помощью конденсатора С_у установливают номинальную частоту генерации, а с помощью подстройки сердечником индуктивности точную настройку частоты генерации. В генераторе кварц работает на механической гармонике, пределы перестройки частоты с помощью только одной катушки включенной последовательно с кварцем, меньше чем на его основной частоте. С помощью одной катушки индуктивности L1 удается перестраивать частоту генерации в пределах [± 15 • 10^-6 • f_к ].

Для увеличения пределов перестройки частоты генерации индуктивность, ориентировочное значение которой предварительно рассчитывают, увеличивают в 2—3 раза и последовательно с ней включают конденсатор С_у такой емкости, при которой кварц возбуждается вблизи последовательного резонанса механической гармоники. В этом случае удается подстраивать частоту генерации в пределах [± 30 • 10^-6 • f_к].

 

3.4. Методы и схемы модуляции

Изменение параметров тока высокой частоты  по закону передаваемого сигнала  называется модуляцией. Передатчики  малой мощности строятся с амплитудной  и частотной модуляциями.

Значительное  применение в передатчиках находит  амплитудная модуляция (АМ) благодаря  небольшой ширине излучаемого спектра, простоте наладки и схемы.

Транзисторные передатчики с АМ широко применяются для диспетчерской связи (f = 27 МГц), в подвижных радиостанциях различного назначения (f = 80... 106 МГц) и в самолетных передатчиках (100...400 МГц).

Частотная модуляция (ЧМ) применяется  в радиовещательных и связных  передатчиках. Спектр ЧМ колебания  состоит из большого количества пар  боковых колебаний. Однако основная часть спектра сосредоточена  в полосе:

=2

где.- девиация частоты, m-индекс модуляции.

Полоса излучаемых частот при ЧМ в т +1 раз шире спектра АМ сигнала.

При ЧМ уменьшается воздействие  внешних помех на работу линий  связи, уменьшаются помехи радиовещанию, не создаются помехи усилителям различной аппаратуры, что используется при АМ-модуляции.

В передатчиках бытовых радиотелефонов применяется узкополосная ЧМ при  девиации частоты ± (2,5...5,0) кГц.

Метод фазовой модуляции как  самостоятельный не применяется, а  используется как промежуточный  шаг для получения ЧМ с высокостабильной средней (несущей) частотой (метод косвенной  частотной модуляции).

 

1. Схемы амплитудной модуляции

а

б

в

Рисунок 13 - Схемы амплитудной модуляции: а – на базу; б – на эмиттер;

в – на коллектор

 

Амплитудная модуляция осуществляется воздействием модулирующего напряжения на базу (рис. 13, а), эмиттер (рис. 13, б) либо коллектор (рис. 13, в).       Возможны и комбинированные схемы модуляции, при которых модулирующее напряжение воздействует одновременно на базу и на коллектор. Во всех схемах АМ должен быть выдержан единый принцип; напряжение питания Е_п, модулирующее (низкочастотное) U_Ω и высокочастотное U_eоз6 напряжения, подаваемые на соответствующие электроды, всегда должны быть включены последовательно.

Схема модуляции на базу изменением смещения работает в недонапряженном режиме. Ее достоинство состоит в глубокой модуляции при малых напряжениях и мощности модулирующей (например звуковой) частоты. Недостаток - малый КПД цепи коллектора в несущем режиме и при малых глубинах модуляции, что определяет большую мощность рассеяния на коллекторе [1]:

,

где - мощность, потребляемая выходной цепью АМ передатчика в режиме молчания; - максимальная колебательная мощность на 1-й гармонике; т- коэффициент глубины модуляции. Кроме того, при коэффициенте глубины модуляции т > 0,6...0,7 появляются заметные нелинейные искажения. Для уменьшения искажений угол отсечки коллекторного тока в максимальном режиме выбирают = 110... 120°.

Модуляция на базу изменением смещения применяется в каскадах малой (иногда средней) мощности. Пример осуществления  этого метода показан на рис. 13,а.

Модуляция на эмиттер (см. рис.13, б) требует значительно большей мощности модулятора, чем базовая модуляция, что обусловлено протеканием тока эмиттера через источник напряжения модулирующей частоты. Энергетические показатели этой схемы (использование мощности транзистора. КПД несущего режима) такие же, как при модуляции на базу. При эмиттерной модуляции получаются несколько меньшие искажения чем при базовой,

 

особенно при глубине модуляции т > 0,7...0,75.

Плохие энергетические показатели, относительно большая мощность модулятора делают эмиттерную модуляцию нерациональной.

Модуляция на коллектор (см. рис.13, в) имеет высокий энергетический показатель, но требует большей мощности модулятора [1]:

 

,

 

соизмеримой с мощностью модулируемого генератора:

 

 

 

Схема коллекторной модуляции должна работать в перенапряженном режиме, что является ее существенным недостатком.

Применяются две схемы соединения генератора с модулятором при коллекторной модуляции: с помощью трансформатора (см.рис.13, в) и путем последовательного включения генераторного VT1 и модуляторного VТ2 транзисторов (рис.14, б). Напряжение питания Е_п во второй схеме выбирается в 2 раза большим, чем в первой.

В транзисторных  передатчиках используется комбинированная  модуляция. Например, коллекторная АМ осуществляется одновременно и синфазно в выходном и одном - двух промежуточных  каскадах. В этом случае в самом  маломощном каскаде осуществляют коллекторную модуляцию, а все последующие  каскады работают в режиме усиления модулированных колебаний при одновременной  коллекторной модуляции.

Дополнительная  модуляция (ггодмодуляция) , уменьшает  напряженность режима оконечного каскада  и тем самым линеаризует модуляционную  характеристику,  что снижает  нелинейные искажения и облегчает тепловой

режим работы.

 

а

б

Рисунок 14 - Практические схемы выходных каскадов передатчиков с АМ а - на базу; б - на коллектор.

 

Глубина подмодуляции предоконечного каскада выбирается   в  пределах т_пред /m= 0,5. ..0,7. При этом обеспечивается приемлемая линейность модуляционной характеристики [1].

В случае применения однотипных транзисторов в предоконечном и оконечном каскадах и при питании этих каскадов от одного источника рекомендуется  выбирать максимальную модуляцию     m_max =80 .85%, а относительную глубину подмодуляции т_пред /m = 1.

Коллекторную модуляцию применяют в маломощных приемопередатчиках (при мощности в антенне Р_А до 100.. .200 мВт), когда в качестве модулятора может быть использован усилитель звуковой частоты приемника. Следует отметить, что для получения хорошего КПД всей схемы модулятор должен быть двухтактным и работать в классе В. Схемы амплитудных модуляторов не отличаются от схем усилителей звуковой частоты.

 

2. Схемы частотной модуляции

Частотная модуляция может осуществляться двумя методами: прямым и косвенным. Косвенный метод основан на преобразовании фазовой модуляции в частотную.

При прямом методе модулирующее напряжение подается на частотный модулятор  ЧМ, который подключается к контуру  задающего генератора ЗГ и изменяет его частоту.

Прямой метод частотной модуляции  осуществляют в передатчиках без кварцевой стабилизации частоты либо в кварцевых передатчиках с малой девиацией частоты (Δf-2,5...5,0 кГц) при высокостабильной несущей частоте (например, в бытовых радиотелефонах).

Недостатком прямого метода является влияние перестройки по частоте на стабильность несущей частоты генератора. Достоинством метода является простота схемы и наладки.

На рис.16 (П1) приведены схемы автогенераторов без кварцевой стабилизации с частотными модуляторами на варикапах [4]. При изменении модулирующего напряжения Uмод, подаваемого на варикап, изменяется емкость варикапа. Поскольку диод по высокой частоте подключен к контуру автогенератора, будет изменяться и генерируемая частота.

В схеме генератора с индуктивной  трехточкой (рис .16,а) колебательная система образована LС-контуром, состоящим из индуктивности L = L1+L2 и емкости, включающей в себя емкость варикапа, емкость связи С1, емкость С2 = Скт +См. Здесь Скт - емкость контурной катушки, См - емкость монтажа.

Схема с емкостной обратной связью (рис.16, б) имеет преимущества перед схемой с индуктивной обратной связью. Эти преимущества заключаются в отсутствии отводов от части катушки, упрощении конструкции катушки и упрощении монтажа. Схемы автогенераторов с емкостной связью устойчивее работают в диапазоне СВЧ. В работе [4] приведен подробный аналз схем автогенераторов с индуктивной и емкостной связью.

 

3. Схемы ЧМ автогенераторов с кварцем

Схемы ЧМ автогенераторов с кварцем приведены на рис.18. В радиотелефонии используется узкополосная частотная модуляция с кварцевой стабилизацией частоты задающего генератора передатчика.

Схемные решения задающих генераторов (возбудителей) разнообразны и различаются по схемам включения транзисторов (ОЭ, ОК, ОБ), точкам подключения кварцевого резонатора (коллектор-база, база-земля), нагрузкам  каскада (активная, индуктивная, резонансный  контур, настроенный на первую или  третью механическую гармонику кварца) (см. рис. 9). В радиопередатчиках радиотелефонов применяется емкостная трехточка (рис. 18).

Эта схема (рис. 18, ) стабильна по частоте генерации, менее других склонна к возникновению паразитных колебаний, технологична (может быть собрана без катушек индуктивности), легко регулируется изменением емкости конденсаторов в цепи образной связи и работоспособна при низких напряжениях питания.

Наибольшее распространение в  одноканальных РПДУ получила схема, где кварцевый резонатор включен последовательно с базой транзистора и варикапом (см.рис.18). Между кварцем и варикапом включается катушка индуктивности Lком, компенсирующая начальную емкость варикапа и облегчающая возбуждение кварца вблизи частоты последовательного резонанса. Компенсирующую катушку шунтируют резистором, чтобы избежать нежелательных резонансных явлений. В схемах (рис.18), модулирующее напряжение звуковой частоты подается на частотный модулятор на варикапе через ФНЧ для ограничения полосы модулирующих частот, что уменьшает спектр излучения передатчика. Частота среза ФНЧ выбирается порядка 3 кГц, так как в телефонии принята полоса частот 300...3000 Гц.

В схеме рис. 18, а смещение на варикап подается с делителя напряжения R1,R2; резисторы R2, RЗ и конденсатор С_ф образуют фильтр, препятствующий проникновению колебаний высокой частоты в источник модулирующего сигнала. Контур LC  настроен на 3-ю гармонику кварца ZQ.

В возбудителе на рис.18, б (схема с ОК) транзистор работает на эмиггерную нагрузку, а умножение модулированной частоты осуществляется в предоконечном каскаде усилителе - утроителе.

На рис. 18, в показан варикап частотного модулятора с последовательным управлением частотой кварцевого резонатора. В этой схеме напряжение смещения транзистора, полученное на делителе R4, R5, служит одновременно для задания рабочей точки варикапа (для транзистора это напряжение отпирающее, а для варикапа - запирающее). Модулирующее напряжение звуковой частоты подается через ФНЧ (R_ф, С_Ф) и компенсирующую катушку Lком на варикап VD1, изменяя его емкость и частоту последовательного резонанса кварца ZQ.