Введення

У допомозі розглядаються принципи побудови пристроїв генерації і формування радіосигналів, призначених для передачі інформації. Такі пристрої називатимемо радіопередавальними пристроями (РПУ). Призначення передавача - сформувати сигнал відповідно до певних вимог, встановлених при розробці системи, і підвести його до антени або лінії зв’язку.

Визначення. Радіопередавальний пристрій - комплекс радіотехнічних засобів, призначений для перетворення енергії джерел живлення в енергію високочастотних коливань і управління цими коливаннями з метою передачі інформації. Радіосигналом називають коливання радіочастоти, один або декілька параметрів якого змінюються (модулюються) відповідно до передаваного повідомлення (інформацією).

Класифікація РПУ. За призначенням розрізняють передавачі радіомовні, телевізійні, для радіозв’язку, радіонавігація, телеметрична, радіолокації і так далі.

По потужності - передавачі малої (<100 Вт), середньої (0,1...3 кВт) і великої (більше 3 кВт) потужності.

По вигляду модуляції - передавачі з амплітудною (AM), частотною (ЧМ), фазовою (ФМ), імпульсною або кодово-імпульсною модуляцією і ін.

По активних елементах в могутніх (вихідних) каскадах - транзисторні, лампові, клістронні і ін.

По діапазону хвиль - довгохвильові, середньохвильові, короткохвильові, УКВ, СВЧ і так далі

Основні параметри і характеристики РПУ:

1. Діапазон робочих частот (або фіксована робоча частота).

2. Вид модуляції і її параметри.

3. Потужність радіопередавача в антені.

4. Діапазон модулюючих частот.

5. Коефіцієнт корисної дії.

6. Допустима нестабільність частоти.

7. Допустимий рівень нелінійних спотворень.

8. Допустимий рівень позасмугових випромінювань.

Структурні схеми РПУ. У багатьох випадках структура РПУ складається з двох частин - збудник і підсилювач потужності. У збуднику на малому рівні потужності формуються високочастотні коливання і проводиться їх модуляція. У підсилювачі потужності ці коливання посилюються і по фідеру поступають в антену. Розглянемо два приклади структурних схем радіомовних передавачів.

На мал. В1 представлена структура передавача з амплітудною модуляцією.

На мал. В.2 приведена структурна схема передавача з частотною модуляцією. Модуляція здійснюється за допомогою управителя (Упр) частотою автогенератора. Для стабілізації середньої частоти ЧМ-коливань використовується схема автопідстроювання частоти (АПЧ).

Мал. В.1

Збудник (задаючий генератор - ЗГ) є малопотужним автогенератором, частота якого стабілізована кварцевим резонатором. Подальші каскади підсилюють потужність до необхідного рівня. Структурна схема - багатокаскадна. Перший після ЗГ каскад - буферний (БК), він ослабляє вплив подальших каскадів на збудник (автогенератор), що запобігає погіршенню стабільності його частоти. Подальше множення частоти в одному або декількох каскадах (УЧ) дозволяє знизити частоту збудника, що також сприяє підвищенню її стабільності, ослабляє вплив могутніх каскадів і нестабільності навантаження на збудник. У даній схемі модуляція здійснюється в проміжному каскаді (МК - модульований каскад), що модулює напругу поступає на МК через підсилювач низької частоти - модулятор М. Модулірованниє коливання поступають далі на підсилювач потужності РОЗУМ, з виходу якого по фідеру сигнал проходить в антену.

На мал. В.2 приведена структурна схема передавача з частотною модуляцією. Модуляція здійснюється за допомогою управителя (Упр)частотою автогенератора. Для стабілізації середньої частоти ЧМ-коливань використовується схема автопідстроювання частоти (АПЧ).

Мал. В.2

З малюнків видно, що основними елементами структурних схем є автогенератори і генератори із зовнішнім збудженням (ГВВ) - підсилювачі потужності і помножувачі частоти.

Структура генератора із зовнішнім збудженням. Структурна схема ГВВ в загальному випадку містить активний елемент (АЕ), вхідний (Цс1) і вихідний (Цс2) ланцюги узгодження, ланцюги джерела живлення (ІП) і зсуву. Вихідна ЦС в першу чергу забезпечує трансформацію опору навантаження, підсилювача в оптимальний опір навантаження для активного елементу на основній частоті коливань.

Мал. В.3

Критерії оптимізації навантаження можуть бути різними, наприклад - досягнення максимальних рівнів потужності, ККД ŋ або коефіцієнта посилення по потужності К_р. Зазвичай на практиці прагнуть знайти компромісне рішення: отримати задану потужність при достатньо високих значеннях ŋ і К_р

Крім того, вихідна ЦС забезпечує придушення вищих гармонік.

Вхідна ЦС трансформує вхідний опір АЕ в оптимальний опір навантаження для джерела збудження.

Активні елементи. Вибір активних елементів залежить від робочих частот, потужності і призначення ГВВ. У діапазонах довгих, середніх, коротких і ультракоротких хвиль в ГВВ середньої і великої потужності широко використовуються електровакуумні прилади (лампи) - тріоди, тетроды і пентоди. На частотах до 30 Мгц застосовуються тетроды, розраховані на потужності до 1000 кВт при напрузі живлення 10...14 кВ. Тетроди УКВ діапазону мають потужності порядка десятки кіловат, що знижуються до верхнього краю діапазону.

Велика потужність вакуумних приладів пояснюється використанням в них високої напруги. Принципово більш низьковольтними приладами є транзистори - як польові (ПТ), так і біполярні (БТ). Збільшення їх потужності за рахунок струму обмежене зниженням вхідних і навантажень опорів, що утрудняє узгодження із стандартними навантаженнями (50, 75 Ом і так далі). Тому одиничні потужності транзисторів не перевищують сотень ватів.

У передавачах малої потужності лампи практично витиснені транзисторами. На транзисторах часто виконуються і каскади середньої потужності (до 10 кВт) з використанням мостових схем складання потужностей.

Статичні вольт-амперні характеристики (ВАХ) активних елементів і їх апроксимація. При розгляді процесів в генераторах із зовнішнім збудженням на безінерційних активних елементах часто використовують вольт-амперні характеристики - вхідні, прохідні і вихідні. ВАХ генераторних ламп (тетродов) приведені на мал. В.4.

На цих характеристиках позначено: i_a - струм анода і_g1 струм першої (що управляє) сітки, i_g2 - ток другої (екранною) сітки, e_g - напруга на першій сітці, E'_g - напруга замикання лампи, е_а - напруга на аноді. Прохідні характеристики i_a=ƒ(e_g) дані при трьох різній напрузі на аноді. Параметром сімейства вихідних характеристик i_a=ƒ(e_g) є напруга на першій сітці. Прохідна характеристика i_g1=ƒ(e_g) відмінна від нуля тільки при позитивній напрузі на сітці, що управляє.

Мал. В.4

Біполярні транзистори безінерційними можна вважати лише на дуже низьких частотах. Статичні ВАХ приведені на мал. В.5.

Мал. В.5

Видно, що вихідні характеристики біполярних транзисторів i_к = ƒ(e_к) дуже схожі на вихідні характеристики генераторних ламп i_а = ƒ(e_а). На цих характеристиках - три області: 1) - область слабкої залежності струму колектора від колекторної напруги (активна область); 2) - область насичення при малих значеннях колекторної напруги; 3) область відсічення. Межу між першими двома областями називають лінією критичного режиму, крутизна її S_кр назад пропорційна опору насичення транзистора r_наc

Особливість прохідних характеристик БТ i_к = ƒ(e_б) у тому що вони відмінні від нуля тільки при позитивній напрузі на базі відносного емітера (транзистори п-р-п), причому напруга відсічення Е'_б рівна приблизно 0,7 В для кремнієвих транзисторів і 0,2...0,3 В - для германієвих. Вхідні характеристики БТ i_б = ƒ(e_б) відрізняються від прохідних лише масштабним множником β₀ = h_21э - коефіцієнт посилення струму в схемі із загальним емітером. Певна схожість з приведеними вище характеристиками виявляється і у ВАХ польових транзисторів (ПТ). Маючи на увазі вказану схожість і відмінності характеристик ГЛ, БТ і ПТ, теоретики придумали «узагальнений активний елемент» - безінерційний прилад, що не існує реально, але що дозволяє формалізувати аналіз процесів в генераторах із зовнішнім збудженням. Довелося вигадувати і назви електродів цього «приладу», наприклад - «витік», електрод», що «управляє, і «колектор» [3]. Це дозволяє застосувати єдину методику аналізу і розрахунку электричних режимів, як би справедливу для АЕ всіх трьох типів - ГЛ, БТ, ПТ. При цьому використовують кусочно-лінійну апроксимацію ВАХ. Приклад апроксимації характеристик лампи приведений на мал. В.6.

Мал. В.6

Необхідно відзначити, що схеми, приведені на мал. В.1 і В.2, є класичними і довгий час фактично були базовими при вивченні курсів «Радіопередавальні пристрої» і «Пристрої формування сигналів». В даний час використання інтегральних технологій привело до розробки складних схем збудників радіопередавачів в мініатюрного виконання. При цьому структури багатьох радіопередавачів зводяться до схеми мал. В.7, що містить синтезатор частот, модулятор і підсилювач потужності. При великій різноманітності цифрових методів модуляції сучасні мікросхеми-синтезатори - це багатофункціональні пристрої, що вимагають докладнішого вивчення в названих дисциплінах.

Мал. В.7.

Синтезатор дозволяє генерувати набір вихідних частот, кратних високостабільною частоты ƒ₀, яка є опорной.

Широкого поширення набули дві групи синтезаторів:

1) синтезатори з ФАПЧ (PLL), побудовані за принципом непрямого синтезу частот

2) інтегральні схеми, що використовують прямий цифровий синтез (DDS).

Інтегральні схеми першої групи містять місцевий генератор LO, що формує вихідний сигнал з робочою частотою ƒ_LO, дільника частоти із змінним коефіцієнтом ділення (N-divider) і фазочастотный детектор PFD. Імпульси вихідного струму PFD інтегруються і перетворяться в напругу, що поступає через фільтр нижніх частот на регулювання частоти місцевого генератора. Місцевий генератор - генератор, керований напругою (ГУН).

Приклад - серія приймачів ADF7xxx фірми Analog Devices.

Одна з інтегральних схем цієї серії - ADF7012 - економічний однокристальний передавач для роботи в діапазоні 75 Мгц...1 Ггц, який може застосовуватися в таких областях, як дистанційне керування, видалене управління доступом і безпровідне підключення датчиків. ADF7012 має вбудований синтезатор частоти з ФАПЧ. Підтримує наступні режими модуляції: FSK/GFSK/OOK/GOOK/ASK.

Вбудований стабілізатор напруги забезпечує стабільність параметрів у всьому діапазоні живлячої напруги. Вихідна потужність передавача може ступінчасто мінятися від -16 до +14 дБм з кроком 0,4 дБм. Швидкість передачі даних може складати до 150 кБит/с. ІС працює при напрузі живлення +2,3...+3,3 В. Прі роботі на частоті 315 Мгц і вихідній потужності 0 дБм струм споживання складає близько 10 мА.

Випускається дана ІС в 24-вивідному корпусі TSSOP.

На всі передавачі і приймачі фірма Analog Devices випускає відповідні оцінні плати, що дозволяють швидко ознайомитися з роботою даних ІС, оцінити їх можливості і характеристики і розробити на базі оцінної плати свій пристрій - все це дозволяє заощадити інженерну працю (вартість якого постійно зростає).

Фірмою Analog Devices розроблена програма ADIsim-LINK для моделювання і розробки систем на базі приймачів ADF7xxx. При використанні програми ADIsim-LINK, що поставляється в комплекті з оцінною платою, розробник може швидко спроектувати і оптимізувати систему зв’язку і звести до мінімуму час виходу на ринок.

Контрольні питання

1. Складіть структурну схему РПУ при заданій потужності в антені, робочій частоті, виді модуляції.

2. Перерахуєте основні функції збудників і вимоги, що пред’являються до них.

3. Назвіть основні параметри і характеристики РПУ.

4. У якому каскаді краще здійснювати модуляцію при АМ-радіомовленні?

5. Переваги і недоліки модуляції на малому рівні потужності.

Мал. В.8

Дата добавления: 2015-09-06