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

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.

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.

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.

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

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.

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.