Радио — это способ передачи сигналов на расстояние с помощью электромагнитных колебаний (радиоволн). Посредством радио осуществляются связь (радиосвязь), вещание (радиовещание и телевидение), определение положения подвижного объекта в пространстве (радиолокация), сигнализация, контроль, управление и др.

Радиопередающим устройством — (радиопередатчиком или просто передатчиком) называют устройство для получения (генерирования) электрических колебаний определенной частоты (радиочастоты) и мощности, один из параметров которых (амплитуда, частота) изменяется в соответствии с передаваемой информацией (манипуляция, модуляция). Эти колебания с помощью антенн излучаются в пространство в виде радиоволн. Генерирование колебаний высокой частоты представляет собой процесс преобразования энергии источника питания передатчика (электрическая сеть, гальванический элемент, аккумулятор или др.) в энергию электрических колебаний радиочастоты. Распространяющиеся в свободном пространстве электромагнитные колебания достигают приемной антенны и поступают в радиоприемное устройство, на выходе которого воспроизводится переданная информация. В процессе преобразования передаваемой информации в электрический сигнал, а также при получении модулированных колебаний радиочастоты в передатчике и обратном преобразовании сигналов в приемнике происходит искажение передаваемой информации. Кроме того, на любую радиосистему воздействуют различные радиопомехи атмосферного происхождения, от других радиосистем, промышленных электроустановок и др.

Потому при проектировании, производстве и эксплуатации любой радиосистемы необходимо обеспечить ее работу в пределах допустимого уровня искажений и помех гак, чтобы не создавались помехи другим системам. При этом система радиотелефонной связи должна обеспечивать достаточную разборчивость передаваемой речи, а система радиовещания должна воспроизводить человеческий голос, музыку и другие звуки так, чтобы не терялось эстетическое впечатление от услышанного.

При расчете радиопередающих устройств различного назначения и типа необходимо определить следующие основные характеристики:

а). мощность на выходе Рвых, вычисляемую при расчете радиолинии, т. е. в процессе выбора рабочих частот, учета условий их распространения и параметров передающей и приемной антенн, уровня радиопомех и пр.; составляет от долей ватта до миллионов ватт;

б). частоту f или диапазон частот f1—f2, определяемый в зависимости от назначения радиолинии, расположения пунктов передачи и приема, международного распределения радиочастот, условий распространения радиочастот и др.; составляет от 3 кГц до 3000 ГГц;

л). коэффициент полезного действия — отношение мощности на выходе передатчика Рвых к полной мощности, потребляемой от источника питания Спит: Передатчик с большим к. п. д. потребляет меньше энергии питания, что снижает денежные затраты на его эксплуатацию. При питании от гальванических элементов, аккумуляторов и т. п. больший к. п. д. обеспечивает большую продолжительность питания передатчика от данной батареи, аккумулятора или позволяет уменьшить емкость батареи, т. е. дополнительно снизить массу, габариты и стоимость. Высокий к. п. д. позволяет сделать более экономичной систему охлаждения, а также увеличить надежность работы.

К передатчикам предъявляют также требования конструктивного, эксплуатационного и экономического характера: меньшие габариты, масса и стоимость; удобство эксплуатации и ремонта; высокая надежность; устойчивость к внешним воздействиям (изменению окружающей температуры, влажности, давления, ударам, тряске), безопасность обслуживающего персонала и др.

1. Амплитудная модуляция и приём сигналов

Немодулированный РЧ сигнал (несущая) сам по себе не несет никакой информации. Для передачи телеграфного сообщения РЧ сигнал манипулируют в соответствии с кодом Морзе. Для передачи же телефонного сообщения несущую, необходимо промодулировать. Модуляция означает изменение параметров РЧ сигнала, амплитуды, частоты или фазы в такт со звуковым напряжением, развиваемым микрофоном. Чисто угловая модуляция, частотная или фазовая, используется только на УКВ диапазонах, поскольку полоса частот, занимаемая радиостанцией в эфире, получается излишне широкой. На KB используют однополосную модуляцию, при чем однополосный сигнал формируют из амплитудно-модулированного (AM) сигнала. Рассмотрим его особенности.

Пусть звуковое напряжение, поступающее от микрофонного усилителя, описывается функцией s (t), причем будем полагать, что -1< 1. Выражение для напряжения AM сигнала выглядит следующим образом:

uAM (t) =[1+ ms (t)] a0 cos (щ0t + цп)

где m — коэффициент модуляции, 0? m? 1. — амплитуда радиочастотной несущей;

a0=2рfп — угловая частота несущей;

цп — начальная фаза несущей.

При s (t)= 0 или m = 0 модуляция отсутствует, и передатчик излучает немодулированную несущую u0(t) = a0 cos (щ0t + цп),

График AM сигнала при модуляции синусоидальным звуковым напряжением s (t)=cosЩt, где Щ=2рF (1) показан на рис. 1.1

Рис. 1.1 AM сигнал

Как видно из рисунка, а также из формулы, при AM непрерывно передается несущая, которая информации не несет и нужна только для нормальной работы амплитудного детектора огибающей в приемнике

Спектр AM сигнала легко найти, подставив в и проведя несложные тригонометрические преобразования:

uAM (t) = a0 {cos (щ0t + цп) + m/2[(щ0 + Щ) t + цп] + m/2 cos (щ0 — Щ) t + цп]}

Спектр содержит три частоты: несущую fo, верхнюю боковую fo +F и нижнюю боковую foF, как показано на рис. 1.2.a; Если несущая промоделирована не чистым тоном, а звуковым сигналом, занимающим некоторый спектр, то обе боковые полосы симметрично отображают этот спектр, как показано на рис 1.2.б; Форма спектра здесь нарисована чисто условно, имея в виду тот факт, что высшие составляющие звукового спектра обычно имеют меньшую амплитуду, чем низшие.

Реальный спектр может иметь, разумеется, совсем другую форму, которая к тому же сильно видоизменяется при произнесении различных звуков. Из рис. 2.2 легко видеть, что полоса частот, занимаемая в эфире AM станцией, вдвое шире необходимой, соответствующей ширине спектра звукового сигнала.

Недостатки AM. этим не исчерпываются. Оказывается, что она крайне невыгодна энергетически. Амплитуда боковых частот AM сигнала при модуляции чистым тоном составляет m/2. а мощность каждой боковой m2/4. Таким образом, даже при 100% модуляции суммарная мощность боковых составляет только половину мощности несущей.

Рис. 1.2. Спектр AM сигнала

б — синусоидальная модуляция; б — модуляция звуковым сигналом

Но реальная телефонная передача содержит как громкие, так и тихие звуки. Отношение максимальной амплитуды, сигнала к средней называют пик-фактором.

Для речевого телефонного сигнала его значение составляет около 3 (для радиовеща-тельных, например, музыкальных сигналов оно еще больше). Во избежание перемодуляции на пиках сигнала среднее значение коэффициента модуляции устанавливается около 0,3 (30%), при этом, как легко подсчитать, более 95% мощности передатчика тратится на передачу бесполезной несущей и лишь менее 5% на передачу боковых полос, несущих информацию. Постоянно излучаемые несущие многих станций служат также источником свистов и других взаимных помех. По этим причинам в радиосвязи на KB отказались от AM. При однополосной модуляции излучается спектр частот, соответствующий одной из боковых полос, верхней или нижней, при полностью подавленной несущей.

Это дает четырехкратный выигрыш по мощности сигнала по сравнению с AM при m =1. Дополнительный двукратный выигрыш получается в приемнике, так как мощность шумов и помех в полосе (3 кГц) вдвое меньше, чем в полосе AM (6 кГц). Таким образом, переход к однополосной модуляции дает восьмикратный выигрыш по мощности сигнала. В условиях селективных замираний, характерных для KB диапазона, выигрыш получается, еще больше и оценивается примерно в 16 раз (12 дБ).

Если из AM сигнала исключить несущую, получается двухполосный сигнал с подав-ленной несущей (DSB сигнал). Получить его технически довольно просто достаточно установить в передатчике балансный модулятор. Математически он выполняет операцию перемножения напряжений звукового сигнала и несущей: uDSB (t) = s (t)a0cos (щ0t + цп) (2)

Форма DSB сигнала при модуляции синусоидальным колебанием (1) показана на рис. 1.3. Дважды за период, модуляции амплитуда DSB сигнала падает до нуля, и в эти моменты фаза высокочастотного заполнения меняется на обратную. Спектр DSB сигнала легко получить из (2), подставив выражение для синусоидального модулирующего сигнала.

Рис. 1.3 DSB сигнал проведя несложные тригонометрические преобразования (для простоты положим шп = 0): uDSB (t) = a0 /2 [cos (щ0 + Щ) t= + cos (щ0 — Щ) t]

Как и следовало ожидать, спектр содержит лишь две составляющие на частотах щп ± Щ, как показано на рис. 1.4.а.

Рис. 1.4 Спектр DSB сигнала: а — синусоидальная модуляция; б — модуляция звуковым сигналом

Это иллюстрирует рис. 1.4.б. Оценим выигрыш по мощности при переходе от AM к DSB. Устранение несущей дает двукратный выигрыш. Приемник DSB сигналов оснащается цепью восстановления несущей и мультипликативным детектором (смесителем), перемножающим DSB сигнал с напряжением восстановленной несущей. При этом амплитуды боковых полос складываются, что увеличивает мощность звукового сигнала по сравнению с мощностью одной боковой в 4 раза, тогда как независимые шумы двух боковых полос просто складываются по мощности. Это дает еще двукратный выигрыш над AM и общий выигрыш получается в 4 раза.

Таким образом, при равных пиковых мощностях передатчика переход к DSB дает четырехкратный. В паузах речи DSB передатчики не излучают, а это значительно повышает их экономичность и снижает общий уровень помех в эфире. Структурная схема DSB передатчика, показанная на рис. 2.5, чрезвычайно проста. Он содержит

Задающий генератор G1, который может включать также буферные каскады и умножители частоты, балансный модулятор U1, выходной усилитель мощности А1, Второй вход балансного соединен с микрофонным усилителем А2. Часто балансную модуляцию осуществляют в выходном мощном двухтактном каскаде, что еще более упрощает структурную схему.

Рис 1.5

AM сигналы демодулируются обычным детектором огибающей, таким же, как в обычном радиовещательном приемнике. До детектирования AM сигнал должен быть усилен до значительного уровня, поэтому AM приемники обычно выполняют по супергетеродинной схеме. При приеме DSB сигналов с подавленной несущей последняя восстанавливается в самом приемнике. В ряде случаев для этого служит местный гетеродин. Казалось бы, что гетеродинный приемник обладающие кривой селективности, идеально подходят для приема DSB сигнала со спектром, показанным на рис. 1.4.б. На самом деле это не совсем так. Даже при точной настройке гетеродина приемника на частоту подавленной несущей щп его колебания будут иметь произвольный фазовый сдвиг ц. Напряжения DSB сигнала и гетеродина приемника можно записать следующим образом:

uс = s (t)aсcosщ0t)

uГ = aГcos (щ0t+ц)

Смеситель приемника перемножает эти напряжения

uс uГ = s (t)aсcosщ0t)· aГcos (щ0t+ц) = s (t) aсa / 2 [cos ц+ cos (щ0t+ц)]

ФНЧ, установленный на выходе смесителя, выделяет только сигналы низких частот, соответствующие первому слагаемом, и отфильтровывает сигнал с удвоенной частотой 2щп· Звуковое напряжение оказывается пропорциональным косинусу разности фаз напряжений сигнала и гетеродина:

uо=s (t) aсa / 2 cos ц

Оно максимально при ш = 0° и ц=180°, но обращается в нуль при ц = 90° и ц =270°.

Физически это явление объясняется тем, что две боковые полосы DSB сигнала преобразуются в смесителе независимо друг от друга и складываются па его выходе. При этом верхняя боковая полоса приобретает фазовый сдвигц, поскольку частота и фаза гетеродина вычитаются из частоты и фазы сигнала (последняя принята за нулевую). Нижняя боковая полоса приобретает фазовый сдвиг +ц. При ц = 90° и ц = 270° низкочастотные колебания от двух боковых полос получаются противофазными и компенсируют друг друга.

Существуют способы и схемы для приема DSB сигналов с автоматической подстройкой частоты и фазы гетеродина по принимаемому сигналу.. В радиолюбительской практике они пока не использовались. А без, автоподстройки при существующей стабильности частоты любительских радиостанций точная фазировка колебаний гетеродина практически невозможна. Если же частоты гетеродина и подавленной несущей совпадают не точно, то сдвиг фазы ц непрерывно изменяется во времени (ц = Щt,) где Щ расстройка частот) и амплитуда звукового сигнала периодически изменяется от максимума до нуля. Происходят те же эффекты, что и при приеме AM сигнала на гетеродинный приемник. Модуляция звукового сигнала низкой разностной частотой заметно ухудшает разборчивость и качество принимаемого сигнала.

DSB сигнал без всяких затруднений принимается на однополосный приемник. В этом случае для приема используется только одна боковая, а другая либо отфильтровывается (в супергетеродине), либо подавляется фазовым методом (в гетеродинном приемнике). Неиспользуемая боковая полоса приема служит при этом источником помех, и ее желательно подавить.

Из выше рассмотренного выбираю схему радиопередатчика с однополосной модуляцией (ОБП). Такой вид модуляции является разновидностью амплитудной модуляции. Известно, что двухполосная АМ обладает высоким удельным расходом мощности, поскольку основная мощность сигнала сосредоточена на несущей частоте и лишь малая ее часть — в боковых лепестках, так же сигнал АМ занимает широкую полосу спектра

(fAM = 2fB

где fB — верхняя частота модулирующего процесса). Энергетически более выгодна балансная модуляция (БМ), представляющая собой АМ с подавлением несущей.

При БМ на передачу сообщения затрачивается вся мощность передатчика, что и обуславливает ее высокую энергетическую эффективность.

Более экономичной по занимаемой полосе частот является однополосная модуляция, ширина спектра ОБП fОБП = fB, что в два раза меньше полосы сигналов АМ и БМ, при сохранении высокой энергетической эффективности. Данный вид модуляции можно трактовать как перенос спектра сообщения из области низких частот в область высоких частот.

Недостаток ОБП сигнала заключается в том, что для точного восстановления сообщения на приемной стороне необходимо формирование опорного колебания, частота и фаза которого должны точно совпадать с частотой и начальной фазой несущей. Однако, при ОБП несущая в спектре сигнала отсутствует, что приводит к искажениям сообщения при его восстановлении. При передаче речевых сообщений допустима некоторая расстройка по частоте (до десятков герц) между опорным колебанием и несущей без снижения существующего качества принятого речевого сигнала. Это позволяет формировать опорные автономным генератором и не передавать сигнал несущей.

В силу перечисленных выше причин ОБП широко применяется в системах передачи речевых сигналов, а вопросы связанные с проектированием и применением радиопередатчиков с однополосной модуляцией весьма актуальны.

2. Структурная схема передатчика

2.1 Структурная схема передатчика

Рис 2.1 Структурная схема передатчика с ОБП

1. Задающий генератор

2. Согласующее устройство

3. Балансный модулятор

4. Усилитель мощности

5. Согласующее устройство с АФУ

6. Антенна

7. Микрофон

8. Усилитель НЧ

2.2 Причины нестабильности частоты передатчика

Для осуществления радиосвязи передатчик и приемник должны быть настроены на определенную, фиксированную частоту. Однако из-за целого ряда нежелательных факторов частота колебания на выходе передатчика меняется во времени относительно требуемого значения. Изменения частоты приводят к ухудшению качества воспроизводимого при приеме переданного сообщения. Поэтому требования к постоянству, т. е. стабильности, частоты колебания на выходе передатчика очень высокие. Стабильность частоты передатчика является одним из важнейших показателей качества ею работы.

Стабильность частоты оценивает способность передатчика сохранять частоту выходного колебания постоянной в течение определенного времени при воздействии дестабилизирующих факторов.

Под нестабильностью частоты передатчика понимают изменение частоты выходного колебания при воздействии дестабилизирующих факторов в течение определенного времени. В зависимости от длительности измерения различают долговременную (за длительный интервал времени) и кратковременную (за короткий интервал времени) нестабильность частоты. Каждая из этих нестабильностей может быть абсолютной или относительной.

Под абсолютной нестабильностью Дf понимают разность между фактической частотой колебания на выходе передатчика и ее номинальным значением:

Дf= f ном — f Под относительной нестабильностью Д f ном понимают отношение абсолютной нестабильности Д f к нормированному (номинальному) значению частоты на выходе передатчика f ном· Генератор передатчика должен быть настроен на f ном.·

Одной из современных проблем радиосвязи является «теснота в эфирe». Суть проблемы состоит в том, что в рабочих диапазонах частот стремятся разместить по возможности большее число радиостанций. При фиксированной ширине диапазона полоса частот, отводимая для одного радиопередатчика, должна быть минимально допустимой, равной с учетом небольшого запаса ширине спектра излучаемого передатчиком колебания. При кратковременных изменениях во времени несущей частоты передатчика результирующая ширина спектра излучаемого колебания увеличивается. Этот приводит к необходимости сокращать число радиостанций, работающих в данном диапазоне. Однако полосы частот, отводимые для каждой из них в рабочем диапазоне, строго регламентированы. Поэтому при отклонении частоты передатчика от заданного значения гнущая частота приближается к частоте другого, соседнего, передатчика, что приводит к взаимным помехам при приеме. При расширении результирующего спектра колебаний на выходе передатчика в приемнике приходится также расширять полосу пропускания. Это ухудшает отношение сигнал/помеха на выходе приемника, так как при более широкой полосе пропускания возрастает уровень помех, что снижает качество принимаемого сигнала. Прежнее отношение сигнал/помеха на выходе приемника можно получить, если использовать более мощный передатчик, который дороже и потребляет больше энергии.

Если полоса пропускания приемника выбрана без учета нестабильности частоты передатчика, то изменение этой частоты создает расхождение между частотой настройки приемника и частотой сигнала, что приводит к ухудшению качества воспроизводимого сигнала, а то и к полному срыву радиосвязи. Этого можно избежать, если все время подстраивать приемник на изменяющуюся частоту передатчика. Однако ручная подстройка частоты приемника затрудняет его эксплуатацию, введение же систем автоматической подстройки частоты повышает его стоимость.

Для удобства эксплуатации аппаратуры и повышения надежности, радиосвязи желательно, осуществлять беспоисковую и бесподстроечную радиосвязь, т. е. настроенный на частоту сигнала приемник должен принимать передаваемый сигнал сразу после его включения без дополнительных подстроек. Однако реализовать такую радиосвязь можно только при высокой стабильности частоты передатчика.

Долговременная стабильность частоты колебания на выходе передатчика зависит от стабильности частоты задающего генератора, определяемой эквивалентными параметрами резонансной системы. Таким образом, частота автогенератора, а следовательно, и частота колебания на выходе передатчика изменяются во времени при изменении эквивалентных параметров резонансной системы автогенератора .

В качестве резонансной системы в автогенераторе чаще всего используют одиночный контур, эквивалентные параметры которого, Lэк Cэк R эк определяются собственными параметрами ненагруженного контура L, С, R и вносимыми в него комплексными сопротивлениями от усилительного элемента и цепи нагрузки. Вносимое в контур комплексное сопротивление от усилительного элемента автогенератора состоит из выходного сопротивления усилительного элемента, образованного выходной емкостью Свых и внутренним сопротивлением.

По существующим международным нормам абсолютная нестабильность связных передатчиков для радиосвязи в декаметровом диапазоне не должна превышать ±20 Гц, а радиовещательных — ±10 Гц. Однако во многих случаях абсолютная нестабильность современных передатчиков существенно ниже.

2.3 Резонатор

Как было сказано ранее, для реализации высокой стабильности частоты автогенератора его эквивалентный контур должен помимо высокой добротности обладать параметрами, мало изменяющимися во времени при воздействии внешних дестабилизирующих факторов. Автогенераторы на LC-контурах не обеспечивают стабильности, требуемой по современным нормам. Поэтому в современных передатчиках в качестве высокостабильного генератора применяют генераторы с кварцевой стабилизацией. В качестве высокостабильной и высокодобротной колебательной системы в подобных генераторах используют кварцевые резонаторы.

Кварцевый резонатор представляет собой пластину, вырезанную из кристалла кварца и помещенную между двумя металлическими обкладками, называемыми электродами. Крепление кварцевой пластины осуществляют с помощью кварцедержателей. Кварц является кристаллическим минералом естественного или искусственного происхождения. Характерным для кварца является постоянство свойств, высокая упругость и большая твердость.

Кристалл кварца по форме близок к шестигранной призме, ограниченной сверху и снизу Шестигранными пирамидами (рис. 2.2,б). У него различают следующие оси (рис. 2.2, а, б): оптическую ЖЖ, проходящую через вершины пирамид; три электрические XX, проходящие через противоположные Углы шестиугольника сечения призмы, и три механические ХХ, проходящие через середины противоположных сторон шестиугольника

Рис. 2.2

Свойства кварцевой пластины зависят как от ее размеров и формы, так и от плоскости, в которой осуществляется ее срез (плоскости среза). Срезы, при которых ребра пластины параллельны осям кристалла кварца, называют прямыми. Преимущественное распространение получили косые срезы, при которых ребра кварцевой пластины составляют с осями кристалла некоторый угол. В зависимости от этого угла различают несколько типов пластин с косыми срезами, отличающихся друг от друга температурными характеристиками.

Кварцевые пластины имеют различную форму. Их выполняют в виде плоско-параллельных пластин, стержней или плосковыпуклых линз.

Электроды делают в виде токопроводящих пластин, расположенных вблизи поверхности кварцевой пластины или пленки (обычно из никеля, серебра или золота), контактирующей с ее поверхностью. Изготовление электродов с помощью металлизации кварцевой пластины позволяет полностью избавиться от зазора между электродами и кварцем, что дает возможность повысить добротность резонатора.

Параметры такого контура отличаются от параметров LC-контура. Во-первых, в таком контуре внешние воздействия мало влияют на резонансную частоту; во-вторых, контур обладает очень высокой добротностью, составляющей величину порядка 102 — 104. Напомним, что LC-контуры в диапазоне KB имеют добротность не выше 200- 300, а в диапазоне СВЧ — до 104.

Электрический эквивалент кварцевого резонатора (рис. 2.3, а) с электродами в виде пленки на кварцевой пластине, показанный на рис., б, представляет собой электрическую схему, которая имеет такие же полные электрические сопротивления, что и кварцевый резонатор на частотах вблизи резонанса На этой схеме индуктивность LK характеризует колеблющуюся массу кварцевой пластины; емкость Ск — величину, обратную упругости пластины; сопротивление Rк учитывает потери на трение, а также потери энергии при преобразовании механических колебаний в электрические; емкость Со — это емкость между выводами кварцевого резонатора на частотах, отличных от резонансной.

Рис. 2.3

Суть физических процессов, происходящих в электрической цепи с кварцевым резонатором, можно пояснить следующим образом. Положим, что к электродам кварцевого резонатора подключили источник переменного напряжения. Тогда ток в цепи этого источника возникает за счет того, что:

1) кварцевый резонатор обладает свойствами обыкновенного конденсатора, емкость которого Со определяется площадью электродов, толщиной кварцевой пластины и диэлектрической проницаемостью кварца;

2) появляется составляющая тока в цепи источника напряжения, обусловленная пьезоэлектрическим эффектом кварцевой пластины. Действительно, переменное напряжение, приложенное к пластине, вызовет в ней механические колебания, которые, в свою очередь, приведут к возникновению на кварцедержателях переменного электрического напряжения. Это напряжение создает в цепи вторую составляющую тока.

Если частота напряжения, приложенного к кварцевому резонатору, совпадает с резонансной частотой механических колебаний пластины, то малое электрическое напряжение вызывает в пластине сильные механические колебания. Э. Д, С., появляющаяся за счет пьезоэлектрического эффекта, складываясь с напряжением внешнего источника, приводит к многократному увеличению тока. Таким образом, переменный ток от источника ВЧколебаний преобразуется сначала в механические колебания кварцевой пластиныс требуемой резонансной частотой, а затем обратно в увеличенный по амплитуде переменный ток. Значения зависят от размеров кварцевой пластины, типа среза, вида кварцедержателей, свойств кварцевого материала и т. д. Если сравнить параметры эквивалентного контура кварцевой пластины с параметрами LC-контура, то можно заметить существенное различие в их значениях. Так, LK эквивалентного контура больше Rк и LK простого контура, а емкость С наоборот, мала. Несмотря на большое Rк, добротность эквивалентного контура кварцевой пластины получается очень высоко; Это объясняется тем, что при большой индуктивности LK и малой емкости С получается очень большое характеристическое сопротивление контура

Zo =

а следовательно, и добротность контура Q = Zк./Rк.

У кварцевых резонаторов высокостабильных генераторов добротность может достигать нескольких миллионов. Кварцевый резонатор в соответствии со схемой рис. 2.3, б имеет две резонансные частоты; частоту последовательного резонанса

и частоту параллельного резонанса

Поскольку емкость последовательного соединения Ск и Со меньше емкости Ск то щп> щк Однако Ск < Со и их последовательное соединение в основном Определяется емкостью Ск. Таким образом, юп > щк. Обычно разность частот щ0—щк составляет величину порядка от нескольких сотен до двух-трех тысяч герц. Отметим, что частота щ, более стабильна, чем щ0, так как щ0 зависит от изменяющейся емкости кварцедержателей Со и внешних емкостей генератора.

Поскольку емкость Со влияет на резонансную частоту и ее стабильность, к конструкциям металлических электродов и кварцедержателей предъявляют ряд требований. Так, конструкция кварцедержателей должна:

1) Обеспечивать постоянство емкости Со (величина емкости должна быть по возможности малой);

2) Не затруднять механических колебаний кварцевой пластины, т. е. не увеличивать сопротивление потерь Rк эквивалентного контура;

3) Не препятствовать охлаждению кварцевой пластины

2.3 Балансные модуляторы

Устройство, позволяющее осуществить амплитудную модуляцию и подавить несущую, называется балансным модулятором (БМ), смесителем или преобразователем. Очевидно, что для получения амплитудной модуляции в состав схемы должны входить нелинейные элементы усилительные лампы, работающие в нелинейном режиме, обычно в классе В, либо диоды ламповые или полупроводниковые. Частотная модуляция в однополосной передаче не используется. Название «балансный» указывает на то, что для исключения нежелательной частоты необходима балансировка, т. е. симметрирование схемы. Степень подавления несущей зависит от симметрии схемы, поэтому требуется тщательно выполнять ее конструкцию и регулировку.

Не ламповые схемы балансных модуляторов могут быть мостовыми или кольцевыми.

2.3.1 Мостовой балансный модулятор

Рис. 2.5 Вариант мостовой схемы балансного модулятора на двух диодах: а — схема; б — последовательность импульсов на выходе

Мостовые схемы балансных модуляторов. Вариант мостовой схемы приведен на рис. 2.5, а. Исходная рабочая точка регулируется выбором величины напряжения обратного смещения диодов Ес. Для нормальной работы схемы требуется соблюдение неравенств: Ec>Up; Ec<.Uf и Uf>UF.

В этом случае диоды могут быть открыты только напряжением несущей, а напряжение модулирующей частоты не в состоянии открыть их. Схема работает следующим образом.

1. К балансному модулятору подводится только напряжение звуковой частоты UF. При этом диоды остаются закрытыми и тока в схеме нет.

2. К схеме подводится только напряжение несущей частоты. В один полупериод несущей частоты диоды Д1, Д2 еще больше запираются и тока нет. В другой полупериод возникает импульс тока по пути: точка а, средняя точка вторичной обмотки трансформатора Up, диоды Д1, Д2, средняя точка первичной обмотки выходного трансформатора, батарея Ес, точка б. Если схема симметрична, то эти импульсы не будут трансформироваться на выход или вход преобразователя.

3. К преобразователю подводятся одновременно оба напряжения. В моменты, когда диоды открыты напряжением Uf, напряжение Up вызывает ток по пути: с мгновенного плюса в точке в, диод Д1, первичная обмотка выходного трансформатора, диод Д2 на мгновенный минус в точке Г. Открытый диод пропускает ток в обоих направлениях: в прямом и обратном. Поэтому через диод Д2 прошел ток в запорном направлении.

В результате во вторичной обмотке выходного трансформатора появятся импульсы тока (рис. 2.5.б). Частота импульсов равна частоте напряжения несущей, а их амплитуда в каждый данный момент времени определяется мгновенными значениями напряжения звуковой частоты, пока идет положительная полуволна звука, получим последовательность однонаправленных импульсов, скажем, положительной полярности: их частота равна несущей, а огибающая импульсов повторяет форму звукового колебания. В отрицательной полупериод модулирующего колебания импульсы тока пойдут по тому же пути, но в обратном направлении: из точки г, диод Д2, выходной трансформатор, диод Д1 к точке В. На выходе образуется последовательность импульсов отрицательной полярности. Таким образом, весь период звукового колебания на выходе оказался как бы разбитым на ряд импульсов.

Импульсы высокой частоты оказались промодулированными. При разложении импульсов в гармонический ряд получим: первые гармоники положительных и отрицательных импульсов будут противофазны и компенсируются. Следовательно, произошло подавление несущей частоты. Работу диодных коммутаторов можно уподобить механическому прерывателю.

Напряжение несущей частоты управляет диодами, т. е. является коммутирующим, а звуковое напряжение коммутируемым. Коммутирующее напряжение всегда подключается к балансному преобразователю таким образом, что создаваемый им ток через нагрузку не проходит. Ток через нагрузку создается коммутируемым напряжением.

Однако направление этого тока определяется полярностью обоих напряжений. Величина коммутирующего напряжения для германиевых и купроксных (кремниевых) диодов обычно равна 2 — 6 В, а коммутируемого в 10 — 20 раз меньше.

Ширина полосы пропускания контура на уровне 0,7 равна 2? f07 = d f0. Если несущая fo сравнительно низкая (очень длинные волны), то для сохранения требуемой полосы необходимо понижать добротность контура. Увеличить затухание контура нетрудно, но при большом затухании контур становится апериодическим. Так приходят к схемам без настроенных контуров.

2.3.2 Параллельно-мостовый балансный модулятор

Рис. 2.6 Параллельно-мостовая схема балансного модулятора: а — на четырех диодах; б — на двух диодах

Параллельно-мостовая схема балансного модулятора показана на рис. 2.6. а. При отсутствии звукового напряжения и наличии несущей частоты через диоды проходят односторонние импульсы несущей, которые не попадают на выход из-за баланса моста. В этом можно убедиться, расставив мгновенную полярность на диодах. При подаче звукового колебания в отсутствие несущей частоты возникает ток звуковой частоты через обмотки трансформаторов ТрЗ и Tpl, которые, однако, не трансформируют низкую частоту из-за отсутствия в них железа. При одновременной подаче обоих напряжений цепь тока звуковой частоты шунтируется диодами с частотой коммутирующего напряжения. В результате на выходе получим последовательность модулированных импульсов (рис. 2.5. б).

Аналогично работает и схема, представленная на рис. 2.6.б. Здесь требуются только два диода, зато у входного трансформатора должна быть выведена средняя точка. Половины вторичной обмотки этого трансформатора и два диода образуют мост.

2.3.3 Последовательно-мостовой балансный модулятор

Рис. 2.7 Последовательно-мостовая схема балансного модулятора: а — на четырех диодах; б — на двух диодах

В последовательно-мостовой схеме балансного модулятора коммутатор из четырех или двух диодов включается последовательно в цепь звуковых частот (рис. 2.7.).

Все мостовые схемы однополупериодные; последовательность выходных импульсов в них аналогична представленной на рис. 2.5.б

2.3.4 Кольцевой балансный модулятор

Рис. 2.8 Кольцевой балансный модулятор: (принципиальная схема)

Кольцевая схема балансного модулятора (рис. 2.8.) состоит из входного Tp1 и выходного Тр2 трансформаторов, четырех диодов, включенных в пропускном направлении последовательно друг за другом по замкнутому кольцу: резисторов, предназначенных для компенсации разброса параметров диодов и потенциометра Rб для балансировки схемы.

Положительный полупериод напряжения несущей открывает диоды Д1, Д3 и закрывает Д2, Д4. Модулирующее напряжение вызывает ток по пути: с точки а, диод Д1, первичная обмотка Тр2, диод ДЗ к точке б (либо в обратном направлении). Во вторичной обмотке Тр2 появится импульс тока. В отрицательный полупериод напряжения несущей Ut диоды меняются ролью: Д2, Д4 открыты, а Д1, ДЗ закрыты. Звуковое напряжение создает ток по пути: с точки а, диод Д4, первичная обмотка Тр2, диод Д2 к точке б.

Как видно из схемы, хотя полярность звукового напряжения осталась прежней, направление создаваемого им тока изменилось. Следовательно, изменится также полярность импульса во вторичной обмотке выходного трансформатора. В результате получим последовательность двусторонних импульсов, огибающей которых является полусинусоида. Это указывает на отсутствие несущей частоты. Схема работает аналогично механическому переключателю (рис. 2.10).

В отличие от однополупериодных схем кольцевая схема является двухполупериодной, поскольку в ней используются оба полупериода коммутирующего напряжения (рис. 2.5)

Рис. 2.10 Механическая аналогия с переключателем

Важным свойством кольцевого и мостового балансных модуляторов является то, что в выходном напряжении отсутствует частота модулирующего напряжения и её гармоники. Это особенно важно тогда, когда несущая частота выбрана низкой и гармоники модулирующего спектра могут непосредственно попадать в выходной сигнал. Кроме того, если при телеграфной работе предполагается подавать НЧ тон на вход однополосного передатчика, эти схемы БМ предпочтительней, так как они способствуют подавлению паразитных излучений вблизи основного сигнала. Другие схемы БМ в этом случае часто не пригодны.

Кольцевая схема считается лучшей; на ее выходе будет меньше побочных частот, чем в других схемах. Основная энергия содержится в боковых (f±F), т. е, в суммарной и разно-стной комбинационных частотах.

Диодные БМ дают наименьшие нелинейные искажения при модуляции, если амплитуда ВЧ сигнала значительно превосходит модулирующее напряжение. Отношение амплитуд ВЧ к НЧ сигналу берется в пределах 15 :1, Амплитуда ВЧ сигнала обычно составляет несколько вольт это относится к линейному режиму работы БМ (при относительно высоком уровне напряжения гетеродина, когда характеристику диода в первом приближении можно считать линейной).

Возможен также и квадратичный режим работы диодного БМ, когда напряжение на диоде не выходит за пределы квадратичного участка характеристики диода. Для большинства диодов это напряжения не превышает 0,2- 0,.5 в. В этом случае отношение напряжения гетеродина к напряжению сигнала можно уменьшить в несколько раз при том же коэффициенте нелинейных искажений. Однако уровень выходного сигнала при квадратичном режиме БМ в несколько раз меньше, чем при линейном, в следствии малых входных напряжений.

Частоты на которых хорошо работают диодные БМ, зависят от типов применяемых диодов и лежат в пределах от десятков КГц до 10−15 МГц.

Общей чертой всех БМ является возможность высокой степени подавления несущей порядка до 35— 40 дБ

Диодные БМ имеют низкие входные характеристики и выходные сопротивления, поэтому применение согласующих устройств обязательно.

2.4 Усилители частоты

Качество однополосного сигнала зависит от показателей всех узлов передатчика. Большое значение имеет удачный выбор микрофона, Радиолюбителями используются различные типы микрофонов, но предпочтение нужно отдать динамическим и пьезокристаллическим.

Пьезоэлектрические микрофоны развивают значительно большее звуковое напряжение, чем динамические; оно может достигать десятков милливольт, тогда как выходное напряжение динамических микрофонов измеряется милливольтами.

При использовании пьезомикрофонов, важное значение имеет величина нагрузочного сопротивления, на которое работает микрофон. Пьезомикрофон с электрической точки зрения представляет собой конденсатор емкостью в несколько сот или тысяч пикофарад. Сопротивление его переменному току, генератором которого он сам является, обратно пропорционально частоте. Если нагрузочное сопротивление имеет достаточно большую величину (несколько мегом), напряжения высоких и низких частот на нем оказываются примерно одного уровня. При нагрузочном же сопротивлении порядка 0,5 Мом и менее уже имеет место значительное ослабление низких звуковых частот. Точных данных здесь привести нельзя, так как емкость различных пьезомикрофонов может отличаться в несколько раз. Пьезомикрофон нельзя подносить близко ко рту, так как он боится влажности и со временем может испортиться. Если есть возможность, лучше применить микрофон с ярко выраженной направленностью. Он ослабит посторонние шумы, которые могут быть в комнате радиолюбителя. Довольно широко распространены микрофоны с кардиоидной диаграммой направленности, имеющей минимум сзади от микрофона. Если прием корреспондента осуществляется на динамик, микрофон нужно расположить так, чтобы направление на динамик соответствовало минимуму в кардиоиде.

Микрофон можно подобрать, прослушивая на приемнике уже сформированный однополосный сигнал, так как учитывать отдельно характеристики голоса оператора, микрофона, модулятора, однополосного фильтра весьма сложно.

Низкочастотные колебания с выхода микрофона имеют обычно весьма низкий уровень и потому должны быть усилены перед подачей их на балансный модулятор. В отличие от AМ передатчиков однополосные не требуют столь значительных модулирующих напряжений, поэтому усилители низкой частоты в них довольно просты. Во многих случаях достаточно бывает одной ступени усиления на пентоде или двух на триодах. Более сложные передатчики имеют добавочные каскады усиления низкой частоты для приведения в действие системы голосового управления.

Напряжение, подаваемое с УНЧ на балансный модулятор, не превышает обычно нескольких вольт, так что коэффициент усиления УНЧ для динамического микрофона должен быть от нескольких сотен до тысячи, а при использовании пьезомикрофона достаточен коэффициент усиления порядка 50—100.

Схемы микрофонных усилителей мало отличаются от обычных усилителей НЧ. Для них остается справедливым требование малых нелинейных искажений (не более 1—2%). При малых уровнях усиливаемых напряжений это легко выполнимо. Для уменьшения нелинейных искажений в микрофонных усилителях однополосных передатчиков применяются обычные меры: правильный выбор ламп и их режима, отрицательные обратные связи. Часто применяют такой простейший вид отрицательной обратной связи, как незашунтированное емкостью катодное сопротивление. Заодно это упрощает схему.

Весьма важным требованием к микрофонному усилителю является полное отсутствие в модулирующем напряжении фона переменного тока. Наличие фона приводит, во-первых, к «журчанию» сигнала, во-вторых, к появлению по обе стороны от подавленной несущей двух частот, отличающихся от нее на 50 или 100 гц. Для уничтожения фона используются такие общеизвестные методы, как хорошая фильтраций питающих напряжений, питание накала первой лампы постоянным током, продуманное размещение деталей и проводов, подбор точки заземления деталей первого каскада, экранирование проводов и деталей. Можно также весь монтаж первого каскада УНЧ заключить в экран, согнутый из тонкой меди, алюминия или белой жести.

Микрофонные усилители нередко работают в условиях сильных высокочастотных полей, которые могут вызвать вредные явления. Высокочастотное напряжение иногда наводится на микрофон, микрофонный шнур, детали и лампы усилителя. На входе оно может достигать единиц или даже десятков вольт. Это вызывает появление сеточного тока, резкое нарушение режима работы УНЧ и очень большие искажения. Может возникнуть также самовозбуждение усилителя на частотах от нескольких единиц герц до десятков килогерц, которое будет причиной побочных излучений. Самовозбуждение на ультразвуковых частотах иной раз трудно обнаружить в УНЧ, но легко, прослушивая на приемнике полосу на 50−100 кГц по обе стороны от сигнала. Чтобы избежать этих явлений, нужно прежде всего снизить до минимума ВЧ поля в помещении радиостанции продуманным размещением антенных вводов и применением коаксиальных фидеров вместо открытых проводов. Если микрофон не экранирован, его нужно экранировать металлической сеткой или решеткой. Часто помогает отдельное соединение микрофона с заземлением или корпусом радиостанции.

Порой причиной больших ВЧ наводок бывает спиральный экран в микрофонном кабеле. Можно применять кабели с экраном типа «чулок», но лучше использовать гибкие коаксиальные кабели. Может помочь также использование одно-, двухкаскадного транзисторного предусилителя, смонтированного непосредственно в корпусе микрофона. Это позволит повысить уровень сигнала в кабеле и понизить сопротивление выхода микрофона и входа УНЧ, что весьма полезно для уменьшения ВЧ наводок и фона переменного тока.

Если микрофонный УНЧ работает на низкоомный фильтр звуковых частот или диодный балансный модулятор, следует применить согласующий трансформатор или обычный катодный повторитель.

2.5 Усилитель мощности

Главная особенность усилителя мощности (УМ) или выходного каскада, заключается в том, что на его на его энергетику, режим работы и настройку большое влияние оказывают параметры антенны. Поэтому оговаривают параметры антенн, в пределах которых обеспечивается настройка и работоспособность.

Основные требования к УМ относятся к мощности, линейности усиления, широкополосность, согласованию, фильтрации, скорости перестройки, постоянству мощности по диапазону, охлаждению и защите транзисторов от перегрузки.

Получение требуемой мощности достигается использованием сумматоров.

УМ может быть узкополосным или широкополосным, не требующим перестройки (УРУ) либо требующим её.

Выходные каскады перестраиваемых передатчиков строятся по схеме: АЭ-БФ-СУ, где АЭактивный элемент (транзистор), БФблок фильтров, СУсогласующее устройство.

Выходную мощность радиопередатчика формирует каскад усилителя мощности. В диапазоне высоких частот обычно используют транзисторный усилитель мощности по схеме с общим эмиттером, т.к. это обеспечивает наилучшую устойчивость работы. В состав усилителя мощности входят активный элемент, согласующие цепи, цепи питания и смещения. Чтобы обеспечить максимальный к.п.д и максимальную мощность необходима произвести расчет усилитель мощности в оптимальном режиме. Для реализации такого режима необходимо правильно спроектировать внешние цепи усилителя — питания, смещения и согласования.

Рис. 2.11 Типовая схема усилителя Мощности

2.5.1 Устойчивость работы транзисторных усилителей

Обеспечение устойчивого режима работы транзисторов является одной из основных задач при проектировании усилительных ступеней. Появление паразитных колебаний чрезвычайно опасно, так как они могут ухудшить качественные и энергетические показатели ступени или даже вызвать разрушение полупроводниковой структуры транзисторов.

Причиной неустойчивости работы транзисторного усилителя может быть;

1. внутренняя обратная связь за счет емкости коллектора Ск;

2. внешняя обратная связь, определяемая индуктивной и емкостной связями во внешних цепях усилителя;

3. нелинейная зависимость емкости коллектора или эмиттера от напряжения на переходе;

4. тепловая неустойчивость в полупроводниковой структуре транзистора;

5. появление отрицательного сопротивления или проводимости из-за инерционных свойств, лавинного умножения тока коллектора или базы и т. д.

6. Поведение транзисторного усилителя мощности на различных частотах можно отобразить с помощью диаграммы рис. 2.12, где области возможного самопроизвольного возбуждения транзистора заштрихованы

Рис. 2.12 Частотные диапазоны транзистора нормированы относительно характеристической частоты F = f/fгр

В области, А возможность появления паразитных колебаний вызывается тепловой неустойчивостью работы транзистора. Механизм возникновения низкочастотных колебаний зависит от имеющейся обратной связи между температурой полупроводниковой структуры и коллекторным током. Температура полупроводниковой структуры, в свою очередь, зависит от коллекторного тока и рабочей частоты. Этот эффект проявляется редко, чаще в схемах ОБ. Область в соответствует устойчивому состоянию работы транзистора, так как тепловая инерционность велика и нет обратных связей из-за большого сопротивления цепей обратной связи.

Работа усилителя в области С может сопровождаться возникновением паразитных колебаний. При этом коэффициент усиления транзистора по мощности еще достаточно велик (Кр >> 1), а сопротивления элементов в цепи обратной связи приобретают такие значения, при которых уже нельзя пренебречь влиянием внутренней и внешней обратной связи.

Области D соответствует устойчивый режим работы транзистора.

При работе в области L возможно возникновение паразитных колебаний на гармониках или чаще на субгармониках рабочей частоты из-за нелинейности емкости коллекторного перехода. Колебание на субгармонике это колебание с частотой, меньшей рабочей в кратное число раз.

Обычно fпар = 0,5 fpаб. На более высоких частотах (область Е) коэффициент усиления транзистора по мощности уменьшается до единицы. На частотах выше fmах транзистор ведет себя как пассивный четырехполюсник.

Существует несколько способов обнаружения паразитных колебаний в усилителе, общих для транзисторов и ламп: визуальный контроль по экрану осциллографа формы огибающей радиочастотных колебаний на выходе и сравнение ее с формой огибающей на входе; исследование спектра выходного сигнала; наблюдение скачков постоянной составляющей тока коллектора при плавном изменении возбуждающего напряжения or нуля до максимума.

Иногда для возникновения паразитной генерации достаточно на базу транзистора подать отпирающее напряжение (Еб > Еб`).

Особенностью паразитных колебаний является то, что контурные токи протекают по проводам и элементам ступени, не предназначенным для больших токов радиочастоты (по соединительным проводам, выводам ламп, дросселям и т. п.). Если, например, дроссель, рассчитанный на прохождение постоянной составляющей анодного тока, при возни-кновении длинноволновых паразитных колебании станет элементом колебательного контура, настроенного на частоту этих колебаний, то из-за большого контурного тока возможен сильный его нагрев, даже его выход из строя.

Меры борьбы с самовозбуждением, как правило, не устраняют паразитных колебаний. Более того, иногда средства, препятствующие самовозбуждению, способствуют возникновению паразитных колебаний. Так, введение в схему усилителя дополнительных нейтродинных конденсаторов увеличивает возможность возникновения длинноволновых паразитных колебаний.

1. Для длинноволновых паразитных колебаний элементами колебательного контура, определяющими его частоту, являются проходная емкость С, блокировочные и контурные конденсаторы. Такие колебания называются также дроссельными. Дроссельные паразитные колебания возникают в том случае, когда выполняются условия самовозбуждения для эквивалентной индуктивной трехточечной схемы ,.

2. колебания монтаж стремятся выполнять с минимальной длиной соединительных проводов. В провода, по которым может протекать контурный ток паразитного колебания, включают антипаразитные резисторы, прежде всего в цепь управляющей сетки. Для уменьшения коэффициента обратной связи увеличивают емкость между сеткой и катодом,

3. Ультракоротковолновые паразитные — колебания, чаще всего возникают в ступенях о параллельные включением нескольких электронных приборов. Элементами, определяющими частоту их колебаний, является проходная ёмкость индуктивность и монтажных проводов, собственной ёмкости приборов и паразитная емкость монтажа.

Для снижения вероятности возникновения ультракоротковолнового паразитного для чего непосредственно около лампы ставят ВЧ-конденсатор Предугадать возможность возникновения паразитных колебаний не удается, поэтому в процессе проектирования и производства стараются исключить их появление. При первом включении передатчика выявляют устойчивость работы его ступеней и при необходимости осуществляют дополнительные меры обеспечения устойчивости передатчика.

2.6 Назначение согласующих устройств (цепей согласования)

Из расчета оптимального режима генератора определяются амплитудные значения колебательного напряжения Uк.м. м и тока первой гармоники коллекторного тока Iк1 откуда Rопт = Uк. м / Iк1. Сопротивление Rопт называется оптимальным, требуемым или выходным (Rвых).· Для реализации выбранного режима и эффективной передачи мощности в нагрузку Rн требуется равенство Rвых = Rн этого равенства является основной задачей согласования.

Сопротивлением нагрузки промежуточного каскада является входное сопротивление следующего каскада, а для выходного сопротивление антенны. Каждый каскад усилителя должен быть согласован со стороны входа с источником возбуждения и со стороны выхода с нагрузкой. С этой целью между генератором и нагрузкой ставится цепь согласования (ЦС) четырехполюсник, обеспечивающий трансформацию сопротивлений. Кроме трансформации, ЦС должна обеспечить требуемую фильтрацию гармоник и форму АЧХ. В противном случае в помощь ЦС ставят дополнительные фильтры и цепи коррекции АЧХ.