История развития и становления радиопередающих устройств

История развития и становления радиопередающих устройств

радиопередающее устройство диапазон частота Любая система радиосвязи включает в себя радиопередающее устройство, функции которого заключаются в преобразовании энергии постоянного тока источников питания в электромагнитные колебания и управлении этими колебаниями.

25 апреля (7мая) 1895 года А. С. Попов на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества продемонстрировал первый в мире приемник. Этот день стал днем рождения радио. Первое практическое применение радиосвязи также принадлежит А. С. Попову. Ему удалось предать первую радиограмму на расстоянии 250 м. В дальнейшем, используя на передатчике антенну, А. С. Попов смог увеличить дальность радиосвязи к 1897 году до 5 км, а к 1899 до 45 км. В радиопередатчике А. А. Попов использовался единственный известный в то время принцип получения колебаний высокой частоты — с помощью искрового разряда. Отсюда название таких передатчиков — искровые. Упрощенная структурная схема радиопередатчика приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1 Структурная схема радиопередатчика А. А. Попова:

1 — источник питания;

2 — ключ;

3- высоковольтная катушка;

4 — разрядник;

5 — антенна Процесс излучения энергии происходит в передатчике не прерывно. Каждой пробой искрового промежутка в антенне приводит к возникновению быстрозатухающих колебаний (антенный контур имеет малую добротность). При этом антенна служит не только элементом, излучающим электромагнитную энергию, но и элементом, определяющим частоту радиочастотных колебаний. Первые искровые передатчики излучали колебания исключительно широкого спектра, что, естественно, создавало помехи соседним радиолиниям. Для повышения добротности антенной колебательной системы (а, следовательно, уменьшение затухания высокочастонхых колебаний) позднее разрядник был перенесен в дополнительный колебательный контур, индуктивно связанный с антенным контуром. Наряду с совершенствованием искровых радиопередатчиков во втором десятке XX века для генерации колебаний высокой частоты начали широко использоваться устройства, основанные на применении и других принципов. Так были получены незатухающие радиочастотные (РЧ) колебания в резонансном контуре, присоединенном параллельно к вольтовой дуге (так называемые дуговые радиопередатчики). В указанных передатчиках использовалось наличие падающего участка вольт — амперной характеристики дуги, соответствующего отрицательному сопротивлению. Это сопротивление компенсирует в контуре генератора сопротивление потерь, в результате чего в нем возникают незатухающие колебания. Поэтому спектр излучения дуговых передатчиков уже, чем искровых. Радиотелеграфные сигналы передавались изменением частоты радиочастотных колебаний с помощью замыкания и размыкания части витков катушки индуктивности колебательной системы.

Незатухающик колебания генерировались также с помощью электромашин высокой частоты (так называемые машинные передатчики).

Коренной перелом в развитии отечественной радиотехнике наступил после победы Великой Октябрьской революции. Период организации нового общественного строя, в условиях жесточайшей блокады, голода и разрухи В. И. Ленин уделял большое внимание организации научно — исследовательской работы по радиотехнике и развитию радиосвязи. По его указанию в 1918 году была организована Нижегородская лаборатория, которая стала основным научным центром в области радиотехнике.

Быстрое развитие радиотехники в нашей стране, начавшееся после Октябрьской революции, благотворно сказалось и на технике передающих устройств. Совершенствовались схемные решения и повышалась мощность радиостанций, увеличивались дальность связи, ее надежность. Были разработаны генераторы незатухающих колебаний дуговые и электромашинные специальной конструкции (100 — 200 кгц). Один из крупных дуговых радиопередатчиков мощностью 100 квт, построенный русским ученым В. М. Лебедевым и М. В. Шулейкиным, был установлен в 1920 году на Шаболовской радиостанции в Москве. Машинные генераторы мощностью 50 и 150 квт, спроектированные В. П. Вологдиным, успешно работали на Ходынской радиотелеграфной станции (ныне Октябрьской передающий радиоцентр). Как дуговые так и машинные радиопередатчики имели ряд существенных недостатков: сложность генерирования, усиления и управления радиочастотыми колебаниями в широком диапазоне частот и мощностей, низкая стабильность частот, сложность проектирования и изготовления и т. д. Поэтому к 30-м годам указанные радиопередатчики были полностью вытеснены ламповыми. Ламповые радиопередатчики впервые появились в 1912; 1916 годах. Первые отечественные генераторные лампы были созданы в 1914 году Н. Д. Папаклекси для передатчика в Царском Селе. В развитии и распространении ламповых передатчиков большую роль сыграла Нижегородская радиолаборатория, организованная в 1918 году. Сотрудниками этой лаборатории являлись лучшие специалисты в области радио: М. А Бонч — Бруевич, В. П. Вологдин, В. К. Лебединский, А. М. Кугушев, В. В. Татаринов, А. Ф. Шорен и др. Там под руководством Бонч — Бруевича была создана мощная генераторная лампа с внешним анодом и водяным охлаждением. Мощность, отдаваемая лампой, доходила до 950 Вт. В дальнейшем в Нижегородской лаборатории были разработаны усовершенствованные генераторы и модулярные лампы мощностью 25 и 40 кВт. На основе этих ламп руководством М.А. Бонч-Бруевича была построена радиостанция имени Комитерна (малый Коментерн) мощностью 12 кВт, а в 1925 году — радиостанция мощностью 40 кВт. Обе эти станции в то время являлись самыми мощными в мире. В то же время в фундоментальных работах М. В. Шулейкина, А. Л. Минца и И. Г. Кляцкина, А. И. Берга и других была разработана теория ламповых генераторов и создан метод их расчета.

Дальнейшее развитие отечественная техника радиопередающих устройств получила в годы первых пятилеток в связи с решением задач по радиофикации страны, установлению дальних связей, созданию низовой радиосвязи. В эти годы организуются научно-исследовательские институты, специальные радиотехнические вузы и факультеты, новые промышленные и эксплутационные предприятия связи, строились новые радиостанции, сваивались новые частотные диапазоны. Так, в 1929 году под руководством А. Л. Минца была построена 100 — киловаттная радиовещательная станция имени ВЦСПС, а в 1933 году начала работать 500 — киловаттная радиостанция имени Коминтерна. В годы Великой Отечественной войны в СССР вступила в строй сверхмощная средневолновая радиовещательная станция мощностью 1200 кВт. Отличительной особенностью этих станций была блочная конструкция, когда несколько блоков (генераторов) работали на общую нагрузку. Уже в 30-х годах и особенно в 40-е годы началось интенсивное освоение метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов волн. Именно благодаря использованию этих диапазонов удалось осуществить высококачественную передачу телевизионных изображений, внедрить в практику модуляцию, широко использовать для передачи сообщений радиорелейные линии связи. Освоение новых диапазонов потребовало создания новых электронных приборов для усиления и генерирования высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний. В частности, были разработаны магнетроны, многорезонаторные пролетные клистроны, лампы бегущей волны, платинотроны. Последние годы характеризуются внедрением в технику радиопередающих устройств полупроводниковых приборов. Это стало возможным благодаря созданию мощных генераторных транзисторов. Замена ламп транзисторами в технике радиопередающих устройств вызвана значительными преимуществами этих приборов: малыми массой и габаритными размерами, мгновенной готовностью к работе, долговечностью, низковольтным питающим напряжением. В настоящее время транзисторы реализуются как в маломощных радиопередатчиках и возбудителях, так и в передатчиках средней мощности. При этом наряду с биполярными транзисторами в передающих устройствах применяют полевые транзисторы. По мере разработки более высокочастотных генераторных транзисторов создаются радиопередатчики с использованием транзисторов, работающих на частотах до нескольких гигагерц. В маломощных ступенях передатчиков и возбудителях стали широко использоваться микросхемы и микросборки, а для измерения качественных показателей передатчиков и их управления — микропроцессорные устройства и ЭВМ. Последнее время для генерирования и усиления электромагнитных колебаний используют квантовый метод. Приборы для усиления СВЧ колебаний — мазеры и генераторы когерентного света (лазеры) нашли практическое применение. За разработку таких генераторных приборов советским ученым А. М. Прохорову и Н. Г. Басову совместно с американским ученым Ч. Таунсом присуждена Нобелевская премия. Идет интенсивное освоение и диапазона миллиметровых и субмиллиметровых волн, промежуточных между радиоволнами и световыми колебаниями.

Обобщенная структурная схема современного радиопередатчика

Схема изображена на рисунке 1.2.

Рассмотрим кратко назначение отдельных ее элементов. Задающий генератор (или возбудитель) 1 генерирует высокостабильные радиочастотные колебания в заданном диапазоне частот. Далее эти колебания усиливаются в предварительных каскадах 2 и поступаю на оконечный усилитель мощности 3. Часто предварительные каскады передатчика работают в режиме умножения частоты радиочастотных колебаний. Это облегчает требования к возбудителю и повышает устойчивость работы передатчика, поскольку усиление видеться на различных частотах. Усилитель мощности 3 обеспечивает на выходе антенны (или фидера) заданную мощность радиочастотных колебаний. Антенная система 4 излучает радиочастотные колебания в пространство. Для управления высокочастотными колебаниями служит модуляционное (или манипуляционное) устройство 5. Если передатчик работает с амплитудной модуляцией (АМ), то модуляционное устройство воздействует на оконечный или предварительные каскады. Если передатчик работает с частотной модуляцией (ЧМ) (манипуляцией), то модуляция (манипуляция) осуществляется в задающем генераторе 1. Устройство охлаждения ламп и контуров 8 поддерживает заданный тепловой режим передатчика, а устройство блокировки и сигнализации (УБС) 7 дает информацию о режиме работы передатчика и обеспечивает его включение и выключение, безопасность обращения с ним обслуживающего персонала. Источники питания 6 необходимы для подачи заданных питающих напряжений на лампы или транзисторы передатчика.

Рис. 1.2. Обобщенна структурная схема современного радиопередатчика.

Классификация радиопередатчиков

1) По назначению:

— связные,

— радиовещательные,

— телевизионные,

— радиолокационные,

— радионавигационные,

— телеметрические и др.

2) По мощности:

— маломощные (до 100 Вт),

— средней мощности (до 1000 кВт),

— сверхмощные (свыше 1000 кВт),

3) По роду работы (виду излучения)

— телеграфные,

— телефонные,

— однополосные,

— импульсные и т. д. Виды излучения обозначаются тремя индексами: первый (буква) характеризует вид модуляции:

А — амплитудная,

F — частотная, Р — импульсная;

Второй (цифра) определяет тип передачи:

0 — излучение немодулированной несущей,

1 — телеграфирование без модулирующей звуковой частоты,

2 — тональная телеграфная и т. д.

Третий индекс (буква) определяет вспомогательные характеристики;

4) По способу транспонированию:

— стационарные,

— подвижные (переносные, автомобильные, корабельные, самолетные и т. д.).

Классификация передатчиков по диапазону частот

Классификация передатчиков по диапазону частот в соответствии с рекомендациями Международного Союза Электросвязи (МСЭ) приведена в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Параметры любого радиопередающие устройства должны удовлетворять требованиям ГОСТов и рекомендациям МСЭ. Одним основных параметров передатчика, определяющего во многом дальность действия радиолинии, является его мощность. В зависимости от назначения радиопередатчика его мощность лежит в пределах тысяч киловатт (современные радиовещательные станции).

Исключительно важным параметром передатчика — стабильность его частоты. Современные радиопередатчики имеют относительную нестабильность частоты. Иногда требуется и более высокая стабильность частоты, например для передатчиков, работающих в сетях синхронного радиовещания. Высокая стабильность частоты передатчика повышает помехоустойчивость радиолинии (поскольку позволяет сузить полосу пропускания приемного устройства), позволяет увеличивать число станций, работающих в заданном диапазоне без взаимных помех (улучшает электромагнитную совместимость). Существуют международные рекомендации на доступные отклонения частоты радиопередатчиков всех категорий и назначений.

Важным параметром передатчика является его коэффициент полезного действия (КПД) — отношение мощности в нагрузке к полной мощности, потребляемой от источника питания. Коэффициент полезного действия маломощных передатчиков определяет во многом его габаритные размеры и массу, в коэффициент полезного действия сверхмощных передатчиков, кроме того, — стоимость их сооружения и эксплуатации. Высокий коэффициент полезного действия позволяет повысить экономичность системы охлаждения, а так же увеличить надежность работы передатчика.

Не меньше значения имеют электроакустические показатели радиопередатчика, такие как требования к коэффициенту модуляции (для передатчиков с амплитудной модуляцией), индексу модуляции (для передатчиков с частотной модуляцией (манипуляцией) и ФМ), нелинейным искажением, амплитудной характеристике (АЧХ), уровню фона и шума и т. д. Связи с ростом числа радиостанций и повышением требований к качеству передачи информации электроакустические и технические показатели радиопередатчиков постоянно совершенствуются. В последние годы в мощных передатчиках НЧ и СЧ диапазонов дальнейшее распространение получил бигармонический режим усиления мощности, позволивший повысить КПД передатчиков на 10 … 15%. Совершенствуются генераторные лампы. В настоящее время АМ передатчики мощностью до 100 кВт в СЧ диапазоне и 500 кВт в ВЧ диапазоне имеют лишь одну лампу в выходном каскаде. Были созданы выходные колебательные системы, обеспечивающие выполнение современных норм на побочные излучения даже в наиболее мощных передатчиках, шире используются испарительное охлаждение анодов мощных ламп. В модуляционных устройствах мощных передатчиков с АМ успешно применяются усилители класса Д. В этих усилителях активные приборы (лампы и транзисторы) работают в ключевом режиме с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и выделением на выходе усилительного модулирующего колебания. В этой связи коэффициент полезного действия модуляционного устройства оказывается высоким при любой глубине модуляции.

В телевизионных передатчиках широко реализуется постоянный автоматический контроль основных параметров выходных сигналов. Для формирования АЧХ канала изображения на промежуточной частоте применяются фильтры на поверхностно-акустических волнах. В последние годы в этих передатчиках стали использовать систему совместного усиления радиосигналов изображения и звукового сопровождения в общем тракте.

Значительного повышения качественных показателей радиопередатчиков, повышения оперативности их работы удается достигнуть с помощью ЭВМ в системе управления и контроля.

Основные проблемы

Основные проблемы, решаемые в настоящее время техникой радиопередающих устройств, определяются всевозростной насыщенностью народного хозяйства радиосредствами и требованиями повышения их технико — экономических показателей.

Главнейшими из этих проблем являются:

— повышение стабильности излучаемой частоты,

— подавление побочного излучения (высших гармонических частот и паразитного излучения),

— подавление внеполосного излучения,

— верность передачи,

— надежность и долговечность элементов,

— повышение эффективности и экономичности передающих радиостанций: — коэффициент полезного действия, вес и габариты,

— автоматизация радиопередающих устройств,

— освоение новых диапазонов и разработка новых методов генерирования и управления колебаниями,

— охрана труда.

Остановимся на некоторых проблемах подробнее. Хотя в настоящее время и не известно точное количество всех работающих радиостанций (включая военные) на земном шаре, однако можно предположить, что их число достигает нескольких миллионов. Поэтому для уменьшения взаимных помех необходимо, что бы каждая радиостанция излучала, возможно, точней выделенную ей частоту. По той же причине радиостанция должна излучать минимально необходимый спектр частот, определяемый характером передаваемого сообщения. Побочные и вне полосные излучения, определяемые нелинейными искажениями сигнала, высшими гармониками основного колебания, а так же паразитными и другими нежелательными колебаниями, необходимо подавлять и сводить к минуемому. Устанавливаемые нормы стабильности частоты и подавление побочных внеполосных излучений с течением времени пересматриваются и становятся все более жесткими.

Связи с тем, что передаваемые сигналы несут все более сложную информацию, требования к качественным показателям радиостанции и верности передачи систематически повышаются. Об искажениях сигналов, вносимых передатчиком, при передаче телефонии судят по коэффициенту нелинейных искажений и спаду амплитудно — частотной характеристики, при передаче телевидения — дополнительно нелинейности фаза — частотно характеристике, крутизне фронта переходной характеристике и выбросам на ней, при передачи телеграфии и дискретной информации — по коэффициенту преобладания, крутизне переднего и заднего фронтов и степени дрожания переднего фронта импульса, а при передачи других сигналов — по другим характеристикам в зависимости от рода сигнала. Разработка наиболее эффективных методов связи, обладающих наибольшей помехозащищенностью и требующих наименьшей мощности, выдвигает перед техникой радиопередающих устройств ряд задач. К ним относятся совершенствование конструкции узлов этих устройств, методов их модуляции, схем и режимов каскадов, обеспечивающих высокий промышленный коэффициент промышленного действия, высокие эксплутационные показатели и снижения трудоемкости изготовления. Важной проблемой является разработка мощных полупроводниковых приборов, обеспечивающих повышение надежности радиопередающих устройств, позволяющих уменьшить вес и габариты передатчика, а так же повысить его промышленный коэффициент промышленного действия.

В маломощных радиостанциях коэффициент промышленного действия определяет не только их схему и конструктивное исполнение, но и габариты, а так же вес, что за частую является важнейшим показателем, например, для радиостанций переносных, авиационных, космической радиосвязи и т. п. В мощных радиостанциях коэффициент промышленного действия влияет на стоимость их сооружения и эксплуатации, а так же определяет сложность устройств охлаждения анодов и деталей колебательных контуров, мощность и габариты трансформаторов и понижающей подстанции. Не менее важными проблемами являются уменьшение потерь в колебательных системах передатчика, разработка новых материалов, обладающих высокими электрическими свойствами, и эффективной отвод тепла, выделяемого в передатчике. В связи со все возрастающим количеством радиосредств и, в частности, в связи с развертыванием работ по созданию Единой автоматизированной системы связи (ЕАСС) большое внимание уделяется разработки автоматизированных радиопередатчиков, в которых обеспечиваются дистанционное управление и автоматическая перестройка на выбранную частоту, подержание уровня излучения заданной мощности и всех качественных и технических показателей, а так же автоматическое резервирование отдельных элементов или всего передатчика.

Потребность в освоении новых диапазонов определяется ростом объема передаваемой информации и не достаточностью количества радиоканалов. Переход к все более и более частотам вызывает необходимость разработки принципиально новых методов генерирования колебаний, примером чему является освоение диапазона инфракрасных, видимых и ультрафиолетовых частот. С появлением новейших методов генерирования колебаний возникает потребность и в иных методах управления колебаниями. Необходимость разработки новых методов модуляции и манипуляции определяется так же созданием более помехозащищенных линий радиосвязи.

В Советском Союзе особое внимание уделяется непрерывному совершенствованию средств безопасности работы, в частности, на передающих радиостанциях, которые представляют собой сложные электрические устройства.

В зависимости от назначения радиостанции радиопередающее устройство должно отвечать тем или иным техническим требованиям в отношение мощности, диапазонов частот, числа рабочих частот, скорости и удобства перестройки с одной рабочей частоты на другую, вида работы (манипуляция, модуляция и др.), качественных показателей, определяющих верность передачи сигналов, конструктивных требований, определяющих удобство эксплуатации и др.) задачей инженера является выбор правильного разумного технического решения, удовлетворяющего этим требованиям и обоснованного экономическими расчетами.

Список литературы

1) «Радиопередающие устройства» под редакцией Г. А. Зайтленка, издательство «связь» Москва 1969

2) «Радиопередающие устройства» под редакцией академика В. В. Шахгильдяна, 3-е издание, переработанное и дополненное, Москва «радио и связь» 1996.