Петров Б.Е. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах (1989)

ББК 32.848 Пз) УДК 621 396.61 Рекенвентм: кафедра радиопереддющнх устройств Московского института свнзн (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В. В. Шахгнльдтщ); кафедра раднопередающнх устройств Ленинградского электротехнического нкстнтута (эав. кафедрой д-р техн. наук, проф О. В Алексеев) !ЯВАМ 5-06-000! 21-0 Рассмотрены принципы действия и методы проектирования рзднопередаыщнх устройств на полупроиоднмковых приварах: усиавтелей мещиоств ва Евиолярных н полеиых транзисторах, умнощителей частоты (нз транзнсторзх, варзкторах н взаимных дмодахх транзнсторвых р днодиых автогенераторов, каскадов с амялитудной.

частотной н вазовой модуляцней. ББК 32.848 0Ф2.12 2302020800(4300000000) — 834 П ! 90 — 89 001(0!) — 89 )ЬВМ 5-06-000121-0 © Б. Е. Петров, В. А. Романюк. !989 Петров Б. Еы Роуйаиюк В. А. П31 Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах: Учеб. пособие для радиотехн. спец. вузов. — М.: Высш.

шк. — 1989. — 232 с.: ил. ПРЕДИСЛОВИЕ Предлагаемое учебное пособие предназначено для студентов радиотехнических специальностей вузов. Пособие написано на основе курса лекций, читаемых в Московском институте электронной техники; в нем учтены следующие тенденции развития техники радиопередающих устройств: применение полупроводниковых приборов и интегральных схем даже в достаточно мощных передатчиках, относительно новых приборов диапазона сверхвысоких частот (полевого транзистора с затвором Шотки, лавинного и лавинно-пролетного диодов, диода Ганна); использование режимов работы полупроводниковых приборов с напряжениями и токами негармонической формы.

Пособие отличается от других изданий рядом методических особенностей, что позволило упростить изложение материала и рассмотреть большое количество вопросов при относительно малом общем объеме, а именно: изложение многих вопросов базируется на теории генераторов с негармоническими временными формами напряжений и токов, что облегчает выбор управляющего воздействия на нелинейный элемент; для анализа! электрических режимов работы полупроводниковых приборов в различных каскадах передатчиков использованы по возможности одинаковые методы (квазилинейный, кусочно-линейной аппроксимации характеристик нелинейных элементов, угла отсечки); введено понятие транзистора с коррекцией, т. е.

транзистора с цепями, корректирующими его частотную характеристику, что позволило при анализе режимов работы транзисторов использовать теорию и методы расчета, известные из ламповой техники," использована единая методика для изучения автогенераторов как на транзисторах, так и на диодах, что существенно упростило рассмотрение устойчивости стационарного режима колебаний, стабильности частоты и выходной мощности, шумов автогенераторов. Настоящее пособие не охватывает всех вопросов техники радио- передающих устройств на полупроводниковых приборах.

Для получения дополнительных сведений по данной дисциплине следует обратиться к учебникам П, 21, учебным пособиям и монографиям !3 — 51, а также статьям и книгам, ссылки на которые содержатся в тексте пособия, Авторы благодарны рецензентам — сотрудникам кафедры радиопередающих устройств МИС: эав. кафедрой проф. В.В. Шаха у. рф.~И.А.П у),д .В.Б.К~~У, рудникам кафедры радиопередаюших устройств ЛЭТИ доцентам А. А. Головкову, А.

В. Митрофанову, В. В. Полевому, А. А. Соловьеву, Г. Г. Чавке за полезные советы и замечания, способствовавшие улучшению содержания книги. ВВЕДЕНИЕ Радиопередающими называют устройства, предназначенные для выполнения двух основных функций — ' генерации электромагнитных колебаний высокой или сверхвысокой частоты и их модуляции в соответствии с передаваемым сообщением.

Радиопередающие устройства входят в состав радиокомплексов, содержащих, кроме того, антенны, радиоприемные и различные вспомогательные устройства. В дальнейшем под термином «радиопередающие устройства» будем понимать как радиопередатчики, так и их отдельные каскады. Одной из основных тенденций развития техники радиопередающих устройств является стремление выполнить радиопередатчик по возможности полностью на полупроводниковых приборах и интегральных схемах (ИС). Если требуемая выходная мощность не может быть обеспечена существующими генераторными полупроводниковыми приборами, то выходные каскады передатчика выполняют на вакуумных приборах: радиолампах, клистронах, лампах бегущей волны и т.

д. В настоящем учебном пособии изучаются радио- передающие устройства на полупроводниковых приборах — биполярных и полевых транзисторах, умножительных и генераторных диодах. Прн проектировании задают параметры, которым должен удовлетворять радиопередатчик. Основными из них являются выходная мощность Р,„„на рабочей частоте ~р или в диапазоне частот ~,„ь, ... ... ( „,; относительная нестабильность частоты ЛЯр, КПД передатчика Ч = Р,„„~Р,х, где Рах — суммарная мощность, потребляемая от источника первичного питания; относительный уровень побочных излучений йпоа --— 10 1Я (Рпос в~Рвы )где Рпобх суммарная мощность колебаний, излучаемых передающей антенной вне рабочей полосы; вид и параметры модуляции.

Радиопередатчики классифицируют по назначению, условиям эксплуатации, выходной мощности, частоте, виду модуляции и т. д. Отметим, что по выходной мощности радиопередатчики на полупроводниковых приборах могут быть разделены на маломощные (выходная мощность — десятки милливатт), средней мощности (сотни милливатт — десятки ватт) и мощные (сотни ватт — единицы киловатт); по частоте — на высокочастотные (частота менее 300 МГц) и сверхвысокочастотные (частота более 300 МГц).

В.1. Схемы радиопередатчиков нв полупроводниковых приборах Функциональные схемы передатчиков определяются предъявляемыми к ним техническими требованиями — рабочей частотой, выходной мощностью, стабильностью частоты и т. д. Наиболее просто обе основные функции радиопередатчика — генерация электромагнитных колебаний и их модуляция — реализуются в том случае, когда не требуется высокая стабильность частоты и выходная мощность относительно невелика. Например, прн импульсной модуляции, относительной нестабильности частоты примерно 1О-в н выходной мощности, обеспечиваемой одним полупроводниковым 8лод пч Рнс, В.1, Функниоивльнвя схема простейшего рвднопередвтчикв Рнс.

В,2. Фуикниоивльнвя схема бло- ки формирования частоты прибором, функциональная схема радиопередатчика может иметь вид, представленный на рис. В.!. Вентиль на выходе генератора применен для защиты от внешних воздействий, поступающих от антенны. Передатчики по схеме рис.

В.1 применяются на сверхвы<оких частотах (СВЧ) в радиосистемах ближней локации и навигации, радиоответчиках и т, д. В большинстве случаев требования по стабильности частоты и выходной мощности не могут быть обеспечены применением одного генератора, как на рис. В.1. В современных радиопередатчиках функции генерирования высокостабильных колебаний и получения требуемой выходной мощности разделены.

Условно радиопередатчик может быть представлен в виде двух блоков — блока формирования частоты, или возбудителя, и'блока формирования выходной мощности, или мощного усилителя. При этом частотная и фазовая модуляции осуществляются в возбудителе, а амплитудная модуляция — в мощном усилителе. Возбудители передатчиков. Основным элементом возбудителя является генератор высокостабильных колебаний. Кроме того, в него могут быть включены каскады усиления, умножители частоты, элементы системы автоматической подстройки частоты. На рис. В.2. представлена функциональная схема возбудителя, в котором осуществляются генерация колебаний с кварцевой стабилизацией частоты, умножение частоты и фазовая модуляция.

На рис. В.З изображена функциональная схема возбудителя передатчика СВЧ, удовлетворяющая требованиям высокой стабильности частоты, низкого уровня шумов, малого уровня побочных излучений. Здесь применен перестраиваемый варикапом генератор СВЧ с фазовой автоподстройкой частоты. В качестве опорного служит кварцевый автогеиератор с умножением частоты. Рнс. В.З. Функяноннльнлн схема нозбуднтелн передатчика СВЧ; Од — Вааоаын дателтор: ФЛПЧ вЂ” цель Эаэааое ал толодстронлл частоты Для формирования частоты все более широко применяют синтезаторы частот, которые обеспечивают генерацию колебаний высоко- стабильной частоты в определенной полосе с шагом 100.

10 Гц или менее. Мощные усилители. Выходную мощность радиопередатчиков формируют каскады усилителей мощности. В случае, когда она может быть получена с помощью одиночного прибора. применяют системы покаскадного наращивания мощности на транзисторах или диодах. На рис. В.4 изображена схема диодиого передатчика СВЧ, в которой генераторные диоды работннтт в режиме синх- г л - тч ронизации частоты.

Однако часто требуемая выходная мощность передатчика превышает мощность одиночноьм 4 го прибора. В этом случае не- Рнс. ВЛ. Функцнонельння схема переобходимо суммировать мощно. длтчнкн не генерлторных дноднх сти отдельных усилительных каскадов. В современных радиопередатчиках используют в основном два способа сложения мощностей: с помощью сумматоров и предварительных делителей мощности и с помощью активных фазированных антенных решеток (АФАР), при этом суммирование мощности происходит в пространстве. Применяется также комбинация этих способов, когда в элементах АФАР использованы сумматоры-делители. На рис.

В. 5 приведена функциональная схема мощного усилителя связного передатчика с применением сумматоров — делителей мощности. Мощность, поступающая от возбудителя, разделяется на несколько каналов, усиливается в каждом из них, и затем осуществляется суммирование мощностей отдельных каналов. Выходная мощность здесь примерно в 8 раз выше мощности одного активного элемента.

На рис. В. 6 приведена функциональная схема передающей АФАР связной радиосистемы, состоящей из устройства формирования частоты, предварительного усилителя (иногда называемого возбудителем АФАР) и передающих модулей (включающих фазовращатели, усилители и излучатели). Основные каскады радиопере- датчиков и их особенности.