ugfs_01-02 (Лекции (2 семестра) в формате PDF)

Общие сведения РПУ Основным предметом изучения курса является теория работы и методы проектирования радиопередатчика - источника высокочастотных колебаний в системах радиосвязи, радиолокации, радиоуправления. Назначение передатчика - сформировать радиосигнал в соответствии с требованиями к радиотехнической системе и подвести его к антенне или линии связи. Радиосигнал - зто колебание радиочастоты, параметры которого изменяются в соответствии с предаваемой информацией. Радиосигналы делятся на непрерывные и импульсные. Первый радиопередатчик был разработан Поповым в 1895 году. Это был искровой передатчик с импульсным сигналом и затухающей амплитудой.

Его сигнал занимал большую полосу частот. Первые передатчики незатухающих колебаний - зто дуговые и машинные, причем у дуговых - низкая надежность элементов, а машинные - сложны в изготовлении, их конструкция ограничивала полосу частот. После создания мощных генераторных ламп передатчики полностью стали ламповыми. Первый ламповый передатчик создан в 1922 году для станции имени Коминтерна. В настоящее время в передатчиках используются и лампы и полупроводниковые приборы, маломощные связные передатчики - полностью на полупроводниках, мощные передатчики - выходные каскады на лампах, а задающий генератор - на полупроводниковых приборах.

Электрические параметры передатчиков 1. иапазон абочих частот. Весь диапазон рабочих частот разделен в соответствии с рекомендацией международного консультативного комитета по радио. Частоты, отведенные различным типам передатчиков не являются жестко заданными. 2. Мо ность п е атчика, Под мощностью передатчика понимают мощность, отдаваемую в антенну.

Мощность определяет дальность действия передатчика и колеблется в пределах от доли Ватта до МВт, причем уровень мощности должен соответствовать минимуму, при котором передатчик способен выполнять свои функции. 3. Вид модуляции. Модуляция представляет собой управление амплитудой, частотой и фазой радиосигнала при непрерывном сигнале или параметрами импульса с целью передачи информационных сигналов, Основные виды модуляции: - амплитудная, - фазовая, - частотная, - импульсная.

б ность ча Х . Нестабильность несущей частоты определяет точность, с которой фиксируется положение спектра радиосигнала на оси частот. Норма на стабильность частоты передатчика жесткая и зависит от требований к радиотехнической еаеме. с4~-см,е. Обебщениаа структуриаа схема передатчика Усилители ИОщнОсти Умножители частоты ЧМ - частотная модуляция, ФМ - фазовая модуляция, АМ - амплитудная модуляция. Выходной каскад любого передатчика - это усилитель мощности (УМ) ~генератор с независимым возбуждением), работающий в режиме с отсечкой анодного или коллекторного тока. КПД УМ определяет какая часть подводимой мощности постоянного тока преобразуется в полезную колебательную мощность.

Низкий КПД приводит не только к увеличению энергетических затрат, но и к увеличению мощности рассеивания, то есть к нагреву передатчика. Высокий КПД можно обеспечить в нелинейном режиме до 85%. В линейном режиме КПД достигает 25%, поэтому каскады работают в нелинейном режиме. тем~ ~, Усилитель мощности (генератор с независимым возбуждением) Любой каскад передатчика можно представить состоящим из активного и пассивного четырехполюсника. Активный четырех полю сник представлен активными элементами: 4-х и. лампами и транзисторами, пассивный образу р нь1е и а ные Бвх Н сопротивления, создающие колебательную нагрузку.

Бели предположить, что колебательны й контур настроен в резонанс на первую гармонику, а остальные составляющие тока малы, то можно рассчитать работу УМ с помощью метода гармонической линеаризации. При этом используется аппроксимация статических характеристик активных элементов. Метод гармонической линеарнзации ф 1. Аппроксимация статических характеристик активных элементов. Здесь 1, - ток сетки, 1, - анодный ток, 1, - ток базы, 1„- ток коллектора, У,- амплитуда напряжения возбуждения, У„- амплитуда напряжения на нагрузке, Е,„- напряжение смещения, Е„- напряжение питания.

Мгновенные значения напряжений во входной и выходной цепях: е =Е +У сова~ я ем а ~ > 1 ~ьа~~ь. ф,4 е„= Е„ячиУ„совал линия критичеекого режима Параметры: Ьг, Я„, = — ', где Я„, - крутизна линии критического (граничного) режима; Ь|', 8 = — ' - крутизна Ье~ Ток анода: ~. =ф, -Е„+Х)в,), Ье, В = — ', где В - проницаемость, для ламповых триодов: ~, = Я„р, ток нагрузки: 1, =Я(е, -Е„+Ве„) $ 2.

Режимы работы УМ. (1) (2) Р, 6=в Р0 Хп ее тЕп Р Х рУ 1 Х„„У„ Хиеет Хеер для максимального КПД 1 1 следовательно — -=0.25 или 25% работы (КПД), отсюда в линейном режиме 2 2 ц= 25% еа Ее м+ ХХв совая е„= Е„- У„совая ~н ~е фн г„= Я(е, — Е„+ Ве„) (3) Подставим выражения (1) и (2) в выражение (3) и выделим постоянную и переменную составляющие тока: ~„=Я(Е,„-Е„+0Е„)+ Я3, -ЮУ„)соаИ = Х„„,+Х„, сова~, 1) Х„„> Х„„(линейный режим работы) класс А Определим КПД; 2) Х„„,< Х„„- нелинейный режим (класс В). Существует такое значение а» = 8, при котором 1„= О (выходной цепи).

Это значение д называется углом отсечки анодного (коллекторного) тока„то есть ток присутствует на части периода, равном 28. 1) а»=д 1„= О = Х„.„+ Х„„сова» -Е,„- Е„ЭЕ„ У, -ВУ„ 2) а»=0 ». = Х = ~(У, - Х)У„)(1 — сов 8)) -о~ Х У, = +.0У„, выражение для напряжения возбуждения, Ю(1 — сов 8) Х,(8 = 90') = 05 от Х; Х,(8 = 90 ) = 0.3 от Х; У„= Е„, 12Х У. 1 05Х„У„О5 ц = — ' = = — " " = — ж 0.83 => в нелинейном режиме КПД около 83%. Р Х,Е„2 О,ЗХ Е„О.б При расчетах УМ задается угол отсечки и рассчитывается напряжение смещения для этого угла Е,„= ~У„„— Ш3„~~совд+ Е, — 0Е„.

9 3. Динамическая характеристика тока. Динамическая характеристика (ДХ) тока УМ описывает зависимость мгновенных значений анодного (коллекторного) тока от мгновенных напряжений на аноде и сетке (коллекторе и базе). Форма ДХ зависит от исходной рабочей точки, амплитуды входного ~апр~~ени~ и сопротивления нагрузки. е„= Е».

— У„сова» ь, =Е,ФУ,сова» $Ц, еа Если точка А находится на линии критического режима и напряжение на сетке Е, + У„то УМ работает в граничном 1критическом) режиме, Участок ОА соответствует перенапряженному режиму (ПНР). В линейном режиме рабочая точка не выходит за участок АВ. Участок АВМ соответствует недонапряженному режиму (ННР). Для анализа режима работы УМ введен коэффициент режима: ~= и„/Е„ вННР: ~<Д„ ~„,=-1 в ПНР; ~<~„~. Изменять напряженность режима можно различными способами, изменяя Я„, Е„У, и Е„. Так, например, с увеличением Я„УМ переходит из ННР в граничный и затем ПНР.

Правее линии критического режима происходит возрастание сеточных токов, для ПНР также характерно появление сеточного тока, то есть при изменении напряженности происходит перераспределение токов между анодом и сеткой. Для каждого из режимов импульс анодного тока имеет характерную форму. 9 4. Гармонический состав выходного тока. Если АЭ безынерционный, то сдвига фазы импульса коллекторного тока относительно входного напряжения нет и импульс тока можно представить в виде суммы гармонических составляющих (ряд Фурье): ~;„„= 1, + 1; созе+ 1, соз2ая+...+1„созпат ю, - ~/а~~„,„н(ак) 1„= 2/и' )~ „созпаМ(ат) .

о Унас ~ „=Я(е, — Е„+Ве,), обычно В=О, к, =Ю(У,соза~+Е,-Е„), а (Е,-Е„)=-У,соИ, из выражения для созд подставим ~ „=ЯУ,(созрея-созе), отсюда 1, =ЯУ,1,(д), 1„=ЯУ,у„(8), где зш(п — 1)В зш(п+ 1)В у„(9) = 1/ж, система коэффициентов з' дана в учебниках. п — 1 и+1 Если амплитуды гармонических составляющих ~,„„разделить на максимальное значение тока в импульсе, то получим систему коэффициентов а„: а, = Х /», а„= Х„'Х Х максимумы а„при л ~1 имеют место при 0=120 Хл. ф 5. Влияние угла отсечки на работу УМ. На основе анализа режимов работы УМ и состава тока необходимо определить величину угла отсечки и оптимальный режим работы, которые обеспечат большую колебательную мощность при высоком КПД.

Выбор угла отсечки зависит от конкретных условий. Возможны следующие случаи: 1. Р, = 05Х сг,У„величина Р, при а= 120' г. д= ~/г, = ою(а,~и,)~= о~ — ' °; Х,У„ Х Е„ н У„ Щ» ц будет выше при д-+О, но при малых д необходима большая мощность возбуждения, чтобы обеспечить заданную Р,. Поэтому, чтобы удовлетворить оба условия задаются углом 8=60'+90'. Это приводит к некоторому снижению мощности и Кпд. "Ч = 70+ 80%% 9 б. Нагрузочные характеристики. К нагрузочным характеристикам УМ относятся зависимости Х„Х„У„, Р„Р, и Р, от сопротивления нагрузки Р„. С возрастанием Я„до граничного режима Х, и Х, почти не меняются, далее УМ переходит из ННР в граничный режим и в ПНР, происходит возрастание сеточного (базового) тока и спад анодного. В ННР: Р, = 05Х,'Я„„Р, прямо пропорциональна Я„ (так как Х, в ННР почти не меняется, отсюда с увеличением Я„Р, растет).

С возрастанием Я„- также увеличивается У„. В ПНР У„изменяется мало. ПНР: Р, = 0.5(~У/М„, то есть Р, обратнопропорциональна Я„и следовательно с возрастанием Я„- Р, падает (от граничного к ПНР). Отсюда оптимальную мощность будем иметь в граничном режиме, Следовательно, максимальную мощность при и = 70+ 80% можно получить задавшись 8= 90* и обеспечив граничный режим работы УМ. Следует помнить, что граничному режиму соответствует точка, ННР и ПНР область на динамической характеристике.

Значит необходимо определить такие входные напряжения и сопротивление нагрузки, чтобы попасть в зту точку. 9 7. Настроечные характеристики. УМ работает на настроенный резонансный контур. При расстроенном контуре между ХХ„и Х, существует фазовый угол.

Искажается форма импульса в ПНР. ф 8. Схема усилителя мощности. В выходную цепь входят три основных элемента: колебательный контур, источник питания и активный элемент. Они могут быть подключены последовательно или параллельно. Чтобы первая гармоника не проходила на источник питания в схеме включают блокировочный элемент (дроссель). Напряжение на блокировочной емкости составляет 1+2% от напряжения на контуре. С, „= 1ООС„ При параллельном питании блокировочная емкость не пропускает первую гармонику на источник питания.

С Цепь с параллельным питанием коллектора Нагрузкой усилителя мощности служит сопротивление антенны для выходного каскада или входная цепь следующего каскада. На частотах меньших 1000 Мгц колебательный контур выполнен на сосредоточенных элементах (конденсатор, катушка индуктивности).

В СВЧ диапазоне колебательный контур образует индуктивности выводов и междузлектродные емкости. Колебательный контур выполнен на коаксиальных линиях, отрезках волноводов и микрополосковых линиях. При работе передатчиков в диапазоне частот предварительные каскады работают в линейном режиме, а выходные каскады работают с отсечкой и выполнены по двухтактной схеме. В этой схеме вычитается четная гармоника, .