110_lect_rpdu (Лекции по предмету устройства генерирования и формирования сигнала (Ельцов))

РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВАРадиопередающим устройством (РПУ) называется устройство,формирующее высокочастотные колебания для передачи сообщения нарасстоянии. Высокочастотные колебания являются носителями, излучаются ввиде электромагнитных волн. Заложить информацию в ВЧ колебанияпозволяет изменение параметров этого колебания в соответствии с сигналомсообщения (модуляция).Области применения РПУ:1) Радиовещательные и телевизионные станции.2) Связные РПУ (станции).3) Радиолокационные системы.4) РПУ систем сигнализации: охранная, пожарная и т. д.5) РПУ телеметрии: информация, поступающая с космических систем(многоканальные, многометрические).6) РПУ информационно-волновых систем: устройства обнаруженияметаллической арматуры. Диагностика пациента с помощью тамографии и т.д.7) РПУ медицинского назначения: "радиозонд", "радио пилюли" и т.д.8) Генераторы медицинского назначения: диапазон от единиц герц додесятков Гигагерц.

Непрерывная мощность десятки, сотни ватт. Импульсныемощности несколько киловатт.9) Генераторы бытового назначения: СВЧ печи, устройства сушки,обработка пищевых продуктов, устройства отпугивания крыс, комаров.10) Сотовая телефонияСТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ РПУЗадающий генератор (автогенератор)Автогенератор это каскад, преобразующий энергию источника питания вэнергию ВЧ колебаний.

Основным параметром является рабочая частота fраб.f- относительная нестабильность частоты.f рабPвых - выходная мощность.В современных РПУ f раб = 10 3  1010 Ггц.1f= 10 3  10 6 Гц.f рабР вых  10 2 Вт.- автогенератор с кварцевой стабилизацией частоты.f~ 10 5 Гц.f рабf раб < 108 Гц.Pвых ~ 10 3  10 4 ВтБуферный каскад- используется для предотвращения влияния последующих каскадов.Умножитель частотыnf вых- коэффициент умножения частоты.f d[Pвых пр  1 - коэффициент преобразования.Р вхИспользуется в тех случаях, когда АГ не обеспечивает требуемуюрабочую частоту РПУ.Усилитель мощности- используется для повышения мощности в Кр раз.Pвых- коэффициент усиления по мощности.Р вхPe  вых - электронный КПД.Р0Рвых - мощность ВЧ колебаний на выходе.Рвх - мощность ВЧ колебаний на входе.Р0 - мощность потребляемая от источника питания постоянного напряжения.Kp 2Диодные усилители частоты существенно больше.3В тех случаях, когда активный прибор на заданной частоте не можетобеспечивать Рвых, заданную техническим заданием, используют схемусложения мощностей параллельно складывая мощность нескольких активныхприборов.- изменённые внутренние параметры, прямая ЧМ-фазовый модулятор- косвенная ЧМ- интегратор4Генераторы с независимым возбуждением(Усилители мощности)Обобщенная структурная схема:СЦ1 – согласование Rвых предыдущего каскада с Rвх активного прибора(АП);фильтрация высших гармоник; обеспечение максимального КПД.СЦ2 – согласование Rвых АП с нагрузкой; фильтрация высших гармоник;обеспечение максимального КПД при передаче энергии от АП к нагрузке.Сp1 – предотвращение попадания постоянного напряжения предыдущегокаскада в цепь смещения транзистора.Сp2 – разделение по постоянному напряжению выходных клемм АП снагрузкой.Lбл1, Cбл1, Lбл2, Cбл2 – предотвращают паразитную обратную связь по ВЧмежду входными и выходными электродами АП.Uб0 – источник постоянного смещения на базу.Uк0 – источник постоянного напряжения питания коллектора.Pвх – ВЧ мощность на входе каскада.Uвх – амплитуда напряжения ВЧ колебаний на входе каскада.Pвх – мощность ВЧ колебаний 1-й гармоники на входе АП.Iвх, Uвх1 – амплитуда тока и напряжения на вх.

клеммах АП.Iвых, Uвых1 – амплитуда ВЧ колебаний на выходе АП.Uн – амплитуда напряжения на нагрузке.Р~ - мощность ВЧ колебаний на выходе АП(колебательная).Рвых – мощность на полезной нагрузке.Iк0 – ток в цепи питания.Инженерная методика расчётов режима работы активного прибора вусилителе мощности и умножители частоты.5Усилитель мощностиУмножитель частотыНапряжённость граничного режима:U K1U K0Uk1- амплитуда первой гармоникиUk0- постоянная напряжения питанияколлектораРвых1-заданная выходная мощностьколебаний первой гармоники-коэффициент Берга для первойгармоникиU KnU KuUkn- амплитуда n-ой гармоникиколлекторного напряженияUk0- постоянная напряжения питанияколлектораPn- заданная выходная мощность дляn-ой гармоники- коэффициент Берга для n-ойгармоникиПараметры обобщенной схемы:21) Pвых  0.5  I вых  R н – мощность на выходе в активной составляющейполезной нагрузки.2) Р ~  0.5  I вых1  U вых1 – колебательная мощность(на выходе АП).3) P0  I k 0  U k 0 – потребляемая от ИП мощность.P~4) e  – электронный КПД.P0Pвых5)  k 2 - контурный КПД выходной СЦ2.Р~Pв16) k1  Р - КПД входной СЦ.вх7) К р Р вых Р вых Р в1 Р ~ K ракт  к1  к 2 - коэффициент усиления поР вхР вх Р в1 P~мощности.Элементная база АП (для бортовых и миниатюрных РПДУ)6Электронный режим работы АПi k  S  U б  E |0 - Статическая характеристика.Динамический режим АП характерен наличием на входных и выходныхклеммах АП ВЧ колебаний.

При этом рабочая точка (РТ) скользит по ВАХАП. Такой режим называется режимом с отсечкой коллекторного тока.Еоб - напряжение смещения на базе.Время нарастания Ik от 0 до максимума называется углом отсечки(0    180  ) . При работе транзистора в режиме отсечки мы получаеммаксимально возможные значения работы транзистора по энергетике > 50%.При работе в линейном режиме - КПД < 50%.Динамический режим при различных соотношениях напряжений на входе ивыходе прибора1) Увеличение напряжения на базе соответствует пропорциональномуувеличению тока коллектора. Такой режим называется недонапряженным.2) Когда напряжение на базе становится соизмеримым с напряжением наколлекторе, часть носителей ответвляется в цепь базы, и начинает расти токбазы.

Этот режим называется граничным. Дальнейшее увеличение тока базы7приводит к уменьшению тока коллектора (общий ток через АП = const). Такойрежим называется перенапряженным.В граничном или слегка перенапряженном режимах мы получаеммаксимально возможные значения e и Р вых1 .Форма импульса коллекторного токаE б 0  const , U б1 - изменяем. U б  E 0 б  U б1  (cos(  t ))imax - максимум импульса коллекторного тока.Гармонический анализ Iкiк  I k 0  I k1  cos t  I k 2  cos 2t  ...  I kn cos ntW2W3WnWАмплитуды I k 0 , I k1 ,..., I kn определяют форму импульса.При проектировании усилителя мощности на выходе требуетсяобеспечить максимальную амплитуду I k1 .

В соответствии с теоремой Фурьеэтого можно достичь, сформировав на выходе усилительного каскада импульсколлекторного тока I k1 определенной формы. Форма импульса коллекторноготока I k1 зависит от  и угла отсечки . Задача проектирования усилителямощности: на заданной частоте  выбрать режим работы транзистора при8котором напряжения смещения на базе (предельный ) реализуют макс.амплитуду I k1 .cos t  cos i K  i K max - форма импульса коллекторного тока ik1  cos i K  i K max F ; F   n  1 cos t   2 cos 2t...1 21 20  F dt;  n  F cos nt  dt2 00Коэффициенты Берга зависят от угла отсечкиI K 0  i K max   0 ; I K n  i K max   n  Коэффициенты Берга  n   рассчитаны и сведены в графики и таблицыopt 120 n1При opt получаем максимум мощности на коллекторе PK  I K  U K .2Максимум 1  120 .PKОднако максимум электронного КПД e реализуется при opt  0 .P0Поэтому, для УМ выбирают компромиссный режим:60 0  opt  120 .Такой режим позволяет получить на выходном усилители каскададостаточно высокую мощность колебаний 1-ой гармоники и сохранить приэтом приемлемый уровень электронного КПД.Оконечный  90 Предварительный  1109Методика расчета электронного режима работы АПКоличественной характеристикой электронного режима являетсяэффективность использования постоянного напряжения питания коллектора:U  K1 , 0    1U K0В гр.

режиме:    ГРНДР:    ГРПНР:    ГРОсновные соотношения для расчета режима АП1)  ГР  0,5  0,5 1 8P~- напряженность граничного режима.SГР  1    U 2k 0Параметры АП:а) SГР - крутизна граничного режимаб) U K 0 - типовое значение напряжения питанияв) P~  PK1 - выходная мощность 1-ой гармоникиг) 1  - коэффициент Берга для 1-ой гармоники2) PK1  0,5  I K1  U K1 - мощность ВЧ3) P0  I K 0  U K 0 - потребляемая4) PP  P0  PK1 - рассеянная на коллектореPK15) e - электронный КПДP06) I K 0  i max   0  - пост. составл.7) I K1  i max  1  - амплитуда 1-ой гармоникиU K18)  ГР - коэффициент использования в гр. режимеU K09) U K1  I K1  R K1 , R K1 - активная составляющая вых. сопротивления транзистораi max10) U Б1 - амплитуда 1-ой гармоники для напряжения на базеS  1  cos  i max  cos  U |Б 0 ; S – крутизна в динамическом режиме,11) U Б 0 S  1  cos |U Б 0 - напряжение отпирания транзистораЭтапы:1) Выбор типа АП2) Расчет его электронного режима10Выбор АП по двум параметрам: f раб и PK1Для схемы с ОЭ: f раб  f Схема с ОБ: f раб  1,5  2 f Расчет режима работы транзистора приведенный выше (1-11)справедлив для безынерционного транзистора т.е.a)f раб  0,05  f P~ Pвых K  0,8  0,9 По мощности:Pвых - заданная вых.

мощность транзистора.Pвых должно быть меньше Pном - по справочнику.При отсутствии Pном , транзистор выбирают по допустимой мощностирассеяния Pдоп . зависят не только от  но и от  ВХ ,  n ,  ВХ  ввели  n ,  ВХ I Kn  i K max   n ,  ВХ 11Электрические принципиальные схемы УМСхема №1Умножители частоты на транзисторахУмножитель частоты входных гармонических колебаний реализуется напринципе преобразования спектра на нелинейной характеристике ЛП споследующим выделением в выходном к.к. требуемой n-ой гармоники.Транзисторный умножитель частоты реализует нелинейность либорежимом отсечки i K , либо нелинейностью ёмкости “p-n” переходаПри выходе режима работы АП умножителя частоты120 opt nРабота транзистора в умножителе частоте в режиме с отсечкой i K120 0iэнергетически мало эффективна из-за уменьшения max при opt .nПреобразуем схему №1 из усилителя в умножитель с n = 2.а) меняем резонансную f K.K на частоту f ВЫХ  2f ВХ12б) Изменяем величину U Б 0 для реализации  = 60 .в) Меняем С БЛ 2 чтобы обеспечить протекание тока 2-ой гармоники,L БЛ 2 чтобы не пропустить 2-ую гармонику в ИП.Умножитель частоты на транзисторе с нелинейной ёмкостью “p-n” переходаВ качестве нелинейной ёмкости может использоваться емкость “p-n”перехода п/п прибора смещенного в область обратной проводимости.На вход подается гармоническое напряжение и вследствие нелинейнойемкости на выходе появляется спектр высших гармоник тока, выделяя одну изкоторых, осуществляет умножение частоты.Ge-1ASi-2AAsG01-3AC U  C0 U1    - контактная разность потенциаловШирокое применение в СВЧ умножителях частоты получили диоды снелинейной емкостью, которые в зависимости от степени нелинейностихарактеристики разделяются на:- варакторы   1 / 3- ДНЗ   1 / 3Для обоих типов диодов   0,5 .В паспорте на диод указывается C(0) и C(E)13CС(u)=0Cз(u)=Cб(u)= 1  u  Cот(u)=Cд(u)= B  e BuCз(u)- емкость запертого p-n переходаCот(u)-емкость отпертого переходаЗапертый переход соответствует барьерной емкости Cб отпертого перехода,определяется диффузионной емкостью Сд.С0 определяется паспортными даннымиGe-  =0.7 ВSi-  =1,1 ВAsGa-  =1,5 В -степень нелинейности емкости p-n перехода =1/2-резкий переход =1/3-плавный переход  1/4-сверхплавный переходРежимы работы диодных умножителейU 0 - напряжение смещения на диоде.14I.