2. Обгрунтування та розрахунок схеми радіопередавального пристрою

Радіопередавальними називають пристрої, призначені для виконання двох основних функцій: генерації електромагнітних коливань високої або надвисокої частоти і їх модуляції відповідно до повідомленням, яке необхідно передати.

При проектуванні передавачів зв’язку основним завданням є складання структурної схеми. Існує декілька видів структурних схем в залежності від способу модуляції, вихідної потужності, призначення.

Структурна схема радіопередавача проектується на основі заданих технічних показників, основними з яких є:

• потужність радіопередавача в режимі несучої в антені чи на виході фідера, яка визначає дальність дії радіозв’язку;

• робоча частота чи діапазон робочих частот ... ;

• відносна стабільність частоти ;

• вид і рівень модуляції.

Такі технічні характеристики забезпечуються багатокаскадною побудовою радіопередавача. Залежно від вихідної потужності структурна схема передавача буде мати різний вигляд. Передавачі з невеликою потужністю виконуються на транзисторах. Приклад такої схеми зображено на рис. 5.

Рисунок 5

З рис. 5 видно, що передавач складається зі збуджувача 1, який містить в собі опорний генератор і синтезатор частот, бу­ферного каскаду 2, тракту попереднього підсилення сигналу 3 і, кінцевого підсилювача 4, пристрою узгодження з антеною 5 і низькочастотного тракту, що забезпечує модуляцію і склада­ється з джерела інформації 6, попереднього підсилювача низь­кої частоти 7, амплітудного модулятора 8.

Передавачі більшої потужності виконуються на транзис­торах із складанням потужностей. Структурна схема такого транзисторного передавача зв'язку зображена на рис. 6.

Рисунок 6

Передавач більшої потужності складається зі збуджувача 1 лінійного підсилювача потужності, який містить в собі попередній підсилювач потужності 2, передкінцевий 3 і кінцевий каскади 4 і 5 (проміжні каскади), які підсилюють потужність до заданої величини і здійснюють розв'язку між кінцевим каскадом і задаючим генератором. Ця розв'язка необхідна для забезпечення високої стабільності частоти передавача. Проміжні каскади можуть працювати підсилювачами, помножувачами частоти, або підсилювачами-помножувачами, тобто у одному діапазоні каскад працює підсилювачем, а в другом - помножувачем. Множення частоти зменшує схильність багато каскадної схеми до самозбудження, також дає можливість працювати в різних діапазонах при задаючому генераторі, що працює в одному діапазоні. Це підвищує стабільність частоти і спрощує схему передавача. Пристрій 6 забезпечує підсумовування потужностей декількох модулів, що входять до вихідного каскаду, пристрою 7, який забезпечує фільтрацію високих гармонік і узгодження опору вихідного каскаду з антеною, низькочастотного тракту, який забезпечує модуляцію і містить в собі джерело інформації 8, підсилювач низької частоти 9 та модулятор 10.

Особливістю таких передавачів є те, що перехід з однієї частоти в іншу здійснюється лише в збуджувачі та настроюванням у разі необхідності в пристрої узгодження з антеною. Підсилювальні каскади повинні бути широкосмуговими і забезпечувати заданий коефіцієнт підсилення за потужністю в усьому діапазоні частот.

Системи підсумовування потужностей є найважливішими частинами лінійного підсилювача високої частоти (ВЧ) і будуються за мостовими схемами, що забезпечують взаємну розв'язку підсилювачів 4 та 5. Пристрої узгодження з антеною виконують у вигляді системи фільтрів, які комутуються, або контурів з автоматичним перестроюванням. Усі попередні підсилювачі широкосмугові і працюють у класі А для отримання лінійної амплітудної характеристики.

Сучасні транзисторні передавачі мають блочно-модульну конструкцію. Підсилювальний модуль являє собою схемне і конструктивне об'єднання декількох транзисторів разом із узгоджуванням ланцюгами, пристроями поділу та підсумовуванням потужностей усередині модуля, колом живлення, системами блокування, захисту та забезпечення відведення тепла. Маючи набір таких модулів, можна проектувати не тільки вихідні, а й проміжні частини передавача.

Амплітудну модуляцію (АМ) у передавачах бажано використовувати у вихідному підсилювачі, оскільки він найменш електрично зв'язаний із збуджувачем і зміна його в разі модуляції не буде впливати на стабільність частоти радіопередавача. Крім того, це дозволяє отримати більший ККД і вихідну потужність. Слід застосовувати колекторну модуляцію для транзисторних каскадів. З метою отримання глибокої не викривленої модуляції слід модулювати ще й передостанній каскад.

Структурна схема амплітудного модулятора зображена на рис. 7. Перетворення спектру, яке відбувається при модуляції, можливо в нелінійних системах або в лінійних системах із змінними параметрами. Останні зазвичай реалізуються за допомогою нелінійних елементів (НЕ), тому до складу модулятора, як правило, входить НЕ. В якості нелінійного елементу використовують напівпровідникові діоди і транзистори. Узгоджуючі ланцюги модулятора призначені для найбільш повної передачі потужностей від джерел до нелінійного елементу і вихідної потужності в навантаження. Крім того, вхідні і вихідні узгоджуючі ланцюги несучої частоти забезпечують оптимальний режим роботи НЕ.

Рисунок 7

Використовуючи в якості нелінійного елементу транзистор, розглянемо три види модуляції: колекторну, емітерну і модуляцію на базу транзистора. Можливі і комбіновані схеми модуляції, при яких модулююча напруга впливає одночасно на базу і на колектор. У всіх схемах з амплітудною модуляцією повинен бити витриманий єдиний принцип: напруга живлення, звукова і високочастотна напруги, що подаються на відповідні електроди, завжди повинні бути включені послідовно.

Схема модуляції на базу зміною зсуву працює в недонапруженому режимі. Приклад практичного здійснення цього методу показаний на рис. 8 Переваги такого виду модуляції полягають в досить глибокій модуляції при відносно малих напругах і потужності звукової частоти. Недоліки полягають в малому значенні К.К.Д., також при коефіцієнті глибини модуляції m > 0,6-0,7 з'являються помітні спотворення.

Рисунок 8

Модуляція на колектор характеризується високими енергетичними показниками, але вимагає більшої потужності модулятора, яка прирівнюється до потужності модульованого генератора. Схематична реалізація колекторної модуляції показана на рис. 9. Схема колекторної модуляції повинна працювати в перенапруженому режимі, що є її істотним недоліком. Для зменшення ступеня напруженості режиму і спотворень при модуляції застосовують подвійну і потрійну модуляцію. При подвійній модуляції в ланцюг бази включають резистор авто-зсуву. За рахунок звукової частоти струму бази, що протікає через резистор, забезпечується додаткова авто-модуляція на базу. При потрійній модуляції модулююча напруга подається на два каскади: перший каскад з подвійною модуляцією, другий каскад має потрійну модуляцію з т= 1. На його базу подаються вже модульовані коливання, на резисторі в ланцюзі бази створюється модулююча напруга авто-зсуву, змінна із звуковою частотою, і на колектор подається напруга звукової частоти, що здійснює колекторну модуляцію. Слід зазначити, що для отримання високого К.К.Д. всієї схеми модулятор повинен бити двухтактним і працювати в класі В.

Рисунок 9

Модуляція на емітер вимагає значно більшої потужності модулятора, чим базова модуляція. Це обумовлено протіканням струму емітера через джерело напруги звукової частоті. Енергетичні показники цієї схеми (використання потужності транзистора, К.П.Д. несучого режиму) такі ж самі, як при модуляції на базу. При емітерній модуляції забезпечуються менші спотворення, ніж при базовій, особливо при глибині модуляції m > 0,7-0,75. Низькі енергетичні показники, відносно велика потужність модулятора роблять емітерну модуляцію не раціональною.

В передавачах також може використовуватись частотна модуляція. Структурна схема передавача з частотною модуляцією зображена на рис. 10

Рисунок 10

Такі передавачі містять збуджувач, який складається з кварцового генератора 2, керованого джерелом інформації 1 за допомогою частотного модулятора і синтезатора частоти 3, підсилювального тракту ВЧ 4 з узоджувальним пристроєм 5. В таких передавачах використовується прямий метод формування частотно-модульованого сигналу, який потребує застосування помножувачів частоти, внаслідок малої девіації частоти кварцового генератора. Помноження частоти можна застосувати або в синтезаторі частот, або в підсилювальному тракті. При прямому методі частотної модуляції модулююча напруга подається на частотний модулятор, який підключається безпосередньо до контура задаючого генератора і змінює його частоту. Прямий метод частотної модуляції здійснюють в передавачах без кварцевої стабілізації частоти або в кварцованих передавачах з дуже малою девіацією при високостабільній несучій частоті (наприклад, при частотній маніпуляції). Основним недоліком прямого методу є невисока стабільність несучої частоти, обумовлена дестабілізуючою дією модулятора, підключеного до контура задаючого генератора. Основними перевагами методу є простота схеми і можливість отримання більшої девіації частоти в задаючому генераторі.

Також в передавачах використовується непрямий метод частотної модуляції. При такому методі спочатку здійснюється фазова модуляція в одному з проміжних каскадів передавача за допомогою інтегруючого ланцюга (ІЦ), потім фазова модуляція (ФМ) перетворюється в частотну. Непрямий метод застосовується в передавачах з кварцевою стабілізацією частоти. Основною перевагою методу є можливість здійснення частотної модуляції з відносно високою стабільністю несучої частоти. Основним недоліком непрямого методу є складність схеми. Непрямий метод здійснення частотної модуляції показаний на рис. 11

Рисунок 11

Для визначення кількості підсилювальних каскадів високої частоти необхідно розрахувати коливальну потужність, що віддається активним елементом вихідного підсилювача в максимальному режимі.

Для каскадів з колекторною модуляцією номінальна потужність транзисторів вибирається за формулою

де Р_1ном – номінальна потужність транзистора; Р_1max – максимальна потужність, що генерується транзистором при заданих режимах; - ККД проміжного контуру; – ККД антенного контуру; m – коефіцієнт модуляції.

Для передавача з частотною і односмуговою модуляцією потужність, яка віддається транзистором вихідного підсилювача, визначається як

Коефіцієнт підсилення за потужністю у модульованого за амплітудою каскаду під час використання транзисторів у схемі з заземленим емітером дорівнює 8.... 10, але при цьому слід враховувати їх підвищену схильність до самозбудження, тому застосовують або двотактне увімкнення транзисторів у схеми з заземленим емітером, або виконують увімкнення на одному транзисторі за схемою із заземленою базою.

Для транзисторних каскадів коефіцієнт підсилення модуля за потужністю становить 5…6. Виходячи з наведених даних, можна зробити попередній розрахунок кількості каскадів лінійного підсилювача. Враховуючи, що вихідна потужність збуджувача вибирається від 0,05 до 0,1 Вт, знаходимо загальний коефіцієнт підсилення підсилювального тракту.

Вихідна потужність передостаннього активного елементу визначається за формулою

де К_р1 – коефіцієнт підсилення за потужністю вихідного каскаду; – ККД проміжного контуру; Р_1max – максимальна потужність вихідного каскаду.

Для забезпечення необхідної потужності вибирають відповідний тип транзистора. Тип транзистора вибирається, виходячи з номінальної потужності і порогової частоти (обираємо транзистор типу 2Т980А з додатку 1).

Наступним етапом попереднього розрахунку структурної схеми є забезпечення заданого перекриття за діапазоном робочих частот.

На сучасні радіопередавачі накладаються жорсткі вимоги, що до потужності випромінення вищих гармонік. Для діапазону декаметрових хвиль (ДКМХ) потужність випромінення побічних гармонік не повинна перевищувати 50мВт, в діапазоні метрових хвиль (МХ) – 1мВт. Виконання цих вимог в широкодіапазонних передавачах натикається на великі труднощі і багато в чому визначає схему їх кінцевих каскадів. Оскільки вищі гармоніки в колекторному струмі не можуть бути зменшені, їх фільтрація здійснюється коливальною системою кінцевого каскаду, або спеціальними фільтрами.

В малопотужних передавачах діапазону МХ для здійснення фільтрації вищих гармонік і узгодження вихідного каскаду з антеною використовують фільтр нижніх частот (ФНЧ), який працюює у всьому діапазоні частот без перенастроювання. Аналогічні фільтри застосовуються для транзисторних передавачів діапазону ДКМХ. Ці пристрої являються вузькосмуговими та перестроюваними. Наявність узгоджувального пристрою забезпечує роботу генераторних каскадів на постійне навантаження, яке дорівнює хвильовому опору фідера . Це виключає появу відбитих хвиль, які, крім зниження ККД, помітно погіршують надійність транзисторів за рахунок збільшення напруги на колекторі. На рис. 12 зображені схеми вузькосмугового неперестроюваного і перестроюваного фільтрів

а б

Рисунок 12 - схеми вузькосмугового неперестроюваного (а) і перестроюваного (б) фільтрів.

_{Збуджувач} передавача проектують, виходячи із заданих технічних умов, діапазону частот та допустимої нестабільності коливань. При невеликій кількості фіксованих частот збуджувач будується за принципом “кварц-хвиля”. Якщо кількість частот більше десяти, то збуджувач будують або за принципом генератора гармонік, або за інтерполяційним принципом. При побудові збуджувачів застосовують також елементи обчислювальної тех-ніки, частіше цифрові подільники з попередньою обробкою гармонічного сигналу в імпульсний за допомогою формувачів. Такий спосіб підходить для діапазону МХ. При використанні принципу “кварц-хвиля”, розраховують один кварцевий генератор. Якщо в якості збуджувача використовувати датчик опорних частот (ДОЧ), то розраховують один з кварцевих генераторів – елемент схеми ДОЧ. Для орієнтовної оцінки очікуваної нестабільності частоти слід виходити з температурного коефіцієнта частоти (ТКЧ), вибраного кварцевого резонатора та можливого коливання навколишньої температури. При необхідності потрібно вказати потрібні межі термостатування. Слід передбачити деякий запас, наприклад, якщо за нормами , то при розрахунку можна задатися значенням _.

_{При інтерполяційному принципі побудова датчика опорних частот робоча частота отримується шляхом складання (або віднімання) двох допоміжних частот та . Якщо та змінювати дискретно, то, збільшуючи кількість фіксованих частот та , в інтерполяційному датчику опорних частот можна отримати довільну кількість робочих частот N. Але при цьому більш раціональним є використання принципу багатократної інтерполяції (рис. 13)}

Рис. 13 - Структурна схема датчика опорних частот

На відміну від однократної інтерполяції тут вдається отримати велику кількість фіксованих частот N при тій же кількості кварців і простіше вирішити задачу виділення корисного сигналу на виході перетворювача частот .

Кварцеві генератори КГ1, КГ2, КГ3,... КГП (на рис. позначені цифрами 1, 8, 9, 10) забезпечують відповідно А1, А2, АЗ ... Ап фіксованих частот кожний. Перетворювачі частот ЗМ1, ЗМ2, ЗМЗ (2, 4, 6) і смугові фільтри СФ1, СФ2 ... СФП (3, 5, 7) дозволяють отримати сумарні чи різницеві частоти. На практиці частіше використовують або тільки сумарні, або тільки різницеві частоти. Розглянутий принцип належить до інтерполяційного методу синтезу частот генератора.

При виборі функціональної схеми датчика опорних частот визначальними є: крок сітки частот, кількість робочих хвиль, рівень побічних складових і інерційность перестроювання (інерційність перестроювання характерна для датчиків опорних частот, побудованих за принципом ідентичних декад). Це пояснюється значною інерційністю схеми фазового автоматичного підстроювання частоти.

При великій кількості робочих частот використовують збуджувачі з ідентичними декадами ( при малій інерційності перестроювання, при малому кроці сітки частот) або збуджувачі, в яких використовуються подільники частоти, при малому рівні побічних складових (60 дБ та менше).

Слід відмітити, що помноження частоти призводить до підвищення побічних складових, а ділення – до зниження. Тому використання функціональних схем з діленням частоти краще в порівнянні з функціональними схемами з помноженням частоти.

Розглянемо в якості прикладу цифровий синтезатор частоти (рис. 14), побудований за принципом аналізу.

Рисунок 14

Його робота ґрунтується на системі фазово-імпульсного автоматичного підстроювання частоти (АПЧ). Основними блоками цього синтезатора є: цифровий подільник зі змінним коефіцієнтом ділення (ПЗКД) 10, подільник опорних частот (ПОЧ) 8, генератор, керований напругою (ГКН) 1 та частотно-фазовий детектор (ЧФД) 9. Для отримання ефективної реакції на невелику зміну частоти , ЧФД здійснює частотне порівняння на відносно низькій частоті (декілька кілогерц).

Генератор опорної частоти (ГОЧ), звичайно, працює на перших гармоніках кварцу і тому його робоча частота лежить в межах декількох мегагерц. Основні коливання створюються в ГКН. В блоці проходить порівняння частот: з однієї сторони, утворюваною в ПОЧ, з іншої - одержуваною в ГКН.

Оскільки ці частоти відрізняються одна від одної і їх значення значно вищі від частоти порівняння , то за допомогою ПОЧ і ПЗКД частоти ГКН приводяться до частоти . Подільник опорних частот являється цифровим пристроєм і тому на його вхід попадають сигнали з формувача (Ф2) 7, який перетворює гармонічні коливання в імпульсні. Такий же формувач встановлений після ПВЧ. З виходу першого формувача (Ф1) 5 імпульсні сигнали подаються на ПЗКД. Коефіцієнт ділення ПЗКД змінюється за допомогою електричного кола з пульта керування ПК 11. До функціональної схеми ще входять широкосмуговий підсилювач (ШСП) 2, та буферний підсилювач сигналу (БПС) 3. З другого виходу ШСП сигнал заданої частоти подається на вхід першого каскаду підсилення передавача.

Розглянемо принцип автоматичного налаштування частоти даної функціональної схеми. Припустимо, в робочому режимі в результаті дії дестабілізуючих факторів змінилася частота ГКН, що відразу ж призводить до зміни частоти, котра діє на ЧФД зі сторони виходу ПЗКД. А це в свою чергу призводить до появи аналогового сигналу на виході ЧФД, що подається на керуючий елемент (варикап), що входить до резонансної системи ГКН і змінює його частоту до значення, при якому на виході ПЗКД частота сигналу буде рівна частоті порівняння і в цьому випадку керуючий сигнал ЧФД буде рівний нулю. Таким же чином працює система автоматичної підстройки частоти і у випадку, якщо зміна частоти ПЗКД буде не результатом зміни частоти ГКН, а результатом зміни коефіцієнта ділення блоку ПЗКД, а він, як було вказано, може бути змінений оператором з пульта керування.

Таким чином, задана частота збуджувача встановлюється коефіцієнтом ділення ПЗКД в системі АПЧ синтезатора. При проектуванні такого синтезатора необхідно при заданому діапазоні частот передавача, вибрати частоту опорного генератора , коефіцієнт ділення опорної частоти n (він постійний), коефіцієнт ділення ВЧ дільника m, частоту порівняння частотно-фазового детектора та визначити діапазон зміни коефіцієнта ділення ПЗКД.