2)Потужні надвисокочастотні транзистори в підсилювальному режимі доцільно використовувати за потужністю не менш як на 40-50% від максимального режиму, в іншому випадку матимемо низький ккд;

• нижню робочу частоту звичайно рекомендується обирати ( – гранична частота), а верхню – близько до – для схеми із спільним емітером (СЕ) і – для схеми із спільною базою (СБ);

• більшість високочастотних транзисторів, призначених для роботи на частоті МГц, з технічних умов не можна застосовувати на частоті МГц, тобто в тій області частот, де інерційні властивості транзисторів не проявляються;

• схема ввімкнення (СЕ або СБ) може бути виконана згідно з конструкцією вибраного транзистора тому, що в ряді конструкцій або емітер з’єднаний з корпусом (КТ 907, КТ 909) або база

• з’єднана з корпусом (КТ 918, КТ919). Отже, в першому випадку можлива реалізація схеми з СЕ, а в другому – схеми із СБ.

Методичні рекомендації з до проектування структурних схем радіопередавачів

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 P₁ в антені чи на виході фідера, яка визначає дальність дії радіозв’язку;

• робоча частота f_р чи діапазон робочих частот f_{р min}...f_{р max};

• відносна стабільність частоти ∆f_р/f_р;

• вид і рівень модуляції.

В казані технічні характеристики забезпечуються багатокаскадною побудовою радіопередавача. В залежності від вихідної потужності структурна схема передавача буде мати вигляд, показаний на рис. 1.1 Структурна схема наземного передавача з великою потужністю (>500 Вт), виконується на транзисторах (рис. 1.1.).

Рис. 1.1. Структурна схема наземного передавача

Передавач складається із збуджувача 1, який містить в собі

опорний генератор і синтезатор частот, буферного каскаду 2, тракту попереднього підсилення сигналу 3, 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.

Вихідний каскад передавача виконується на транзисторі, що працює на антену або фідер і має елементи настроювання. Попередні підсилювачі можуть бути виконані на транзисторах, які працюють як в широкому, так і у вузькосмуговому діапазоні частот з елементами настроювання. Тут застосовують підсилювачі, які працюють в режимі підсилення основної частоти і в режимі помноження.

Передавачі середньої та малої потужності (<500 Вт) виконуються на транзисторах і мікросхемах.

Структурна схема транзисторного передавача зв’зку зображена на рис. 1.2.

Особливістю таких передавачів є те, що перехід з однієї частоти в іншу здійснюється лише в збуджувачі та в пристрої узгодження з антеною.

Рис. 1.2. Структурна схема транзисторного передавача

Підсилювальні каскади повинні бути широкосмуговими і забезпечувати заданий коефіцієнт підсилення за потужністю в усьому діапазоні частот.

Передавач складається із збуджувача, лінійного підсилювача потужності, який містить в собі попередній 2, перед кінцевий 3 і кінцевий каскади 4 і 5, пристрою 6, забезпечує підсумування потужностей декількох модулів, які входять до вихідного каскаду, пристрою 7, який забезпечує фільтрацію високих гармонік і

зв’язку 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.

Системи підсумування потужностей це найважливіша частина лінійного підсилювача високої частоти, будуються за мостовими схемами, що забезпечують взаємну розв’язку підсилювачів 4 та 5. пристрої узгодження з антеною виконують у вигляді системи комутованих фільтрів або автоматичних контурів, які перестроюються. Усі попередні підсилювачі – широкосмугові і працюють в 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 узгоджуючими ланцюгами, пристроями поділу та підсумування потужностей всередині модуля, колом живлення, системами блокування, захисту та забезпечення відводу тепла. Маючи набір таких модулів можна проектувати не тільки вихідні, а й проміжні частини передавача.

П ри проектуванні одно смугових передавачів необхідно забезпечити високу лінійність підсилюючого тракту. Структурна схема такого передавача зображена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Структурна схема односмугового передавача: 1 – джерело інформації, 2 – підсилювач низької частоти, 3 – збуджувач, 4 – лінійний підсилювач потужності, 5 – узгоджуючий пристрій.

Односмуговий передавач складається із збуджувача, який в своєму складі має опорний генератор, синтезатор, односмуговий модулятор, лінійний підсилювач потужності із узгоджуючим пристроєм, низькочастотний підсилювальний тракт, що містить в собі джерело інформації і підсилювач низької частоти.

В теперішній час для формування односмугового сигналу використовується метод повторної балансної модуляції з фільтрацією (фільтровий метод).

Сумістити вимоги доброї лінійності амплітудної характеристики підсилювального тракту, отримання значної потужності і високого коефіцієнта корисної дії (ККД) досить важко тому, що підвищення ККД і потужності каскадів пов’язане з використанням області характеристик транзисторів і ламп, де зростають нелінійні викривлення. Тому каскади попереднього підсилення, працюють в режимі першого роду (клас А), при цьому досягається добра лінійність за рахунок малого ККД і неповне використання за потужністю транзисторів і ламп. Кінцеві каскади повинні мати високий ККД і працювати з відсіком (режим В), в недонапруженому режимі. Застосування двотактних схем дозволяє значно зменшити на навантаженні напругу парних гармонік.

Структурна схема передавача з частотною модуляцією трохи відрізняється від передавачів з односмуговою модуляцією (рис.1.4).

Передавач з частотною модуляцією містить збуджувач, який включає в себе кварцовий генератор, керований джерелом інформації за допомогою частотного модулятора і синтезатор частоти, підсилювальний тракт ВЧ з узгоджувальним пристроєм.

Рис. 1.4. Структурна схема передавача з частотною модуляцією: 1- джерело інформації; 2- частотний модулятор; 3- збуджувач; 4- підсилювальний тракт; 5- узгоджувальний пристрій.

В такому випадку 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. Особливістю режиму роботи підсилювального тракту є вибір граничного режиму роботи активних елементів, застосування класу АВ в попередніх каскадах підсилення і класу В – у вихідному каскаді з метою зменшення вищих гармонік.

Перейдемо до попереднього розрахунку структурних схем передавачів. Амплітудну модуляцію (АМ) в передавачах бажано виконувати у вихідному підсилювачі тому, що він найменш електрично зв’язаний із збуджувачем і змінення його режиму при модуляції не буде впливати на стабільність частоти радіопередавача. Крім того, це дозволяє отримати більший ККД.

Підставивши числове значення коефіцієнтів ділення, отримаємо:

.

Таким чином, для забезпечення заданого діапазону змінення вихідної частоти синтезатора з кроком 25 кГц ПЗКД повинен змінювати свій коефіцієнт ділення

від до з кроком 0,5 кГц.

ШСП сигнал заданої частоти подається на вхід першого каскаду підсилення передавача.

Розглянемо принцип автоматичної підстройки 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 ГУН, 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. Якщо позначити крок сітки частот індексом F, то тоді частота порівняння визначається за формулою: ,

де F – може бути рівним 25 кГц; k – дробний коефіцієнт ділення ЦПКД, рівний 0,5. Коефіцієнт ділення ВЧ дільника рівний 8. Тоді

де - частота опорного генератора.

Умова порівняння частот на ЧФД виражається рівністю:

вихідну потужність. Слід застосовувати анодну і анодно-екранну модуляцію АМ для лампових каскадів і колекторну модуляцію – для транзисторних каскадів з метою отримання глибокої не викривленої модуляції слід модулювати ще й передостанній каскад.

Для визначення кількості підсилювальних каскадів високої частоти (ВЧ) необхідно розрахувати коливальну потужність, що віддається активним елементом вихідного підсилювача в максимальному режимі. Для каскадів з анодною та анодно- екранною модуляцією потужність ламп вибирається по формулі

де Р_1ном – номінальна потужність лампи; Р_1max – максимальна потужність, генеруючої лампи при заданих режимах; η_пк - ККД проміжного контуру; η_ак – ККД антенного контуру; m – коефіцієнт модуляції.

Для каскадів з колекторною модуляцією номінальна потужність транзисторів вибирається по формулі

Для передавача з частотною і односмуговою модуляцією потужність, що віддає лампа чи транзистор вихідного підсилювача, визначається як

де Р_1а – потужність в антені, приведенна в завданні.

Коефіцієнт підсилення за потужністю у модульованого за амплітудою каскаду при використанні тріодів у схемі з заземленим катодом 8....10, при використанні тетродів і пентодів в 1,5...2 рази вище. При застосуванні тріодів необхідно враховувати їх підвищену схильність до самозбудження, тому або застосовувати двотактне включення тріоду до схеми з заземленим катодом або

виконувати генератор на одному тріоді по схемі з заземленою сіткою. В цьому випадку коефіцієнт підсилення за потужністю не перевищує 5...6. Для транзисторних каскадів коефіцієнт підсилення модуля за потужністю складає 5...6.

В иходячи з приведених данних, можна зробити попередній розрахунок кількості каскадів лінійного підсилювача. Враховуючи, що вихідна потужність збуджувача вибирається від 0,05 до0,5 Вт, і загальний коефіцієнт підсилення підсилювального тракту

Методика розрахунку кількості каскадів наступна

Вихідна потужність передостаннього активного елементу визначається за формулою

де К_р1 – коефіцієнт підсилення за потужністю вихідного каскаду; η_пк2 – ККД проміжного контуру; Р_1max – максимальна потужність вихідного каскаду.

Для забезпечення необхідної потужності вибирають тип активного елементу. Розрахунок потужності проміжних каскадів проводять за формулою з наступним вибором активного елементу (К_рN-1 - коефіцієнт підсилення підсилювача, що приймається в межах 5...10). Цей розрахунок проводять до отримання заданого коефіцієнта підсилення К_у.

Результати попередніх розрахунків можуть в подальшому коректуватися при електричному розрахунку каскадів. Електричний розрахунок вихідних, проміжних, лампових і транзисторних каскадів розглядається в роботах [5],[7],[8],[9], [10],[15] та ін.

Електричний розрахунок вихідних, проміжних, лампових і транзисторних каскадів розглядається в роботах [5],[7],[8],[9], [10],[15] та ін.

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

Основними його блоками є: цифровий подільник зі змінним коефіцієнтом ділення (ПЗКД), поділювач опорних частот (ПОЧ), генератор, керований напругою (ГКН) та частотно- фазовий детектор (ЧФД). Для отримання ефективної реакції на невелике змінення частоти , частотне порівняння частотно-фазовий

Рис. 1.7. Цифровий синтезатор частоти: 1 – ГКН; 2 – ШСП; 3 – БПС; 4 – ДВЧ; 5 – Ф1; 6 – ГОЧ; 7- Ф2; 8 – ПОЧ; 9 – ЧФД; 10 – ПЗКД; 11 – ПК.

детектор здійснює на відносно низькій частоті (декілька кілогерц). 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 ДВЧ, частоти ГКН приводяться до частоти . ПОЧ являється цифровим пристроєм і тому на його вхід попадають сигнали з формувача (Ф2), який перетворює гармонічні коливання в імпульсні. Такий же формувач встановлений після ПВЧ. З виходу другого формувача (Ф1) імпульсні сигнали подаються на ПЗКД. Коефіцієнт ділення ПЗКД змінюється за допомогою електричного кола з пульта керування ПК. До функціональної схеми ще входять широкосмуговий підсилювач (ШСП), та буферний підсилювач сигналу (БУС). З другого виходу

Метод побудови ДОЧ, оснований на аналізі частот, докладно розглянутий в роботах [16],[17].

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.

Рис.1.6. Структурна схема датчика опорних частот: 1,8,9,10, - кварцеві генератори КГ0, КГ1, КГ2, КГ4; 3,5,7 – полосові фільтри СФ1, СФ2, СФ3; 2,4,6 – перетворювачі частоти ЗМ1, ЗМ2, ЗМ3.

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, побудований за принципом аналізу. Його робота ґрунтується на системі фазово-імпульсного автоматичного підстроювання частоти (АПЧ)- рис.1.7.

На сучасні радіопередавачі накладаються жорсткі вимоги, що до потужності випромінення вищих гармонік. Для діапазону декаметрових хвиль (ДКМХ) потужність випромі-нення 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. Режим за напруженістю і кут відсіку θ обирають в кінцевому каскаді з енергетичних міркувань або з міркувань мінімуму нелінійних викривлень модульованого сигналу. Тому вищі гармоніки в анодному чи колекторному струмі не можуть бути зменшені і їх фільтрація здійснюється коливальною системою кінцевого каскаду, або спеціальними фільтрами.

Для сучасних передавачів з транзисторними вихідними каскадами настроювання здійснюють шляхом розбивки всього діапазону робочих частот на піддіапазони і настроювання в резонанс з вихідним сигналом, в межах піддіапазону шляхом змінення ємності або індуктивності контуру.

Коефіцієнт перекриття ν по діапазону вибирається в межах 1,5....2, а загальний коефіцієнт перекриття визначається за формулою , кількість діапазонів визначається як .

Отримане значення n округляють в сторону збільшення до цілого числа. Уточнюють коефіцієнт перекриття . Потім виконують розбивку діапазону на піддіапазони по частотам:

З урахуванням 5% перекриття уточнюють границі піддіапазону та :

Далі обраховують коефіцієнт перекриття

і визначають середні частоти діапазонів

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 дозволяє говорити про 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. 1.5 зображені схеми вузькополосного неперестроюваного і перестроюваного фільтрів

а б

Рис.1.5, схеми вузькополосного 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 техніки, частіше цифрові подільники з попередньою обробкою гармонічного сигналу в імпульсний за допомогою формувачів. Такий спосіб підходить для діапазону МХ [16]. При використанні принципу “кварц-хвиля”, розраховують один кварцевий генератор. Якщо в якості збуджувача використовувати датчик опарних частот (ДОЧ), то розраховують один з кварцевих генераторів – елемент схеми ДОЧ. Для орієнтованої оцінки очікуваної нестабільності частоти слід виходити з температурного коефіцієнта частоти (ТКЧ), вибраного кварцевого резонатора [9], [20] та можливого коливання навколишньої температури. При необхідності потрібно вказати потрібні межі термостатування. Слід передбачити деякий запас, наприклад, якщо по нормам , 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. 1.6).

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 [5].

Кварцеві генератори КГ0, КГ1, КГ2, .....КГ (рис. 1.6) забезпечують відповідно А0, А1, А2, .....А_n фіксованих частот кожний. Перетворювачі частот ЗМ1, ЗМ і смугові фільтри СФ1,СФ2....СФ_n дозволяють отримати сумарні чи різницеві частоти. На практиці частіше використовують або лише сумарні, або лише різницеві частоти.

Розглянутий принцип відноситься до методу синтезу частот генератора.