Построение радиопередающего устройства

Упрощенная структурная схема радиопередающего устройства для радиосистемы передачи информации приведена на рис. 2,4, а), а эпюры, поясняющие работу этой схемы, - на рис. 2.5.

Общий принцип работы радиопередающего устройства заключается в следующем. Пусть, например, визуально оценив сложившуюся воздушную ситуацию, летчик решает передать сообщение о ней наземной диспетчерской службе. Свое сообщение он произносит в микрофон (или ларингофон). Процесс произнесения сообщения приводит к тому, что между ртом летчика и микрофоном возникает информационный сигнал – звуковые волны (сжатие и разрежение воздуха). Давление этих звуковых волн на микрофонную мембрану приводит к тому, что на выходе микрофона возникает сравнительно слабое электрическое напряжение, форма которого в точности повторяет форму информационного сигнала. Далее это напряжение усиливается в усилителе низкой частоты.

Однако, напряжение с выхода усилителя низкой частоты обычно не подается на передающую антенну для излучения в пространство. Дело в том, что диапазон частот человеческой речи составляет интервал от 20 Гц до 20 кГц, что соответствует длинам волн от 15 км до 15000 км. Между тем, чтобы эффективно излучать радиосигналы с такими длинами волн, требуются антенны весьма больших габаритов. Такой вывод следует из элементарного анализа следующей формулы:

(2.3)

где: - мощность, излучаемая реальной антенной;

- действующая высота (размер эквивалентной антенны, имеющей равномерное распределение током по ее длине) реальной антенны;

- длина волны излучаемого радиосигнала ();

K- постоянный коэффициент.

- амплитуда тока в антенне

Подставив в выражение (2.3) указанные выше величины длин волн, становится очевидным, что для получения приемлемой низкочастотного сигнала соответствующая антенна должна иметь такую гигантскую , что установка подобной антенны на самолете оказывается невозможной. Приемлемое техническое решение возникает лишь на пути снижения длин волн излучаемых колебаний. Это означает, что самолетная антенна обязана излучать в пространство только высокочастотный радиосигнал, а низкочастотный информационный сигнал должен быть закодирован в параметре (например, в амплитуде) излучаемого высокочастотного радиосигнала. Иными словами, в радиопередающем устройстве должна быть предусмотрена возможность осуществления модуляции (в нашем случае – амплитудной, как наиболее просто реализуемой технически) высокочастотного колебания.

Требуемое высокочастотное электрическое колебание создается маломощным местным генератором – гетеродином. Гетеродин работает, как правило, в непрерывном режиме – начиная с подачи напряжения питания на его каскады. Вырабатываемое гетеродином высокочастотное колебание, имеющее постоянные амплитуду и частоту, далее подвергается модуляции. Узел, в котором производится модуляция (у нас – амплитудная), называется модулятором. Затем, промодулированное высокочастотное колебание усиливается в усилителе высокой частоты, после чего поступает на передающую антенну.

Отметим, что передающая антенна должна излучать в пространство высокочастотный радиосигнал в виде высокочастотного электромагнитного поля, тогда как на вход этой антенны подается высокочастотный радиосигнал в виде переменного электрического напряжения. Следовательно, передающая антенна, помимо функции излучения, должна еще выполнять и функцию преобразования электрического радиосигнала в электромагнитный (полевой) радиосигнал.

В результате выполнения перечисленных операций в пространстве, окружающем самолет, начинает распространяться электромагнитный радиосигнал, содержащий в себе произнесенное летчиком информационное сообщение для наземной диспетчерской службы.

Рассмотрим, с помощью каких радиотехнических средств реализуются те или иные операции, осуществляемые в рассматриваемом радиопередающем устройстве.

А) Микрофон (ларингофон)

Микрофон используется для преобразования звукового (информационного) сигнала, представляющего собой последовательность сжатий и разрежений воздуха, в адекватное по форме электрическое напряжение. Иными словами, если размерность входного микрофонного сигнала – паскали, то размерность выходного микрофонного сигнала – вольты. На рис. 2.6, а) представлено упрощенное построение электромагнитного микрофона с дифференциальной магнитной системой. Данный микрофон является направленным и используется при работе в помещениях с повышенным уровнем шума (например, в кабине пилота).

Принцип его работы основан на преобразовании разности звуковых давлений с обеих сторон мембраны (рис. 2.6, б)) в электрическое напряжение . Когда давления на мембрану с обеих сторон одинаковы (фоновый шум из-за переотражений от находящихся в кабине предметов является практически ненаправленным), электрическое напряжение на выходе отсутствует. Если же разность давлений оказывается отличной от нуля (речевой сигнал пилота создает давление с одной стороны мембраны; ), то вследствие соответствующего прогиба мембраны происходит изменение магнитного сопротивления, что приводит к изменению магнитного потока. Под влиянием этого изменения в обмотке, находящейся в магнитном поле, наводится элетродвижущая сила. При этом создаваемая движущая сила в каждой из двух микрофонных обмоток будет иметь одну и ту же величину, но обладать различной полярностью. Поскольку обмотки намотаны в противоположных направлениях и соединены последовательно, их электродвижущие силы будут складываться. Несмотря на это, выходное электрическое напряжение оказывается сравнительно малой величины, и для повышения уровня этого напряжения на выходе такого микрофона обычно ставится усилитель низкой частоты.

Что касается ларингофона, то он относится к классу электроакустических преобразователей, в которых звуковой (информационный) сигнал, преобразуемый в электрическое напряжение, создается колебаниями не воздуха, а гортани летчика, произносящего текст того или иного сообщения.

Схематическое устройство ларингофона приведено на рис. 2.7.

Принцип его работы заключается в изменении электрического сопротивления угольного порошка, включенного (посредством двух электродов, подвижного и неподвижного) в электрическую цепь, под воздействием скорости колебаний тканей гортани. Изменение данного сопротивления приводит к тому, что ток в электрической цепи, созданный источником постоянного напряжения, будет пульсировать по величине синхронно с этим сопротивлением.

Ларингофонная пара надевается на шею летчика и с помощью эластичного крепления фиксируется по обеим сторонам его гортани. При произнесении речевого сообщения колебания гортани соответствующие звуковому сигналу, будут передаваться ларингофону, а более конкретно – поступать на мембрану. Поскольку мембрана и соединенный с ней подвижный электрод обладают определенной инерционностью, то давление между зернами угольного порошка (а следовательно, и электрическое сопротивление порошка) будут изменяться в такт с колебаниями гортани. Это приведет к аналогичному изменению тока в цепи и, в итоге, к адекватным вариациям выходного напряжения (на вторичной обмотке трансформатора) .

Ларингофоны практически не реагируют на окружающие шумы (могут работать при уровне окружающих шумов до 120 дБ) и потому широко распространены в радиосистемах самолетной связи. К недостаткам ларингофонов могут быть отнесены:

а) достаточно высокий уровень собственных шумов;

б) сравнительно небольшой диапазон рабочих частот (от 300 до 3000Гц; слабое восприятие ларингофоном повышенных частот объясняется снижением скорости колебаний тканей гортани на этих частотах);

в) большой коэффициент нелинейных искажений (около 15%). Иногда ларингофоны заменяются другими электроакустическими преобразователями, которые имеют более высокую стоимость, но обладают улучшенными характеристиками.

Б. Усилитель низкой частоты.

Усилителем низкой частоты называется радиоэлектронное устройство, работающее в диапазоне частот до 100 кГц и осуществляющее увеличение амплитуды uм унч выходного сигнала по сравнению с амплитудой uм вх входного сигнала uвх, причем в нашем случае uвх= или uвх= . Одним из основных показателей работы любого усилителя является его коэффициент усиления Кус (). Если этот усилитель обладает частотной характеристикой ,

где = есть амплитудно-частотная характеристика (модуль частотной характеристики) данного усилителя, а – фазо-частотная характеристика (аргумент частотной характеристики) того же усилителя, то коэффициентом усиления этого усилителя на определенной частоте ω называется величина

, (2.4)

рассматриваемая в установившемся режиме.

Обратимся к рассмотрению усилителя низкой частоты.

Принципиальная схема одного из возможных вариантов транзисторной реализации усилителя низкой частоты (а именно – усилителя с общим эмиттером) представлена на рис. 2.8. Коэффициент усиления в таких схемах может достигать нескольких сотен.

Рассмотрим назначение различных элементов данной схемы.

Первый разделительный конденсатор предназначен для того, чтобы постоянные токи и напряжения, имеющиеся в предшествующем каскаде, не попали в данный усилитель и не нарушили бы его работу.

Резисторы и образуют делитель напряжения. Этот делитель выполняет две основные функции: 1) задает в режиме покоя небольшое (порядка 0,05….1 В) отрицательное (поскольку в схеме использован транзистор Т типа p-n-p) напряжение смещения на базу транзистора (это напряжение выводит рабочую точку данного каскада на линейный участок коллекторной характеристики транзистора, где нелинейные искажения усиливаемого сигнала оказываются минимальными); 2) выполняет частичную термокомпенсацию режима работы транзистора (с повышением температуры окружающей среды в транзисторе сильно изменяются постоянные составляющие токов и напряжений, и если не использовать термокомпенсирующие цепи, рабочая точка может сместиться за пределы линейного участка характеристики транзистора, что приведет к нелинейным искажениям выходного сигнала и к переменному во времени изменению коэффициента усиления каскада).

Эмиттерные резистор и конденсатор предназначены для обеспечения обратной связи, стабилизирующей положение рабочей точки на линейном участке транзисторной характеристики. Резистор осуществляет глубокую термостабилизирующую (в дополнение к резисторам и ) обратную связь по постоянной составляющей эмиттерного тока, в результате чего постоянное напряжение «база-эмиттер» остается в режиме покоя практически неизменным. Конденсатор , обладающий большой емкостью, устраняет обратную связь по переменной составляющей (в режиме наличия входного сигнала , либо ) эмиттерного тока.

Транзистор Т является электронным прибором, в котором (при расположении рабочей точки на линейном участке характеристики) небольшое изменение тока базы приводит к значительным изменениям коллекторного тока. В данном случае использован транзистор типа p-n-p. Это означает, что ток в транзисторе обусловлен перемещением так называемых дырок, то есть положительных зарядов, образовавшихся в результате отрыва электрона (отрицательного заряда) от атома. При этом на место дырки может прийти электрон соседнего атома, связанного с данным атомом валентной связью, и положительный заряд компенсируется (данный атом становится нейтральным). В результате ушедшего электрона в соседнем атоме образуется дырка. В свою очередь, место этой новой дырки может занять электрон, оторвавшийся от еще одного нейтрального атома. И так далее. Такой процесс может быть интерпретирован как направленного перемещение дырок (дырочный ток), хотя с точки зрения физики дырочное движение есть не что иное, как перемещение электронов. Подвижность дырок значительно ниже, чем подвижность электронов, а перемещение дырок внутри транзистора происходит под действием электрического поля между эмиттером и коллектором, которое создается с помощью напряжения источника питания .

Коллекторный резистор выполняет функцию нагрузки, с которой усиленная переменная составляющая входного сигнала подается на выход усилителя в качестве выходного напряжения . Это означает, что переменная составляющая напряжения, снимаемого с , и является выходным напряжением .

Второй разделительный конденсатор предназначен для того, чтобы постоянные составляющие токов и напряжений, имеющихся в рассматриваемом усилителе, не поступали на вход следующего каскада.

Источник напряжения - питания задает постоянное напряжение, необходимое для функционирования электронного прибора – транзистора Т. Полярность напряжения источника питания в данном случае выбрана отрицательной, поскольку используется транзистор типа p-n-p.

На рис. 2.9 представлены: а) – амплитудно-частотная характеристика усилителя низкой частоты; б) – фазо-частотная характеристика усилителя низкой частоты. Отметим, что снижение коэффициента усиления в области малых (близких к нулю) частот объясняется тем, что часть переменных составляющих входного и выходного напряжений теряется на первом и втором разделительных конденсаторах, а падение в районе повышенных частот обусловлено шунтирующим действием паразитных емкостей, всегда существующих между выводами элементов данной схемы.

В. Гетеродин.

Гетеродином называется местный генератор небольшой мощности, вырабатывающий гармоническое колебание высокой частоты. На рис. 2.10. приведена принципиальная схема одного из возможных вариантов гетеродина, выполненного на транзисторе типа p-n-p. Данный гетеродин вырабатывает синусоидальное напряжение, частота которого определяется параметрами L и C колебательного контура, включенного в коллекторную цепь транзистора:

(2.5)

Рассмотрим принцип действия этой схемы. Ее функционирование начинается с момента включения источника питающего напряжения - В коллекторную цепь, то есть с момента появления коллекторного тока. Этот ток заряжает конденсатор С колебательного контура, который зарядившись, далее начинает разряжаться на катушку L того же колебательного контура, в результате чего в данном контуре возникает высокочастотное колебание частоты .

Чтобы это колебание не стало затухающим, в схеме организована цепь положительной обратной связи, состоящая из катушки (ее витки пронизываются переменным магнитным полем, создаваемым катушкой колебательного контура) и конденсатора . Когда амплитуда колебаний в контуре из-за потерь на омическом сопротивлении проводов катушки обнаруживает тенденцию к спаданию, то уменьшающееся магнитное поле катушки мгновенно воздействует на катушку , напряжение на которой тотчас же возрастает. Рост напряжения на катушке , соединенной с базой транзистора , приводит к увеличению амплитуды переменной составляющей коллекторного тока, и этот ток вносит в колебательный контур энергию, компенсирующую омические потери в контуре. В результате высокочастотные колебания в контуре оказываются незатухающими. Они и являются выходным напряжением гетеродина.

Условия, необходимые для эффективной генерации выходного напряжения , создаются путем правильного выбора режима работы транзистора . Положение рабочей точки обуславливается заданием как значений и в цепи фиксированного (по постоянному току) смещения, так и величин и , обеспечивающих автоматическое (по переменной составляющей тока) смещение. Конденсатор осуществляет защиту гетеродина от паразитных колебаний, имеющих более высокие частоты, чем резонансная частота (2.5) колебательного контура – такие колебания могут возникнуть, например, при выходе рабочей точки на нелинейный участок коллекторной характеристики транзистора. Конденсатор при уходе генерируемой частоты от значения (2.5) может быть подстроен, в результате чего генерируемая частота вернется к номинальной величине (2.5); цепи подстройки конденсатора являются автоматическими и на рис. 2.10. не показаны.

Г. Модулятор.

Модулятором называется электронное утройство, на входы которого подаются модулирующий и модулируемый сигналы, а на выходе формируется сигнал, промодулированный тем или иным способом.

Наиболее просто с технической точки зрения реализуется амплитудная модуляция. Принципиальная схема простейшего амплитудного модулятора, выполненная в транзисторном варианте, показана на рис. 2.11.

Здесь модулируемым сигналом, подаваемым на входы 1 модулятора, является высокочастотная гармоника с выхода гетеродина, а модулирующим сигналом, который поступает на входы 2, является низкочастотное напряжение с выхода усилителя низкой частоты. Колебательный контур имеет резонансную частоту, равную частоте (2.5) высокочастотной гармоники, вырабатываемой гетеродином. Конденсатор отделяет амплитудный модулятор от последующих каскадов по постоянному току.

Процесс амплитудной модуляции, с математической точки зрения, представляет собой операцию перемножения двух функций времени. Однако в техническом (электронном) устройстве получить точное линейное перемножение оказывается невозможным, и в большинстве практических схем амплитудных модуляторов прибегают к косвенному перемножению, а именно – сначала выполняют суммирование входных (модулируемого и модулирующего) напряжений, а затем полученную сумму подвергают нелинейному преобразованию (это осуществляется путем выбора рабочей точки на нелинейном

участке транзисторной характеристики). В результате нелинейного преобразования формируется напряжение, состоящее из суммы большого числа комбинационных составляющих. Одна из этих составляющих (та, которая пропорциональна произведению модулируемого и модулирующего сигналов) выделяется частотно-избирательной цепью (в ее роле выступает в данном случае колебательный контур ) модулятора и подается на выход модулятора как требуемое амплитудно-модулированное напряжение . Что касается частотной модуляции, то она является более помехоустойчивой, чем амплитудная модуляция, но реализуется с помощью технически более сложных устройств. Принципиальная схема одного из простейших вариантов транзисторной реализации частотного модулятора показана на рис. 2.12.

Эта схема, фактически, представляет собой генератор с кондуктивной обратной связью. Генераторы подобного рода вырабатывают колебания на частотах не выше нескольких десятков мегагерц.

В данном частотном модуляторе частота выходного напряжения

определяется согласно формуле:

(2.6)

где - значение индуктивности, входящей в состав колебательного контура, а - величина совокупной емкости, находящейся в составе того же контура (значение формируется из величин емкостей как конденсаторов и , так и диода ). Если в выражении (2.6) изменять величину , то значение частоты также окажется переменным. Именно этот принцип и положен в основу функционирования данного частотного модулятора. Варьируемым компонентом совокупной емкости является емкость полупроводникового диода . Поскольку данный диод включен в обратном направлении, то модулирующее напряжение (этим напряжением является выходной сигнал усилителя низкой частоты), воздействуя на него в направлении запирания диодного перехода, будет изменять ширину запирающего слоя диода, а значит и величину емкости указанного перехода. Следовательно, в составе совокупной емкости окажется составляющая , управляемая напряжением с выхода усилителя низкой частоты.

Для наиболее эффективного употребления диода в качестве переменной емкости , используется источник постоянного напряжения , задающий положение рабочей точки на линейном участке вольт-фарадной характеристики диода . Конденсатор установлен для недопущения прохождения постоянного тока от источника в колебательный контур. Дроссель (катушка с сердечником из ферритового материала) Др защищает обмотки входного трансформатора Tр от воздействия высокочастотных составляющих тока генератора.

Д. Усилитель высокой частоты.

Усилителем высокой частоты называется радиоэлектронное устройство, работающее в частотной диапазоне от единиц до сотен мегагерц и предназначенное для повышения амплитуды выходного напряжения по сравнению с амплитудой входного напряжения ; причем в нашем случае или , а .

Принципиальная схема одного из возможных вариантов построения усилителя высокой частоты на транзисторе приведена на рис. 2.13.

Амплитудно-частотная характеристика показана на рис. 2.14.

Определение амплитудно-частотной характеристики усилителя высокой частоты аналогично определению амплитудно-частотной характеристики усилителя низкой частоты.

Основным частотно-избирательным узлом данного усилителя высокой частоты является колебательный контур, состоящий из катушки с индуктивностью и конденсатора, обладающего емкостью . Этот контур включен в коллекторную цепь транзистора и обладает резонансной частотой :

(2.7)

которая равна центральной (равной частоте гетеродина – в нашем случае) частоте в спектре высокочастотного напряжения, поступающего на вход усилителя высокой частоты.

Особенностью амплитудно-частотной характеристики усилителя высокой частоты является ее согласование со спектром входного сигнала. Это означает, что ширина D данной амплитудно-частотной характеристики, оцениваемая по величине 0,7 от максимального значения рассматриваемой амплитудно-частотной характеристики (интервал D называют полосой пропускания усилителя высокой частоты), не должна быть меньше, чем ширина основного участка спектра входного напряжения. Например, для случая амплитудно-модулированного напряжения (1.13) должны выполняться соотношения:

. (2.8)

При этом с целью наименьших искажений спектра выходного напряжения по сравнению со спектром входного напряжения форма амплитудно-частотной характеристики в пределах полосы пропускания D должна быть как можно более равномерной (в идеале – горизонтальной)

Конденсатор колебательного контура выполнен переменным – это позволяет подстраивать резонансную частоту по время испытаний усилителя высокой частоты.

Подключение следующего каскада к выходу усилителя высокой частоты обычно (в силу малости входного сопротивления следующего каскада) шунтирует колебательный контур, что приводит к расширению полосы пропускания D . Чтобы избежать этого явления, осуществляют так называемое частичное включение катушки .

Назначение остальных элементов усилителя высокой частоты сходно с назначением аналогичных элементов в усилителе низкой частоты.

Е. Передающая антенна.

Краткие сведения о построении и работе передающих антенн изложены в разделе «2.4. Приемо-передающие антенны»

Поиск по сайту: