Часть 1. ГЕНЕРАТОРЫ С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ, АВТОГЕНЕРАТОРЫ И ВОЗБУДИТЕЛИ ДИАПАЗОНА ВЫСОКИХ ЧАСТОТ

УСТРОЙСТВА ГЕНЕРИРОВАНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ РАДИОСИГНАЛОВ

Учебное пособие для студентов

радиотехнического факультета

Севастополь

УДК 621.396.61

Климов В.П. Устройства генерирования и формирования радиосигналов. Учебное пособие для студентов радиотехнического факультета. - Севастополь: Изд-во Сев НТУ,2002,- 82 с.

Целью учебного пособия является оказание помощи студентам в освоении и закреплении основных теоретических положений курса.

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие.......................................................................................................... 5

Введение................................................................................................................ 6

Часть 1. Генераторы с внешним возбуждением, автогенераторы и возбудители диапазона высоких частот.

1.1. Общие сведения........................................................................................... .8

1.2. Активные элементы...................................................................................... 8

1.3. Режимы работы АЭ в генераторах внешнего возбуждения...................... 10

1.4. Нагрузочные характеристики ГВВ............................................................. 12

1.5. Узкополосные согласующие цепи связи..................................................... 13

1.6. Широкополосные цепи связи...................................................................... 15

1.7. Трансформаторы типа “длинная линия” – ТДЛ........................................ 16

1.8. Принципы построения схем....................................................................... 17

1.9. Сложение мощностей активных элементов. Мостовые схемы сложения. Усилитель с синфазными мостами, квадратурный мост, многополюсные схемы сложения.. 19

1.10. Широкополосные усилители. Идеальное, предельное и оптимальное согласование. Теория Фано.......................................................................................................... 23

1.11. Блочно-модульный принцип построения транзисторных широкополосных усилителей мощности............................................................................................ 25

1.12. Усилители с распределённым усилением................................................... 26

1.13. Умножители частоты. Варакторные, на диодах с накоплением заряда, транзисторные....................................................................................................... 28

1.14. Автогенераторы. Основное уравнение АГ................................................. 29

1.15. Кварцевые автогенераторы......................................................................... 31

1.16. Принципы построения диапазонных возбудителей с кварцевой стабилизацией частоты.................................................................................................................. 33

1.17. Формирование сетки частот по методу прямого синтеза с использованием идентичных декад.................................................................................................. 34

1.18. Возбудители косвенного синтеза................................................................ 36

1.19. Цифровой синтезатор частоты.................................................................... 37

1.20. Квантовые стандарты частоты в синтезаторах.......................................... 37

Часть 2. Формирование сигналов с амплитудной (АМ), частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) модуляцией. Однополосная модуляция (ОМ).

2.1. Общие сведения........................................................................................... 39

2.2. Амплитудная модуляция. Способы осуществления.................................. 41

2.3. Однополосная модуляция. Балансные модуляторы. Фильтры в однополосной аппаратуре............................................................................................................. 44

2.4. Методы формирования однополосного сигнала....................................... 46

2.5. Частотная и фазовая модуляции. Общие сведения.................................... 48

2.6. Аналитическое сравнение ФМ и ЧМ........................................................... 49

2.7. Способы осуществления ЧМ....................................................................... 52

2.8. Фазовая модуляция. Способы осуществления........................................... 56

Часть 3. Телеграфная работа. Формирование радиосигналов в передатчиках цифровой связи.

3.1. Амплитудная манипуляция......................................................................... 59

3.2. Частотная манипуляция............................................................................... 61

3.3. Фазовая манипуляция.................................................................................. 64

3.4. Общие вопросы формирования радиосигналов в передатчиках цифровой связи 65

3.5. Относительная фазовая манипуляция ОФМ-2........................................... 67

3.6. Формирование радиосигналов ОФМ-4...................................................... 70

3.7. Формирование радиосигналов КАМ-16.................................................... 72

Приложение А. Передатчики релейной и спутниковой связи................... 77

Приложение Б. Классификация радиочастотных спектров и типов излучения. 84

4. Библиография.................................................................................................... 82

ПРЕДИСЛОВИЕ

В основу учебного пособия положены первоисточники [1,2,3], а также курс лекций, который читался автором в Сев НТУ в 1997-2001гг. Главная цель, которую поставил автор, состояла в том, чтобы изложить в систематизированном и доступном виде ряд важных вопросов генерирования и формирования радиосигналов и способы управления колебаниями для формирования радиосигналов с заданными параметрами. По возможности автор стремился не перегружать материал пособия математическими выкладками и доказательствами. Поэтому в ряде случаев строгому обоснованию рассматриваемых результатов уделяется меньшее внимание, чем их прикладной стороне.

Автор не ставил перед собой задачу рассмотреть все наиболее существенные вопросы генерирования и формирования радиосигналов. Некоторые вопросы рассмотрены очень кратко, а некоторые вообще не затронуты.

Несмотря на это автор надеется, что пособие облегчит студентам знакомство с имеющейся литературой по рассматриваемым вопросам, позволит им быстрее и правильнее ориентироваться в этой литературе при решении тех или иных задач в процессе учебно-исследовательской работы, курсового и дипломного проектирования.

Учебное пособие состоит из трёх методически связанных между собой частей. В части 1 рассмотрены схемы и режимы работы генераторов с внешним возбуждением, умножители частоты, автогенераторы и синтезаторы частот. В части 2 изложены вопросы формирования сигналов с амплитудной, однополосной, частотной и фазовой модуляцией. В части 3 рассмотрены вопросы формирования сигналов с амплитудной, частотной и фазовой манипуляцией, формирование сигналов в цифровых системах связи.

Примечание.

В настоящее время для студентов дневной формы обучения читаются дисциплины: “Устройства генерирования и формирования радиосигналов” и “Радиопередающие устройства”, объединённые общей канвой и изучаемые в шестом и седьмом семестрах соответственно. Студенты заочной формы обучения изучают одну дисциплину: “Устройства генерирования и формирования радиосигналов”. В неё составной частью входит курс “Радиопередающие устройства”. Вследствие этого студенты дневной формы обучения выполняют курсовой проект по дисциплине “Радиопередающие устройства”, студенты заочной формы обучения – по дисциплине “Устройства генерирования и формирования радиосигналов”. Задание на курсовое проектирование и все требования совершенно идентичны.

Содержание учебного пособия охватывает основные разделы обеих дисциплин.

ВВЕДЕНИЕ

Устройство генерирования и формирования радиосигналов – это источник модулированных радиочастотных или оптических колебаний для радиотехнических систем того или иного назначения (связь, телевидение, локация, навигация и др.). УГФРС, предназначенные для передачи информации в соответствующих средах связи, в качестве которых используются эфир, кабельные и оптические линии в дальнейшем для краткости будем называть передатчиками. Назначение передатчика – сформировать сигнал в соответствии с требованиями, установленными при разработке системы, и подвести его к антенне или линии связи.

Радиосигналом называют колебание радиочастоты, один или несколько параметров, которого изменяются (модулируются) в соответствии с передаваемым сообщением (информацией). Спектр частот радио сигнала характеризуют: частота несущей f0; допустимая абсолютная нестабильность частоты несущей Δf0; допустимая относительная нестабильность частоты несущей σf=f0/Δf0 ; занимаемая полоса частот, ширина зоны внеполосных излучений.

Точность, с которой фиксируется положение спектра радиосигнала на оси частот, определяется нестабильностью несущей частоты Δf0.Обычно задают требования на допустимую относительную нестабильность частоты σf= Δf0/f0.

Под занимаемой полосой частот обычно понимается интервал между нижней fн и верхней fв частотами, в котором сосредоточено 99% мощности сигнала.

Вид модуляции определяется при проектировании радиосистемы. Различают следующие виды модуляции:

амплитудную (АМ), применяемую в радиовещании, связи, телевидении (при передаче изображения). Модуляция импульсами используется в многоканальных системах связи с временным разделением каналов и в радиолокационных системах, а также в ряде оптических систем передачи информации;

частотную (ЧМ), применяемую в высококачественном радиовещании, телевидении (звуковое сопровождение), в радиорелейных линиях, в системах частотной телеграфии (манипуляции);

фазовую (ФМ), применяемую в радиосвязи, в системах фазовой телеграфии и при формировании сложных сигналов;

комбинированную.

УГФРС и созданные на их основе передающие комплексы можно классифицировать по ряду признаков.

По мощности различают передатчики очень малой (Рн<3 Вт, где Рн- мощность в нагрузке), малой (3 - 100 Вт) и средней (0,1 - 3 кВт) мощности, а также мощные (3 - 100 кВт) и сверхмощные (более 100 кВт); по виду модуляции – передатчики, работающие в непрерывном режиме с АМ, ЧМ, ФМ или их сочетаниями, и импульсные; по активным элементам в мощных (выходных) каскадах – ламповые, транзисторные, клистронные и т.д.; по условиям работы – стационарные и подвижные.

Современные РПДУ должны иметь возможность быстро перестраиваться на любую из большого числа дискретных частот.

Экономичность передатчика определяется промышленным КПД, т.е. отношением мощности в нагрузке к полной мощности, потребляемой от источника питания.

Мощность любого побочного излучения вновь разрабатываемых передатчиков не должна превышать 25×10^-6–1×10^-3 Вт в зависимости от диапазона частот, мощности и назначения передатчика.

Применение микропроцессоров позволяет автоматизировать перестройку всех каскадов, обеспечивая оптимальные энергетические показатели.

Часть 1. ГЕНЕРАТОРЫ С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ, АВТОГЕНЕРАТОРЫ И ВОЗБУДИТЕЛИ ДИАПАЗОНА ВЫСОКИХ ЧАСТОТ

Общие сведения

Источники колебаний, используемые в устройствах формирования и усиления радиосигналов, делятся на два больших класса: генераторы с внешним возбуждением (ГВВ) и генераторы с самовозбуждением, или автогенераторы (АГ). ГВВ – источник колебаний, создающий их под воздействием колебаний другого, обычно менее мощного ГВВ или АГ. К ГВВ относятся усилители мощности (УМ) и умножители частоты (УЧ) на активных элементах.

Основными энергетическими характеристиками УМ является максимальная выходная мощность, коэффициент усиления по мощности Кр и коэффициент полезного действия η.

Структурная схема УМ в общем случае содержит активный элемент (АЭ), входную (ЦСвх) и выходную (ЦСвых) цепи согласования, а также цепи блокировки по напряжению питания (ЦБП) и по напряжению смещения (ЦБС).

Нагрузка выходного УМ передатчика, в простейшем случае, представляет собой входное сопротивление антенны или фидерную линию, соединяющую передатчик с антенной.

Каждый промежуточный УМ многокаскадного тракта нагружен на входное сопротивление АЭ следующего каскада. Характерными особенностями реальных нагрузок УМ является их комплексный характер, зависимость от частоты, в ряде случаев нелинейность.

Активные элементы.

Основными электронными приборами в ГВВ являются лампы, лампы бегущей волны (ЛБВ), клистроны и транзисторы. Ориентировочно области использования этих приборов представлены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 Область применения ЭП.

Современные генераторные лампы (ГЛ) принято подразделять по допустимой мощности, рассеиваемой на аноде на следующие подгруппы: маломощные (Ра.доп<25 Вт), средней мощности (25 Вт<Ра.доп<1 кВт) и мощные (1 кВТ < Ра.доп).

Особенности ГЛ отмечены в их маркировке, которая состоит из буквенных и цифровых символов. Первая буква “Г” – генераторная (лампа), вторая – “К”, ”У” или “C” указывает диапазон волн, вплоть до которого возможно частичное или полное её использование (“K” – коротковолновый, “У” – ультракоротковолновый, “C” – сантиметровый). Следующий за ними цифровой символ соответствует порядковому номеру заводской разработки. За ним могут стоять буквы

“A”, ”Б” или “П”, указывающие на способ охлаждения анода: водяной воздушный или пароводяной (испарительный) соответственно. Отсутствие этих букв означает, что ГЛ имеет естественный способ охлаждения. Например, ГУ-81, ГУ-74Б, ГС-9Б. Модуляторные и импульсные ГЛ имеют в индексе буквы “M” и “И” (например, ГМ-60, ГИ-33Б, ГМИ-25А).

В передатчиках малой мощности лампы практически вытеснены транзисторами. На транзисторах часто выполняются и каскады средней мощности (до 10 кВт) с использованием мостовых схем сложения мощности.

Транзисторы, как полевые (ПТ), так и биполярные (БП), - принципиально более низковольтные приборы, чем ГЛ. Увеличение их мощности за счёт тока ограничено снижением входных и нагрузочных сопротивлений, затрудняющим согласование со стандартными нагрузками (50;75 Ом и т.д.). На частотах до 4 ГГц чаще применяются БТ, а выше 4ГГц предпочтительнее оказываются ПТ. В ключевых усилителях ПТ имеют меньшее время переключения. Мощные ПТ, используемые в ключевых усилителях, работают с токами до 20 – 30 А при напряжениях питания до 800 В и уровнях выходной мощности 1 – 2 кВт.

Пролётные клистроны и ЛБВ относятся к приборам со скоростной модуляцией электронного потока. По сравнению с ГЛ пролётные клистроны обладают рядом достоинств. Они могут работать на частотах 0,2 – 40 ГГц при выходных мощностях до 500 кВт. Однако, по сравнению с ламповыми клистронные ГВВ имеют меньший электронный КПД и большую стоимость. Мощные клистроны имеют принудительное водяное или воздушное охлаждение, но буквы “A” и “Б” в маркировке, в отличие от маркировки ГЛ, указывают не на способ охлаждения, а на одну из особенностей данной модификации ЭП.

ЛБВ уступают клистрону в отношении выходной мощности и КПД, но имеют и ряд преимуществ перед ним: значительно большую полосу усиления (20 – 30 % от среднего значения частоты) и меньшие собственные шумы.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: