Лекция 9. Радиопередатчики

Радиопередающие устройства. Основные параметры радиопередатчиков. Структурные схемы радиопередатчиков с АМ и УМ. Примеры схемотехники основных каскадов радиопередатчиков.

Назначение радиопередающего устройства – эффективно преобразовать информационный сигнал и с максимальным КПД передать его в антенну для излучения в эфир.

Наиболее распространенные типы радиопередатчиков:

 радиовещательные передатчики диапазонов ДВ, СВ и КВ;

 радиовещательные передатчики диапазона УКВ;

 телевизионные передатчики МВ и ДМВ;

 передатчики систем спутникового телевидения;

 передатчики радиорелейных линий связи;

 передатчики подвижных систем связи;

 стационарные передатчики сотовых систем связи;

 мобильные передатчики сотовых систем связи;

 передатчики радионавигационных станций;

 передатчики радиолокационных станций;

 радиолюбительские передатчики.

Технические, конструктивные и эксплуатационные требования к передатчикам разных типов существенно различаются.

Основные параметры радиопередатчика – номинальная выходная мощность и полоса частот, занимаемая спектром излучения. Мощность передатчика выражается в абсолютных (Вт) или относительных (дБ/Вт) единицах. В последнем случае значение отсчитывается в децибелах относительно мощности, равной 1 Вт:

Р [дБ/Вт] = 10lg(P₀ /1Вт) = 10lgP₀, (9.1)

где Р₀ – номинальная мощность радиопередатчика, Вт.

Излучаемая через антенну электромагнитная мощность радиопередатчика в общем случае складывается из нескольких излучений.

Перечислим главные из них:

 основное излучение на номинальной частоте;

 излучение на гармониках;

 комбинационные составляющие;

 интермодуляционные компоненты;

 внеполосные излучения;

 шумовые помехи.

На рис. 9.1 приведен пример энергетического спектра излучения радиопередатчика. Номинальная рабочая частота радиопередатчика f₀ определяет ось симметрии спектра (на рисунке показана штрихпунктирной линией).

Основное излучение занимает полосу частот В_н, за счет внеполосных излучений общая полоса расширяется до В_зан. Ширина контрольной полосы частот В_к определяется на уровне –30 дБ. Необходимая и контрольная полосы частот различны для радиопередатчиков разных типов.

Структурная схема радиопередатчика диапазона ДВ, СВ или КВ с амплитудной модуляцией приведена на рис. 9.2.

Возбудитель представляет собой высокостабильный кварцевый генератор или синтезатор частоты с цепью фазовой автоподстройки. Частота на выходе синтезатора частот (СЧ) в несколько раз ниже рабочей частоты радиопередатчика, но ее стабильность достаточно высокая.

Умножитель частоты (УМЧ) служит для увеличения частоты до значения f₀, соответствующего несущей требуемого диапазона (ДВ, СВ или КВ).

Предварительный усилитель (ПУ) формирует необходимую амплитуду несущей для обеспечения оптимального режима работы модулятора (М).

Низкочастотный модулирующий сигнал проходит через предварительный (ПК) и выходной (ВК) каскады усиления. В результате формируется сигнал с амплитудой, обеспечивающей максимальный КПД модулятора, поскольку именно этот каскад определяет номинальную выходную мощность передатчика.

На выходе модулятора формируется амплитудно-модулированный сигнал, который далее поступает на фильтр гармоник (ФГ), предназначенный для того, чтобы уменьшить паразитные излучения.

После этого окончательно сформированный сигнал через фидер (Ф) поступает в передающую антенну (А). Иногда для радиопередатчиков употребляют специальный термин "антенно-фидерное устройство" (АФУ). АФУ – сложная система кабелей и излучателей, предназначенная для излучения электромагнитной волны с заданными параметрами в требуемом направлении.

В современных радиопередатчиках с АМ используют балансную или однополосную виды модуляции. В этих случаях изменения касаются преимущественно модулятора, повышенные требования предъявляют также к фильтрам гармоник.

На рис. 9.3 приведена структурная схема радиовещательного передатчика диапазона УКВ с угловой модуляцией.

Возбудитель передатчика представляет собой комбинацию высокостабильного кварцевого задающего генератора (ЗГ) и синтезатора частоты (СЧ).

Низкочастотный модулирующий сигнал проходит через УНЧ и поступает на генератор, управляемый напряжением (ГУН). Частота ГУН зависит от амплитуды низкочастотного сигнала. Далее этот сигнал подается на смеситель (СМ), куда поступает также сигнал несущей от возбудителя.

В результате на выходе смесителя формируется высокочастотный сигнал с требуемой рабочей частотой f₀ и заданной девиацией частоты f_д (или индексом модуляции m).

Далее сигнал с угловой модуляцией поступает на усилитель мощности (УМ), обеспечивающий номинальную мощность передатчика и через фильтр гармоник и фидер передается в антенну.

Таким образом, модуляция здесь осуществляется в маломощных каскадах с высоким КПД.

Поскольку, как упоминалось в лекции 6, полоса частот, занимаемая УМ-сигналом достаточно велика, вещание возможно на больших частотах только в УКВ-диапазоне, где обеспечивается отсутствие помех соседних радиостанций. Качество передачи аудиосигнала при этом оказывается высоким. Такой способ используется также при передаче звукового сопровождения в аналоговом телевидении.

Основная проблема создания мощных радиовещательных и телевизионных передатчиков – обеспечение высокого КПД.

Уже в 30-е годы ХХ века были созданы специальные электровакуумные приборы с воздушным или водяным охлаждением, позволяющие достичь мощности передатчиков в десятки киловатт. Разумеется, потребляемая мощность при этом в несколько раз превышала полезную, и КПД оказывался невысоким.

Появление полупроводниковых приборов не решило эту проблему.

Мощность отдельных биполярных транзисторов была на несколько порядков меньше, чем радиоламп, а создание транзисторных усилителей с параллельно работающими приборами наталкивается на принципиальные трудности обеспечения надежности.

Только в 1980-е годы было найдено кардинальное решение – созданы полностью транзисторные радиопередатчики мощностью в десятки киловатт. Выходные каскады таких передатчиков содержали объединенные параллельно работающие мощные полевые транзисторы.

В дальнейшем это удачное схемотехническое решение было использовано при разработке серийных передатчиков метрового и дециметрового диапазонов длин волн.

Рассмотрим схемотехнику некоторых блоков радиопередатчиков.

Наибольший интерес представляют выходные усилители. Возможны две их разновидности:

 с последовательным питанием (рис. 9.4, а);

 с параллельным питанием (рис. 9.4, б).

В первом случае активный элемент АЭ (электровакуумный или полупроводниковый прибор), колебательная система (КС) и источник питания могут соединяться непосредственно (рис. 9.4, а). Недостаток данной схемы – напряжение питания непосредственно приложено к колебательной системе.

В схеме с параллельным питанием необходимы дополнительные элементы: разделительный конденсатор С и развязывающий дроссель L (рис. 9.4, б). Конденсатор препятствует замыканию постоянного тока источника питания через малое активное сопротивление колебательной системы. Дроссель, напротив, предотвращает замыкание переменной высокочастотной составляющей полезного сигнала через малое внутреннее сопротивление источника питания.

Пример усилителя мощности на биполярном транзисторе с последовательным питанием приведен на рис. 9.5.

Усилитель на рис. 9.5 однокаскадный, выполнен на мощном биполярном n-p-n-транзисторе. Входной сигнал через разделительный конденсатор С_р1 и два последовательно включенных согласующих трансформатора Т1 и Т2 подается на базу транзистора VT. Каскад собран по схеме с общим эмиттером. Нагрузкой транзистора служит широкополосный трансформатор Т3, связанный через двухзвенный LC-фильтр с гармоник с передающей антенной А. Разделение постоянной и переменной составляющей обеспечивают разделительный конденсатор С_р2 и блокирующий конденсатор С_бл. Точками обозначено начало каждой обмотки трансформаторов.

Особенность схемы – наличие нескольких трансформаторов. Их основное назначение – согласование входных и выходных импедансов каскада. Как известно, биполярные транзисторы управляются током и имеют относительно малое входное и выходное сопротивления. Схемотехническое решение, показанное на рис. 9.5 позволяет повысить входное сопротивление усилителя в несколько раз.

Отметим, что данные трансформаторы должны быть широкополосными, чтобы при согласовании качество работы схемы не ухудшилось.

На рис. 9.6 приведен пример усилителя на мощном полевом транзисторе.

В отличие от биполярных полевые транзисторы управляются напряжением, прикладываемым к затвору, они обладают высоким входным сопротивлением, поэтому не нужны дополнительные согласующие элементы, но полоса частот усилителя оказывается меньше, чем для схемы по рис. 9.5.

Входной сигнал проходит через разделительный конденсатор С_р на затвор МДП-транзистора с n-каналом VT. Исток и подложка транзистора заземлены. Это схема с параллельным питанием. Напряжение питания подается через развязывающие элементы С_бл и L_р. Далее усиленный сигнал поступает на колебательный контур, состоящий из элементов С_к и L_к. Антенна подключается к выходу усилителя через емкостной делитель, образованный конденсаторами С_д1 и С_д2.

На рис. 9.7 приведен пример АМ-радиопередатчика, выполненного на ЭВП.

Активный элемент в данной схеме мощный электровакуумный прибор – пентод. Задающий генератор собран по классической схеме "индуктивной трехточки". Колебательная система задающего генератора выполнена на элементах С_к1 и L_к1, настроенный на частоту f₁. RС-цепь на элементах R₁ и C_c необходима для обеспечения плавного режима самовозбуждения генератора. Катод электронной лампы VL подключен к отводу контурной катушки L_к1. Таким образом, часть контурной катушки одновременно является катушкой обратной связи. В анодную цепь включен колебательный контур на элементах С_к2 и L_к2, настроенный на частоту f₂ = 2f₁. Следовательно, реализуется режим удвоения частоты. Схема выполнена с последовательным питанием. На вторую сетку пентода через резистор R₂ подается положительный потенциал от источника анодного питания. Катушка L_св обеспечивает индуктивную связь передатчика с антенной. Изменяя коэффициент индуктивной связи между L_к2 и L_св обеспечивают оптимальное согласование с антенной.

Амплитудная модуляция реализована подачей сигнала от микрофона BQ на третью сетку пентода. Для обеспечения устойчивой работы необходим дополнительный источник смещения U_см.

Как видим ЭВП выполняет сразу три функции: работает в трехточечной схеме задающего генератора, обеспечивает усиление мощности и умножение частоты, а также осуществляет амплитудную модуляцию звуковым сигналом.