Розробка пропозицій по побудові багатоканальних радіопередавальних пристроїв

1. Загальні положення

За обраними технічними параметрами радіопередавального пристрою визначають вид та тип генераторних та підсилювальних пристроїв, вид та функціональну схему РПП та його елементів. Вимоги до стабільності частоти коливань визначаються призначенням передавача.

Стабільність частоти є важливою характеристикою автогенератора, що описує його спроможність зберігати постійною у часі миттєву частоту коливань, що генеруються. Припустима нестабільність частоти в заданому відрізку часу є однією з основних вимог до будь-якого радіопередавального пристрою. Нестабільність частоти характеризується відхиленням миттєвої частоти коливань від номінального значення.

2. Види нестабільності частоти

Відхилення частоти коливань автогенераторів можна поділити на два види: регулярні та випадкові.

Регулярні відхилення частоти можуть бути гармонійними і негармонійними. Випадкові відхилення можуть бути стаціонарними та нестаціонарними.

З точки зору впливу на якісні показники радіотехнічних систем відхилення частоти можна поділити на повільні та швидкі. Це розподілення носить умовний характер і виконується по відношенню до параметрів сигналів, що використовуються у кожній окремій радіотехнічній системі.

3. Припустима нестабільність частоти

Повільні відхилення частоти призводять до зміщення спектру сигналу за частотою. В результаті частина енергії сигналу може опинитись за смугою пропускання оптимального фільтру приймального пристрою. Швидкі відхилення частоти призводять до розширення спектру сигналу та зміні його фазочастотної структури. В результаті, окрім втрат енергії сигналу, можуть з'явитися фальшиві максимуми сигналу на виході оптимального фільтру приймального пристрою. Це призводить до неоднозначності та зниження достовірності інформації, що отримується.

Для виключення втрат енергії сигналу необхідно розширювати смугу пропускання приймального пристрою у порівнянні з величиною, оптимальною для виду сигналу, що використовується. Це, у свою чергу, знижує енергетичний потенціал і завадозахищеність радіотехнічних систем, а також погіршує їх електромагнітну сумісність.

Дозволені величини зниження тактико-технічних характеристик радіотехнічних систем по відношенню до їх потенціальних значень є вихідними критеріями для розрахунку.допустимої нестабільності частоти. Вид критерію і чисельне значення допустимої нестабільності частоти сигналу передавального пристрою залежать від призначення радіотехнічної системи, принципів її роботи та інших факторів. Вони визначаються при комплексному проектуванні радіотехнічної системи.

З розвитком радіотехнічних систем вимоги до стабільності частоти автогенераторів безперервно зростають.

4. Дестабілізуючі фактори

Дестабілізуючими факторами називають причини, які викликають відхилення частоти коливань автогенератора. По фізичній природі їх можна розділити на дві групи: технічні та природні.

1. Основними технічними дестабілізуючими факторами є:

а) механічні вібрації деталей коливальної системи і генераторного пристрою;

б) зміна температури, тиску, вологості;

в) зміна живлячих напруг;

г) зміна параметрів навантаження та ін.

Ці фактори є зовнішніми по відношенню до електричних процесів і автогенераторі. Принципово вони можуть бути повністю видалені, але на практиці часто стають основними джерелами нестабільності частоти.

Основними природними дестабілізуючими факторами є:

- дробові;

- теплові;

- флікерні шуми.

За фізичною природою та впливом на частоту коливань автогенератору ці фактори є внутрішніми випадковими процесами. Принципово вони не можуть бути повністю видалені та визначають потенційну стабільність частоти коливань автогенераторів. Визначними вони становляться у тих випадках, коли вплив технічних дестабілізуючих факторів суттєво зменшено.

5. Методи стабілізації частоти

Методи стабілізації частоти можна розділити на дві групи:

- методи параметричної стабілізації;

- методи синхронізації та автоматичної підстройки. Перша група відноситься до прямих методів, переслідуючи мету видалити або зменшити дестабілізуючі фактори. Друга група відноситься до побічних методів, що переслідують мету зменшити нестабільність частоти, не змінюючи величини дестабілізуючих факторів.

До методів параметричної стабілізації відносяться:

- стабілізація напруги джерел живлення;

- термостатирування та термостабілізація;

- герметизація;

- амортизація;

- оптимізація режиму роботи;

- підвищення фіксуючої спроможності шляхом підвищення добротності елементів коливальної системи.

Стабілізація напруг джерел живлення підвищує стійкість режиму роботи автогенераторів. Термостатирування, термостабілізація, герметизація та амортизація зменшують нестабільність частоти шляхом підвищення еталонності коливальних систем автогенераторів. Оптимізація режиму роботи автогенератора по мінімуму зв'язку контуру з генераторним пристроєм та зовнішнім навантаження зменшує нестабільність частоти. Підвищення фіксуючої спроможності коливальної системи шляхом підвищення її добротності в автогенераторах досягається вибором типів і параметрів елементів.

6. Кварцова стабілізація частоти

Кварцові резонатори виготовляють з кристалічного кварцу (різновиду кремнезему, Sі0₂), що володіє п'єзоефектом. П'єзоефект полягає в тому, що при механічних деформаціях пластини, вирізаної з кристалу, на її гранях з'являються електричні заряди. Якщо ж до пластини підвести напругу, то з'являються механічні деформації (розтягування, стискання або прогин).

Кварцові пластини серійного виробництва з технологічної точки зору виготовляються на частоти f_КВ= 40 кГц...20 МГц. Для отримання частот в межах до 300 МГц застосовуються коливання кварцу не на основній його частоті, а на гармоніках. Більш високі або більш низькі частоти отримують шляхом помноження або ділення частоти.

Основною причиною нестабільності частоти кварцу, іншими словами погіршення його еталонності, є зміна розмірів пластини або її температури.

Недоліками кварцової стабілізації є: 1) надзвичайно малий діапазон частот, в межах якого можлива стабілізація з допомогою кварцового резонатору;

2) неможливість безпосередньої стабілізації потужних автогенераторів;

3) неможливість безпосередньої стабілізації автогенераторів НВЧ.

7. АПЧ і АПФ

Системи автоматичної підстройки частоти і фази (АПЧ і АПФ) призначені для стабілізації частоти і фази коливань генераторів вузькосмугових сигналів та заданих законів зміни частоти і фази частотно-модульованих та фазоманіпульованих сигналів.

Системи автоматичної підстройки різняться між собою за керованим і вимірювальним параметрами коливань. З якості керованих та вимірювальних параметрів використовується частота і фаза коливань. Якщо керованим параметром є частота, то система автопідстройки називається частотною (АПЧ), а якщо керованим параметром є фаза, то система автопідстройки називається фазовою (АПФ).

До систем АПЧ та АПФ радіопередазальних пристроїв пред'являються наступні вимоги:

1. досягнення потрібної стабільності частоти генератора або частотних параметрів сигналів складної структури;

забезпечення стійкості системи;

3. забезпечення заданого часу регулювання;

4. спроможність робити не лише при малих, але і при великих значеннях початкового розлагодження;

5. надійність, простота і невисока вартість експлуатації.

8. Система ФАПЧ

Структурна схема типової системи ФАПЧ зображена на рисунку 1.

Рис.1

Принцип роботи ФАПЧ ґрунтується на порівнянні фаз генератора що підстроюється та еталонного генераторів. Якщо фаза і частота генератора що підстроюється за якоюсь причиною відхиляється від заданих, то на виході фазового детектору з'являється напруга сигналу помилки, яка підсилюється і подається на керуючий елемент генератора. Керуючий елемент генератора змінює його частоту в сторону зменшення відхилення, що виникло.

Система ФАПЧ, що зображена на рисунку, використовується для підстройки частоти і фази генераторів так званих "гладких" сигналів. В таких системах в якості опорного генератора використовується кварцовий генератор з помножувачем частоти, тому частота опорного генератору може складати сотні або навіть тисячі мегагерц. Відносна нестабільність частоти опорного генератора знаходиться в інтервалі 10^-7...10^-9. В якості генератора еталонного сигналу застосовується кварцовий генератор. Помилки системи ФАПЧ безпосередньо залежать від стабільності частоти опорного та еталонного генераторів.

Сигнал генератора що підстроюється може бути поданий безпосередньо на фазовий детектор без перетворення. Система при цьому значно спрощується. Природно, що частота еталонного генератора у цьому разі повинна бути приблизно рівна частоті генератора що підстроюється. Однак такі схеми не знайшли застосування.

Одним з основних елементів системи ФАПЧ є фазовий детектор. Принципова схема балансного фазового детектору зображена на рисунку 1.

9. Загальна схема

З початку проектування необхідно скласти структурну схему всього тракту радіочастоти передавача. На цьому етапі схема є приблизною, тому що складається на основі узагальнення досвіду проектування передавача, накопиченого в минулому.

Загальну схему можна представити у наступному вигляді

Рис. 1

В потужних транзисторних каскадах потрібно об'єднувати для сумісної роботи десятки транзисторів за допомогою схем додавання потужностей.

Додавання потужностей використовують також для підвищення надійності радіомовних та телевізійних передавачів, а також для боротьби з відбиттям від неоднорідностей в фідері телевізійних передавачів зображення. В останні роки в зв'язку з розробкою теорії фазової автоматичної підстройки частоти (ФАПЧ) і випуск ефективних змінних реактивностей, керованих напругою (варикапів) з'явилась можливість більш простого побудування деяких типів передавальних пристроїв. В таких передавачах єдина радіочастотна ступінь - потужний автогенератор - працює безпосередньо на антенно-хвильовий тракт, система ФАПЧ забезпечує задану стабільність частоти. В зв'язку з тим, що подана схема має ряд недоліків, зокрема канальні підсилювачі мають дуже великий коефіцієнт підсилення, переходять до схеми з паралельним підключенням цих підсилювачів. Рис.1.

В автогенераторі використовується потужний транзистор, а решта вузлів передавача будується на основі сучасних мікросхем. Найважче при такому побудуванні передавача полягає в тому, що немає гарантії надійної роботи системи АПЧ при значних змінах зовнішніх умов (параметри антени, живляча напруга, температура середовища та ін.). Також можуть виникати труднощі із підбором варикапа для автогенератора, що підстроюється за частотою.

Складення структурної схеми передавача починається з вихідного каскаду, оскільки задається вихідна потужність передавача. Потужність транзисторів вихідного каскаду визначається вихідною потужністю передавача і" втратами.в його вихідному фільтруючому та узгоджувальному колі.

10. Задаючий генератор

Підсилювальні пристрої керуються електричними сигналами, які поступають від попередніх пристроїв схеми. Однак повинні існувати такі пристрої, які б виробляли електричні коливання (сигнали) без "будь-якої керуючої дії ззовні. Ці функції реалізують електронні генератори, що будуються за схемами із зворотнім зв'язком. Така схема працює 'в автоколивальному режимі, іншими словами на її виході утворюються періодичні коливання при відсутності вхідного збудження.

Генератором гармонійних коливань називають електронний пристрій, що перетворює електричну енергію джерела постійного струму в енергію незатухаючих синусоїдальних коливань заданої частоти та потужності. Структура генератора складається з активного елемента і частотно-вибіркової системи.

В якості активних елементів використовують транзистори, інтегральні підсилювачі та тунельні діоди. Гармонійні коливання в генераторах підтримуються вибірковими чотирьохполюсниками: резонансними LC -контурами або іншими резонуючими елементами (кварци, об'ємні резонатори) або з допомогою фазуючих RC-кіл, які включаються в коло зворотнього зв’язку підсилювачів.

Внутрішньою класифікаційною ознакою генераторів гармонійних коливань є принцип керування режимом їх роботи. За цією ознакою розрізняють генератори з незалежним збудженням, режимом роботи яких керують від зовнішнього джерела сигналу, і генератори з самозбудженням - автогенератори.

В залежності від частот, що генеруються генератори гармонійних коливань розділяються на низькочастотні (0,01...100 кГц), високочастотні (0,1...100 МГц) та надвисокочастотні (вище 100 МГц). В пристроях промислової електроніки використовуються, в основному, низькочастотні та високочастотні генератори, що застосовуються у пристроях вимірювання та регулювання, в пристроях живлення технологічних установок ультразвукової обробки матеріалів, а також в якості задаючих генераторів.

11. Канальний підсилювач потужності

Тракт підсилення НВЧ коливань включає в себе декілька каскадів, які підвищують потужність зондуючих сигналів. Типовий підсилювальний каскад включає в себе ряд традиційних елементів. Це, власне, підсилювач НВЧ коливань з джерелами живлячої напруги, апаратурою керування і забезпечення заданого режиму роботи. Після підсилення включаються пристрої, які подавляють відбиті коливання/ кають із-за недосконалості узгодження елементів у трактів підсилення.

Якщо в РЛС передбачена швидка варіація вихідної потужності задаючого сигналу, в підсилювальний тракт може входити швидкодіючий перемикач, який змінює загальний коефіцієнт підсилення, а значить і вихідну потужність. Комутуючим елементом швидкодіючого перемикача частіше за все бувають p-і-n діоди, які змінюють під дією керуючої напруги або затухання, або коефіцієнт відбиття в тракті.

В РПП великої потужності широко використовується паралельне включення підсилювальних каскадів з подальшим додаванням вихідної потужності або в спеціальних суматорах. Часто підсилювальні тракти потужних РПП умовно розподіляють на три частини: попередній підсилювач, проміжний та кінцевий підсилювач.

12. Імпульсний модулятор

В теперішній час в багатьох сучасних РЛС використовується імпульсний режим роботи. Радіопередавальні пристрої цих РЛС формують короткі імпульси коливань НВЧ, які розділені між собою відносно довгими паузами. При цьому можуть застосовуватися різні види імпульсно-модульованих коливань. Імпульсні модулятори формують модулюючі імпульси напруги, що керують роботою генератора НВЧ. Вимоги до параметрів модулюючих імпульсів визначаються видом зондуючого НВЧ сигналу і типом генератора, який застосовується, або підсилювача НВЧ. Імпульсний модулятор в загальному випадку складається з джерела електричної енергії, накопичувача енергії, обмежуючого елемента та комутуючого пристрою.

Джерелами електричної енергії з імпульсних модуляторах можуть служити джерела як постійного, так і змінного струму. В якості обмежуючих елементів використовуються резистори або дроселі. Комутуючими елементами можуть служити електронні лампи, нелінійні індуктивності, транзистори, напівпровідникові ключові керуємі пристрої.

До імпульсних модуляторів пред'являють наступні основні вимоги:

а) Забезпечення необхідних значень струмів і напруг в імпульсі;

б) Можливість отримання модулюючих імпульсів з необхідними параметрами;

в) Забезпечення високого коефіцієнта корисної дії;

г) Забезпечення надійності, механічної стійкості та довговічності, зручності настройки та експлуатації.