Элементная база радиопередающих устройств

В качестве усилительных приборов используются лампы, полупроводниковые прибор и спец приборы СВЧ.

Достоинства п/п приборов:

1) Устойчивость к вибрациям

2) Отсутствие цепей накала

3) Низкое напряжение коллекторного питания

Но т.к. в передатчиках используются большие мощности то при низких напряжениях через

транзистор протекают большие токи, эти токи снижают срок службы транзисторов.

4) Малые габариты, но ввиду больших мощностей и необходимости применения радиаторов для охлаждения транзисторов, это преимущество не реализуется.

Недостатки п/п приборов:

1) Более сильная зависимость параметров от температуры по сравнению с лампами

2) Более низкие, по сравнению с лампами, допустимые температуры. Если температура лампы кратковременно превысит допустимую то лампа не выйдет из строя, транзистор же тут же выйдет из строя.

3) Большой разброс параметров п/п приборов по сравнению с лампами

В настоящее время широко применяют передатчики, в которых одновременно применяются и лампы и полупроводниковые приборы.

Генераторы с независимым возбуждением или генераторы

с внешним возбуждением

(ГВВ)

Схема ГВВ. Цепи питания

ГВВ применяются в качестве промежуточных или выходных каскадов и представляют собой усилитель мощности. На вход ГВВ поступает напряжение возбуждения от предыдущего каскада. Это напряжение подается на сетку лампы и модулирует по плотности поток электронов, излучаемых катодом под действием постоянного напряжения на аноде. Энергия источника постоянного тока преобразуется в кинетическую энергию летящих электронов. Если частота напряжения возбуждения совпадает с частотой колебательного контура то в нем возникают вынужденные колебания на частоте возбуждения и наблюдается явление резонанса. Т.о. промодулированный поток электронов, совпадая по частоте с собственными колебаниями контура, компенсирует активные потери в нем. К сетке кроме переменного напряжения подается так же и постоянное напряжение смещения, для ламп оно постоянное.

Отрицательный потенциал сетки производит фокусировку электронов, летящих от катода, и обеспечивает такой режим работы лампы, что в течение большей части периода отсутствует сеточный ток т.е. энергия анодного источника питания не расходуется на создание сеточного тока.

В данной схеме применено последовательное питание анода, т.е. постоянная составляющая тока от источника Е_а и переменный ВЧ ток протекают по одной ветви.

Статические характеристики

усилительных приборов

Статические характеристики усилительных приборов предполагают неизменным один из параметров: напряжение на сетке или на напряжение аноде. В реальных условиях работы ГВВ изменяются все параметры, т.е. изменение напряжения на сетке непременно приведет к изменению напряжения на аноде. Различают входные, выходные и проходные статические характеристики усилительных приборов.

Выходная характеристика- это зависимость выходного тока от выходного напряжения.

Входная характеристика- это зависимость входного тока от входного напряжения.

Проходная характеристика- это зависимость выходного тока от входного напряжения.

При увеличении сеточного напряжения U_c, ток сетки I_a сначала возрастает прямопропорционально, а когда U_c заходит в область положительных значений, на сетке появляется ток, который увеличивается с увеличением положительного потенциала. Происходит перераспределение электронов, рост анодного тока замедляется, проходная характеристика идет почти параллельно оси абсцисс.

Напряжение на аноде складывается из постоянного напряжения питания и переменного напряжения на контуре. Амплитуда напряжения на аноде не может быть больше чем Е_а т.е. э.д.с. источника. Напряжение на аноде не может быть меньше чем Е_а0, при котором проходная характеристика начинается из нуля. Е_а0 называется напряжением анодного напряжения. При е_с выходная характеристика начинается из точки Е_а0. Напряжение Е_с0 называется напряжением сеточного приведения, при котором выходная характеристика начинается из нуля. Е_с0 всегда положительное.

Е_с^’ называется напряжением отсечки, из точки Е_с^’ начинается проходная характеристика при е_а= Е_а , левее этой характеристики никаких характеристик нет.

На практике статические характеристики снимаются так:

- задается постоянным к.л. параметр (е_а или е_с)

- если задали постоянным е_а , то плавно изменяем е_с , затем скачком изменяем е_а и снимаем следующую характеристику

По статическим характеристикам можно определить следующие параметры лампы:

- граничную крутизну характеристики

- внутреннее сопротивление лампы

- проницаемость D

Проницаемость лампы, крутизна и граничная крутизна указываются в справочниках.

Генераторные радиолампы.

Анод и другие детали генераторных радиоламп необходимо охлаждать, в лампах малой мощности охлаждение происходит естественным путем, тепло уносится воздухом при естественной его циркуляции, мощные же лампы приходится охлаждать принудительно (воздушное, водяное и испарительное охлаждение).

Лампы работают при высоких напряжениях анодного питания (Е_а от 1 до 10 КВ и выше), анодный ток достигает значения в несколько десятков ампер, а крутизна анодно–сеточной характеристики S – 20…150 мА/В. Для триодов проницаемость , для тетродов . Форма характеристик сложная - они нелинейны, веерообразны. Анодно-сеточные характеристики триодов в основном располагаются в области положительных напряжений управляющей сетки, анодно-сеточные характеристики тетродов – в области отрицательных напряжений сетки. Генераторные триоды и тетроды работают с большими токами управляющей сетки и обладают большими междуэлектродными емкостями. В генераторных лампах с катодом прямого накала (т.е. при полезной мощности больше нескольких КВт) используют решетчатую (сетчатую) конструкцию катода, обладающую большей эмитирующей поверхностью и хорошей механической прочностью (постоянством формы и размеров). Это позволяет приблизить управляющую сетку к катоду и получить лампу с высокой крутизной S. Кроме того такой катод обладает малой паразитной индуктивностью одного из его выводов.

Режимы работы ГВВ.

В зависимости от того как выбрано первоначальное положение рабочей точки и от соотношения между напряжением смещения и амплитудой напряжения возбуждения, в выходной цепи ГВВ могут наблюдаться колебания первого рода (класс А) и колебания второго рода (классы В, АВ, С). Если первоначальное положение рабочей точки выбрано в середине линейного участка анодно-сеточной характеристики и амплитуда напряжения возбуждения выбрана таким образом, что при перемещении рабочей точки по анодно-сеточной характеристике рабочая точка не выходит за пределы линейного участка, то в выходной цепи наблюдаются колебания первого рода, которые характеризуются углом отсечки и малыми нелинейными искажениями. Режим колебаний первого рода может обеспечить КПД не более 50%.

Если рабочая точка выбрана на нижнем участке анодно-сеточной характеристики, то в выходной цепи наблюдаются колебания второго рода, который отличается тем, что анодный ток существует в течение части периода. Половина времени существования анодного тока называется углом отсечки , он измеряется в градусах или радианах. Режиму колебаний второго рода соответствует угол отсечки -для класса В, -для класса АВ и меньше -для класса С. Колебания второго рода создают нелинейные искажения, но обеспечивают более высокий КПД (более 90%). Ток в выходной цепи при колебаниях второго рода представляет собой синусоидальные импульсы.

При построении выходных характеристик приближенным методом линейной аппроксимации предполагается, что при уменьшении Е_а все характеристики стекаются в одну линию при которой убывает анодный ток при уменьшении Е_а, она называется линией граничного режима (ЛГР). Положение ее является условным, но она позволяет довольно точно разграничивать границы недонапряженного и перенапряженного режимов.

В недонапряженном режиме (ННР) ток анода увеличивается прямо пропорционально напряжению на сетке. При этом в режиме колебаний второго рода в анодной цепи получаются правильные косинусоидальные импульсы. В ПНР анодный ток слабо зависит от напряжения на сетке. Когда рабочая точка при перемещении по анодно-сеточной характеристике достигает области перенапряженного режима, форма импульса изменяется, импульсы имеют плоскую вершину и с увеличением перенапряженности режима возможно появление провала в импульсе.

Динамические характеристики

усилительных приборов.

Динамическими называются характеристики, которые показывают зависимость тока анода от напряжения на аноде, на сетке и от амплитуды напряжения возбуждения. Динамические характеристики строятся на семействе статических характеристик.

1 -крайнее положение рабочей точки, точке соответствует минимально возможное напряжение на аноде.

Динамическая характеристика изображается на семействе статических характеристик прямой линией, которая соответствует перемещению рабочей точки при одновременном изменении е_а, е_с.

Прямая линия АВ соответствует перемещению рабочей точки при изменении от 0 до . При построении динамической характеристики рассматривается изменение от 0 до . При пересечении динамический характеристики с осью абсцисс ток равен нулю. Точки В₁, В₂, В₃ выбираются на пересечении вертикальной линии, соответствующей напряжению Е_а с характеристиками, соответствующими различным значениям е_c. Т.е. одновременно учитывается изменение е_а и е_с. Точка А соответствует пересечению статической характеристики, снятой при е_{с max}, с вертикальной линией, проведенной через е_{а min.}

При ток равен нулю, откуда следует, что динамическая характеристика двигается по оси абсцисс до точки е_{а max} и затем она повторяет свой путь в обратном направлении по оси абсцисс и по прямой АС_1.

Нагрузочная характеристика (2) так же является динамической характеристикой, она показывает перемещение рабочей точки при изменении сопротивления нагрузки. Напряжение на аноде вычисляется по формуле:

U_a = I_aR_н

При увеличении R_н рабочая точка переходит из ННР в ПНР. Линия 1 соответствует случаю, когда

R_н = 0, линия 3 соответствует значению R_н = R_кр. Точка А находится на линии граничного режима. Дальнейшее увеличение R_н приводит к тому, что рабочая точка переходит в область ПНР. Точки

А’- A’’’ являются фиктивными, получаются построением мнимого продолжения характеристики при

е_{с max} и нагрузочных прямых. Нагрузочные прямые имеют угол наклона:

Рассмотрим нагрузочную характеристику 4.

Левее точки F точки нет, откуда следует, что динамическая характеристика пойдет по линии граничного режима до точки N. Точка N получается при пересечении вертикали, опущенной из точки А’ и лини граничного режима. Точке N соответствует нижняя точка провала в импульсе 4. При дальнейшем изменении рабочая точка двигается по пути N-F, F-C’.

Динамические характеристики строятся по двум точкам, они позволяют рассчитать угол отсечки, амплитуду косинусоидального импульса при заданных Е_а, Е_с, U_возб, R_н. Т.к. динамическая характеристика представляет из себя прямую линию , то импульсы тока являются строго косинусоидальными. Как известно такие функции могут быть разложены в ряд Фурье, они содержат постоянную составляющую и множество гармоник.

В усилителях мощности нагрузка настраивается на первую гармонику, а в умножителях частоты на n-ную гармонику. Коэффициент называется коэффициентом разложения косинусоидальных импульсов

Угол отсечки выбирается из условия получения максимального коэффициента для данной гармоники. Так для первой гармоники, максимально при , для второй , т.е. если мы строим умножитель частоты, то надо использовать .

Промежуточные каскады.

Их задачей является защита генератора от воздействия антенны, к ним не предъявляется требование высокого коэффициента усиления. Они могут работать как умножители частоты и как усилители мощности с не очень высоким коэффициентом усиления. Они работают в режиме колебаний второго рода. Умножение частоты является нелинейным процессом. Нелинейным процессом называется такой процесс, в результате которого в спектре сигнала появляются новые гармоники. Умножение частоты больше чем на 3 обычно не применяется т.к. амплитуда четвертой гармоники и всех более высоких гармоник мала. Т.к. передатчик работает в режиме колебаний второго рода, которые вызывают нелинейные искажения сигнала то на входе умножителя частоты должен стоять фильтр, выделяющий первую гармонику. На выходе умножителя частоты стоит фильтр, выделяющий вторую или третью гармоники. Если выделяется третья гармоника, то на выходе ставится дополнительный фильтр, поглощающий вторую гармонику и наоборот. Нелинейные преобразования возможны только в режиме колебаний второго рода.

Промежуточный каскад передатчика С₂ и L₁- это Г-образный фильтр, пропускающий только первую гармонику.

L₂, R, C₃- цепочка базового питания, обеспечивающая выбор рабочей точки, т.о. чтобы усилительный прибор работал в режиме колебаний второго рода.

Фильтр типа “m”, включенный на выходе схемы выделяет третью гармонику.

Фильтр L₄, C₅ закорачивает на землю вторую гармонику.

L₃, C₄ закорачивает первую гармонику.

Т.е. на выходе схемы выделяется только третья гармоника.

Выходные каскады.

Простая схема

Сложная схема

Основное усиление происходит в выходных каскадах. Выходные каскады, так же как и остальные каскады передатчика работают в режиме колебаний второго рода.

Выходные каскады нагружаются антенной или фидером, соединяющим антенну с выходным каскадом. При этом в фидере должен поддерживаться режим бегущей волны (РБВ). Т.е. волновое сопротивление фидера должно быть равно входному сопротивлению антенного контура, оно так же должно быть равно выходному сопротивлению выходного каскада. Только при соблюдении этих условий возможен выход наибольшей мощности. Каскады могут быть построены по простой или сложной схеме.

В простой схеме.

Антенный контур включается непосредственно в выходной каскад. Такое включение обеспечивает высокий коэффициент усиления выходного каскада, но недостаток такой схемы заключается в том , что антенна влияет на работу усилителя. При изменении сопротивления антенны за счет метеорологических условий, а так же за счет изменения генерируемой частоты происходит расстройка выходного каскада и уменьшение генерируемой мощности. Маломощные передатчики используют только простую схему выхода, которая дает большой коэффициент усиления. На частоте резонанса антенный контур должен представлять собой только активное сопротивление, тогда в нем выделяется максимальная мощность.

На ДВ размеры антенны меньше, чем ее выходное сопротивление носит емкостной характер (С_А). Для компенсации емкостного сопротивления применяется подстроечная индуктивность (L_Н), она играет роль удлиняющей катушки, т.к. при настройке антенного контура в резонанс, антенна эквивалентна линии длиной . Если передатчик работает на частоте при которой длина антенны равна , то ее сопротивление чисто активное и удлиняющая катушка не нужна. Такой случай возможен в связи, когда передатчик работает на фиксированной волне КВ диапазона. Если размеры антенны больше , то ее входное сопротивление носит индуктивный характер. В этом случае для настройки применяется укорачивающий конденсатор.

В сложной схеме.

Антенный контур подключается к выходному каскаду через промежуточный контур, т.е. образуется система связанных контуров, в данном случае автотрансформаторная связь между контурами. Такая схема защищает автогенератор от влияния антенны, но в то же время из-за потери энергии в промежуточном контуре, выходной каскад имеет меньший коэффициент усиления. В мощных приемниках применяются сложные схемы выхода.

Настройка выходного контура осуществляется с помощью L_1. Антенный и выходной контур каскада связаны внутренней емкостной связью.

Каскад является широкодиапазонным, для настройки его в резонанс могут применяться укорачивающие конденсаторы, включающиеся как последовательно (С₃), так и параллельно (С₄). Кроме того для подстройки используется удлиняющая катушка L_2.