Устройство и принцип работы радиостанций
И ИХ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ
Радиостанция состоит из передающей части (передатчика), приемника, блока вызывного устройства, блока питания и приемопередающей антенны. Переносчиками низкочастотных сигналов, заключающих в себе полезную информацию, являются радиочастотные колебания, вырабатываемые задающим генератором в передатчике.
Передатчик
Структурная схема радиопередающего устройства показана на рис. 3.16.
Рис. 3.16. Структурная схема радиопередающего устройства:
УМН - умножитель частоты; Пол.Ф - полосовой фильтр; ПУ - предварительный
усилитель; УМ - усилитель мощности
Так как звуковые колебания, создаваемые микрофоном, незначительны по величине, их предварительно усиливают усилителем низкой частоты (УНЧ). Затем сигналы НЧ и ВЧ от задающего генератора (ЗГ) поступают в модулятор, в результате чего ВЧ - сигнал изменяет свою амплитуду (при амплитудной модуляции), частоту (при частотной модуляции) или фазу (при фазовой модуляции). Схема однокаскадного усилителя звуковой частоты приведена на рис.3.17.
с 
Рис. 3.17. Однокаскадный микрофонный усилитель звуковой частоты (УЗЧ)
Переменный сигнал от микрофона М через разделительный конденсатор С1 подается на базу транзистора Т, в результате чего величина его сопротивления между эмитером и коллектором будет уменьшаться при отрицательной полуволне и увеличиваться при положительной полуволне входного сигнала на базе транзистора. Соответственно будет изменяться и ток, протекающий от плюса + Е через резистор R4, транзистор Т, резистор R3. На резисторе R3 будет выделяться переменное напряжение, получаемое за счет напряжения источника постоянного тока - Е. Причем полученное таким образом переменное напряжение соответствует частоте колебании сигнала на входе транзистора. Усиленное напряжение снимается через разделительный конденсатор С3 для последующего его использования в модуляторе.
Рассмотрим принцип действия задающего генератора высокой частоты (рис. 3.18). Простейший генератор незатухающих колебаний включает транзистор Т, колебательный контур С2, катушку связи Lсв, включенную в цепь базы транзистора и связанную индуктивно с катушкой колебательного контура L.
Сопротивление в цепи базы R1 служит для создания запирающего напряжения смещения на базе транзистора за счет падения напряжения на нем от прохождения постоянной составляющей тока базы.
Конденсатор С1 предназначен для передачи переменной составляющей напряжения возбуждения. При замыкании ключа К питание подается на схему, в результате чего через транзистор потечет ток по цепи: +Е, транзистор, конденсатор С2, -Е.
Рис. 3.18. Схема задающего генератора радиочастоты
Конденсатор С2 зарядится до соответствующей величины. После прекращения нарастания тока через транзистор заряд конденсатора (накопление заряда) также прекратится, начнется разряд его на включенную параллельно ему катушку индуктивности L. По катушке L потечет ток, индуктирующий при своем нарастании ЭДС в катушке Lсв, которая включена своими концами таким образом, что на базу транзистора в этот момент будет подаваться плюсовое напряжение (плюс на базу и минус на эмиттер). Транзистор будет закрываться, ток через него будет уменьшаться, что способствует более форсированному завершению разряда конденсатора С2 на катушку L. После полного разряда конденсатора транзистор полностью закроется, подача тока прекратится. Магнитное поле катушки будет уменьшаться, в результате чего в катушке возникнет ЭДС, вызывающая в ней ток обратного направления. Этот ток заряжает конденсатор С2 до напряжения обратной полярности. И одновременно при своем нарастании будет индуктировать в катушке Lсв ЭДС также обратной полярности, т.е. на базу транзистора будет подаваться минус, а на эмиттер - плюс. По мере увеличения минусового потенциала на базе транзистор будет открываться, и ток через него будет увеличиваться, содействуя форсированному заряду конденсатора. Ток через транзистор, достигнув своего максимального значения, определяемого сопротивлением перехода эмиттер-коллектора, перестает увеличиваться, конденсатор прекратит свой заряд (накопление зарядов). После этого конденсатор будет разряжаться на катушку L и процесс повторится. Таким образом, возникает колебательный процесс, частота которого определяется величинами L и С2, т.е. частотой собственных колебаний LС2-контура. представляющего собой цепь резонанса токов. Для настройки контура в резонанс применяют конденсатор С2 переменной емкости.
Так как при настройке в резонанс LС2-контура (резонанс наступает при условии равенства проводимостей катушки и конденсатора, включенных параллельно друг другу) сопротивление его для переменной составляющей тока большое, то на нем происходит соответствующее этому сопротивлению падение напряжения переменной составляющей, которое снимает через разделительный конденсатор С3 для дальнейшего использования.
Генератор с самовозбуждением колебаний, по существу, является усилителем с глубокой обратной связью, т.е. усилителем собственных колебаний. Непременным условием самовозбуждения колебаний является сдвиг фаз переменных напряжений на коллекторе и базе на 180о и наличие достаточной величины обратной связи по напряжению, обеспечиваемой соответствующим соотношением витков катушек L и Lсв.
Частота собственных колебаний колебательного контура, а следовательно, и частота генератора определяется по формуле
(3.9)
где Q - добротность колебательного контура, находим по формуле
(3.10)
где r - активное сопротивление катушки; ω - угловая частота колебаний. Чем меньше затухание колебаний в контуре, тем выше его качество. Хорошими контурами считаются контуры с добротностью Q > 150.
Важным параметром для задающих генераторов является стабильность частоты вырабатываемого напряжения. Существуют параметрическая и кварцевая стабилизации частоты высокочастотных генераторов. Параметрическая стабилизация осуществляется соответствующим подбором параметров и элементов схемы.
В радиостанциях КВ и УКВ применяется, как правило, кварцевая стабилизация, обеспечивающая достаточно простой технической реализацией высокую стабильность частоты колебаний.
Эквивалентная схема кварцевого резонатора представлена на рис. 3.19, а, где Lкв, Скв, rкв - соответственно индуктивность, емкость и сопротивление кварцевой пластины; С0 - емкость кварцедержателя. Характерно, что добротность кварцевого резонатора достигает значений Q = 106 -107, что на 4-5 порядков больше, чем у обычного LC-контура.
Рис. 3.19. Схема включения кварцевых резонаторов:
а - эквивалентная схема кварцевого резонатора; б - эквивалентная схема кварцевого
резонатора в генераторе; в - эквивалентная схема автогенератора
Для рассматриваемой эквивалентной схемы характерны две резонансные частоты: частота, соответствующая резонансу левой последовательной цепи, состоящей из Lкв, Скв, rкв:
(3.11)
и частота, соответствующая резонансу в параллельном контуре, состоящем из Lкв, Скв, С0:
(3.12)
Использование кварцевого резонатора для стабилизации частоты возможно в интервале частот fкв – f0. В этом случае эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора носит индуктивный характер.
При высокой добротности и малых значениях коэффициентов линейного и объемного расширения кварца его эквивалентные параметры (Lкв, Скв, rкв) остаются практически неизменными при значительных изменениях температуры окружающей среды, что позволяет обеспечить высокую стабильность частоты задающего генератора. Из эквивалентной схемы того же автогенератора (рис. 3.19, в) видно, что контур подключается к усилительному элементу тремя тёчками, и эта схема называется емкостной трехточкой. В колебательный контур входят две емкости (С1, С2), а кварцевый резонатор КВ выполняет роль индуктивности. Обратная связь в схеме осуществляется при помощи емкостного делителя контурного напряжения, состоящего из конденсаторов С1 и С2. Такое включение кварца (кв) обеспечивает (по сравнению с другими известными схемами) меньшую стабильность частоты при изменении окружающей температуры в широком интервале.
В рассматриваемой схеме выполняется условие баланса фаз, так как напряжение Uо.с на конденсаторе обратной связи С2 находится в противофазе с напряжением Uэк относительно общей заземленной точки, подключенной к эмиттеру транзистора.
Для емкостной трехточки коэффициент обратной связи
(3.13)
где Ic - ток, проходящий через емкостную цепь контура; wo - генерируемая частота.
Частичное подключение колебательного контура к усилительному элементу снижает влияние нестабильных емкостей р-п перехода транзистора. Смещение на базу транзистора, предназначенное для выбора его рабочего режима, выполняется комбинированным способом. Оно осуществляется в рассматриваемой схеме (см. рис. 3.19, 6) за счет подачи фиксированного напряжения с помощью делителей сопротивлений R1 и R2, а также автоматического смещения, образованного за счет RэCэ, цепочки при протекании постоянной составляющей эмиттерного тока через резистор Rэ.
Известно, что резонансная частота механических колебаний кварцевой пластинки зависит от ее толщины. При работе на частотах свыше 15 МГц толщина этой пластинки должна быть менее 0,3 мм, а механическая прочность становится ниже допустимой. Поэтому для обеспечения работы радиостанций, используемых в пожарной охране в диапазоне 140 - 174 МГц, задающие генераторы радиопередатчиков выполняют на более низкие частоты, а повышение рабочей частоты осуществляют с помощью специальных каскадов, называемых умножителями частоты.
В практических схемах современных радиопередатчиков процесс, в частности, амплитудной модуляции осуществляется чаще всего не в схеме самого задающего генератора, а в последующей ступени усиления этих колебаний. Это позволяет снизить паразитные эффекты модуляции и повысить качество радиопередатчика в целом.
На рис. 3.20 приведена схема амплитудного модулятора на усилительной ступени высокочастотных колебаний.
Рис. 3.20. Схема амплитудной модуляции на усилительной
ступени высокочастотных колебаний
Резисторы R1, R2 и емкость С2 предназначены для обеспечения соответствующего режима работы каскада как усилителя, на вход которого (клеммы 1,2) от задающего генератора через С1 подаются высокочастотные колебания. Колебательный контур LСЗ настроен на частоты задающего генератора. На этой частоте контур обладает максимальным сопротивлением для переменной составляющей коллекторного тока, создающего соответствующее падение переменного напряжения, которое снимается с коллектора транзистора и через конденсатор С4 подается в последующие узлы передатчика.
Модуляция осуществляется благодаря применению трансформатора, на первичную обмотку w1 которого (клеммы 3, 4) подаются сигналы звуковой частоты (НЧ) от микрофонного усилителя, а со вторичной обмотки w2 снимаются для управления транзистором Т. Отрицательные полуволны модулирующих сигналов открывают транзистор, положительные полуволны закрывают, в результате увеличивается (или уменьшается) усиливаемый транзистором высокочастотный ток. Графики процесса амплитудной модуляции показаны на рис. 3.21.
Рис. 3.21. Графики процесса амплитудной модуляции:
а - звуковые колебания у микрофона: б - усиленные электрические коле6ания
после микрофонного усилителя; в - радиочастотные колебания задающего генератора;
г – промодулированные по амплитуде радиочастотные колебания
На рис. 3.22, а приведена упрощенная схема частотного модулятора, состоящего из колебательного контура LС, диода Д и блокировочных конденсаторов С1, С2.
Действие управляемого диода (варикапа) Д основано на изменении емкости электронно-дырочного перехода при изменении приложенного к нему напряжения. Характеристика варикапа представлена на рис. 3.22, 6. Выбор рабочей точки на характеристике производится установкой требуемого напряжения Е0 от источника питания Е. Конденсаторы С1 и С2 являются блокировочными.
К кабельному контуру задающего генератора LС через конденсатор С1 параллельно емкости контура подключается варикап Д. Под действием звуковых колебаний внутреннее сопротивление, например, угольного
Рис. 3.22. Схема и графики частотной модуляции:
а - схема осуществления частотной модуляции; б - зависимость емкости
управляемого диода (варикапа) от напряжения; в - графики частотной модуляции