Радиопередающие устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

«Радиопередающие устройства»

1. Радиопередающие устройства

Радио-область научно-технических знаний связанных с электромагнитными полями.

1831г.- Майкл Фарадей открывает электромагнитную индукцию: переменное магнитное поле наводит в проводнике переменный электрический ток.

1864г.- Джеймс Клерк Максвелл: создал свою знаменитую»систему уравнений», описывающую взаимосвязь электрических и магнитных процессов. Предсказал существование электромагнитных волн.

1886-1889гг.- Генрих Герц экспериментально получил электромагнитные волны с помощью искрового передатчика.

7 мая 1895г.-Александр Степанович Попов демонстрировал грозоотметчик- «День радио».

24 мая 1896г.- А.С. Попов усовершенствовал передатчик Г. Герца и передал с его помощью азбукой Морзе слова «Генрих Герц» на расстояние в несколько десятков метров.

Принципиальная электрическая схема искрового передатчика А.С. Попова:

ИП- источник питания

К- ключ

Ск,Lк- блокировочные элементы препятствующие колебаниям тока Iк

ИР- искровой разрядник

А- антенна

При включении (нажатии К) в первичной обмотке протекает прерывистый ток. Во вторичной обмотке Т1 наводятся импульсы высокого напряжения которые вызывают пробой искрового промежутка ИР. В момент пробоя элементы Ск иLк объединяются в параллельный колебательный контур, в котором возникают высокочастотные затухающие электромагнитные колебания.

Современные РПДУ представляют собой техническое устройство (систему) предназначенные для передачи информации с помощью электромагнитных волн. РПДУ выполняет две основные функции: 1) возбуждение и поддержание электромагнитных колебаний (генерация); 2) управление параметрами электромагнитных колебаний по закону передаваемого сообщения (модуляция).

Обобщённая структурная схема современного РПДУ

Преобразование сообщений в электрический сигнал осуществляется с помощью: микрофона, суперортикона, различных датчиков.

Кодирование заключается в замене электрических сигналов сигналами стандартного вида по определённому правилу, например: импульсами разной длительности или полярности. Кодирование уменьшает влияние помех при распространении сигнала от передатчика к приёмнику.

2. Классификация РПДУ

1.По излучаемой мощности РПДУ бывают:

1)Очень малой мощности (менее 3 Вт)

2)Малой мощности (менее 10 Вт)

3)Средней мощности (менее 3 кВт)

4)Мощные РПДУ (от 3 кВт до 3 МВт)

В передатчиках малой и очень малой мощности выходной каскад содержит один активный прибор (транзистор, электрическая лампа). В передатчиках средней мощности используется суммирование мощностей нескольких активных приборов на общей нагрузке.

2. По диапазонам частот, различают передатчики:

1)ВЧ диапазона:

а) длинноволновые (ДВ)

б) средневолновые (СВ)

в) промежуточноволновые (ПВ)

г) коротковолновые (КВ)

2) СВЧ диапазона:

а) метровые (МВ)

б) дециметровые (ДВ)

в) сантиметровые (СВ)

3) Миллиметровых и субмиллиметровых волн:

а) миллиметровых (ММВ)

б) субмиллиметровых (СММВ)

4)Передатчики оптического диапазона:

а) дальнего инфракрасного диапазона (ДИК)

б) ближнего инфракрасного диапазона (БИК)

в) ближнего ультрафиолетового (БУФ)

г) видимого диапазона (ВД)

д) дальнего ультрафиолетового (ДУФ)

Используя соотношение между частотой в МГц и длиной с метрах:

;

,

оценим частотные и волновые границы диапазонов:

3. По назначению и областям применения:

1)Маркерные и спасательные - это передатчики малой мощности по которым определяют место нахождения места или человека.

Например: маркерный РПДУ первого ИСЗ; спасательные передатчики альпинистов, спилинтологов.

ВЧ	ДВ	<f<150кГц	<<2000м
	СВ	150кГц<f<1,5МГц	2000м<<200м
	ПВ	1,5МГц<f<3МГц	200м<<100м
	КВ	3МГц<f<30МГц	100м<<10м
СВЧ	МВ	30МГц<f<300МГц	10м<<1м
	ДМВ	300МГц<f<3ГГц	1м<<0,1м
	СМВ	3ГГц<f<30ГГц	0,1м<<0,01м
ММВ	ММВ	30ГГц<f<300ГГц	0,01м<<1*10м
	СММВ	300ГГц<f<3000ГГц	1*10м<<1*10м
Оптический	ДИК	3*10Гц<f<3*10Гц	1*10м<<1*10м
	БИК	3*10Гц<f<3*10Гц	1*10м<<1*10м
	БУФ	3*10Гц<f<3*10Гц	1*10м<<1*10м
	ВД	0,4*10Гц<f<0,75*10Гц	7,5*10м<<4*10м
	ДУВ	3*10Гц<f<3*10Гц	1*10м<<1*10м

2)Связные РПДУ для передачи звуковой информации. Структурная схема определяется требуемой полосой модуляции: 3-4 кГц для разборчивой передачи речи; 12 кГц и выше для передачи высококачественного звучания. Бортовые связные передатчики излучают на нескольких частотах.

3)Передатчики систем радиоэлектронной борьбы (РЭБ). Излучают небольшую шумовую заградительную помеху в широком частотном диапазоне для дезориентации средств ПВО противника. Может устанавливаться на боевой ракете, крылатой ракете, на земле и состоит из ряда РПДУ совместно перекрывающих широкую полосу частот.

4) Телеметрические РПДУ осуществляет одновременную передачу информации с нескольких датчиков о скорости, давлении газа, содержании кислорода, частоты дыхания и пульса. Используют частотное и временное разделение каналов. При частотном разделении каналов (ЧРК) датчики опрашиваются параллельно и информация каждого датчика модулирует собственную несущую частоту. Метод ЧРК прост, но с увеличением датчиков увеличивается требуемая полоса модуляции.

При временном разделении каналов (ВРК) датчики опрашиваются последовательно, используется позиционная импульсная модуляция (ПИМ) при которой временной сдвиг t информационного импульса (ИИ) относительно опорного импульса (ОИ) в каждом канале пропорционален показанию своего датчика.

За время кадра Tк ограничиваемое кодовой группой (КГ) все датчики опрашиваются один раз. Ширина результирующего спектра модуляции не зависит от числа каналов F. Метод ВРК сложный в техническом отношении.

5) Радиолокационные передатчики используются для определения местоположения (дальность, угол места азимут ), скорости и ускорения целей. Излучают импульсные сигналы длительностью от 1 мкс до долей нс, с внутриимпульсной, линейной, частотной или фазовой модуляцией. Излучают в диапазоне СМВ, ДМВ, ММВ.

6) Передатчики командных радиолиний, передают оперативно-тактическую информацию командирам подразделений или отдельным военнослужащим. РПДУ излучают на небольшие расстояния в пределах прямой видимости. Используются диапазоны СМВ и ММВ.

7) РПДУ - возбудители мощных и сверхмощных РПДУ. Предназначены для «раскачки» колебаний в оконечных каскадах мощных и сверхмощных РПДУ, выполненных на клистронах с большим коэффициентом усиления.

8) Микроминиатюрные передатчики специального назначения для сбора разведывательной информации (дистанционное прослушивание разговоров, передача разведданных).

9) Передатчики модулей активных фазированных антенных решёток (АФАР). АФАР состоит из большого количества модулей расположенных на расстоянии , каждый из которых содержит свой передатчик с управляемым усилением и фазой.

10) Передатчики спутниковых систем связи и телевидения.

4. По роду работы, виду модулирующего сигнала:

1) Передатчики телеграфного сигнала передаваемого со скоростью 10 знаков при ручной и 100 знаков в секунду при электронной телеграфии.

2) Передатчики речевого сигнала. Минимально допустимая полоса разборчивости воспроизведения 100 Гц- 3 кГц. Для высоко качественного звучания 20 Гц- 15 кГц.

3) Телевизионные передатчики: широкая полоса телевизионного сигнала вынуждает использовать КВ, МВ, ДМВ диапазоны.

4) Передатчики локационных сигналов излучают сигналы с чрезвычайно высокой полосой до 10Гц.

5. По условиям эксплуатации:

1) Наземные:

а) стационарные

б) передвижные

в) переносные

2) Судовые:

а) речные

б) морские

3) Самолётные (вертолётные)

4) Космические

3. Элементная база РПДУ

Традиционно элементную базу делят на активные приборы (АП) и пассивные элементы.

Активные приборы РПДУ

К ним относят:

1. Биполярные транзисторы

2. Полевые транзисторы

3. Твердотельные СВЧ диоды (диод Ганна (ДГ), лавинно-пролётные диоды (ЛПД))

4. Мощные электровакуумные приборы СВЧ (клистроны, магнетроны, лампы бегущей и обратной волны (ЛБВ и ЛОВ))

5. Лазерные генераторы (газовые, твёрдотельные и п/п)

Современные биполярные СВЧ транзисторы работают на частоте до 10 ГГц. На частотах 4- 5 ГГц их Рвых5 Вт. На частоте 1ГГц Рвых 100 Вт.

Полевые транзисторы работают на частотах 15- 20 ГГц, где обеспечивают мощность единицы Вт и коэффициент усиления по мощности 3дБ

Сравнение частотных и энергетических параметров



Пассивные элементы

В РПДУ малой и очень малой мощности используются гибридно-интегральные схемы ГИС СВЧ.

Требования к подложке ГИС:

1) Малые потери СВЧ сигналов

2) Высокая теплопроводность

3) Хорошая адгезия к металлам (адгезия - прилипание)

4) Гладкая поверхность с высотой микронеровностей 0,1 мкн

5) Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) должен быть близок к ТКЛР напылённых металлических плёнок.

Материалы подложки: сапфир, поликор, кварц, ситал, окись бериллия.

Материалы для проводников, сосредоточенных индуктивностей, обкладок конденсаторов, и контактных площадок: купрум (Cu), хром аурум (CrAu), алюминиум (Al), золото (Au).

Материалы для резистивных плёнок: хром (Cr), тантал (Ta), нихром (NiCr), метало-силицидный сплав (Cr-Si).

Материалы для диэлектрических плёнок: SiO, SiO, AlO, TaO, SiNa.

Микрополосковые линии соединяющие каскады РПДУ выполняются в виде симметричной, не симметричной, или высокодобротной структур.

В качестве катушек индуктивностей могут использоваться отрезки МПЛ определённой длины вытянутые в линию или свёрнутые в спираль для уменьшения размеров.



В качестве конденсаторов постоянной ёмкости можно использовать отрезки МПЛ длиной <.

Для дискретной подстройки ёмкости используют отрезки МПЛ образующие многосегментные и гребенчатые конденсаторы.

4. Генераторы с независимым или внешним возбуждением (ГНВ или ГВВ)

ГВВ - это один из основных каскадов РПДУ в зависимости от режима работы ГВВ может выполнить 3 функции:

1) Резонансный усилитель мощности на частоте f с коэффициентом усиления (КУ):

;

>1.

2) Умножитель частоты электромагнитных колебаний:

;

<1;

2

5 коэффициент умножения.

3) Амплитудный модулятор - колебания несущей частоты fн низкочастотным модулируемым сигналом:

;

fн +/- F - результирующий спектр, F - ширина спектра и Р - мощность сигнала.

Структурная схема ГВВ и его остальные параметры:

СТЦ - согласующе-трансформирующая цепь

Входная СТЦ предназначена для:

1) Создание на входе АП колебаний заданной амплитуды,

2) Согласование (уравнивание) выходного сопротивления источника Pвх с входным R АП.

Выходная СТЦ служит для:

1) Создания на выходе АП колебаний заданной амплитуды и частоты,

2) Для передачи в нагрузку Zн с малыми потерями мощности активного прибора,

3) Для согласования Rвых АП и Zн,

4) Для фильтрации гармонических составляющих.

Разделительные конденсаторы Cр1, Ср2 предотвращают попадания на вход активных приборов постоянных составляющих тока питания предыдущего каскада.

Блокировочные элементы С1, С2 и L1, L2 образуют цепи питания для подведения постоянного напряжения Е вх и Е вых к АП. Они устраняют паразитную взаимосвязь каскадов РПДУ по переменной составляющей тока через общий источник постоянного питания.

В качестве активного прибора могут применяться практически все их разновидности: электронные лампы, транзисторы, электровакуумные СВЧ клистроны, магнетроны, ЛБВ.

Рассмотрим в качестве АП биполярный транзистор n-p-n типа с общим эммитером или общей базой:

1) С общим эммитером: U=U; U=U; i=i; i=i; К30…50; К10…20; К=К300…1000

2) С общей базой: U=U; U=U; i=i; i=i



Величина проходных емкостей определяет возможность самопаразитного возбуждения ГВВ. Поскольку Сбк > Сэк (технологически) транзисторы в схеме ГНВ в ВЧ диапазоне с ОБ, хотя схема с ОБ обеспечивает меньший коэффициент усиления чем ОЭ работа в СВЧ диапазоне с ОБ более устойчива.

Простейшая схема ГВВ на биполярном транзисторе n-p-n типа с ОЭ.

Режимы работы ГВВ

В зависимости от положения рабочей точки на проходной характеристике iк(Uбэ) ГВВ может работать в двух основных режимах:

1) Режим колебаний первого рода (линейные);

2) Режим колебаний второго рода (нелинейные), с отсечкой импульсов коллекторного тока.

В РПДУ как правило используется режим колебаний второго рода.

Проходная характеристика транзистора n-p-n в схеме с ОЭ.

При использовании в качестве АП транзистора n-p-n с ОЭ - это нелинейная проходная характеристика приближенно заменяется двумя прямыми линиями.



Для удобства расчёта режима эта нелинейная зависимость заменяется гозонтальным и наклонным отрезками. Наклонный отрезок пересекает ось Uбэ в точке Uбэ=Uз под углом . Uз - напряжение запирания Uз0,3 - 0,4 В. Таким образом при Uбэ<Uз транзистор заперт iк=0, а при Uбэ>Uз транзистор открыт iк>0.

Режим колебаний первого рода

В этом режиме переменный ток iк в выходной коллекторной цепи протекает в течении всего периода колебаний. Для получения такого режима рабочую точку в исходном состоянии выбирают на середине линейного участка проходной характеристики iк (Uбэ).

Аппроксимация - «приближение».

Положение рабочей точки задаётся величиной постоянного смещения на базе Uб0. Режим называется линейным т.к. и входное и выходное напряжения гармонические и новых гармоник на выходе нет.

Режим колебаний второго рода

В этом режиме переменный ток iк в выходной коллекторной цепи протекает в течении части периода U возбуждения во входной цепи (в виде импульсов). Для перевода режима колебаний первого рода в режим колебаний второго рода Uб0 уменьшается.

- тетта

В этом режиме коллекторный ток iк представляет собой последовательность косинусоидальных импульсов амплитудой iк max и длительностью 2(тетта).

- угол отсечки импульсов коллекторного тока. Для изменения угла отсечки тетта меняют напряжение смещения Uб0 или амплитуду Uб1 или Uб0 и Uб1 одновременно.

Задача на дом

Считая что период напряжения возбуждения , выбрать положение U на оси U, для получения угла отсечки () и изобразить графики.

Математическое выражение для линеаризованной проходной характеристики n-p-n транзистора.



Крутизна характеристики (В/А)

Тогда уравнение характеристики будет:

,

таким образом проходная характеристика описана в виде кусочно-линейного представления.

Энергетические соотношения в выходной цепи ГВВ

Пусть на входе ГВВ кроме Uб0 подан гармонический сигнал

,

тогда в области Uбэ>Uз;

1) iк=(Uбэ-Uз)=S(+Ucoswt-Uз) этот ток iк в режиме колебаний второго рода имеет форму косинусоидальных импульсов:

Из последней формулы и графиков видно:

2)

Из последнего уравнения -Uз=- Ucos

Подставляя в в первое и второе уравнения получим:

эта формула описывает зависимость косинусоидальных импульсов тока от wt и от .

Импульсную последовательность iк=iк(wt,) можно разложить в ряд Фурье:

I, n=0,1… амплитуды гармоник на частотах nw

Для расчёта амплитуд гармоник I рассчитаны коэффициенты Берга () или коэффициенты разложения импульсов коллекторного тока. Зная амплитуду импульсов iкmax и коэффициент Берга () (из графиков или из таблиц) можно определить амплитуду n-ой гармоники в разложении ряда Фурье тока:

Физический смысл коэффициента Берга показывает какую часть амплитуда n-ой гармоники составляет от амплитуды iкmax импульса коллекторного тока.

Графические зависимости коэффициентов Берга от угла отсечки.

При =120/n; n=1,2…; максимальна.

Сравнение режимов колебаний первого и второго рода по величине электронного КПД.

Что в большинстве практических применений РПДУ используется режим колебаний второго рода, где 0,5. в линейном режиме первого рода 0,5.

- электронный КПД.

P1 - колебательная мощность с выхода ГВВ (полезная).

P0 - мощность подводимая от источника постоянного питания.

Таким образом, показывает какая часть подводимой мощности преобразуется в полезную, а какая расходуется на тепло.



(кси)

Видно, что электронный КПД зависит от того, что зависит от

, поэтому 0,5 - колебания первого рода

, поэтому 0,5 - колебания второго рода

Покажем, что в режиме колебаний первого рода:

- первого рода

Покажем теперь, что в режиме колебаний второго рода справедливо:

Принципиальным свойством разложения Фурье импульсной последовательности является то, что амплитуда равна и всегда больше постоянной составляющей . Указанные свойства Фурье разложения наглядно подтверждаются графиками и из графиков видно, что всегда т.е. ; ; .

Зависимость ГВВ от угла отсечки импульсов коллекторного тока

График зависимости от

Из графика видно, что для получения высокого электронного КПД угол отсечки надо уменьшать.

Оптимальный выбор угла отсечки коллекторного тока АП ГВВ (транзистора)

Оптимальный угол отсечки выбирается из условия компромисса между выходной колебательной мощностью Р1 и . Действительно, для получения высокого электронного КПД угол отсечки надо уменьшить, с другой стороны для получения высокой колебательной мощности Р1(больших токов и больших ) угол отсечки надо увеличивать.



Оптимальный угол отсечки выбирают из условия:

В этом диапазоне КПД снижается незначительно, а выходная мощность вблизи максимальных значений.

Электрические принципиальные схемы ГВВ

Схемы питания коллекторной цепи транзисторного ГВВ. Для питания коллекторной цепи ГВВ используют последовательную и более сложную параллельную схемы.

Блокировочные и разделительные ёмкости и выбирается большим по сравнению с , чтобы их сопротивления переменному току коллектора было много меньше сопротивления .

Индуктивность блокировочного дросселя выбирается из условия малых потерь колебательной мощности первой гармоники на ней .

Чтобы последовательный контур , в рабочем диапазоне частот не настраивался в резонанс и на шунтировал колебательный контур и, выбирают из условия:

.

Обычно принимают , откуда ; (пФ), (МГц), (мкГн). Схемы подачи Uсмещения(постоянного) в ГВВ

Также различают схемы последовательной и параллельной подачи смещения:

Схема последовательного питания базовой цепи от отдельного источника

Схема параллельного питания базовой цепи от источника коллекторного напряжения питания

На базу VT2 с резистором R2 подаётся прямое напряжение(отпирающее) напряжение смещения от источника с использованием делителя напряжения R1, R2. Ток делителя R1, R2 выбирается из условия . В этом случае изменение тока практически не повлияет на ток делителя и остаётся постоянным, при этом расход энергии источника невелик т.к. . При расчёте элементов питания питание базовой цепи обычно принимают:

Схема подачи комбинированного смещения с термостабилизацией положения рабочей точки

():

Результирующее на базе VT определяется разностью положительного(отпирающего) и отрицательного (запирающего)

().

предотвращает положительную обратную связь по переменному току. Наличие разделяет переменную и постоянную составляющие тока эмиттера, что стабилизирует положение рабочей точки . С увеличением температуры растёт (постоянная составляющая тока эмиттера), напряжение смещения(отрицательное) должно быть постоянным и увеличиваться с ростом . Но это напряжение одновременно подзаряжает транзистор, что приводит к уменьшению . В результате тоже уменьшается до первоначального значения. Для эффективной(быстрой) термостабилизации должно быть большим, но при этом возрастёт расход энергии .

Порядок расчёта схемы термостабилизации

1. Задаёмся допустимым на

2. Определяем величину

3. Задаёмся величиной тока делителя

4. Определяем падение

откуда получаем величину

5. Определяем величину

6. Величина выполняет функцию блокировочного конденсатора и определяется из условия

Выходные СТЦ схемы ГВВ

В качестве СТЦ используются схемы с сосредоточенными параметрами. Например: колебательный контур или ячейки фильтров НЧ.

Основные параметры параллельного колебательного контура как схемы СТЦ:

Комплексное входное сопротивление колебательного контура вблизи резонанса, где

волновое или характеристическое сопротивление контура равное сопротивлению индуктивности или ёмкости при резонансе.

- абсолютная расстройка частоты контура.

- относительная частотная расстройка.

- обобщённая частотная расстройка.

- добротность колебательного контура.

r - сопротивление потерь в контуре.

Входное сопротивление контура носит комплексный характер, т.е. может быть представлено в виде суммы действительной и мнимой частей, или в виде модуля Активная часть входного сопротивления контура

.

Реактивная часть

.

При резонансе, когда , а=0 тогда , X=0, его входное сопротивление чисто активное и R=R, а реактивное сопротивление равно нулю.

Модуль входного сопротивления контура , а фаза

.

Частотные зависимости составляющих



При а<0 имеет индуктивный характер, а а>0 имеет ёмкостный характер, это связано с тем, что при низкой частоте ток проходит, а при высокой частоте через ёмкостную ветвь.

Колебательный контур, как частотоизберательный четырёхполюсник:

Он характеризуется комплексным коэффициентом передачи - передаточной характеристикой

.

Зная и легко определить выходной сигнал

.

Частотная зависимость совпадает с частотной зависимостью .



Фильтрующие свойства параллельного колебательного контура: параллельный колебательный контур представляет собой полосно-пропускающий фильтр, АЧХ которого определяется модулем передаточной характеристики и имеем максимум на резонансной частоте контура . микрофон датчик колебательный контур

Если на входе параллельного контура с АЧХ действует несколько гармонических составляющих на частотах 0, , …n, то настраивая резонансную частоту контура на частоту любой гармоники АЧХ сдвигается на эту частоту и на выходе контура получаем напряжение только этой гармоники. Чем больше добротностьQ тем уже АЧХ и тем лучше происходит фильтрация.

Согласование транзистора ГВВ с колебательным контуром

Для передачи максимальной мощности от транзистора в колебательный контур выходное сопротивление транзистора должно равняться входному сопротивлению контура при резонансе - условие согласования. 50 Ом, 50*10 Ом

Для снижения входного сопротивления контура используют неполное включение контура в цепь коллектора.

коэффициент включения контура в коллекторную цепь VT.

При неполном включении входное сопротивление контура со стороны транзистора будет .

Перемещая точку включения А на индуктивности L мы меняем p<1 можно добиться условия выполнения условия согласования.

Согласование колебательного контура с нагрузкой

Для передачи максимума мощности от контура в нагрузку входное сопротивление контура со стороны нагрузки должно разняться сопротивлению нагрузки ,.

Если ГВВ нагружен на кабель=50 или 75 Ом или на последующий транзисторный каскад, то для выполнения условия согласования величину входного сопротивления контура надо понижать. Это также выполняется с помощью неполного включения контура, но уже в цепь нагрузки:

коэффициент включения контура в цепь нагрузки при включении выходного сопротивления контура и со стороны нагрузки будет катушка индуктивности. Изменяя p с помощью перемещения точки включения Б на индуктивности L можно добиться выполнения условия согласования.

Классификация схем СТЦ на параллельном резонансном контуре

Кондуктивная (автотрансформаторная) связь VT

Ёмкостная

Задача.

Рассчитать схему комбинированного питания базовой цепи VT n-p-n типа с эммитерной термостабилизацией положения рабочей точки U:

1) Нарисовать принципиальную электрическую схему каскада;

2) Определить и выбрать номиналы: R1, R2, Rэ, Cэ, Сб, если дано: Ек=20В, Iко=2мА, Свых=10пФ,

UВ.

Схемы СТЦ на ячейках НЧ фильтров

Если требуемый для согласования коэффициент включения p мал (p<0,1), то его трудно реализовать на практике, поэтому в транзисторных ГВВ широкой распространение получили ФНЧ. АЧХ ФНЧ позволяет выполнить такое согласование, а также отфильтровать первую гармонику напряжения и тока транзисторного ГВВ.

В качестве ячеек ФНЧ используются звенья Г- Т- и П-типа:

Таким образом ФНЧ на основе одного или нескольких таких звеньев(ячеек) позволяют:

1. Выполнить трансформацию(согласование) низких сопротивлений;

2. Имеют достаточно хорошие фильтрующие свойства для первой гармоники.

Для улучшения фильтрации близко расположенных гармоник U применяют включения последовательного колебательного контура в индуктивной ветви имеет малое сопротивление для первой гармоники и большее для высших:

Последовательный контур не оказывает влияния на согласующие свойства фильтра, но позволяет эффективно вырезать только первую гармонику.

Принципиальная схема ГВВ с ячейками ФНЧ в качестве СТЦ

Входная СТЦ в базовой цепи образована двумя ячейками ФНЧ Г-типа включёнными последовательно: первая ячейка: С2+С3, L1; вторая ячейка: С4+С5, L.

Функцию индуктивности второй ячейки выполняет входная индуктивность L транзистора. Выходная СТЦ в коллекторной цепи (С7+С9, L4`), L4- образована ФНЧ П-типа с последовательным колебательным контуром в индуктивной ветви (Lф,С8), где L4=L4`+Lф. Блокировочные дроссели L2 и L3 обеспечивают режим VT по постоянному току. VT работает при нулевом смещении на базе, что обеспечивает угол отсечки близкий к 90.

Индуктивность L3 дополнительно компенсирует влияние паразитной выходной ёмкости транзистора С. Ёмкости С1, С10 - разделительные, С6 - блокировочная ёмкость.

Схемы СТЦ ГВВ на отрезках микрополосковых линий (МПЛ) передачи

МПЛ применяются в малошумящих транзисторных ГВВ на частотах f>1ГГц на этих частотах МПЛ являются «длинными» линиями т.е. их физическая длина равна или превышает длину волны передаваемых электромагнитных колебаний.

МПЛ используется на только для передачи электромагнитных колебаний, но и для формирования емкостей, индуктивностей, размыкающих элементов с бесконечно большим входным сопротивлением и короткозамыкающих элементов с нулевым входным сопротивлением. Обычные катушки индуктивности и конденсаторы с сосредоточенными параметрами обладают на СВЧ большими потерями и на используются. Причины больших потерь: 1) Излучение электромагнитных волн этими элементами т.к. их размеры соизмеримы с длиной волны СВЧ колебаний;

2) Потери в следствии скин эффекта в проводниках (вытеснение тока в поверхностный слой проводника на СВЧ и связанные с этим увеличение погонного сопротивления и потерь);

3) Потери в диэлектриках.

Физическая и математическая модели МПЛ



- комплексное входное сопротивление МПЛ

- комплексное сопротивление нагрузки

- волновое или характеристическое сопротивление МПЛ

- физическая длина

В качестве математической модели можно использовать зависимость входного сопротивления МПЛ от её параметров и :

Для любой МПЛ её =cоnst и зависит только от геометрических размеров линии и электрических параметров подложки . Физически показывает отношение амплитуд Uи I в любом сечении линии. Из формулы для видно что входное сопротивление будет меняться при изменении .

На практике широкое применение находят:

1) короткозамкнутые МПЛ (режим КЗ)

2) разомкнутые МПЛ (режим ХХ)



Меняя длину МПЛ с заданными можно получать различные входные сопротивления МПЛ индуктивного и емкостного характера, нулевого и бесконечного большого сопротивления.

СТЦ на четвертьволновом трансформаторе сопротивлений

Отрезок МПЛ длиной трансформирует сопротивление R2 на выходе в сопротивление R1 на входе, если линий выбрано из условия .

Физический эффект согласования сопротивлений может быть объяснен с помощью падающей и отражённой волн. Волна падающая отражается от точек А и В причём обе отражённые волны равны по амплитуде т.к. и противоположны по фазе т.к. и поэтому обе волны взаимокомпенсируются или погашаются, таким образом мощность падающей волны передаётся в R2.

СТЦ на основе одношлейфового трансформатора сопротивлений на МПЛ

50 Ом

- параметры линии - шлейф

Согласование достигается выбором длин , при изменении длины МПЛ , нагруженное на комплексное сопротивление , активная и реактивная части в точке А равны

,

как показано на графиках.

Последовательность согласований:

1) Находим длину при которой

;

2) Находим длину разомкнутого шлейфа

Таким образом в точке А

,

,

т.е. согласовано с .

Принципиальная схема ГВВ с отрезками МПЛ в качестве СТЦ

Ом



- разделительные конденсаторы

Согласование сопротивления источника сигнала с входным сопротивлением VT достигается с помощью одношлейфового транзистора на отрезках и . Отрезок МПЛ заземлён по переменному току через С2, режим КЗ. При его входное сопротивление в точке А , это препятствует протеканию переменной составляющеё входного тока но не разрывает цепь постоянного тока смещения на базу VT от фиксированного источника Ебазы.

L1,C2 - блокировочные элементы источника Еб по переменной составляющей. Аналогично отрезок МПЛ заземлён по переменному току через С3 (режим КЗ). При его входное сопротивление в точке Б .

Это препятствует протеканию переменной составляющей коллекторного тока, но не разрывает цепь постоянного тока I коллекторного питания VT от фиксированного источника Ек.

Четвертьволновый трансформатор на МПЛ при и осуществляет согласование выходного сопротивления VT в точке Б с сопротивлением нагрузки Rн.

Схемы сложения мощностей ВЧ ГВВ

Одиночный активный прибор (транзистор ,электронная лампа), не может одновременно обеспечивать и высокую выходную мощность (10-100 Вт) и усиливать высокочастотные сигналы.



Транзистор предназначенный для получения большой Рвых должен обеспечить протекания больших токовдолжен обеспечить большую площадь p-n перехода и большое сечение подводящих проводников и контактов. У такого транзистора велики паразитные ёмкости С,С, С и индуктивности ввода L, L, L. Эти паразитные элементы ограничивают полосу усиления. Транзистор предназначенный для работы на СВЧ должен иметь малые величины значения паразитных емкостей и индуктивностей. Это достигается уменьшением площади p-n перехода и сечения подводящих проводов и контактов, но это ограничивает выходную мощность и коэффициент усиления.

Для преодоления этого противоречия используются схемы сложения мощностей малошумящих ВЧ транзисторов, электронных ламп или ГВВ в целом.

Сложение мощности нескольких транзисторов на общую нагрузку используют два способа включения VT: параллельный и последовательный способ включения.

Схема параллельной работы транзистора на общую нагрузку:

Элементы схемы и напряжения возбуждения служат для выравнивания параметров режима работы VT.

Особенности режима работы схемы:

Амплитуда коллекторного тока первой гармоники в общей нагрузке равна сумме амплитуд первых гармоник коллекторных токов в каждом транзисторе;

Rвч - выходное сопротивление коллекторного контура при его неполном автотрансформаторном включении в цепь коллектора;

;

Это означает что входное сопротивление контура на Rвч должно быть в N раз меньше чем выходное сопротивление каждого из N раз включённых параллельно VT. Это согласование затруднительно;

5) При КЗ одного из транзисторов работа схемы нарушается . схема последовательной работы транзисторов на общую нагрузку.

Схема последовательной работы транзисторов на общую нагрузку



Особенность на общую нагрузку:

,

где N - число транзисторов;

,

где Rвч - сопротивление параллельного контура при резонансе с учётом неполного включения

;

;

,

Из последней формулы видно сто входное сопротивление контура Rвч оказывается в N раз больше чем выходное сопротивление каждого из N последовательно включённых VT. Это облегчает согласование;

При разрыве коллекторной (или зммитерной) цепи любого VT схема перестаёт работать.

Общая характеристика режимов параллельной и последовательной работы VT на общую нагрузку

1) Разброс параметров VT, разброс амплитуд и фаз , напряжения их возбуждения приводит к разбросу суммарной выходной мощности поэтому с ростом числа VT N, суммарная мощность на выходе будет возрастать медленнее чем NPвых.

2) Индуктивность соединительных и монтажные ёмкости образуют дополнительные колебательные системы, которые могут привести к возникновению паразитных колебаний, к неустойчивой работе, к самовозбуждению, поэтому необходим тщательный монтаж схемы.

3) Надёжность работы схем невысокая т.к. выход из строя любого VT нарушает работу всей схемы сложения мощностей.

4) В современных РПДУ число параллельно включённых АП(VT) не превышает 2-3. Последовательная схема применяется очень редко т.к. она трудна для практической реализации потому что VT не соединены с корпусом.

5) Наиболее распространённая схема последовательной работы VT на общую нагрузку - это схема с двухступенчатом режимом работы(push - pull operation).

п превышает 2-3.чённых АПы сложения .хемы.колебаний, кнеустоёчивой работе, к лебательные сустемы и , поэтому с ростом числа

Двухтактная схема ГВВ со сложением мощности



- импульсные последовательности коллекторных токов VT1 и VT2

- первые гармоники этих импульсных последовательностей

Напряжение возбуждения на базы VT1 и VT2 подаются сдвинутыми по фазе на 180 (в противофазе) т.е.

.

Транзисторы работают в режиме с отсечкой импульсов коллекторного тока и , в коллекторных цепях VT1 и VT2 также сдвинуты во времени на пол периода основной частоты.

Импульсы и поочерёдно возбуждают колебательный контур который настроен на частоту первой гармоники их спектров и отфильтровывает все остальные. Как видно из двух последних графиков первые гармоники тока , возбуждаемые импульсами и , в контуре оказываются синфазными(разность фаз равна 0), поэтому амплитуды этих гармоник, а значит и их мощность удваиваются. Это происходит в следствии того что импульсные токи и возбуждают контур с интервалом равным пол периода основной частоты и при этом проходят через контур в противоположных направлениях.

Две важные особенности двухтактной схемы

1) Двухтактный режим работы улучшает фильтрацию высших гармоник в контуре. покажем это, для чего запишем импульсные последовательности токов и в виде рядов Фурье:

- на участке БГ равен разности токов т.к. они текут на этом участке БГ в противоположных направлениях:

.

Таким образом в контуре двухтактного усилителя нечётные гармоники удваиваются, а чётные взаимноуничтожаются. Это и улучшает фильтрацию гармоник в контуре по сравнению с однотактной.

2) Облегчается блокировка цепей питания от нечётных гармоник токов ВЧ. Действительно результирующий ток в общем проводе на участке А-Б равен сумме импульсных токов и т.к.они текут по участку А-Б в одном направлении:

.

Таким образом в общем проводе на участке А-Б протекают только постоянные составляющие и чётные гармоники имеющие удвоенную амплитуду.

Задача

Нарисовать принципиальную электрическую схему ГВВ на n-p-n VT с комбинированной схемой подачи смещения и эммитерной термостабилизацией режима, с неполным включением выходного колебательного контура в цепи коллектора и нагрузки.

Связь транзистора с контуром кондуктивная.

Связь контура с нагрузкой емкостная.

Исходные данные для расчёта:

1. Выходное сопротивление VT по частоте 1-ой гармоники R =100 Ом

2. Сопротивление нагрузки Rн=500 Ом

3. Индуктивность контура Lк=№ по журналу мкГн

4. Ёмкость контура Ск=№ по журналу пФ

5. Добротность контура Q=5

Рассчитать:

1. Необходимые для полного согласования коэффициенты включения контура в цепи коллектора(pк) и нагрузки(рн).

2. Величины индуктивностей и емкостей связи:

Достоинства двухтактных ГВВ по сравнению с однотактными

1) Улучшенная фильтрация токов высших гармоник в колебательном контуре за счёт отсутствия чётных гармоник. Если одновременно выбрать угол отсечки =90 при котором =0, то этой третьей гармоники тоже не будет в контуре. фильтрация настолько улучшается что ГВВ может работать без СТЦ - это увеличивает его широкополосность.

2) Улучшенная блокировка источника питания Ек из-за отсутствия нечётных гармоник коллекторного тока на участке А-Б.

3) Увеличение выходной мощности по сравнению с однотактной схемой в 2 раза при идентичных параметрах общих каналов.

Недостатки ГВВ

1) Более сложная схема

2) Необходимость выравнивания значений параметров схем VT(симметрирование).

3) Удвоение напряжения первой гармоники на колебательном контуре, следовательно увеличение потерь в контуре.

Мостовые схемы сложения мощностей ГВВ

Обобщённая структурная схема N-канальной мостовой схемы сложения мощностей ГВВ имеет вид:

Рв,Uв, Ri - мощность, напряжение возбуждения и внутреннее сопротивление источника возбуждения

МД - мостовой делитель

N - количество каналов

Ку - коэффициент усиления по мощности

МС - мостовой сумматор

Rн - нагрузка

Мостовым устройством МД или МС называют многополюсник с помощью которого реализуется совместная и взаимонезависимая работа двух и более ГВВ на общую нагрузку.

Назначения МД:1) поровну разделить мощность источника возбуждения на N каналов;

2) обеспечить независимость(развязку) выходной мощности в каждом канале от режима работы остальных ГВВ(развязка по выходу).

Все ГВВ в мостовой схеме сложения работают при пониженной в N раз входной мощности, поэтому: 1) каждый ГВВ далёк от насыщения и работает при максимально возможном Ку; 2) в качестве ГВВ может использоваться малошумящий VT с высокой граничной частотой усиления. В зависимости от фазовых соотношений между напряжением сигнала на выходе МД и на выходе МС, мостовые устройства бывают:

1) синфазные; 2) противофазные(разность фаз 180); 3) квадратурные(разность фаз 90).

Двухканальная схема сложения мощности ВЧ диапазона на синфазных мостах

В диапазоне ВЧ f<1ГГц для построения МД и МС используются элементы L-C-R - элементы с сосредоточенными параметрами.

Rб - балластное сопротивление

СМД - синфазный мостовой делитель

СМС - синфазный мостовой сумматор

Схема симметрична относительно линии АБ, поэтому СМД делит Uв на два синфазных одинаковых Uв/2, возбуждающих два одинаковых ГВВ1 и ГВВ2. Выходные напряжения ГВВ (Ку - коэффициент усиления по напряжению) также одинаковы и синфазны.

Развязка ГВВ по входу и выходу

Связь усилителей через общую нагрузку Rн или через внутреннее сопротивление Ri источника возбуждения Uв компенсируется связью через балластные резисторы 2Rб.

Фазовые условия компенсации взаимосвязи по входу:

Напряжение с входа ГВВ2 в точке Г при изменении его режима может поступать на вход ГВВ1 в точку В, как через два последовательных Г-образных фильтра L-C, с суммарным сдвигом фазы 90+90=180, так и через резистор 2Rб без фазового сдвига при этом оба напряжения в точке В взаимокомпенсируются.

Фазовые условия компенсации взаимосвязи по выходу:

Напряжение с выхода ГВВ2 в точке Д при изменении режима нагрузки может поступить на выход ГВВ1 в точку Е, как через два последовательных П-образных L-C фильтра с суммарным фазовым сдвигом 90+90=180, так и через 2Rб без фазового сдвига при этом оба переменных напряжений в точке Е взаимокомпенсируются.

Амплитудные условия компенсации взаимосвязи по входу выходу

Rвх:

Rб-Rн=Rвх;

.

Не выполнение амплитудных условий 1) и2) приводит к появлению взаимосвязи между ГВВ и изменению режима работы и приводит к изменению всей схемы сложения: падает КПД и возникает влияние на предыдущие и последующие каскады.

Двухканальная схема сложения мощностей СВЧ диапазона на синфазных мостах

В диапазоне СВЧ f>1ГГц для построения МС и МД используются МПЛ.

Синфазные МПЛ выполнены по схеме укороченное кольцо. Фазовое условие развязки по входу и выходу для двух ГВВ на МПЛ обеспечивается выбором длин разомкнутых участков в . Амплитудные условия развязки:

; .

Двухканальная схема сложения мощности СВЧ диапазона на квадратурных мостах

КМД - квадратурный мостовой делитель

КМС - квадратурный мостовой сумматор

Квадратурные мосты часто называют квадратными мостами. Квадратурный мостовой делитель делит Рвх пополам. Квадратурный характер деления означает сто разность фаз напряжений на входе ГВВ1 и ГВВ2 равна 90 или радиан. Эта разность фаз достигается за счёт разности хода волн от источника возбуждения Рвх до входа ГВВ1 и ГВВ2.

Размещено на Allbest.ru

...