книги / Радиопередающие устройства

одновременно от всех напряжений, действующих в его цепях. Для определения этих динамических зависимостей пользуются статичес­ кими характеристиками, выражающими зависимость тока любого электрода усилительного элемента от значений напряжения на од­ ном из электродов при постоянстве напряжений на всех остальных электродах.

В генераторах с внешним возбуждением используются следую­ щие характеристики: проходные 1Вых = /(ЦВх); выходные £Вых= =/(Ивых) и входные isx = f{uBX).

Вольт-амперные характеристики усилительных элементов не­ обходимы для анализа и расчета генераторов с внешним возбуж­ дением. В отличие от других устройств, например радиоприемни­ ков, в радиопередающих устройствах основной рассчитываемый параметр — выходная мощность. Для расчета предварительно тре­ буется определить токи и напряжения с помощью характеристик. Но реальные характеристики усилительных элементов в значитель­ ной степени криволинейные и аналитические их выражения до­ вольно сложные. Для упрощения расчета генераторов с внешним возбуждением и облегчения анализа их работы реальные криволи­ нейные характеристики усилительных элементов принято упро­ щать — аппроксимировать (идеализировать).

Наиболее часто применяется линейная идеализация, предло­ женная в 1923 г. М. В. Шулейкиным. Линейной идеализацией на­ зывается замена реальных криволинейных участков характеристи­ ки отрезками прямой (рис. 1.3). На рисунке штриховыми линия­ ми показаны реальные характеристики лампы, а сплошными — идеализированные. Как видно из рисунка, идеализированные ха-

U a

Г

г/

Рис. 1.3. Линейная идеализация статических характеристик электронных при­ боров:

а, б — электронной лампы; в, г биполярного транзистора; д, е — полевого транзистора

И

рактеристики усилительных элементов отличаются от реальных. Поэтому расчет генераторов с внешним возбуждением, выполнен­ ный по идеализированным характеристикам, будет иметь погреш­ ность 10 15%, которая для технических расчетов вполне прием­ лема, так как разброс параметров усилительных элементов состав­ ляет 15...20%. Характеристики сеточного тока генераторных ламп, более криволинейные, чем анодного тока, поэтому расчет сеточ­ ной цепи по идеализированным сеточным характеристикам имеет большую погрешность и является ориентировочным.

1.3 КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР КАК НАГРУЗКА ГЕНЕРАТОРА

Виды контуров. Колебания радиочастоты в радиопередающих ус* тройствах создаются и усиливаются в каскадах, выполненных на электронных приборах. Для выделения энергии колебаний радио­ частоты с целью передачи ее для дальнейшего преобразования,, усиления и излучения в выходную цепь усилительных приборов, включается нагрузка. Нагрузка может быть апериодической, резо­ нансной и в виде фильтров. Апериодическая нагрузка, выполняе­ мая в виде резистора, — наиболее простая: не требует перестройки в широком диапазоне частот, но имеет ограниченные возможности по регулировке межкаскадного согласования сопротивлений и низ­ кий КПД из-за потерь в резисторе; применяется в маломощных каскадах радиочастоты радиопередающих устройств.

Фильтры, выполняющие роль нагрузки усилительных приборов» обеспечивают лучшую фильтрацию высших гармоник, чем аперио­

дическая нагрузка. Используются фильтры нижних (рис.	1.4,а, б)
и верхних (рис. 1.4,г,б) частот, как в отдельности каждый,	так и

их комбинации, в зависимости от того, какую полосу частот требу­ ется пропустить. Фильтры нижних и верхних частот, а также поло­ совые фильтры применяют в маломощных каскадах передатчиков,, обеспечивая заданную (широкую) полосу частот без перестройки.

	0,5L	0,5L	0,5L
	—I___ r m
	^г0,5С		= с	Область			Область
				пропуска­			задержки
					ния
	Я)	2С	2С				б )	f
		II	II	\i §	р
ZL	С	II	II			Область
		2L
				! <	!	пропускания
	*)		д)				* )	^

Рис. 1.4. Фильтры нижних частот (а, б), верхних частот (г, д) и их характе­ ристики (в и е) соответственно

Наиболее часто в генераторах с внешним возбуждением в ка­ честве нагрузки в выходной цепи усилительного прибора приме­

няют различные виды резонансных колебательных	систем. При
этом колебательные системы должны обеспечивать	выполнение
следующих требований:
пропускать заданную полосу частот (рис. 1.4,в,е).
трансформировать комплексное сопротивление	последующих

цепей в эквивалентное сопротивление загрузки генератора, осуще­ ствлять необходимую фильтрацию рабочей и нерабочих гармони­ ческих составляющих тока.

В качестве колебательных систем в генераторах с независимым возбуждением применяют как простые (одноконтурные), так и сложные (многоконтурные) системы. Одноконтурные используются в маломощных, а многоконтурные— в мощных каскадах генера­ торов.

В ламповых резонансных генераторах в качестве нагрузки электронного прибора чаще всего применяют параллельные коле­ бательные контуры. В транзисторных генераторах в качестве на­ грузки применяют последовательные колебательные контуры. В выходных каскадах в качестве антенн также используют последо­ вательные колебательные контуры.

Каскад генератора с внешним возбуждением передает энергию колебаний радиочастоты в последующую цепь. Поэтому нагруз­ кой каскада в целом может быть входное сопротивление последу­ ющего каскада, входное сопротивление фидерной линии или ан­ тенны.

Рассмотрим свойства и параметры параллельного колебательно­ го контура. По классификации, предложенной А. И. Бергом, па­ раллельные колебательные контуры делят по числу реактивностей в одной ветви на четыре основных вида (рис. 1.5):

контур 1-го вида имеет в каждой ветви реактивность только одного знака (рис. 1.5,а);

контур 2-го вида имеет в одной ветви только индуктивность, а в другой — индуктивность и емкость (рис. 1.5,6);

контур 3-го вида имеет в одной ветви только емкость, а в дру­ гой— реактивные сопротивления обоих знаков (рис. 1.5,в);

контур 4-го вида состоит из реактивностей обоих знаков в ка­ ждой ветви контура (рис. 1.5,г). Резисторы г\ и г2 учитывают со­ противление потерь в катушках индуктивности и конденсаторах.

Контур 4-го вида является наиболее общим, а все остальные представляют частные случаи контура 4-го вида. Сложные много­ контурные системы для упрощения анализа происходящих в них процессов приводит к эквивалентным одноконтурным путем учета вносимых сопротивлений. Основные параметры, характеризующие одиночный ненагруженный параллельный колебательный контур, следующие: индуктивность LK, емкость Ск, сопротивление по­ терь гк.

Для более полного описания свойств резонансного контура вве­ дены дополнительные параметры, являющиеся производными от

Рис. 1.5. Параллельные колебательные контуры Рис. 1.6. Зависимости вход­ ных сопротивлений от отно­ сительной раостройки а па­ раллельного контура

трех основных: характеристическое сопротивление р= y rLK/CK; добротность контура холостого хода Qx.x = p//'x.x; частота свободных

колебаний соо= 1/]/"£кСк, эквивалентное сопротивление /?э.х.х= = LK/CKrK= pQK'X и другие сопротивления.

Эквивалентным сопротивлением контура называется сопротив­ ление его питающему току между точками разветвления.

В нагруженном колебательном контуре потери увеличиваются

за	счет вносимых сопротивлений		rBH= p2RHy вызывая	уменьшение
добротности и эквивалентного		сопротивления: Q= p/r,		R3 = LK/CKr,
где	г = гх<х + Гвм. Сопротивление	г х.х	обычно относят к индуктивной

ветви, поскольку оно определяется в основном потерями в катуш­ ке. Потери в конденсаторе намного меньше. Реактивная составля­ ющая сопротивления нагрузки Хи также вносится в контур, но компенсируется настройкой контура в резонанс.

Для удобства анализа часто полное эквивалентное сопротивле­ ние параллельного контура представляют в виде двух последова­ тельно соединенных сопротивлений— активного R3 и реактивного Хэ — и выражают формулой Z3 = R3-\-]X3. Модуль этого сопротив­

ления Z3= \Z R 23-\-X23. Значения активной R3 и реактивной Х3 со­ ставляющих зависят от расстройки контура относительно частоты питающего тока. На рис. 1.6 приведены зависимости ZK, RK и Хк от обобщенной расстройки a = 2&fQ/f0. При резонансе Яэ = 0 и контур имеет чисто активное сопротивление R3.

Для питающего тока с частотой ниже резонансной реактивная составляющая имеет индуктивный характер (Хэ> 0 ) , а для пита­ ющего тока с частотой выше резонансной — емкостной (Хэ< 0 ) .

Максимального значения реактивные сопротивления достига­ ют при обобщенной расстройке а = + 1, т. е. на частотах f+ i= f0(\ + + 0,5/Q;>), составляя по абсолютному значению половину R3: \Х91-0,5 R3.

Полоса пропускания контура определяется по заданной допу­ стимой величине частотных искажений сигнала на краях ее:

M = l/V l- \- a 2. Часто принимают М = 1/|Л 2=0,707. В этом случае

14

ширина полосы пропускания одиночного колебательного контура определяется так: n = fo/Q3.

Резонансное сопротивление параллельного контура 4-го вида

Яэ Х.Х = р2 (рь—рс) 2/г = pQx.x (PL—PC)2,

где р — волновое или характеристическое сопротивление контура; рь, Рс — коэффициенты включения индуктивности и емкости, ха­ рактеризующие распределение общей индуктивности и общей ем­ кости контура между его ветвями.

При использовании параллельного контура в качестве сопро­ тивления нагрузки в выходной цепи усилительного прибора гене­ ратора с внешним возбуждением коэффициенты pL и рс называ­ ются коэффициентами включения контура, или коэффициентами анодной, коллекторной связи. Изменив значения pL и рс от 0 до 1, можно преобразовать обобщенный контур 4-го вида в контур лю­ бого другого вида и получить при этом наивыгоднейшее сопроти­ вление нагрузки без изменения резонансной частоты контура со0, что необходимо для обеспечения оптимального режима генерато­ ра. Значения коэффициентов включения и резонансного сопротив­

ления для контуров различного вида					приведены в табл. 1.1.
Т а б л и ц а	1.1
Вид кон­	L1	L2	с\	С2	IPL	PC	рэ X X
тура
1	и	0	оо	С2	1	0	Р7г
1	0	L2	С1	оо	0	1	р2/г
2	L1	L2	С1	оо	Р ь< '	0	Р2(\—Ри)2!г
2	Ы	L2	оо	С2	PL< 1	0	р2р-ь/г
3	LI	0	С1	С2	1	Рс^	Р2(1—Рь)2Г
3	0	L2	С1	С2	0	Р с < 1	p-p-dr

Фильтрация параллельным контуром высших гармоник. В вы­ ходной цепи генератора кроме тока основной частоты протекают

итоки высших гармоник, создавая помехи радиосвязи. Поскольку

вгражданской авиации на ограниченной площади концентрирует­

ся большое число одновременно работающих радиосредств, излучения на высших гармониках даже при малой их мощности создают значительные помехи приемникам различного назначения. Подавление высших гармоник имеет существенное значение для улучшения условий работы радиосредств. Для выполнения этой задачи в выходных каскадах передатчиков применяют сложные схемы выхода, состоящие из двух параллельных контуров.

Рассмотрим фильтрующие свойства одиночного колебательно­ го контура. В ветвях параллельного контура ток / к оказывается усиленным в Q раз только на той частоте, на которую контур на­ строен. Для высших гармоник контур расстроен и его сопротивле­

ние, а следовательно, и падение напряжения на нем ип резко уменьшается. Поэтому токи в ветвях контура от высших гармо­ ник значительно ослаблены iLn = un/XLru icn =U nIXCn. Таким обра­ зом, контур отфильтровывает токи высших гармоник. Но при этом следует учесть, что токи высших гармоник, протекающие в индук­ тивной и емкостной ветвях, не равны друг другу.

Фильтрующие свойства контура оцениваются коэффициентом фильтрации Фп, показывающим, во сколько раз соотношение то­ ков п-й и первой гармоник в нагрузке генератора на выходе кон­ тура меньше, чем то же соотношение на входе контура (анодном, коллекторном токе): Фп= (/вхп//вх1)/(/нп//н1). Заменив в этой фор­ муле отношения между токами через параметры контура, после преобразований получим выражение для коэффициента фильтра­

ции	контура первого	вида Q>n = Q{n2— 1) /лг, для	контура третьего
вида	Фп = С?п(я2— 1).	Сравнение этих формул	показывает, что

фильтрация контура 3-го вида в п2 раз больше, чем контура 1-го вида.

Коэффициенты фильтрации для индуктивной и емкостной вет­ вей контура имеют различные значения. Так, для контура 1-го ви­ да

0>LI = Q (AI2— 1), cDci = Q(rt2-l)/ / 22;

для контура 2-го вида

для контура 3-го вида

Фьз = Q (^2- 1), Фсз = (1■- P c ) Q (п2- 1) / (п2- р с ) .

Следует отметить, что в контуре 1-го вида коэффициент фильтра­ ции индуктивной ветви в п2 раз больше, чем коэффициент фильт­ рации емкостной ветви. Поэтому амплитуды токов высших гармо­ ник в индуктивной ветви значительно меньше, чем в емкостной.

Важным параметром контура, выполняющего роль цепи связи между электронными приборами и последующей цепью, является КПД контура, который в общем случае представляет собой отно­ шение мощностей: выделенной в нагрузке генератора ко всей за­ траченной в контуре

г,	/2 г	гвн
Рвы* =	'к 'в ц ^
	/2	г
	1к

Используя соотношения

^ = Гг*+ /*вн, rx= p/Qx.x, Г = р/Q, Qx= Rx/p, Q—RQIP ,

получаем ряд тождественных выражений для КПД:

Цк=1 (Гс/0> Лк= (Q/Qx) и 'Пк= 1— {RD/RDX) •

1.4. ГЕНЕРАТОР С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Общие сведения. Как видно из структурной схемы радиопере­ дающего устройства, приведенной на рис. 1.7, одним из основных элементов передатчика является генератор с внешним возбужде­ нием (ГВВ) — устройство, преобразующее энергию источника по­ стоянного тока в энергию тока высокой частоты. При этом часто­ та колебаний, полученных на выходе генератора с внешним воз­ буждением, не зависит от параметров элементов схемы генерато­ ра, а определяется частотой поданных на вход колебаний.

Генератор с внешним возбуждением состоит из следующих ос­ новных элементов:

электронного прибора, выполняющего роль регулятора расхода энергии источников питания;

источника питания, являющегося источником энергии колеба­ ний радиочастоты;

нагрузки выходной цепи усилительного прибора (роль нагруз­ ки в генераторах чаще всего выполняет колебательный контур).

В качестве усилительного прибора в современных радиопере­ датчиках используются электровакуумные лампы, биполярные и полевые транзисторы, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды (ЛПД) магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны, тиратро­ ны и др. Применение того или иного усилительного прибора опре­ деляется мощностью и диапазоном рабочих частот. Маломощные генераторы выполняются в основном на биполярных транзисто­ рах.

У ламповых и транзисторных генераторов много общего, но каждый из них имеет свои особенности. Поэтому целесообразно рассматривать их в отдельности. Сначала рассмотрим ламповые, а затем транзисторные генераторы.

Ламповый генератор с внешним возбуждением. Простейшая принципиальная схема лампового генератора с внешним возбуж­ дением приведена на рис. 1.8. В ней имеются следующие электри­ ческие цепи: цепь анода — источник анодного питания Е а, нагруз­ к а — колебательный контур, участок анод — катод внутри лампы, соединительные провода; цепь управляющей сетки— источник по­ стоянного напряжения смещения £ с, источник переменного напря­ жения Uc, участок сетка — катод внутри лампы и соединительные

Рис. 1.7 Структурная схема радиопередающего устройства:

ЗГ — задающий	генератор;		ПУ —
промежуточный	усилитель;		ОУМ —
оконечный усилитель		мощности;
ИП — источник	питания;	М — мо­
дулятор

Рис. 1.8. Схема генератора с внешним возбуждением

провода; цепь накала катода — источник напряжения накала, нить накала и соединительные провода.

Физические процессы в схеме генератора с внешним возбужде­ нием протекают следующим образом. Сначала, рассматривая про­ цессы в схеме, будем считать: напряжение катода накала уже включено, катод накален и эмиттирует электронный поток. Затем во входной сеточной цепи включается напряжение смещения Е с, устанавливающее начальное положение рабочей точки на анодно­ сеточной характеристике лампы. После этого включается напряже­ ние источника анодного питания Е а. При включенных двух посто­

янных напряжениях Е а и Е с протекает		только постоянный анод­
ный ток I ао по цепи: + £ а, индуктивная		ветвь	контура, анод —
катод внутри лампы, — Е а. Значение	тока / ао		можно	определить
по статической характеристике, как	показано		на рис.	1.9,а изме-

рить амперметром Л0, включенным в цепь постоянного анодного тока (рис. 1.8).

Напряжение высокой частоты, которое надо усилить, подается во входную — сеточную — цепь лампы. Это напряжение называ­ ют напряжением возбуждения. Для простоты анализа его прини­ мают косинусоидальным: ис= t/ccos со/, где Uc — амплитудное зна­

чение напряжения возбуждения. Под действием				переменного на­
пряжения возбуждения ток в		цепи	анода	будет	изменяться
ia = /ao + /a_ cosat,	где / ао — постоянная		составляющая анодного
тока, создаваемая	источником	анодного	питания,		— амплитуд­

ное значение переменной составляющей анодного тока, вызванное действием напряжения возбуждения.

Переменная составляющая анодного тока протекает по цепи: анод— катод внутри лампы, через источник питания (через кон­ денсатор С б л ), колебательный контур, к аноду лампы. Колебатель­ ный контур, настроенный в резонансе частотой напряжения возбуж­

дения, оказывает		переменной составляющей анодного тока большое
(^э =10	кОм) и	чисто активное сопротивление /?э. Поэтому пере­
менная	составляющая		/ а~ , проходя через контур, создает на	нем
падение	напряжения		ца = 1а/?э = /а/?э cos cot= £ /acosG)£. Графики	на­

пряжений и токов в генераторе с внешним возбуждением, поясня­ ющие принцип его работы, приведены на рис. 1.9. Вследствие уси­ лительных свойств лампы напряжение {УВых = ^а будет намного больше подведенного к сетке напряжения возбуждения. Мощность созданных в контуре колебаний будет также больше мощности ко­ лебаний, поданных на вход генератора. Таким образом, в процес­ се работы генератора происходит усиление подведенных ко входу колебаний по мощности без изменения их частоты. Поэтому такой

генератор называют еще	усилителем мощности, или генератором
с независимым (внешним)	возбуждением. Частота колебаний на

его выходе не зависит от внутренних параметров схемы, а опреде­ ляется частотой поданных на вход колебаний.

Транзисторный генератор с внешним возбуждением. В генера­ торе с внешним возбуждением транзистор можно включать по схемам: с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором (рис. 1.10). В радиопередающих устройствах наиболее часто при­ меняется схема с общим эмиттером, так как она обеспечивает од-

03 об­ ои

Рис. 1.10. Схемы включения транзисторов в ГВВ

повременно усиление тока и напряжения и реализует наибольшее усиление мощности. Так, схема на биполярном транзисторе обес­ печивает /С /э= ^ 21э =30 50, Киэ ^ Ю ... 20, Крэ =300 1000. Но для работы усилителя важны не только коэффициенты усиления, но и их устойчивость. В схеме с общей базой усиление по мощно­ сти меньше, чем в схеме с общим эмиттером, но устойчивость выше. Схема с общим коллектором в генераторах с внешним возбужде­ нием используется редко из-за низкого коэффициента усиления по напряжению.

Принцип построения схемы генератора с внешним возбуждени­ ем на транзисторе такой же, как и на электронной лампе. Про­ стейшая принципиальная схема его приведена на рис. 1.11. В ней имеются две электрические цепи: входная — источник напряжения

смещения Е в , источник переменного напряжения возбуждения
иБ, участок база — эмиттер транзистора и соединительные	прово­
да; выходная — источник питания коллектора Е к, нагрузка	(коле­

бательный контур), участок коллектор — база — эмиттер транзис­ тора и соединительные провода.

Процессы в схеме. Процесс усиления колебаний в этой схеме происходит следующим образом. При включении источника кол­ лекторного питания £ к в выходной цепи протекает слабый на­ чальный ток, называемый обратным током коллектора и обозна­ чаемый /к эо (где К — коллектор Э — эмиттер, 0 — при / Б = 0, т. е. при разомкнутой цепи база—эмиттер). Напомним, что обрат­ ным током перехода транзистора называют ток через какой-либо переход при обратном напряжении на этом переходе, в то время как ток в цепи одного из двух оставшихся свободными выводов равен нулю. Для схемы с общим эмиттером обратный ток коллек­ тора / Кэо определяется при токе базы, равном нулю, как показа­ но на рис. 1.12. При этом на коллектор подается обратное напря­

жение, например — 5 В, а цепь эмиттер — база	разомкнута:	/ Б = 0.
Цепь эмиттер — база можно и не размыкать,	но тогда	напря-

с

Рис. 1.11. Схема транзисторного генера тора с внешним возбуждением