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 С 1 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 R ₄, транзистор Т, резистор R ₃. На резисторе R 3 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 С 3 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 С 2, катушку связи L св, включенную в цепь базы транзистора и связанную индуктивно с катушкой колебательного контура L.

Сопротивление в цепи базы R 1 служит для создания запирающего напряжения смещения на базе транзистора за счет падения напряжения на нем от прохождения постоянной составляющей тока базы.

Конденсатор С 1 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 С 2, - Е.

Рис. 3.18. Схема задающего генератора радиочастоты

 

Конденсатор С 2 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 L св, 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 С 2 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 С 2 до напряжения обратной полярности. И одновременно при своем нарастании будет индуктировать в катушке L св 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 С 2, т.е. частотой собственных колебаний LС 2-контура. представляющего собой цепь резонанса токов. Для настройки контура в резонанс применяют конденсатор С 2 переменной емкости.

Так как при настройке в резонанс LС 2-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 С 3 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 180^о и наличие достаточной величины обратной связи по напряжению, обеспечиваемой соответствующим соотношением витков катушек L и L св.

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 f_кв – 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 (L кв, С кв, r _кв) 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 U о.с на конденсаторе обратной связи С2 находится в противофазе с напряжением U эк относительно общей заземленной точки, подключенной к эмиттеру транзистора.

Для емкостной трехточки коэффициент обратной связи

(3.13)

где I _c - ток, проходящий через емкостную цепь контура; w_o - 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 R ₁ и R ₂, а также автоматического смещения, образованного за счет R _э C _э, цепочки при протекании постоянной составляющей эмиттерного тока через резистор R _э.

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 R ₁, R ₂ и емкость С ₂ предназначены для обеспечения соответствующего режима работы каскада как усилителя, на вход которого (клеммы 1,2) от задающего генератора через С ₁ подаются высокочастотные колебания. Колебательный контур LС _З 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 С ₄ 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 С ₁, С ₂.

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 Е ₀ от источника питания Е. Конденсаторы С ₁ и С ₂ являются блокировочными.

К кабельному контуру задающего генератора LС через конденсатор С ₁ 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