Характеристика излучений передатчиков РЭС в широкой полосе частот

 

Методы генерирования электромагнитных колебаний

Генерированием электромагнитных колебаний называется процесс преобразования энергии источников питания в энергию колебаний электромагнитного поля.

Колеблющееся электромагнитное поле может существовать в колебательной системе, например, в колебательном контуре.

Чтобы осуществить генерирование незатухающих колебаний электромагнитной энергии, необходимо периодически пополнять запас энергии в колебательной системе по мере ее расходования в результате потерь или передачи в нагрузку. Пополнение запаса энергии колебательной системы генератора производится за счет энергии источника питания.

Энергия от источника питания в колебательную систему передается движущимися электрическими зарядами, в частности, движущимися электронами. Для поддержания электромагнитных колебаний энергия в колебательную систему должна подаваться порциями, в такт с колебаниями электромагнитного поля. Эта задача технически решается двумя методами.

Первый метод. Между источником энергии и колебательной системой помещается управляющееся устройство, периодически прерывающее поток электрических зарядов. Основным элементом этого устройства является электронный прерыватель (ключ), выполненный на лампе (триоде, тетроде и др.), транзисторе, тиристоре, и других типах прибора. В соответствии с типом применяемого ключа генераторы называются ламповыми или полупроводниковыми (транзисторными, тиристорными и др.).

Управляющее устройство запирается (размыкается) или отпирается (замыкается) переменным электрическим напряжением, снимаемым либо с колебательной системы (в автогенераторах), либо подаваемым от внешнего генератора (в генераторах с внешним возбуждением). На этом основании ламповые и полупроводниковые генераторы называются генераторами с электрическим управлением электронным потоком.

В основу работы управляющего устройства положена идея о практической безынерционности электрических зарядов. Другими словами, предполагается, что за время пролета электрических зарядов через межэлектродный промежуток ключевого элемента состояние колебательной системы практически не изменяется.

Поскольку время движения носителей зарядов в ключевых элементах конечно, то на высоких частотах состояние колебательной системы за это время существенно изменяется. Вследствие этого эффективность действия управляющего устройства на СВЧ снижается и возможности применения генераторов ограничиваются.

Второй метод. Колебательная система выполняется из нескольких связанных резонаторов или вибраторов. Электронный поток пропускается непосредственно через электромагнитное поле нескольких резонаторов. Под воздействием переменного поля первого резонатора (или нескольких резонаторов) скорость электронов изменяется (одни электроны ускоряются, другие замедляются). В результате такой модуляции по скорости электронный поток становится неоднородным по плотности, образуются сгустки и разрежения.

Этот поток, взаимодействуя с полем других резонаторов колебательной системы, передает им энергию и поддерживает возникшие колебания. В основе данного метода лежит идея о соизмеримости периода колебаний с временем пролета носителей зарядов от одного резонатора колебательной системы к другому. Поэтому описанный метод используется для генерирования колебаний сверхвысоких частот (до десятков и сотен гигагерц).

Поскольку электронный поток многократно взаимодействует с полем колебательной системы, передача энергии полю происходит более эффективно, чем в ламповых генераторах. Вследствие этого генераторы СВЧ, построенные по второму методу, имеют более высокие генерируемые мощности, чем ламповые генераторы.

Вследствие того, что в рассматриваемых генераторах подача порций энергии в колебательную систему обеспечивается электронными сгустками, которые образуются за счет воздействия сил электромагнитного поля на движущиеся электроны, такие генераторы являются генераторами с электродинамическим управлением электронным потоком.

Общие сведения о радиопередающих устройствах

Радиопередающее устройство предназначено для передачи информации при помощи радиоволн. Радиоволна представляет собой электромагнитное поле высокой частоты и является особой формой движущейся материи. Радиопередающее устройство состоит из передатчика и передающей антенны.

В передатчике происходят три основных процесса:

- генерация колебаний высокой частоты (КВЧ), т.е. их создание;

- усиление КВЧ до необходимой мощности;

- управление одним из параметров КВЧ (амплитудой, частотой или фазой) в соответствии о передаваемой информацией.

Генерация КВЧ осуществляется в автоколебательном генераторе. Его называют возбудителем или задающим генератором (ЗГ), так как он задает (устанавливает) несущую частоту передатчика.

Управление одним из параметров КВЧ по закону передаваемых информационных сигналов называется модуляцией. Она осуществляется модулятором (М). В передатчике может быть амплитудная модуляция (АМ), частотная модуляция (ЧМ) или фазовая модуляция (ФМ). Частным случаем амплитудной модуляции является простейшая импульсная модуляция.

В результате модуляции получаются модулированные высокочастотные колебания тока, напряжения и электромагнитного поля. При отсутствии модуляции в антенне передатчика создаются, а следовательно, и излучаются в пространство немодулированные колебания.

Усиление колебаний высокой частоты (немодулированных и модулированных) в передатчике осуществляется усилителями мощности (УМ). Их называют также генераторами о внешним возбуждением. По режимам работы усилители передатчика можно разделить на три основных типа: буферные усилители, усилители-умножители и выходные усилители. В простейшем передатчике первые два типа усилителей могут отсутствовать, а выходной усилитель может одновременно быть и умножителем частоты.

У многих радиолокационных передатчиков усилители вообще отсутствуют. Такие передатчики обычно работают в импульсном режиме. В этих случаях автогенератор тлеет достаточно большую импульсную мощность. К типичным мощным импульсным автогенераторам радиолокационных передатчиков относятся магнетроны. Используются также мощные автогенераторы на металлокерамических лампах, на специальных приборах СВЧ и на обычных лампах.

Структурная схема простейшего передатчика АМ колебаний и графики напряжений на выходе каждого каскада приведена на рис. 1.

 

Рис. 1. Структурная схема простейшего передатчика АМ колебаний и графики напряжений на выходе каждого каскада

 

В задающем генераторе создаются колебания высокой частоты с неизменными параметрами. В усилителе мощности они усиливаются, а их амплитуда под воздействием модулятора изменяется по закону информационных сигналов. В результате получаются амплитудно-модулированные колебания требуемой мощности. Они направляются в передающую антенну и создают амплитудно-модулированные радиоволны, излучаемые в пространство. На рис. 2 изображена структурная схема простейшего передатчика ЧМ колебаний.

Рис. 2. Структурная схема простейшего передатчика ЧМ колебаний.

 

В таком передатчике модулятор воздействует на колебательный контур задающего генератора, изменяя частоту его настройки в соответствии с информационными сигналами. По этой причине изменяется частота генерируемых колебаний. Она изменяется в относительно небольших пределах по сравнению со своим средним значением.

В усилителе мощности происходит усиление частотно-модулированных колебаний. Передающая антенна излучает в пространство частотно-модулированные радиоволны. Частотная модуляция применяется только в диапазоне УКВ. В других диапазонах волн ее применять невозможно.

Структурная схема простейшего радиолокационного передатчика приведена на рис. 3.

 

Рис. 3. Структурная схема простейшего радиолокационного передатчика

 

В этой схеме модулятор вырабатывает периодически повторяющиеся видеоимпульсы напряжения прямоугольной формы. Для мощного автогенератора они служат напряжением питания. Поэтому их амплитуда измеряется единицами или десятками киловольт. Автогенератор периодически генерирует высокочастотные радиоимпульсы и направляет их в передающую антенну. Длительность излучаемых радиоимпульсов обычно бывает около одной микросекунды, а период их повторения измеряется сотнями или тысячами микросекунд. Их часто называют зондирующими радиоимпульсами.

В передатчиках импульсной радиосвязи (а также в радиолокационных передатчиках) может изменяться длительность излучаемых радиоимпульсов, их амплитуда или частота повторения. Может изменяться также время генерации радиоимпульсов относительно определенных тактовых моментов. Поэтому импульсная модуляция в общем случае может быть очень разнообразной.

По своему основному назначению передатчики принято разделить на связные, радиовещательные, телевизионные, радиолокационные, радионавигационные и т.д. По месту установки их делят на стационарные и подвижные. По диапазону рабочих волн передатчики бывают длинноволновые, средневолновые, коротковолновые и передатчики УКВ. В свою очередь передатчики УКВ делят на метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые. В особую группу выделяются передатчики оптического диапазона (лазерные).

Передатчики разделяют также по роду работы, виду модуляции, мощности и другим признакам.

 

Основные показатели передатчика

Радиопередатчик характеризуется определенными техническими показателями.

1. Диапазон рабочих волн передатчика. Большинство передатчиков имеет органы настройки, при помощи которых можно изменять рабочую длину волны. Перестройка передатчика обычно возможна в пределах широкого диапазона волн. Она может быть плавной или дискретной. При плавной перестройке передатчик может работать на любой волне заданного диапазона. При дискретной перестройке передатчик работает только на определенных (фиксированных) волнах.

Очень часто весь диапазон рабочих волн передатчика разбивается на несколько поддиапазонов. Каждый из них характеризуется коэффициентом перекрытия, т.е. отношением максимально возможной рабочей волны к минимально возможной. Обычно коэффициент перекрытия не превышает 3-4. Желательно, чтобы коэффициенты перекрытия на каждом поддиапазоне были одинаковы.

2. Мощность передатчика. Это мощность электрических колебаний, направляемых передатчиком в антенну. Она может быть от долей ватта до десятков мегаватт. У передатчиков, работающих в импульсном режиме, различают мощность в импульсе и среднюю мощность за период повторения импульсов. Обычно мощность в импульсе превышает среднюю мощность передатчика в сотни или тысячи раз.

3. Коэффициент полезного действия передатчика. Это отношение мощности, отданной в антенну, к мощности, потребляемой передатчиком от его источников питания. КПД передатчика определяет его экономичность. У передатчиков малой мощности КПД бывает 10-20%, у передатчиков большей мощности 40-60%.

4. Стабильность частоты передатчика. Она характеризует допустимое отклонение несущей частоты передатчика за определенное время его работы в конкретных условиях. Количественная оценка стабильности частоты передатчика осуществляется при помощи коэффициента относительной нестабильности. Данный коэффициент равен отношению максимально допустимого отклонения несущей частоты передатчика к ее номинальному значению. Чем выше стабильность частоты передатчика, тем меньше коэффициент относительной нестабильности. Он бывает величиной 10^-4- 10^-8.

 

Излучения передатчиков РЭС в широкой полосе частот

Анализ экспериментальных данных по передатчикам различных типов РЭС показывает, что практически все передающие устройства излучают не только в рабочей полосе частот, но и за ее пределами. На рис.13.1. схематически показан энергетический спектр излучения передатчика в широкой полосе частот. Наличие излучений передающего устройства в широкой полосе является одной из причин возникновения взаимных помех между РЭС.

Излучения передатчиков классифицируются следующим образом. Основное излучение - это излучение передающего устройства РЭС в необходимой для передачи сигнала полосе радиочастот. Необходимой полосой частот называется минимальная ширина полосы частот данного класса излучений, достаточная для передачи сигнала с требуемой скоростью и качеством, определяемыми при проектировании передатчика в соответствии с его функциональным назначением.

Излучение за пределами необходимой полосы радиочастот называется неосновным. Часть неосновного излучения, примыкающая к необходимой полосе и являющаяся результатом модуляции сигнала, называется внеполосным излучением. При отсутствии модуляции сигнала отсутствует и внеполосное излучение.

Часть неосновного излучения, возникающая в результате любых нелинейных процессов в передающем устройстве, кроме процесса модуляции, называется побочным излучением. Оно включает излучения на гармониках, субгармониках, комбинационное, интермодуляционное и паразитное.

Излучения на гармониках — это излучения, частоты которых в целое число раз больше частот основного излучения:

w_г = nw_o, где n = 1, 2, 3...

Излучение на субгармониках — это побочное излучение на частотах, в целое число раз меньших основного излучения:

w_сг = w_o/n, где n = 1, 2, 3...

Субгармоники возникают в передатчиках, в которых для получения основной частоты используют умножители частот.

Комбинационное излучение возникает в передатчиках, формирование основной частоты в которых осуществляется путем преобразования колебаний двух и более вспомогательных генераторов. Известно, что если колебания с частотами w1 и w2 поступают на вход нелинейного элемента, то на его выходе появится сигнал, спектр которого содержит комбинации этих частот:

w_k = | mw₁ + nw₂|, где m, n = ±1, ±2, ±3...

При синтезе рабочей частоты из возможной сетки частот выбирается одна из комбинаций, а напряжения остальных частот подавляются фильтром. Из-за плохой селективности фильтров некоторые из комбинаций частот проходят на выход или на следующий каскад схемы. Интермодуляционные излучения возникают тогда, когда два или более передатчиков работают на общую антенну или расположены достаточно близко друг от друга. Причиной возникновения этих излучений являются связь между передатчиками и нелинейности в их выходных каскадах. Частоты интермодуляционных излучений определяются по формуле

w_n = mw₁ + nw₂ + lw₃,

где m, n, l = 0, ±1, ±2,...; w₁, w₂, w₃ - частоты одновременно работающих передатчиков.

Чем сильнее связь между передатчиками и больше их мощность, тем выше уровень интермодуляционных излучений.

Паразитное излучение — это побочное излучение, возникающее в результате самовозбуждения передатчика из-за паразитных связей в генераторных и усилительных устройствах передатчика. Причины появления паразитных излучений случайные и не связаны с формированием основного излучения.

Уровни побочных излучений даже для однотипных РЭС имеют существенный разброс. Поэтому их оценку проводят, как правило, путем экспериментальных измерений. Уровни внеполосных и побочных излучений в настоящее время нормируются.

Шумовые излучения – это неосновные излучения передающего устройства, обусловленные собственными шумами его элементов. Источниками шума могут быть генераторы, усилители, умножители частоты, синтезаторы. Уровень шумовых излучений вблизи несущей частоты на 50...80 дБ ниже уровня полезного сигнала и спадает относительно медленно. Шумовые излучения наблюдаются в полосе частот, во много раз большей полосы основного излучения.