Антенны - назначение, принцип работы

 

Передающие антенны - устройства для преобразования высокочастотных токов (напряжений) в электромагнитное поле, приемные антенны выполняют обратные преобразования. Соединение антенн с приемниками и передатчиками осуществляется с помощью фидеров - линий для передачи энергии радиочастотных сигналов от радиопередатчика к антенне или от антенны к радиоприемнику.

Антенну можно рассматривать как открытый колебательный контур. В обычном контуре электрическая энергия сосредоточена между обкладками конденсатора, а магнитная - между витками катушки. Для того чтобы "выпустить" электрическое поле наружу, необходимо раздвинуть обкладки конденсатора. Для сохранения значения емкости при этом необходимо увеличивать размеры обкладок. Аналогичным образом создается внешнее магнитное поле. В пределе колебательный контур превращается в два провода. Т.о. антенны представляют собой цепи с распределенными параметрами, в которых индуктивность и емкость распределены вдоль проводника, длина которого должна быть соизмерима с длиной волны электрических сигналов. Для создания электромагнитных волн необходимо подключить сигнал в разрыв между проводами, которые называются вибратором. Максимальную энергию вибратор излучает при резонансе, т.е. когда длина проводников равна половине длины волны. Такую антенну называют полуволновым вибратором.

Если вибратор поместить в переменное электромагнитное поле, под влиянием поля в нем возникнут колебания тока и напряжения, т.е. вибратор в этом случае выполняет роль приемной антенны.

Максимальное значение амплитуды тока возникнет, когда длина приходящей волны равна удвоенной длине вибратора. Максимальное значение тока возникает в середине вибратора, поэтому фидер (провод) для передачи тока к приемнику следует подключать к разрыву в середине вибратора (такой вибратор называют симметричным – рис.3.1).

 

Симметричный полувибратор

 

I λ/4

 

 

~

 

λ/4

 

 

Рис.3.1.

 

Антенны излучают или принимают электромагнитные волны в различных направлениях неодинаково. Характеристикой направленности антенны называют зависимость мощности излучения от направления на одинаковом расстоянии от антенны. График этой зависимости называют диаграммой направленности, численное значение - коэффициентом направленности. На рис. 3.2. показана диаграмма направленности (ДН) полуволнового вибратора для плоскости, в которой он расположен (вертикальная ДН а), и плоскости, перпендикулярной его оси (горизонтальная ДН б). В первом случае существуют два максимума излучения (приема) в направлении, перпендикулярном оси вибратора, во втором случае вибратор излучает энергию равномерно во всех направлениях.

 

 

Диаграмма направленности антенны типа полуволновой вибратор

 

L= 0,5l

 

а) б)

Рис.3.2

 

Приведенная на рисунке диаграмма направленности симметричного полувибратора соответствует случаю, когда он расположен далеко от поверхности земли (на расстоянии много больше длины волны), т.е. в свободном пространстве. Проводящая земная поверхность изменяет характер процессов в антенне и ее диаграмму направленности.

Влияние земной поверхности можно учесть с помощью зеркального изображения антенны. Рассмотрим вертикальный проводник длиной L, касающийся одним концом земной поверхности. Резонансная длина волны такого вертикального несимметричного вибратора равна учетверенной длине вибратора (рис.3.3). Такие антенны (их называют "штыри") устанавливают на судах. При длине вибратора меньше четверти длины волны для увеличения "электрической" длины антенны к верхнему концу присоединяют отрезок горизонтального провода, что создает дополнительную емкость (Г- или Т-образная антенна).

 

Вертикальная диаграмма направленности антенны типа несимметричный полувибратор

 

L=0,25l

 

Рис.3.3

 

При изменении длины волны излучения для настройки антенны в резонанс используют согласующее устройство - включают колебательный контур с переменными параметрами. Согласующее устройство включают на выходе радиопередающего устройства для увеличения мощности, передаваемой в антенну. В современных радиопередатчиках настройка согласующего устройства осуществляется автоматически.

Для уменьшения размеров антенн применяют рамочные и магнитные антенны, которые реагируют на магнитную составляющую электромагнитного поля. Рамочная антенна представляет собой плоскую катушку прямоугольной или круглой формы, витки которой намотаны на жесткую рамку. Магнитная антенна представляет собой катушку с ферритовым сердечником. Эти антенны являются также слабонаправленными - диаграмма направленности рамочной антенны аналогична диаграмме симметричного вибратора, расположенного вдоль оси рамки, магнитная антенна имеет нуль диаграммы вдоль оси антенны. Эти антенны менее чувствительны, чем, например, Г-образная.

В диапазоне УКВ для увеличения дальности широко используются направленные антенны. Например, антенна типа "волновой канал", имеет диаграмму направленности в виде узкого вытянутого в одну сторону лепестка. Такая диаграмма направленности достигается за счет добавления к симметричному вибратору рефлектора (за вибратором) и директоров (до 8 - перед вибратором) - см. рис.3.4. Подобные антенны применяются в телевидении для приема дециметровых каналов.

 

Антенна типа "волновой канал"

 

 

Рис.3.4

 

 

В радиолокации (сантиметровый и миллиметровый диапазон волн) используются рупорные и щелевые антенны. Для передачи электромагнитной энергии в этих диапазонах используются специальные линии – волноводы. В спутниковых системах связи применяют направленные зеркальные антенны (Inmarsat-A), или ненеправленные антенны (Inmarsat-B, Inmarsat-C и др.).

 

Распространение радиоволн

 

3.2.1. Основные свойства радиоволн

 

Радиоволны представляют собой переменные связанные электрические и магнитные поля. Электромагнитное поле описывается уравнениями Максвелла, который обосновал гипотезу о том, что переменное электрическое поле возбуждает в окружающем пространстве переменное магнитное поле и наоборот. Основные свойства электромагнитного поля:

1. В однородном пространстве радиоволны распространяются прямолинейно, скорость распространения волн в воздушном пространстве равна 300.000 км\с.

2. Распространение волн в проводящей среде (земле, воде, ионизированном газе) сопровождается поглощением энергии.

3. Если волны от одного и того же источника приходят в точку приема разными путями, происходит сложение этих волн - интерференция.

4. При встрече с препятствиями волны способны огибать их - это явление называется дифракцией. Дифракция уменьшается с уменьшением длины волны.

Вблизи земной поверхности радиоволны распространяются не так, как в свободном пространстве, так как среда (земная поверхность - атмосфера) является неоднородной.

Верхняя область атмосферы, содержащая свободные носители электрических зарядов, возникающие за счет влияния солнца, называется ионосферой. Электрические свойства ионосферы характеризуются концентрацией свободных зарядов - числом ионов и электронов в единице объема (1 куб.метре). Концентрация зарядов зависит от времени года (летом больше, чем зимой) и времени суток (днем больше, чем ночью). При возрастании солнечной активности и космического излучения возникают резкие изменения ионизации (магнитные бури).

Концентрация ионов и электронов в ионосфере на разных высотах различна, можно выделить несколько слоев с повышенной концентрацией ионов:

нижний слой D на высоте 60...90 км с концентрацией до 10 ⁹ /м ³. Слой D образуется в дневное время, ночью слой D исчезает;

слой Е на высоте 120…150 км с концентрацией до 10 ¹¹ /м ³ днеми до 10 ¹⁰ / м ³ ночью;

слой F на высоте 180...400 км с концентрацией до10 ¹² /м ³ днем и до 10 ¹¹ /м ³ ночью.

При распространении радиоволн между земной поверхностью и ионосферой происходит потеря их энергии из-за взаимодействия электромагнитного поля со свободными носителями зарядов. Потери энергии радиоволны зависят от длины волны (частоты).

При распространении радиоволн необходимо отдельно рассматривать радиоволны, распространяющиеся вдоль земной поверхности (поверхностные или земные) и радиоволны, попадающие в ионосферу и отражающиеся от нее (пространственные или ионосферные).

Потери земных волн за счет частичного проникновения в землю тем больше, чем меньше длина волны, т.е. чем больше частота.

Потери пространственных волн тем больше, чем больше длина волны, т.е. чем меньше частота.

При попадании в слои ионосферы радиоволны отражаются от них или преломляются, причем возможность отражения зависит от степени ионизации ионосферы, частоты и угла падения волны. Максимальная частота, которая может отразиться от ионизированного слоя при вертикальном падении на его границу, называется критической частотой и определяется выражением fкр =9ÖN, где N - концентрация свободных зарядов.

3.2.2. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов

В зависимости от условий распространения радиоволны делятся на диапазоны:

__________________________________________________________________

диапазон длина волны частота

________________

сверхдлинные (СДВ) >10000 м <30 кГц ОНЧ (VLF)

длинные (ДВ) 10000...1000 м 30...300 кГц НЧ (LF)

средние (СВ) 1000...100 м 300...3000 кГц СЧ (MF)

короткие (КВ) 100...10 м 3...30 МГц ВЧ (HF)

ультракороткие (УКВ) <10 м >30 МГц

метровые 10...1 м 30...300 МГц ОВЧ (VHF)

дециметровые 100...10 см 300...3000 МГц УВЧ (UHF)

сантиметровые 10...1 см 3...30 ГГц СВЧ (SHF)

миллиметровые 10...1 мм 30...300 ГГц КВЧ (EHF)

Распространение радиоволн

 

 

 

 

L

 

 

1 – поверхностный луч, 2 – пространственный луч, отразившийся от слоя Е, 3 – пространственный луч, отразившийся от слоя F, 4 – пространственный луч с частотой выше критической.

Рис.3.5

 

Сверхдлинные волны в морской радиосвязи не используются. С помощью СДВ возможна связь с подводными объектами.

Длинные (километровые) волны распространяются между нижними слоями ионосферы и земной поверхностью с малыми потерями, для них характерно постоянство условий распространения. Длинные волны имеют дальность распространения - до 3000-5000 км, однако из-за больших размеров антенн и высокой мощности передатчиков они применяются для односторонней связи "берег"-"судно" (сигналы точного времени, навигационное обеспечение).

Средние (гектометровые) волны распространяются как поверхностным лучом, который претерпевает значительные поглощения в земле, так и пространственным лучом, который существует только ночью, а днем поглощается слоем D ионосферы, поэтому дальность связи ночью больше дальности связи днем. Устойчивая связь в любое время суток обеспечивается поверхностной волной и составляет несколько сотен километров, в ночные часы из-за интерференции земной и поверхностной волн на больших расстояниях возникают замирания ("фединг"). Диапазон средних волн используется в радиовещании, морской радиосвязи для целей бедствия и безопасности (500 кГц - частота радиотелеграфных сигналов бедствия, 2182 кГц - международная частота бедствия в режиме радиотелефонии), для передачи навигационных сообщений.

Короткие (декаметровые) волны распространяются также с помощью поверхностных и ионосферных лучей. Энергия поверхностного луча быстро затухает из-за больших потерь в земной поверхности и составляет несколько десятков километров, пространственный луч поглощается в слоях D и Е и отражается от слоя F. Таким отражений от слоя F может быть от 1 до 3 и их число определяется дальностью коротковолновой связи. Для уменьшения потерь пространственного луча необходимо выбирать максимально возможные частоты, не превышающие критической частоты. Критическая частота, способная отразиться от слоя F, зависит от концентрации зарядов. Поэтому в дневные часы при максимальной концентрации слоя F используют радиоволны длиной 10...25 м, а в ночные - 35 м и больше. Для коротких волн характерна зависимость условий распространения от времени суток, года, географического расположения линий связи (например, затухание радиоволн при распространении в направлении запад-восток выше, чем в направлении север-юг). На условия распространения оказывают влияния различные возмущения в ионосфере (магнитные бури и пр.). Из-за многопутевости распространения коротких волн сигнал в точке приема определяется суммой пришедших копий. Так как копии сигнала имеют различные фазы, при сложении возникают сильные замирания - случайные изменения уровня сигнала в точке приема.

Другой особенность коротких волн является наличие "зоны молчания"- области, которая заключена между радиусом действия поверхностной волны и расстоянием, на котором появляется отраженная ионосферная волна.

Из изложенного следует, что коротковолновая связь отличается неустойчивостью, дальность связи во многом зависит от правильно выбранной длины волны, конкретное значение которой трудно вычислить заранее. К достоинствам коротких волн относятся возможность связи с любой точкой земного шара с использованием передатчиков небольшой мощности (сотни ватт).

Ультракороткие волны распространяются только поверхностным лучом. Пространственный луч пронизывает ионосферу и не отражается от нее даже при максимальной концентрации зарядов. Поверхностная волна практически не имеет дифракции, т.е. дальность связи определяется пределами прямой видимости и зависит от высоты установки антенн. Если высоты установки передающей и приемной антенн равны h1,м, и h2,м, соответственно, то дальность связи D = 3.6(Öh1+Öh2), км, и составляет десятки километров. Основное преимущество УКВ-связи - устойчивая связь, не зависящая от состояния ионосферы, отсутствие атмосферных помех, малые мощности передатчиков (единицы ватт), возможность одновременной работы большого числа радиостанций без взаимных помех. Область применения - связь на небольшие расстояния (прибрежное плавание, рейдовая и внутрипортовая связь). В этом же диапазоне частот работает система телевидения, системы сотовой связи. Район А1 ГМССБ также является районом действия УКВ связи.

Кроме увеличения высоты установки передающей и приемной антенн, дальности УКВ-связи повышают использованием радиорелейных линий - на расстоянии прямой видимости устанавливают ряд вышек, на которых смонтированы приемники и передатчики, используемые для ретрансляции сигналов. Для связи с подвижными объектами (судами) в качестве ретрансляторов используют искусственные спутники земли. Например, для связи с судами используется система спутниковой связи ИНМАРСАТ. Система ИНМАРСАТ состоит из 4-х спутников, «освещающих» земной шар в пределах 70^о северной широты и 70^о южной широты (за исключением полярных районов), береговых станций спутниковой связи и мобильных станций спутниковой связи, устанавливаемых на судах.

 

Контрольные вопросы к разделу 3

 

1. Как связаны между собой геометрические размеры антенны и излучаемая (принимаемая) частота сигнала.

2. Опишите особенности распространения радиоволн различных диапазонов волн.

3. Опишите назначение и принцип построения узконаправленных антенн.

 

4. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА РТС

 

4 .1. Классификация элементов РТС

 

Электронные части конструкции РТС составляют ее элементную базу. Совокупность соединенных определенным образом элементов, образующих путь для прохождения электрического тока, называют электрической цепью.

В зависимости от способности преобразовывать энергию сигналов элементы электронных устройств разделяются на пассивные и активные. Пассивные элементы способны расходовать или накапливать энергию, активные - усиливать мощность входных сигналов за счет энергии источников питания. К пассивным элементам относятся резисторы R, конденсаторы С, индуктивности L (дроссели), трансформаторы Т, реле К, контактные разъемы Х, переключатели S, соединительные провода (кабели, волноводы). К активным элементам относятся электронные приборы (электровакуумные, газоразрядные и полупроводниковые приборы). Отдельную группу активных элементов составляют интегральные микросхемы (ИМС) и микропроцессоры (МП).

В зависимости от вида вольт-амперной характеристики (ВАХ) элементы подразделяются на линейные и нелинейные. (ВАХ - зависимость тока в элементе от приложенного к нему напряжения).

Линейные элементы не способны преобразовывать частотный состав (спектр) сигнала, т.е. образовывать новые частоты, эти преобразования выполняются с помощью нелинейных элементов.

Элементная база радиотехнических систем изучается в курсе Электротехника и электроника, поэтому приведем лишь краткие характеристики радиоэлементов, достаточные для понимания принципов работы радиотехнических устройств..

 

4 .2. Пассивные элементы

 

Резистор R (постоянный, регулируемый и подстроечный) - элемент электрической цепи, в котором происходит необратимое преобразование (потеря) электромагнитной энергии в тепловую, основная характеристика резистора - его электрическое сопротивление R, которое связывает величину напряжения U со значением тока I: U = I·R. Единица измерения - 1 Ом, кратные - 1 кОм = 1000Ом, 1 МОм = 1000 кОм. В идеальном резисторе сопротивление не зависит от частоты, и он обладает линейной ВАХ. Ток и напряжение в резисторе находятся в одинаковой фазе.

Конденсатор C (постоянный, регулируемый и подстроечный) - элемент электрической цепи, состоящий из двух проводящих обкладок, разделенных диэлектриком и способный накапливать электрическую энергию. Основная характеристика конденсатора - электрическая емкость. Единица измерения емкости - 1 Фарада, дольные единицы - 1 мкФ = 0.000001 Ф, 1 пФ = 0.000001 мкФ. В идеальном конденсаторе не происходит потерь энергии, его сопротивление носит реактивный характер: U_c= [1/(j2пfC)]·I_c (рис.4.1,а). Физически это

 

Зависимость между током и напряжением в конденсаторе С и индуктивности L

U_c I_L

 

I_c U_L

а) б)

Рис.4.1

означает, что ток, протекающий через конденсатор, опережает по фазе приложенное к нему напряжение на 90°. Зависимость напряжения от тока - линейная, т.е. конденсатор имеет линейную ВАХ.

Катушка индуктивности L - элемент электрической цепи, который способен накапливать магнитную энергию. Характеристика катушки - индуктивность L. Единица измерения индуктивности - 1 Генри, дольные единицы - 1 мГн= 0.001 Гн, 1 мкГн = 0.001 мГн. В идеальной катушке не происходит потерь энергии, ее сопротивление носит реактивный характер: U_L= (j2пfL)·I_L. Физически это означает, что ток в индуктивности отстает от напряжения на 90° (рис.4.1.б). Для постоянной индуктивности характерна линейная ВАХ. Для увеличения индуктивности на низких частотах используют сердечник, такие катушки называют дросселями. На низких частотах в качестве сердечника используют набор металлических пластин, на высокох частотах – ферритовые стержни или кольца.

Для определения токов через конденсатор или индуктивность с помощью закона Ома используют модули реактивных сопротивлений.

Соединение катушки индуктивности и емкости образует колебательный контур (параллельный или последовательный). Колебательные контуры обладают частотно-избирательными свойствами и используются как частотные фильтры. Например, параллельный колебательный контур является полосовым фильтром, пропускающим сигналы с частотами, находящимися в пределах полосы пропускания.

Трансформатор T - электромагнитное устройство, служащее для преобразования одного переменного напряжения в другое той же частоты. Конструктивно трансформатор состоит из двух отдельных обмоток - первичной и вторичной - с числом витков n₁ и n₂ соответственно. Входное напряжение переменного тока, приложенное к первичной обмотке U₁, создает изменяющееся магнитное поле, которое создает во вторичной обмотке напряжение U₂. Основная характеристика трансформатора - коэффициент трансформации К_т= U2/U1, при К_т>1 - повышающий трансформатор, при Кт<1 - понижающий трансформатор. Для трансформатора справедливо соотношение U₂/U₁ = n2/n₁, I₂/I₁ = n₁/n₂.

Силовой трансформатор (трансформатор питания) - работает от сети переменного тока. Для повышения кпд трансформатора обе обмотки наматываются на одном магнитном сердечнике.

Переключатель S - устройство для переключения электрических цепей (частный случай переключателя - выключатель).

Реле К - устройство для автоматической коммутации мощных электрических цепей по внешнему маломощному сигналу.

Предохранитель F - элемент цепи, служащий для защиты схемы от перегрузок, возникающих при резком повышении значения тока из-за различных неисправностей элементов. Наиболее популярными являются плавкие предохранители, имеющие тонкую высокоомную токопроводящую нить, которая разрывается - перегорает - при увеличении тока выше допустимого значения, тем самым разрывая цепь и не допуская выхода из строя других элементов.

Для электрического соединения элементов для создания пути для прохождения тока используют соединительные провода - металлические проводники (чаще всего медные), покрытые изоляционной оболочкой (лак или синтетический материал). Несколько проводов, объединенных в единую конструкцию, называют кабелем. Для передачи радиочастотных сигналов применяют специальные радиочастотные кабели. Они представляют из себя металлический проводник - жилу, по которой протекает ток, изоляционное покрытие, металлическую оплетку - экран, препятствующий излучению высокочастотной энергии (так как металлический проводник представляет собой антенну) и защитное изоляционное покрытие. В диапазоне сверхвысоких частот для передачи электромагнитной энергии используют волноводы. В последние годы в технике связи широко используются волоконно-оптические системы передачи. Для передачи сигналов в них используются специальные световоды.

4 .3. Активные элементы

К активным элементам относят электронные приборы, в которых проводимость осуществляется посредством электронов или ионов, движущихся в вакууме (электровакуумные приборы), газе (газонаполненные приборы) или полупроводнике (полупроводниковые приборы). Для работы электронных приборов на них подается питание - постоянное напряжение.

 

4.3.1. Электровакуумные приборы

 

Принцип работы электровакуумных приборов основан на движении электронов в вакууме. Электровакуумный диод (рис. 4.2. а) представляет собой колбу с выкачанным воздухом, в которую введены два электрода - катод и анод.

Рис. 4.2.

 

При положительном напряжении на аноде относительно катода по диоду протекает ток, в противном случае ток отсутствует. Говорят, что диод обладает односторонней проводимостью, что позволяет использовать его в качестве выпрямителя. В электровакуумном триоде введен дополнительный электрод - сетка, благодаря которой триод обладает возможностью усиливать сигналы (рис.4.2.б).

Электровакуумные приборы имеют большие размеры, требуют высоких питающих напряжений, имеют малый кпд. В современных РТС они почти полностью вытеснены полупроводниковыми приборами. Электровакуумные лампы в настоящее время применяются в устройствах большой мощности, которую не могут обеспечить полупроводниковые приборы, также электровакуумные приборы могут работать на более высоких частотах, чем полупроводниковые.

 

4.3.2. Полупроводниковые приборы

 

Принцип работы полупроводниковых приборов основан на свойствах p-n-перехода.

Полупроводники относятся к 4 группе таблицы Менделеева, они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по способности проводить электрический ток.

Чистые полупроводники (германий, кремний, селен) имеют удельное сопротивление от единиц до сотен тысяч Ом·м. Для увеличения электропроводности в них добавляют примеси. Примеси из 5 группы создают электронную проводимость (избыток свободных электронов), примеси из 3 группы - дырочную проводимость ("дырка" - условное понятие, обозначающее носитель свободного положительного электрического заряда, численно равного заряду электрона). В каждом типе полупроводника наряду с основными носителями существуют и неосновные носители зарядов - "дырки" в полупроводнике n-типа и электроны в полупроводнике р-типа, однако их концентрация значительно меньше, чем концентрация основных носителей. Удельное сопротивление примесных проводников составляет миллионные доли Ом·м.

Электронно-дырочным переходом называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, другой - дырочную проводимость. До соприкосновения электроны, дырки и неподвижные ионы распределены равномерно, т.е. полупроводники электрически нейтральны. При соединении полупроводников в

пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок, в результате чего образуется слой, лишенный свободных носителей зарядов, т.е. обладающий высоким электрическим сопротивлением (запирающий слой). В нем создается контактная разность потенциалов - потенциальный барьер, обусловленный наличием неподвижных ионов - отрицательно заряженных в области р и положительно заряженных в области n. Этот потенциальный барьер препятствует прохождению электронов и дырок через р-n - переход. Если приложить внешнее напряжение

положительной полярности к области n и отрицательной - к области p (обратное напряжение), внешнее электрическое поле окажется одинаковой направленности с потенциальным барьером и передвижения зарядов через переход не будет (переход обладает большим сопротивлением, такое состояние называют закрытым). Если поменять

полярность напряжения (прямое напряжение), внешнее электрическое поле компенсирует потенциальный барьер и создаст условия для прохождения электрических зарядов через переход (дырок из р-области и электронов из n области), запирающий слой исчезает,

сопротивление перехода мало, такое состояние перехода называют открытым. Следовательно, р-n переход обладает односторонней проводимостью. Вольтамперная характеристика идеального диода показана на рис.4.3.а, реального диода – на рис.4.3б.

 

 

Рис.4.3

 

 

Ток через открытый переход составляет от сотен миллиампер до единиц ампер, ток через закрытый переход обусловлен наличием неосновных носителей зарядов и составляет от сотен микроампер до единиц миллиампер. При превышении максимального обратного допустимого напряжения (Uпроб.) возникает тепловой или электрический пробой. Тепловой пробой приводит к разрушению структуры р-n перехода, что характерно для германия. Электрический пробой не разрушает p-n переход, работоспособность восстанавливается после снятия обратного напряжения.

 

4.3.2.1.Полупроводниковые диоды (VD)

анод катод

Полупроводниковый диод - полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами. Наиболее распространенными являются выпрямительные диоды, принцип работы которых основан на использовании свойства односторонней проводимости p-n-перехода. Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного

тока. Основные параметры выпрямительных диодов:

максимально допустимый прямой ток -сотни милиампер – единицы ампер,

максимально допустимое обратное напряжение диода - десятки…сотни вольт,

Другие типы диодов:

стабилитроны - используют явление электрического пробоя p-n-перехода и

предназначены для стабилизации напряжения;

варикапы - предназначены для создания электрической емкости, управляемой напряжением

 

светодиоды - преобразуют электрическую энергию в энергию оптического излучения на основе электролюминесценции.

 

 

4.3.2.2. Биполярные транзисторы (VT)

эмиттер

база коллектор

Биполярный транзистор - полупроводниковый прибор, имеющий 2 p-n-перехода и три вывода, пригодный для усиления мощности. Он состоит из трех областей электропроводности. Структура транзистора - n-p-n или p-n-p. Одна из крайних областей предназначена для эмиссии носителей зарядов, ее называют эмиттером (э), средняя область предназначена для прохождения носителей зарядов, ее называют

Базой (б), третья область предназначена для сбора носителей зарядов, ее называют коллектором (к) (см.рис.4.4). Коллектор имеет тот же тип проводимости, что и эмиттер, но концентрация носителей зарядов в эмиттере выше.

 

Транзистор типа p-n-p

Рис.4.4

 

Принцип усиления транзистором (p-n-p типа) заключается в следующем. Первый p-n переход эмиттер-база (эмиттерный) включают в прямом направлении (напряжение эмиттер-база - единицы вольт), при этом "дырки" из эмиттера переходят в базу и соединяются с электронами базы, образуя базовый ток. Базу выполняют тонкой, с

малой концентрацией электронов, при этом только малая часть "дырок" (0.1...0.01 часть общего числа) воссоединяются с электронами. Остальные "дырки" достигают второго

p-n перехода (коллекторного). Этот переход включают в обратном направлении

(напряжение коллектор-база - десятки вольт), открывая тем самым путь "дыркам" для перехода из базы в коллектор. В результате ток коллектора составляет 0.9...0.99 тока эмиттера. Основные токовые параметры транзистора - отношение тока коллектора к току

эмиттера базы a = 0.9...0.99 и отношение тока коллектора к току базы b = 9...99.

Входная цепь включает переход база-эмиттер, он имеет малое сопротивление (единицы - десятки ом), выходная цепь включает переход база-коллектор, он имеет большое сопротивление (десятки - сотни килоом), а входной ток (ток эмиттера) практически равен выходному току (току коллектора). Поэтому мощность сигналов

Р= I² ·R в выходной цепи много больше мощности сигналов во входной цепи, т.е. в транзисторе происходит усиление мощности подводимого сигнала.

Различают 3 схемы включения биполярных транзисторов: схема с общей базой (ОБ), схема с общим эмиттером (ОЭ) и схема с общим коллектором (ОК). Схема с ОБ имеет лучше частотные свойства, схема с ОЭ – лучшие усилительные свойства, а схема с ОК применяется для согласования сопротивлений.

В настоящее время широко применяются канальные (полевые) транзисторы, выгодно отличающиеся от биполярных более высокими рабочими частотами, меньшим потреблением энергии.

сток

затвор исток

Полевые транзисторы управляются напряжением (полем) и также имеют 3 вывода: затвор – для управления шириной канала, исток – для эмиссии носителей заряда и сток – для сбора носителей заряда.

Транзисторы используются в устройствах обработки аналоговых сигналов (усилителях, модуляторах, генераторах сигналов).

 

4.3.3. Интегральные микросхемы и микропроцессоры

 

Отдельную группу активных элементов составляют интегральные микросхемы (ИМС) и микропроцессоры (МП).

ИМС - изделие, содержащее активные элементы (диоды, транзисторы) и пассивные элементы (резисторы, конденсаторы), которые изготавливаются в объеме и на поверхности полупроводника, электрически соединены между собой, заключены в общий корпус и составляют неразделимое целое. Достоинством ИМС являются малые габариты и экономичность (малое потребление энергии), однако они не способны генерировать высокие мощности.

Аналоговые ИМС предназначены для обработки аналоговых сигналов, на их базе создают усилители, генераторы и другие устройства.

Цифровые ИМС предназначены для обработки двоичных (цифровых) сигналов, на их базе создают различные устройства цифровой обработки сигналов.

 

Микропроцессоры и микроЭВМ

Процессор - устройство обработки цифровой информации, осуществляемой по программе. Микропроцессор (МП) - это процессор, выполненный по интегральной технологии в одной или нескольких БИС. Т.о.микропроцессор - это цифровая ИС, предназначенная для выполнения последовательности операций над двоичными данными. Например, МП серии 580 КР580ИК80 (импортный аналог Z-80) содержит 5000 транзисторов и выполнен в одном кристалле БИС. В МП информация представляется в двоичном виде - последовательностью из двух элементов - 1 и 0. Каждый элемент содержит 1 бит информации. 8 бит образуют 1 байт. МП принимает информацию (данные, адреса, команды управления) в виде кодовых слов - определенного количества бит, воспринимаемое при обработке как единое целое и хранящееся в одной ячейке памяти. Длина кодового слова зависит от типа МП и составляет от 4 до 32 бит. Различные операции, которые может выполнять МП, называются командами, а последовательность команд - программой. МП являются центральными устройствами, микроЭВМ и микроконтроллеров (управляющих устройств), которые применяются в радиоэлектронной аппаратуре. Структура МП представлена на рис.4.5.

 

Архитектура МП

 

ШД

 

ША

Р

УУ

АЛУ

 

ШУ

 

 

Рис.4.5.

 

 

АЛУ - арифметико-логическое устройство - реализует арифметические и логические операции над двоичными числами, Р - регистры - служат для хранения и выдачи хранения команд программы, адресов и данных. УУ - устройство управления - служит для преобразования команд в сигналы, воздействующие на элементы МП (синхронизация, чтение данных, запись и т.п.). Все блоки МП связаны между собой и с внешними устройствами с помощью шин. Шина представляет собой набор параллельных проводников, объединенных по функциональному назначению. В МП различают 3 основные шины - шину данных ШД, шину адресов ША и шину управления ШУ.

ШД используется для обмена данными между МП и другими элементами системы. ША используется для указания ячеек памяти при считывании или записи данных. ШУ используется для передачи сигналов управления и синхронизации.

Основные характеристики МП:

- разрядность кодового слова, бит;

- объем памяти, байт;

- число подключаемых внешних устройств;

- быстродействие, определяемое частотой генератора тактовых импульсов.

Для работы МП в радиоэлектронном оборудовании необходимо связать его с другими устройствами. Связь осуществляется с помощью интерфейсов. Для хранения программ и данных необходимы устройства памяти - запоминающие устройства.

 

Для получения микроЭВМ (МП - системы) необходимо добавить устройство ввода-вывода УВВ - для обмена информацией между внешними устройствами и процессором, запоминающее устройство ЗУ - для приема, хранения и выдачи программы и данных и генератор тактовых импульсов ГТИ - для синхронизации работы всех блоков системы (рис.4.6.).

УВВ представляют собой интерфейсы - устройства сопряжения, обеспечивающие конструктивную (механическое соединение), электрическую (уровни электрических

сигналов, соответствующих логическим 1 и 0 и скорость передачи) и программную (код, метод синхронизации) совместимость.

Обмен данными может осуществляться последовательно - бит за битом по одному проводу или параллельно - одновременно все биты кодового слова, каждый по своему проводу.

 

Архитектура микроЭВМ (персонального компьютера - ПК)

 

Рис.4.6.

В ЗУ различают ПЗУ (ROM - Read Only Memory) - постоянное ЗУ и ОЗУ - оперативное ЗУ. В ПЗУ хранится постоянная информация, введенная в процессе изготовления МП (например, программа, по которой работает МП). МП может только считывать информацию из ПЗУ. ОЗУ (RAM _ Random Access Memory) используется для временного хранения информации (от МП, клавиатуры). При отсутствии источника бесперебойного питания информация в ОЗУ теряется при отключении питания, поэтому такую память называют энергозависимой. В ПК имеется также внешнее ЗУ (диски), куда загружают различные программы и данные.

 

4.3.4. Индикаторные приборы

 

Индикаторные приборы или элементы индикации служат для преобразования электрических сигналов в видимое изображение. В радиоэлектронной аппаратуре в качестве индикаторов используются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) и цифровые индикаторы.

ЭЛТ является электронно-лучевым прибором, служащим для преобразования электрических сигналов в изображение. ЭЛТ используются в осциллографах, радиолокационных станциях, телевизионных приемниках (кинескопы), дисплеях ПК.

 

Электронно-лучевая

трубка

 

Рис.4.7.

 

ЭЛТ (рис.4.7.) представляет собой стеклянный баллон, из которого выкачан воздух и в который введены электроды. Принцип ее работы заключается в следующем. Поток электронов, излучаемый электронной пушкой 1 за счет термоэлектронной эмиссии, под действием положительного напряжения направляется к экрану 9, покрытому специальным составом - люминофором. Попадая на люминофор, электроны вызывают свечение экрана. Время послесвечения выбирают таким, чтобы мелькания изображения были незаметны для глаза. Управляющий электрод - модулятор 2 с помощью отрицательного напряжения управляет интенсивностью потока электронов, тем самым изменяя яркость изображения (при большом отрицательном напряжении на модуляторе свечение отсутствует). Анод предварительного ускорения 3, фокусирующий анод 4 и ускоряющий анод 5 действуют как фокусирующая линза, собирая электроны в одну точку в плоскости экрана. При неправильно выбранных напряжениях на анодах фокусировка электронного потока нарушается и изображение оказывается "размытым". Отклоняющие пластины - вертикальные 6 и горизонтальные 7 с помощью напряжения обеспечивают перемещение электронного луча по горизонтали и вертикали соответственно. Таким образом, перемещаясь по экрану слева направо и сверху вниз, электронный луч "высвечивает" изображение на экране ЭЛТ.

Проводящее покрытие (аквадаг) собирает избыток электронов с экрана.

В цветных ЭЛТ любой оттенок образуется смешением трех цветов – красного, зеленого и синего. Сигнал каждого цвета формируется отдельным электронным лучом, который попадает на. зерна только соответствующего цвета (красный, синий и зеленый), т.е. в цветной ЭЛТ установлены 3 электронных пушки, 3 модулятора.

Для отображения знаков (цифр) используются цифровые индикаторы. В зависимости от принципа формирования знаков они подразделяются на газоразрядные,

полупроводниковые (сегментные или матричные) и жидкокристаллические (ЖКИ) индикаторы.

Газоразрядные индикаторы представляют из себя стеклянный баллон, в который накачан инертный газ (неон, аргон и пр.). В баллон введены анод и десять катодов, имеющих форму цифр (от 0 до 9). При подаче напряжения между анодом и одним из катодов последний начинает светиться, воспроизводя изображение соответствующей цифры. Цвет свечения зависит от типа газа. Газоразрядные индикаторы требуют больших напряжения разряда (сотни вольт) и в современной аппаратуре не используются.

Полупроводниковые индикаторы состоят из нескольких сегментов - светоизлучающих диодов, которые излучают свет при подаче на них напряжения величиной несколько вольт). Для цифровой индикации используют матричные (точечные) или сегментные индикаторы.

 

 

Жидкокристаллические индикаторы работают на принципе изменения оптических свойств органических соединений под воздействием напряжения. Изображение образуется за счет контраста между участками с приложенным напряжением и фоном. Эти индикаторы являются пассивными и требуют внешнего освещения, так как не излучают, а отражают свет. Жидкокристаллические индикаторы являются самыми экономичными, так как почти не потребляют ток. В настоящее время на базе жидкокристаллических индикаторов создаются дисплеи, которые выгодно отличаются небольшой толщиной по сравнению с дисплеями на ЭЛТ.

 

Контрольные вопросы к разделу 4

 

1. Перечислите пассивные электронные элементы и их характеристики

2. Укажите назначение активных электронных элементов.

3. Опишите принцип усиления биполярным транзистором.

4. Перечислите достоинства и недостатки электровакуумных и полупроводниковых приборов.

5. Опишите назначение микропроцессоров его структуру.

6. Перечислите основные типы индикаторных приборов и области их применения.