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 рисунке

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 Переменный сигнал от микрофона М через разделительный конденсатор С 1 подается на базу транзистора Т, в результате чего величина его сопротивления между эмиттером 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 R4, 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 колебаний сигнала на входе транзистора. Усиленное напряжение снимается через разделительный конденсатор С 3 для последующего его использования в модуляторе.

Однокаскадный микрофонный усилитель звуковой частоты (УЗЧ)

Рассмотрим принцип действия задающего генератора высокой частоты ( см. рис.3.18). Простейший генератор незатухающих колебаний включает транзистор Т, колебательный контур C 2, катушку связи L св, включенную в цепь базы транзистора и связанную индуктивно с катушкой колебательного контура L. Сопротивление в цепи базы R1 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. 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 - коллектор, 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 L С 2- контура, представляющего собой цепь резонанса токов. Для настройки контура в резонанс применяют конденсатор С 2 переменной емкости. Так как при настройке в резонанс L С 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° 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, как где Q – добротность колебательного контура, определяемая по формуле

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 L кв, С кв, r кв – соответственно индуктивность, емкость и сопротивление кварцевой пластины ; С 0 – емкость кварцедержателя. Характерно, что добротность кварцевого резонатора достигает значений Q = , что на 4-5 порядков больше, чем у обычного LC- контура.

Для рассматриваемой эквивалентной схемы характерны две резонансные частоты : частота, соответствующая резонансу левой последовательной цепи, состоящей из L кв, С кв, r кв :, и частота, соответствующая резонансу в параллельном контуре, состоящем из L кв, С кв, С о : Использование кварцевого резонатора для стабилизации частоты возможно в интервале частот f кв -f 0. 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 точками, и эта схема называется емкостной трехточкой. В колебательный контур входят две емкости ( С 1, С 2 ), а кварцевый резонатор КВ выполняет роль индуктивности. Обратная связь в схеме осуществляется при помощи емкостного делителя контурного напряжения, состоящего из конденсаторов С 1 и С 2. 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 С 2 находится в противофазе с напряжением U эк относительно общей заземленной точки, подключенной к эмиттеру транзистора. Для емкостной трехточки коэффициент обратной связи

где I е – ток, проходящий через емкостную цепь контура ; w 0 – генерируемая частота. Частичное подключение колебательного контура к усилительному элементу снижает влияние нестабильных емкостей р -n перехода транзистора. Смещение на базу транзистора, предназначенное для выбора его рабочего режима, выполняется комбинированным способом. Оно осуществляется в рассматриваемой схеме ( см. рис.3.19, б ) за счет подачи фиксированного напряжения с помощью делителей сопротивлений R 1 и R 2, а также автоматического смещения, образованного за счет R э С 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 транзисторных 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.

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 LC 3 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 1 которого ( клеммы 3, 4) подаются сигналы звуковой частоты ( НЧ ) от микрофонного усилителя, а со вторичной обмотки 2 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 Графики процесса амплитудной модуляции а – звуковые колебания у микрофона ; б – усаленные электрические колебания 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 LC, 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, б. Выбор рабочей точки на характеристике производится установкой требуемого напряжения Е 0 от источника питания Е. Конденсаторы С 1 и С 2 являются блокировочными.

Рис Схема и графики частотной модуляции : а – схема осуществления частотной модуляции ; б – зависимость емкости управляемого диода ( варикапа ) от напряжения ; в – графики частотной модуляции

К кабельному контуру задающего генератора LC через конденсатор С 1 параллельно емкости контура подключается варикап Д. Под действием звуковых колебаний внутреннее сопротивление, например, угольного микрофона изменяется и на нем создается изменяющее падение напряжения, которое складывается или вычитается из напряжения Е 0. Изменения напряжения смещения на управляемом диоде вызывают изменения положения его рабочей точки на характеристике ( рис.3.22, б ), что приводит к изменению емкости, приложенной параллельно к колебательному контуру. В отрицательный полупериод переменного напряжения, поступающего с микрофона, емкость варикапа уменьшается, а собственная частота контура, определяющего частоту задающего генератора, увеличивается в соответствии с формулой

где L – индуктивность колебательного контура ; Сэ – эквивалентная емкость колебательного контура. В положительный полупериод напряжения управляющего сигнала емкость варикапа увеличивается, что приводит к уменьшению частоты задающего генератора. В результате в модуляторе происходит процесс частотной модуляции.

Как частотная, так и фазовая модуляции могут быть осуществлены в одном и том же типе модулятора при использовании соответствующих корректирующих цепей. Так, фазовую модуляцию можно получить в схеме с частотной модуляцией, если пропускать модулирующие сигналы через RC- цепь, которая дает линейное увеличение амплитуды с увеличением частоты модулирующих сигналов.

Учитывая, что чем выше частота колебаний задающего генератора, тем труднее его создать, для увеличения частоты в радиопередатчиках применяют схемы умножения частоты. Сущность умножения частоты заключается в том, что колебательный контур, например, предпоследнего усилителя передатчика, настраивается не на основную частоту задающего генератора ( не на первую гармонику ), а на вторую или третью гармонику. Тогда колебательный контур для частоты третьей гармоники будет обладать большим сопротивлением, а для других частот – малым. В этом случае на контуре будет выделяться сигнал только той частоты, на которую настроен контур. Если контур настроен на вторую гармонику, каскад называют удвоителем, если на третью – утроителем частоты.

Умножение в большее число раз в одном каскаде, как правило, не используют, так как чем выше номер гармоники, тем меньше ее амплитуда. Для умножения частоты в большее число раз применяют несколько каскадов умножения. На выходе передатчика стоит усилитель мощности, с которого через соответствующее согласующее устройство высокочастотные сигналы подаются в антенну. В антенне происходит преобразование высокочастотных электрических колебаний в электромагнитные радиоволны.

Приемник Излучаемые передающей антенной радиоволны, достигнув приемной антенны, наводят в ней ЭДС, частота которой равна частоте тока передающей антенны. Мощность электромагнитных колебаний в приемной антенне обычно ничтожно мала. Поэтому принимаемые радиоволны усиливаются усилителем высокой частоты ( УВЧ ). К наиболее важным характеристикам радиоприемников относятся следующие параметры

Чувствительность приемника – это способность принимать слабые сигналы, развивая при этом необходимую выходную мощность. Гостовское толкование чувствительности приемника – это минимальная величина высокочастотного сигнала на входе приемника, при котором на выходе НЧ тракта приемника обеспечивается соотношение сигнал / шум, равное 12 дБ. При приеме высокочастотного, модулированного сигнала чувствительность приемника выражается величиной ЭДС несущей частоты на его входе, которая обеспечивает на выходе НЧ тракта развитие нормальной мощности ( громкости звучания ). Чем меньше величина указанной ЭДС на входе приемника, тем выше его чувствительность.

Избирательность ( селективность ) приемника характеризует его способность выделять полезный сигнал из совокупности сигналов других радиостанций, работающих на частотах, близких к частоте этого сигнала, т. е. работающих на частотах соседних каналов. Количественно селективность оценивают параметрами двух - и трехсигнальной избирательности приемника. Диапазон принимаемых частот представляет собой область частот, на которые может настраиваться приемник. При работе на любой частоте в этом диапазоне чувствительность, избирательность и другие параметры приемника не выходят за пределы норм, установленных для приемников данного класса.

Входным устройством приемника называют электрические цепи, связывающие вход первого каскада приемника ( усилителя высокой частоты ) с антенной. Входное устройство должно передавать напряжение принимаемого радиосигнала от антенны на вход первого каскада приемника, отфильтровывая при этом все прочие сигналы другой частоты. Для этого используют колебательные контуры, настраиваемые только на частоту принимаемого сигнала.

Соединение антенны с приемником в радиостанциях, как правило, осуществляется с помощью фидеров и согласующих устройств. Максимальная передача электромагнитной энергии на вход приемника получается при критической связи между контуром входной цепи и фидером антенны. В этом случае активное сопротивление, вносимое одним контуром в другой, равно его собственному активному сопротивлению.

Для установления в фидере режима бегущей волны, соответствующего полному поглощению приемником энергии, приходящей из фидера антенны, необходимо, чтобы фидер был нагружен на сопротивление, равное его волновому сопротивлению. Это условие выполняется при критической связи между контуром и фидером, так как активное сопротивление, вносимое контуром в цепь фидера, равно при критической связи собственному сопротивлению этой цепи, т. е. волновому сопротивлению фидера r ф.

Все радиочастотные каскады приемника, в том числе и входные цепи, должны по возможности равномерно усиливать напряжение принимаемого сигнала во всей полосе принимаемых частот. Идеальной частотной характеристикой является прямоугольная характеристика ( рис.3.25, а ). Реальная же характеристика ( рис.3.25, б ) имеет максимум усиления на резонансной частоте f 0 и постепенно спадает за пределами полосы принимаемых частот, стремясь к нулю.

Чтобы одновременно характеризовать частотные искажения в пределах полосы принимаемых частот и избирательность за пределами этой полосы, вводят коэффициент прямоугольности К п, показывающий отношение полос частот, отсчитанный на определенном уровне ( на уровне П 0,7 ). Так, для уровня 0,1 коэффициент прямоугольности рассчитывается как :

Для идеальной характеристики К п = 1, так как П 0,7 = П 0,1, а для реальной коэффициент прямоугольности всегда меньше единицы, т. е. К п < 1

Важным элементом в приемнике является усилитель высокой частоты, обладающий избирательными свойствами ( см. рис.3.26). Избирательность в УВЧ достигается применением LC- контуров, служащих в качестве нагрузки усилителя. При резонансной частоте ( для идеального контура, когда R = 0) сопротивление контура максимально, а потому максимален и коэффициент усиления. Крутизна спада коэффициента усиления при отклонении частоты входного сигнала от резонансной определяется добротностью контура

Супергетеродинный прием заключается в преобразовании принятых колебаний радиочастоты в колебания промежуточной частоты. Промежуточная частота, как правило, ниже частоты приходящих сигналов, что облегчает построение схем усиления.

Для преобразования частоты сигнала f c в промежуточную f пр в приемнике используется специальный гетеродин ( маломощный генератор опорных колебаний, частота которого может быть ниже или выше частоты принимаемого высокочастотного сигнала ). При этом генерируются вспомогательные колебания с частотой f г, которые в смесителе складываются с принимаемыми электромагнитными колебаниями f c ( рис.3.27). Так как частоты этих двух электромагнитных колебаний неодинаковы, то при сложении получаются биения, у которых амплитуда меняется с частотой, равной разности частот складываемых электромагнитных колебаний

Биения не содержат составляющего колебания с какой - либо новой частотой, но если биения подвергнуть детектированию, то вследствие нелинейности этого процесса возникает составляющая с частотой биения, т. е. с разностной частотой f пр = f с -f г, которая является промежуточной частотой. Следовательно, для преобразования частоты принципиально необходимо иметь нелинейный элемент, например транзистор. Рис Схема преобразователя частоты

Колебания промежуточной частоты подаются на усилитель напряжения промежуточной частоты ( УПЧ ), обладающий избирательными свойствами усиливать колебания именно промежуточной частоты. От УПЧ колебания поступают на детектор ( частотный дискриминатор ЧД ), где выделяются колебания низкой частоты, а затем они усиливаются в УНЧ и подаются на громкоговоритель или телефон. Преобразование модулированного ВЧ напряжения радиочастоты ( или промежуточной частоты ) в напряжения и токи, изменяющиеся с частотой первоначального сообщения ( несущего информацию ), называется детектированием. В соответствии с видами модуляции в радиосвязи различают амплитудное, частотное, фазовое и некоторые другие виды детектирования. Детектирование осуществляется при помощи нелинейных элементов, активное сопротивление которых зависит от напряжения, а величины их индуктивности и емкости при этом незначительны.

Широкое применение для детектирования нашли полупроводниковые диоды, пропускающие полуволны только одной полярности ( см. рис.3.28). Рис Схема детектирования с помощью полупроводникового диода

В результате на выходе диода получают несимметричный переменный ( пульсирующий ) модулированный ток. На рис.3.29, а показаны графики модулированного напряжения, подводимого к детектору, и пульсирующего тока после детектора, который не пропускает ( срезает ) отрицательные полуволны ( рис.3.29, б ). Ток детектора представляет собой сумму модулированного тока высокой частоты, постоянного и переменного тока звуковой частоты. Сумма постоянного тока и тока звуковой частоты составляет ток, пульсирующий по закону изменения звуковой частоты ( на рис.3.29, б показан штриховой линией ). Таким образом, в результате детектирования появились постоянная составляющая и составляющая звуковой частоты, которых не было в ВЧ модулированном колебании. На выходе радиоприемника используется только низкочастотная составляющая.

Сущность частотного детектирования состоит в преобразовании вначале частотно - модулированных колебаний в колебания, модулированные по амплитуде, а затем их детектирования в обычном амплитудном детекторе. Простейшим преобразователем вида модуляции может быть расстроенный колебательный контур. При уменьшении частоты принимаемого сигнала ( приближение к резонансной частоте контура ) возрастает коэффициент передачи контура, а следовательно, и амплитуда колебаний в нем. Увеличение частоты сигнала приводит к уменьшению амплитуды. Снимаемый с контура сигнал радиочастоты, модулированный по амплитуде, подается на диодный детектор. Однако практического применения такой детектор не находит из - за больших нелинейных искажений.

Рис Графики процесса детектирования : а - сигнал на входе детектора ; б - сигнал на выходе детектора

Схема частотного детектора ( дискриминатора ), использующая три колебательных контура, обладает более высокими показателями. Однако трудности в настройке такой схемы ограничивают ее применение. На рис.3.30 приведена схема с двумя контурами, настроенными на одну и ту же частоту, равную промежуточной частоте. Так как работа такой схемы основана на фазовых соотношениях, то ее часто называют фазовым детектором. Между контурами детектора существует индуктивная и емкостная связь. К диодам подводятся два напряжения : с контура L 1 C 1 – в фазе, а с контура L 2 C 2 – в противофазе. Напряжения на резисторах R 1, R 2 направлены встречно. Так как диоды также включены встречно, то результирующая падений напряжений при постоянной частоте будет равна нулю.

Рис Схема частотного детектора

Если частота детектируемых сигналов изменится, то напряжение, поступающее в контур через емкость С св, будет сдвинуто по фазе относительно тока контура, наведенного за счет взаимоиндукции. Величина и знак фазового сдвига пропорциональны изменениям частоты, а следовательно, результирующее напряжение на резисторах R 1 и R 2 будет отличаться от нуля и повторять форму управляющего сигнала радиопередатчика. Вредное влияние паразитной амплитудной модуляции обычно устраняется амплитудным ограничителем, устанавливаемым перед частотным детектором. Он срезает все отклонения амплитуды высокочастотного напряжения помех. Схема по существу реагирует на отклонения фазового угла принимаемого сигнала, выделяет сигналы, модулированные по фазе и несущие полезную информацию.