Военная Кафедра Связи Тема 2 Основы радиопередачи и

Военная Кафедра Связи Тема 2. Основы радиопередачи и радиоприема. Занятие № 4 – Усилители мощности радиопередатчиков. Учебные вопросы: 1. Усилители мощности радиосигнала и требования, предъявляемые к ним. 2. Режимы работы усилительных элементов. 3. Согласующие антенные устройства. Занятие № 4 -1 -

Военная Кафедра Связи 1. Усилители мощности радиосигнала Возбудители современных радиопередатчиков являются маломощными устройствами. Это объясняется тем, что при малых уровнях сигналов легче обеспечить требуемую стабильность частоты и высокую степень подавления побочных колебаний. Мощность возбудителей обычно не превышает 10 -40 м. Вт. Столь малая мощность не позволяет обеспечить радиосвязь на требуемые расстояния, поэтому сигналы, формируемые в возбудителе, усиливаются в усилительном тракте радиопередатчика, основное назначение которого состоит в обеспечении необходимой мощности в передающей антенне. Часть передатчика, обеспечивающая усиление ВЧ сигнала и передачу его в антенно-фидерную систему, называется усилителем мощности. Занятие № 4 -2 -

Военная Кафедра Связи 1. 2. 3. 4. Величина этой мощности зависит от многих факторов: Требуемая дальность связи; Требуемая надежность связи; Вид используемого сигнала; Тип передающих антенн. Усилительный тракт радиопередатчика имеет ряд последовательных каскадов (ступеней) усиления. Обычно он включает в себя один-два относительно маломощных усилительных каскада, называемых промежуточными, и усилитель мощности, развивающий заданную мощность в нагрузке (антенне) и связанный с ней через устройство согласования, который в этом случае называется выходным каскадом. Примечание: Хотя требования к мощному усилительному каскаду и к промежуточным каскадам несколько различны, физические процессы в них и энергетические соотношения одинаковы. Поэтому вначале будем рассматривать усилитель мощности как таковой, не связывая его с местом включения в усилительный тракт. В дальнейшем будут рассмотрены особенности работы усилителя мощности в роли промежуточного или выходного каскада. Занятие № 4 -3 -

Военная Кафедра Связи 1. 1. Основные характеристики усилителей мощности. • Коэффициенты усиления выражают усилительные свойства усилителя. К ним относятся коэффициенты усиления: 1. Напряжения 2. Тока 3. Мощности Где - U 1, I 1, P 1 - напряжение, ток и мощность сигнала на входе усилителя, а - U 2, I 2, P 2 - те же величины на выходе. Занятие № 4 -5 -

Военная Кафедра Связи • Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания) – это некоторый интервал значений частоты от Fн (нижняя частота) до Fв (верхняя частота), внутри которого коэффициент усиления изменяется в допустимых пределах. • Выходная мощность. В зависимости от назначения усилителя его выходная мощность может быть от сотых долей до сотен Ватт. Максимальная мощность, которую можно получить на выходе усилителя (при условии, что величина искажений выходного сигнала не превышает заданных значений), называется номинальной мощностью. Эта мощность указывается в техническом паспорте усилителя. • Коэффициент полезного действия (КПД) – отношение полезной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к суммарной мощности, потребляемой от источников питания. Для транзисторных усилителей КПД может быть 40 -50%. Для ламповых 12 -14%. Занятие № 4 -6 -

Военная Кафедра Связи • Динамический диапазон сигнала представляет собой превышение максимального уровня сигнал над его минимальным уровнем. При преобразовании звука в электрический сигнал динамический диапазон может сохраняться или несколько сжиматься за счет ограничения его максимального значения. Для обеспечения высокого качества воспроизведения динамический диапазон усилителя должен быть не меньше динамического диапазона сигнала. • Искажения, вносимые усилителем. Качество усилителя определяется степенью искажений, вносимых усилителем при усилении входного сигнала. Под искажением следует понимать изменение формы выходного сигнала по сравнению с формой входного. Занятие № 4 - 7 -

Военная Кафедра Связи Любой усилитель в той или иной степени искажает сигнал, поданный на его вход. В зависимости от причин, вызывающих изменение формы выходного сигнала, искажения могут быть линейными и нелинейными. • Нелинейные искажения - это искажения формы выходного сигнала, вызванные нелинейностью характеристик усилительных приборов, а также характеристик намагничивания сердечников трансформаторов. • Линейные обусловлены влиянием реактивных элементов усилителей: емкостей, индуктивностей. Линейные искажения существуют трех видов: Частотные, Фазовые, Переходные - Частотные искажения – искажения, обусловленные изменением коэффициента усиления усилителя на разных частотах входного сигнала. (В усилителях звуковых частотные искажения изменяют тембр звучания). Занятие № 4 -8 -

Военная Кафедра Связи - Фазовые искажения. В реальных условиях на вход усилителя поступает сложный сигнал, состоящий из основной частоты и ряда гармонических составляющих. При прохождении такого сигнала через каскады усилителя за счет его реактивных элементов (емкостей и индуктивностей) возникает фазовый сдвиг. Если углы сдвига фаз составляющих сложного сигнала пропорциональны их частотам, или время запаздывания для всех частот будет одинаковым, искажений сигнала не будет. Если эта пропорциональность нарушается, то форма сигнала будет искажена. Такие искажения называют фазовыми. - Переходные искажения возникают в усилителях импульсных сигналов. Они характеризуются переходными процессами установления токов и напряжений в усилителях, содержащих реактивные элементы. Занятие № 4 -9 -

Военная Кафедра Связи 1. 2. Требования, предъявляемые к промежуточным усилителям. Промежуточными каскадами называются усилительные каскады, включенные между возбудителем и усилителем мощности выходного каскада передатчика. Основные требования к промежуточным каскадам: 1. Обеспечение мощности, необходимой для возбуждения выходного сигнала; 2. Поддержание постоянства напряжения возбуждения на сетке возбуждаемого каскада; 3. Ослабление влияния выходного каскада на возбудитель. В передатчиках малой и средней мощности промежуточные каскады являются маломощными, поэтому коэффициент полезного действия не имеет существенного значения. В тех случаях, когда применяемые виды модуляции допускают умножение частоты, промежуточные каскады могут использоваться как умножители. Это позволяет применить возбудители, работающие в диапазоне частот более узком, чем диапазон рабочих частот передатчика. Занятие № 4 - 10 -

Военная Кафедра Связи 1. 3. Требования, предъявляемые к выходным каскадам Выходным каскадом передатчика называется усилитель мощности, предназначенный для передачи энергии в антенное устройство. Основные требования к выходным каскадам: 1. Обеспечение высокого коэффициента полезного действия. (КПД выходного каскада в значительной мере определяет промышленный коэффициент полезного действия всего передатчика); 2. Максимальное ослабление уровня побочных комбинационных колебаний; 3. Обеспечение согласования нагрузки (входного сопротивления антенны) с выходным сопротивлением усилителя мощности; 4. Простота настройки и управления (в том числе применение системы автоматической перестройки). Занятие № 4 -11 -

Военная Кафедра Связи 2. Режимы работы усилительных элементов. Режим работы усилителя мощности определяется питающими напряжениями, напряжением возбуждения, сопротивлением нагрузки, а в целом – формой динамической характеристики анодного тока усилителя. В зависимости от формы импульса анодного тока различают три режима работы усилителя мощности: 1. Недонапряженный; 2. Перенапряженный; 3. 3. Граничный. Занятие № 4 - 12 -

Военная Кафедра Связи Недонапряженный режим работы УМ Режим работы усилителя, при котором импульс имеет остроконечную (синусоидальную) вершину, называется недонапряженным режимом. Этот режим характеризуется малыми токами в цепях сеток. Перенапряженный режим работы УМ Если импульс тока имеет впадину, то режим усилителя называется перенапряженным. В зависимости от степени провала в импульсе различают слабоперенапряженный и сильноперенапряженный режимы. Граничный режим работы УМ Промежуточное положение занимает граничный режим. В реальных условиях работы усилителя мощности импульс тока в граничном режиме имеет плоскую вершину. Занятие № 4 - 13 -

Военная Кафедра Связи Основными параметрами импульса анодного тока являются - импульс Im, - угол нижней отсечки φ, - угол верхней отсечки φ1 и - угол отсечки φ2, характеризующий провал в импульсе анодного тока в сильноперенапряженном режиме. Занятие № 4 - 14 -

Военная Кафедра Связи 3. Согласующие антенные устройства предназначены для согласования входного сопротивления антенны с выходным сопротивлением усилителя мощности. САУ должно обеспечивать: 1. Эффективную передачу энергии в антенну; 2. Фильтрацию гармоник; 3. Сопряжение несимметричного выхода усилителя мощности с симметричной антенной. В современных приемопередатчиках САУ работают, как правило, в автоматическом режиме. Система автоматической настройки САУ должна решать две задачи: настроить антенный контур в резонанс с рабочей частотой и подобрать оптимальную связь между антеннами и промежуточными контурами передатчика, при которой мощность в антенне будет максимальной. Занятие № 4 - 15 -

Военная Кафедра Связи При создании системы автоматической настройки согласующих антенных устройств встречаются серьезные технические трудности. Это обусловлено тем, что в широкодиапазонных радиопередатчиках применяются несколько типов антенн, входное сопротивление которых обычно изменяется в широких пределах. Системы автоматической настройки являются, как правило, системами электромеханического типа. Поэтому скорость перестройки контуров передатчика в этом случае определяется допустимой скоростью работы механических управляющих элементов. Скорость отработки таких систем практически лежит в пределах от нескольких десятков секунд до нескольких минут. Практика радиосвязи ставит задачу существенного сокращения времени перестройки как радиопередающих, так и радиоприемных устройств, доведя это время до долей секунды. Эта задача может быть решена путем полного отказа от систем электромеханической настройки и перехода на электронные системы Занятие № 4 - 16 -

Военная Кафедра Связи Согласующее антенное устройство включается между антенной радиостанции и полосовым перестраиваемым фильтром УМ и служит для согласования входного сопротивления антенны с фильтром при работе на прием и передачу. САУ представляет собой параллельный колебательный контур, подключенный к антенному фидеру через высокочастотный переключатель с антенными датчиками и конденсатор связи, а к полосовому фильтру УМ через индуктивность. Задача согласования состоит в создании условий, обеспечивающих максимум коэффициента передачи на участке антенна-фильтр приеме и максимум мощности в антенне при передаче. Занятие № 4 - 17 -

Военная Кафедра Связи САУ обеспечивает согласование, которое считается достигнутым, если в эквиваленте антенны в виде активного сопротивления величиной 75 Ом, включенном на выход блока САУ, развивается колебательная мощность не менее 75 Вт. Принцип работы САУ заключается в том, что его контур, нагруженный со стороны приемопередатчика на активное сопротивление величиной 75 Ом, обеспечивает соответствующую трансформацию сопротивления антенны и вместе с конденсатором связи настройку всей системы (антенна - САУ) в резонанс на заданной рабочей частоте. Занятие № 4 - 18 -

Военная Кафедра Связи Принципиальная схема САУ при работе на передачу Cсв L Др Cк RA RL E 0 Занятие № 4 ~ - 19 -

Военная Кафедра Связи Для согласования в широком диапазоне рабочих частот и при большом разбросе параметров антенн САУ имеет два органа настройки, один из которых (конденсатор переменной емкости Ск), служит для перестройки контура, а второй (конденсатор переменной емкости Cсв) – обеспечивает выбор связи с антенной. При автоматической настройке САУ происходит сравнительно медленное плавное изменение емкости контура от ее минимального значения до максимального и наоборот, таким образом, что за время одной полной перестройки СК происходит около тринадцати перестроек емкости связи Ссв. Занятие № 4 - 20 -

Военная Кафедра Связи Табельные антенны при работе в диапазоне рабочих частот радиостанции имеют сравнительно большой разброс величин входных сопротивлений. Большой разброс параметров антенн исключает возможность введения в САУ какого-либо шкального устройства, связанного с типом используемой антенны и значением рабочей частоты. Индикатором настройки САУ и приемопередатчика радиостанции в целом, а также измерительными устройствами в цепи обратной связи системы автоматической настройки САУ являются антенные датчики, каждый из которых связан с фидером, ведущим к антеннам. Занятие № 4 - 21 -

Военная Кафедра Связи Занятие № 4 - 12 -

Военная Кафедра Связи Занятие № 4 - 24 -