347

16. Генерирование радиосигналов

Технические решения, используемые для получения переменных электрических колебаний, много раз менялись по мере развития радиоэлектроники. В первых радиопередатчиках для создания высокочастотных колебаний, способных излучаться антеннами и распространяться на значительные расстояния, использовались электрические разрядники, замыкающие цепь из конденсатора и катушки индуктивности, чтобы создать колебательный контур. Искровые генераторы в радиопередатчиках того времени строились с соответствии со схемой рис. 16.1.

Рис. 16.1. Искровой радиопередатчик – первый объектрадиоразведки и первое средство создания радиопомех

При замыкании ключа конденсатор С заряжался от источника питания через повышающий трансформатор. И когда напряжение на конденсаторе достигало потенциала пробоя разрядника (при возникновении искры), замыкался колебательный контур LC, в котором возникали свободные затухающие колебания с частотой, которые подводились к антенне и излучались пачками. Радиоимпульсы в пачке следовали с частотойFнапряжения задающего генератора, а длительность пачки определялась временем замыкания ключа. При амплитудном детектировании сигнала на приемной стороне выделялись пачки импульсов тональной частотыFи разной длительности, которые и принимались на слух – как точки и тире азбуки Морзе.

Для передачи речевых сообщений такие искровые схемы высокочастотных генераторов уже не годились. Поэтому некоторое время техника радиопередающих устройств использовала электромашинные генераторы, аналогичные по устройству тем, что создают переменные токи на электростанциях. Частота колебаний, создаваемая такой машиной, равна , гдеn– скорость вращения ротора (об/мин), аm– число пар полюсов. Разумеется, такие генераторы годятся лишь для создания колебаний весьма низкочастотных, не выходящих за пределы длинноволнового диапазона.

Освоение радиотехникой все новых, более высокочастотных диапазонов волн потребовало новых инженерных решений, разработки новых принципов генерирования сигналов. В основе этих принципов лежат методы электроники.

Современная радиоэлектроника использует множество различных систем, устройств и средств для генерирования сигналов. Так, применяют генераторы с внешним возбуждением и автогенераторы, генераторы гармонических колебаний и импульсные генераторы. В качестве классификационного признака генераторов используют тип активного прибора, используемого в схеме генератора (полупроводниковые, ламповые и другие генераторы), а также тип резонансной системы.

Генераторы с внешним возбуждением, по существу, являются резонансными усилителями, работающими с колебаниями большой амплитуды (и, соответственно, мощности).

Автогенераторы– это первичные источники колебаний, работающие в режиме самовозбуждения.

16.1. Автогенераторы гармонических колебаний

Любой автогенератор представляет собой нелинейное устройство, преобразующее энергию питания (обычно в виде постоянного тока) в энергию колебаний. Независимо от вида и назначения, автогенератор должен включать в себя: источник питания, усилитель и устройство обратной связи, как на рис.16.2.

Рис.16.2. Общая схема автогенератора

В качестве усилительных элементов в генераторах используются электронные лампы, полупроводниковые приборы, а в качестве нагрузочных цепей – колебательные системы с сосредоточенными или распределенными параметрами.

Автогенератор, находящийся в стационарном режиме, – это нелинейный усилитель, для возбуждения которого используются колебания, вырабатываемые в нем самом. Эти колебания отводятся от колебательной системы и подаются на вход усилителя по цепи обратной связи. Если амплитуда и фаза возбуждения отвечают определенным условиям, то в энергетическом отношении автогенератор ведет себя так же, как и генератор с посторонним возбуждением.

Имеется, однако, принципиальное отличие автоколебательной системы, в которой отсутствует внешняя вынуждающая сила, от генератора с посторонним возбуждением. Наиболее ярко это отличие проявляется в том, что в автогенераторе частота и амплитуда стационарных колебаний целиком определяются параметрами самой автоколебательной системы, а в генераторе с посторонним возбуждением частота навязывается возбудителем; амплитуда же колебаний зависит как от параметров усилителя, так и от амплитуды возбуждения.

Кроме того, в случае самовозбуждения большое значение приобретает механизм возникновения колебаний при запуске автогенератора, а также вопрос об устойчивости и стабильности стационарного состояния автогенератора.

Все эти особенности можно выявить при рассмотрении поведения автогенератора в процессе нарастания колебаний, от момента запуска до полного установления стационарного состояния. Можно наметить следующую картину явлений, происходящих в автогенераторе. В момент запуска в колебательной системе автогенератора возникают свободные колебания, обусловленные включением источников питания. Благодаря действию положительной обратной связи эти первоначальные колебания усиливаются и растут по амплитуде, причем на первом этапе, пока амплитуды малы, усиление оказывается практически линейным. Энергетически процесс нарастания амплитуд объясняется тем, что за один период колебания усилитель сообщает контуру энергии больше, чем расходуется за это же время в контуре. С ростом амплитуд начинает проявляться нелинейность системы (кривизна амплитудной характеристики усилительного элемента) и усиление снижается. Нарастание амплитуд прекращается, когда усиление снижается до уровня, при котором компенсируется затухание колебаний в контуре, т. е. когда энергия, отдаваемая усилителем в контур за один период, равна энергии, расходуемой за это же время в контуре.

Таким образом, на последнем этапе установления колебаний основную роль играет нелинейный характер системы, без учета которого не может быть определено стационарное состояние автогенератора.

На схеме рис. 16.2. автогенератор изображен в виде сочетания трех четырехполюсников: одного нелинейного безынерционного, и двух линейных. Нелинейный четырехполюсник соответствует усилительному элементу (электронная лампа, транзистор или иной активный прибор), первый из линейных четырехполюсников – колебательной системе автогенератора, а второй – устройству обратной связи.

Усилительный элемент совместно с резонансной системой, обеспечивающей фильтрацию (подавление) высших гармоник, образует нелинейный усилитель, развивающий на выходе синусоидальное напряжение. В общем случае усиление зависит как от частоты _г, определяемой резонансной системой, так и от амплитудыU₁, зависящей от свойств нелинейного усилительного элемента. Коэффициент усиления этого устройства

При фиксированной частоте _гкомплексный коэффициент усиленияявляется функцией только амплитуды.

Коэффициент передачи линейного четырехполюсника обратной связи, который в дальнейшем называется просто коэффициентом обратной связи, может быть выражен через амплитуды и:

,

поэтому в стационарном режиме автогенератора коэффициенты иявляются взаимно обратными величинами:

.

Так как коэффициент передачи линейного четырехполюсника не зависит от амплитуды колебаний, то выражение может быть использовано для определения установившейся амплитуды колебания при заданном коэффициенте передачи цепи обратной связи К_ос. А именно, когда усилениеК_у, снижаясь с ростом амплитуды (из-за нелинейности вольтамперной характеристики усилительного элемента), достигает величины 1/К_ос, дальнейший рост амплитуды, как ранее уже указывалось, прекращается. Это положение поясняется рис. 16.3.

Рис.16.3. К определению стационарного режима автогенератора

Стационарная амплитуда U_1 cтопределяется как абсцисса точки пересечения графиковК_уи 1/К_ос.

Точно также, выражение может быть использовано для определения коэффициента обратной связи, требуемого для поддержания определенной амплитудыU_1 cтпри заданной функцииК_у(U₁), т. е. при известной амплитудной характеристике усилителя.

Равенство выполняется, если произведение модулей коэффициентов передачи резонансного усилителя и цепи обратной связи равно единице

,

а сумма фазовых сдвигов, вносимых усилителем и цепью обратной связи, составляет целое число периодов

,

где n– целое число.

Соотношение (условие) называется балансом амплитуд. Его содержательный смысл состоит в том, что при единичном коэффициенте усиления по петле замкнутой системы не происходит ни нарастание, ни спад амплитуды генерируемого сигнала. Соотношение называется балансом фаз. Именно при таком суммарном сдвиге фаз по петле замкнутой системы обеспечивается положительная обратная связь.

Перечисленные общие свойства автогенератора инвариантны относительно типа усилительного элемента, резонансной системы и конкретной схемы автогенератора. Это справедливо для стационарного состояния автогенератора. Но для выяснения механизма возникновения колебаний, а также механизма установления стационарного режима необходимо всходить из особенностей работы конкретного электронного прибора и конкретной схемы автогенератора.

На рис. 16.4. представлена одна из простейших схем транзисторного автогенератора с индуктивной обратной связью.

Рис.16.4. Автогенератор с индуктивной обратной связью

Сопоставление с обобщенной схемой рис. 16.2 показывает, что функции избирательного четырехполюсника и четырехполюсника обратной связи совмещены в этих простейших схемах в одном устройстве – колебательном контуре с катушкой индуктивной связи.

Одно из важнейших требований, предъявляемых к автогенератору, предназначенному для радиоэлектронных систем разного функционального назначения – это требование высокой монохроматичность. Любое нарушение монохроматичности, проявляющееся в паразитном изменении амплитуды, частоты или фазы колебания, может служить причиной возникновения помех в радиоканалах. Требование монохроматичности включает в себя также и требование стабильности частоты автоколебания.

Некоторые факторы, нарушающие монохроматичность автоколебания, будут рассмотрены ниже.

При отсчете всех потенциалов в схеме рис. 16.4. относительно эмиттера, под коэффициентом усиления К_уи коэффициентом обратной связи в этой схеме следует подразумевать

,

В рассматриваемых простейших схемах частота генерации близка к резонансной частоте контура. На этой частоте напряжение U_ксовпадает (или почти совпадает) по фазе с первой гармоникой тока коллектораI_к1, а последний – с напряжением на базеU_б. Из этого следует, что аргумент коэффициента обратной связиК_ос(i), т. е. фазовый сдвиг в четырехполюснике обратной связи, должен быть близок к 180°. К этому результату можно прийти с помощью еще более простых рассуждений: однокаскадный резонансный усилитель поворачивает фазу усиливаемого колебания на 180°; следовательно, для поддержания колебания напряжение, подаваемое по каналу обратной связи с выхода на вход, должно получить дополнительный сдвиг на 180°.

Правильная фазировка E_ботносительноU_кполучается при соответствующем включении катушки обратной связи. Если изменить подключение концов катушки,К_ос(i) оказывается положительным и самовозбуждение колебаний в генераторе оказывается невозможным.