Федеральное агентство по образованию Уральский государственный технический университет – УПИ

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

УСТРОЙСТВА ГЕНЕРИРОВАНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ

Конспект лекций

Екатеринбург

УГТУ–УПИ

2010

УДК 621.396.61(075)

Составители: Л.И. Булатов, Б.В. Гусев, Е.В. Лагунов

Устройства формирования и генерирования сигналов: конспект лекций. Екатеринбург: УГТУ – УПИ, 2010, 149 с.

Излагаются вопросы теории и практики, связанные с анализом процессов при генерировании радиочастотных колебаний большой мощности; амплитудной, угловой и импульсной модуляции. Приводится теория и практика методов генерации гармонических колебаний с высокой стабильностью частоты. Рассматривается методика расчета отдельных узлов радиопередатчиков с учетом электромагнитной совместимости радиоэлектронных устройств.

Подготовлено кафедрой «Высокочастотные средства радиосвязи и телевидения»

© Уральский государственный технический университет – УПИ, 2010

2

ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 1.
НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ПАРАМЕТРЫ РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ
УСТРОЙСТВ ......................................................................................................................................	6
Классификация радиопередатчиков ..............................................................................................	6
Требования к передатчикам ...........................................................................................................	7
Контрольные вопросы ..............................................................................................................	7
Глава 2.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ (ГВВ) ....................	9
Контрольные вопросы ............................................................................................................	12
Глава 3.
АППРОКСИМАЦИЯ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАТОРНЫХ ПРИБОРОВ
............................................................................................................................................................	13
Аппроксимация статических характеристик электронных ламп .............................................	14
Аппроксимация статических характеристик биполярных транзисторов ................................	16
Аппроксимация статических характеристик полевых транзисторов ......................................	17
Контрольные вопросы ............................................................................................................	17
Упражнения ..............................................................................................................................	17
Глава 4.
ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫХОДНОГО ТОКА ГЕНЕРАТОРА С ВНЕШ -
НИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ .................................................................................................................	18
Контрольные вопросы ............................................................................................................	20
Глава 5.
КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР КАК НАГРУЗКА ГЕНЕРАТОРА С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕ-
НИЕМ ................................................................................................................................................	22
Контрольные вопросы: ...........................................................................................................	23
Глава 6.
ГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОСИНУСОИДАЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ ..............................	24
Коэффициенты разложения косинусоидальных импульсов .....................................................	26
Контрольные вопросы: ...........................................................................................................	28
Глава 7.
РАСЧЕТЫ РЕЖИМОВ ГЕНЕРАТОРОВ С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ...........................	29
Выбор угла отсечки и напряженности режима ГВВ .................................................................	29
Нагрузочные характеристики ГВВ ..............................................................................................	30
Расчеты выходных цепей генератора ..........................................................................................	31
Расчёт режима анодной цепи лампового ГВВ по заданной мощности Р1 в граничном
режиме ......................................................................................................................................	31
Расчёт коллекторной цепи транзисторного ГВВ ..................................................................	32
Расчеты входных цепей генераторов ..........................................................................................	33
Расчет входной цепи лампового ГВВ ....................................................................................	33
Расчет входной цепи биполярного транзистора при возбуждении от источника
гармонического тока ...............................................................................................................	34
Контрольные вопросы: ...........................................................................................................	37
Глава 8.
СХЕМОТЕХНИКА ГЕНЕРАТОРОВ С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ .................................	38
Схемы питания выходной цепи ГВВ ..........................................................................................	38
Последовательная схема питания коллекторной цепи ........................................................	39
Параллельная схема питания выходной цепи генератора ...................................................	41
Схемы питания входных цепей ...................................................................................................	42
Контрольные вопросы: ...........................................................................................................	43

3

Глава 9.
СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ АКТИВНЫХ ПРИБОРОВ............................................................	44
Параллельная схема включения активных приборов................................................................	44
Двухтактная схема включения АЭ..............................................................................................	46
Схемы сложения и деления мощности.......................................................................................	48
Классическая мостовая схема................................................................................................	48
Контрольные вопросы............................................................................................................	49
Глава 10.
УСТРОЙСТВА СВЯЗИ ВЫХОДНЫХ КАСКАДОВ ПЕРЕДАТЧИКОВ С НАГРУЗКОЙ.......	50
Узкополосные согласующие устройства....................................................................................	51
Пример расчета элементов Г- образного четырехполюсника.............................................	54
П- образный четырехполюсник как трансформатор сопротивлений.................................	54
Широкополосные согласующие устройства..............................................................................	56
Фильтры гармоник широкополосных согласующих устройств.........................................	56
Широкополосные трансформаторы............................................................................................	59
Широкополосные трансформаторы с магнитной связью....................................................	60
Трансформаторы на отрезках линий.....................................................................................	62
Понятия «продольных» напряжений и токов.......................................................................	62
Использование ферритов для уменьшения продольных токов...........................................	63
Трансформаторы с коэффициентами трансформации 1:2 и 1:3..........................................	63
ШТЛ с дробным коэффициентом трансформации...............................................................	66
ШТЛ без ФЛ.............................................................................................................................	66
Контрольные вопросы............................................................................................................	67
Глава 11.
МЕЖКАСКАДНЫЕ СОГЛАСУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА............................................................	68
Контрольные вопросы............................................................................................................	70
Глава 12.
АВТОГЕНЕРАТОРЫ.......................................................................................................................	71
Общие уравнения автогенераторов.............................................................................................	71
Одноконтурные автогенераторы..................................................................................................	74
Емкостная трехточка...............................................................................................................	75
Индуктивная трехточка...........................................................................................................	76
Условие самовозбуждения автогенератора.................................................................................	76
Автоматическое смещение в автогенераторах...........................................................................	79
Выбор транзистора для автогенераторов..............................................................................	81
Расчет электрического режима автогенератора....................................................................	82
Расчет колебательной системы..............................................................................................	82
Контрольные вопросы............................................................................................................	84
Глава 13.
СТАБИЛЬНОСТЬ ЧАСТОТЫ АВТОГЕНЕРАТОРА...................................................................	85
Эталонность контура....................................................................................................................	85
Основные дестабилизирующие факторы...................................................................................	86
Влияние нестабильных фазовых углов на частоту автоколебаний....................................	87
Влияние режима автогенератора на частоту автоколебаний...............................................	88
Контрольные вопросы............................................................................................................	89
Глава 14.
КВАРЦЕВЫЕ АВТОГЕНЕРАТОРЫ..............................................................................................	91
Схема замещения кварцевого резонатора...................................................................................	91
Осцилляторные схемы автогенераторов с кварцем...................................................................	93
Осцилляторные схемы автогенераторов, работающие на механических гармониках
кварца.......................................................................................................................................	93
Автогенераторы, использующие последовательный резонанс кварца....................................	95

4

Контрольные вопросы............................................................................................................	96
Глава 15.
ВОЗБУДИТЕЛИ РАДИОПЕРЕДАТЧИКОВ.................................................................................	97
Требования к синтезаторам..........................................................................................................	97
Пассивные некогерентные синтезаторы.....................................................................................	98
Синтезатор с идентичными декадами...................................................................................	99
Синтезаторы с использованием косвенного метода синтеза сетки дискретных частот......	100
Фазовые шумы синтезатора с ФАПЧ..................................................................................	101
Контрольные вопросы..........................................................................................................	102
Глава 16.
ПЕРЕДАТЧИКИ С АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ...........................................................	103
Модуляция смещением...............................................................................................................	106
Порядок расчета ГВВ при модуляции смещением............................................................	108
Контрольные вопросы:.........................................................................................................	109
Глава 17.
АНОДНАЯ (КОЛЛЕКТОРНАЯ) МОДУЛЯЦИЯ .......................................................................	111
Порядок расчета генератора при анодной модуляции.......................................................	113
Контрольные вопросы...........................................................................................................	115
Глава 18.
ОДНОПОЛОСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ.............................................................................................	116
Элементы формирователей однополосного сигнала...............................................................	119
Балансные модуляторы.........................................................................................................	119
Полосовые фильтры основной селекции............................................................................	120
Структурные схемы однополосных передатчиков..................................................................	120
Особенности усиления сигналов ОБП......................................................................................	122
Способы повышения КПД усилителей ОБП......................................................................	123
Контрольные вопросы..........................................................................................................	124
Глава 19.
УГЛОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ............................................................................................................	125
Общие характеристики угловой модуляции.............................................................................	125
Частотная модуляция..................................................................................................................	127
Управители частоты .............................................................................................................	129
Варикап как частотный модулятор......................................................................................	130
Нелинейные искажения при ЧМ..........................................................................................	132
Фазовая модуляция.....................................................................................................................	133
Контрольные вопросы .........................................................................................................	135
Глава 20.
ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ...................................................................................................	136
Основные параметры импульсного сигнала............................................................................	136
Импульсные модуляторы с частичным разрядом емкости.....................................................	137
Процесс формирования фронта и спада напряжения на генераторной лампе................	139
Формирование плоской части импульса.............................................................................	140
Заряд накопительной емкости через индуктивность.........................................................	141
Импульсные модуляторы с тиратронным коммутатором.......................................................	142
Формирование импульса напряжения отрезком длинной линии.....................................	143
Расчет элементов цепочечного эквивалента линии...........................................................	145
Колебательный способ заряда емкостей ЭЛ.......................................................................	145
Контрольные вопросы..........................................................................................................	148
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...........................................................................................	149

5

Глава 1.

НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ПАРАМЕТРЫ РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Устройство генерирования и формирования сигналов (УГФС) – это устройство, выполняющее функции [1]:

–генерирование высокочастотных колебаний заданной частоты и мощности;

–управление параметрами высокочастотных колебаний в соответствии с передаваемым сообщением (модуляция);

Вместе с антенной УГФС служит для передачи сообщений в точку приема, поэтому в дальнейшем вместо УГФС будем использовать название радиопередатчик или передатчик. В этом определении названы две основные функции передатчика – энергетическая и информационная. Названные функции определяют задачи и содержание курса. В первой части курса будут рассмотрены физические процессы, связанные с генерацией высокочастотных колебаний, методы расчета генераторов, их схемотехника. Во второй части – вопросы, связанные с модуляцией высокочастотных колебаний.

Радиопередатчики применяются: в радиосвязи (магистральная, например, Москва – Владивосток, подвижная связь, любительская и др.), радиовещании, телевидении, радиолокации, радиотелеметрии, в физических исследованиях, в устройствах термообработки, в медицине. Два последних раздела формально не подпадают под определение передатчиков, так как модуляционные процессы в них не являются основными или вообще отсутствуют. Однако процессы преобразования энергии те же самые.

Классификация радиопередатчиков

По мощности радиочастотных колебаний различают передатчики очень малой мощности, менее 3 Вт; малой мощности 3 – 100 Вт, средней 0,1 – 3 кВт, мощные 3 – 100 кВт и сверхмощные, более 100 кВт. Для сравнения: средняя мощность электрической лампочки 100 Вт.

Классификация передатчиков по диапазону частот приведена в табл. 1.1. Таблица 1.1

Диапазоны частот радиопередатчиков

Номер	Диапазон	Обозначение	Метрическое
полосы	частот	полосы	наименование
4	3,0 – 30 кГц	ОНЧ (очень низкие частоты)	Мириаметровые
5	30 – 300 кГц	НЧ	Километровые
6	0,3 – 3,0 МГц	СЧ	Гекаметровые
7	3,0 – 30 МГц	ВЧ	Декаметровые
8	30 – 300 МГц	ОВЧ	Метровые
9	0,3 – 3,0 ГГц	УВЧ (ультра высокие частоты)	Дециметровые
10	3,0 – 30 ГГц	СВЧ	Сантиметровые

6