Министерство образования российской федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Г.А. Дегтярь

УСТРОЙСТВА ГЕНЕРИРОВАНИЯ И

ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ

Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям 200700 Радиотехника, 201500 Бытовая радиоэлектронная аппаратура, 201600 Радиоэлектронные системы, 201700 Средства радиоэлектронной борьбы,

071500 Радиофизика и электроника

направления подготовки дипломированного специалиста 654200 Радиотехника

Новосибирск, 2003

Настоящий учебник написан в виде лекций по основным вопросам, связанным с генерированием и формированием электрических сигналов в основном для целей радиосвязи и радиовещания, входящим в программу курса «Устройства генерирования и формирования сигналов» и подобным курсам, составляющим основу подготовки специалистов радиотехнического профиля.

Изложенный в лекциях материал даёт основы по соответствующей дисциплине и позволяет студенту, усвоившему материал лекций, успешно расширять свои знания в области указанной дисциплины и изучать другие родственные дисциплины.

Необходимость подготовки настоящей работы обусловлена возрастающей тенденцией увеличения объёма самостоятельной работы студента в процессе обучения и сокращением объёма лекционных занятий. Представленные лекции облегчат студенту самостоятельное изучение дисциплины, чему также должны способствовать вопросы для самоконтроля знаний в конце каждой лекции. Некоторые из вопросов требуют от студента самостоятельного анализа отдельных положений, которые глубоко не затронуты в лекции в силу её ограниченного объёма. В заголовке каждой лекции выделяются основные положения, рассматриваемые в ней, что облегчит студенту отыскание интересующего его материала, в том числе и при повторном обращении.

Представленный материал основывается на лекциях, читаемых автором студентам соответствующих специальностей факультета радиотехники, электроники и физики Новосибирского государственного технического университета (НГТУ). Однако его не стоит рассматривать, как обязательно прочитываемую лекцию, так как фактическое число лекций может отличаться от представленного по разным причинам. Кроме того, фактическая лекция может базироваться на материале нескольких представленных лекций. Полнота изложения затрагиваемых в лекциях вопросов ориентирована, в первую очередь, на студентов, обучающихся по специальности 200700 Радиотехниканаправления подготовки дипломированного специалиста654200 Радиотехникаи подходит под требования государственного образовательного стандарта к минимуму содержания дисциплины по другим специальностям указанного направления, таким как201500 Бытовая радиоэлектронная аппаратура,201600 Радиоэлектронные системы, 201700 Средства радиоэлектронной борьбы, 071500 Радиофизика и электроника, предусматривающим изучение дисциплины с таким же или близким названием.

Все критические высказывания, замечания и советы по настоящей работе будут с благодарностью приняты автором на кафедре радиоприёмных и радиопередающих устройств НГТУ.

© Новосибирский государственный технический университет, 2003 г.

ВВЕДЕНИЕ

В представляемых лекциях обсуждаются основные вопросы, связанные с генерированием, то есть созданием, высокочастотных электрических колебаний напряжения и тока и управлением этими колебаниями информационным сигналом. Для генерирования высокочастотных электрических сигналов и управления ими используют специальные устройства, называемые устройствами генерирования и формирования сигналов (УГФС). Вырабатываемые УГФС сигналы чаще всего преобразуются в радиосигналы, то есть в электромагнитные колебания, распространяющиеся в окружающем пространстве. Используются радиосигналы для передачи информационных сообщений, обнаружения и распознавания материальных объектов или указания их местоположения. Технически радиосигналы получают путём преобразования электрических колебаний тока и напряжения в электромагнитные волны. Указанное преобразование осуществляется с помощью излучающих устройств – антенн.

Из курса электродинамики известно, что электрические колебания тока и напряжения тем эффективнее преобразуются в электромагнитные волны, чем выше скорость их изменения, то есть чем выше частота колебаний. Чем высокочастотнее электрические колебания, тем меньше оказываются размеры излучателя для эффективного преобразования колебаний в электромагнитную волну. Использование высоких частот позволяет также создать практически неограниченное число источников радиосигналов различного назначения без взаимных помех.

В курсе «Устройства генерирования и формирования сигналов» изучаются УГФС, позволяющие создать электрические колебания тока и напряжения с нужными характеристиками, а вопросы преобразования этих колебаний в радиосигналы, то есть в электромагнитные волны, рассматриваются в курсе антенн.

Наиболее широко УГФС используются для целей радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиолокации, радионавигации, радиоуправления, входя в состав радиопередающих устройств соответствующего назначения. УГФС применяются также в радиоизмерительных приборах и установках.

Родственные УГФС устройства используются в промышленности, например, для высокочастотного нагрева металлов, сушки изделий из дерева, пластмасс и их покрытий, обработки пищевых продуктов; в медицине, например, для прогревания органов тела, проведения хирургических операций и в других областях.

В УГФС осуществляется преобразование электрической энергии источников питания, обычно постоянного тока (напряжения), в энергию высокочастотных электрических колебаний, управляемых (модулируемых) информационным сигналом. В частном случае управляющий сигнал может отсутствовать.

В самом общем виде структурная схема УГФС может быть представлена рис. В.1.

Высокочастотный электрический сигнал, вырабатываемый УГФС, характеризуется такими основными параметрами, как: 1) мощность (в нагрузке); 2) частота (значение частоты при отсутствии управляющего сигнала); 3) нестабильность частоты (абсолютная или относительная). Эти и другие характеристики сигналов УГФС рассматриваются в лекциях.

В радиотехнике сегодня применяются УГФС с мощностью от долей ватта (Вт) до нескольких мегаватт (МВт) с рабочими частотами от сотен килогерц (кГц) до десятков гигагерц (ГГц). Существуют также генераторы электрических колебаний, преобразуемых в электромагнитные волны, и на более низкие частоты, вплоть до единиц герц (Гц), а также на частоты в сотни гигагерц.

Выше отмечалось, что одной из основных областей применения УГФС являются радиопередающие устройства, которые, имея, как правило, большую мощность, создают в зоне своего расположения электромагнитные поля большой интенсивности, что неблагоприятно для биологических объектов, включая человека. Вообще любой высокочастотный генератор электрических колебаний вблизи себя имеет электромагнитное поле той или иной интенсивности, что требует защиты от него обслуживающего персонала. Таким образом, использование генераторных устройств создаёт экологические проблемы в добавление к общим проблемам, связанным с созданием и эксплуатацией любого промышленного объекта. В каждой стране существуют государственные (национальные) стандарты и нормы на уровни мощности и допустимые побочные излучения генераторных устройств различного назначения. На отдельные типы устройств имеются международные рекомендации и ограничения.

В случае мощных УГФС, а также при ограниченной мощности источников питания, что характерно для подвижных объектов, например, летательных аппаратов различного назначения и носимых устройств, важными являются энергетические показатели, в частности, коэффициент полезного действия (КПД) устройства, характеризующий эффективность преобразования энергии источников питания. В современных высокочастотных генераторах достижимы значения КПД до (70…90)% и более. Это означает, что примерно (10…30)% потребляемой от источника питания мощности расходуются «бесполезно». При большой мощности генератора (сотни киловатт – единицы мегаватт) потери составляют существенную величину, определяющую «бесполезные» затраты электрической энергии, которая, в свою очередь, также должна быть выработана, что требует своих затрат и т.д.

Вырабатываемые УГФС сигналы, помимо упоминавшихся ранее характеристик как мощность, частота, нестабильность частоты, должны обладать и рядом других показателей, в частности, относящихся, например, к модуляции: коэффициент модуляции при амплитудной модуляции, девиация частоты при частотной модуляции, линейность модуляции и другие. Эти показатели будут обсуждаться в соответствующих лекциях.

Линии и системы радиосвязи, соответственно входящие в них УГФС, должны удовлетворять требованиям электромагнитной совместимости (ЭМС), что предполагает, в первую очередь, отсутствие взаимных помех: одна линия или система радиосвязи не должна нарушать нормальную работу других линий и систем. Например, радиовещательная станция не должна создавать помехи работе радиолокационной станции аэропорта, а радиолокационная станция аэропорта не должна создавать помехи приёму сигнала телевизионного изображения. Эти вопросы частично также затрагиваются в лекциях.

Для более полного изучения дисциплины, как в процессе чтения лекций, так и после его завершения, следует обращаться к учебникам, учебным пособиям и другим изданиям, часть из которых указана в конце каждой лекции.