Радиопередающие устройства. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Радиопередающие устройства - устройства для формирования радиосигналов, предназначенных для передачи информации на расстояние с помощью радиоволн.

Р. у. формируют радиосигналы с заданными характеристиками, необходимыми для работы конкретных ра-диотехн. систем, и излучают их в пространство. В любых Р. у. осуществляются следующие осн. физ. процессы: генерация эл--магн. колебаний в заданном участке радиодиапазона; управление параметрами этих колебаний (амплитудой, частотой, фазой, поляризацией и т. д.) по закону передаваемой информации (амплитудная, частотная и др. виды модуляции; см. Модулированные колебания); излучение радиосигналов в пространство при помощи антенны, связанной с генератором электромагнитных колебаний либо непосредственно, либо через линию связи. Помимо создания радиосигналов, предназначенных специально для передачи информации, Р. у. применяются в системах радионавигации, ди-станц. зондирования земной поверхности и др. целей.

Структурные схемы Р. у. различны в зависимости от требований к характеристикам формируемых в них радиосигналов. Типовые Р. у. для радиовещания с амплитудной (AM) или частотной (ЧМ) модуляцией строятся обычно по многокаскадной схеме (рис. 1, а, б).

Рис. 1. Типовые структурные схемы радиопередающих устройств с амплитудной (а) и частотной (б) модуляцией: 1 - задающий генератор, стабилизированный кварцем (возбудитель); 2 - частотно-модулируемый возбудитель; 3 - буферный усилитель; 4 - каскады умножения частоты; 5 - модулируемый каскад; 6 - предоконечный усилитель; 7 - выходной усилитель мощности; 8 - модулятор; 9 - система автоподстройки центральной частоты; 10 - антенна.

Генерирование высокостабильных первичных колебаний осуществляется в спец. устройствах - возбудителях Р. у. Иногда (напр., при ЧМ) формирование радиосигналов производится сразу путём модуляции первичных колебаний. В качестве простых возбудителей используются автогенераторы на транзисторах, лавинно-пролётных диодах и т. д. Поскольку частота автоколебаний, близкая к собств. частоте колебательной системы, зависит от режима работы активного элемента, принимаются жёсткие меры по защите всех элементов автогенератора от влияния дестабилизирующих факторов. Мин. достижимый уровень нестабильности частоты автогенератора ограничен шумами, т. е. естеств. флуктуациями фазы и амплитуды автоколебаний (см. Стабилизация частоты). В совр. Р. у. с быстрой электронной перестройкой в широком диапазоне рабочих частот в качестве возбудителей колебаний используются синтезаторы частот - устройства, генерирующие множество высокостабильных колебаний на дискретных частотах, синтезируемых из колебаний одного прецизионного кварцевого генератора или квантового стандарта частоты. Схемы синтезаторов строятся с использованием систем автоподстройки частоты и фазовой синхронизации колебаний.

Для ослабления влияния последующих каскадов на режим работы возбудителей колебаний в схемы Р. у. включаются т. н. буферные усилители, потребляющие мин. мощность сигнала от автогенератора. Часто в тех же целях прибегают к умножению частоты задающего генератора, что одноврем. повышает устойчивость работы Р. у. в целом. В качестве нелинейных элементов в каскадах умножения частоты используют ВЧ-тран-зисторы, пролётные клистроны и др. активные приборы. В диапазоне СВЧ находят применение полупроводниковые диоды (варикапы).

Выходные усилители мощности Р. у., связанные с антенной непосредственно или через линию связи, обеспечивают заданную излучаемую мощность. Эти усилители строятся по схеме генератора с внеш. возбуждением, и в качестве активных элементов в них используются мощные транзисторы или металлокерамич. электронные лампы (часто с принудит. охлаждением электродов). В диапазоне СВЧ применяются пролётные клистроны и усилительные приборы с распределённым взаимодействием - лампы бегущей волны и лампы обратной волны.

Управление параметрами колебаний в соответствии с передаваемой информацией S(t)производится с помощью модуляторов. AM в маломощных вещательных Р. у. осуществляется, напр., изменением по закону S(t)управляющего напряжения на активном элементе; затем происходит усиление модулиров. колебаний. В радиолокации, радиорелейных линиях связи и мн. др. системах широко применяют разновидность AM - импульсную модуляцию (ИМ). При ИМ высокочастотные колебания на выходе Р. у. вырабатываются лишь в течение коротких интервалов времени (импульсов), разделённых большими или меньшими паузами. В мощных импульсных модуляторах используется метод накопления электрич. (или магн.) энергии в ёмкостных (или индуктивных) накопителях. Накопление энергии происходит во время паузы с последующим разрядом накопителя на генератор через электронный или газоразрядный коммутатор.

Угл. модуляция (частотная, ЧМ, или фазовая, ФМ) повышает помехоустойчивость системы связи. Для осуществления ЧМ т. н. прямым методом осуществляется электронная перестройка частоты колебаний задающего автогенератора по закону S(t)(рис. 1, б). При этом для стабилизации несущей частоты используется система автоподстройки, к-рая корректирует медленные уходы частоты автогенератора, вызванные дестабилизирующими факторами. При косвенном методе ФМ применяются высокостабильные задающие кварцевые автогенераторы и производится фазовая модуляция их колебаний. При этом сохраняется высокая стабильность центральной частоты, однако полезная девиация частоты ЧМ колебаний на низких модулирующих частотах мала.

Для передачи информации в виде ЧМ, а не в виде ФМ модулирующее напряжение, пропорциональное S(t), подаётся на модулятор фазы не непосредственно, а через интегратор.

В СВЧ- и ВЧ-диапазонах, а также в оптич. диапазоне реализация Р. у. по многокаскадной схеме затруднена и Р. у. часто выполняются по однокаскадной схеме с мощным автогенератором, совмещающим функции возбудителя, модулятора и выходного каскада.

Для существенного повышения мощности Р. у. прибегают к сложению мощностей неск. активных элементов, соединяя их параллельно или последовательно с нагрузкой. В сверхмощных Р. у. мощную ступень выполняют по системе блоков - отд. выходных каскадов, общей нагрузкой к-рых является промежуточный контур, связанный с антенной. Недостатки подобных соединений активных элементов обусловлены взаимной связью их через нагрузку и источник возбуждения. Мостовое включение активных элементов существенно ослабляет взаимную связь между ними. Мост-делитель, выполненный из реактивных элементов, распределяет входную мощность поровну между активными элементами, а мост-сумматор складывает их мощность в общей нагрузке.

Эфф. сложение мощности мн. генераторов для формирования сигналов в заданной области пространства реализуется с помощью фазированных антенных решёток (ФАР), содержащих большое число (до неск. тыс.) излучающих элементов и каналов для их возбуждения (рис. 2). Форму и положение узкого лепестка диаграммы направленности в Р. у. с ФАР можно быстро и точно изменять с помощью электронно управляемых фазовращателей, линий задержки н коммутаторов.

Рис. 2. Структурная схема радиопередающего устройства с фазированной антенной решёткой: 1 - возбудитель сигнала; 2 - каналы управления задержкой; 3 - усилители мощности.

В Р. у. оптич. и частично СВЧ-диапазонов используются квантовые генераторы и усилители (см. Лазер ).Для модуляции интенсивности оптич. излучения (когерентного или некогерентного) разработаны простые электронно-оптич. модуляторы. Нестабильность частоты колебаний квантовых генераторов за счёт слабости взаимодействия микрочастиц чрезвычайно мала (порядка 10^-10-10^-13). В качестве канала связи в оптич. диапазоне широко применяются волоконно-оптич. кабели из спец. стекловолокна или др. диэлектрика с чрезвычайно широкой полосой пропускания частот (до 10 ГГц/км) и слабым затуханием энергии света (5 дБ/км и менее).

Классификация Р. у. возможна по разным признакам: по назначению, диапазону рабочих частот, мощности. Различают Р. у. радио- и телевизионного вещания, профессиональной и космич. радиосвязи, навигационные, телеметрические, радиолокационные, Р. у. радиоуправления и т. д. Совр. Р. у. охватывают спектр эл--магн. колебаний от очень низких (3-30 КГц) до крайне высоких (30-300 ГГц) частот. По мощности выделяют Р. у. очень малой (Р

3 Вт), малой (3-100 Вт) и средней (0,1-10 кВт) мощности, а также мощные (до 1000 кВт) и сверхмощные (св. 1000 кВт).

По виду модуляции различают Р. у., работающие в непрерывном режиме с амплитудной, частотной, фазовой модуляцией или их сочетаниями, и импульсные Р. у. с разл. видами модуляции параметров радиоимпульсов - амплитудно-импульсной, широтно-им-пульсной, кодоимпульсной и др. Частный случай импульсной модуляции - манипуляция используется при передаче телеграфных знаков. В условиях воздействия мощных помех применяют шумоподобные сигналы.

По типу активных элементов, используемых для формирования радиосигналов в разл. диапазонах рабочих частот и мощностей, различают Р. у. транзисторные, ламповые, клистронные, магнетронные, на лампах бегущей волны или обратной волны, лазерные и т. д.

Техн. характеристики Р. у. определяются требованиями к радиосистеме, в составе к-рой они работают. Важнейшей характеристикой является точность фиксации положения спектра частот радиосигнала, определяемая нестабильностью несущей частоты.

Нормы на стабильность частоты Р. у. жёстки и зависят от диапазона частот, назначения и мощности Р.у. Напр., в диапазоне 4,0-29,7 МГц для стационарных вещательных и связных Р. у. допускается Df/f

5·10^-7 при мощности P < 500 Вт и Df/f

1,5·10^-7 при P > 500 Вт. В др. системах требования к стабильности частоты Р. у. могут быть ещё выше.

Наряду с осн. рабочими колебаниями на выходе Р. у. возникают нежелат. побочные колебания, спектр к-рых находится за пределами полосы сигнала. Нормы на побочные излучения определяются условиями эл--магн. совместимости радиотехн. средств. Требования к допустимому их уровню зависят от назначения и мощности Р. у., повышаясь с ростом мощности. По существующим требованиям Р_поб/P_осн < -40дБ при P_осн< 0,5 Вт, Р_поб/Р_осн < -60 дБ при 10 Вт < Р_осн <1 кВт и Р_поб/Р_осн < -90 дБ при Р_осн > 1000 кВт для Р. у. в диапазоне 30-235 Мгц. Абс. уровень мощности любого побочного излучения Р. у. не должен превышать 25·10^-6-1·10^-3 Вт в зависимости от диапазона частот, мощности и назначения Р. у.

Важной характеристикой Р. у. является величина кпд h - отношение Р_осн к полной мощности, потребляемой Р. у. от источника питания. Так, для вещательных Р. у. в режиме отсутствия модуляции h = 60%, в Р. у. межконтинентальной связи на длинных волнах при очень большой мощности (500-2000 кВт) в телеграфном режиме достигается h = (50-60)%.

Осн. направления развития Р. у. имеют след. тенденции: дальнейшее освоение новых диапазонов частот и достижение больших мощностей Р. у. с помощью более совершенных активных элементов и новых способов генерирования эл--магн. колебаний; разработка принципов объединения Р. у. с излучающей системой в единое целое; развитие технологии и методов интегрального исполнения узлов и Р. у. в целом; применение в Р. у. для формирования радиосигналов и управления режимами работы элементов цифровой техники и микропроцессоров.

Литература по радиопередающим устройствам

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.