Войти
Содержание
|
A радиопередатчик - это электронный устройство, которое при подключении к антенне выдает электромагнитный сигнал, например, в радио и телевидение радиовещание, двусторонняя связь или радар. Нагревательные устройства, такие как микроволновая печь, хотя и имеют аналогичную конструкцию, обычно не называют передатчиками, поскольку они используют электромагнитную энергию локально, а не передают ее в другое место.
Конструкция радиопередатчика должна отвечать определенным требованиям. К ним относятся рабочая частота, тип модуляции, стабильность и чистота результирующего сигнала, эффективность использования мощности и уровень мощности, необходимый для достижения целей проектирования системы.. Передатчики высокой мощности могут иметь дополнительные ограничения в отношении радиационной безопасности, генерации рентгеновского излучения и защиты от высоких напряжений.
Обычно конструкция передатчика включает в себя генерацию несущего сигнала, который обычно синусоидальный, необязательно один или несколько каскадов умножения частоты, модулятор, усилитель мощности, фильтр и согласующая цепь для подключения к антенне. Очень простой передатчик может содержать только постоянно работающий генератор, подключенный к какой-либо антенной системе. Более совершенные передатчики позволяют лучше контролировать модуляцию излучаемого сигнала и улучшать стабильность передаваемой частоты. Например, конфигурация «главный осциллятор-усилитель мощности» (MOPA) включает каскад усилителя между генератором и антенной. Это предотвращает изменение нагрузки, создаваемой антенной, на частоту генератора.
Для фиксированной частоты передатчик один из часто используемых методов - использовать резонансный кварцевый кристалл в кварцевом генераторе для фиксации частоты. Если частота должна быть переменной, можно использовать несколько вариантов.
 Удвоитель частоты . Удвоитель частоты. Выход настроен на двойную входную частоту. |  утроитель частоты . двухтактный утроитель частоты. Выход настроен на трехкратную входную частоту. |
Хотя современные синтезаторы частот могут выводить чистый стабильный сигнал через УВЧ, в течение многих лет, особенно на более высоких частотах, было непрактично использовать генератор на конечной выходной частоте.. Для лучшей стабильности частоты было принято умножать частоту генератора до конечной требуемой частоты. Это было сделано путем распределения коротковолновых любительских и морских диапазонов на гармонически связанных частотах, таких как 3,5, 7, 14 и 28 МГц. Таким образом, один кристалл или VFO может охватывать несколько диапазонов. В простом оборудовании этот подход до сих пор иногда используется.
Если выход каскада усилителя просто настроен на кратную частоту, с которой каскад работает, каскад будет давать большой гармонический выход. Многие передатчики успешно использовали этот простой подход. Однако эти более сложные схемы будут работать лучше. В каскаде push-push выход будет содержать только четные гармоники. Это связано с тем, что токи, которые генерируют основную и нечетную гармоники в этой цепи, подавляются вторым устройством. В двухтактном каскаде выход будет содержать только нечетные гармоники из-за эффекта подавления.
Задача передатчика - передать некоторую форму информации с помощью радиосигнала (несущей), который был модулирован для передачи информации. ВЧ-генераторы в микроволновой печи, электрохирургии и индукционном нагреве аналогичны по конструкции передатчикам, но обычно не рассматриваются как таковые, поскольку не преднамеренно производят сигнал, который отправится в отдаленную точку. По закону такие РЧ-устройства должны работать в диапазоне ISM, где не будет помех для радиосвязи. Если целью является связь, используется один или несколько из следующих методов включения полезного сигнала в радиоволну.
Когда амплитуда радиочастотной волны изменяется по амплитуде в соответствии с модулирующим сигналом, обычно голосом, видео или данными, мы имеем Амплитудную модуляцию (АМ).
При низкоуровневой модуляции небольшой звуковой каскад используется для модуляции маломощного каскада. Затем выходной сигнал этого каскада усиливается с помощью линейного ВЧ усилителя. Большим недостатком этой системы является то, что цепь усилителя менее эффективна, потому что она должна быть линейной, чтобы сохранить модуляцию. Следовательно, усилители класса C с высокой эффективностью не могут быть использованы, если не используются усилитель Догерти, EER (устранение и восстановление огибающей) или другие методы предварительного искажения или отрицательной обратной связи. Модуляция высокого уровня использует усилители класса C в широковещательном AM-передатчике, и только последний каскад или последние два каскада модулируются, а все более ранние каскады могут управляться с постоянным уровнем. Когда модуляция применяется к пластине конечной лампы, для каскада модуляции требуется большой усилитель звука, равный 1/2 входной мощности постоянного тока модулированного каскада. Традиционно для модуляции используется большой звуковой преобразователь. Однако для модуляции АМ высокого уровня использовалось много различных схем. См. Амплитудная модуляция.
Для AM использовался широкий спектр различных схем. Хотя создание хороших конструкций с использованием твердотельной электроники вполне возможно, здесь показаны клапанные (ламповые) схемы. В общем, клапаны могут легко выдавать ВЧ-мощность, намного превышающую то, что может быть достигнуто при использовании твердотельного излучения. Большинство мощных радиовещательных станций ниже 3 МГц используют твердотельные цепи, но станции с более высокой мощностью выше 3 МГц по-прежнему используют клапаны.
Модуляция анода с помощью трансформатора. Анод клапана видит векторную сумму анодного напряжения и звукового напряжения. 
Последовательно модулированный каскад. В современных преобразователях серийный регулятор будет использовать переключение PWM для повышения эффективности. Исторически последовательный регулятор был бы ламповой в аналоговом режиме. Модуляция пластины высокого уровня заключается в изменении напряжения на пластине (аноде) клапана так, чтобы оно колебалось от почти нуля до двойного значения покоя. Это приведет к 100% -ной модуляции, и это можно сделать, последовательно подключив трансформатор с источником высокого напряжения к аноду, так что будет применена векторная сумма двух источников (постоянного тока и аудио). Недостатком является размер, вес и стоимость трансформатора, а также его ограниченная звуковая частотная характеристика, особенно для очень мощных передатчиков.
В качестве альтернативы между источником постоянного тока и анодом можно вставить последовательный регулятор. Источник постоянного тока обеспечивает вдвое большее нормальное напряжение, чем видит анод. Регулятор может пропускать полное или полное напряжение или любое промежуточное значение. Аудиовход управляет регулятором таким образом, чтобы вырабатывать мгновенное анодное напряжение, необходимое для воспроизведения огибающей модуляции. Преимущество последовательного регулятора состоит в том, что он может устанавливать анодное напряжение на любое желаемое значение. Таким образом, выходная мощность передатчика может быть легко отрегулирована, что позволяет использовать Dynamic Carrier Control. Использование импульсных регуляторов PDM делает эту систему очень эффективной, тогда как исходные аналоговые регуляторы были очень неэффективными и нелинейными. Модуляторы последовательного PDM также используются в твердотельных передатчиках, но схемы несколько более сложные, с использованием двухтактных или мостовых схем для радиочастотной секции.
Эти упрощенные схемы опускают такие детали, как источники накала, экрана и сетки, а также соединения экрана и катода с ВЧ землей.
Модуляторы экрана AM. Смещение сети не показано В условиях несущей (без звука) каскад представляет собой простой ВЧ-усилитель, в котором напряжение экрана установлено ниже нормального, чтобы ограничить выходной ВЧ-сигнал примерно до 25% от полной мощности. Когда ступень модулируется, потенциал экрана изменяется и, таким образом, изменяется усиление ступени. Для модуляции экрана требуется гораздо меньше звуковой мощности, но эффективность конечной стадии составляет всего около 40% по сравнению с 80% с пластинчатой модуляцией. По этой причине модуляция экрана использовалась только в передатчиках малой мощности и в настоящее время фактически устарела.
Широко используются несколько производных AM. Это
SSB или однополосная модуляция полной несущей SSB-AM, очень похожая на однополосная модуляция с подавленной несущей (SSB- SC). Он используется там, где необходимо принимать звук на AM-приемник, используя меньшую полосу пропускания, чем при использовании AM с двойной боковой полосой. Из-за сильных искажений используется редко. Либо SSB-AM, либо SSB-SC производятся следующими методами.
Используя сбалансированный смеситель, генерируется сигнал с двойной боковой полосой, который затем пропускается через очень узкий полосовой фильтр, чтобы оставить только одну боковую полосу. Обычно в системах связи используется верхняя боковая полоса (USB), за исключением любительского радио, когда несущая частота ниже 10 МГц. Там обычно используется нижняя боковая полоса (LSB).
Метод фазирования для генерации SSB Метод фазирования для генерации сигналов с одной боковой полосой использует сеть, которая налагает постоянный фазовый сдвиг на 90 ° на аудиосигналы в интересующем диапазоне аудио. Это было сложно с аналоговыми методами, но с DSP очень просто.
Каждый из этих аудиовыходов микшируется в линейном сбалансированном микшере с несущей. Привод носителя для одного из этих смесителей также смещен на 90 °. Выходы этих смесителей добавлены в линейную схему, чтобы дать сигнал SSB путем подавления фазы одной из боковых полос. Подключение сигнала с задержкой на 90 ° от аудио или несущей (но не от обоих) к другому микшеру изменит боковую полосу, поэтому USB или LSB доступны с простым переключателем DPDT.
Модуляция с остаточной боковой полосой (VSB или VSB-AM) - это тип системы модуляции, обычно используемый в аналоговых телевизионных системах. Это нормальный АМ, прошедший через фильтр, уменьшающий одну из боковых полос. Как правило, компоненты нижней боковой полосы более чем на 0,75 МГц или на 1,25 МГц ниже несущей будут сильно ослаблены.
Код Морзе обычно передается с использованием двухпозиционной манипуляции немодулированной несущей (Непрерывная волна ). Никакого специального модулятора не требуется.
Эта прерванная несущая может быть проанализирована как AM-модулированная несущая. Как и ожидалось, при включении-выключении возникают боковые полосы, но они называются «нажатиями клавиш». Цепи формирования используются для плавного, а не мгновенного включения и выключения передатчика, чтобы ограничить полосу пропускания этих боковых полос и уменьшить помехи для соседних каналов.
Угловая модуляция - подходящий термин для модуляции путем изменения мгновенной частоты или фазы несущего сигнала. Истинная ЧМ и фазовая модуляция являются наиболее часто используемыми формами аналоговой угловой модуляции.
Direct FM (true Частотная модуляция ) - это когда частота генератора изменяется, чтобы наложить модуляцию на несущую волну. Это может быть выполнено с помощью конденсатора, управляемого напряжением (варикап диод ) в кварцевом генераторе или синтезаторе частоты. Затем частота генератора умножается с помощью ступени умножения частоты или преобразуется в большую сторону с помощью ступени микширования до выходной частоты передатчика. Величина модуляции называется отклонением и представляет собой величину, на которую частота несущей мгновенно отклоняется от центральной несущей частоты.
Indirect FM твердотельная схема. Indirect FM использует варикап-диод для наложения фазового сдвига (который управляется напряжением) в настроенной цепи, которая питается с простой несущей. Это называется фазовой модуляцией. В некоторых полупроводниковых ЧМ-схемах РЧ-возбуждение применяется к базе транзистора . Контур резервуара (LC), подключенный к коллектору через конденсатор, содержит пару диодов варикапа . При изменении напряжения, подаваемого на варикапы, фазовый сдвиг на выходе будет изменяться.
Фазовая модуляция математически эквивалентна прямой частотной модуляции с применением фильтра высоких частот 6 дБ / октава к модулирующему сигналу. Этот эффект пропускания верхних частот можно использовать или компенсировать за счет использования подходящей схемы формирования частоты в звуковых каскадах перед модулятором. Например, многие системы FM будут использовать предварительное выделение и ослабление выделения для уменьшения шума, и в этом случае эквивалентность верхних частот фазовой модуляции автоматически обеспечивает предварительное выделение. Фазовые модуляторы обычно допускают только относительно небольшие отклонения, оставаясь при этом линейными, но любые ступени умножения частоты также пропорционально умножают отклонение.
Передача цифровых данных становится все более важной. Цифровая информация может передаваться посредством модуляции AM и FM, но часто цифровая модуляция состоит из сложных форм модуляции, использующих аспекты как AM, так и FM. COFDM используется для вещания DRM. Переданный сигнал состоит из нескольких несущих, каждая из которых модулирована как по амплитуде, так и по фазе. Это обеспечивает очень высокую скорость передачи данных и очень эффективное использование полосы пропускания. Цифровые или импульсные методы также используются для передачи голоса, как в сотовых телефонах, или видео, как в наземном телевещании. Ранние текстовые сообщения, такие как RTTY, позволяли использовать усилители класса C, но современные цифровые режимы требуют линейного усиления.
См. Также Сигма-дельта модуляция (∑Δ)
Для высокой мощности, высокой частоты В системах обычно используются клапаны, см. ВЧ-усилитель с клапаном для получения подробной информации о том, как работают силовые каскады с клапанами. Клапаны электрически очень надежны, они могут выдерживать перегрузки, которые могут разрушить системы на биполярных транзисторных за миллисекунды. В результате усилители с клапанами могут лучше противостоять неправильной настройке, ударам молнии и скачкам напряжения. Однако для них требуется нагретый катод, который потребляет электроэнергию и со временем выйдет из строя из-за потери излучения или сгорания нагревателя. Высокое напряжение, связанное с цепями клапана, опасно для людей. По экономическим причинам клапаны по-прежнему используются в качестве оконечного усилителя мощности для передатчиков, работающих на частотах выше 1,8 МГц и с мощностью более 500 Вт для любительского использования и более 10 кВт для использования в радиовещании.
Твердотельные устройства, будь то дискретные транзисторы или интегральные схемы, повсеместно используются для новых конструкций передатчиков мощностью до нескольких сотен ватт. Ступени нижнего уровня более мощных передатчиков также все твердотельные. Транзисторы можно использовать на всех частотах и уровнях мощности, но, поскольку выход отдельных устройств ограничен, передатчики с более высокой мощностью должны использовать несколько транзисторов параллельно, а стоимость устройств и необходимых объединяющих сетей может быть чрезмерной. По мере появления новых типов транзисторов и падения цен полупроводниковые усилители могут со временем заменить все ламповые усилители.
Большая часть современного передающего оборудования рассчитана на работу с резистивной нагрузкой, питаемой через коаксиальный кабель конкретное характеристическое сопротивление , часто 50 Ом. Для подключения силового каскада передатчика к этому коаксиальному кабелю линии передачи требуется согласующая сеть. Для твердотельных передатчиков это обычно широкополосный трансформатор, который повышает низкое сопротивление выходных устройств до 50 Ом. Ламповый передатчик будет содержать настроенную выходную сеть, чаще всего сеть PI, которая понижает сопротивление нагрузки, необходимое для лампы, до 50 Ом. В каждом случае устройства, производящие энергию, не будут передавать мощность эффективно, если сеть расстроена или плохо спроектирована, или если на выходе передатчика присутствует сопротивление, отличное от 50 Ом. Обычно КСВ-метр и / или направленный ваттметр используются для проверки степени соответствия между антенной системой и передатчиком через линию передачи (фидер). Направленный ваттметр показывает мощность в прямом направлении, отраженную мощность и часто также КСВ. Каждый передатчик указывает максимально допустимое рассогласование, основанное на эффективности, искажении и возможном повреждении передатчика. Многие передатчики имеют автоматические схемы для снижения мощности или отключения при превышении этого значения.
Для передатчиков, питающих симметричную линию передачи, потребуется «балун» . Это преобразует несимметричный выход передатчика в сбалансированный выход с более высоким импедансом. В системах передачи на коротких волнах высокой мощности обычно используются симметричные линии с сопротивлением 300 Ом между передатчиком и антенной. Любители часто используют симметричные антенные фидеры на 300–450 Ом.
См. антенный тюнер и балун для получения подробной информации о согласовании сетей и балунов соответственно.
Работа многих устройств зависит от передачи и приема радиоволн. Возможность взаимного вмешательства велика. Многие устройства, не предназначенные для передачи сигналов, могут это делать. Например, диэлектрический нагреватель может содержать в себе источник 2000 ватт 27 МГц. Если машина работает по назначению, то утечка радиочастотной мощности не будет. Однако, если из-за плохой конструкции или технического обслуживания он допускает утечку радиочастоты, он станет передатчиком или непреднамеренным излучателем.
Все оборудование, в котором используется ВЧ электроника, должно находиться внутри экранированной токопроводящей коробки, а все соединения внутри или снаружи коробки должны быть отфильтрованы, чтобы избежать прохода радиосигналов. Распространенный и эффективный способ сделать это для проводов, несущих источники постоянного тока, соединений переменного тока 50/60 Гц, звуковых и управляющих сигналов, заключается в использовании проходного конденсатора, задача которого заключается в коротком замыкании любых радиочастотных помех в проводе на земля. Также часто используются ферритовые бусины.
Если преднамеренный передатчик создает помехи, он должен работать с фиктивной нагрузкой ; это резистор в экранированной коробке или банке, который позволит передатчику генерировать радиосигналы, не посылая их на антенну. Если передатчик продолжает создавать помехи во время этого теста, значит, существует тракт, по которому РЧ мощность выходит из оборудования, и это может быть из-за плохого экранирования. Такая утечка наиболее вероятна на самодельном оборудовании или оборудовании, которое было модифицировано или со снятыми крышками. РЧ-утечка из микроволновых печей, хотя и редко, может происходить из-за дефектных уплотнителей дверцы и может представлять опасность для здоровья.
На раннем этапе развития радиотехнологии было признано, что сигналы, излучаемые передатчиками, должны быть «чистыми». Датчики с искровым разрядником были объявлены вне закона после того, как появилась лучшая технология, поскольку они дают очень широкий диапазон частот. Термин побочные излучения относится к любому сигналу, исходящему от передатчика, кроме полезного сигнала. В современном оборудовании существует три основных типа побочных излучений: гармоники, внеполосные смесители, продукты, которые не полностью подавлены, и утечки из гетеродина и другие системы внутри передатчика.
Они кратны рабочей частоте передатчика, они могут быть сгенерированы на любой ступени передатчика, которая не является идеально линейной и должна быть удалена с помощью фильтрации.
 В этом двухтактном широкополосном усилителе используются трансформаторы с ферритовым сердечником для согласования и связи. Два NPN-транзистора могут быть смещены к классу A, AB или C, и при этом все равно будут иметь очень слабые гармоники даже на частотах, кратных расчетной. Нечетные гармоники будут сильнее, но все же управляемы. Класс C будет иметь наибольшее количество гармоник. |  В этом несимметричном усилителе используется узко настроенная анодная цепь для уменьшения гармоник при работе класса AB или C. |
Сложность удаления гармоник из усилителя будет зависеть от конструкции. Двухтактный усилитель будет иметь меньше гармоник, чем несимметричный контур. Усилитель класса A будет иметь очень мало гармоник, класса AB или B больше, а класса C больше всего. В типичном усилителе класса C резонансный контур резервуара удаляет большую часть гармоник, но в любом из этих примеров, вероятно, потребуется фильтр нижних частот после усилителя.
Простой фильтр нижних частот, подходящий для подавления гармоник. В дополнение к хорошей конструкции каскадов усилителя, выходной сигнал передатчика должен быть отфильтрован с низким -проходной фильтр для уменьшения уровня гармоник. Обычно вход и выход взаимозаменяемы и соответствуют сопротивлению 50 Ом. Значения индуктивности и емкости зависят от частоты. Многие передатчики подключаются к подходящему фильтру для используемой полосы частот. Фильтр пропустит желаемую частоту и снизит все гармоники до приемлемого уровня.
Гармонический выход передатчика лучше всего проверять с помощью анализатора спектра RF или путем настройки приемника на различные гармоники. Если гармоника попадает на частоту, используемую другой службой связи, то это побочное излучение может помешать приему важного сигнала. Иногда дополнительная фильтрация используется для защиты чувствительного диапазона частот, например частот, используемых воздушными судами или службами, занимающимися защитой жизни и имущества. Даже если гармоника находится в разрешенных законом пределах, гармоника должна быть дополнительно уменьшена.
Простой, но плохой смеситель. Показан диод, но можно использовать любое нелинейное устройство. 
Двойной балансный смеситель, использующий согласованные диоды. Также можно использовать активные устройства, такие как транзисторы или вентили. При смешивании сигналов для получения желаемой выходной частоты важен выбор промежуточной частоты и гетеродина. При неправильном выборе может генерироваться ложный выходной сигнал. Например, если 50 МГц смешивают с 94 МГц для получения выходного сигнала на 144 МГц, на выходе может появиться третья гармоника 50 МГц. Эта проблема аналогична проблеме Image response, которая существует в приемниках.
Одним из методов снижения вероятности возникновения этого дефекта передатчика является использование балансных и двойных балансных смесителей. Простой смеситель пропустит обе входные частоты и все их гармоники вместе с суммарной и разностной частотами. Если заменить простой миксер на сбалансированный, то количество возможных продуктов уменьшится. Если частотный смеситель имеет меньше выходов, задача обеспечения чистоты конечного выхода будет проще.
Если каскад передатчика нестабилен и может колебаться, он может начать генерировать РЧ либо на частоте, близкой к рабочей, либо на очень другой частоте.. Хорошим признаком того, что это происходит, является то, что ВЧ-каскад имеет выходную мощность даже без возбуждения каскадом. Выходная мощность должна плавно увеличиваться по мере увеличения входной мощности, хотя для класса C будет заметный пороговый эффект. В хорошем исполнении для подавления паразитов используются различные схемы. Также важна правильная нейтрализация.
Элементы управления приемопередатчиком Yaesu FT-817 . Одна кнопка и две ручки позволяют управлять 52 отдельными параметрами. Простейшие передатчики, такие как RFID устройства не требуют внешнего управления. Простые передатчики слежения могут иметь только двухпозиционный переключатель. Многие передатчики должны иметь цепи, позволяющие включать и выключать их, а также регулировать выходную мощность и частоту или регулировать уровни модуляции. Многие современные многофункциональные передатчики позволяют настраивать множество различных параметров. Обычно они управляются микропроцессором через многоуровневые меню, что сокращает необходимое количество физических регуляторов. Часто экран дисплея обеспечивает обратную связь с оператором, чтобы помочь в регулировке. Удобство этого интерфейса часто является одним из основных факторов успешного дизайна.
Датчики, управляемые микропроцессором, также могут включать программное обеспечение для предотвращения сбоев частоты или других незаконных операций. Передатчики, использующие значительную мощность или дорогие компоненты, также должны иметь схемы защиты, предотвращающие такие вещи, как перегрузка, перегрев или другое неправильное использование цепей. Цепи перегрузки могут включать механические реле или электронные цепи. Для защиты дорогих компонентов могут быть включены простые предохранители. Дуговые извещатели могут отключить передатчик при возникновении искр или возгорания.
Функции защиты должны также предохранять человека-оператора и людей от воздействия высокого напряжения и мощности, которые существуют внутри передатчика. В ламповых передатчиках обычно используется постоянное напряжение от 600 до 30 000 вольт, которое смертельно опасно при прикосновении. Радиочастотная мощность более 10 Вт может вызвать ожог тканей человека при контакте, а более высокая мощность может фактически приготовить человеческое мясо без контакта. Для защиты от этих опасностей требуется металлический экран. Правильно спроектированные передатчики имеют двери или панели, которые заблокированы, так что открытые двери активируют переключатели, которые не позволяют включить передатчик, когда опасные зоны открыты. Кроме того, используются либо резисторы, которые отводят высокое напряжение, либо замыкающие реле, чтобы гарантировать, что конденсаторы не сохранят опасный заряд после выключения.
В передатчиках большой мощности схемы защиты могут составлять значительную часть общей сложности конструкции и стоимости.
Некоторые устройства RFID получают питание от внешнего источника при опросе устройства, но большинство передатчиков имеют автономные батареи или являются мобильными системами, которые обычно работают непосредственно от 12 вольтовый аккумулятор автомобиля. Для более крупных стационарных передатчиков потребуется питание от сети. Напряжения, используемые передатчиком, будут переменным и постоянным током разных значений. Для обеспечения значений напряжения и тока, необходимых для работы различных цепей, требуются трансформаторы переменного тока или источники питания постоянного тока. Некоторые из этих напряжений необходимо отрегулировать. Таким образом, значительную часть общей конструкции будут составлять блоки питания. Источники питания будут интегрированы в системы управления и защиты передатчика, которые включат их в правильной последовательности и защитят от перегрузок. Часто для этих функций требуются довольно сложные логические системы.
 | В Викибуке Электроника есть страница по темам: Конструкция преобразователя |
|
Радиопортал