Радиопередающие устройства

ш

.

м

в

o - S % .

Е - Л - О к у н ъ

РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Gsj,

E.

Л .

О к у н ь

РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА Издание четвертое, переработанное, дополненное

Допущено Министерствам высшего и среднего образования СССР в качестве учебника радиотехнических техникумов

специального для

ч о Меск. ин-та местной пр ти

МОСКВА «СОВЕТСКОЕ РАДИО»

|

1973

ЪЗЬ

6 Ф 2 12

/

>

О-52 У Д К 621.396. 61 (075.8)

Окунь Е. JI.

0-52

Радиопередающие устройства. Изд. 4-е, доп. и перераб. Учебник для техникумов. М., «Сов. радио», 1973. 400 с. с ил. К н и г а я в л я е т с я учебником для учащихся радиотехнических специальностей техникумов и других специальных учебных заведений радиот е х н и ч е с к о г о профиля и. как п о к а з а л опыт первых и з д а н и й , может Сыть п о л е з н а студентам в т у з о в , особенно системы з а о ч н о г о и вечернего о б р а з о в а н и я и л и ц а м , с а м о с т о я т е л ь н о изучающим технику раднопере д а ю щ и х у с т р о й с т в .

о

0343-077 046(01)73

6Ф2.12

93 73

Рецензент В. В.

Т в о р ц о в а

ЕВСЕП Л Ь В О В И Ч РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ

ОКУНЬ УСТРОЙСТВА

Р е д а к т о р И, К. Г а н и н Художественный редактор В. Т. С и д о р е н к о Технический редактор Г. 3 . К у з н е ц о в а Корректор Н . М. Давыдова С д а н о в набор 27.11—73 г. П о д п и с а н о в печать 17. VIII—73 г. Т-11045 Формат S4X108/» Б у м а г а типографская № 3 Объем 21 усл. п. л., 21,932 уч.-изд. л Т и р а ж 74000 экз. З а к . 249 Цена 86 коп. И з д а т е л ь с т в о «Советское р а д и о » , Москва, Г л а в п о ч т а м т , а / я 693 Московская типография № 4 Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров С С С Р по д е л а м издательств, полиграфии и книжной торгоили Москва, И-41, Б, П е р е я с л а в с к а я , 46.

0343-077 046(01) -73

„„ 93-73

Издательство «Советское радио»

1973 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие

.

.

.

ГЛАВА I ОБЩИЕ

§ § § §

СВЕДЕНИЯ

О

РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ

УСТРОЙСТВАХ

1. Принцип действия и технические показатели современных радиопередающих устройств 2. Структурные схемы радиопередающих устройств . . . 3. Особенности работы и характеристика современных генераторных ламп в радиопередающих устройствах . . 4. Особенности работы полупроводниковых приборов в радиопередающих устройствах

7 11 13 17

ГЛАВА II УСИЛИТЕЛИ

§ § § § § § §

МОЩНОСТИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ НА Э Л Е К Т Р О Н Н Ы Х ЛАМПАХ

И

УМНОЖИТЕЛИ

5. Принцип действия и энергетические режимы работы усилителя мощности 6. Динамические и нагрузочные характеристики лампо* вого усилителя мощности 7. Основные расчетные соотношения в различных режимах работы усилителя мощности 8. Схемы усилителей мощности 9. Схемы электропитания усилителей мощности 10. Промежуточные усилители мощности и умножители частоты 11. Выходные усилители мощности

23 33 38 49 58 66 72

ГЛАВА I I I У С И Л И Т Е Л И МОЩНОСТИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ и У М Н О Ж И Т Е Л И НА П О Л У П Р О В О Д Н И К О В Ы Х П Р И Б О Р А Х

§ 12. Основные особенности работы усилителей мощности на транзисторах 84 § 13 Расчет режима работы усилителя мощности 93 § 14. Схемы усилителей мощности 97 § 15. Умножители частоты на полупроводниковых приборах 103 ГЛАВА IV ЛАМПОЗЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

§ 16. Физические процевсы самовозбуждения нераторов самовозбуждения £§ 17. Условия vo Tiwuugujmrttnnn . . . . s Одноконтурные схемы генераторов . | ™ Двухконтурные схемы генераторов . $ Л). Электрические расчеты генераторов

ламповых

ге106 107 115

120 128

ГЛАВА V Г Е Н Е Р А Т О Р Ы НА П О Л У П Р О В О Д Н И К О В Ы Х §21.

Условия

ГЯМЛПЛоЛу\ипаиип

Tnouou/vTAnntiv

ПРИБОРАХ

го и о п п т п п л п

1ЧЛ

§ 23. Расчет генераторов на транзисторах § 24. Стабилизация режима транзисторных усилителей

139 генераторов

и

ГЛАВА VI С Т А Б И Л И З А Ц И Я ЧАСТОТЫ В Р А Д И О П Е Р Е Д А Ю Щ И Х

УСТРОЙСТВАХ

§ 25. Стабильность частоты и дестабилизирующие факторы § 26. Кварцевая стабилизация частоты в генераторах . . . § 27. Кварцевые генераторы на электронных лампах и полупроводниковых приборах § 28. Кварцевая стабилизация в диапазоне частот

143 149 157 165

ГЛАВА VII УСТОЙЧИВОСТЬ РАБОТЫ

УСИЛИТЕЛЕН

§ 29. Влияние паразитных связей входных и выходных цепей ламповых усилителей на устойчивость работы § 30. Входная проводимость усилителя и условия устойчивой работы § 31. Методы повышения устойчивости работы усилителей § 32. Устойчивость работы транзисторных усилителей . .

170 171 178 182

ГЛАВА V I I I ГЕНЕРАТОРЫ

И УСИЛИТЕЛИ

МОЩНОСТИ

СВЧ

S 33. Особенности работы генераторных ламп в диапазоне СВЧ § 34. Ламповые генераторы метровых и дециметровых волн на электронных лампах § 35. Клистронные усилители и генераторы § 36. Магнетронные генераторы § 37. Генераторы и усилители на лампах бегущей ( Л Б В ) и обратной ( Л О В ) волн § 38. Генераторы и усилители магнетронного типа . . . . . . § 39. Квантовые усилители и генераторы § 40. Полупроводниковые приборы в диапазоне СВЧ . . .

184

188 199 210 228 246 252 276

ГЛАВА IX УПРАВЛЕНИЕ

КОЛЕБАНИЯМИ В РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ

§41.

Амплитудная м о д у л я ц и я . Общие сведения об амплитудной модуляции 282 § 42. Частотная и фазовая модуляции 307 § 43. Однополосная м о д у л я ц и я 324 § 44. Телеграфная м а н и п у л я ц и я 334 ГЛАВА х ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ в РАДИОПЕМДАЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ с

? 45. Общие сведения об импульсной модуляции 1 46. Импульсные модуляторы G частичным разрядом пителя и электронными коммутаторами

340 нако351

s 47. И м п у л ь с н ы е м о д у л я т о р ы G полным разрядом накопителя ' и ионными коммутаторами 356 £ 48. Магнитные импульсные модуляторы . . . . 362 § 49! Коммутаторы импульсных модуляторов 365 ГЛАВА XI РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ

УСТРОЙСТВА РАЗЛИЧНОГО

НАЗНАЧЕНИЯ

§ 50. Системы управления, контроля и защиты в радиопередатчиках § 51. Паразитные колебания и методы их устранения . . . § 52. Передатчики для радиосвязи § 53. Радиовещательные передатчики § 54. Радиолокационные передатчики § 55. Передатчики радиорелейной связи § 56. Надежность работы радиопередающих устройств . . Список литературы ,

368 375 378 384 388 392 398 400

ПРЕДИСЛОВИЕ

Четвертое издание книги существенно переработано в связи с рядом замечаний, выявившихся в результате многолетнего использования книги в учебном процессе. Исключение второстепенных материалов курса позволило рассмотреть и осветить ряд новых и перспективных вопросов современной техники радиопередающих устройств, таких, как квантовые генераторы и усилители, генераторы на новых приборах СВЧ, автоматизация управления радиопередатчиками и др. В четвертом издании значительно расширены вопросы однополосной модуляции, импульсной модуляции, радиорелейной связи, приведено описание типовых схем современных передатчиков различного назначения. Большое внимание уделено работе полупроводниковых приборов в технике радиопередающих устройств. Рассмотрены схемы усилителей, генераторов и умножителей частоты на полупроводниках. Дана современная методика расчета полупроводниковых усилителей и генераторов. Автор будет признателен за отзывы о книге, которые следует направлять в адрес издательства,

Глава ОБЩИЕ

I

СВЕДЕНИЯ О РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ

УСТРОЙСТВАХ

§ 1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СОВРЕМЕННЫХ РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Радиопередающее устройство является важнейшей частью линии радиосвязи, радионавигации и радиолокации. Составные элементы радиопередающих устройств широко используют в различных радиотехнических установках. В передатчиках длинных, средних, коротких и метровых волн используются электронные лампы — триоды, тетроды и пентоды. В передатчиках дециметровых волн наряду с электронными лампами специальной конструкции применяются клистроны и магнетроны, а в передатчиках сантиметровых волн — клистроны, магнетроны и лампы бегущей и обратной волны. Электронные лампы применяются, в первую очередь, для генерации и усиления мощности колебаний высокой частоты, управления этими колебаниями, а также используются в различных вспомогательных цепях передатчика. В последние годы все большее применение в радиопередающих устройствах находят полупроводниковые триоды — транзисторы и другие полупроводниковые приборы. Полупроводниковые приборы обладают высокой экономичностью и мгновенной готовностью к работе вследствие отсутствия накаливаемого катода, большим сроком службы (десятки и сотни тысяч часов), высокой надежностью работы, низким напряжением питания, высоким к. п. д., высокой механической прочностью, малыми габаритами и весом. Ь казанные преимущества позволяют создавать малогабаритную радиоаппаратуру. Современное радиопередающее устройство является сложной радиотехнической установкой, в задачу которой одит: 1) преобразовывать энергию источников электричеого питания постоянного или переменного тока в энергию нос? В в ы с о к о " „ частоты; 2) вырабатывать заданную мощь колебаний высокой частоты и передавать ее в антенну;

3) отображать в выработанных колебаниях высокой частоты закон управляющего сигнала. Изменение высокочастотного колебания по закону управляющего сигнала (речь, музыка, изображение, кодирп« ванные знаки и др.) называется модуляцией. Л К радиопередающему устройству предъявляют разнообразные технические требования. Они формулируются в технических условиях на передатчики, составляемых при проектировании, и в значительной степени зависят от уело-; вий работы, назначения и места установки передатчика. Электрические показатели.

К ним о т н о с я т с я

мощность

передатчика, стабильность частоты, диапазон рабочих час-, тот, коэффициент полезного действия, глубина модуляции при амплитудной и девиация частоты при частотной модуля-! циях, нелинейные и частотные искажения, фильтрация и др.' Мощность передатчика определяет дальность действия' и надежность радиосвязи. Заданная техническими условиями, она должна обеспечиваться на любой волне рабочего диапазона передатчика. Под мощностью передатчика понимают мощность, которую передатчик выдает в антенну или фидерную линию. Мощность же, излучаемая антенной, зависит от ее типа и параметров. Таким образом, мощность передатчика Ра - Рц п к , где Р — мощность в колебательной системе выходного усилителя передатчика; г | п к — к. п. д. колебательной системы выходного усилителя. При телеграфной работе мощность Р д соответствует ре-1 жиму нажатого ключа, при телефонной — режиму молча-] ния. Мощность современных передатчиков бывает различной:! от десятых долей ватта до сотен и тысяч киловатт. В зависни мости от величины мощности различают передатчики малой мощности (единицы и десятки ватт), средней мощности (до 10 кет), мощные (до 100 кет) и сверхмощные (свыше 100 кет). Стабильность (постоянство) частоты передатчика опреде* ляет устойчивость радиосвязи в различных условиях эксп-1 луатации. Недостаточно высокая стабильность частоты ВЫ1 зывает «качание» полосы частот, занимаемой передатчиком] в результате чего увеличиваются помехи приему соседних по частоте радиостанций и уменьшается надежность связи,! 8

Нестабильность, частоты характеризуется суммарным отклонением частоты от номинального значения • А/ Я= ± у . относительная нестабильность частоты; А / — а б где q солютная нестабильность частоты; / — номинальное значение частоты. Нестабильность зависит от ряда причин, связанных с внутренними и внешними условиями работы передатчика. Допускаемая нестабильность определяется назначением и диапазоном волн передатчика. При работе передатчика на коротких волнах требования к относительной нестабильности повышаются, поскольку с укорочением волны (при том же значении относительной нестабильности) увеличивается абсолютная нестабильность, величина которой не должна превышать допустимую. Диапазон рабочих частот передатчика определяется его назначением и должен обеспечить необходимую дальность связи в заданных условиях эксплуатации. Передатчик может работать в плавном диапазоне, т. е. на всех частотах данного участка частотного спектра, и на определенных фиксированных частотах. Настройка передатчика на любую частоту диапазона производится элементом настройки контура генератора (конденсатором переменной емкости или вариометром); на эту же частоту настраивают контуры усилителей, обеспечивающих заданную мощность в антенне. Если диапазон частот передатчика оказывается настолько широким, что его невозможно перекрыть органом настройки генератора или обеспечить нужное постоянство мощности в усилителях, общий диапазон разбивают на более узкие участки (поддиапазоны). Ширина диапазона характеризуется коэффициентом его перекрытия

г е Д / т а х и / т 1 п — максимальная и минимальная частоты диапазона.

Коэффициент перекрытия современных диапазонных передатчиков лежит в пределах от 1,1 до 64-7 и определяется азначением передатчика; К п поддиапазона обычно выбирается в пределах 1,34-1,7. оал з а в и с и м о с т и от того, в какой- части частотного спектра Р диоволн лежит основной диапазон передатчика, различают с д а т ч и к и сверхдлинных (), > 10 ООО м), длинных (X = 9

«= 1000 -4- 10 ООО м), средних (к = 100 Ч- 1000 м), коротких (Я = 10 100 м), метровых (X — 1 — 10 м), дециметровых (к — 10 -V- 100 см), сантиметровых (Я = 1 -Ь 10 см) и миллиметровых (А, = 0,1 -f- 1 см) волн. Промышленный коэффициент полезного действия передатчика характеризуется отношением мощности высокой частоты РА, отдаваемой передатчиком в антенну, ко всей мощности Р п , потребляемой передатчиком: tin = (РААР п )100%. В маломощных передатчиках, где величина потребляемой мощности невелика, стремление повысить к. п. д. вызвано необходимостью уменьшить габариты и вес источников питания. В более мощных передатчиках величина потребляемой мощности уже играет существенную роль, и повышение их к. п. д. позволяет значительно повысить экономические показатели. К. п. д. передатчиков зависит от режима работы ламп усилителей, рода работы и типа модуляции. Например, при телефонной работе к. п. д. ниже, чем при телеграфной, а при амплитудной модуляции ниже, чем при частотной. К. п. д. современных маломощных передатчиков сравнительно нев е л и к — до 10—20%, в передатчиках средней и большой мощности к. п. д. достигает 25—50%. Глубина модуляции и уровень частотных и нелинейных искажений относятся к электроакустическим требованиям. Передатчики должны допускать работу с глубиной модуляции до 100%, при этом коэффициент нелинейных искажений не должен превышать 10—12%, а частотные искажения — ± 4 дб; форма телеграфного сигнала должна быть близка к прямоугольной при заданной скорости работы. Фильтрация высших гармоник в выходном напряжении передатчика необходима для предотвращения помех радиоприему, так как высшие гармоники (кратные частоты), образующиеся в анодном токе выходного усилителя, проходя в антенну, будут создавать нежелательные излучения. Конструктивные показатели. К ним относятся габариты, вес, тип конструкции, механическая прочность, теплостойкость, влагостойкость и др. Габариты, вес и тип конструкции имеют важное значение для радиопередатчиков, устанавливаемых на подвижных объектах. Уменьшение габаритов требует особенно рационального размещения деталей и общей компоновки блоков передатчика, применения малогабаритных деталей и кон-

струкций, а также легких сплавов и пластмасс в качестве конструкционных материалов. Материалы, используемые в передатчиках, должны быть влагостойкими и теплостойкими и нормально работать в заданном интервале температур при заданной относительной влажности. Конструкция передатчика, размещение его узлов и деталей и компоновка должны обеспечивать простую и качественную технологию сборки и регулировки. Эксплуатационные показатели характеризуют удобство управления передатчиком: время и число операций, необходимых для включения и настройки на заданную волну, быстроту перестройки с одной волны на другую, переход из одного режима работы в другой, а также удобство подхода к передатчику (смена ламп, осмотр, текущий ремонт), систему сигнализации и блокировки, обеспечивающую безопасность обслуживающего персонала, и т. п. Передатчик должен быть оснащен достаточным количеством измерительных приборов, позволяющих производить настройку и вести контроль за режимом работы, § 2. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Построение схемы радиопередающего устройства зависит от его назначения, вида модуляции и других особенностей, однако в любом радиопередающем устройстве должны содержаться два основных канала прохождения электрических колебаний: управляющих (модулирующих), несущих в себе заданную информацию, и высокочастотных незатухающих колебаний. Кроме указанных каналов, в радиопередающее устройство входят источники электропитания электронных ламп, транзисторов и других элементов и система управления, сигнализации и блокировки, которая обеспечивает управление работой радиопередатчика и безопасность обслуживающего персонала. На рис. 1 и 2 представлены структурные схемы основных типов радиопередающих устройств в зависимости от вида модуляции. Передатчик, в котором осуществляется амплитудная модуляция или манипуляция (телеграфная работа) — рис. 1, а — содержит первоисточник высокочастотных стабильных колебаний — задающий генератор 1, промежуточ-

ные усилители или умножители частоты 2, выходной усилитель мощности 3 и антенно-фидерное устройство 4. Все эти устройства образуют высокочастотный канал передатчика. Модуляционное устройство 5 содержит источник управляющих колебаний (например, микрофон), усилители на пряжения и мощности этих колебаний.

43-J

Рис. а —с а)

1. Б л о к - с х е м ы р а д и о п е р е д а ю щ и х устройств: амплитудной модуляцией и манипуляцией! 6 — с однополосной модуляцией

Амплитудная модуляция в радиовещательных и связных радиопередатчиках обычно осуществляется в выходном усилителе мощности, хотя в некоторых случаях ее осуществляют и в промежуточных (например, в телевидении).

IZHZHlM^ В)

а) Р и с . 2. Б л о к - с х е м ы р а д и о п е р е д а ю щ и х у с т р о й с т в : с — в частотной модуляцией; б — с импульсной модуляцией.

Амплитудная манипуляция G помощью манипуляционного устройства осуществляется как в промежуточных усилителях, так часто и в задающем генераторе с целью обеспечения полного отсутствия колебаний в антенне в моменты пауз. Питание всех цепей передатчика обеспечивается источниками питания 7 через систему управления, контроля и защиты (УКЗ) 8. На рис. 2, а показана упрощенная (без источников питания и системы УКЗ) структурная схема передающего уст12

ройства с частотной модуляцией или манипуляцией. Эти виды работ осуществляют непосредственно в задающем генераторе, так как связаны с изменением несущей частоты передатчика. Элементы /, 2, 3, 4 аналогичны схеме рис. 1, а. Элемент 5 — устройство частотной модуляции или манипуляции. Структурная схема передатчика g однополосной модуляцией, когда излучается только одна боковая полоса частот спектра амплитудномодулированного сигнала, показана на рис. 1, б (без источников питания и У КЗ). В этой схеме / — задающий генератор, 2 — модуляционное устройство, 3 — балансный модулятор, обеспечивающий однополосную модуляцию, и 4 — фильтр боковой полосы. Затем следуют усилительные каскады и антенно-фидерное устройство 5, В импульсномодулированных передатчиках (рис. 2, б), работающих в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ), чаще всего используется мощный генератор СВЧ 3 (например, магнетрон), передающий колебания в антенно-фидерную систему 4. Генератор управляется импульсными колебаниями с помощью импульсного модулятора 2, на который, в свою очередь, воздействует генератор импульсов 1. § 3. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ И ХАРАКТЕРИСТИКА СОВРЕМЕННЫХ ГЕНЕРАТОРНЫХ ЛАМП В РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ

Современные генераторные лампы вследствие особенностей конструкции и благодаря применению высокоэффективных торированных, карбидированных и оксидных катодов не имеют явно выраженного насыщения, поэтому их ток эмиссии / е уже не является таким определенным параметром, как это имело место в лампах с вольфрамовым катодом. Кроме того, характеристики современных ламп, как анодно-сеточные, так и сеточно-сеточные, имеют веерообразный характер, а у характеристик сеточного тока отсутствует протяженный начальный участок, как в лампах старых конструкций. Для упрощения расчетов ламповых схем обычно применяют идеализацию реальных ламповых характеристик. Наиболее удачная кусочно-линейная идеализация характеристик была разработана в 30-х годах акад. А. И. Бергом на основе работ акад. М. В. Шулейкина и Н. Д . Папалекси, в результате чего была создана стройная инженерная теория расчета ламповых усилителей и генераторов.

Работы советских ученых последних лет позволили применить классическую идеализацию характеристик к современным лампам [7J. Как известно из курса электронных приборов, в лампах существуют суммарный или эмиссионный ток 1€ и токи электродов: анода t a , управляющей igl, экранной iKt и защитной igl сеток. Все эти токи зависят от мгновенных напряжений на электродах и определяются статическими характеристиками ламп. Не останавливаясь подробно на характере этих зависимостей, отметим две основные особенности работы ламп. 1. При отсутствии сеточных токов или их малой величине, (не более 10—15% t a ) суммарный ток равен анодному i e « la и характеристики этих токов совпадают. Такой режим работы лампы называется недонапряженным. В этом режиме пренебрегают влиянием сеточных токов на работу анодной цепи (учитывая эти токи только при рассмотрении соответствующей сеточной цепи). Из-за малой проницаемости генераторных ламп, особенно тетродов и пентодов, анодное напряжение слабо влияет на анодный ток, зависящий от напряжения на сетках (главным образом, управляющей). 2. При больших сеточных токах анодный ток определяется как разность между суммарным и сеточным токами ia = ie — ig, где в общем случае ig — i g , -f- ig, + ig,. Такой режим называется перенапряженным. В этом режиме происходит перераспределение суммарного тока между анодом и сетками, причем степень перераспределения зависит не от сеточных, а от анодного напряжения. Переход из одного режима работы в другой происходит сравнительно резко. Это позволяет выделить третий пограничный, или критический, режим, в котором сеточные токи еще малы, но их увеличение вызовет переход лампы в перенапряженный режим. Геометрическое место точек статических характеристик, соответствующих критическому режиму и разграничивающих области недонапряженного и перенапряженного режимов, образует так называемую линию критического режима. В тетродах и пентодах возможны режимы с большими токами экранной или управляющей сетки (ток защитной сетки либо равен нулю, либо весьма мал), поэтому различают степень напряженности режима по экранной или управляющей сетке. Как правило, тетроды и пентоды работают с малыми токами управляющей и защитной сеток, и напряженность 14

режима обычно определяется по экранной сетке. При этом общий сеточный ток ig да Используя кусочно-линейную идеализацию характеристик, можно получить уравнение основного участка идеализированной характеристики суммарного тока в зависимости от управляющего напряжения (рис. 3)