Радиопередающие устройства

1.Радиопередающие устройства

 

        Радиопередающие устройства (РПДУ) предназначены для передачи

сообщений на значительные расстояния с помощью электромагнитных волн и обеспечивают выполнение следующих функций:

   - генерирование электромагнитных колебаний;

   - их модуляцию в соответствии  с передаваемым сообщением;

   - усиление сигналов и  их фильтрацию.

  РПДУ входит в состав радиотехнических  систем и комплексов, содержащих антенны, радиоприёмные устройства, а также специальные вспомогательные устройства.

 

Структура и параметры РПДУ определяются:

1. Назначением систем связи или РТ-системы; назначение определяет диапазон рабочих частот на основе принятых международных и Государственных распределений радиочастот).
2. Обеспечением необходимого качества связи за счёт регламентации характеристик трактов, уровней нелинейных и частотных искажений.
3. Обеспечением ЭМС с другими радиоэлектронными средствами (ограничение по и уровням внеполосного и побочного паразитного излучения).
4. Условиями эксплуатации РПДУ, условиями климатических и механических воздействий, требованием по надёжности, наличием систем контроля и диагностики режима работы.
5. Проблемами экологии в отношении воздействия на биологические объекты, а также уменьшения выброса тепла в окружающую атмосферу.
6. Технико-экономическими показателями: стоимостью разработки, изготовления и эксплуатация РПДУ.

 

Классифицируются РПДУ по следующим признакам:

1. По назначению:

   - связные, связные магистральные,

   - связные с подвижными  объектами,

   - радиолокационные, радионавигационные, радиоуправления,

   - телевизионные,

   - радиотелефонные, аппаратура сотовых мобильных сетей.

2.  По числу радиоканалов:  - одноканальные,    - многоканальные;

3.  По видам уплотнения каналов: - FDMA, - TDMA,  - CDMA;

4.  По роду работы (видам модуляции и излучений):

   - телеграфия, - телефония,  - импульсные;

5.  По виду сигналов:   - аналоговые,   - цифровые;

6.  По виду носителей:  - стационарные, - мобильные: бортовые, носимые;

7.  По уровню выходной мощности Pвых:: мощные, средней мощности, маломощные.

 

 

 

Основные параметры РПДУ

1. Диапазон рабочих частот, полоса рабочих частот (полоса частот, в пределах которой значения параметров РПДУ не хуже, заданных ТУ).
2. Величина Pвых, определяющая дистанцию связи.
3. Общий КПД (отношение излучаемой мощности к мощности, потребляемой от источника питания, в том числе расходуемую и на охлаждение РПДУ).
4. Виды сигналов и способы их модуляций: АМ, ЧМ, ФМ, ИМ, цифровые виды модуляции; ширина спектра излучаемых сигналов.
5. Способ передачи сообщений (радиотелевещание, радиотелефонные каналы связи, линии радиоуправления и др.).
6. Уровни внеполосных (паразитных) излучений.
7. Быстродействие (скорость перестройки по частоте).
8. Параметры качества (уровни паразитной модуляции, перекрёстных помех, шумов и т.д.).
9. Удобство эксплуатации (степень автоматизации, сервиса и контроля, возможность взаимодействия с РС; надёжность и затраты на эксплуатацию; виды и способы охлаждения выходных каскадов).

 

   Обобщенная структурная  схема РПДУ представлена на  рис.1.

 

 

Рис.1.Обобщенная структурная схема РПДУ

 

 

       Основные энергетические параметры РПДУ – уровень выходной мощности и КПД – определяются видами и параметрами активных элементов оконечных каскадов усилителей мощности РПДУ. Достигнутые значения этих параметров современных  биполярных и полевых транзисторов, ЛБВ, магнетронов, генераторных ламп (электровакуумных триодов и тетродов), полупроводниковых генераторных диодов для различных диапазонов частот приведены на рис.2а,2б.

 

     

            

                              Рис.2а

 

  

                 Рис.2б. Достигнутые значения параметров активных элементов

                              современных РПДУ

 

 

        Рассмотрим  конструкции и принципы действия  таких генераторных (т.е. предназначенных для работы  в выходных каскадах РПДУ) активных элементов.

    Генераторные лампы (ГЛ) - мощные электровакуумные триоды, тетроды,

пентоды - так называемые «генераторные лампы» - являются основным мощным электронным прибором, используемым в мощных РПДУ ДВ, СВ, КВ, УКВ, частично ДЦМ диапазонов. Верхний предел мощности ГЛ в импульсном режиме  работы может приближаться к МВт. Это триоды (3х-электродная лампа), тетроды (4х-электродная лампа), пентоды (5ти-электродная лампа) (рис.3а, 3б, 3в соответственно).

 

                        Рис.3а                         Рис.3б                         Рис.3в

 

     Сами ГЛ являются  усилительными приборами и процесс  генерации в

генераторах на их основе реализуется схемными методами. Термин «генераторная» указывает лишь на область использования таких приборов.                     

         Процесс усиления сигналов в ГЛ обеспечивается за счет модуляции электронного потока, распространяющегося в условиях вакуума под действием ускоряющего поля анода от катода к аноду ГЛ. Электронный поток образуется за счет термоэмиссии электронов с активированной поверхности катода.

 

Классифицируются современные ГЛ по уровню выходной мощности

следующим образом:

                    – маломощные                             Рвых  25 Вт

                    – средней мощности           25 Вт Рвых 1кВт,

                   – мощные                                    Рвых 1кВт.

                                          

        Для обозначения ГЛ используется следующая нумерелогия:

1. «Г» – генераторная;
2. «К»-коротковолновый, «У»-УКВ, «С»- сантиметровый диапазон рабочих частот, «М»-модуляторные, «И»–импульсные.
3. – две цифры– номер заводской разработки.
4. Способ охлаждения анода: «А»–жидкостное (водяное) принудительное, «Б»–воздушное принудительное, «П»–пароводяное;  при отсутствии буквы– естественный способ охлаждения.

        Аноды мощных генераторных ламп выполняются из меди и для них используется принудительный воздушный или жидкостной способ охлаждения; анод при этом является частью баллона лампы, т.е. он расположен снаружи; сам баллон лампы выполняется или из стекла, или из керамики.

       Аноды  ламп средней и малой мощности обычно изготавливаются из тугоплавких металлов (Та, Мо, Zr) и размещаются внутри стеклянного баллона лампы.

        Обычно генераторные лампы включаются по следующей схеме: анод подсоединен к корпусу, а на катод подано высокое напряжение отрицательной полярности. Типовая схема  усилительного каскада на генераторном тетроде представлена на рис.4.

Рис.4

Параметры ГЛ: fmax; полезная мощность Р~ном; предельно-допустимая мощность, рассеиваемая на аноде ГЛ (Радоп) (именно её необходимо отвести системой охлаждения); Рсдоп; Рэдоп; Jэ– ток эмиссии катода; напряжение накала.

Типовой режим работы: используется режим класса В с сеточными токами; по степени напряженности –  режим перенапряженный или граничный.

  К достоинствам УМ на ГЛ следует отнести:

– стойкость к внешним воздействиям (в частности– к радиации);

–большой коэффициент усиления Кр;

–высокая линейность амплитудной характеристики;

–высокий уровень выходной мощности Рвых и КПД.

−высокая эффективность в импульсном режиме работы.

  К недостаткам

– высокие значения питающих напряжений (единицы – десятки кВ), и как

следствие – сложность реализации источников питания и проблемы с ТБ;

- узкополосность усилительных каскадов; необходимость, как следствие,

использовать сложные системы перестройки большого числа контуров при работе  в широкой полосе частот

- необходимость применения цепей накала;

- габариты и веса, уступающие твердотельной электронике.

 

Лампы бегущей волны (ЛБВ)

        Принцип действия ЛБВ основан на взаимодействии электронного потока с замедленной волной электромагнитного поля, распространяющегося вдоль замедляющей системы в продольном магнитном поле (рис.5). Электроны, вылетающие из катода в результате термоэлектронной эмиссии, дрейфуют от катода к аноду вдоль замедляющей системы (ЗС) под действием ускоряющего электрического поля анода, группируясь (фокусируясь) в тонкий циллиндрический пучек под действием продольного постоянного магнитного поля. На входе в ЗС под воздействием входного СВЧ сигнала электронный пучек модулируется по скорости, т.е. электроны приобретают различные скорости: ускоряются, если СВЧ поле их ускоряет дополнительно к полю анода; или замедляются, если СВЧ поле их тормозит относительно скорости, определяемой постоянным электрическим полем анода.

 

 

                                                                         Рис.5

 

          В пространстве дрейфа электронный поток группируется в «сгустки», которые, двигаясь к аноду, взаимодействуют с замедленной замедляющей системой электромагнитной волной.

Причем, «сгусток» электронного потока отдает энергию этому замедленному полю, тем самым усиливая его, лишь в том случае, если «сгустки» находятся в тормозящей фазе СВЧ поля. В ускоряющей фазе СВЧ поля электроны просто отсутствуют (дрейфует т.н. «разряженность» электронного потока); поэтому просто нечему отбирать энергию от СВЧ поля. Таким образом, в итоге происходит усиление входного СВЧ сигнала. А продольное постоянное магнитное поле компенсирует взаимное расталкивание электронов в «сгустках».

Параметры современных ЛБВ: рабочие диапазоны частот:  1–2ГГц, 2–4ГГц, 4–8ГГц; 8–12ГГц; 12–16ГГц;  Рвых ~100Вт; 1 кВт; Кр до 45дБ; КПД до 70%.

В современных ЛБВ фокусирующая магнитная система выполняется пакетированной (набирается пакет магнитов из ферритовых колец).

Области применения ЛБВ: 1) спецтехника СВЧ диапазона, 2) бортовые РПДУ спутникового телевещания (f=11–15ГГц; Рвых~100Вт).

Обозначение в КД: УВ и далее следует заводской номер.

 

Магнетроны (М)

Магнетрон представляет собой двухэлектродный СВЧ генераторный прибор (рис.6), основанный на взаимодействии e-потока с электромагнитным ВЧ полем при движении электронов от катода к аноду в поперечном постоянном магнитном поле. Конфигурация анода магнетрона в поперечном сечении и варианты возможных траекторий движения электронов в поперечном магнитном поле представлены на рис.6 и 7. В аноде магнетрона прорезаны резонаторы (обычно 8–12 шт.). Частота выходного сигнала магнетрона определяется частотой настройки его резонаторов. Все они настроены на одну и ту же частоту. Все резонаторы связаны с областью дрейфа e-потока (пространством между анодом и катодом) щелью связи.

      Все  траектории движения электронов под действием двух постоянных полей: электрического ускоряющего (напряжение между анодом и катодом) и поперечного магнитного по своей математической сути есть циклоиды.

      Если электрон, пролетая вдоль щели связи, попадает в тормозящую фазу СВЧ поля, возбужденного в резонаторе, он тормозится этим полем и отдает ему свою энергию–энергию источника питания, усиливая СВЧ поле. Если же электрон, пролетая вдоль щели связи, попадает в ускоряющую фазу СВЧ поля, он ускоряется этим полем, а следовательно, отбирает у него энергию.

За счет модуляции электронного потока по скорости (следовательно, и по плотности) электронное облако группируется в т.н. «спицы», представляющие собой вращающиеся «сгустки» и «разряженности» электронного потока. Число «спиц» при этом равно числу резонаторов анода. Если за счет выбора режима обеспечить синхронизм вращения электронного облака  с изменением направления СВЧ поля на щелях резонаторов, так что «спица», представляющая собой «сгусток» электронов, будет всегда проходить щель при тормозящей фазе СВЧ поля на ней, то поле будет усиливаться, за счет чего возникнет генерация СВЧ поля на собственной частоте резонаторов анода магнетрона.

                                                                                Рис.6

   

                                                                                                     Рис.7

 

        Магнетроны являются одним из самых мощных современных электронных генераторных приборов. В непрерывном режиме их мощность может достигать нескольких десятков кВт, в импульсном–несколько десятков МВт при очень высоких КПД (до 80%).

    Основная область использования магнетронов–спецтехника (в частности–радиолокация). Но и в бытовой технике они используются чрезвычайно широко–в бытовых микроволновых печах СВЧ. Для этих целей налажен выпуск специальных магнетронов  на частоту 2,45ГГц с уровнем выходной мощности ~800–900Вт.

 

Диоды Ганна и генераторы на диодах Ганна

Принцип действия диода Ганна (ДГ) основан на использовании эффекта регулярных пульсаций тока, вызванных объёмной нестабильностью заряда, появляющейся в полупроводниках высокой степени легирования  в больших полях. В полупроводниках (обычно это GaAs) при определённой концентрации и подвижности носителей заряда при подаче постоянного напряжения может возникнуть ситуация, при которой образуется неоднородность плотности заряда, т.н. «домен», перемещающейся от катода к аноду полупроводникового образца со скоростью дрейфа Vдр.о. Сам «домен» является неоднородностью пространственного заряда, на одной из границ которого накапливается отрицательный заряд, на другой границе–положительный заряд, что в свою очередь приводит к возрастанию напряженности поля внутри домена и снижению напряженности поля вне домена (рис.  ). Т.е. образование домена приводит к перераспределению потенциала вдоль полупроводника. Т.к. напряженность поля вне домена ниже, чем внутри домена, это препятствует образованию второго домена, пока существует первый. Но как только первый домен, дрейфуя со скоростью Vдр.о, достигнет анода, он исчезает, создавая импульс тока во внешней цепи. И тут же  в районе катода возникает очередной домен и он точно также перемещается к аноду со скоростью Vдр.о. Т.е. домен–образование устойчивое; необходимым условием его существования является поддержание определенного соотношения между скоростью и подвижностью носителей зарядов. Частота повторений импульсов тока во внешней цепи определяется временем дрейфа  др =Lобр /vдр .    Для GaAs  vдр = 107 см/с. Следовательно fпр  = 1/ др =100/ Lобр .

       С этой частотой в образце полупроводника формируются  пульсации потока электронов, что приводит к периодическому изменению тока  во внешней цепи генератора с частотой  fпр, а эти частоты соответствуют СВЧ диапазону.