ПРИМЕНЕНИЕ АВТОГЕНЕРАТОРОВ В РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ

Радиопередающими устройствами (РПдУ) называются устройства, служащие для формирования, модуляции высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний и усиления по мощности, подводимых к антенне и передачи информации в рамках определенной системы. 

Основными каскадами РПдУ являются генераторы высокочастотных колебаний и модуляторы, реализующие управление параметрами колебаний в соответствии с передаваемой информацией.

Обобщённая структурная схема радиопередающего устройства приведена на рисунке 1.

Радиопередатчик включает следующие узлы:

Возбудитель, предназначенный для преобразования первичных электрических сигналов в радиосигналы, формирования сетки частот с заданным интервалом между соседними частотами и высокой стабильностью, с помощью которых осуществляется перенос радиосигналов на рабочую частоту в заданном диапазоне.

Рисунок 1. Обобщённая структурная схема радиопередающего устройства

Усилитель мощности предназначен для усиления радиосигналов, сформированных в возбудителе, до величины, обеспечивающей требуемую дальность связи с заданной надёжностью.

Согласующее антенное устройство обеспечивает согласование усилителя мощности с передающей антенной с целью излучения антенной максимальной мощности, подводимой от усилителя мощности.

Источник питания преобразует энергию переменного тока (50 Гц) в энергию напряжений, необходимых для питания каскадов передатчика.

Кроме указанных узлов существуют дополнительные системы, подключаемые к передатчикам: управления, блокировки, сигнализации и принудительного охлаждения.

Роль возбудителя может выполнить диапазонный автогенератор с параметрической стабилизацией частоты, модулируемый или манипулируемый первичным электрическим сигналом.  Такие возбудители часто использовались в маломощных передатчиках метрового диапазона, но из-за недостаточной стабильности частоты от них отказались.

Генератор с самовозбуждением (автогенератор) – самостоятельная электрическая система, предназначенная для получения устойчивых ВЧ колебаний без воздействия внешних возбуждающих факторов. В РПдУ используются автогенераторы, формирующие гармонические колебания. Частота и стабильность колебаний зависят только от структуры схемы генератора, параметров колебательной системы и электронного режима и питающих напряжений активного элемента и др. В высокочастотном тракте РПдУ автогенератор - это первый каскад возбудителя.

Автогенераторы реализуются на охваченных цепями отрицательной обратной связи усилителях. Для задания частоты генерации возможно использование LC-контуров, RС-цепей и кварцевых резонаторов. Элементы, задающие частоту генерации, включаются в цепь обратной связи. Структурная схема автогенератора приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема автогенератора

Принцип работы автогенератора заключается в том, что источник энергии через резонатор, посредством переходного колебательного процесса, воздействует на активный элемент. Активный элемент превращает энергию источника в энергию колебаний, передаваемых в резонатор. Амплитуда колебаний увеличивается тогда, когда мощность, которую потребляет резонатор, меньше мощности активного элемента. Возрастающая амплитуда приводит к энергетическому балансу. Активный элемент с ростом амплитуды переходит в нелинейный режим и приостанавливает увеличение отдаваемой мощности. Это приводит к уравновешиванию отдаваемой и потребляемой мощности. Если малые отклонения не влияют на равновесие, то устанавливается стационарный режим колебаний. Частота и амплитуда колебаний не изменяются во времени, характеризуются параметрами активного элемента и колебательной системы автогенератора.

Существуют два типа построения автогенераторов с колебательной системой. В автогенераторах первого типа используется электронный прибор, представляемый в виде нелинейного генератора тока (рисунок 3). За счет цепи обратной связи часть мощности сигнала из колебательной системы поступает на вход электронного прибора. После усиления поступившие колебания возвращаются в колебательную систему, компенсируя потери и поддерживая устойчивый режим автоколебаний. При этом необходимо соблюдение равенства фаз колебаний, отобранных из колебательной системы и вновь туда поступивших.

Рисунок 3. Схема автогенератора первого типа

Основой второго типа автогенераторов являются специальные генераторные диоды, в эквивалентной схеме (рисунок 4) которых имеется отрицательная активная проводимость (по причине падающего участка в вольтамперной характеристике (ВАХ) или запаздывания сигнала в приборе).  Такой прибор при подключении к колебательной системе компенсирует в ней потери, благодаря чему поддерживается режим автоколебаний.

Рисунок 4. Схема автогенератора на генераторном диоде

Мягкий режим самовозбуждения автогенератора осуществляется при выборе начальной рабочей точки на участке с максимальной крутизной передаточной характеристики усилительного элемента. Для этого на усилительный элемент необходимо подать соответствующее смещение: для кремниевых биполярных транзисторов Есм=0,7 −  0,8 В; для германиевых 0,2 −  0,3 В.  

При выборе начальной рабочей точки на участке с большой крутизной передаточной характеристики, колебательная характеристика при малой амплитуде возбуждения имеет большую крутизну. Далее с ростом напряжения на входе усилительный элемент переходит в нелинейный режим, его средняя крутизна уменьшается, он переходит в режим насыщения. При выбранном режиме любые сколь угодно малые отклонения напряжения будут возрастать до величины амплитудного значения напряжения перехода база-эмиттер в стационарном режиме.

Жесткий режим требует дополнительных условий для установления колебаний: либо большой величины коэффициента обратной связи, либо дополнительного внешнего воздействия (накачки).

Каждый из рассмотренных режимов обладает своими достоинствами и недостатками. Основным достоинством мягкого режима является плавное изменение амплитуды выходного напряжения. Недостаток состоит в малом значении КПД (η <50%). В жёстком режиме автогенератор работает с отсечкой тока, т.е. в энергетически выгодном режиме с высоким КПД (η ≈ 80 %). Усилительный элемент работает в лёгком тепловом режиме. Недостаток жёсткого режима заключается в том, что колебание возникает при определённом толчке, амплитуда нарастает резко и трудно поддается регулировке.

Список литературы:

1. Николаенко А.И., Усенков В.Н., Михайлова Н. Ю. Исследование дальности связи микросхемы NRF24L01+ при использовании различных типов антенн// Инфокоммуникации и космические технологии: состояние, проблемы и пути решения. – 2018 – с. 301-308.
2. Николаенко А.И., Усенков В.Н., Михайлова Н. Ю. Система дистанционного контроля объекта по каналу сотовой связи на основе ARDUINO// Инфокоммуникации и космические технологии: состояние, проблемы и пути решения. – 2018 – с. 296-301.