Усилитель Колебания высокой частоты, генерированные

высокой частоты ВЧ-генератором, можно было бы в принципе

модулировать низкочастотным сигналом (НЧ-сигналом) и излучать. Однако мощностьих весьма мала и радиус действия такого передатчика оказался бы очень незначительным. Поэтому прежде чем излучать ВЧ-колебания, их необходимо усилить. Для этой цели предназначены усилительные каскады на транзисторах Tj и Tj. Рассмотрим сперва каскад на Т2 (рис. 104). В отличие от известных уже нам усилительных каскадов он содержит параллельный контур, состоящий из катушки и конденсатора и включенный в коллекторную цепь . С такой схемой мы уже знакомы. Это колебательный контур (как мы назвали его ранее - схема с особыми свойствами). С его помощью можно реали-

\вч-генератор \вЧ-уштель \оионечиый Антеннл.

А, шскад I

\ Модулятор I

серВечнина)

Рис. 103. Принципиальная схема высокочастотной часта передатчика.

промышленного производства индуктивностью ЮмкГн.

зовать на резонансной частоте относительно высокое сопротивление переменному току. Для всех других частот колебательный контур представляет собой незначительное сопротивление, а следовательно, и усиливает их соответственно намного слабее. Это очень важно, поскольку радиоустройство пропускает только вполне определенную долю высших гармоник.

Что такое высшие гармоники? До тех пор, пока мы имеем дело только с чисто синусоидальными колебаниями, существует всего одна I армоника - основное, исходное колебание. Однако стоит такую синусоиду несколько ограничить по амплитуде, как возникают колебания почти прямоугольной формы. На рис. 105 наглядно показано, как из суммы синусоидальных составляющих можно получить колебания прямоугольной формы. Следовательно, прямоугольные колебания в свою очередь можно рассматривать как сумму синусоидальных. Для расчетов, связанных с гармониками, применяют спещ1альный математаческий аппарат - гармонический анализ (ряды и интеграл Фурье). Он позволяет определить число и долю синусоидальных колебаний различной частоты в колебаниях иной формы. Из рис. 105 видно, ч1о помимо синусоидального колебания основной частоты /о всегда имеется множество колебаний с меньшими амплитудами и частотами, кратными основной частоте. Эта колебания и носят название высших гармоник. В соответствии с действующими правилами частоты гармоник не должны превышать некоторого определенного значения. На частотах 2/о или З/о колебательный контур уже почти полностью расстроен, т. е. находится вне резонанса, поэтому колебания таких частот усиливаются очень слабо. И все же доля высших гармоник может оказаться еще столь значительной, что потребуются мероприятия по их подавлению.

В усилительном каскаде на 7 , достаточно подавления высших гармоник с помощью простого параллельного колебательного контура. Для того чтобы транзистор Т2 не сильно подавлял основную гармонику (резонансную частоту), его коллектор присоединен к отводу катущкиL2.Рассмотрим теперь другие элементы усилительных каскадов.

ВЧ-выход

Рис. 104. Высокочастотный усилительный каскад.

Рис. 105. Основная частота и гармоники колебаний прямоугольной формы.

1 - основная частота (синусоидальные колебания); 2 - третья гармоника; 3 - сумма основной частоты и третьей гармоники; 4 - прямоугольные колебания.

у внимательного читателя наверняка уже возник вопрос: если рассмотренный каскад - усилительный, то где же тогда делитель базового напряжения? Различают режимы работы усилителей трех основных классов, обозначаемых буквами А, В и С. Усилители, с которыми мы познакомились ранее, работают в режиме класса А. Для осуществления такого режима с помощью некоторой схемы (в нащем случае это был делитель базового напряжения) рабочая точка на нагрузочной характеристике выбирается с таким расчетом, чтобы по обе стороны от нее были примерно одинаковые части характеристики. Без £1одачи управляющих сигна-

лов через транзистор протекает ток покоя =

В режиме класса В смещение на базу отсутствует, благодаря чему на всю характеристику приходится только положительная полуволна. Это повышает коэффициент полезного действия усилителя (теоретически он может достигать 78,5%). Кроме того, по сравнению с режимом класса А облегчается температурный режим транзистора.

Самым благоприятным режимом работы передатчика является режим класса С, ибо здесь при теоретически достижимом КПД 89,7% практически надежно удается получить 85%. Рабочая точка сдвигается еще дальше в область отсечки, так что транзистор усиливает лишь вершины синусоид (рис. 106). Вследствие этого усиление в режиме класса С несколько меньше, зато обеспечивается хорошая температурная стабильность. Но сравнению с другими режимами в режиме класса С при той же самой мощности высокой частоты тепловые потери транзистора наименьшие. Кроме того, схема чрезвычайно проста. Напряжение для смещения рабочей точки влево вдоль оси (fe получается за счет комбинации элементов R и С в цепи эмиттера (автоматическое смещение).

В режиме класса С транзистор усиливает лишь часть управляющего напряжения, поэтому его выходное напряжение очень сильно искажено и и содержит множество высших гармоник. Отсюда понятно, почему при описании последующих частей схемы необходимо уделять самое пристальное внимание подавлению высших гармоник.

Для того чтобы путем комбинации элементов R и С в эмиттерной цепи можно было эффективно обеспечить требуемый сдвиг рабочей точки, присоединим базу через К 5 к минусовому проводу (см. рис. 103). С действием конденсаторов связи и (: мы, по существу, познакомились уже при рассмотрении работы ЛГ-усилите-ля (см. Транзистор играет роль усилителя ) . Резисторы и W7 в схеме, приведенной на рис. 104, подключены к минусу

Рис. 106. Рабочая характеристика усилительного каскада в режиме класса С.

- -

Рис. 107. к получению полосового фильтра: а - параллельный колебательный контур; б - параллельный колебательный контур с разделенной емкостью; в -простой полосовой фильтр; г - двухзвенный полосовой фильтр.

источника питания. В схеме на рис. 103 они нодключены к коллектору модуляторного транзистора, который закорачивается на корпус в такт с модулирующим напряжением. Поэтому действие резисторов К; и R-. ничем не отличается от рассмотренного при описании работы схемы ВЧ-усилителя. На сам процесс модуляции мы обратим в дальнейщем более пристальное внимание.

Рассмотрим теперь оконечный каскад ВЧ-усилителя на транзисторе 7 з. Схему двухкаскадного ВЧ-усилителя мы выбрали для того, чтобы обеспечить приемлемое межкаскадное согласование. ВЧ-генератор должен обеспечить высокую надежность колебаний и безупречную работу на всех высокочастотных каналах. В усилительном каскаде на , слабо связанном с генератором через конденсатор Сц, колебания высокой частоты в определенной степени усиливаются и модулируются. Окончательное же их усиление до требуемой мощности происходит в оконечном каскаде, собранном на транзисторе Tj. Здесь нам приходится иметь дело с существенно больщими мощностями, поэтому необходимо предусмотреть дополнительные мероприятия по подавлению высщих гармоник и согласованию каскадов. Для подавления высших гармоник воспользуемся снова свойствами параллельного колебательного контура. Комбинация элементов /. и С в коллекторной цепи транзистора на первый взгляд может показаться очень запутанной, однако это не что иное, как тот же самый параллельный колебательный контур. Рассмотрим его несколько внимательнее. В специальной литературе такие схемы называют полосовыми фильтрами.

На рис. 107 показано, как можно получить полосовой фильтр из обычного параллельного контура. Сперва конденсатор б'о заменяется на (. и (2. При этом для получения той же резонансной частоты емкости конденсаторов С\ и б'г должны быть вдвое больше, чем (-о- Общая точка между конденсаторами С, и (2 соединяется с корпусом. ВЧ-колебания снимаются с точки В колебательного контура, поэтому напряжение питания должно подаваться на транзистор Т через дроссель Др. Для частоты f = 27,12 МГц дроссель с индуктивностью 10-20 мкГц представляет собой большое индуктивное сопротивление, тогда как постоянное напряжение питания проходит через него беспрепятственно. Название фильтра такая схема носит потому, что для высших гармоник она является преградой, а основную частоту пропускает свободно. Действие фильтра можно объяс-

нить следующим образом. В соответствии с формулой ~

сопротивление конденсатора тем меньще, чем выще частота. Для колебаний основной частоты /о конденсатор С\ , соединяющий точку А с корпусом, предстааляет, таким образом, довольно высокое сопротивление. Ьри З/о, 4/о и т. д. сопротивление \(;, становится все меньше, так что высшие гармоники практически замыкаются на корпус. Аналогично действует и конденсатор С2, связывающий с корпусом точку В. Отсюда видно, что емкости С, и С2 следует выбирать по возможности большими. Расчет параметров С\ , С2 и достаточно сложен, поэтому при уточнении применяемой нами схемы передатчика снова прибегнем к оправдавшему уже себя методу подбора параметров.

С целью дальнейшего улучшения подавления высших гармоник можно простой полосовой фильтр превратить в двухзвенный. Средний конденсатор в таком фильтре обладает еще более высокой емкостью, благодаря чему эффективность действия фильтра существенно возрастает.

Двухзвенный полосовой фильтр, называемый часто я-фильтром, имеет еще одно замечательное свойство. Мы знаем, что транзистор в зависимости от того, по какой схеме он включен (с общей баьой, общим эмиттером или общим коллектором), обладает различными входными и выходными со£1ротивлениями. При желании добиться максимального усиления мощности, а именно это и является задачей оконечного каскада, каскады должны быть согласованы. Условием согласования является равенство выходного сопротивления усилительного каскада входному сопротивлению следующего каскада.

Нам известно, что я-фильтр содержит в себе емкостной делитель напряжения, а значит, с его помощью мы тоже можем решать проблему согласования. В зависимости от нагрузки транзистор оконечного каскада имеет выходное сопротивление 50-300 Ом. С этим каскадом нужно согласовать антенну, сопротивление которой составляет около 35 Ом. Большему сопротивлению соответствует и большая доля подаваемого на делитель напряжения, а значит, входная емкость я-фильтра (со стороны транзистора) должна иметь меньшее значение. Меньшее сопротивление (в точке присоединения антенны) согласуется с выходным сопротивлением транзистора за счет большего значения выходной емкости фильтра.

Итак, подведем итоги: тг-фильтр как колебательный контур выходного каскада вполне удовлетворительно вьшолняет задачи подавления высших гармоник и согласования передатчика с антенной. Для точной настройки колебательного контура оконечного каскада на резонансную частоту катушка индуктивности фильтра снабжена подстроечным сердечником.

Модуляция колебаний Нам уже известно, что колебания высокой

высокой частоты частоты используются при передаче сигнапа

или команды лишь в качестве несущих, а собственно командная информация содержится в импульсном сигнале.

S) U2,

Рис. 108. Наложение двух колебаний: а - колебания основной частоты/1; б-колебания частоты /21 f и ~ колебания частоты /22/1; - суммарные колебания с огибающей, имеющей часто-

WVAAAA/WW!

Для осуществления передачи необходимо наложить на ВЧ-колебания импульсный сигнал (промодулиро-вать низкой частотой /н ч высокую /вч) Какие же физические процессы протекают при этом? Рассмотрим для пояснения временные диаграммы, приведенные на рис. 108. Для примера мы выберем две частоты /, и /2 i, не очень сильно отличающиеся друг от друга (/, больще/21). На колебания частоты/, наложим колебания частоты/21 при условии, что амплитуда последних меньще. Суммируя по точкам обе кривые (рис.108, а и б), получим результирующие колебания (рис. 108, г) . Характерным для суммарных колебаний является то, что их частота совпадает с /1, а амплитуда меняется в соответствии с огибающей. Оказывается, что огибающая результирующих колебаний является периодическим процессом с частотой/3. Такую же частоту огибающей /3 мы получим и в том случае, если колебания частоты /1 наложим на колебания частоты /2 2. где /2 2 >/1 (рис. 108, ).

Таким образом, наряду с основными колебаниями частоты/ амплитуда которых меняется по закону огибающей с частотой /3, имеют место разностные или суммарные колебания /21 =/i -/3 или /22 =/] +/з-Соверщенно то же самое происходит при модуляции в передатчике системы дистанционного управления. Модулируемая высокая частота / = = 27,12 МГц (рис. 109) соответствует частоте /, в нащем примере, а модулирующий импульсный сигнал - частоте огибающей /3. То, что огибающая на рис. 109 в отличие от огибающей на рис. 108, г имеет прямоугольную форму, объясняется лищь особенностями типа модуляции, принцип же ее в обоих случаях остается неизменным. Ведь нам известно, что прямоугольные колебания представляют собой сумму основной и множества высших синусоидальных гармоник. Важно помнить лишь о том, что в модулированных ВЧ-колебаниях содержатся следующие частоты:

/i - /3 =/вч ~ /нч (нижняя боковая частота); /1 =/вч (несущая частота);

/1 +/з =/вч /нч (верхняя боковая частота).

Таким образом, после модуляции импульсный сигнал проявляется в боковых частотах или, иначе говоря, в огибающей, самостоятельно же

он больше не существует. Произошла трансформация низкой частоты в область более высоких частот, о необходимости которой для передачи информации говорилось выше. Возникшая вследствие модуляции смесь частот (несущей ]и двух боковых) поступает на колебательный контур оконечного каскада. Боковые частоты отличаются от основной всего примерно на 0,01% и находятся поэтому в полосе пропускания колебательного контура (затухание d = 5 10%). Низкая частота присутствует в обеих боковых, а это означает, что именно они (или, что то же самое, огибающая модулированных ВЧ-колебаний) несут в себе сигнальную информацию. Названия верхняя и нижняя боковые частоты становятся ясными при рассмотрении рис. 110.

Передатчик низкочастотной системы дистанционного управления излучает по меньшей мере четыре канальные частоты, поэтому будем говорить не об отдельных боковых частотах, а о нижней и верхней боковых полосах, в пределах которых лежат' эти четыре частоты. Разность между наивысшей и наинизшей боковыми частотами - / дает полосу пропускания Д/ передатчика. В нашем случае Д/ = 8,6 кГц.

Мы знаем, что импульсный генератор генерирует напряжение сигнала, а ВЧ-1енератор - напряжение высокой (несущей) частоты и что для передачи сигнала высокую частоту следует промодулировать низкой. Импульсный сигнал представляет собой переменное напряжение, близкое по форме к прямоугольному. С помощью низкой частоты мы можем управлять работой электронного ключа. Таким ключом является транзистор 74 в схеме, представленной на рис. 103, управляемый через К, 2 непосредственно от датчика канальных импульсов. Транзистор Т^, включенный между.эмиттером транзистора Tj и минусовой шиной источника питания, в такт с импульсными сигналами размыкает и замыкает цепь питания транзистора Гг. Вследствие этого на выходе оконечного каскада в такт с импульсными сигналами то прерываются, то вновь возникают колебания высокой частоты; высокая частота модулируется импульсными си1налами.

Теперь можно переходить к монтажу и опробованию передатчика.

Нижние Воно-Вые частоты

Рис. 109. Модулированные высокочастотные колебания передатчика устройства дистанционного управления.

27,12МГи.

Верхние Боковые частоты

------

полоса.

Полоса пропуска

Рис. 110. Несущая частота и боковые частоты njM модуляции.

сВерление /+ч сВерление ~0мп ФЗмм

Рис. 111. Печатная плата (в) и схема расположения деталей (б) высокочастотной

части передатчика.

Рис. 112. Монтаж высокочастотной части передатчика.

Мы строим передатчик системы дистанционного управления

Изготовив плату передатчика согласно рис. 111, намотаем все катушки и приклеим их (кроме катушки /.5) двухкомпонентным клеем к плате, которая с помошью 17-миллиметровых распорных втулок привинчивается к корпусу передатчика. Для быстрой смены каналов кварцевые резонаторы должны легко вставляться и выниматься снаружи. С этой целью на резонатор натягивают трубку из лакоткани. При вставленном резонаторе эта трубка выступает наружу над поверхностью корпуса примерно на 4 мм и резонатор теперь легко захватить и вынуть из гнезда для замены.

Закончив пайку всех элементов монтажа (рис. 112) проверим работоспособность передатчика без кварцевого резонатора. Прежде всего вывинтим сердечники всех катушек. Схема при этом должна потреблять ток ~6 мА. Затем следует произвести предварительную настройку по высокой частоте. От качества этой работы зависит, сумеем ли мы добиться максимальной мощности передатчика, а значит, и обеспечить его максимальную дальность действия. В свою очередь, точность настройки по низкой частоте сильно влияет на надежность функционирования отдельных каналов, а тем самым и на надежность работы устройства в целом.

Предварительную настройку по высокой частоте следует производить на деревянном столе, с которого должны быть удалены все металлические предметы (инструменты и т. п.). Для настройки контуров понадобится маленькая пластмассовая отвертка (заточенная пластмассовая вязальная спица).

Настройка Ддя настройки высокочастотной части нам

высокочастотной потребуется значительное время и большое

части передатчика терпение. Максимумы в отдельных точках

согласования выражены очень остро; настроиться на них точно - задача достаточно сложная. Неточная же настройка ведет к уменьшению излучаемой мощности, а значит, и дальности действия.

Настройка генератора. Присоединим высокочастотный блок к заряженному 12-вольтовому аккумулятору передатчика и включим в плюсовой провод авометр (шкала 30 мА). При полностью вывернутом сердечнике катушки />, (см. рис. 103) прибор должен показать ток около 6 мА (при вставленном кварцевом резонаторе). Затем, медленно вворачивая сердечник, будем наблюдать по прибору за возрастанием тока до максимального значения (примерно 12 мА), после чего повернем сердечник на пол-оборота назад. Если у нас имеются кварцевые резонаторы на несколько каналов, их следует испытать в схеме; значения токов при этом должны получиться примерно одинаковыми. Положение сердечника катушки /., фиксируется капелькой воска и больше не должно изменяться.

Настройка ВЧ-усилйтеля. Прежде всего припаяем перемычку от входа модулятора к шине +12 В. Потребляемый ток будет при

этом более 20 мА. Вращая сердечник катушки Л добьемся минимума этот тока (резонанса в параллельном колебательном контуре; значение тока должно быть меньше 20 мА).

Настройка оконечного каскада. Подключим параллельно конденсатору (13 высокочастотный измеритель мощности (см. рис. 96). Сперва проконтролируем ток, потребляемый всей схемой целиком. Его значение должно быть примерно 60 мА (не забудьте переключить шкалу!). Если имеется еще один комбинированный прибор, применим ею дополнительно для измерения мощности ВЧ-колебаний.

I утем вращения сердечника катушки /.3 (см. рис. 103) добиваемся как можно более высокой мощности ВЧ-колебаний. Результат может быть еще выше, если произвести регулировку катушки /.2 Потребляемый ток должен достичь при этом 7,5 мА. Настроив высокочастотную часть передатчика, дадим ей поработать на полную мощность в течение 20 мин. После этого еще раз подстроим катушки /,2 и на максимум-мощности при потребляемом токе порядка 75 мА. Перемычку между R2 и шиной -И2 В отпаяем лишь после того, когда будет подключена импульсная часть передатчика (кодер).

Антенна излучает Ангенна Имеет назначение преобразовывать

высокую частоту ВЫСОКИМ КПД подводимую энергаю ВЧ-ко-

лебаний в энергию электромагнитного поля. Наибольшее значение силы электрического и магнитного полей при минимальной подводимой энергии достигается, когда колебательный конгур возбуждается на собственной частоте (в случае резонанса). Для излучения энергии сконцентрированные поля катушки и конденсатора преобразуются таким образом, чтобы их силовые линии пронизывали как можно большее пространство. Элементы контура следует рассредоточить так, чтобы от замкнутого колебательного контура перейти к открыто-м у . Для этого представим себе будто пластины конденсатора превращаются в штыри. Силовые линии электрического поля охватывают пространство между этими штырями (рис. 113).

Заряды стекают по штырям, что эквивалентно протеканию электрического тока, а Это означает, что вокруг штырей образуется магнитное поле. Разведя штыри так, чтобы один стал как бы продолжением другого (с общей осью), мы получим антенну. Катушка теряет теперь свое прежнее назначение ~ быть индуктивностью колебательного контура; она служит только в качестве наконителя энергии.

Электромагнитное поле высокой частоты охватывает теперь пространство вокруг антенны. При этом посередине возникает наиболее сильное магнитное поле, а по обоим концам - наиболее сильное электрическое поле. Поля распространяются во все стороны от антенны со скоростью света. Такую антенну называют дипольной (или просто диполем).

От распределения полей можно перейти к распределению -юков и напряжений (рис. 114). Там,где магнитное поле максимально, наибольшее значение имеет и ток. Говорят, что посередане диполя возникает пучность тока (максимум тока) , а на концах - узлы (минимум тока) . У электрического поля, а следовательно, и распределенного напряжения.