Введение

Радиопередатчик – это электронное устройство, которое генерирует радиоволны с помощью антенны. Радиоволны – это электромагнитные волны с частотами от 30 Гц до 300 ГГц. Сам передатчик генерирует высокочастотный переменный ток, который подается на антенну. Под воздействием этого переменного тока антенна излучает радиоволны. Передатчики являются необходимыми компонентами всех систем, использующих радиосвязь: радио- и телевещание, сотовые телефоны, беспроводные сети, радиолокация, двусторонние радиостанции, такие как рации, радионавигационные системы, такие как GPS, системы дистанционного доступа и множество других применений. Передатчик может быть отдельным устройством или электронной схемой внутри другого устройства. Большинство передатчиков состоят из электронного генератора, который создает колеблющуюся несущую волну, модулятора, который накладывает информационный сигнал на несущую, и усилителя, который увеличивает мощность сигнала. Для предотвращения взаимных помех между пользователями радиочастотного спектра, передатчики строго регулируются национальным законодательством в области радиосвязи и ограничены определенными частотами и уровнями мощности в зависимости от назначения. Как правило, конструкция должна быть сертифицирована перед продажей. Важным юридическим требованием является то, что схема не должна излучать значительную мощность радиоволн за пределами выделенной полосы частот, что называется паразитным излучением.

Проблемы проектирования

Конструкция радиопередатчика должна соответствовать определенным требованиям. К ним относятся частота работы, тип модуляции, стабильность и чистота выходного сигнала, эффективность использования мощности и требуемый уровень мощности для достижения целей проектирования системы. Высокомощные передатчики могут иметь дополнительные ограничения, касающиеся радиационной безопасности, генерации рентгеновского излучения и защиты от высокого напряжения. Как правило, конструкция передатчика включает в себя генерацию несущей частоты, которая обычно имеет синусоидальную форму, опционально одну или несколько ступеней умножения частоты, модулятор, усилитель мощности, а также фильтр и согласующую сеть для подключения к антенне. Очень простой передатчик может состоять только из постоянно работающего генератора, подключенного к антенной системе. Более сложные передатчики обеспечивают лучший контроль над модуляцией излучаемого сигнала и повышают стабильность передаваемой частоты. Например, в конфигурации усилителя мощности на базе генератора (MOPA) между генератором и антенной вставляется каскад усиления. Это предотвращает влияние изменения нагрузки, создаваемой антенной, на частоту генератора.

Системы с фиксированной частотой

Для передатчика с фиксированной частотой одним из распространенных методов является использование резонансного кварцевого кристалла в кварцевом генераторе для стабилизации частоты. Если требуется переменная частота, можно использовать несколько различных способов.

Умножение частоты

В то время как современные генераторы частоты способны выдавать чистый и стабильный сигнал вплоть до УВЧ, на протяжении многих лет, особенно на более высоких частотах, эксплуатация генератора непосредственно на конечной выходной частоте была непрактичной. Для обеспечения лучшей стабильности частоты обычно применялось умножение частоты генератора до конечной требуемой частоты. Это было учтено при выделении коротковолновых любительских и морских диапазонов на гармонически связанных частотах, таких как 3,5, 7, 14 и 28 МГц. Таким образом, один кварц или генератор с плавной перестройкой частоты (VFO) мог охватывать несколько диапазонов. В простых устройствах этот подход до сих пор иногда используется. Если выход каскада усилителя настроен на кратное частоты входного сигнала, каскад будет генерировать значительные гармонические составляющие. Многие передатчики успешно использовали этот простой метод. Однако более сложные схемы обеспечивают лучшую работу. В схеме push-push выходной сигнал содержит только четные гармоники, поскольку токи, генерирующие основную частоту и нечетные гармоники в этой схеме, компенсируются вторым каскадом. В схеме push-pull выходной сигнал содержит только нечетные гармоники благодаря эффекту взаимного подавления.

Добавление модуляции к сигналу

Задача передатчика – передать ту или иную информацию посредством радиосигнала (несущей волны), модулированного для передачи этой информации. RF-генераторы в микроволновых печах, приборах для электрохирургии и установках индукционного нагрева имеют схожую конструкцию с передатчиками, но обычно не рассматриваются как таковые, поскольку не предназначены для преднамеренного излучения сигнала на значительное расстояние. Такие радиочастотные устройства законодательно обязаны работать в полосах ISM, чтобы исключить помехи для радиосвязи. Если целью является связь, то для внедрения желаемого сигнала в радиоволну используется один или несколько из следующих методов.

Режимы AM

Когда радиочастотная волна изменяет свою амплитуду в соответствии с модулирующим сигналом, таким как голос, видео или данные, это называется амплитудной модуляцией (AM).

Низкий уровень и высокий уровень

При низкоуровневой модуляции для модуляции маломощного каскада используется небольшой аудиоусилитель. Выход этого каскада затем усиливается линейным радиочастотным усилителем. Главный недостаток этой системы заключается в меньшей эффективности цепи усилителей, поскольку для сохранения модуляции она должна быть линейной. Следовательно, высокоэффективные усилители класса C не могут быть использованы, если не применяются усилители Доэрти, EER (Envelope Elimination and Restoration – устранение и восстановление огибающей) или другие методы предварительного искажения или отрицательной обратной связи. Высокоуровневая модуляция использует усилители класса C в AM-передатчиках для вещания, и модулируется только последний каскад или два последних каскада, а все предыдущие каскады могут работать с постоянным уровнем сигнала. При подаче модуляции на анод выходной лампы для модуляционного каскада требуется мощный аудиоусилитель, мощность которого равна половине мощности постоянного тока, потребляемой модулируемым каскадом. Традиционно модуляция осуществляется с помощью большого аудиотрансформатора. Однако для высокоуровневой AM-модуляции использовалось множество различных схем. См. Амплитудную модуляцию.

Типы модуляторов AM

Для амплитудной модуляции использовался широкий спектр различных схем. Хотя создание хороших конструкций на основе твердотельной электроники вполне возможно, в данной работе рассматриваются ламповые схемы. В целом, лампы способны выдавать радиочастотную мощность, значительно превышающую возможности твердотельных устройств. Большинство мощных радиовещательных станций, работающих на частотах ниже 3 МГц, используют твердотельные схемы, однако более мощные станции, работающие выше 3 МГц, по-прежнему используют лампы.

Модуляторы пластинчатых АМ

Модуляция высокого уровня заключается в изменении напряжения на пластине (аноде) лампы таким образом, чтобы оно изменялось от почти нуля до удвоенного рабочего значения. Это позволяет достичь 100% модуляции и может быть реализовано путем включения трансформатора последовательно с высоким напряжением питания анода, чтобы векторная сумма двух источников (постоянного тока и аудиосигнала) подавалась на анод. Недостатками являются габариты, вес и стоимость трансформатора, а также его ограниченная полоса пропускания, особенно для мощных передатчиков. Альтернативно, между источником постоянного тока и анодом можно включить последовательный регулятор. Источник постоянного тока обеспечивает напряжение, вдвое превышающее среднее напряжение на аноде. Регулятор может пропускать все, ни одного или любое промежуточное значение напряжения. Аудиовход управляет регулятором таким образом, чтобы формировать мгновенное анодное напряжение, необходимое для воспроизведения огибающей модуляции. Преимущество последовательного регулятора заключается в возможности установки анодного напряжения на любое требуемое значение. Таким образом, выходную мощность передатчика можно легко регулировать, что позволяет использовать динамическое управление несущей. Использование импульсных регуляторов PDM делает эту систему очень эффективной, в то время как первоначальные аналоговые регуляторы были крайне неэффективными и нелинейными. Последовательные PDM-модуляторы также используются в твердотельных передатчиках, однако схемы в них несколько сложнее и используют схемы push-pull или мостовые схемы для радиочастотной части. Эти упрощенные схемы не включают в себя такие детали, как источники питания нити накала, управляющей сетки и экрана, а также соединения экрана и катода с радиочастотным заземлением.

Модуляторы AM с экраном

В режиме несущей (без звукового сигнала) каскад будет представлять собой простой RF-усилитель, в котором напряжение на экране установлено ниже номинального для ограничения выходной RF-мощности примерно до 25% от максимальной. При модуляции каскада потенциал на экране изменяется, что, в свою очередь, меняет его усиление. Для модуляции экрана требуется значительно меньше аудиомощности, однако КПД конечного каскада составляет всего около 40%, по сравнению с 80% при пластинчатой модуляции. По этой причине модуляция экрана использовалась только в маломощных передатчиках и в настоящее время практически не применяется.

Режимы, связанные с AM

Некоторые производные AM широко используются. Вот некоторые из них:

Модуляция односторонней полосы

SSB, или SSB AM – модуляция с одной боковой полосой с полным носителем, очень похожа на модуляцию с одной боковой полосой с подавленным носителем (SSB SC). Она используется в тех случаях, когда необходимо принимать аудио на AM-приемнике, при этом занимая меньшую полосу пропускания, чем при двойной боковой амплитудной модуляции (AM). Из-за высокого уровня искажений она используется редко. SSB AM или SSB SC создаются следующими способами.

Метод фильтрации

Используя сбалансированный смеситель, генерируется сигнал с двойной боковой полосой, который затем пропускается через очень узкополосный фильтр, чтобы оставить только одну боковую полосу. По соглашению, в системах связи обычно используется верхняя боковая полоса (USB), за исключением любительской радиосвязи, когда частота несущей ниже 10 МГц. В этом случае обычно используется нижняя боковая полоса (LSB).

Метод фазирования

Метод фазирования для генерации однополосных сигналов использует схему, которая обеспечивает постоянный фазовый сдвиг в 90° для аудиосигналов в интересующем аудиодиапазоне. Это было сложно реализовать аналоговыми методами, но с использованием цифровой обработки сигналов (DSP) это очень просто. Каждый из этих аудиовыходов смешивается с несущей в линейном балансированном смесителе. Уровень сигнала несущей для одного из этих смесителей также сдвинут на 90°. Выходы этих смесителей суммируются в линейной цепи для получения однополосного сигнала за счет фазовой компенсации одной из боковых полос. Подключение сигнала с задержкой 90° от аудио- или несущей частоты (но не от обеих) к другому смесителю инвертирует боковую полосу, что позволяет получить как ВПЧ (USB), так и НПЧ (LSB) с помощью простого двухполюсного переключателя с двумя группами контактов (DPDT).

Модуляция вестигиальной боковой полосы

Вестигиальная боковая модуляция (VSB или VSB AM) — это тип системы модуляции, широко используемый в аналоговых телевизионных системах. Это обычная амплитудная модуляция (AM), прошедшая через фильтр, который подавляет одну из боковых полос. Как правило, компоненты нижней боковой полосы, частота которых более чем на 0,75 МГц или 1,25 МГц ниже частоты несущей, сильно ослабляются.

Морзе

Морзевский код обычно передаётся с помощью включения и выключения несущей без модуляции (непрерывной волны). Специальный модулятор не требуется. Этот прерывистый сигнал можно анализировать как АМ-модулированную несущую. Включение и выключение создаёт боковые полосы, как и ожидается, но они называются "щелчками ключа". Формирующие цепи используются для плавного включения и выключения передатчика вместо мгновенного, чтобы ограничить полосу пропускания этих боковых полос и снизить помехи для соседних каналов.

FM режимы

Угловая модуляция – это правильный термин для обозначения модуляции, осуществляемой путем изменения мгновенной частоты или фазы несущего сигнала. Истинная частотная модуляция (FM) и фазовая модуляция являются наиболее распространенными формами аналоговой угловой модуляции.

Прямая FM

Прямая FM (истинная частотная модуляция) — это способ, при котором частота генератора изменяется для наложения модуляции на несущую волну. Это достигается использованием варикапа (конденсатора с управляемым напряжением) в генераторе, стабилизированном кварцем, или в синтезаторе частоты. Затем частота генератора умножается с помощью умножителя частоты или повышается с помощью смесителя до выходной частоты передатчика. Степень модуляции называется размахом отклонения, то есть величиной, на которую частота несущей мгновенно отклоняется от центральной частоты несущей.

Косвенная FM

Косвенная FM использует диод варикап для создания сдвига фазы (управляемого напряжением) в настроенном контуре, на который подается чистый несущий сигнал. Это называется фазовой модуляцией. В некоторых твердотельных схемах непрямой FM радиочастотный сигнал (RF) подается на базу транзистора. Контур колебаний (LC), соединенный с коллектором через конденсатор, содержит пару диодов варикап. При изменении напряжения, подаваемого на варикапы, изменяется фазовый сдвиг выходного сигнала. Фазовая модуляция математически эквивалентна прямой частотной модуляции с высокочастотным фильтром, пропускающим частоты выше 6 дБ/октавы, примененным к модулирующему сигналу. Этот эффект пропускания высоких частот можно использовать или компенсировать с помощью соответствующей схемы формирования частотной характеристики в аудиокаскадах перед модулятором. Например, многие FM-системы используют предварительное усиление и последующее ослабление для снижения шума, в этом случае эквивалентность фазовой модуляции высокочастотному фильтру автоматически обеспечивает предварительное усиление. Фазовые модуляторы обычно способны создавать лишь относительно небольшие отклонения, сохраняя при этом линейность, но любые каскады умножения частоты также умножают отклонение пропорционально.

Клапан

Для систем большой мощности и высокой частоты обычно используются лампы, см. ламповый RF-усилитель для получения подробной информации о работе ламповых RF-каскадов мощности. Лампы обладают высокой электрической надежностью, они способны выдерживать перегрузки, которые разрушают биполярные транзисторные системы за миллисекунды. В результате ламповые усилители лучше сопротивляются расстройке, ударам молнии и скачкам напряжения. Однако им требуется нагретый катод, который потребляет энергию и со временем выходит из строя из-за потери эмиссии или перегорания нагревателя. Высокие напряжения в ламповых схемах опасны для человека. По экономическим соображениям лампы продолжают использоваться в качестве выходного каскада усиления мощности для передатчиков, работающих на частотах выше 1,8 МГц и мощностью более 500 Вт для любительского использования и более 10 кВт для вещания.

Твердое состояние

Устройства на твердом теле, будь то дискретные транзисторы или интегральные схемы, повсеместно применяются в новых конструкциях передатчиков мощностью до нескольких сотен ватт. Начальные каскады более мощных передатчиков также полностью выполнены на твердотельных компонентах. Транзисторы могут использоваться на любых частотах и уровнях мощности, но поскольку выходная мощность отдельных устройств ограничена, для создания передатчиков большей мощности необходимо использовать множество транзисторов, включенных параллельно, что может привести к высокой стоимости самих устройств и требуемых объединительных цепей. С появлением новых типов транзисторов и снижением их стоимости, твердотельная техника в конечном итоге может полностью заменить ламповые усилители.

Соединение передатчика с антенной

Большинство современных передающих устройств рассчитаны на работу с резистивной нагрузкой, подключаемой через коаксиальный кабель с определенным характеристическим импедансом, обычно 50 Ом. Для соединения выходной ступени передатчика с этой коаксиальной линией передачи требуется согласующая сеть. Для твердотельных передатчиков это, как правило, широкополосный трансформатор, повышающий низкий импеданс выходных каскадов до 50 Ом. Ламповый передатчик содержит настроенную выходную сеть, чаще всего П-образную (PI) сеть, которая понижает импеданс нагрузки, необходимый лампе, до 50 Ом. В любом случае, устройства, генерирующие мощность, не будут эффективно передавать энергию, если сеть расстроена, плохо спроектирована или если антенна имеет импеданс, отличный от 50 Ом на выходе передатчика. Для проверки степени согласования между антенной системой и передатчиком через линию передачи (фидер) обычно используются измерители КСВ и/или направленные ваттметры. Направленный ваттметр показывает прямую мощность, отраженную мощность и часто КСВ. Каждый передатчик указывает максимально допустимое рассогласование, основанное на эффективности, искажениях и возможной поломке передатчика. Многие передатчики оснащены автоматическими схемами для снижения мощности или отключения при превышении этого значения. Передатчики, питающие сбалансированную линию передачи, нуждаются в балуне. Он преобразует односторонний выход передатчика в сбалансированный выход с более высоким импедансом. Высокочастотные системы передачи коротких волн обычно используют 300-омные сбалансированные линии между передатчиком и антенной. Радиолюбители часто используют сбалансированные антенные фидеры сопротивлением 300–450 Ом. Подробную информацию о согласующих сетях и балунах см. в статьях "Антенный тюнер" и "Балун" соответственно.

ЭМС вопросы

Многие устройства зависят от передачи и приема радиоволн для своей работы. Велика вероятность взаимных помех. Многие устройства, не предназначенные для передачи сигналов, могут начать их излучать. Например, диэлектрический нагреватель может содержать источник мощностью 2000 Вт на частоте 27 МГц. Если устройство работает исправно, то это радиочастотное излучение не будет выходить за его пределы. Однако, если из-за некачественной конструкции или недостаточного обслуживания происходит утечка радиочастотной энергии, устройство становится передатчиком или нежелательным излучателем.

Утечка радиочастот и экранирование

Все оборудование, использующее радиоэлектронику, должно находиться внутри экранирующей проводящей коробки, а все соединения, входящие или выходящие из коробки, должны быть отфильтрованы для предотвращения прохождения радиосигналов. Распространенным и эффективным методом для проводов, передающих постоянный ток, соединения переменного тока 50/60 Гц, аудио- и управляющие сигналы, является использование сквозного конденсатора, который предназначен для замыкания на землю любых высокочастотных помех на проводе. Также часто применяются ферритовые кольца. Если намеренный передатчик создает помехи, его следует подключить к фиктивной нагрузке – это резистор в экранированной коробке или корпусе, который позволит передатчику генерировать радиосигналы, не излучая их в антенну. Если передатчик продолжает создавать помехи во время этого теста, значит, существует путь, по которому высокочастотная энергия просачивается из оборудования, что может быть вызвано недостаточной экранировкой. Наиболее вероятно, что такая утечка происходит в самодельном оборудовании или оборудовании, которое было модифицировано или у которого сняты крышки. Утечка радиочастотного излучения из микроволновых печей, хотя и редкая, может возникать из-за неисправности уплотнителя дверцы и представлять опасность для здоровья.

Неправдоподобные выбросы

В начале развития радиотехнологий было признано, что сигналы, излучаемые передатчиками, должны быть "чистыми". Передатчики с искровым разрядом были запрещены, как только появились более совершенные технологии, поскольку их выходной спектр очень широк. Термин "паразитные излучения" относится к любому сигналу, излучаемому передатчиком, кроме полезного сигнала. В современном оборудовании выделяют три основных типа паразитных излучений: гармоники, продукты смешения вне полосы, которые недостаточно подавлены, и утечки от гетеродина и других систем внутри передатчика.

Гармоники

Это гармоники частоты передачи, они могут возникать на любой нелинейной ступени передатчика и должны быть устранены с помощью фильтрации.

Избегание гармонического возникновения

Сложность подавления гармоник в усилителе зависит от его схемы. У усилителя с противофазным включением будет меньше гармоник, чем у однотактной схемы. У усилителя класса А гармоник будет очень мало, у классов AB или B – больше, а у класса C – больше всего. В типичном усилителе класса C резонансный контур подавит большинство гармоник, но в любом из этих случаев, скорее всего, потребуется фильтр нижних частот после усилителя.

Удаление гармонических звуков с помощью фильтров

В дополнение к качественной схеме усилительных каскадов, выход передатчика следует фильтровать низкочастотным фильтром для уменьшения уровня гармоник. Как правило, вход и выход взаимозаменяемы и согласованы с сопротивлением 50 Ом. Значения индуктивности и ёмкости изменяются в зависимости от частоты. Многие передатчики автоматически включают подходящий фильтр для используемого частотного диапазона. Фильтр пропускает необходимую частоту и снижает все гармоники до допустимого уровня. Наиболее эффективно проверить гармонический выход передатчика с помощью анализатора спектра радиочастот или путем настройки приемника на различные гармоники. Если гармоника попадает на частоту, используемую другой службой радиосвязи, это паразитное излучение может препятствовать приему важного сигнала. Иногда используется дополнительная фильтрация для защиты чувствительного диапазона частот, например, частот, используемых авиацией или службами, отвечающими за защиту жизни и имущества. Даже если уровень гармоники находится в пределах установленных законом норм, его следует дополнительно уменьшить.

Осцилляторы и смеси

При смешивании сигналов для получения желаемой выходной частоты, выбор промежуточной частоты и гетеродина важен. Неправильный выбор может привести к появлению нежелательного выходного сигнала. Например, если смешать 50 МГц с 94 МГц для получения выходного сигнала на 144 МГц, третья гармоника частоты 50 МГц может проявиться в выходном сигнале. Эта проблема аналогична проблеме зеркального канала, существующей в приемниках. Одним из способов снижения вероятности возникновения этого дефекта передатчика является использование балансных и двухбалансных смесителей. Простой смеситель пропускает обе входные частоты и все их гармоники, а также сумму и разностные частоты. Замена простого смесителя на балансный уменьшает количество возможных выходных продуктов. Чем меньше выходных сигналов у частотного смесителя, тем проще обеспечить чистоту конечного выходного сигнала.

Нестабильность и паразиты

Если каскад в передатчике нестабилен и способен к автоколебаниям, он может начать генерировать радиочастоту либо на частоте, близкой к рабочей, либо на существенно отличающейся частоте. Одним из признаков этого является наличие выходной мощности на радиочастотном каскаде даже при отсутствии сигнала на входе. Выходная мощность должна увеличиваться плавно с ростом входной мощности, хотя в схемах класса C наблюдается заметный пороговый эффект. В качественной схеме используются различные методы подавления паразитных колебаний. Также важна правильная нейтрализация.

Контроль и защита

Самые простые передатчики, такие как RFID-устройства, не требуют внешнего управления. Простые передатчики слежения могут иметь только выключатель питания. Многие передатчики должны иметь схемы, позволяющие включать и выключать их, регулировать выходную мощность и частоту или уровни модуляции. Многие современные многофункциональные передатчики позволяют регулировать множество различных параметров. Обычно это осуществляется под управлением микропроцессора через многоуровневые меню, что уменьшает необходимое количество физических регуляторов. Часто дисплей предоставляет оператору обратную связь для помощи в настройке. Удобство использования этого интерфейса часто является одним из ключевых факторов успешной конструкции. Передатчики с микропроцессорным управлением также могут включать программное обеспечение для предотвращения работы на неверной частоте или других незаконных действий. Передатчики, использующие значительную мощность или дорогие компоненты, также должны иметь защитные схемы, предотвращающие перегрузку, перегрев или другие ненадлежащие условия эксплуатации. Схемы защиты от перегрузки могут включать механические реле или электронные схемы. Простые предохранители могут быть установлены для защиты дорогостоящих компонентов. Детекторы дуги могут отключать передатчик при возникновении искр или пожара. Защитные функции также должны предотвращать воздействие высоких напряжений и мощности, присутствующих внутри передатчика, на оператора и общественность. Ламповые передатчики обычно используют постоянное напряжение от 600 до 30 000 вольт, которое может быть смертельным при контакте. Радиочастотная мощность выше примерно 10 ватт может вызывать ожоги тканей человека при контакте, а более высокая мощность может фактически готовить человеческую плоть без контакта. Металлическая защита необходима для изоляции этих опасностей. Правильно спроектированные передатчики имеют двери или панели с блокировкой, так что открытие дверей активирует выключатели, не позволяющие включить передатчик при доступе к опасным зонам. Кроме того, используются либо резисторы для разряда высокого напряжения, либо замыкающие реле, чтобы обеспечить отсутствие опасного заряда на конденсаторах после выключения. В случае больших высокомощных передатчиков защитные схемы могут составлять значительную часть общей сложности и стоимости конструкции.

Электропитание

Некоторые RFID-устройства получают питание от внешнего источника во время опроса, но большинство передатчиков либо имеют собственные батареи, либо представляют собой мобильные системы, которые обычно работают непосредственно от 12-вольтовой батареи транспортного средства. Более мощные стационарные передатчики потребуют питания от электросети. Передатчики используют как переменное, так и постоянное напряжение различных значений. Для обеспечения необходимого напряжения и тока для работы различных схем требуются либо трансформаторы переменного тока, либо источники питания постоянного тока. Некоторые из этих напряжений потребуется стабилизировать. Таким образом, значительная часть общей конструкции будет отведена под источники питания. Источники питания будут интегрированы в системы управления и защиты передатчика, обеспечивая их включение в правильной последовательности и защиту от перегрузок. Для этих функций часто потребуются довольно сложные логические схемы.