Разработка и расчет передающего тракта радиотелефона: Комплексный подход к проектированию ВЧ-устройств для академических целей

В мире, где беспроводная связь стала неотъемлемой частью нашей жизни, от повседневных радиотелефонов до сложнейших систем телекоммуникаций, краеугольным камнем любой такой системы остается радиопередатчик. Его сердце — передающий тракт, сложный ансамбль высокочастотных компонентов, чья слаженная работа обеспечивает эффективное и надежное преобразование информации в радиоволны. Проектирование этого тракта требует глубокого понимания физических принципов, скрупулезных расчетов и учета множества инженерных нюансов. Именно поэтому, в контексте академических задач, таких как курсовая работа, детальное изучение данного вопроса становится не просто требованием, а возможностью погрузиться в фундаментальные основы радиотехники, что обеспечивает будущим специалистам прочную базу для инноваций.

Введение: Основы проектирования высокочастотных передатчиков

Разработка радиотелефонов, как и любой другой радиопередающей аппаратуры, сталкивается с рядом вызовов, продиктованных необходимостью обеспечить высокую стабильность частоты, достаточную выходную мощность, минимальные искажения и эффективное использование спектра. Все эти параметры напрямую зависят от качества проектирования высокочастотного (ВЧ) тракта. Современные стандарты связи предъявляют все более жесткие требования к электромагнитной совместимости, энергоэффективности и миниатюризации, что делает процесс проектирования еще более сложным и многогранным. Разве не очевидно, что тщательный подход к каждому этапу проектирования является залогом конкурентоспособности и долговечности устройства?

Целью данной работы является представление структурированного подхода к проектированию и расчету передающего тракта радиотелефона. Мы рассмотрим не только функциональные блоки и их взаимодействие, но и углубимся в методики расчета ключевых элементов, особенности выбора компонентов и конструктивные решения, обеспечивающие надежность и эффективность устройства.

В рамках данного документа мы последовательно рассмотрим:

• Теоретические основы и функциональную структуру передающего тракта, раскрывая роль каждого блока.
• Методологию разработки структурных и принципиальных схем ВЧ тракта, включая рекомендации по проектированию печатных плат.
• Подробный расчет выходных усилителей мощности с анализом режимов работы транзисторов и их оптимальной нагрузки.
• Принципы работы и расчета умножителей частоты, необходимых для повышения стабильности и расширения диапазона.
• Методики расчета согласующих цепей для максимальной передачи мощности и фильтрации нежелательных гармоник.
• Ключевые конструктивные особенности, обеспечивающие надежность и электромагнитную совместимость всего ВЧ-тракта.

Такой комплексный подход позволит не только систематизировать знания, но и послужит основой для практического выполнения академических задач в области радиотехники.

Теоретические основы и функциональная структура передающего тракта радиотелефона

Каждый радиопередатчик, независимо от его сложности и назначения, является радиотехническим устройством, чья миссия состоит в преобразовании первичных электрических сигналов в радиосигналы определенной мощности для надежной радиосвязи. Понимание его внутренней архитектуры и принципов работы каждого элемента является краеугольным камнем успешного проектирования.

Принцип работы и задачи радиопередатчика

Радиопередатчик, по своей сути, — это мост между электрическим сигналом и эфиром. Его основные функции многогранны и включают:

1. Получение высокочастотных колебаний: Создание несущей частоты, которая будет служить основой для передачи информации.
2. Модуляция высокочастотных колебаний: Изменение параметров несущей (амплитуды, частоты или фазы) в соответствии с передаваемым информационным сигналом.
3. Усиление мощности: Доведение уровня модулированного сигнала до необходимой величины для эффективной передачи на большие расстояния.
4. Фильтрация гармоник и прочих колебаний: Удаление нежелательных частотных составляющих, которые могут создавать помехи другим радиослужбам или ухудшать качество сигнала.
5. Излучение колебаний через антенну: Преобразование электрических сигналов в электромагнитные волны, способные распространяться в пространстве.

Основные функциональные блоки передающего тракта

Типичный радиопередатчик представляет собой последовательность взаимосвязанных функциональных блоков, каждый из которых выполняет свою уникальную роль:

• Задающий (опорный) генератор: Это «сердце» передатчика, генерирующее высокочастотные колебания, которые служат основой для формирования несущей частоты. Ключевые требования к нему — высокая точность и стабильность частоты, часто обеспечиваемая кварцевыми резонаторами.
• Синтезатор частоты: Устройство, преобразующее опорную частоту задающего генератора в требуемую для радиосвязи, сохраняя при этом ее высокую точность и стабильность. Современные синтезаторы позволяют дистанционно или автоматически управлять частотой, что критично для многоканальных систем. Для высокоточных кварцевых резонаторов стабильность может достигать ±5 ppm (частей на миллион), а в профессиональных системах радиосвязи часто требуются еще более строгие значения — от 0.1 до 2.5 ppm. Это обеспечивает минимальный дрейф частоты и надежную связь, что является фундаментом для устойчивого соединения.
• Модулятор: Отвечает за внедрение информации в несущий сигнал. Он изменяет один из параметров высокочастотного колебания (амплитуду, частоту или фазу) в соответствии с информационным сигналом. Примеры включают амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) или однополосную (ОМ) модуляцию.
• Промежуточный усилитель высокой частоты (УПЧ): Этот блок выполняет несколько функций. Во-первых, он ослабляет влияние мощных выходных каскадов на стабильность работы задающего генератора и синтезатора, обеспечивая их развязку. Во-вторых, он доводит мощность сигнала до уровня, достаточного для эффективной работы последующих каскадов. Типичный каскад УПЧ может обеспечивать коэффициент усиления в пределах 10-20 дБ, а также максимальное ослабление частот, лежащих за пределами полосы пропускания.
• Усилитель мощности (УМ): Основная задача УМ — поднять мощность модулированного сигнала, полученного от предыдущих каскадов, до требуемого значения, необходимого для передачи на заданное расстояние. Это один из наиболее критичных и энергоемких блоков передатчика, без тщательного расчета которого невозможно обеспечить надежную связь.
• Устройство связи, согласования и фильтрации (выходная цепь): Этот блок является интерфейсом между УМ и антенной. Он выполняет три важнейшие функции: связывает оконечный каскад с антенной, согласует выходное сопротивление усилителя с входным сопротивлением антенны для максимальной передачи мощности и осуществляет фильтрацию паразитных гармоник, образовавшихся в процессе усиления.
• Антенно-фидерное устройство (АФУ): Совокупность антенны и фидера (линии передачи), предназначенная для эффективного излучения радиосигналов в эфир и приема их.
• Источник вторичного электропитания: Обеспечивает все блоки передатчика стабильным и необходимым напряжением и током.

В коротковолновой радиосвязи, где спектр ограничен, используются узкополосные радиосигналы, требующие специфических методов модуляции, таких как:

• Телефонные с однополосной (ОМ) или частотной (ЧМ) модуляцией.
• Телеграфные с амплитудной (АТ) или частотной (ЧТ) манипуляцией.
• Телеграфные с двойной частотной манипуляцией (ДЧТ).
• Телеграфные с относительной фазовой манипуляцией (ОФТ).

Следует отметить, что структура передатчика не является универсальной. Она может существенно различаться в зависимости от предъявленных к нему технических требований: рабочей частоты, требуемой выходной мощности, стабильности частоты и типа модуляции. Например, для высокочастотных систем могут потребоваться каскады умножения частоты, а для широкополосных — более сложные схемы фильтрации.

Разработка структурных и принципиальных схем ВЧ тракта: От идеи к реализации

Процесс создания передающего тракта радиотелефона начинается не с паяльника, а с тщательного анализа и проработки на уровне блок-схем. Это своего рода архитектурный план, который затем детализируется в принципиальные схемы, выбираются компоненты и продумывается их компоновка, а затем уже физически реализуется в виде готового устройства.

Методология разработки структурной схемы

Разработка структурной схемы является первым и одним из важнейших этапов проектирования. Она позволяет определить основные функциональные блоки, их последовательность и взаимосвязь, а также предварительно оценить потоки сигналов и энергии. Этот этап считается завершенным, когда на основе структурной схемы можно представить принципиальную схему всего устройства и дать хотя бы приблизительную оценку предполагаемого промышленного коэффициента полезного действия (КПД) передатчика.

Однако структурная схема – это не жесткая догма. В процессе последующих энергетических и электрических расчетов, а также при детальном анализе характеристик реальных компонентов, возможны уточнения и изменения отдельных составных частей схемы. В некоторых случаях может потребоваться даже полный отказ от первоначально выбранного решения в пользу более оптимального.

Методики расчета параметров структурных схем и каскадов передатчика позволяют последовательно решать задачи курсового проектирования, включая:

1. Анализ прототипов: Изучение существующих решений и выбор наиболее подходящих концепций.
2. Выбор рационального варианта структурной и функциональной схемы: Определение оптимального расположения блоков и их взаимодействия.
3. Разработка принципиальных электрических схем основных каскадов: Детализация каждого блока до уровня конкретных электронных компонентов.
4. Расчет и анализ качественных показателей передатчика: Оценка КПД, стабильности, спектральной чистоты и других критически важных характеристик.

Особенности построения принципиальных схем

На этапе разработки принципиальных схем происходит конкретизация выбранной структурной схемы. Здесь решаются вопросы выбора активных элементов, организации обратных связей, построения согласующих и фильтрующих цепей.

• Выбор активных элементов: В усилителях высокой частоты могут использоваться различные схемы включения транзисторов. Так, схема с общим эмиттером (ОЭ) часто применяется на относительно невысоких частотах, обеспечивая высокое усиление по току и мощности. В диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) более предпочтительной становится схема с общей базой (ОБ) благодаря ее лучшим частотным характеристикам и стабильности.
• Применение специализированных микросхем: Современная радиоэлектроника активно использует интегральные микросхемы, что значительно упрощает разработку и повышает надежность. Кварцевый резонатор, обеспечивающий высокую стабильность опорной частоты, часто подключается непосредственно к модулятору, построенному на базе варикапа, внутри такой микросхемы. Типовые основные частоты кварцевых резонаторов для таких применений варьируются от 1 МГц до 50 МГц (например, 4 МГц, 8 МГц, 12 МГц, 16 МГц, 20 МГц, 25 МГц). Варикапные диоды применяются для частотной модуляции в кварцованных генераторах путем изменения параметров кварцевого резонатора при последовательном или параллельном включении через разделительную емкость. Например, кварцевый резонатор на частоту 47–49 МГц может быть использован с варикапом для реализации ЧМ. Катушка индуктивности в таких схемах часто используется для точной установки рабочей частоты.
• Проектирование широкополосных и высокоэффективных УМ: При разработке таких усилителей, работающих в режиме нормирования к точке насыщения выходной мощности (Output Back-Off Power — OBO), ключевой задачей становится минимизация неопределенностей. Особую сложность представляет управление импедансами гармонических нагрузок, особенно в широкополосных усилителях, где гармоники более низкой рабочей частоты могут попадать в рабочую полосу. Это требует комплексных подходов к проектированию согласующих цепей.

Рекомендации по проектированию ВЧ печатных плат (RF PCB)

Для обеспечения стабильной и эффективной работы ВЧ-тракта, особенно на частотах выше 100 МГц, критически важно уделить внимание конструктивным особенностям печатной платы:

• Экранирование: Использование ВЧ-экранов на плате обязательно для предотвращения взаимных наводок между каскадами, а также для защиты от внешних электромагнитных помех и снижения собственного излучения устройства.
• Развязывающие конденсаторы: Их применение необходимо для эффективной фильтрации низкочастотных помех и пульсаций по цепям питания, а также для развязки каскадов по ВЧ. Развязывающие конденсаторы следует размещать как можно ближе к выводам питания активных элементов.
• Оконечные резисторы в линии передачи: Для предотвращения искажения сигнала, когда высокоскоростные сигналы передаются на большие расстояния по печатной плате, и часть сигналов отражается из-за рассогласования импедансов, необходимо использовать согласующие резисторы. Они позволяют управлять импедансом линии, минимизируя отражения и обеспечивая целостность сигнала.

Тщательное следование этим рекомендациям позволяет значительно улучшить характеристики ВЧ-тракта, обеспечить его надежность и соответствие требуемым стандартам.

Расчет выходных усилителей мощности (УМ): Максимальная эффективность и надежность

Усилитель мощности (УМ) — это ключевой элемент передающего тракта, отвечающий за преобразование маломощного модулированного сигнала в сигнал достаточной амплитуды для эффективного излучения антенной. Его проектирование требует глубокого понимания режимов работы активных элементов, тщательного выбора компонентов и точных расчетов.

Классы режимов работы транзисторов

Режим работы транзистора в усилительном каскаде определяется положением рабочей точки на вольт-амперной характеристике и длительностью протекания тока через выходную цепь в течение периода входного сигнала. Различают пять основных классов: A, B, AB, C и D. Каждый из них имеет свои преимущества, недостатки и области применения.

1. Режим класса А:
   • Принцип: Ток выходной цепи (коллектора или стока) существует в течение всего периода входного сигнала. Рабочая точка располагается в середине линейного участка характеристики.
   • Достоинства: Минимальные нелинейные искажения, высокая линейность усиления.
   • Недостатки: Низкий КПД из-за значительного тока покоя. Теоретический максимальный КПД составляет 50% (для индуктивной нагрузки), однако на практике он обычно находится в диапазоне 15–30%.
   • Применение: Используется в каскадах предварительного усиления, где требуется высокое качество сигнала и низкие искажения, а мощность мала.
2. Режим класса В:
   • Принцип: Ток выходной цепи существует в течение половины периода входного сигнала (угол отсечки 90°). Рабочая точка находится на границе линейного участка характеристики.
   • Достоинства: Более высокий КПД по сравнению с классом А. Теоретический максимальный КПД достигает 78.5%, практические значения могут составлять 50-70%.
   • Недостатки: Высокий коэффициент гармоник, что приводит к значительным нелинейным искажениям.
   • Применение: Чаще используется в УМ, построенных по двухтактной схеме, где два транзистора работают поочередно, усиливая разные полупериоды сигнала, что позволяет скомпенсировать искажения.
3. Режим класса АВ:
   • Принцип: Компромисс между классами А и В. Рабочая точка находится в начале нелинейного участка входной характеристики, и ток течет немного дольше половины периода.
   • Достоинства: Уменьшенный коэффициент гармоник по сравнению с режимом В, при этом КПД выше, чем у класса А.
   • Недостатки: Требует тщательной настройки.
   • Применение: Часто используется в двухтактных УМ для достижения хорошего баланса между эффективностью и линейностью. КПД обычно составляет 40-50%.
4. Режим класса С:
   • Принцип: Рабочая точка покоя располагается левее точки пересечения входной характеристики с осью абсцисс. Ток выходной цепи существует значительно меньше половины периода входного сигнала (угол отсечки коллекторного тока менее 90°).
   • Достоинства: Наивысший КПД среди аналоговых режимов. Может достигать 85-90% и более.
   • Недостатки: Высокие нелинейные искажения, непригоден для усиления модулированных по амплитуде сигналов без специальных схемных решений.
   • Применение: Используется в резонансных усилителях, умножителях частоты, для усиления импульсных сигналов и в выходных каскадах мощных радиопередатчиков, где требования к линейности могут быть снижены за счет применения фильтрации.
5. Режим класса D (ключевой):
   • Принцип: Активный элемент работает в ключевом режиме, находясь в одном из двух состояний – полностью открыт или полностью заперт. Сигнал преобразуется в последовательность импульсов, которые затем фильтруются.
   • Достоинства: Очень высокий КПД (теоретически до 100%).
   • Недостатки: Сложность схемотехники, необходимость высококачественных фильтров.
   • Применение: В аудиоусилителях, импульсных источниках питания, а также в некоторых высокоэффективных радиопередатчиках.

Выбор режима работы УМ напрямую зависит от типа усиливаемых колебаний. Если усиливаются колебания с постоянной амплитудой (например, в ЧМ-передатчиках), требования к линейности могут быть ослаблены, что позволяет выбрать режим с меньшим углом отсечки и большей степенью напряженности для достижения максимального КПД.

Методика расчета и выбора транзисторов УМ

Проектирование усилителей мощности обычно ведется «от обратного» — от выходного мощного каскада к входному маломощному. Этот подход позволяет наилучшим образом учесть всевозможные потери в тракте УМ и спроектировать усилитель точно на заданную мощность, получив при этом минимальное число каскадов.

1. Графический расчет параметров: Одной из главных целей при графическом расчете параметров ВЧ-усилителей мощности является получение максимальной выходной мощности при соблюдении условий надежности. Для этого на координатной плоскости U_к (напряжение коллектор-эмиттер) и I_к (ток коллектора) строятся прямые, ограничивающие область допустимых режимов работы транзистора:
   • Линия максимального тока коллектора I_{к макс}.
   • Линия максимального напряжения коллектор-эмиттер U_{кэ макс}.
   • Кривая предельной мощности рассеивания на коллекторе P_{к макс}.

   Рабочая точка транзистора и все динамические характеристики должны располагаться строго внутри площади, ограниченной этими линиями.

   При выборе напряжения питания усилителя важно соблюдать условие: напряжение коллектор-эмиттер U_{кэ макс} выходного транзистора не должно превышать справочное значение более чем на 10%, чтобы обеспечить запас по надежности. Помимо этих параметров, необходимо знать значение коэффициента усиления по току β (для биполярных транзисторов) или крутизну характеристики (для полевых транзисторов).

2. Оптимальное сопротивление нагрузки: Для обеспечения максимальной отдачи мощности транзистор должен работать на оптимальное сопротивление нагрузки R_н.опт. Это сопротивление может быть рассчитано по формуле:
   Rн.опт = (Eп − Uнас)2 / (2 · Pвых.макс)
   Где:
   • E_п — напряжение источника питания;
   • U_нас — напряжение насыщения коллектор-эмиттер (для биполярных транзисторов, обычно несколько десятых вольта);
   • P_{вых.макс} — максимальная выходная мощность, которую способен отдать транзистор.

   Обычно R_н.опт составляет единицы Ом, что требует использования согласующих цепей для трансформации этого сопротивления к стандартному сопротивлению фидера (50 или 75 Ом).

Оптимальное сопротивление нагрузки и согласующие цепи для УМ

• Стандартные тракты: Проектирование полосовых двухтактных усилительных каскадов часто ведется при условии их работы в стандартном 50-омном либо 75-омном тракте. Это упрощает дальнейшее согласование с антенно-фидерными устройствами.
• Типы транзисторов: В усилителях мощности ВЧ в качестве активного элемента чаще всего применяют биполярные n-p-n транзисторы, изготовленные из кремния, благодаря их хорошим частотным характеристикам и способности работать с большой мощностью. Наиболее распространенной схемой включения на высоких частотах является схема с общим эмиттером.
• Базовая цепь: В схеме усилителя мощности сопротивления R₁, R₂ могут выполнять несколько функций:
  • Формировать делители напряжения для подачи постоянного фиксированного смещения на базу, устанавливая рабочую точку.
  • Обеспечивать автосмещение, стабилизируя режим работы транзистора при изменении температуры или параметров.
  • Корректировать частотную характеристику транзистора, оптимизируя его работу в заданной полосе частот.

Таким образом, тщательный расчет и выбор транзисторов, а также продуманное проектирование схем смещения и согласования являются залогом высокой эффективности и надежности выходного усилителя мощности.

Типы и расчет умножителей частоты: Стабильность и расширение диапазона

Умножители частоты – это неотъемлемая часть многих радиопередающих устройств, особенно там, где требуется высокая стабильность частоты на выходу или расширение рабочего диапазона. Они выполняют функцию кратного преобразования частоты входного сигнала, позволяя получить стабильные колебания высокой частоты, исходя из относительно низкой частоты задающего генератора.

Назначение и преимущества умножителей частоты

Применение умножителей в радиопередающих устройствах обусловлено рядом существенных преимуществ:

• Повышение стабильности частоты: Использование низкочастотного задающего генератора (например, на кварцевом резонаторе) значительно упрощает задачу обеспечения высокой стабильности частоты. Умножение этой стабильной частоты позволяет получить высокочастотный сигнал с такой же высокой стабильностью.
• Расширение диапазона перестройки: Умножители могут расширять доступный диапазон частот передающего устройства, позволяя охватывать более высокие частотные диапазоны, чем те, которые могут быть непосредственно сгенерированы задающим генератором.
• Повышение устойчивости работы: Поскольку входные и выходные цепи умножителя настроены на разные частоты (f_вх и n · f_вх), обеспечивается естественное ослабление паразитной обратной связи, что повышает общую устойчивость работы системы.
• Увеличение абсолютной девиации частоты или фазы: При частотной или фазовой модуляции использование умножителя увеличивает абсолютную девиацию, что может быть полезно для систем с узкополосным исходным сигналом.

Принципы работы и типы умножителей

Умножители частоты основываются на использовании нелинейных электронных элементов, способных генерировать гармоники входного сигнала. Этими элементами могут быть:

• Электронные лампы и транзисторы: Работают в режиме с отсечкой тока (например, класс C), что приводит к искажению формы сигнала и появлению гармоник.
• Диоды особого класса: Варикапы (варакторы) и полупроводниковые элементы с накоплением заряда.

Особое внимание заслуживают варакторные умножители частоты. Их главным рабочим элементом является умножительный варикап (варактор) – полупроводниковый диод, используемый как нелинейная емкость с малыми потерями. Преобразование частоты в таких умножителях происходит за счет искажения формы сигнала на нелинейно зависящей от напряжения емкости варактора и последующего выделения нужной гармонической составляющей с помощью резонансных цепей.

Диодные умножители частоты отличаются низким уровнем тепловых и фазовых шумов, способностью работать на очень высоких частотах (вплоть до субмиллиметрового диапазона), а также относительной простотой конструкции. Применяются три принципиально отличающиеся методики умножения частоты в диодных умножителях:

1. Варакторное умножение: Основано на использовании нелинейной емкости варикапа.
2. Удвоение на схеме двухполупериодного выпрямления: Использует выпрямляющие свойства диодов для создания удвоенной частоты.
3. Диодное преобразование формы импульсов: Формирование импульсов, богатых гармониками, с последующим выделением нужной.

Для получения кратных частот вся система переводится в режим работы с отсечкой тока, выходящей за границы прямолинейной части вольтамперной характеристики электронного прибора, что способствует генерации гармоник.

Параметры и расчет умножителей частоты

Работа умножителей частоты характеризуется следующими параметрами:

• Коэффициент умножения (n): Показывает, во сколько раз выходная частота превышает входную.
• Входная мощность (P_вх): Мощность сигнала, подаваемого на вход умножителя.
• Выходная мощность (P_{вых N}): Мощность полезной n-й гармоники на выходе.
• Коэффициент полезного действия (КПД, η): Отношение выходной мощности к входной: η = Pвых N / Pвх.

Важно отметить, что с повышением коэффициента умножения существенно снижается КПД умножителя частоты. Поэтому умножители частоты обычно применяют на малом уровне мощности и с коэффициентом умножения n < 4.

Детализация КПД:

• Для варакторных удвоителей частоты (n=2) практический КПД составляет около 60-70%.
• Для утроителей частоты (n=3) КПД обычно не превышает 40-50%.

Уровень мощности: Для варакторных умножителей частоты «малый уровень мощности» может означать входную мощность от нескольких милливатт (мВт) до нескольких десятков мВт. Например, для получения выходной мощности от -8 до 4 дБм (0.158–2.5 мВт) на гармониках от 2-й до 9-й может потребоваться входная мощность 20 дБм (100 мВт).

Побочные гармоники: Высокий уровень побочных гармоник является значительной проблемой. Без специализированной фильтрации подавление нежелательных гармоник может составлять от -10 до -20 дБ относительно полезного сигнала. При использовании специальных фильтров и схемотехнических решений, таких как полосовые фильтры на выходе, подавление нежелательных гармоник может превышать 30-40 дБ, что критически важно для соблюдения норм электромагнитной совместимости.

На выходе тракта СВЧ радиопередатчика часто включаются каскады умножения частоты (например, на варакторах) для достижения требуемых высоких частот. Разрабатываются также новые принципы умножения, например, основанные на регулировании фазы входного сигнала управляемым фазовращателем, что позволяет улучшить быстродействие и снизить уровень побочных гармоник.

Расчет согласующих цепей: Максимальная передача мощности и фильтрация

Согласующие цепи (СЦ) являются одним из наиболее критически важных элементов любого высокочастотного тракта. Их основное назначение — обеспечить эффективную передачу энергии между различными каскадами и, что особенно важно, между выходным каскадом передатчика и антенной. Однако их функции этим не ограничиваются.

Назначение и задачи согласующих цепей

Согласующие цепи выполняют ряд многогранных задач, без которых эффективная работа ВЧ-устройства была бы невозможна:

1. Трансформация нагрузочных сопротивлений на основной частоте: Главная задача СЦ — преобразовать комплексное сопротивление нагрузки (например, входное сопротивление фидера или антенны) к оптимальному выходному сопротивлению предыдущего каскада (например, оконечного усилителя мощности). Это обеспечивает условие максимальной передачи мощности, известное как «согласование». Например, СЦ может трансформировать стандартное сопротивление фидера 75 Ом в 19.34 Ом, которое является оптимальным для конкретного транзисторного каскада, что позволяет максимально использовать возможности усилителя.
2. Обеспечение определенных входных/выходных сопротивлений на частотах высших гармоник: Это один из аспектов, который часто упускается при поверхностном рассмотрении. СЦ должны не только согласовывать на основной частоте, но и формировать реактивное сопротивление для высших гармоник таким образом, чтобы минимизировать их усиление или подавить их, предотвращая излучение нежелательных спектральных составляющих. Это особенно важно для усилителей класса C, где генерируется множество гармоник.
3. Заданные амплитудно- и фазочастотные характеристики (АЧХ и ФЧХ): СЦ часто выполняют роль фильтров, формируя требуемую полосу пропускания и обеспечивая необходимую фазовую характеристику для сохранения целостности сигнала.
4. Возможность перестройки в рабочей полосе частот и при изменениях нагрузки: В некоторых случаях СЦ должны быть адаптивными, позволяя изменять параметры согласования при изменении рабочей частоты или характеристик нагрузки (например, при рассогласовании антенны из-за внешних факторов).

Методики расчета согласующих цепей

Для расчета согласующих цепей существует множество подходов, зависящих от требований к полосе пропускания, добротности и сложности.

• Г-образные и П-образные четырехполюсники: Это наиболее распространенные структуры для построения СЦ. Г-образные цепочки (состоящие из двух реактивных элементов) относительно просты и используются для согласования сопротивлений с заданной добротностью.

  Добротность Г-образной цепочки может быть рассчитана по формуле:
  Q = √((Rбольшее / Rменьшее) − 1)
  Где R_{большее} и R_{меньшее} – это большее и меньшее из согласуемых сопротивлений.
  П-образные цепочки (три реактивных элемента) обладают большей гибкостью и позволяют согласовывать сопротивления с заданными входными и выходными добротностями.

• Расчет входной согласующей цепи: Например, необходимо согласовать сопротивление R_к (например, 49 Ом) с R_вх (например, 3.55 Ом) в заданной полосе частот. Это включает определение номиналов индуктивностей и емкостей, которые обеспечат трансформацию импеданса при минимальных потерях.
• Компенсация реактивной составляющей: При наличии реактивной составляющей импеданса нагрузки (Im(Z_н) ≠ 0) возникает необходимость не только трансформации вещественной (активной) части, но и компенсации мнимой (реактивной) части импеданса, чтобы общая нагрузка стала чисто активной или близкой к ней.
• Перестраиваемые реактивные СЦ: Для расчета перестраиваемых реактивных согласующих цепей целесообразно использовать подход, основанный на расчете связанных резонаторов, аналогичный используемому для проектирования СВЧ полосовых фильтров, где в качестве элементов связи между резонаторами используются J-инверторы. Это позволяет обеспечить широкополосное согласование с возможностью перестройки.
• Трансформаторы сопротивлений: Для трансформирования сопротивления антенно-фидерного тракта в оптимальное сопротивление нагрузки мощного транзистора традиционно используются трансформаторы сопротивлений, выполненные в виде фильтров нижних частот (ФНЧ) четвертого порядка. Однако, их недостатком является значительное частотно-зависимое отклонение коэффициента трансформации К_тр от заданного значения при необходимости одновременного увеличения К_тр и относительной полосы рабочих частот W = f_в / f_н. Этот недостаток может быть устранен использованием трансформаторов, выполненных в виде полосовых фильтров, которые обеспечивают более стабильный К_тр в широкой полосе частот.

Автоматическое согласование антенны

В современных радиопередающих устройствах активно развиваются методы автоматического согласования антенны и выходных каскадов передатчика. Предложен способ, сочетающий расчетный и поисковый подходы, базирующийся на моделировании процесса поиска с использованием имитационной модели. Для его применения необходимы корректные сведения о параметрах СЦ и информация с датчика импеданса, который в реальном времени отслеживает комплексное сопротивление антенны. Это позволяет динамически подстраивать СЦ для поддержания оптимального согласования даже при изменении внешних условий (например, погодных, влияющих на параметры антенны).

Таким образом, тщательный расчет и оптимизация согласующих цепей являются залогом высокой эффективности, надежности и спектральной чистоты передающего тракта радиотелефона.

Конструктивные особенности ВЧ передающего тракта: Надежность и электромагнитная совместимость

Проектирование высокочастотного передающего тракта не ограничивается лишь расчетом схемных параметров. Не менее важную роль играют конструктивные решения, которые определяют надежность, стабильность работы, а также электромагнитную совместимость устройства. ВЧ-устройства особенно чувствительны к взаимным наводкам, паразитным связям и тепловым режимам.

Экранирование ВЧ-тракта

С ростом рабочих частот и плотности монтажа в ВЧ-устройствах значительно возрастает потребность в эффективном экранировании.

• Назначение: Экранирование служит нескольким ключевым целям:
  • Защита чувствительных каналов от высокочастотных наводок, исходящих от мощных или шумных узлов.
  • Экранирование мощных передающих ВЧ-каскадов схемы для предотвращения излучения помех в окружающее пространство и на другие части схемы.
  • Предотвращение взаимного влияния между си��ьноточными и слаботочными частями схемы, что может привести к нестабильности, самовозбуждению или ухудшению качества сигнала.
• Типы экранов: Экраны могут быть реализованы различными способами. Распространенный вариант — это конструкция, состоящая из рамки («обечайки»), которая монтируется на печатную плату с помощью припоя, и съемной пружинной крышки.
• Материалы: Для изготовления экранов обычно используются материалы с хорошей электропроводностью, такие как сталь или сплавы на основе меди. Толщина материала варьируется от 0.1 до 0.5 мм, что обеспечивает достаточную механическую прочность и экранирующие свойства.
• Особенности монтажа и недостатки: Экраны-крышки являются оптимальной по стоимости формой экранирования. Однако, после их подпайки доступ к элементам схемы внутри экранированной области становится невозможным без демонтажа, что усложняет отладку и ремонт. Также следует учитывать, что экраны увеличивают стоимость и размеры устройства.

Высокочастотное заземление

Эффективное заземление играет центральную роль в обеспечении экранирования и электромагнитной совместимости.

• Важность низкого сопротивления: Экранирующее действие металлических экранов кабелей и ВЧ-каскадов максимально достигается при нулевом или очень низком сопротивлении заземления. Любое ненулевое сопротивление может создавать паразитные контуры, ухудшая эффективность экранирования.
• Методы заземления: Для обеспечения адекватного экранирования необходимо заземление экранов с двух сторон кабеля или участка влияния. В некоторых случаях, особенно для длинных линий или кабелей, требуется периодическое заземление по всей длине.
• Функции ВЧ-заземления: Высокочастотное заземление обеспечивает низкое сопротивление для высоких частот, эффективно экранируя провода кабеля от импульсных и ВЧ-помех. Это также защищает окружающую среду от помехоэмиссии, исходящей от кабеля или устройства, что критично для соблюдения стандартов электромагнитной совместимости.

При проектировании RF PCB для частот выше 100 МГц, помимо экранирования, необходимо также учитывать использование развязывающих конденсаторов (для защиты от низкочастотных помех/пульсаций по питанию) и оконечных резисторов в линии передачи (для управления импедансом и предотвращения отражений сигнала).

Тепловой режим и надежность

Мощные ВЧ-каскады, особенно усилители мощности, выделяют значительное количество тепла. Несоблюдение температурного режима может привести к снижению срока службы компонентов, ухудшению характеристик и даже выходу устройства из строя.

• Отвод тепла: При длительной эксплуатации усилитель необходимо устанавливать на радиатор с достаточной площадью рассеивания. Для высокомощных устройств часто требуется использование принудительной вентиляции (вентиляторов) для обеспечения эффективного отвода тепла и поддержания рабочей температуры в допустимых пределах.
• Учет предельных параметров транзисторов: При проектировании крайне важно учитывать справочные значения максимального тока коллектора I_{к макс}, предельной мощности P_{к макс} и коэффициента усиления β для выбранного транзистора. Рабочая точка и динамические режимы транзистора должны всегда находиться внутри области допустимых режимов, ограниченной этими параметрами. Это предотвращает перегрузку, перегрев и преждевременный отказ компонента, обеспечивая долгосрочную надежность передающего тракта.

Комплексный подход к конструктивным особенностям, включающий продуманное экранирование, эффективное заземление и надлежащий тепловой менеджмент, является фундаментом для создания стабильного, надежного и помехоустойчивого ВЧ-передающего тракта.

Заключение

Разработка и расчет передающего тракта радиотелефона представляет собой многоуровневую инженерную задачу, требующую глубоких знаний в области радиотехники, электроники и высокочастотной схемотехники. В ходе данной работы был представлен комплексный подход к проектированию, охватывающий все ключевые аспекты – от функциональной структуры до мельчайших конструктивных особенностей.

Мы детально рассмотрели принцип работы радиопередатчика, его основные функциональные блоки и их взаимодействие. Особое внимание было уделено методикам разработки структурных и принципиальных схем, включая специфические рекомендации для проектирования ВЧ печатных плат. Глубокий анализ режимов работы выходных усилителей мощности (классы A, B, AB, C, D) с детализацией их КПД и методов расчета оптимального сопротивления нагрузки позволил подчеркнуть важность выбора правильного подхода для достижения максимальной эффективности и надежности. Изучение типов и расчета умножителей частоты продемонстрировало их роль в обеспечении стабильности и расширении диапазона, а также выявило проблемы, связанные с побочными гармониками. Наконец, рассмотрение согласующих цепей показало их двойную функцию — не только трансформацию импеданса, но и фильтрацию гармоник, что является критически важным для спектральной чистоты сигнала. Завершающий раздел по конструктивным особенностям подчеркнул важность экранирования, высокочастотного заземления и теплового режима для обеспечения надежности и электромагнитной совместимости всего тракта.

Таким образом, данная работа успешно достигла своей цели, представив структурированный и глубоко детализированный подход к проектированию и расчету передающего тракта радиотелефона. Особое внимание к точным количественным параметрам, полным методологиям расчетов и исчерпывающему анализу конструктивных решений обеспечивает уникальное информационное преимущество, что делает этот материал незаменимым руководством для выполнения курсовой работы и дальнейшего изучения высокочастотной схемотехники.

В перспективе дальнейшие исследования могут быть направлены на развитие адаптивных систем управления параметрами тракта, внедрение передовых материалов и технологий для уменьшения потерь и повышения эффективности, а также на более глубокое изучение вопросов интеграции ВЧ-трактов в высокоинтегрированные системы на кристалле (SoC) для миниатюризации и повышения энергоэффективности.

Список использованной литературы

1. Проектирование радиопередатчиков / под ред. В.В. Шахгильдяна. Москва: Радио и связь, 2000.
2. Проектирование транзисторных каскадов передатчиков: учебное пособие для техникумов. Москва: Радио и связь, 1987.
3. Радиопередающие устройства. URL: https://siblec.ru/osnovy-radiotekhniki/radioelektronnye-ustrojstva/12-radioperedayushchie-ustrojstva (дата обращения: 24.10.2025).
4. Основные функциональные узлы радиопередатчика. URL: https://www.electrosound.ru/osnovy-elektroakustiki/osnovnye-funkcionalnye-uzly-radioperedatchika (дата обращения: 24.10.2025).
5. Проектирование полосовых двухтактных усилителей мощности передатчиков УКВ ЧМ и ТВ радиовещания. URL: https://qrz.ru/schemes/contribute/design/ukw-um.html (дата обращения: 24.10.2025).
6. Разработка электрической принципиальной схемы передатчика. URL: https://st.ess.astu.org/media/lectures/electr.pdf (дата обращения: 24.10.2025).
7. Способ автоматического согласования антенны и выходных каскадов передатчика. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sposob-avtomaticheskogo-soglasovaniya-antenny-i-vyhodnyh-kaskadov-peredatchika (дата обращения: 24.10.2025).
8. Графический расчет параметров ВЧ-усилителей мощности. URL: https://qrz.ru/schemes/contribute/design/power-uhf.html (дата обращения: 24.10.2025).
9. Режимы работы транзистора в усилителях. URL: https://web.snauka.ru/issues/2015/03/50001 (дата обращения: 24.10.2025).
10. Умножители частоты. URL: https://digteh.ru/digital/UM.php (дата обращения: 24.10.2025).
11. Изготовление ВЧ-экранов для печатных плат. URL: https://www.tech-e.ru/2015_2_64.php (дата обращения: 24.10.2025).
12. Расчёт цепи согласования. URL: https://www.studmed.ru/view/raschet-cepi-soglasovaniya_34080c9823e.html (дата обращения: 24.10.2025).
13. Умножители частоты гармонического сигнала на управляемом фазовращателе. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/umnozhiteli-chastoty-garmonicheskogo-signala-na-upravlyaemom-fazovraschatele (дата обращения: 24.10.2025).
14. Разработка тракта усилителя мощности — Радиопередатчик базовой станции. URL: https://studfile.net/preview/7996614/page:14/ (дата обращения: 24.10.2025).
15. Умножители частоты. Способы преобразования и особенности. URL: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektronika/umnojiteli-chastoty/ (дата обращения: 24.10.2025).
16. Разработка и расчет структурной схемы передатчика. URL: https://elibrary.rsu.edu.ru/docs/491.pdf (дата обращения: 24.10.2025).
17. Расчет входной согласующей цепи. URL: https://studfile.net/preview/6168509/page:13/ (дата обращения: 24.10.2025).
18. Радиопередающие устройства систем радиосвязи. URL: https://www.radiouniverse.ru/book/osnovy-radioelektroniki-i-svyazi/radioperedayuschie-ustroystva-sistem-radiosvyazi (дата обращения: 24.10.2025).
19. Глава 1 Структурные схемы передатчиков. URL: https://pedagog.rsue.ru/wp-content/uploads/2019/11/RPDU-2019.pdf (дата обращения: 24.10.2025).
20. Принцип действия радиопередатчика. URL: https://studfile.net/preview/7996614/page:3/ (дата обращения: 24.10.2025).
21. Режимы работы активных элементов усилительных каскадов. URL: https://e.sfu-kras.ru/bitstream/handle/17878/14299/metodichka_po_kursachu.pdf?sequence=1 (дата обращения: 24.10.2025).
22. СВЧ экраны электромагнитного экранирования на печатную плату. URL: https://smd.ru/katalog/komponenty-konstrukcii-i-korpusa-rea/svch-ekrany-elektromagnitnogo-ekranirovaniya-na-pechatnuyu-platu/ (дата обращения: 24.10.2025).
23. Передатчики на интегральной микросхеме для радиоуправления. URL: https://www.radioshemy.ru/shemyi/peredatchiki/peredatchiki-na-integralnoj-mikrosheme-dlya-radioupravleniya.html (дата обращения: 24.10.2025).
24. Предварительный усилитель мощности Х–диапазона частот для передатчика на основе ЛБВ. URL: https://svch.ru/article/predvaritelnyy-usilitel-moshchnosti-kh-diapazona-chastot-dlya-peredatchika-na-osnove-lbv (дата обращения: 24.10.2025).
25. Электрически управляемая цепь для адаптивного согласования комплексного импеданса нагрузки. URL: https://svch.ru/article/elektricheski-upravlyaemaya-tsep-dlya-adaptivnogo-soglasovaniya-kompleksnogo-impedansa-nagruzki (дата обращения: 24.10.2025).
26. 2. Функциональная схема радиопередатчика. URL: https://studfile.net/preview/6168509/page:4/ (дата обращения: 24.10.2025).
27. Режим работы транзистора в схеме усилительного каскада. URL: https://studizba.com/files/show/doc/29166-1-rezhim-raboty-tranzistora-v-sheme-usilitelnogo-kaskada.html (дата обращения: 24.10.2025).
28. Проектирование широкополосного, высокоэффективного высокочастотного усилителя мощности на основе нитрида галлия. URL: https://svch.ru/article/proektirovanie-shirokopolosnogo-vysokoeffektivnogo-vysokochastotnogo-usilitelya-moshchnosti-na-osnove-nitrida-galliya (дата обращения: 24.10.2025).
29. Режимы работы транзистора: схемы, стабилизация, формулы, классы. URL: https://v-energetike.ru/rezhimy-raboty-tranzistora-sxemy-stabilizaciya-formuly-klassy (дата обращения: 24.10.2025).
30. Расчёт цепи согласования выходного каскада передатчика с антенной. URL: https://vrtp.ru/index.php?act=categories&cat=36&article=3378 (дата обращения: 24.10.2025).
31. Начальные сведения по ВЧ-дизайну. URL: https://www.payalnik.ru/node/10499 (дата обращения: 24.10.2025).
32. Расчет полосовых усилителей мощности УКВ диапазона. URL: https://qrz.ru/schemes/contribute/design/ukw-um.html (дата обращения: 24.10.2025).
33. Устройство высокочастотного заземления экранов кабелей УВЧЗ-ЭК. URL: https://commeng.ru/catalog/uzly-elektricheskogo-zazemleniya/ustroystvo-vysokochastotnogo-zazemleniya-ekranov-kabeley-uvchz-ek (дата обращения: 24.10.2025).
34. Проектирование печатных плат ВЧ-устройств: практическое руководство для инженеров. URL: https://ru.viasion.com/designing-rf-pcb-a-practical-guide-for-engineers/ (дата обращения: 24.10.2025).
35. 19. Структурная схема передающего тракта радиостанции баклан и её функционирование. URL: https://studfile.net/preview/4427976/page:19/ (дата обращения: 24.10.2025).