Проектирование радиопередающего устройства: всесторонний анализ и расчет

В эпоху повсеместной цифровизации и стремительного развития информационных технологий радиопередающие устройства (РПдУ) остаются краеугольным камнем современных телекоммуникационных систем. От мобильной связи и спутниковой навигации до радиовещания и радиолокации — беспроводная передача информации играет жизненно важную роль, а качество и эффективность РПдУ напрямую определяют успех этих систем. Проектирование таких устройств — сложный, многогранный процесс, требующий глубоких знаний в области радиотехники, электроники и систем связи.

Настоящая курсовая работа посвящена всестороннему анализу и расчету принципов функционирования радиопередающего устройства. Мы погрузимся в мир, где электрические сигналы обретают крылья радиоволн, исследуя их анатомию, от мельчайших компонентов до глобальных требований к их работе. Целью работы является не только изучение теоретических основ, но и приобретение практических навыков в проектировании, расчете и анализе РПдУ, его структурных элементов, используемых видов модуляции и требований к техническим характеристикам. Ведь именно глубокое понимание каждой детали позволяет инженеру создавать по-настоящему эффективные и надежные системы, способные выдерживать высокие эксплуатационные нагрузки.

В рамках данной работы мы последовательно рассмотрим: базовые принципы функционирования и классификацию РПдУ; типовые структурные схемы и функции их основных блоков; детально изучим амплитудную модуляцию, её характеристики и энергетические аспекты; освоим методы электрического расчета оконечных каскадов и выходных колебательных систем; проанализируем современные требования к стабильности частоты, КПД и электромагнитной совместимости; а также изложим систематизированные этапы проектирования РПдУ. Эта структура призвана обеспечить всестороннее и глубокое понимание предмета, подготовив студента к решению реальных инженерных задач.

Основы функционирования и классификация радиопередающих устройств

Определение и функциональное назначение РПдУ

Радиопередающее устройство, или РПдУ, — это не просто отдельный компонент, а сложный комплекс оборудования, спроектированный для одной ключевой цели: формирования и последующего излучения радиосигналов в окружающее пространство. По своей сути, оно служит мостом, преобразующим первичные электрические сигналы — будь то голос, данные или видео — в форму, способную преодолевать значительные расстояния без физического контакта.

Функционально РПдУ представляет собой цепочку взаимосвязанных узлов, каждый из которых выполняет свою специфическую задачу. Начальной точкой этой цепочки является задающий генератор (возбудитель), который создает высокочастотные колебания. Затем в дело вступает модулятор, который накладывает полезную информацию на эти колебания. После этого сигнал проходит через ряд усилителей (предварительный, предоконечный и оконечный), которые многократно увеличивают его мощность. Завершающим этапом является согласование импедансов и фильтрация в выходных цепях перед подачей сигнала на антенну, которая и осуществляет его излучение. Таким образом, радиопередатчик — это мастер преобразования, который трансформирует первичные электрические сигналы в радиосигналы заданной мощности, обеспечивая надежную радиосвязь на определенном расстоянии.

Классификация РПдУ по ключевым признакам

Многообразие задач, решаемых с помощью радиосвязи, породило огромное количество типов радиопередающих устройств, которые удобно классифицировать по ряду ключевых признаков. Эта классификация помогает не только систематизировать знания, но и выбрать оптимальное решение для конкретной инженерной задачи.

По назначению

В зависимости от основного функционального назначения, РПдУ делятся на следующие группы:

• Радиосвязные: используются для передачи информации между двумя или более абонентами (например, рации, базовые станции мобильной связи).
• Радиовещательные: предназначены для массового распространения аудиоинформации (FM- и АМ-радиостанции).
• Телевизионные: применяются для передачи видео- и аудиоинформации (телевизионные вышки).
• Радиолокационные (РЛС): служат для обнаружения объектов, определения их координат и скорости (аэропортовые радары, военные РЛС).
• Радиотелеметрические: для передачи данных измерений с удаленных объектов (спутники, метеозонды).
• Радионавигационные: обеспечивают определение местоположения и курса (системы GPS/ГЛОНАСС, маяки).

По объекту использования (условиям эксплуатации)

Условия, в которых предстоит работать РПдУ, диктуют особые требования к их конструкции, надежности и габаритам:

• Наземные стационарные: мощные, крупногабаритные устройства, устанавливаемые в зданиях или на вышках (радиовещательные станции).
• Самолетные: легкие, компактные, устойчивые к вибрациям и перепадам температур и давления.
• Спутниковые: высоконадежные, энергоэффективные, работающие в условиях космического вакуума и радиации.
• Корабельные: устойчивые к соленой воде, вибрациям и качке.
• Носимые (мобильные) и переносные: компактные, легкие, с автономным питанием (сотовые телефоны, портативные рации).
• Автомобильные: адаптированные для работы в транспортных средствах.

По диапазону частот

Частотный диапазон определяет физические свойства распространения радиоволн и, соответственно, особенности конструкции РПдУ:

Диапазон частот	Название	Длина волны	Примеры использования
3-30 кГц	Мириаметровые	Сверхдлинные	Связь с подводными лодками (ELF/SLF)
30-300 кГц	Километровые	Длинные (ДВ)	Радиовещание, радионавигация
0,3-3 МГц	Гектометровые	Средние (СВ)	Радиовещание
3-30 МГц	Декаметровые	Короткие (КВ)	Дальняя радиосвязь, любительская связь
30-300 МГц	Метровые	Ультракороткие (УКВ)	FM-радиовещание, телевидение, мобильная связь (старые стандарты)
0,3-3 ГГц	Дециметровые	УКВ	Wi-Fi, мобильная связь (3G/4G), спутниковая связь
3-30 ГГц	Сантиметровые	СВЧ	Радары, спутниковая связь, 5G
30-300 ГГц	Миллиметровые	СВЧ	5G (mmWave), радиолокация, радиоастрономия
300-3000 ГГц (0,3-3 ТГц)	Гипервысокие частоты	Крайне высокие (КВЧ)	Перспективные системы связи, терагерцовые технологии

По мощности сигнала

Мощность сигнала, подводимого к антенне, является критически важным параметром, определяющим дальность связи и потенциальное влияние на окружающую среду.

• Очень малой мощности: менее 3 Вт (например, Bluetooth, маломощные рации).
• Малой мощности: до 10 Вт (большинство носимых раций, Wi-Fi роутеры).
• Средней мощности: 10-500 Вт (базовые станции мобильной связи, автомобильные радиостанции).
• Большой мощности: 500-10000 Вт (региональные радиовещательные станции).
• Сверхбольшой мощности: более 10 кВт (дальние радиолокационные станции, крупные радиовещательные комплексы).

По виду излучения/модуляции

Метод, с помощью которого информация кодируется на несущей волне, определяет эффективность использования спектра, помехоустойчивость и сложность реализации:

• Работающие в непрерывном или импульсном режимах: например, радиолокационные станции (РЛС) часто используют импульсный режим для определения дальности.
• С амплитудной модуляцией (АМ): амплитуда несущей изменяется в соответствии с информационным сигналом.
• С угловой модуляцией: включает частотную (ЧМ, изменяется частота несущей) и фазовую (ФМ, изменяется фаза несущей) модуляцию.
• С импульсной модуляцией: информация кодируется параметрами импульсов (ширина, позиция, амплитуда).
• С однополосной модуляцией (ОМ): один из наиболее эффективных видов модуляции, при котором передается только одна боковая полоса и подавленная несущая.
• С цифровыми видами модуляции: информация представляется в виде цифровых данных, модулирующих несущую (например, фазовая манипуляция – PSK, квадратурная амплитудная модуляция – QAM, частотная манипуляция – FSK). Эти методы доминируют в современных системах связи благодаря высокой помехоустойчивости и спектральной эффективности.

Структурные схемы и функции основных блоков РПдУ

Архитектура радиопередающего устройства, независимо от его сложности и назначения, всегда строится на универсальных принципах, воплощенных в типовых структурных схемах. Понимание функций каждого блока является ключом к проектированию эффективных и надежных систем.

Типовая структурная схема радиопередатчика

В основе любого радиопередающего устройства лежит последовательное соединение нескольких ключевых функциональных блоков, совместная работа которых обеспечивает преобразование низкочастотного информационного сигнала в мощное высокочастотное излучение. Типовая структурная схема включает:

1. Возбудитель (задающий генератор): формирует высокочастотные колебания, которые будут служить несущей для передаваемого сообщения.
2. Модулятор: накладывает информацию на параметры несущего колебания.
3. Усилитель мощности (УМ): многократно увеличивает мощность модулированного высокочастотного сигнала.
4. Согласующее антенное устройство (САУ) / Выходные цепи: согласует выход УМ с антенной и фильтрует нежелательные гармоники.
5. Источник электропитания: обеспечивает все блоки необходимым постоянным или переменным током.

Рассмотрим каждый из этих блоков более подробно.

Возбудитель (задающий генератор): от классики до современности

Возбудитель, часто называемый задающим генератором, играет роль сердца радиопередатчика. Его основная задача — генерировать стабильные высокочастотные колебания, которые затем будут модулированы полезным сигналом. Кроме того, в многоканальных системах или системах с перестройкой частоты, возбудитель формирует сетку высокостабильных частот с заданным интервалом, обеспечивая возможность переноса сформированных радиосигналов на нужную рабочую частоту в широком диапазоне.

Исторически задающие генераторы представляли собой LC-генераторы, чья стабильность частоты оставляла желать лучшего. Затем им на смену пришли кварцевые генераторы, обеспечивающие существенно более высокую стабильность. Однако подлинную революцию в этой области принесли современные синтезаторы частот, основанные на принципах фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) или прямом цифровом синтезе (DDS).

Эти технологии предоставляют целый ряд преимуществ:

• Высочайшая точность и стабильность: по сравнению с традиционными генераторами LC-типа или даже простыми кварцевыми генераторами, синтезаторы на базе ФАПЧ и DDS обеспечивают несравнимо лучшую стабильность частоты. Это критически важно для узкополосных систем связи и систем с высокой спектральной эффективностью, где малейшее смещение частоты может привести к потере сигнала.
• Широкий диапазон перестройки без коммутаций: синтезаторы могут генерировать частоты в диапазоне от долей герц до десятков и сотен гигагерц (например, от 0,1 Гц до 60 ГГц и выше) без необходимости физической замены компонентов или сложной коммутации. Это значительно упрощает конструкцию передатчика и расширяет его функциональность.
• Быстрое переключение на заданную частоту: современные синтезаторы способны переключаться между частотами за микросекунды, что важно для систем с частотной скачкообразной перестройкой (frequency hopping) и для обеспечения множественного доступа.
• Низкий уровень фазовых шумов: этот параметр напрямую влияет на качество модулированного сигнала и помехоустойчивость. Использование высоких частот сравнения (порядка 400 МГц) в петлях ФАПЧ позволяет достичь очень низкого уровня фазовых шумов. Например, для формирования сигнала 10 ГГц можно получить фазовые шумы на уровне −110 дБн/Гц на отстройке 10 кГц, что является отличным показателем для систем связи высокой пропускной способности.
• Гибкий шаг сетки частот: синтезаторы позволяют устанавливать шаг сетки частот от нескольких герц до нескольких килогерц (например, стандартные 5 кГц или 9 кГц для радиовещания), что обеспечивает высокую точность настройки и оптимальное использование частотного спектра.

Модулятор: ключевой узел формирования сигнала

Модулятор — это узел, где происходит самое важное: на параметры несущего колебания (амплитуду, частоту или фазу), созданного возбудителем, накладывается передаваемое сообщение, то есть осуществляется модуляция высокочастотных колебаний информационным сигналом. Без модулятора высокочастотный сигнал был бы просто пустой энергией, не несущей никакой информации. Выбор типа модулятора напрямую зависит от выбранного вида модуляции (АМ, ЧМ, ФМ, QAM и так далее) и определяет сложность схемы, её помехоустойчивость и спектральную эффективность. Это означает, что от качества работы модулятора зависит не только дойдёт ли информация до адресата, но и то, насколько чистым и разборчивым будет сигнал.

Усилитель мощности (УМ): сердце передатчика

Усилитель мощности, или генератор с внешним возбуждением (ГВВ), — это, без преувеличения, сердце любого радиопередатчика. Его главная задача — увеличить мощность радиосигнала, сформированного в возбудителе и модулированного, до величины, которая обеспечит требуемую дальность связи с заданной надежностью. Он преобразует энергию источника постоянного тока в энергию тока высокой частоты. Помимо усиления, к УМ предъявляются строгие требования по линейности (чтобы не исказить модулированный сигнал) и, что крайне важно, по экономичности.

Главным требованием к усилителю мощности является обеспечение им высоких экономических показателей, в частности, коэффициента полезного действия (КПД). Значение КПД усилителей мощности существенно варьируется в зависимости от класса работы:

• Класс A: работает в линейном режиме, обеспечивает низкие искажения, но имеет низкий КПД — от 25% до 50%.
• Класс B: работает в режиме отсечки, повышая КПД до теоретического максимума 78,5%, но с большими нелинейными искажениями. Часто используется в двухтактных схемах.
• Класс C: работает в нелинейном режиме с отсечкой более 90 градусов. Используется для усиления немодулированных или угловых модулированных сигналов. Его КПД может достигать 90% и более, с теоретическим максимумом до 100% при идеальном нелинейном режиме.
• Классы D, E, F: это высокоэффективные усилители, работающие в ключевом режиме (переключательные). Они используют транзисторы как ключи, минимизируя потери энергии на них. Их КПД также может достигать 90% и более, приближаясь к теоретическому максимуму 100%. Эти классы особенно актуальны в современных радиопередающих устройствах благодаря своей экономичности и компактности.

Выбор класса УМ является одним из ключевых решений при проектировании РПдУ, поскольку он напрямую влияет на потребляемую мощность, тепловыделение и, как следствие, габариты и стоимость системы охлаждения.

Согласующее антенное устройство (САУ) и выходные цепи

После того как сигнал усилен, его необходимо эффективно передать в антенну для излучения. Эту функцию выполняют согласующее антенное устройство (САУ) и выходные цепи. Их основная задача — обеспечить максимальную передачу мощности от усилителя мощности к антенне, что требует согласования их импедансов. Несогласование приведет к отражению части мощности обратно в УМ, снижению эффективности и возможному повреждению усилителя.

Кроме того, САУ выполняет критически важную роль в фильтрации высших гармоник и подавлении внеполосных излучений. Усилители мощности, особенно работающие в нелинейных режимах (классы C, D, E, F), генерируют множество гармоник основной частоты и побочных продуктов. Эти нежелательные сигналы могут создавать помехи другим радиоэлектронным средствам и нарушать спектральные нормы.

Требования к САУ по подавлению высших гармоник и внеполосных излучений строго регламентируются национальными и международными нормативными документами. Например, согласно российским «Нормам 18-07-21» и «Нормам 18-13», допустимые уровни побочных излучений радиопередающих устройств гражданского назначения должны быть ослаблены на 30–60 дБ (и более) относительно уровня основного излучения, в зависимости от диапазона частот и мощности передатчика. Это означает, что мощность гармоник должна быть в 1000–1 000 000 раз меньше мощности основного сигнала. Для устройств военного назначения эти требования устанавливает ГОСТ РВ 52226-2004, которые могут быть еще более жесткими, часто с применением абсолютных значений допустимой мощности излучения (например, не более −36 дБм).

Вспомогательные узлы РПдУ

Помимо основных блоков, для полноценного и надежного функционирования РПдУ требуется ряд вспомогательных систем:

• Источники питания: обеспечивают стабильное электропитание всех узлов передатчика, преобразуя сетевое напряжение в необходимое постоянное.
• Средства охлаждения: мощные передатчики генерируют значительное количество тепла, которое необходимо эффективно отводить с помощью радиаторов, вентиляторов или жидкостных систем охлаждения.
• Автоматического и дистанционного управления: позволяют управлять работой передатчика, переключать частоты, регулировать мощность и режимы работы.
• Сигнализации, защиты и блокировки: предотвращают выход из строя оборудования при нештатных ситуациях (перегрузки, перегрев, обрыв антенны) и обеспечивают безопасность персонала.

Все эти элементы образуют единый, взаимосвязанный комплекс, работа которого должна быть тщательно продумана и рассчитана на этапе проектирования.

Амплитудная модуляция (АМ): теория, реализация и энергетические аспекты

Принципы и характеристики амплитудной модуляции

Амплитудная модуляция (АМ) — один из старейших и наиболее интуитивно понятных видов модуляции, нашедший широкое применение в радиосвязи и радиовещании. Принцип АМ заключается в том, что информационный (модулирующий) сигнал изменяет амплитуду несущего высокочастотного колебания, в то время как его частота и фаза остаются неизменными. Иными словами, амплитуда несущей волны «кодирует» передаваемую информацию.

Основной характеристикой АМ, определяющей «глубину» изменения амплитуды несущей, является коэффициент амплитудной модуляции (глубина модуляции), обозначаемый как m. Он представляет собой отношение разности между максимальным (A_макс) и минимальным (A_мин) значениями амплитуд модулированного сигнала к сумме этих значений, выраженное в процентах:

m = (Aмакс - Aмин) / (Aмакс + Aмин) · 100%

Важно отметить, что коэффициент модуляции не может быть больше единицы (или 100%), так как при m > 100% произойдет перемодуляция, что приведет к значительным искажениям сигнала и потере информации. В идеале, для качественной передачи, m должен быть близок к 1, но не превышать его.

Математически, уравнение амплитудно-модулированного тока может быть представлено как:

iм = (Iмω + IмΩ cosΩt) cosωt

где:

• iм — мгновенное значение амплитудно-модулированного тока;
• Iмω — амплитуда несущего тока;
• IмΩ — амплитуда модулирующего сигнала, определяющая максимальное отклонение амплитуды несущей;
• Ω — угловая частота модулирующего сигнала;
• ω — угловая частота несущего колебания;
• cosΩt — модулирующий сигнал (например, синусоидальный);
• m = IмΩ / Iмω — коэффициент модуляции.

Методы реализации АМ

Исторически, АМ реализовывалась различными способами, многие из которых актуальны и по сей день, но претерпели значительную модернизацию.

Классические методы включают:

• Подача модулирующего сигнала на базу транзистора генератора стабильного тока: изменение напряжения на базе транзистора, работающего в режиме генератора, приводило к изменению его коэффициента усиления и, соответственно, амплитуды выходного высокочастотного сигнала.
• Анодная модуляция: в ламповых передатчиках модулирующий сигнал подавался на анод оконечной лампы, изменяя её анодный ток и, как следствие, амплитуду ВЧ-колебаний. Этот метод требовал мощных модуляторов низкой частоты.
• Модуляция на управляющую сетку: аналогично анодной, но модулирующий сигнал подавался на управляющую сетку лампы.

Современные методы реализации АМ значительно более совершенны и эффективны:

• Транзисторные модуляторы: часто основаны на одном или нескольких транзисторах, управляющих усилением ВЧ-сигнала. Модулирующий сигнал изменяет режим работы транзистора, тем самым модулируя амплитуду проходящего через него ВЧ-сигнала. Эти схемы компактны и надежны.
• Модуляция в цепи питания оконечного каскада: это один из наиболее распространенных современных методов. Модулирующий сигнал подается на источник питания оконечного каскада усилителя мощности. Для этого используются усилители низкой частоты (УНЧ), которые модулируют напряжение питания УМ. Особое распространение получили модуляторы на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При ШИМ модулирующий сигнал кодируется в длительности импульсов напряжения питания. Это позволяет создать очень эффективные модуляторы с КПД, достигающим до 90%, значительно превосходящим классические линейные модуляторы.
• Цифровые методы: в цифровых системах связи используется амплитудная манипуляция (ASK — Amplitude Shift Keying), которая является цифровым видом амплитудной модуляции. Здесь информация кодируется изменением дискретных значений амплитуды несущей, например, наличие или отсутствие сигнала для кодирования «1» или «0».

Энергетические аспекты АМ и ее недостатки

Несмотря на простоту реализации, амплитудная модуляция обладает существенным энергетическим недостатком, который ограничивает её применение в современных высокоэффективных системах.

Суммарная мощность амплитудно-модулированного сигнала (P_АМ) распределяется между мощностью несущей (P_н) и мощностью боковых полос (P_бп). Она определяется формулой:

PАМ = Pн(1 + m2/2)

где m — коэффициент модуляции.

Мощность, приходящаяся на боковые полосы, которые и несут полезную информацию (модулирующий сигнал), составляет:

Pбп = Pн(m2/2)

Проведем анализ этого распределения. При 100% модуляции (m = 1), общая мощность АМ сигнала составляет:

PАМ = Pн(1 + 12/2) = Pн(1 + 0,5) = 1,5 ⋅ Pн

В этом случае мощность, приходящаяся на боковые полосы, будет:

Pбп = Pн(12/2) = 0,5 ⋅ Pн

Таким образом, при 100% модуляции, когда передача информации наиболее эффективна с точки зрения m, общая излучаемая мощность составляет 1,5P_н. Из них две трети всей излучаемой мощности (P_н) приходится на несущую, которая не несет полезной информации, а лишь одна треть (0,5P_н) — на две боковые полосы, которые фактически содержат передаваемое сообщение.

Этот факт является значительным энергетическим недостатком АМ. Большая часть энергии передатчика тратится на излучение несущей, которая служит лишь «транспортом» для информации, но не содержит её самой. Это приводит к низкой энергетической эффективности, высокому энергопотреблению и, как следствие, большим габаритам и весу источников питания, а также систем охлаждения для мощных АМ-передатчиков. В условиях, когда экономия энергии и спектра является приоритетом, АМ часто уступает место более эффективным видам модуляции, таким как однополосная модуляция (ОМ) или различные цифровые виды.

Модуляционные характеристики

Для выбора режима работы модулятора и оценки качества его работы используются различные модуляционные характеристики:

• Статическая модуляционная характеристика: это зависимость амплитуды выходного напряжения модулятора от напряжения смещения (или управляющего напряжения) при постоянной амплитуде напряжения несущей частоты на входе. Она показывает, насколько линейно модулятор передает амплитудные изменения.
• Динамическая модуляционная характеристика: описывает поведение модулятора при изменении модулирующего сигнала во времени, учитывая его динамические свойства (инерционность, переходные процессы).
• Частотная характеристика: показывает зависимость коэффициента передачи модулятора от частоты модулирующего сигнала. Она определяет, насколько широкополосным может быть модулирующий сигнал без искажений.

При малых значениях входных напряжений амплитуда выходного напряжения U_вых(t) может быть приближенно выражена как:

Uвых(t) = k1Uн[1 + k2sм(t)]

где:

• k1, k2 — коэффициенты пропорциональности;
• Uн — напряжение несущей;
• sм(t) — модулирующий сигнал.

Это уравнение демонстрирует, что выходное напряжение линейно зависит от модулирующего сигнала, что является желательным для минимизации искажений.

Методы электрического расчета оконечных каскадов и выходных колебательных систем

Общие подходы к расчету узлов РПдУ

Электрический расчет радиопередающего устройства — это систематизированный процесс, направленный на определение параметров всех функциональных узлов для обеспечения заданных технических характеристик. Методики расчета включают в себя глубокий анализ работы:

• Усилителей мощности (ГВВ): Определение режимов работы активных элементов (транзисторов, ламп), расчет контурных систем, параметров обратной связи.
• Автогенераторов: Расчет частоты генерации, стабильности, амплитуды, условий самовозбуждения.
• Высокостабильных кварцевых генераторов: Выбор кварцевого резонатора, расчет цепей его обвязки для обеспечения заданной точности и стабильности частоты.
• Умножителей частоты: Расчет режимов работы, коэффициента умножения, подавления нежелательных гармоник.

Каждый из этих расчетов направлен на оптимизацию производительности, КПД и минимизацию искажений.

Детальный расчет оконечных каскадов

Оконечный каскад усилителя мощности является одним из наиболее критически важных узлов РПдУ, поскольку именно он отвечает за формирование требуемой выходной мощности. Его расчет обычно делится на два основных этапа: расчет коллекторной цепи (для биполярных транзисторов) или стоковой цепи (для полевых транзисторов), и расчет входной цепи транзистора.

При расчете коллекторной цепи определяются такие параметры, как:

• Постоянное напряжение на коллекторе (E_к): напряжение источника питания, определяющее энергетический потенциал каскада.
• Сопротивление насыщения коллекторной цепи (r_нас): внутреннее сопротивление транзистора в состоянии насыщения, влияющее на потери и КПД.
• Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе в критическом режиме (U_к1.кр): максимальная амплитуда ВЧ-напряжения, которую может обеспечить транзистор без захода в режим насыщения или отсечки, ухудшающих линейность.

Выходная мощность УМ (P₁) может быть приближенно определена по формулам, связывающим амплитуды тока и напряжения с эквивалентным сопротивлением нагрузки:

P1 = (Uк12 / Rк) / 2

или

P1 = (Iк12 ⋅ Rк) / 2

где:

• Rк — эквивалентное сопротивление коллекторной (стоковой) нагрузки, которое должно быть оптимальным для данного транзистора и режима работы;
• Uк1 и Iк1 — амплитуды первой гармоники напряжения и тока соответственно.

Пример расчета усилителя мощности:
Предположим, требуется спроектировать усилитель мощности с выходной мощностью P₁ = 60 Вт на рабочей частоте f = 500 МГц при напряжении питания E_к = +28 В.

В качестве активного элемента выберем транзистор 2Т976А. Это кремниевый эпитаксиально-планарный n-p-n СВЧ-транзистор, специально разработанный для применения в усилителях мощности, умножителях частоты и автогенераторах на частотах до 1000 МГц (1 ГГц) при напряжении питания 28 В.

Основные характеристики транзистора 2Т976А:

• Максимально допустимая импульсная рассеиваемая мощность коллектора: 75 Вт.
• Обеспечивает выходную мощность более 60 Вт.
• Коэффициент усиления по мощности (для рабочей частоты 500 МГц): более 2 дБ.

Расчет сводится к выбору оптимального режима работы (например, класс C для повышения КПД, учитывая, что АМ-сигнал, скорее всего, будет обрабатываться на более ранних этапах, а данный УМ будет работать с постоянной огибающей) и определению параметров согласующих цепей для обеспечения Rк, при котором транзистор выдает 60 Вт.

1. Определение тока коллектора:
   Для класса C, КПД может быть высоким, например, 70%.
   Тогда потребляемая мощность Pпотр = P1 / КПД = 60 Вт / 0.7 ≈ 85.7 Вт.
   Средний ток коллектора IК0 = Pпотр / Eк = 85.7 Вт / 28 В ≈ 3.06 А.
2. Определение амплитуды первой гармоники тока коллектора (I_к1):
   Приблизительно, для класса C, Iк1 ≈ 1.5 ⋅ IК0 (зависит от угла отсечки).
   Iк1 ≈ 1.5 ⋅ 3.06 А = 4.59 А.
3. Определение эквивалентного сопротивления нагрузки (R_к):
   Rк = (Eк - Uнас) / Iк1. Принимаем напряжение насыщения Uнас для ВЧ-транзисторов около 2–3 В.
   Rк = (28 В - 3 В) / 4.59 А ≈ 5.45 Ом.
4. Расчет согласующего устройства:
   На основе Rк и сопротивления антенны (обычно 50 Ом) проектируется выходная колебательная система (например, П-контур, L-контур или отрезки линий), которая обеспечит трансформацию импеданса от Rк к 50 Ом, а также отфильтрует высшие гармоники. На частоте 500 МГц для получения высокой добротности и минимизации потерь часто используют отрезки коаксиальных линий или полосковых линий.

Транзистор 2Т976А широко используется в стационарной и бортовой аппаратуре средств радиосвязи специального назначения благодаря своей надежности и высоким мощностным характеристикам.

Особенности расчета выходных колебательных систем

Выходные колебательные системы (ВКС) играют критическую роль в эффективности и спектральной чистоте РПдУ. Их основными задачами являются:

1. Согласование импедансов: обеспечение максимальной передачи мощности от оконечного каскада к антенне.
2. Фильтрация гармоник: подавление нежелательных гармоник, генерируемых нелинейным усилителем мощности.

Коэффициент полезного действия (КПД) ВКС зависит от количества контуров и их добротности:

• Одноконтурная колебательная система: в передатчиках мощностью до 10 кВт имеет КПД не более 70-80%. Это обусловлено компромиссом между шириной полосы пропускания (требуется низкая добротность) и избирательностью/подавлением гармоник (требуется высокая добротность).
• Многоконтурные системы (например, с четырьмя-пятью контурами): у сверхмощных передатчиков КПД может достигать 95-98%. Это достигается за счет того, что необходимая избирательность и подавление гармоник распределяются между несколькими контурами, позволяя использовать нагруженную добротность контуров Q_i ≈ 2-4. Низкая добротность каждого отдельного контура снижает потери в нем и увеличивает общую эффективность.

На высоких частотах (ВЧ, СВЧ) для сохранения оптимального эквивалентного сопротивления коллекторной нагрузки Rк и приемлемого КПД вместо традиционных индуктивных катушек в контуре часто используют отрезки короткозамкнутых или разомкнутых линий с распределенными параметрами. Эти линии, представляющие собой сегменты коаксиального кабеля или полосковой линии на печатной плате, на ВЧ-диапазоне ведут себя как реактивные элементы (индуктивности или емкости). Их главное преимущество заключается в существенно больших значениях холостой добротности (до 2000 и выше) по сравнению с сосредоточенными катушками индуктивности. Это позволяет минимизировать потери энергии в самой колебательной системе и поддерживать высокий КПД всего оконечного каскада.

Современные требования к стабильности частоты, КПД и электромагнитной совместимости РПдУ

Развитие радиотехники и телекоммуникаций привело к ужесточению требований ко всем параметрам радиопередающих устройств. Это связано с необходимостью более эффективного использования ограниченного радиочастотного спектра, повышением качества связи и обеспечением бесперебойной работы в условиях плотной электромагнитной обстановки.

Стабильность частоты: эволюция и современные стандарты

Нестабильность частоты РПдУ — это отклонение частоты колебаний на его выходе за определенный промежуток времени относительно установленной номинальной частоты. Это один из наиболее критичных параметров, напрямую влияющий на качество связи и потенциальное создание помех.

Исторически, в маломощных передатчиках с параметрической стабилизацией частоты (например, с помощью колебательного контура и термостабилизации) относительная нестабильность могла достигать δ ≤ 10-4. Однако, в последние десятилетия от таких возбудителей практически полностью отказались.

Эволюция и отказ от устаревших методов:
Причина отказа от параметрической стабилизации и даже от простых кварцевых генераторов в высокопроизводительных системах обусловлена развитием и повсеместным внедрением синтезаторов частот на основе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и прямого цифрового синтеза (DDS). Эти технологии обеспечивают значительно более высокую точность, стабильность и, что немаловажно, возможность программной перестройки частоты. Это позволило существенно улучшить спектральную чистоту сигналов, уменьшить фазовые шумы и значительно сократить массогабаритные характеристики устройств.

Для наиболее ответственных систем, таких как системы точного времени, РПдУ спутниковых систем радионавигации (например, GPS, ГЛОНАСС) и сетей связи, работающих в режиме единого времени, в качестве опорного задающего генератора применяют квантовые генераторы. Эти устройства, основанные на атомных переходах (например, рубидиевые или цезиевые стандарты), обеспечивают беспрецедентную стабильность частоты — до 10-10 - 10-12 и даже выше. Такая точность необходима для обеспечения высокой точности позиционирования, синхронизации и пропускной способности.

Коэффициент полезного действия (КПД) РПдУ

Промышленный КПД (η) является важнейшим энергетическим показателем РПдУ, характеризующим его экономические показатели и эффективность всей радиолинии. Он показывает, какая доля потребляемой электроэнергии преобразуется в полезную высокочастотную мощность, излучаемую антенной.

КПД определяется как отношение номинальной мощности P, подводимой к антенне, к общей мощности Pобщ, потребляемой от сети переменного тока всем радиопередающим устройством:

η = (P / Pобщ) ⋅ 100%

Типичные значения общего КПД современных РПдУ:
Общий КПД современного радиопередающего устройства зависит от его назначения, требуемой мощности и, что очень важно, от класса работы используемых усилителей мощности и модуляторов. Для мощных передатчиков этот показатель может составлять 60-85% и выше. Это стало возможным благодаря:

• Высокому КПД оконечных каскадов: до 70-80% для одноконтурных систем и до 95-98% для сверхмощных многоконтурных систем.
• Применению высокоэффективных модуляторов: например, модуляторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) могут достигать КПД до 90%.
• Оптимизации вспомогательных систем (источников питания, систем охлаждения).

Высокий КПД не только снижает эксплуатационные расходы, но и уменьшает тепловыделение, что позволяет создавать более компактные и надежные устройства.

Электромагнитная совместимость (ЭМС) и борьба с внеполосными излучениями

Электромагнитная совместимость (ЭМС) — это ключевое требование к любому современному радиоэлектронному средству. Она определяется как способность технического средства эффективно функционировать с заданным качеством в определенной электромагнитной обстановке, не создавая при этом недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам. В условиях переполненного радиочастотного спектра ЭМС становится вопросом не только качества, но и легальности эксплуатации устройства.

Внеполосные излучения — это нежелательные сигналы, формируемые РПдУ, спектры которых расположены вне полосы частот, отведенной для данной системы связи. Они являются источниками дополнительных помех для других устройств, работающих как в соседних, так и в отдаленных частотных диапазонах. К внеполосным излучениям относятся гармоники несущей частоты, побочные продукты модуляции, интермодуляционные искажения и шумы.

Требования по обеспечению ЭМС включают:

• Допустимую нестабильность несущей частоты: чтобы спектр сигнала не «вылезал» за пределы выделенной полосы.
• Допустимые уровни побочных и внеполосных излучений: эти уровни должны быть значительно подавлены относительно уровня основного излучения.

Детальные требования по ЭМС в российских нормативных документах:
Российские нормативные документы, такие как «Нормы 18-07-21» (для радиопередающих устройств) и «Нормы 18-13» (для радиоприемных устройств), устанавливают жесткие требования к допустимым уровням побочных излучений для радиопередающих устройств гражданского назначения в диапазоне частот от 9 кГц до 300 ГГц.

В общем случае, побочные излучения должны быть подавлены на 30-60 дБ (и более) относительно уровня несущей, в зависимости от диапазона частот, назначения устройства и его мощности. Для примера, подавление на 30 дБ означает уменьшение мощности нежелательного излучения в 1000 раз, а на 60 дБ — в 1 000 000 раз. В некоторых случаях применяются абсолютные значения допустимой мощности излучения, например, не более -36 дБм (это означает 36 дБ ниже уровня 1 милливатта).

Для радиопередающих устройств военного назначения требования к внеполосным и побочным радиоизлучениям устанавливает ГОСТ РВ 52226-2004, которые, как правило, еще более строгие из соображений скрытности и защиты от помех.

Кроме того, государственные стандарты (ГОСТы) устанавливают требования устойчивости технических средств к изменениям частоты питающего напряжения, магнитному полю промышленной частоты и другим внешним электромагнитным воздействиям, чтобы обеспечить их надежное функционирование в реальных условиях.

Этапы проектирования радиопередающего устройства

Проектирование радиопередающего устройства — это комплексный инженерный процесс, который требует последовательного и систематического подхода. Каждый этап является логическим продолжением предыдущего и влияет на конечный результат. Результаты всех этапов тщательно документируются в пояснительной записке.

Анализ назначения и условий эксплуатации

Первый и фундаментальный этап проектирования. Без четкого понимания, для чего будет использоваться РПдУ и в каких условиях оно будет функционировать, невозможно принять правильные технические решения. На этом этапе определяются:

• Функциональное назначение: радиосвязь (двусторонняя, односторонняя), радиовещание, радиолокация, телеметрия и так далее.
• Диапазон рабочих частот: от которого зависят размеры антенны, тип колебательных систем, элементная база.
• Требуемая дальность связи и мощность: определяет класс усилителя мощности, его выходные параметры.
• Условия эксплуатации: температура (диапазон), влажность, вибрации, удары, наличие агрессивных сред, электромагнитная обстановка.
• Габаритные и массовые ограничения: для носимых или самолетных устройств это критично.
• Тип источника питания: автономный (батареи), бортовой (постоянный ток), сетевой (переменный ток).

На основе этих данных выбирается соответствующий ГОСТ, регламентирующий технические характеристики, допустимые условия эксплуатации и требования к передатчикам данного типа. Например, ГОСТ Р 51731-2001 «Радиопередающие устройства. Общие технические требования» или ГОСТ 12.1.006-84 «Электромагнитные поля радиочастот. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля».

Разработка технических требований

После анализа назначения формируется детальный перечень технических требований (ТТ) к проектируемому РПдУ. Эти требования должны быть конкретными, измеримыми и достижимыми. Они включают:

• Диапазон рабочих частот и шаг сетки частот.
• Выходная мощность (номинальная и пиковая).
• Вид модуляции и глубина модуляции (для АМ), девиация частоты (для ЧМ).
• Стабильность частоты (абсолютная или относительная).
• Полоса пропускания и форма спектра выходного сигнала.
• Уровень подавления гармоник и внеполосных излучений (в дБ или дБм).
• Коэффициент полезного действия (КПД).
• Чувствительность модуляционного входа.
• Требования к надежности (наработка на отказ, срок службы).
• Требования к электромагнитной совместимости (устойчивость к помехам, допустимый уровень собственных излучений).
• Требования к питанию, габаритам, массе, климатическим условиям эксплуатации.

Выбор структурной схемы

На этом этапе, исходя из разработанных технических требований, выбирается наиболее оптимальная структурная схема РПдУ. Это может быть классическая схема с возбудителем, модулятором и усилителем мощности, или более сложная, включающая синтезаторы частот, многокаскадные УМ с драйверами, цепи автоматической регулировки мощности (АРМ) и так далее. Обоснование выбора должно учитывать:

• Требуемую стабильность частоты: определяет использование кварцевых генераторов или синтезаторов ФАПЧ/DDS.
• Необходимую выходную мощность: влияет на количество каскадов усиления и класс УМ.
• Вид модуляции: определяет тип модулятора и его место в схеме.
• Требования к спектральной чистоте: влияет на сложность выходных фильтров и согласующих устройств.
• Экономические соображения и доступность элементной базы.

Электрический расчет функциональных узлов

После выбора структурной схемы начинается детальный электрический расчет каждого функционального узла:

• Расчет задающего генератора/синтезатора частот: определение параметров контуров, выбор активных элементов, расчет цепей ФАПЧ.
• Расчет модулятора: выбор типа модулятора, определение режимов работы, расчет коэффициентов усиления и модуляционной характеристики.
• Расчет предварительных и оконечных усилителей мощности: выбор режима работы (класс A, B, C, D и так далее), определение параметров активных элементов (транзисторов), расчет входных и выходных согласующих цепей, определение КПД каскадов.
• Расчет выходных колебательных систем и фильтров: определение топологии фильтров, расчет их элементов для обеспечения согласования и подавления гармоник.
• Расчет источников питания: определение мощностей, напряжений, выбор стабилизаторов.

Выбор элементной базы и обоснование схемотехнических решений

На этом этапе происходит конкретизация всех элементов схемы. Выбор элементной базы (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов, индуктивностей, микросхем) осуществляется на основе проведенных расчетов и с учетом следующих факторов:

• Рабочие частоты и мощности элементов: компоненты должны выдерживать заданные нагрузки.
• Надежность и температурный диапазон: особенно важно для промышленных и военных применений.
• Стоимость и доступность.
• Соответствие стандартам (например, RoHS).
• Габаритные размеры и тип корпуса.

Обоснование схемотехнических решений включает аргументацию выбора конкретных схемных реализаций (например, использование П-контура в качестве выходного фильтра, применение ключевых усилителей класса D/E/F для высоких КПД).

Оценка результатов проектирования и заключение

Финальный этап, на котором проводится всесторонняя оценка проделанной работы. Выполняются следующие действия:

• Сравнение расчетных параметров с заданными техническими требованиями: необходимо убедиться, что все требования ТТ выполнены или, в случае отклонений, обосновать их.
• Выявление потенциальных проблем: анализ возможных рисков (тепловые режимы, стабильность, ЭМС) и «узких мест» в конструкции.
• Предложение путей решения: в случае обнаружения проблем, предложить корректирующие меры или альтернативные решения.
• Разработка рекомендаций по дальнейшей оптимизации или развитию проекта.
• Составление подробной пояснительной записки, включающей все расчеты, схемы, обоснования и выводы.

Этот этап является критически важным для завершения курсовой работы и демонстрации полного цикла инженерного проектирования.

Заключение

В рамках настоящей курсовой работы было проведено всестороннее изучение и детальный анализ принципов проектирования, расчета и функционирования радиопередающих устройств. Мы последовательно рассмотрели основные аспекты, начиная от базовых определений и классификаций до сложных инженерных расчетов и современных требований к высокотехнологичным РПдУ.

Были детально раскрыты ключевые функциональные узлы радиопередатчика, такие как возбудитель, модулятор, усилитель мощности и выходные цепи, с акцентом на современные технические решения, включая высокостабильные синтезаторы частот на базе ФАПЧ/DDS и высокоэффективные усилители различных классов. Особое внимание было уделено амплитудной модуляции, её характеристикам, методам реализации и, что особенно важно, критическому анализу её энергетических недостатков, демонстрирующих, почему в современных системах связи предпочтение отдаётся более спектрально и энергетически эффективным видам модуляции. Проведенный анализ позволяет понять, насколько важно учитывать не только простоту реализации, но и конечную эффективность системы при выборе метода модуляции.

Проведён анализ методов электрического расчета оконечных каскадов и выходных колебательных систем, с приведением формул и конкретного примера выбора и расчета параметров транзистора 2Т976А, что позволило углубиться в практические аспекты проектирования. Мы также систематизировали современные требования к стабильности частоты, КПД и электромагнитной совместимости РПдУ, ссылаясь на актуальные российские нормативные документы, подчёркивая их критическую важность для современного радиоэлектронного оборудования. Наконец, были подробно описаны этапы проектирования, формирующие логическую последовательность от анализа назначения до оценки результатов.

Цели и задачи курсовой работы по изучению принципов функционирования, структурных элементов, видов модуляции и технических характеристик РПдУ были успешно достигнуты. Полученные знания и навыки в области проектирования, расчета и анализа радиопередающих устройств имеют высокую практическую значимость и станут прочной основой для дальнейшей инженерной деятельности в сфере радиотехники, радиоэлектроники и телекоммуникаций.

Список использованной литературы

1. Самойлов, А. Г., Самойлов, В. С., Самойлов, С. А. Радиопередающие устройства : учеб.- практ. пособие / Владим. гос. ун-т им. А. Г. и Н. Г. Столетовых. – Владимир : Изд-во ВлГУ, 2023. – 156 с. – ISBN 978-5-9984-1549-4.
2. Артюхин В. В., Гладышева Н. Н. Радиопередающие устройства. Конспект лекций. – Алматы: АИЭС, 2006. – 69 с.
3. Бочаров М. И. Проектирование транзисторных радиопередающих устройств: учеб. пособие / М. И. Бочаров. Воронеж: ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011. 184 с.
4. Титов А. А. ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ РАДИОПЕРЕДАТЧИКА С АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКОЙ РЕЖИМА ДВУХЧАСТОТНЫМ ТЕСТОВЫМ СИГНАЛОМ. КиберЛенинка.
5. Габдуллин Р. Б. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПЕРЕДАЮЩЕЙ ЧАСТИ СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ. КиберЛенинка.
6. Нестеров В. В. Теоретические основы радиотехники. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники.
7. Преткель Е. А. Системная характеристика электромагнитной совместимости радиопередатчиков связи и вещания. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники.
8. РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА И КОМПЛЕКСЫ — Пензенский государственный университет.
9. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ — Военмех.
10. ГОСТ Р 50009-2000. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к изменениям частоты питающего напряжения. Требования и методы испытаний.
11. ГОСТ Р 50648-94. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к магнитному полю промышленной частоты. Технические требования и методы испытаний.
12. 1.2. Радиопередающие устройства — Siblec.Ru
13. Колебательные системы выходных ступеней радиопередающих устройств — Ozlib.com
14. Амплитудная модуляция (Amplitude Modulation) — КИПиС — KIPIS.ru
15. Амплитудная модуляция — Электродвигатели и трансформаторы электрические приборы и машины Электротехнический портал
16. Амплитудная модуляция(AM): Что это такое? — DocsTech
17. 8. Вопросы проектирования узкополосных выходных колебательных систем (ВКС) мощных радиопередатчиков. Устройства генерирования и формирования радиосигналов. Учебное пособие — Siblec.Ru
18. Шахгильдян В.В., Власов В.А. и др. Проектирование радиопередающих устройств: Учеб. Пособие для вузов / Под ред. Шахгильдян В.В. – 3-е изд. перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1993.
19. Шахгильдян В.В., Козырев В.Б., Луховкин А.А. и др. Радиопередающие устройства: Учебник для ВУЗов / Под ред. Шахгильдян В.В. – 2-е изд. перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1990.