Проектирование и расчет радиопередающего устройства: Детальное руководство с учетом современных стандартов и элементной базы

В эпоху повсеместного распространения беспроводных технологий, от мобильной связи до спутниковой навигации, сердце любой системы передачи данных — радиопередатчик — остается ключевым элементом. Он служит мостом между миром электрических сигналов и эфиром, преобразуя информацию в форму, пригодную для дальних путешествий. Данное руководство призвано не просто изложить теоретические основы, но и вооружить студента технического вуза, специализирующегося на радиотехнике и электронике, практическими навыками аналитического расчета и конструирования радиопередающего устройства, соответствующего как заданным техническим требованиям, так и самым строгим современным стандартам.

Наше путешествие по миру радиопередатчиков начнется с определения их роли и структуры, затем мы углубимся в тонкости выбора элементной базы и энергетических расчетов, коснемся искусства согласования каскадов и антенн, разберем теорию и практику модуляции, а также освоим принципы создания высокостабильных генераторов и эффективных умножителей частоты. Особое внимание будет уделено государственным стандартам и их влиянию на каждое инженерное решение. Этот комплексный подход позволит не только освоить дисциплину «Устройства формирования сигналов» (УФС), но и заложить фундамент для будущих профессиональных достижений.

Общие принципы и структурные схемы радиопередатчиков

Определение и назначение радиопередатчика

В своей основе радиопередатчик — это сложный радиотехнический аппарат, главная функция которого заключается в преобразовании исходных электрических сигналов, несущих информацию (речь, данные, изображение), в радиосигналы. Эти радиосигналы, обладая определенной мощностью, способны распространяться в пространстве, обеспечивая радиосвязь на заданном расстоянии с необходимой надежностью и качеством. От эффективности этого преобразования напрямую зависит успешность коммуникации, ведь недостаточно просто передать сигнал, важно, чтобы он был принят и расшифрован без искажений.

Функциональная структурная схема радиопередатчика

Чтобы понять, как достигается эта цель, необходимо рассмотреть внутреннюю архитектуру радиопередатчика. Его функциональная структурная схема, как правило, включает в себя несколько ключевых блоков, каждый из которых выполняет свою уникальную задачу:

1. Возбудитель: Это «мозг» передатчика, ответственный за формирование исходных радиосигналов и высокостабильной сетки частот. Его задача — «наложить» информационный сигнал на несущую частоту, которая затем будет перенесена на рабочую частоту передатчика. От качества работы возбудителя зависит стабильность и чистота выходного сигнала.
2. Усилитель мощности (УМ): Как следует из названия, этот блок предназначен для усиления радиосигналов, полученных от возбудителя, до уровня, достаточного для обеспечения требуемой дальности связи. Мощность, развиваемая УМ, является одним из критически важных параметров передатчика.
3. Согласующее антенное устройство (САУ): Это «мост» между усилителем мощности и антенной. Его функция — обеспечить максимально эффективную передачу усиленного сигнала в антенну, минимизируя потери и отражения. Правильное согласование является залогом эффективного излучения радиоволн.
4. Источник электропитания: Обеспечивает все функциональные блоки передатчика необходимыми напряжениями и токами, поддерживая их стабильную работу.

Взаимодействие этих блоков организовано последовательно: возбудитель генерирует сигнал, УМ его усиливает, САУ передает его антенне, а источник питания обеспечивает энергией всю систему.

Исходные данные и этапы проектирования

Проектирование радиопередатчика, как правило, начинается с четкого определения исходных данных: это требуемая мощность в полезной нагрузке (P_нагр) и рабочая частота (или диапазон рабочих частот). Эти параметры являются краеугольными камнями всего проекта. Интересно, что, несмотря на кажущуюся логичность начинать с возбудителя, расчет структурной схемы всегда стартует с выходного каскада. Это обусловлено тем, что именно к нему предъявляются самые жесткие требования по мощности и частоте, которые затем определяют характеристики всех предыдущих каскадов. Такой подход позволяет поэтапно двигаться от «конца» к «началу», обеспечивая постепенное наращивание мощности и формирование сигнала. Кроме того, такой подход позволяет эффективно управлять бюджетом мощности и минимизировать потери на каждом этапе.

Технические характеристики и их обоснование

Технические характеристики проектируемого передатчика — это своего рода «технический паспорт», определяющий его возможности и ограничения. Они включают в себя:

• Выходная мощность: Например, 1,5 кВт для мощных вещательных станций или несколько десятков ватт для мобильных систем. Это показатель, определяющий дальность и надежность связи.
• Рабочая частота (диапазон): Может быть фиксированной или перестраиваемой. Например, для радиовещательных AM-передатчиков мощностью до 10 кВт в диапазонах НЧ, СЧ и ВЧ могут использоваться частоты от 150 кГц до 30 МГц. Передатчики КВ-диапазона (3-30 МГц) средней мощности (1-5 кВт) часто имеют фиксированные или ограниченно перестраиваемые частоты, а для УКВ-ЧМ вещания (65,9-74 МГц и 87,5-108 МГц) характерны передатчики мощностью до нескольких киловатт.
• Относительная нестабильность частоты: Этот параметр (например, 5·10^-7) критически важен для качества связи и соответствия стандартам, особенно в многоканальных системах. Высокая стабильность частоты обеспечивает точное попадание в заданный канал и минимизирует взаимные помехи.
• Допустимое излучение на гармониках: Выражается в децибелах (например, -50 дБ относительно несущей). Это требование обусловлено необходимостью минимизации помех другим радиоэлектронным средствам и соответствия международным нормам электромагнитной совместимости.

Эти характеристики не просто цифры; они тесно связаны с общими требованиями к радиосвязи: дальность, качество, помехозащищенность, электромагнитная совместимость. Учебные пособия, такие как те, что используются в ТУСУР, МЭИ, МГТУ им. Баумана, обобщают методики расчета параметров структурных схем и каскадов передатчика. Они включают анализ прототипов, обоснование рационального варианта схемы, разработку принципиальных электрических схем и расчет качественных показателей, что является основой для успешного проектирования.

Выбор элементной базы и энергетический расчет каскадов передатчика

Критерии выбора транзисторов для различных каскадов

Выбор активных элементов — транзисторов или радиоламп — является одним из фундаментальных этапов проектирования радиопередатчика. Этот выбор определяется прежде всего требуемой выходной мощностью каждого каскада и его рабочей частотой. Для оконечного каскада, который должен обеспечивать максимальную мощность в полезной нагрузке, выбор особенно критичен.

Например, для мощных ВЧ и СВЧ усилителей широко используются биполярные транзисторы, такие как 2Т925Б. Этот кремниевый n-p-n транзистор разработан для работы в усилителях мощности и генераторах СВЧ-диапазона и способен обеспечить выходную мощность до 20 Вт на частоте 2 ГГц. Такие характеристики делают его пригодным для многих приемо-передающих трактов средней мощности.

С развитием технологий, мощные полевые транзисторы (FET), в частности LDMOS (Lateral Diffused Metal Oxide Semiconductor), стали вытеснять биполярные транзисторы и во многих случаях замещать радиолампы. LDMOS-транзисторы обладают высокой эффективностью, хорошими линейными характеристиками и способностью работать на высоких частотах (до 2-3 ГГц) с выходными мощностями до сотен ватт. Их применение особенно распространено в базовых станциях сотовой связи и радиолокационных системах. Биполярные транзисторы, в свою очередь, представлены n-p-n и p-n-p типами, что дает определенную гибкость в схемотехнике.

Расчет номинальной мощности активного элемента

Для выходного каскада номинальная мощность активного элемента (транзистора или лампы) должна быть не просто равна, а несколько превышать необходимую мощность в полезной нагрузке. Это связано с потерями в согласующей цепи и необходимостью обеспечения запаса прочности. Расчет колебательной мощности выходного каскада (P_кол) производится по следующей формуле:

Pкол = Pнагр / (ηсогл · k)

где:

• P_нагр — необходимая мощность в полезной нагрузке (заданная);
• η_согл — коэффициент полезного действия (КПД) согласующей цепи, обычно находится в диапазоне от 0.8 до 0.95, отражая эффективность передачи мощности;
• k — коэффициент, зависящий от вида модуляции. Например, для частотной модуляции (ЧМ) k = 1, а для амплитудной модуляции (АМ) он может быть больше 1 из-за пиковых мощностей.
• Кроме того, при выборе транзистора следует учесть коэффициент производственного запаса, обычно от 1.05 до 1.1, чтобы компенсировать возможные отклонения параметров и обеспечить надежность работы.

Сравнительный анализ транзисторной и ламповой техники

Вопрос выбора между транзисторными и ламповыми усилителями остается актуальным, особенно на высоких мощностях и частотах.

• Транзисторная техника: Современные мощные полевые транзисторы (LDMOS, GaN) доминируют в диапазонах до 2-3 ГГц, обеспечивая выходные мощности до сотен ватт. Их преимущества — компактность, долговечность, низкое напряжение питания, высокая надежность и меньшие эксплуатационные расходы. Для обеспечения выходных мощностей в 1-2 кВт на частотах до 3 ГГц транзисторные усилители являются предпочтительным выбором.
• Ламповая техника: Несмотря на кажущуюся «устарелость», радиолампы (клистроны, лампы бегущей волны – ЛБВ) остаются экономически оправданными и более эффективными при выходных мощностях, превышающих 2-3 кВт, особенно на частотах свыше 3 ГГц. Это связано с их способностью работать с очень высокими напряжениями и токами, что сложно реализовать в полупроводниковых приборах. Например, в мощных телевизионных и радиовещательных центрах, а также в некоторых радиолокационных и космических системах, ламповые приборы продолжают успешно применяться.

Таким образом, выбор технологии диктуется конкретными требованиями по мощности, частоте, габаритам и стоимости.

Энергетический расчет умножителя частоты

Умножитель частоты — это каскад, преобразующий входной сигнал одной частоты в выходной сигнал с частотой, кратной входной. Энергетический расчет умножителя частоты включает вычисление ряда вспомогательных параметров, которые определяют его эффективность и режимы работы:

1. Амплитуда первой гармоники тока коллектора (I_К1): Это ключевой параметр, характеризующий ток, который генерируется транзистором на основной частоте, и от которого зависит мощность, передаваемая в контур.
2. Средний ток коллектора (I_К0): Определяет потребляемую мощность и режим работы транзистора по постоянному току.
3. Амплитуда напряжения на коллекторе (U_КМ): Важна для оценки режима работы транзистора и его линейности.
4. Оптимальное сопротивление нагрузки контура: Это сопротивление, при котором достигается максимальная передача мощности от транзистора к нагрузке. Оно вычисляется на основе проходной емкости транзистора при конкретном значении напряжения между коллектором и базой, что позволяет учесть нелинейные свойства активного элемента.

Эти параметры рассчитываются с использованием характеристик транзистора (статических и динамических), а также параметров цепи смещения и нагрузки. Детальный расчет позволяет оптимизировать КПД умножителя и минимизировать нежелательные гармоники.

Расчет нагрузочных систем и согласование каскадов с антенной

Назначение и функции согласующего антенного устройства (САУ)

Согласующее антенное устройство (САУ) — это не просто вспомогательный элемент, а критически важный компонент любого радиопередающего тракта, ведь от него напрямую зависит эффективность работы всей системы. Его основная функция — обеспечить максимальную передачу мощности от выходного каскада усилителя мощности (УМ) к передающей антенне. Почему это так важно? Если сопротивление выходного каскада не соответствует входному сопротивлению антенны (их называют *несогласованными*), значительная часть энергии будет отражаться обратно в передатчик, не достигая антенны. Это приводит к нескольким негативным последствиям:

• Снижение эффективности излучения: Мощность, которая могла бы быть излучена, теряется.
• Повышение нагрузки на выходной каскад: Отраженная мощность может создавать перенапряжения и перегрузки, ведущие к выходу из строя дорогостоящих транзисторов оконечного каскада.
• Искажение сигнала: Несогласование может приводить к нелинейным искажениям и ухудшению качества передаваемого сигнала.

Таким образом, САУ выполняет роль «адаптера», приводящего параметры УМ и антенны в соответствие для оптимальной работы.

Методика расчета и настройки П-контура

Одним из наиболее распространенных решений для согласования оконечного каскада с антенной является П-контур. Он представляет собой резонансную цепь, состоящую из индуктивности и двух емкостей. Расчет П-контура начинается с определения требуемых значений индуктивности и емкостей, исходя из выходного сопротивления УМ и входного сопротивления антенны, а также рабочей частоты.

Процедура настройки П-контура включает следующие шаги:

1. Предварительная настройка: При помощи измерительных приборов (например, анализатора цепей) или по расчетным данным устанавливаются приблизительные значения емкостей С1 и С2, а также индуктивности контурной катушки.
2. Настройка по резонансу: В цепь коллектора (для транзистора) или анода (для лампы) включается миллиамперметр. Путем плавной регулировки емкостей С1 и С2 добиваются минимума тока коллектора/анода, что указывает на резонанс в контуре. В этот момент выходная мощность обычно максимальна.
3. Оптимизация связи с антенной: После достижения резонанса, регулировка емкости С2 продолжается, чтобы обеспечить максимальный КПД. Настройка производится до тех пор, пока ток коллектора/анода не спадет на 3-5% от значения, соответствующего резонансу. Этот небольшой спад тока часто соответствует оптимальному согласованию и максимальному КПД, поскольку при максимальном токе коллектора может наблюдаться перегрузка транзистора или снижение линейности. Для транзисторных усилителей мощности также часто используют контроль выходной мощности или коэффициента стоячей волны (КСВ) в антенном фидере: настройка производится по достижению максимальной выходной мощности или минимального КСВ.

Учет паразитных емкостей и индуктивностей

В реальных схемах, особенно на высоких частотах, крайне важно учитывать паразитные параметры — это нежелательные емкости и индуктивности, которые возникают из-за конструктивных особенностей элементов и монтажа.

• Паразитные емкости: Конструктивная входная емкость транзистора (емкость между базой и эмиттером, коллектором и базой) может значительно влиять на входное и выходное сопротивление каскадов, особенно на ВЧ. На высоких частотах эта емкость шунтирует входное сопротивление, снижая его и внося реактивную составляющую.
• Паразитные индуктивности: Индуктивности выводов элементов, монтажных проводников, а также индуктивность земли могут создавать нежелательные резонансы и ухудшать стабильность работы каскадов.

Методы компенсации включают:

• Выбор транзисторов с минимальными паразитными емкостями для данного частотного диапазона.
• Использование компенсационных индуктивностей или емкостей, которые специально вводятся в схему для подавления или компенсации паразитных эффектов. Например, небольшие индуктивности в цепях эмиттера/коллектора могут помочь скорректировать входной/выходной импеданс.
• Оптимизация топологии печатной платы: Минимизация длины проводников, использование многослойных плат с земляными полигонами, тщательное проектирование монтажа.
• Использование специализированных СВЧ-компонентов с предсказуемыми и минимальными паразитными параметрами.

Ширина полосы пропускания цепей согласования

Еще одно важное требование к цепям согласования — это их полоса пропускания. Она должна быть достаточной для того, чтобы полностью пропускать спектр полезной составляющей сигнала. Если полоса пропускания цепи согласования уже, чем ширина спектра модулированного сигнала, это приведет к:

• Искажению сигнала: Часть спектра будет отфильтрована, что ухудшит качество модуляции и передаваемой информации.
• Снижению эффективности: Мощность, содержащаяся в «обрезанных» частях спектра, не будет передана.

Таким образом, при расчете согласующих цепей необходимо учитывать не только центральную частоту, но и всю ширину частотного спектра, который должен быть передан без существенных потерь и искажений.

Теория модуляции и расчет модулируемых каскадов

Принципы базовой модуляции в ВЧ генераторах

Модуляция — это процесс изменения одного или нескольких параметров несущего высокочастотного колебания в соответствии с низкочастотным информационным сигналом. Среди различных видов амплитудной модуляции, базовая модуляция занимает особое место благодаря своим преимуществам. В транзисторных ВЧ генераторах базовая модуляция реализуется путем изменения постоянного напряжения смещения на базе транзистора (E_Б) по закону передаваемого сообщения. Это изменение смещения приводит к модуляции амплитуды первой гармоники коллекторного тока (I_К1). Иными словами, зависимость I_К1 = f(E_Б) в динамическом режиме работы транзистора становится основой для передачи информации.

Принцип прост: модулирующий сигнал, подаваемый на базу, изменяет режим работы транзистора, что, в свою очередь, приводит к изменению амплитуды высокочастотного колебания в коллекторной цепи. При эмиттерной модуляции процесс аналогичен, только напряжение смещения изменяется на эмиттерном переходе, что также вызывает изменение амплитуды первой гармоники коллекторного тока и, соответственно, колебательной мощности.

Расчет ВЧ генератора при амплитудной модуляции

Расчет ВЧ генератора, работающего с амплитудной модуляцией, представляет собой многоступенчатый процесс. Он начинается с определения режимов, обеспечивающих максимальную эффективность и качество сигнала:

1. Расчет максимального режима: На этом этапе определяются параметры, необходимые для достижения максимальной выходной мощности при пиковом значении модулирующего сигнала. Это включает расчет токов, напряжений и сопротивлений, при которых транзистор работает на пределе своих возможностей, но без выхода из строя.
2. Расчет режима молчания (несущей частоты): Этот режим соответствует отсутствию модулирующего сигнала, когда генератор работает на несущей частоте с определенной, обычно не максимальной, мощностью. Это определяет базовую точку для модуляции.
3. Определение требуемой мощности модулятора: Модулятор — это источник низкочастотного сигнала, который управляет базой генератора. Его мощность должна быть достаточной для обеспечения необходимой глубины модуляции без искажений.

Преимущества базовой модуляции

Одним из ключевых преимуществ базовой модуляции является значительно меньшая мощность, требуемая от модулятора, по сравнению с коллекторной модуляцией. При коллекторной модуляции модулятор должен управлять всем током коллектора, что требует существенной мощности. В случае базовой модуляции модулятор управляет лишь током базы, который значительно меньше коллекторного тока. Это позволяет уменьшить габариты, массу и стоимость радиопередающего устройства, поскольку модулятор может быть выполнен на менее мощных и более компактных элементах. По оценкам, мощность, требуемая от модулятора при базовой модуляции, может быть в 10-20 раз меньше, чем при коллекторной.

Условия неискаженного процесса модуляции

Для обеспечения высокого качества модулированного сигнала, то есть отсутствия нелинейных искажений, необходимо строго соблюдать одно условие: рабочая точка транзистора не должна выходить за пределы прямолинейного участка статической модуляционной характеристики (зависимости I_К1 = f(E_Б)).

• Прямолинейный участок: Это диапазон напряжений смещения на базе, при котором амплитуда первой гармоники коллекторного тока изменяется пропорционально изменению напряжения E_Б.
• Выход за пределы: Если модулирующий сигнал слишком велик и выводит рабочую точку за этот участок, возникают нелинейные искажения, проявляющиеся в появлении высших гармоник модулирующего сигнала и интермодуляционных составляющих в спектре выходного ВЧ-сигнала. Это приводит к ухудшению разборчивости речи, качества передачи данных и увеличению внеполосных излучений.

Инженеры должны тщательно проектировать цепи смещения и выбирать режим работы транзистора, чтобы обеспечить работу исключительно в линейном диапазоне модуляционной характеристики.

Энергетический расчет транзисторного генератора с базовой модуляцией

Полный энергетический расчет транзисторного генератора с базовой модуляцией включает следующие шаги:

1. Уточнение типа и количества транзисторов: Выбор активных элементов на основе требуемой мощности и частоты.
2. Расчет коллекторной и базовой цепи в максимальном режиме и режиме несущей частоты: Определение параметров для обеспечения оптимального режима работы при пиковой модуляции и в режиме покоя.
3. Расчет среднего режима модуляции: Определение средних значений токов и напряжений в присутствии модулирующего сигнала.
4. Определение мощности модулятора и возбудителя: Расчет необходимой мощности, которую должны обеспечивать эти блоки для управления генератором и формирования исходного ВЧ-сигнала.

Этот расчет позволяет не только выбрать оптимальные компоненты, но и спроектировать режимы работы, которые минимизируют искажения и обеспечивают максимальную эффективность.

Определение коэффициента гармоник

Для количественной оценки качества модуляции и степени нелинейных искажений используется коэффициент гармоник (K_Г). Он показывает долю энергии, содержащейся в нежелательных высших гармониках модулирующего сигнала, относительно основной гармоники. Формула для определения K_Г выглядит следующим образом:

KГ = √( Σn=2N Un2) / U1 × 100%

где:

• U₁ — среднеквадратическое значение напряжения основной (первой) гармоники модулирующего сигнала;
• U_n — среднеквадратическое значение напряжения n-й высшей гармоники (n ≥ 2);
• N — количество учитываемых высших гармоник.

Чем меньше значение K_Г, тем выше качество модуляции и меньше нелинейных искажений. В большинстве систем радиосвязи существуют строгие требования к максимальному допустимому коэффициенту гармоник. Таким образом, условия неискаженного процесса модуляции прямо влияют на этот показатель.

Проектирование генераторов и умножителей частоты с высокой стабильностью

Получение высокостабильных опорных частот

В основе любого современного радиопередатчика лежит способность генерировать и поддерживать высокостабильные опорные частоты. Это критически важно для качества связи, избирательности каналов и соответствия нормативным требованиям. Основная трудность в конструировании радиостанций, отвечающих современным требованиям по стабильности и точности частоты, заключается именно в обеспечении этой стабильности.

Самым распространенным и эффективным способом получения фиксированных высокостабильных частот является применение кварцевых генераторов. Принцип их работы основан на пьезоэлектрическом эффекте в кварцевых резонаторах, которые обладают очень высокой добротностью и стабильностью резонансной частоты. Однако у кварцевых резонаторов есть свои ограничения: они доступны для относительно низких частот (от единиц килогерц до нескольких десятков мегагерц) из-за сложности изготовления и механических свойств. Для получения устойчивого генерирования в автогенераторе с кварцевой стабилизацией, особенно в возбудителях, часто применяют низкочастотные кварцевые резонаторы. Эти резонаторы (например, на 100 кГц, 1 МГц, 5 МГц или 10 МГц) обеспечивают превосходную стабильность, а затем их частота умножается до требуемой рабочей частоты передатчика. Такой подход позволяет получить высокостабильную опорную частоту, которая затем служит «мастер-клоком» для всей системы.

Анализ автогенераторов с параметрической стабилизацией

Простейший возбудитель может быть выполнен на диапазонном автогенераторе с параметрической стабилизацией частоты. Эти генераторы используют свойство изменения реактивного элемента (например, варикапа) под действием постоянного или низкочастотного напряжения для стабилизации или перестройки частоты. Однако, несмотря на их простоту и возможность перестройки, такие возбудители имеют недостаточную стабильность частоты по сравнению с кварцевыми генераторами. Это связано с влиянием температуры, нестабильностью напряжения питания, шумами и внешними воздействиями на параметры реактивных элементов. Задающие генераторы для ЧМ-передатчиков могут быть реализованы на биполярных или полевых ВЧ-транзисторах, что позволяет достигать хороших частотных характеристик при правильном проектировании контуров и цепей стабилизации.

Методы умножения частоты

Когда требуется получить рабочую частоту, значительно превышающую частоту кварцевого генератора, используются умножители частоты. Основной способ умножения частоты — это подача гармонических колебаний на нелинейный элемент. Нелинейный элемент (например, транзистор, диод, варикап, варактор), работая в нелинейном режиме, преобразует входной синусоидальный сигнал в последовательность видеоимпульсов или другой негармонический сигнал. Спектр такого сигнала, согласно рядам Фурье, содержит большое количество гармоник, частоты которых кратны входной частоте. Далее с помощью резонансного контура или фильтра выделяется нужная гармоника.

Эффективность умножения:

• С увеличением номера используемой гармоники КПД преобразования уменьшается. Это означает, что чем выше кратность умножения, тем меньше энергии передается в полезную гармонику и больше рассеивается в виде тепла или других гармоник.
• Использование гармоник с большими номерами становится нецелесообразным из-за их малого уровня и сложности фильтрации. Обычно ограничиваются умножением в 2-4 раза на один каскад.

Расчет КПД и коэффициента боковых гармоник умножителя

Для оценки эффективности работы умножителя частоты используются два ключевых параметра:

1. КПД преобразования (η): Определяется как отношение мощности полезной гармоники (P_с) к общей мощности всех составляющих (P_общ), генерируемых нелинейным элементом:
   η = Pс / Pобщ
   Высокий КПД указывает на эффективное преобразование энергии в нужную гармонику.
2. Коэффициент боковых гармоник (К_бг): Характеризует чистоту выделенного сигнала и показывает, насколько хорошо подавляются соседние нежелательные гармоники. Он определяется как отношение амплитуды полезной гармоники (U_п) к амплитуде соседней нежелательной гармоники (U_б):
   Кбг = Uп / Uб
   Чем выше К_бг, тем «чище» выходной сигнал умножителя, что важно для минимизации внеполосных излучений и помех.

Умножители частоты на элементах задержки и варакторах

Кроме традиционных умножителей на нелинейных элементах, существуют и более сложные конструкции:

• Умножители частоты на элементах задержки: Эти устройства могут быть использованы для получения выходных импульсов, распределенных равномерно во времени. В таких схемах номиналы RC-цепочек вычисляются для каждого формирователя. Например, для обеспечения равномерности распределения выходных импульсов во времени при коэффициенте заполнения D = 50%, номиналы RC-цепочек для каждого из n формирователей вычисляют по выражению: R · C ≈ 0.754 / (n · F), где R — сопротивление в кОм, C — емкость в нФ, а F — выходная частота в Гц.
• Умножители частоты на варакторах: Варактор — это полупроводниковый диод, емкость которого зависит от приложенного обратного напряжения. Эта нелинейная зависимость емкости используется для умножения частоты. Для создания эффективных умножителей частоты в миллиметровом диапазоне требуются варакторы с очень высокими предельными частотами (f_пр), которые должны превышать входную частоту сигнала в десятки-сотни раз. Предельная частота варактора определяется по формуле:
  fпр = 1 / (2πRSCmin)
  где R_S — последовательное сопротивление потерь варактора, C_min — минимальная емкость варактора при максимальном обратном смещении. Чем меньше R_S и C_min, тем выше предельная частота и, следовательно, выше эффективность варакторного умножителя на высоких частотах.

Современные требования и государственные стандарты (ГОСТы) в проектировании радиопередатчиков

Требования к оперативности и надежности

Современные радиопередатчики — это не просто устройства для передачи сигнала, это сложные системы, отвечающие высоким требованиям к оперативности и надежности. В быстро меняющемся мире, где информация должна быть доступна мгновенно, эти параметры выходят на первый план:

• Время готовности к работе: От единиц секунд для систем быстрого реагирования до десятков минут для мощных стационарных комплексов, требующих прогрева или калибровки. Чем быстрее передатчик выходит на рабочий режим, тем выше его оперативная ценность.
• Время непрерывной работы: Должно быть достаточным для выполнения поставленных задач, будь то круглосуточное вещание или длительная связь в экстремальных условиях.
• Скорость перестройки частоты: Современные системы, такие как радиостанции с заранее подготовленными частотами (ЗПЧ), требуют перестройки в течение единиц секунд. Для частотно-адаптивных радиолиний, автоматически подстраивающихся под меняющиеся условия распространения, время перестройки должно составлять единицы миллисекунд. Это требует использования высокоскоростных синтезаторов частот и мгновенно перестраиваемых согласующих устройств.

Применение квантовых генераторов для ультрастабильных частот

Для систем, требующих беспрецедентной точности и стабильности частоты, таких как передатчики сигналов точного времени или спутниковых систем радионавигации (например, ГЛОНАСС, GPS), стандартные кварцевые генераторы недостаточны. В таких случаях в качестве опорного задающего генератора применяют квантовые генераторы (например, водородные мазеры или рубидиевые стандарты частоты). Эти устройства обеспечивают экстремальную стабильность частоты — до 10^-10 — 10^-12, что эквивалентно ошибке в несколько секунд за тысячи лет. Такая точность критически важна для синхронизации глобальных систем и определения координат с высокой степенью детализации.

Нормативные документы по внеполосным и побочным радиоизлучениям

Одной из важнейших задач при проектировании радиопередатчиков является минимизация нежелательных излучений. Это регулируется целым рядом государственных стандартов и норм:

• ГОСТ РВ 52226-2004 «Устройства радиопередающие. Требования к основным параметрам внеполосных и побочных радиоизлучений.» Этот стандарт устанавливает жесткие требования к военным радиопередающим устройствам. Согласно ему, уровень внеполосных и побочных излучений должен быть не более -60 дБ относительно несущей мощности для частот выше 30 МГц, и не более -40 дБ для частот ниже 30 МГц. Эти нормы диктуют необходимость применения многозвенных фильтров, экранирования и тщательного проектирования схем.
• Нормы 18-07 «Радиопередающие устройства гражданского назначения. Требования на допустимые уровни побочных излучений.» Являются обязательными на территории РФ и регулируют гражданскую радиотехнику. По этим нормам, уровни побочных излучений для гражданских РПДУ должны быть не более -30 дБм (для передатчиков с выходной мощностью менее 100 Вт) или -60 дБ относительно несущей для передатчиков мощностью 100 Вт и более.
• ГОСТ Р 50842-95 «Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Устройства радиопередающие народнохозяйственного применения. Требования к побочным радиоизлучениям.» Устанавливает, что уровень побочных радиоизлучений должен быть не более -60 дБ относительно номинальной мощности передатчика, если она превышает 25 Вт. Для передатчиков мощностью до 25 Вт, уровень побочных излучений не должен превышать -36 дБм.

Побочное излучение определяется как нежелательное радиоизлучение через антенну РПДУ, возникающее в результате нелинейных процессов в каскадах передатчика. Соблюдение этих норм требует применения различных методов: использование линейных усилителей, эффективных выходных фильтров (ФНЧ), тщательного экранирования и минимизации паразитных связей.

Требования к допустимым отклонениям частоты

Стабильность частоты — еще один критический параметр, регулируемый стандартами:

• Нормы 17-99 «Радиопередатчики всех категорий и назначений. Требования на допустимые отклонения частоты.» Устанавливают, что допустимое отклонение частоты для радиопередатчиков с различными видами модуляции и мощности может варьироваться. Например, ��ля передатчиков с ЧМ мощностью более 100 Вт в диапазоне ОВЧ (30-300 МГц) допустимое отклонение частоты составляет 5·10^-6, а для передатчиков с АМ мощностью до 100 Вт в диапазоне КВ (3-30 МГц) — 1·10^-5. Для однополосных радиотелефонных передатчиков с пиковой мощностью огибающей не более 15 Вт допустимое отклонение частоты составляет 50 Гц. Допустимое отклонение частоты может выражаться в миллионных долях (N·10^-6) или в герцах (Гц).
• ГОСТ 33.060.20 «Приемная и передающая аппаратура.» Включает общие требования безопасности к радиопередающей аппаратуре и терминологию, касающуюся параметров частоты.

Эти нормы требуют использования высокостабильных задающих генераторов (кварцевых, а при необходимости — квантовых), систем автоматической подстройки частоты (АПЧ) и температурной стабилизации.

Требования к ослаблению продуктов интермодуляции

В многоканальных системах и при совместном размещении оборудования, продукты интермодуляции (ПИМ) являются серьезной проблемой. Они возникают при смешивании нескольких сигналов в нелинейных элементах передатчика и могут создавать помехи на частотах, отличных от несущих.

• ГОСТ Р 56172-14 «Электромагнитная совместимость. Оборудование базовых станций и ретрансляторов сотовой связи.» Устанавливает требования к ослаблению продуктов интермодуляции в передатчике: не менее 40 дБ для одноканальных базовых станций и ретрансляторов, и не менее 70 дБ для многоканальных или совместно размещаемых с другим оборудованием. Для борьбы с ПИМ применяются высоколинейные усилители, пассивные смесители, а также тщательное проектирование антенно-фидерных трактов для минимизации внешних нелинейностей.

Отраслевые стандарты для вещательных передатчиков

Для специализированных областей применения существуют отдельные ГОСТы:

• ГОСТ Р 51742-2001 «Передатчики радиовещательные стационарные с амплитудной модуляцией диапазонов низких, средних и высоких частот.» Является основой для разработки технических требований к вещательным АМ радиопередатчикам, устанавливая параметры качества сигнала, стабильности и эксплуатационные характеристики.
• ГОСТ Р 51741-2001 «Передатчики радиовещательные стационарные диапазона ОВЧ. Основные параметры, технические требования и методы измерений.» Регулирует параметры для ЧМ-вещания в диапазоне очень высоких частот (ОВЧ), обеспечивая совместимость оборудования и высокое качество звука.

Соблюдение всех этих стандартов — это не просто формальность, а гарантия того, что разработанное радиопередающее устройство будет эффективно работать, не создавая помех другим системам, и будет безопасным в эксплуатации. Какие конкретные инженерные решения помогают соответствовать этим нормам?

Выводы и заключение

На протяжении этого руководства мы совершили глубокое погружение в мир проектирования и расчета радиопередающих устройств, пройдя путь от фундаментальных определений до тонкостей соблюдения государственных стандартов. Мы убедились, что создание современного радиопередатчика — это сложный, многогранный процесс, требующий не только обширных теоретических знаний, но и скрупулезных аналитических расчетов, а также глубокого понимания физических принципов работы каждого компонента.

Мы изучили, как изначальные технические требования к мощности и рабочей частоте диктуют выбор структурной схемы, где каждый блок — от возбудителя до согласующего антенного устройства — выполняет свою незаменимую функцию. Детальный анализ выбора элементной базы показал, что современные транзисторные технологии, такие как LDMOS, значительно расширили возможности проектировщиков, но и не исключили ламповую технику в сегменте сверхвысоких мощностей и частот. Энергетические расчеты каскадов, в свою очередь, стали ключом к достижению максимальной эффективности и надежности.

Особое внимание было уделено нагрузочным системам и согласованию, где роль П-контура и его точной настройки оказалась критически важной для эффективной передачи сигнала. Мы также осознали, что учет и компенсация паразитных емкостей и индуктивностей — это не академическая прихоть, а насущная необходимость для стабильной работы устройства на высоких частотах.

В разделе о модуляции мы раскрыли принципы базовой модуляции, ее преимущества в плане энергопотребления модулятора и, что самое важное, условия обеспечения неискаженного процесса, лежащего в основе качественной передачи информации. Расчет коэффициента гармоник стал инструментом для объективной оценки качества сигнала.

Наконец, мы систематизировали знания о проектировании генераторов и умножителей частоты, подчеркнув значимость кварцевых генераторов для обеспечения стабильности и изучив различные подходы к умножению частоты, включая использование варакторов и элементов задержки.

Кульминацией нашего анализа стало глубокое погружение в мир современных требований и государственных стандартов (ГОСТов). Мы увидели, как нормы по внеполосным и побочным излучениям, допустимым отклонениям частоты и ослаблению продуктов интермодуляции не просто ограничивают, но и направляют инженерную мысль, заставляя искать оптимальные схемные решения, методы фильтрации и экранирования. Эти стандарты — не препоны, а фундамент для создания надежных, безопасных и электромагнитно совместимых радиоэлектронных устройств.

Таким образом, данная курсовая работа является не просто сборником расчетов, а комплексным руководством, подчеркивающим важность синтеза теоретических знаний, практических навыков и неукоснительного соблюдения нормативных требований. Освоение этих принципов позволит студенту не только успешно выполнить курсовой проект, но и заложит прочную основу для будущей профессиональной деятельности в динамично развивающейся области радиотехники и электроники. Перспективы развития этой сферы безграничны, и каждый новый передатчик, созданный с учетом этих принципов, приближает нас к новым горизонтам беспроводной связи, ведь от качества его работы зависит не только передача данных, но и безопасность, надежность и эффективность всей коммуникационной инфраструктуры.

Список использованной литературы

1. Чернышев, А.А. ОС ТУСУР 6.1-97*. Система образовательных стандартов. Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные. Образовательный стандарт ВУЗа / А.А. Чернышев, Л.И. Кирпиченко. – Томск: ТУСУР, 2001. – 36 с.
2. ГОСТ 11326.0-78. Кабели радиочастотные. Общие технические условия / под ред. В.П. Огурцов. – Издательство стандартов, 2003. – 36 с.
3. ГОСТ 27550-87. Конденсаторы постоянной ёмкости. Общие технические условия / под ред. В.С. Бабкина. – Издательство стандартов, 1988. – 49 с.
4. ГОСТ 7113-77. Резисторы постоянные. Общие технические условия / под ред. М.А. Глазунова. – Издательство стандартов, 1987. – 50 с.
5. ГОСТ 20718-75 Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определения. – Издательство стандартов, 1984. – 12 с.
6. Бордус, А.Д. Проектирование радиопередающих устройств на транзисторах. Методические указания / А.Д. Бордус, Г.Д. Казанцев, А.Г. Ильин. – ТУСУР, 2007. – 66 с.
7. Шахгильдян, В.В. Проектирование радиопередатчиков: Учебное пособие для студентов вузов связи / В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин, В.Б. Козырев [и др.]. – 4-е изд. – М.: Радио и связь, 2000.
8. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / под ред. В.В. Шахгильдяна. – 3-е изд. – М.: Радио и связь, 2003. – 560 с.
9. Терещук, P.M. Малогабаритная радиоаппаратура. Справочник радиолюбителя / P.M. Терещук, К.М. Терещук, С.А. Седов, Л.Б. Фукс. – Киев: Наукова думка, 1975. – 447 с.
10. Зайцев, А.А. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности. Справочник / А.А. Зайцев, А.И. Миркин; под ред. А.В. Голомедова. – М.: Радио и связь, 1989. – 640 с.
11. ГОСТ РВ 52226-2004 Государственный военный стандарт Российской Федерации. Устройства радиопередающие. Требования к основным параметрам внеполосных и побочных радиоизлучений.
12. Научно-образовательный портал ТУСУР. Радиоэлектронные системы и комплексы. Радиопередающие устройства. URL: https://portal.tusur.ru/education/programs/specialty/radioelektronnye-sistemy-i-kompleksy/radioperedayushchie-ustroystva/ (дата обращения: 13.10.2025).
13. МГТУ им. Н.Э. Баумана, кафедра «Радиоэлектронные системы», секция «Радиопередающие устройства». URL: https://rl1s3.ucoz.ru/ (дата обращения: 13.10.2025).
14. Научно-образовательный портал ТУСУР. Системы радиосвязи и радиодоступа. Радиопередающие устройства. URL: https://portal.tusur.ru/education/programs/specialty/sistemy-radiosvyazi-i-radiodostupa/radioperedayushchie-ustroystva/ (дата обращения: 13.10.2025).
15. Ворона, В.А. Радиопередающие устройства. Основы теории и расчета: Учебное пособие для вузов. ISBN 978-5-9912-0005-9.
16. Лазаренко, С.В. Амплитудная сеточная и базовая модуляция: Лекция. – Донской Государственный Технический Университет, 2016.
17. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники (БГУИР). Выбор, обоснование технических требований структурной схемы передатчика, 2014.
18. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники (БГУИР). Выбор транзисторов передатчика, 2015.
19. Нормы 18-07. Радиопередающие устройства гражданского назначения. Требования на допустимые уровни побочных излучений. Методы контроля. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200060933 (дата обращения: 13.10.2025).
20. ГОСТ Р 50842-95 Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Устройства радиопередающие народнохозяйственного применения. Требования к побочным радиоизлучениям. Методы измерения и контроля. URL: https://docs.cntd.ru/document/901725357 (дата обращения: 13.10.2025).
21. Цепи согласования каскадов усилителя мощности передатчика. URL: https://radiostation.ru/home/usilitel/usilitel-moshnosti-peredatchika-5.html (дата обращения: 13.10.2025).
22. Каталог ГОСТ: 33.060.20 Приемная и передающая аппаратура. URL: https://internet-law.ru/gosts/gost/11696/ (дата обращения: 13.10.2025).
23. Самойлов, А.Г. Радиопередающие устройства: учеб.-практ. пособие / А.Г. Самойлов, В.С. Самойлов, С.А. Самойлов. – Владимир: Изд-во ВлГУ, 2023. ISBN 978-5-9984-1549-4.
24. Нормы 17-99 Радиопередатчики всех категорий и назначений. Требования на допустимые отклонения частоты. Методы измерений и контроля. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200060932 (дата обращения: 13.10.2025).
25. ГОСТ Р 56172-14. URL: https://hytera-pro.ru/file/gost/GOST_R_56172-2014.pdf (дата обращения: 13.10.2025).
26. ГОСТ Р 51742-2001. Передатчики радиовещательные стационарные с амплитудной модуляцией диапазонов низких, средних и высоких частот. Основные параметры, технические требования и методы измерений. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200020300 (дата обращения: 13.10.2025).
27. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Радиоэлектронные системы и комплексы. URL: https://www.bmstu.ru/ (дата обращения: 13.10.2025).
28. Умножители частоты на элементах задержки // РадиоЛоцман. – 2022. – 7 нояб. URL: https://www.rlocman.ru/shem/card.html?di=277490 (дата обращения: 13.10.2025).
29. Пахлавян, А.Н. Радиопередающие устройства: Учебник для техникумов / А.Н. Пахлавян. – М.: Связь, 1974.
30. Лабутин, Л. Радиоимпульсное умножение частоты // Радио. – 1967.
31. Документация на микросхему 5560ПЛ1У.
32. Статья «Умножители частоты миллиметрового диапазона на основе полупроводниковых».