История
Данный урок посвящен радиопередающим устройствам. Первый в истории, после открытия электромагнитных волн, передатчик на основе искрового генератора был построен немецким ученым Генрихом Герцем в 1886-1889 годах.
Колебания возбуждались в колебательном контуре, а поскольку они быстро затухали, конденсатор колебательного контура периодически вновь заряжался и подключался к катушке индуктивности. Переключателем служил искровой промежуток между 2 металлическими шариками, а искру давала катушка Румкорфа (аналог катушки Румкорфа автомобильная катушка зажигания, создающая искры для поджигания горючей смеси).
Герц уменьшил до предела емкость конденсатора, антенной служили 2 стерженька с искровым промежутком между ними. Приемником электромагнитных волн служила катушка из 1 витка проволоки с маленьким искровым промежутком для фиксации принимаемых колебаний.
В последующем подобную схему применяли и другие исследователи - итальянский физик Риги, русский ученый Александр Попов, итальянец Гульельмо Маркони, и многие другие.
Посредством искрового передатчика радисты передавали сообщения посредством азбуки Морзе, качественной передачи голосовых сообщений не удавалось добиться, да оно в принципе и невозможно, хотя опыты подобного рода производились неоднократно. Ниже пример передачи макетом искрового передатчика известной всем мелодии.
Хорошего качества передачи речи и даже музыки удалось добиться с разработкой машинных генераторов для выработки напряжения высокой частоты. К генератору частотой 50 Гц подключалась антенна, а модуляция производилась включением в сеть антенны угольного микрофона. При изменении сопротивления микрофона изменялся ток в антенне, подобный тип модуляции называется амплитудной (АМ).
Искровые передатчики, впрочем, еще долго эксплуатировались, в Москве искровая Ходынская радиостанция мощностью 100 кВт, работавшая на волнах километровой длины, работала с 1914 по 1940 год, когда эксплуатация искровых передатчиков была запрещена ввиду создаваемых ими помех всевозможного рода - электромагнитных, звуковых, световых.
Простейший телеграфный и телефонный передатчик на 1 транзисторе
Следующий этап начался с создания ламповых передатчиков, первый из которых был создан в Германии в 1913 году. Первый ламповый передатчик в России был построен в Нижегородской радиолаборатории под руководством русского и советского радиотехника М. А. Бонч-Бруевича. Передатчик мощностью 12 кВт, работавший на волне длиной 3200 м, был установлен в 1922 году на московской радиовещательной станции им. Коминтерна. После запуска радиостанции радиолюбители стали массово изготавливать детекторные приемники.
С появлением транзисторов (Урок 11) появилась возможность изготавливать малогабаритные транзисторные приемники и передатчики.
Мы сознательно выбрали наиболее простую и показательную схему радиопередатчика, на которой можно пояснить назначение всех элементов.
Частота колебаний определяется перестраиваемым колебательным контуром L1C2, к которому подключена антенна Ant1. Антенна подключена напрямую к контуру, тем самым ее параметры (индуктивность и емкость) также входят в колебательный контур.
Катушка контура L1 индуктивно связана с катушкой связи L2, которая через конденсатор C1 (необходимый для исключения замыкания базы на эмиттер по постоянному току) подключена к базе транзистора T1, включенного по схеме с общим эмиттером. При включении ключа S1 минус батареи питания 9V подается через L1 подается на коллектор T1, и ввиду наличия положительной обратной связи (ПОС, наличие которой и при достаточной глубине является условием любой генерации) транзистор генерирует колебания ВЧ, передаваемые в антенну и излучаемые в пространство.
Обратите внимание на точки у выводов катушек L1 и L2 - они обозначают начала обмоток при намотке их на одной катушке в одну сторону. Подключение катушек в ином направлении приведет к замене ПОС на отрицательную (ООС), и генерация не возникнет.
Режим транзистора задается подгоночным резистором R1 (подгонка обозначена звездочкой * при номинале).
Итак, описанная выше схема может работать как телеграфный передатчик, а ключ S1 - телеграфный ключ для передачи сообщений азбукой Морзе.
Для передачи речи или музыки нужен внешний источник напряжения звуковой частоты (ЗЧ), подключаемый к гнездам "Вход ЗЧ". Данные переходного трансформатора Tr2 выбраны так, чтобы напряжение ЗЧ на вторичной обмотке трансформатора составляло несколько вольт. Это напряжение в зависимости от своей фазы и знака складывается и вычитается с напряжением батареи, меняя в такт звуку ток коллектора, а тем самым и интенсивность излучаемых колебаний - происходит т.н. амплитудная модуляция (АМ).
Конденсатор C3 необходим для замыкания цепи питания по высокой частоте, на звуковой частоте он не влияет на работу схемы.
Разумеется, это всего-лишь игрушка (притом вполне работоспособная), схемы реальных передатчиков более сложные. Ниже блок-схема передатчика.
Структурная схема передатчика
Сигнал ЗЧ с микрофона поступает на УНЧ. Генератор ВЧ вырабатывает колебания нужной частоты, которые в Модуляторе модулируются (по амплитуде или частоте, в зависимости от вида модуляции) сигналами НС с Усилителя НЧ, после чего модулированные сигналы поступают на Усилитель ВЧ, нагруженный на антенну.
С усилителями НЧ мы знакомились в Уроке 11, с генераторами ВЧ в Уроке 12.
Что касается амплитудной модуляции, то главное усвоить, что АМ заключается не в сложении несущей частоты (это ВЧ-частота) и звуковой (это НЧ-частота), а в их перемножении. В однотранзисторном передатчике по схеме выше амплитуда генерируемого ВЧ-напряжения тем выше, чем больше мгновенное значение модулирующего напряжения НЧ.
Модулирование производится посредством нелинейного элемента, рабочая точка которого определяется НЧ-напряжением, и при условии зависимости усиления от мгновенного значения НЧ-напряжения, происходит модуляция ВЧ-напряжения. Подобная схема ниже.
Схемы передатчиков и их структурных элементов
Сигнал радиопередатчика для передачи сообщений (звуковых или визуальных) модулируется звуковой частотой или видеосигналом. Видов модуляции существует несколько, но самые распространенные амплитудная и частотная.
Амплитудная модуляция
На выходе модулятора редко получается желаемый сигнал, поскольку нелинейное преобразование порождает нежелательные гармоники, которые отфильтровываются последующим каскадом, настроенным на несущую частоту с полосой пропускания, равной удвоенной модулирующей частоте (или самой высокой из спектра модулирующих частот).
Для передачи при АМ звуковых частот до 5.000 кГц в эфир излучается полоса частот шириной 10 кГц.
Ниже пример оконечного каскада передатчика.
Нагрузка транзистора оконечного усилителя VT4 апериодическая (дроссель L2), а выходной П-контур C10-L3-C11 обеспечивает подавление высших гармоник коллекторного тока транзистора VT4 и согласование выхода усилителя мощности с активной составляющей сопротивления антенны. Реактивная составляющая этого сопротивления компенсируется удлинительной катушкой L4.
На последней фразе необходимо остановиться особо. Антенна, как потребитель энергии, может иметь активную и реактивную составляющую. Реактивная составляющая нежелательна, и ее можно компенсировать, включив последовательно с антенной другой реактивный элемент - конденсатор, если эта составляющая индуктивная, и индуктивность, если эта составляющая емкостная. Компенсирующий элемент передатчика настраивается в резонанс с реактивной составляющей антенны, и сопротивление антенны становится чисто активным.
При этом индуктивность является удлинительной (увеличивает электрическую длину антенны), а конденсатор укорачивающим (уменьшает электрическую длину антенны).
Передатчик с выходным каскадом по схеме выше работает на одной частоте, антенна штыревая высотой 1,2-1,5 м недостаточной длины, поскольку рабочая частота передатчика 10 метров (согласованная штыревая антенна должна быть высотой около 2,5 м), и емкостная составляющая ее сопротивления компенсируется индуктивностью.
Обычно в передатчике имелся индикатор настройки антенны (стрелочный прибор или лампочка) и элемент подстройки антенны, регулировкой которого добивались наибольших показаний стрелочного прибора или свечения лампочки. Ниже передняя панель легендарной радиостанции РБМ-1, где была предусмотрена подстройка антенны по индикаторной лампочке.
Частотная модуляция
Выше была приведена схема модулятора для амплитудной модуляции. В диапазонах ультракоротких волн (отечественное радиовещание УКВ ЧМ в диапазоне 65,8-74,0 МГц и зарубежное FM 87,5-108,0 МГц) осуществляется более качественная частотная модуляция (ЧМ), когда в такт звуку изменяется не амплитуда излучаемых ВЧ-колебаний, а их частота. Также ЧМ применяется для передачи звука в телевизионном вещании и для радиолюбительской связи в диапазонах УКВ.
Ширина полосы частот при ЧМ гораздо выше ширины полосы при АМ и составляет 120 кГц для УКВ ЧМ и на FM 180 кГц для монофонического звучания и 200 кГц для стереофонического. В телевизионном вещании ширина полосы звукового сопровождения составляет 50 кГц.
Ниже на рисунке вид сигналов АМ и ЧМ.
Для ЧМ несущей частоты необходимо изменять емкость конденсатора в колебательном контуре задающего генератора (ЗГ) передатчика. Для этого можно подключить конденсаторный микрофон (который представляет собой конденсатор, емкость которого меняется в такт со звуковыми колебаниями) непосредственно к колебательному контуру ЗГ.
Другой пример ЧМ модуляции - подключению к колебательному контуру варикапа, емкость которого управляется приложенным напряжением. (Принцип работы варикапа изложен в Уроке 10). Пример задающего генератора с варикапом ниже.
Варикап VD1 включен в задающий несущую частоту колебательный контур Lбэ-Lкэ-C2-C3. Емкость варикапа изменяется напряжением ЗЧ, приложенным к варикапу через цепь C1R1. Режим варикапа задан напряжением смещения Eсм. Выходное промодулированное напряжение Uвых поступает на мощный выходной каскад передатчика.
Использование реактивных транзисторов с управляемой емкостью p-n перехода позволяет получить значительно большую девиацию частоты и меньшие искажения, чем при использовании варикапов. Пример передатчика с ЧМ модуляцией реактивным транзистором ниже.
Модулирующее напряжение НЧ через конденсатор С1 поступает на базу транзистора VT1, вызывая изменение емкости эмиттерного перехода транзистора и осуществляя частотную модуляцию. Тем самым, транзистор VT1 выполняет одновременно функции генератора ВЧ и модулятора радиочастоты. Мощность и качество ЧМ задаются конденсатором С4.
Обратите внимание, что антенна типа "Волновой канал" питается по коаксиальному кабелю с волновым сопротивлением 75 Ом, оболочка которого подключена к общему проводу схему (заземлению). Для согласования антенна подключена к 0,4 части витков катушки L1, тем самым сопротивление антенны 75 Ом пересчитывается на сопротивление нагрузки каскада 75/0,4^2=469 (Ом).
Современные радиопередатчики
Другие типы АМ модуляции (DSB с подавленной несущей и SSB с одной боковой полосой) обзорно упомянуты в Уроке 23, данный урок предназначен для краткого знакомства с принципами устройства радиопередатчиков.
Современные промышленные типы радиопередатчиков (стационарные и мобильные) производятся на современной элементной базе (интегральные схемы), но общие принципы неизменны и соответствуют приведенным выше.
Ниже на рисунке армейская возимая радиостанция 5-го поколения КВ диапазона Р-168-100КБ(Т).
В качестве примера на титульном рисунке китайская приемо-передающая радиостанция Baofeng, используемая для связи радиолюбителями, туристами, охотниками и рыбаками при условии получения начальной 4-й или более высокой категории радиолюбителя с получением позывного. Пользование устройством без получения разрешения на эксплуатацию и регистрации является административным нарушением.
Для любительского и бытового применения радиостанций лицензия не нужна, если работать в гражданских диапазонах CB, LPD и PMR при соблюдении ограничений по мощности. В частности, дальнобойщики в России используют диапазон CB (Citizen Band), включающий 40 каналов в диапазоне 26,965–27,405 МГц. В России это, как правило, 15-й канал, частота которого — 27,135 МГц. Для использования диапазона CB лицензия не нужна. Важно соблюдать ограничения по мощности и использовать оборудование с заводскими настройками или правильно запрограммированное.
Ниже в качестве примера радиостанция с ЧМ для радиоуправления на частоте 28 МГц на специализированной микросхеме МС2833.
Состав микросхемы в составе генератора, усилителя , стабилизатора, модулятора, и модулирующего усилителя МУ обозначен на схеме выше красным прямоугольником. В составе микросхемы имеется варикап для возможности ЧМ-модуляции.
Транзистор VT2 в схеме выше не используется, но посредством его можно повысить мощность передатчика с 10 мВт до 50 мВт. Дальнейшее увеличение мощности до 500 мВт возможно при добавлении выходного каскада на мощном транзисторе.
Обратите внимание, что частота генерации микросхемы задается кварцевым резонатором ZQ1 частотой 14 МГц, 2-я гармоника которого выделяется посредством нелинейного преобразования. Другая схема генератора с кварцевым резонатором (для наручных часов) рассмотрена в Уроке 12.
Схемотехника для начинающих