Материал: Методические указания по дисциплине «Основы теории радионавигационных систем и комплексов» для студентов специальности 210601 «Радиоэлектронные системы и комплексы». Рахманин Д.Н., Тихомиров Н.М

ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра систем информационной безопасности

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по дисциплине «Основы теории радионавигационных систем и комплексов» для студентов специальности 210601 «Радиоэлектронные системы и комплексы»

очной формы обучения

Часть 1

Воронеж 2011

Составители: канд. техн. наук Д.Н. Рахманин

д-р техн. наук Н.М. Тихомиров

УДК 621.396.62

Методические указания по дисциплине «Основы теории радионавигационных систем и комплексов» для студентов специальности 210601 «Радиоэлектронные системы и комплексы» очной формы обучения. Ч. 1 / ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Д.Н. Рахманин, Н.М. Тихомиров, Воронеж, 2011. 61 с.

В данных методических указаниях изложены принципы построения транзисторных автогенераторов, приведены основные соотношения, даны рекомендации по выбору режима транзистора автогенератора. Проведен анализ стабилизации частоты при использовании кварцевого резонатора как элемента контура автогенератора и в качестве элемента в цепи обратной связи. Рассмотрены методы формирования сетки стабильных частот и дано описание схем синтезаторов частот. Содержащаяся в пособии информация является базовой для углубленного изучения методики построения и расчета радионавигационных систем и комплексов.

Методическое руководство подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS Word XP и содержится в файле ОТРСиКмет1.doc.

Рецензент канд. техн. наук, доц. Г.А. Остапенко

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. А.Г. Остапенко

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011

1. Общие сведения о возбудителях

Возбудителем называют устройство в составе радиопередатчика, предназначенное для формирования колебаний с заданными частотами и требуемым видом модуляции. В зависимости от назначения передатчика, диапазона рабочих частот, мощности, вида модуляции возбудители строят по различным структурным схемам. Самые простые одночастотные возбудители применяют в передатчиках, работающих на фиксированной частоте, c амплитудной модуляцией (АМ) в одном из мощных каскадов. Такие возбудители содержат задающий автогенератор, буферный каскад и при необходимости каскады умножения частоты. В современных передатчиках применяют более совершенные возбудители с использованием синтезаторов частот, в которых из частоты единственного высокостабильного кварцевого генератора формируется сетка частот с малым шагом дискретности и чистым спектром. От синтезатора получают также опорную частоту f0, смешивая с которой, колебания дискретного множества частот можно перенести в заданный рабочий диапазон. Основными компонентами такого возбудителя являются: синтезатор частот, модулятор или формирователь вида работ и тракт преобразования. На рис. 1 изображены варианты структурных схем возбудителей с частотной (рис. 1, а) и фазовой модуляцией колебаний (рис. 1, б) и модуляцией колебаний с одной боковой полосой (рис. 1,в). На рисунке приняты следующие обозначения: ДАГ – стабильный диапазонный автогенератор; ЧМГ – частотно-модулированный автогенератор; УЧ – управитель частоты; СМ – смеситель; ПФ – полосовой фильтр; UΩ – модулирующий сигнал; КАГ – опорный кварцевый автогенератор; СЧ – синтезатор сетки частот; УФ – управляемый фазовращатель;. БМ₁, БМ₂, БМ₃ – балансные модуляторы поднесущих f₁, f₂, f₃ с фильтрами; f₀ – опорная частота.

На практике нередки случаи, когда в возбудителе формируется много видов работ. Например, в возбудителях радиопередатчиков магистральной радиосвязи короткометрового диапазона частот в течение суток приходится многократно изменять не только рабочую частоту, но и вид работы. В последнее время большинство вновь разрабатываемых возбудителей содержит встроенный микропроцессор для автоматизированного управления и контроля возбудителя и передатчика в целом. Разнообразие вариантов построения отдельных блоков возбудителя и их параметры определяются в значительной степени назначением и параметрами передатчика, для которого предназначен возбудитель. Основными параметрами возбудителя являются: диапазон рабочих частот; допустимая нестабильность частоты;

Рис.1

инерционность перестройки; уровень подавления побочных составляющих; уровень паразитного отклонения амплитуды, частоты и фазы.

Допустимая нестабильность частоты возбудителя определяется допустимой нестабильностью частоты передатчика, которая жестко регламентируется общероссийскими нормами на допустимые отклонения частоты.

Нестабильность частоты характеризуется ее относительным изменением ∆ω/ωо. Различают кратковременную и долговременную нестабильность частоты. Под долговременной понимают нестабильность частоты, связанную с медленными изменениями частоты автогенератора из-за изменения температуры, давления, влажности, напряжения источников питания и т.д. Кратковременная нестабильность определяется быстрыми флуктуациями частоты автогенератора, вызываемыми тепловыми и дробовыми шумами.

В системах радиосвязи с АМ абсолютная долговременная нестабильность частоты, определяемая медленными флуктуациями частоты, должна быть значительно меньше ширины спектра сигнала. Кратковременная же нестабильность частоты для этих систем не имеет существенного значения ввиду инерционных свойств сравнительно узкополосных фильтров приемника.

В системах связи с широкополосной частотной модуляцией (ЧМ) долговременная нестабильность частоты может быть больше, чем при АМ, так как ширина спектра ЧМ-сигнала существенно больше. Но кратковременная нестабильность частоты при ЧМ должна быть меньше, чем при АМ. В системах связи с однополосной модуляцией, совмещающей в себе как АМ, так и угловую модуляцию, важны и долговременная, и кратковременная нестабильности частоты.

Долговременную нестабильность частоты определяют как разность усредненных на интервале времени τ значений частоты в начале и конце интервала наблюдения T. Абсолютную кратковременную нестабильность частоты определяют как среднеквадратическое отклонение мгновенной частоты относительно среднего значения. Значения нестабильностей зависят от выбора интервала усреднения τ и наблюдения T.

Для устранения неоднозначности при определении долговременной нестабильности величину T выбирают в интервале от одного месяца до одного года, а τ – равной одним суткам. При определении кратковременной нестабильности T выбирают равным 100 с, а τ – в зависимости от вида модуляции и назначения системы 0,001 с; 0,01 с или 0,1 с. Относительные долговременная и кратковременная нестабильности частоты обычно лежат в интервале . Для интервала нестабильности в качестве опорных (эталонных) генераторов используют кварцевые автогенераторы. Для получения более стабильных частот вместо кварцевых автогенераторов применяют квантовые стандарты частоты.

2. Автогенераторы

Бескварцевые автогенераторы редко применяются в качестве источника колебаний высокой частоты в возбудителях. Но, так как принципы построения и расчета любых автогенераторов одни и те же, их удобнее изложить на примере бескварцевых автогенераторов.

В диапазоне сравнительно невысоких частот (до десятков мегагерц) наибольшее применение находят одноконтурные LС-автогенераторы, построенные по так называемой осцилляторной схеме на биполярных и полевых транзисторах (рис. 2).

Рис. 2

В этой схеме реактивные сопротивления , и (емкости или индуктивности) имеют малые потери и образуют высокодобротный контур. Иногда для компенсации фазовых сдвигов в транзисторе (см. ниже) в схему включают дополнительное сопротивление .

Напряжение (жирный шрифт параметров обозначает их комплексный характер), приложенное к входу генератора, вызывает выходной ток .

и ,

где – средняя крутизна активного элемента, определяемая режимом активного элемента.

.

Полученное уравнение определяет то напряжение возбуждения , которое необходимо для поддержания в генераторе тока .Напряжение на части контура прямо пропорционально полному напряжению на контуре .

где – коэффициент обратной связи. Отсюда

,

где – эквивалентное сопротивление нагрузки. Если условие равновесия выполняется ( ), то

или .

Полученное комплексное уравнение можно разбить на два уравнения:

и ,

и получить уравнение баланса амплитуд и уравнение баланса фаз соответственно.

В том случае, если не учитывать инерционные свойства активного элемента ( ) и считать вещественным ( ), из уравнения баланса фаз следует, что , т. е. собственная частота контура автогенератора равна частоте генерации и сумма реактивных сопротивлений контура автогенератора на частоте генерации

и .

Учитывая, что коэффициент обратной связи носит вещественный характер и , реактивные сопротивления Х₁ и X₂ должны быть одного знака. Поэтому возможно два варианта схем автогенератора: индуктивная трехточечная (рис. 3, а) и емкостная трехточечная (рис. 3, б).

Рис. 3

На практике обычно применяют емкостную трехточку. Основным требованием, предъявляемым к автогенератору, является высокая стабильность генерируемой частоты, которая в значительной мере определяется добротностью колебательной системы безынерционностью транзистора и выбранным режимом его работы.

Добротность ненагруженного контура , где – сопротивление суммарных потерь в контуре автогенератора. Обычно потери в индуктивности существенно больше потерь в емкостях, поэтому можно считать, что . Высокая добротность нагруженного контура обеспечивается при работе автогенератора на нагрузку, имеющую большое сопротивление (входное сопротивление последующего каскада), и при малом коэффициенте включения p коллекторной цепи в колебательный контур. Для обеспечения необходимого значения в цепь X₃ последовательно с L₃ включают конденсатор C₃ (схема Клаппа, рис. 3, в). Тогда

,

где .

Инерционность транзистора проявляется в запаздывании первой гармоники выходного тока относительно входного напряжения, что эквивалентно неравенству нулю фазы средней крутизны. На низких частотах . С повышением рабочей частоты автогенератора начинает заметно сказываться инерционность транзистора – его крутизна становится комплексной (транзистор считают безынерционным при ). Из-за сдвига фаз между и , если не принять специальных мер, транзистор будет работать на комплексную нагрузку. В этом случае уравнение баланса фаз приобретает вид и .Это снижает полезную мощность и ухудшает стабильность частоты. На высоких частотах применяют схемы автогенераторов с полным фазированием, у которых коэффициент обратной связи комплексный, и его фаза выбирается равной по значению и противоположной по знаку . Для повышения стабильности генерируемой частоты транзистор должен работать в облегченном режиме. Напряжение питания коллекторной цепи выбирается из условия , максимальное значение коллекторного тока не должно– превышать .

Режим работы транзистора автогенератора выбирают резко недонапряженным, так как в перенапряженном режиме увеличивается влияние на генерируемую частоту изменений питающего напряжения. Дело в том, что из-за повышенного содержания высших гармоник в импульсах коллекторного тока малейшие изменения угла отсечки приводят к заметным относительным изменениям уровня высших гармоник, что эквивалентно изменениям .

При выборе типа транзистора (биполярный или полевой) для автогенератора руководствуются их временной стабильностью. Автогенераторы на полевых транзисторах обладают более высокой кратковременной стабильностью частоты, так как при больших расстройках (десятки килогерц) величина спектральной плотности флуктуаций частоты у них примерно на два порядка меньше. При малых же расстройках преимущество по спектральной плотности флуктуаций частоты сохраняется за автогенераторами на биполярных транзисторах. Эта специфика учитывается при выборе типа транзистора для опорного и управляемого автогенератора синтезатора частот, построенного на основе кольца фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Система ФАПЧ является фильтром нижних частот для флуктуаций частоты (фазы) опорного генератора и, наоборот, фильтром верхних частот для флуктуаций частоты (фазы) управляемого генератора. Таким образом, для опорного генератора выгоднее использовать биполярные транзисторы, а для управляемого – полевые.