Классификация и основные характеристики военных радиопередающих устройств.

Обобщённая структурная схема радиопередатчика. Классификация радиопередатчиков

Определяющей функцией радиопередающего устройства является создание электромагнитных колебаний, подвергнутых модуляции (манипуляции). Так, при ручной телеграфной радиосвязи электромагнитные колебания должны изменяться согласно нажатию и. ключа (или клавиш датчика пода Морзе), при телефонной радиосвязи ‒ в соответствии с колебаниями, создаваемыми микрофоном, и для буквопечатающей радиосвязи ‒ в соответствии с работой передающего телеграфного аппарата.

Радиопередающее устройство включает: преобразователь сообщения в первичный электрический сигнал (передающую часть оконечной аппаратуры), радиопередатчик и антенно-фидерную систему.

Передающая часть оконечной аппаратуры преобразует сообщение в первичный электрический сигнал. Эти устройства (микрофон, телефонный аппарат, телеграфный ключ, телеграфный аппарат и т.д.).

Антенно-фидерная система обеспечивает передачу сформированных в радиопередатчике сигналов в антенну, а последняя излучает эти сигналы в окружающее пространство. Антенны излучают электромагнитную энергию достаточно эффективно только в том случае, если размеры излучающей части антенны соизмеримы с длиной волны излучаемого колебания. Создать антенны, размеры которых превышали бы несколько сотен метров» с одной стороны, трудно, а для мобильных радиостанций и нецелесообразно. Поэтому для мобильных радиостанций широкое применение находят антенны с размерами, не превышающими сотен метров (чаще десятки и единицы метров). Для таких антенн частоты возбуждаемых колебаний обычно превышают сотки килогерц. Поскольку первичные электрические сигналы С(t) обычно занимают сравнительно узкую полосу частот, примыкающую к началу частотной оси, то высокочастотные колебания, возбуждающие антенну, используются в качестве переносчика сообщения.

С этой целью один или несколько параметров высокочастотного, несущего колебания необходимо изменять по закону сигнала С(t). Этот процесс осуществляется при помощи специальных устройств ‒ модуляторов. Итак, несущее высокочастотное колебание должно отражать свойства передаваемого сообщения и с помощью антенны преобразовываться в электромагнитные волны, распространяющиеся в окружающей среде.

Следовательно, в каждой радиопередатчике, независимо от вида передаваемых сообщений, обязательно должно осуществляться три физических процесса, составляющих основу его работы:

-создание (генерирование) колебаний несущей радиочастоты гармонического характера;

-управление (модуляция) несущими колебаниями для изменения их параметров по закону первичного электрического сигнала С(t);

-усиление полученные в процессе модуляции высокочастотных колебаний и преобразование их в электромагнитные волны (радиоволны).

Реальная структура схемы передатчика определяется его целевым назначением и предъявленными к нему требованиями. Последние формулируются на основании требований к радиостанции в целом. Обобщённая структурная схема передатчика включает следующие основные элементы (рис. 1).

Рис. 1 Обобщенная структурная схема передатчика

Возбудитель является источником несущих колебаний. В нём же осуществляется процесс модуляции, т.е. формируются все виды сигналов кроме импульсных и амплитудно-модулированных.

Импульсные и амплитудно-модулированные сигналы обычно формируются в выходных каскадах. В современных военных передатчиках амплитудно-модулированные сигналы вообще не формируются, вместо ниx формируются однополосные сигналы с неподавленной несущей.

С целью частичной компенсации остаточного затухания на трассе радиосвязи колебания возбудителя обычно усиливаются до получения требуемой мощности, подводимой к передающей антенне. Эта функция передатчика реализуется в тракте усиления. В этом тракте особое внимание уделяется последнему каскаду, который обеспечивает заданную величину выходной мощности передатчики. Все каскады, включённые между возбудителем и выходным каскадом, называются каскадами предварительного усиления.

Наилучшие условия для передачи выходной мощности от оконечного каскада в антенну создаются благодаря включению в схему так называемого устройства согласования (согласующего антенного устройства). Необходимость этого устройства диктуется недостаточной приспособленностью электрических параметров антенны, главным образом — её входного сопротивления, к электрической схеме выходного каскада.

Заданная мощность радиосигналов в передатчиках обеспечивается за счёт энергии источников электропитания, первичного и вторичного.

В зависимости от целевого предназначения все радиопередающие устройства классифицируются на вещательные, связные, радиолокационные и др. Классификация связных передатчиков приведена на рис.2. Приведенная классификация ‒ не исчерпывающая, поскольку не охватывает все отличительные признаки передатчиков (радиостанций).

Рис. 2 Классификация связных передатчиков

 

Требования, предъявляемые к радиопередатчикам

Для успешной разработки любого радиопередающего устройства необходимо правильно обосновать и строго сформулировать технические требования к нему. Если требования сформулированы неполно, то разработанное устройство не будет исчерпывающе отвечать своему предназначению. И наоборот, излишне жёсткие требования приводят к нежелательным дополнительный затруднениям при разработке, удлиняют сроки разработки, делают устройство трудоёмким в производстве и регулировке, менее надёжным в эксплуатации и т.д.

Все предъявляемые требования можно разделить на две группы: требования к электрическим характеристикам и требования общего характера.

Рассмотрим вначале некоторые требования к электрическим характеристикам.

 

1. Мощность

Наиболее важным параметром передатчика, определяющим дальность действия и надёжность радиосвязи, является выходная мощность передатчика. Именно поэтому названная характеристика включается в характеристику радиостанции в целом. Необходимая величина мощности передатчика определяется из энергетического расчёта линии радиосвязи с учётом её затухания, чувствительности радиоприёмника, класса излучений и условий приёма, в частности, помеховой обстановки, возможностей применения тех или иных антенн и направленных свойств применяемых антенн.

В отдельных случаях под мощностью передатчика понимается наибольшая колебательная мощность, получаемая от лампы (транзистора) выходного каскада. В последнем случае эта мощность может не совпадать с подводимой к антенне мощностью, например, из-за потерь в согласующем устройстве.

По величине мощности передатчики классифицируются согласно табл. 1.

 

Таблица 1

Классификация Мощности передатчиков
связных, мобильных вещательных, стационарных
Малой                1 группамощности

2группа

 

3 группа

Р 1Вт
1 Вт < Р≤ 10 Вт
10 Вт<Р≤100 Вт
Средней мощности 100 Вт<Р≤ 1 кВт 100 Вт < Р ≤ 10 кВт
Мощные 10 кВт <Р ≤ 1000 кВт
Большой мощности Р >1 кВт
Сверхмощные Р > 1000 кВт

 

2. Диапазон рабочих частот

Диапазон рабочих частот fмин.fмакс., выделяемых для передатчика, определяется условиями организации радиосвязи, её дальностью, реальной занятостью некоторых участков радиочастотного спектра специальными службами (вещанием, телевидением, радионавигацией и пр.), эффективностью антенных устройств и их габаритами, шириной полосы частот радиосигнала, требуемым количеством рабочих частот и т.д.

Требование перекрытия широкого диапазона частот существенно усложняет конструкцию передатчика. Несмотря на это в последние годы наметилась тенденция построения широкодиапазонных радиопередатчиков декаметрового и метрового диапазонов с коэффициентом перекрытия по частоте:

 

 

Значение этого коэффициента должно быть до 20 и более.

Величина Кf в зависимости от целевого предназначения передатчика может быть и небольшой, порядка 1,1-2, например, для радиорелейных, тропосферных и спутниковых передатчиков, портативных радиостанций. Возможны передатчики всего на несколько частот. Весь интервал  fмин.fмакс может перекрываться плавно, при этом передатчик может быть настроен на любую (даже пробную) частоту или дискретно с шагом дискретности  Δfс. В последнем случае частоты фиксированы. Количество фиксированных частот определяется выражением:

Величина Δfс может быть 10, 5, 2, I, иногда 0,1 и даже 0,01 кГц в декаметровом диапазоне частот. В метровом диапазоне возможный набор величин Δfс состоит из 200, 100, 75, 50, 25, 1 кГц. В дециметровом и сантиметровом диапазонах величина Δfс может достигать единиц мегагерц.

 

3. Стабильность частоты

Хотя в настоящее время точное число работающих на земном шаре передатчиков (включая военные) неизвестно, ориентировочное количество их исчисляется миллионами. В связи с ограниченностью радиочастотных диапазонов каждая радиостанция должна излучать спектр минимально необходимой ширины, определяемой характером передаваемого сообщения. Кроме того, для уменьшения взаимных помех следует поддерживать выделенную рабочую частоту излучаемых колебаний с высокой степенью точности и постоянством.

Нестабильность частоты выходных колебаний передатчика полностью определяется нестабильностью частоты возбудителя.

Высокая стабильность частоты излучаемых колебаний диктуется также требованиями беспоискового вхождения в связь и бесподстроечного ведения связи. Наиболее жёсткие требования по стабильности частоты предъявляются к однополосным передатчикам и передатчикам с возможностью многоканальной работы. Наиболее сложно решаются задачи стабилизации частоты в передатчиках с большой величиной Kf. и на высоких частотах.

Отклонение частоты колебаний на выходе радиопередатчика fH за определённый промежуток времени относительно установленной частоты (номинального значения fном.) называется абсолютной нестабильностью частоты радиопередатчика:

Δf=fнfном.

Поскольку радиостанции работают на самых различных частотах, то требования к стабильности частоты выражают в относительных единицах:

Эту величину называют относительной нестабильностью частоты.

Реализация требований по стабильности частоты усложняется по мере того, как эти требования становятся все более строгими. В связи с этим они представляют собой компромисс между желаемым и реализуемым на данном этапе развития техники или экономически оправданным. Эти требования всегда конкретизируются применительно к определённым категориям радиостанций. Они всегда более жёсткие для казенных стационарных устройств и ослабляются при переходе к массовой аппаратуре, к подвижным радиостанциям, работающим в тяжёлых условиях эксплуатации.

Высокие требования, предъявляемый к стабильности частоты передатчиков, определяются необходимостью обеспечения беспоисковой и бесподстроечной связи. При этом упрощаются действия оператора по управлению радиостанцией, а весь спектр полезного излучаемого колебания должен полностью попасть в полосу пропускания основной избирательности приёмника корреспондента.


Рис. 3 Обеспечение необходимой полосы пропускания приемника

В свою очередь необходимую полосу пропускания приемника корреспондента стремятся сделать как можно уже с целью уменьшения уровня шумов и помех при радиоприёме. Минимальная ширина полосы пропускания приёмника не может быть меньше величины:

ΔFсигн.fпep.,

где ΔFсигн.‒ занимаемая радиосигналом полоса частот;

Δfпep. ‒ максимально возможное отклонение частоты радиопередатчика, связанное с её неточностью.

Полосу ΔFсигн. можно считать полезно используемой полосой, внутри которой содержится основная часть мощности передатчика (часто 98…99%). Величина Δfпep. (рис.2.3) представляет собой бесполезное расширение полосы частот приемника, за счёт которой возрастает уровень, помех. Следовательно, уменьшение Δfпep. эквивалентно выигрышу по мощности передатчика. Этот выигрыш тем больше, чем ярче выражено неравенство ΔFсигн.>>Δfпep. Это условие показывает, что требования к стабильности частоты повышаются при применении узкополосных видов радиосигналов, когда ΔFсигн. ‒ мала, и понижаются при использовании широкополосных видов передачи.

Кроме этого, повышенные требования к стабильности частоты иногда связывают с другими факторами, например, искажениями принятой информации за счёт асинхронизма несущего колебания при однополосной радиопередаче.

Поэтому главнейшим требованием к задающему генератору (возбудителю) является высокая точность и постоянство частоты генерируемых колебаний.

 

4. Коэффициент полезного действия (КПД)

КПД передатчика определяется как отношение выходной мощности передатчика РА ко всей потребляемой передатчиком мощности Рпотр.:

Этa величина, в зависимости от мощности передатчика и его сложности (а также элементной базы), может изменяться от единиц процентов до нескольких десятков процентов. Так, для 200-ваттных передатчиков η=20-30%, для 30-50-киловаттных передатчиков декаметрового диапазона η=40-50%.

На рис.4 показано примерное распределение всей потребляемой мощности Рпотр

Рис.4 Примерное распределение всей потребляемой мощности Рпотр

Величины РА и η заметно влияют на мощность (или емкость) первичных источников электропитания. В этом отношении особенно актуально повышение КПД передатчиков портативных и носимых радиостанций, поскольку энергоёмкость источников питания жёстко ограничена массой и габаритами радиостанций. Повышение КПД важно в любом передатчике еще потому, что при заданной потребляемой мощности уменьшаются потери внутри передатчика в виде тепла. В связи этим облегчается тепловой режим (что особенно важно для транзисторных передатчиков), упрощается система охлаждения, что позволяет уменьшить габариты и массу передатчика и благоприятно сказывается на улучшении эксплуатационных характеристик.

 

5. Неосновные излучения

При ведении радиосвязи на выходе радиопередающего устройства должны иметь место только основные излучения, т.е. излучения в необходимой полосе частот.

Необходимая полоса частот ‒ это минимальная полоса частот сигнала, достаточная при данном классе излучения для передачи сообщения в системе с требуемой скоростью и качеством.

К сожалению, в силу несовершенства радиопередатчика, последний является источником неосновные излучений, спектр которых находится за пределами необходимой полосы частот. Следовательно, на частотах этих излучений передатчик будет выступать источником помех. В условиях прогрессирующего роста количества одновременно работающих радиоэлектронных средств различного назначения вполне естественной выглядит потребность борьбы с неосновными излучениями, в частности, путём нормирования уровня этих излучений.

Все неосновные излучения условно разделяются на побочные и внеполосные (рис.5).

Внеполосные излучения передатчика ‒ это класс неосновных излучений в полосах частот, примыкающих к необходимой полосе излучения, возникающих в процессе модуляции шумами или первичным сигналом.


Рис.5 Неосновные излучения

Побочные излучения обусловлены нелинейными процессами, возникающими при протекании высокочастотных токов через нелинейные элементы электрической схемы передатчика. Как правило, их возникновение не связано с процессом модуляции.

В силу специфики возникновения побочных излучений они разделяются на:

-излучения на гармониках (частотах, кратных частоте основного излучения);

-излучения на субгармониках (частотах, значения которых в целое число раз меньше частоты основного излучения), характерных для передатчиков, в которых частоты основного излучения получены путём умножения более низких частот;

-комбинационные излучения, характерные для передатчиков с
так называемой диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты возбудителя;

-паразитные излучения, причина возникновения которых связана с выполнением условий самовозбуждения на любой (случайной) частоте и никак не связана с образованием основного излучения;

-интермодуляционные излучения, возникающие в тех случаях, когда выходные колебания одного передатчика попадают (в силу наличия функциональной или конструктивной связи между одновременно работающими передатчиками) в выходной каскад другого, при этом на имеющихся в выходных каскадах нелинейных элементах создаются колебания с частотами, отличающимися от частот основных излучений работающих передатчиков.

 

6. Классы излучаемых сигналов

Применение того или иного класса излучения определяется помехозащищенностью системы радиосвязи с данным видом модуляции, а также целевым предназначением передатчика (радиостанции). В частности, проектируемая радиостанция должна обеспечивать возможность работы с радиостанциями предыдущих разработок.

Связные маломощные передатчики чаще всего работают одним, двумя, реже – тремя видами излучаемых сигналов. Радиопередатчики средней и большой мощности, как правило, универсальны по видам излучений: они обладают большим набором как телефонных, так и телеграфных видов сигналов.

Каждому классу излучений присуща своя полоса радиочастот. Согласно рекомендациям МККР занимаемая ширина полосы излучений – это полоса частот, за нижним и верхним пределами которой средние излучаемые мощности составляет каждая по 0,5% всей средней мощности излучения данного передатчика.

МККР ‒ Международный Консультативный комитет по радиосвязи, один из постоянных органов Международного союза электросвязи (МСЭ), специализированного агентства ООН

Если основное излучение в пределах необходимой полосы частот содержит 99%, а внеполосные излучения – 1% всей средней мощности излучения передатчика, то ширина полосы излучения считается равной необходимой полосе частот. В этом случае речь идёт о совершенном излучении (рис.6,а). Чаще имеет место превышение ширины излучения над необходимей полосой (рис.6,б), т.е. передатчик имеет несовершенное излучение. Иногда за счёт снижения качества передаваемого сигнала удаётся реализовать излучение более узкое, чем совершенное (рис.6,в).

Рис.6 Занимаемая ширина полосы излучений

С целью лучшего использования спектра радиочастот и уменьшения внеполосных излучений MKКР рекомендует применять узкополосные сигналы, обеспечивающие минимально необходимую полосу излучений, в частности, максимально использовать однополосные сигналы и обеспечивать скругление фронтов телеграфных сигналов при телеграфной радиосвязи.

 

7. Требования общего характера

Обычно разработчику предоставляется свобода выбора конструкции передатчика. Оговариваются в технических условиях лишь условия размещения передатчика, в частности, вид транспортной базы (или стационарные условия), масса и габариты, климатические условия.

Вопрос о массе и габаритах особенно серьёзен при проектировании носимых радиопередатчиков и передатчиков, устанавливаемых на летательных аппаратах (самолётах, космических кораблях), бронеобъектах и т.п. В этих случаях обычно используются более простые схемные решения, применяются специальные материалы и конструкции, продумывается компактность монтажа с одновременным применением, в случае необходимости, мер принудительного охлаждения. Всё это должно делаться не за счёт понижения надёжности.

Требование надежности ‒ одно из важнейших всегда, а для мобильных передатчиков ‒ особенно. Его выполнение достигается, в частности:

-электрической и механической прочностью компонентов и всей конструкции;

-применением высококачественных материалов;

-недопустимостью тяжёлых режимов (недостаточный отвод тепла, работа электронных приборов с токами и напряжениями вблизи предельных величин и т.д.);

-упрощением схемы к конструкции.

Для подвижных и переносных передатчиков важное практическое значение имеет выполнение климатических и механических требований. Так, эти передатчики должны сохранять свою работоспособность в интервале температур от ‒40 до +50°С при относительной влажности до 98% и снижении атмосферного давления до 350 мм рт. ст. Независимость от климатических условий достигается герметизацией деталей, применением влагонепроницаемых уплотнений, материалов с малыми температурными коэффициентами, а также термокомпенсации. Для этих передатчиков чрезвычайно суровыми являются механические требования, удовлетворение которых обеспечивает надёжную работу в условиях вибраций и тряски.

Для стационарных передатчиков упомянутые требования обычно значительно ослаблены.

В показатель надёжности входит и ремонтопригодность, В случае необходимости должна быть предусмотрена система резервирования.

В связи с усложнением аппаратуры более строгими становятся эргономические требования к передатчикам. К ним, в частности, относятся:

-количество органов управления, необходимых оператору для выполнения перечисленных операций;

-наличие и простота встроенной системы контроля работоспособности (исправности);

-время готовности к работе после включения питания;

-время перехода (перестройки) с одной частоты на другую;

-время перехода с телефонной работы на телеграфную (и наоборот) и т.д.

Так, длительная перестройка недопустима для передатчиков, в которых по условиям эксплуатации приходится часто сменять рабочие частоты, например, в случае работы в так называемых адаптивных системах радиосвязи.

Адаптивная система автоматически приспосабливается к изменяющимся условиям связи, например, быстро переходит на новую рабочую частоту при поражении предыдущей частоты помехой (адаптация по частоте).

Перечисленные требования в значительной мере удовлетворяются применением систем автоматики. В связи с этим усложняется схема и более актуальным становится показатель надежности передатчика.

С эргономическими требованиями тесно связаны требования обеспечения безопасности обслуживающего персонала, операторов. Чем мощнее передатчик, тем более высокие градации питающих напряжений в нём используются. Они достигают нескольких десятков киловольт и представляют серьезную опасность для человека. Поэтому все детали и провода передатчика располагаются внутри шкафов (блоков), металлические экраны (кожухи) которых должны иметь надежное заземление (в наземных передатчиках) или соединение с корпусом корабля и самолёта (в корабельных и самолётных передатчиках). В передатчиках с напряжениями выше 300 В технические условия требуют применения двух независимых друг от друга блокировок ‒ электрической и механической.

Так, при открывании двери (вынимании блоков) автоматически должны отключаться высокие напряжения; доступ к мощным выпрямителям воз ножен лишь после разряда фильтровых конденсаторов на корпус и т.п. Во многих случаях применяется дополнительная сигнализация, специальные надписи и пр. Чем мощнее передатчик, тем разветвленнее его система управления, блокировки и сигнализации (УБС).

Добавить комментарий