книги из ГПНТБ / Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРОВ

Достоинства электронной аппаратуры, выполненной на полупроводниковых приборах, широко известны: высо­ кая надежность, устойчивость к механическим воздейст­ виям, малые габариты и вес, мгновенная готовность к ра­ боте, экономичность питания. Однако до недавнего вре­ мени применение полупроводниковых приборов в радио­ передающих устройствах было ограничено их малой мощ­ ностью и худшими, чем у ламп, частотными свойствами. Поэтому полупроводники использовались лишь в маломощ­ ных или низкочастотных узлах: модуляторах, возбудителях, системах автоматического управления и т. д. Это позволило увеличить надежность передатчика в целом и несколько улучшить его конструктивные и энергетические характе­ ристики.

В последние годы появились новые возможности для создания полностью полупроводниковых передатчиков.

Прежде всего это связано с существенным увеличением мощности и рабочей частоты транзисторов, которые пока остаются основными приборами для генерации высокоча­ стотной мощности. Развитие эпитаксиальной технологии, применение многоэмиттерных структур и ряд других кон­ структивных и технологических достижений в полупровод­ никовой технике позволили создать транзисторы, генери­ рующие в низкочастотной части радиотехнического диапа­ зона волн мощности порядка сотен ватт, а в дециметровом диапазоне волн порядка нескольких десятков ватт.

Специальные диоды с резким восстановлением (ДРВ) позволяют строить умножители частоты для переноса мощ­ ностей, генерируемых транзисторами, в диапазон более коротких волн без значительных потерь.

Весьма широк фронт исследований, проводимых в по­ исках других способов генерирования высокочастотной мощности. Здесь наибольшие успехи достигнуты в разра­

(ЛПД). Эти приборы могут генерировать колебания в диа­ пазоне СВЧ от 0,1 —-30 ГГц при выходной мощности в не­ сколько киловатт (в импульсном режиме). Несмотря на. то, что в настоящее время они мало используются в передающих устройствах, их перспективность несомненна.

Разработка мостовых и гибридных соединений для сло­ жения мощностей и применение ферритопых развязываю­ щих устройств позволяют использовать большое число по­ лупроводниковых приборов для их совместной работы на общую антенну. При этом выходная мощность передат­ чиков может составлять до десятков киловатт. С другой

б—диапазоны дециметровых и сантиметровых волн.

стороны, успехи антенной техники, техники радиоприема, совершенствование антенных устройств, радиоприемных устройств и методов передачи информации позволяют теперь использовать для самых разнообразных систем сравнительно маломощные передатчики. Все это создает условия для широкого внедрения полностью полупровод­ никовых передатчиков в самые различные радиотехниче­ ские системы, что позволяет существенно улучшить ряд показателей этих систем и прежде всего надежность.

Типичные структурные схемы полупроводниковых пе­ редатчиков различных диапазонов частот приведены на рис. ПЛ .

Схема высокочастотного тракта передатчиков диапазо­ нов километровых, гектометровых, декаметровых и метро­ вых волн строится по обычному принципу (рис. П.1, а): ко­ лебание маломощного возбудителя усиливается многока­ скадным транзисторным усилителем мощности. При необ-

ходимости этот тракт усиления делают широкополосные неперестраиваемым. В узкополосных передатчиках метро­ вых волн для повышения стабильности частоты автогене­ ратора возбудитель часто строят на пониженной частоте и используют один или несколько промежуточных транзи­ сторных каскадов в режиме умножения частоты. В мало­

цем и представляет собой простейший автогенератор или

Амплитудная модуляция всегда проводится в оконеч­ ных каскадах и лишь в однополосных передатчиках усили­ ваются модулированные колебания.

Промышленный к. п. д. передатчиков этих диапазонов волн колеблется в пределах 30—60%.

В высокочастотном тракте передатчика СВЧ (децимет­ ровые и сантиметровые волны) на выходе включается ряд каскадов умножения частоты на варакторах (рис. П . 1, б). Умножители на варакторах преобразуют колебательную мощность, отдаваемую транзисторами на частотах 100— 1 000 МГц, в мощность более высокой частоты ценой некото­ рых потерь. Число каскадов умножения обычно невелико (1—3) и зависит прежде всего от заданной выходной частоты, мощности, требований к к. п. д.

Для передатчиков СВЧ характерно также увеличенное число транзисторных каскадов: транзисторы здесь работают уже на частотах, где их коэффициент усиления по мощности невелик (Кр = 2-7-4).

Потери высокочастотной мощности в умножителях и ухудшение работы транзисторов снижают промышленный к. п. д. передатчиков дециметрового и особенно сантимет­ рового диапазонов до 8—12%.

Таким образом, современные полупроводниковые пере­ датчики представляют собой многокаскадные устройства, большая часть каскадов которых имеет различное функцио­ нальное назначение.

В соответствии с такими структурными схемами пере­ датчиков построена настоящая книга. Ее главы посвящены каскадам различного назначения.

связанные с особенностями нелинейной работы активных элементов схемы.

Таким образом, сложность решения общей задачи ана­ лиза процессов в транзисторе определила различный под­ ход к анализу различных по назначению транзисторных каскадов передатчика.

В гл. 5 рассмотрены умножители частоты, использую­ щие нелинейные свойства емкости р-п перехода В отличие от транзисторных схем здесь нелинейный элемент (емкость) находится под воздействием, по крайней мере, двух гармо­ нических составляющих колебаний тока: основной частоты со и частоты Nui колебания, выделяемого в нагрузке. Воз­ действие двух гармонических составляющих на реактив­ ный нелинейный элемент определяет главную особенность развитой здесь теории.

В гл. 6 рассмотрена амплитудная модуляция передат­ чика. Проведен анализ двух способов модуляции в оконеч­ ном каскаде: модуляция на коллектор и модуляция изме­ нением связи. Проблемы этой главы меньше, чем в пред­ шествующих главах, связаны с нелинейными свойствами транзистора. В ней главным образом рассматриваются энер­ гетические соотношения с учетом особенностей работы кон­ туров с нелинейной емкостью.

Гл. 7 посвящена построению структурной схемы много­ каскадного передатчика. Материал этой главы имеет значе­ ние при проектировании передатчика в целом.

В гл. 8 обсуждаются генераторы, работающие с исполь­ зованием эффекта Ганна. Направление и стиль этой главы в какой-то мере отличаются от инженерного направления всех предшествующих глав книги. Это можно объяснить тем, что до сего времени такие генераторы еще не нашли широкого практического применения.

Книга написана коллективом авторов:

И. А. Поповым (гл. 1,7); Э. Б. Грибовым и О. Ф. Бокком (гл. 2); Г. Т. Шитиковым (гл. 3); В. Я. Баржиным,

Р.А. Валитовым, С. М. Захаровым, В. Г. Кожемякиным, В. 3. Найдеровым, А. Ф. Петровым, Ю. П. Рондиным (гл. 4); Б. Е. Петровым (гл. 5); Г. Н. Терешиной (гл. 6);

Р.А. Валитовым, Б. И. Макаренко, Э. Д. Прохоровым (гл. 8).

Вотличие от многих других томов серии книг «Радио­ электронные схемы на полупроводниковых приборах. Про­ ектирование и расчет» в настоящем томе значительный объем каждой главы занят теоретической частью. Это объ-

ясняется тем, что большинство принципиальных вопросов значительно меньше проработано, чем, например, в теории усилительных или импульсных устройств, и не нашло достаточного отражения в литературе. С другой стороны, практика проектирования и опыт эксплуатации радиопе­ редающих устройств с полупроводниковыми приборами также не накопили еще достаточного количества четких рекомендаций, так как внедрение полупроводниковых при­ боров в эту область радиоэлектроники значительно задер­ жалось из-за отсутствия достаточно мощных высокочастот­ ных приборов. Уместно отметить, что в настоящей книге впервые ставится столь широкий круг вопросов расчета и проектирования полупроводниковых передатчиков. Кни­ га В. И. Каганова «Транзисторные передатчики» (М., «Энергия», 1970 г.) вышла в свет после написания авторами данной книги их рукописей. По этой причине авторы были лишены возможности обсуждать содержание этой книги или ссылаться на нее. По мнению авторов, относительное до­ стоинство книги В. И. Каганова состоит в том, что она имеет более общий, обзорный характер и освещает более широкий крут вопросов. В настоящей книге степень обсуж­ дения поставленных вопросов доведена до инженерных ре­ комендаций и расчетов, что в большей мере соответствует назначению серии книг «Расчет и проектирование».

Пользуемся случаем выразить благодарность рецензен­ там О. А. Челнокову и особенно Д. П. Линде от своего име­ ни и имени авторов за внимательный просмотр рукописи и большое число замечаний, несомненно способствовавших значительному улучшению книги.

Авторский коллектив и редакторы четко представляют, что в книге возможны как неудачи методического характера, так и более существенные недостатки, и заранее благодарят читателей за все высказанные ими критические замечания и пожелания, которые следует направлять в адрес издатель­ ства «Советское радио».

1.ТРАНЗИСТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР

СВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

1.1.СХЕМЫ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ

1.1.1.Основные характеристики генератора

Промежуточные и оконечные каскады транзисторного передатчика обычно представляют собой генераторы с внешним возбуждением. Эти генераторы преобразуют мощ­ ность источника коллекторного питания Р0 в мощность вы­ сокой частоты Ра в нагрузке Ra.

Для работы этих генераторов в цепь возбуждения не­ обходимо подавать высокочастотную мощность Рвх.

Энергетические показатели генератора во многих слу­ чаях являются главными. Они обычно характеризуются

должен работать на вполне определенную нагрузку, которая вообще отличается от нагрузки Rs на выходе генератора. Необходимую трансформацию одного сопротивления в дру­ гое осуществляют с помощью трансформирующего устройст­ ва, включаемого между транзистором и нагрузкой (рис. 1.1).

Обычно транзистор генератора работает с отсечкой кол­ лекторного тока. В усилительных каскадах такой режим обеспечивает высокое значение к. п. д. генератора, а в умножительных каскадах он необходим для генерации гар­ моник. Для улучшения спектра колебаний перед нагрузкой включают фильтрующее устройство. Во многих генера­ торах фильтрация и трансформация осуществляются од­ ним и тем же четырехполюсником.