Элементы радиотехнических устройств и автоматики, применяемые в ЗРС

1.

Тема № 3:
Элементы радиотехнических устройств
и автоматики , применяемые в ЗРС

2.

Занятие № 4: Радиопередающие устройства

3.

Вопрос № 1:
Принципы генерирования электромагнитных колебаний

4.

Генерированием называется процесс преобразования
энергии постоянного тока в энергию ЭМ колебаний.
Устройства, осуществляющие данное преобразование –
генераторы.
Для
получения
синусоидальных
колебаний
используется колебательный контур. Подключим к контуру в
некоторый момент времени t0 очень кратковременно с
помощью ключа К (рис. 44) источник постоянного тока.

5.

При кратковременном включении ток в цепи катушки
не успеет нарасти до заметной величины тока. Конденсатор
успеет же зарядится до некоторого значения U0. При
отключении источника конденсатор начнет разряжаться через
катушку и в контуре возникнут затухающие колебания.
Напряжение на конденсаторе будет уменьшаться по
закону
,
где
(1.12)
– показатель затухания;
– частота собственных колебаний
идеального контура;
.

6.

Рисунок 44. Пополнение энергии контура источником
постоянного напряжения, а) источник пополняет энергию
контура, б) подключение источника уменьшает энергию
контура

7.

Потери энергии в контуре приводят к уменьшению не
только амплитуды колебаний, но и частоты. Качество
колебательного контура оценивают его добротностью
,
где
(1.14)
– характеристическое сопротивление контура;
R – сопротивление потерь.
Величина Q определяет число колебаний, которое
совершает колебательный контур после однократной зарядки
его конденсатора, прежде чем амплитуда его колебаний
уменьшится в e раз.

8.

Для получения незатухающих колебаний необходимо
периодически пополнять запас энергии в контуре, для чего
нужно подключать к нему источник постоянного напряжения
в ту часть периода колебаний, когда на пластине
конденсатора, соединенной с отрицательным полюсом
источника, будут накапливаться электроны. Тогда источник
будет пополнять заряд на пластинах, т.е. запас энергии в
конденсаторе. Если же замкнуть ключ в ту половину периода,
когда на данной пластине скапливаются положительные
заряды, то источник будет нейтрализовывать их и разряжать
конденсатор.

9.

В первом случае электроны, ускоренные полем
постоянного источника, приходили к контуру испытывая
противодействие одноименных зарядов его конденсаторов, а
во втором случае они двигались в ускоряющем
электромагнитном поле контура.
Можно сформулировать общий физический принцип
обмена энергией между колебательной системой и
электронным потоком, на котором основано действие
большинства генераторных приборов.
Пополнение энергии в колебательной системе
происходит в том случае, когда электроны поступают в нее
в тормозящем поле. Заряды, проходящие поле
колебательной системы, в ускоряющей фазе отбирают
энергию у поля системы.

10.

Это общее правило характеризует условие и
направление обмена энергией между потоком и полем.
Из сказанного ясно, что для пополнения энергии в
контуре следует на полпериода подключать к нему источник
постоянного тока, а в другую половину периода отключать его
(рис. 44, а и б).
При этом будет происходить преобразование энергии
источника постоянного тока в энергию высокочастотных
колебаний в контуре, т.е. то, что мы называем генерацией
высокочастотных колебаний. Для этого помимо источника,
необходимо иметь ключ, с помощью которого можно было бы
осуществлять такую коммутацию.

11.

Поскольку речь идет о высокочастотных колебаниях,
нельзя и думать об использовании каких-либо механических
переключателей.
Роль надежного, безынерционного и управляемого без
большой затраты энергии ключа в схемах генераторов
широкого диапазона радиочастот может выполнять лампа,
либо транзистор. Отсюда различают ламповые и
транзисторные генераторы.

12.

Рассмотрим генератор, где в качестве ключа
используется трехэлектродная лампа. Для того, чтобы лампа
была заперта в неблагоприятную половину периода, на ее
управляющую сетку подают отрицательное напряжение
,
которое называют напряжением смещения, достаточное для
прекращения анодного тока. Для этого необходимо, чтобы
напряжение смещения превышало напряжение запирания
лампы . А для отпирания лампы в благоприятную половину
периода на управляющую сетку подают переменное
напряжение возбуждения, изменяющееся с частотой, на
которую настроен контур (рис. 45).
(1.15)

13.

Рисунок 45. а) Схема генератора с трёхэлектродной лампой;
б) Схема пополнения энергии в генераторе
Во время отрицательного полупериода напряжения
возбуждения лампа закрыта, а положительные значения
напряжения возбуждения, превысившие
, открывают ее.
Поэтому под действием результирующего напряжения на
сетке в анодной цепи ток будем иметь форму периодических
усеченных косинусоидальных импульсов.

14.

Вопрос № 2:
Генераторы с внешним возбуждением. Автогенераторы.

15.

Генераторы с внешним возбуждением
По существу, представляет собой резонансный
усилитель мощности синусоидальных колебаний.
Рисунок 46. Резонансный усилитель мощности
синусоидальных колебаний
Графики напряжений и тока для такого генератора
ничем не отличается от ранее рассмотренных.

16.

Энергетические соотношения для генератора:
1. Подводимая к генератору от источника анодного
напряжения мощность
генерируемых
2. Мощность
выделяющаяся в анодном контуре
колебаний,
Не заторможенные полностью полем контура
электроны ударяются об анод лампы, затрачивая при этом
остаток своей кинетической энергии на нагревание анода
3. Мощность, рассеиваемая на аноде

17.

4. Важнейшей характеристикой всякого генератора
как преобразователя энергии является электронный КПД, под
которым понимают отношение генерируемой мощности к
потребляемой
,
где
–
коэффициент
использования
напряжения;
– коэффициент формы тока.
анодного

18.

Режимы работы генератора
Различают режимы I и II рода.
Режим I рода – без отсечки анодного тока.
Режим I рода в мощных генераторах не используется.
Он применяется для усиления сигнала без искажения. В
режиме II рода выбором угла отсечки можно добиться КПД
больше 50 %.
Для
обеспечения
максимальной
генерируемой
мощности P надо выбирать угол отсечки 120 .
При этом
. Для обеспечения высокого
КПД необходимо выбирать
, но при этом
. На
практике выбирают угол отсечки
. При этом P
существенно не уменьшается, а
.

19.

Автогенераторы
Автогенератором называют устройство, в котором
энергия источника постоянного тока преобразуется в энергию
тока высокой частоты без подачи извне возбуждающего
напряжения.
Генераторы с самовозбуждением отличаются от
генераторов с внешним возбуждением наличием обратной
связи. На рис. 47 изображена схема генератора с
самовозбуждением, в котором обратная связь осуществляется
через трансформатор, связывающий анодную и сеточную
цепи лампы. Наличие обратной связи создает возможность
для возбуждения в схеме устойчивых колебаний без
воздействия внешнего источника.

20.

Рисунок 47. Схема генератора с трансформаторной обратной
связью

21.

В момент включения во всех цепях генератора
проходят кратковременные импульсы токов, заряжающих
емкости схемы. Одиночный импульс образует сплошной
спектр колебаний, одно из которых обязательно совпадает с
собственной частотой колебательных систем генератора.
Колебание возбудит контур и по цепи обратной связи на сетку
лампы поступит напряжение данной частоты. Под действием
его анодный ток лампы станет изменяться с той же частотой,
переменная составляющая его, проходя через контур, будет
усиливать возникающие в нём колебания. Амплитуда их будет
нарастать до тех пор, пока приносимая в контур не сравнится
с энергией возрастающих потерь. После чего в схеме
установятся колебания с постоянной амплитудой. Этот
процесс называется самовозбуждением генератора.

22.

Вопрос № 3:
Кварцевая стабилизация частоты.

23.

Кварцевая стабилизация частоты.
Используются следующие методы стабилизации:
параметрическая стабилизация частоты, метод синхронизации
внешними колебаниями, кварцевая стабилизация частоты,
стабилизация с применением систем автоматической
подстройки частоты (АПЧ), стабилизация с применением
квантовых генераторов.
Стабильность частоты автогенератора повышается,
если использовать в нём колебательную систему с высокой
эталонностью и добротностью. Этими свойствами обладают
пьезоэлектрические резонаторы, изготовленные из некоторых
искусственных кристаллов, например кварца. Кварц – это
природный минерал, представляющий собой разновидность
кремнезёма (
). Форма таких кристаллов напоминает
шестигранную призму с пирамидами в основаниях (рис. 48).
Для изготовления резонатора из призматической части
кристалла
вырезают
прямоугольные
или
круглые

24.

Рисунок 48. Кристалл кварца

25.

Устройство простейшего кварцевого резонатора
напоминает устройство плоского конденсатора.
Переменное напряжение, приложенное к электродам
резонатора, вызывает механическую деформацию пластины
(сжатие – растяжение, сдвиг, изгиб и т.д.), интенсивность
которой пропорциональна напряжённости электрического
поля. В свою очередь, деформация кварцевой пластины
приводит к возникновению зарядов на электродах резонатора.
Эти явления обусловлены действием обратного и прямого
пьезоэлектрического эффекта, присущего кристаллам кварца.
Таким образом, в цепи кварцевого резонатора в дополнение к
току, соответствующему обычной статической емкости С0,
создаётся ток стекания зарядов (пьезоток).

26.

Величина пьезотока резко возрастает при совпадении частоты
приложенного напряжения с каждой (из многих) собственной
резонансной частотой упругих механических колебаний
пластины кварца. Это объясняется тем, что при совпадении
частоты приложенного напряжения с одной из его
собственных частот наступает резонанс, и интенсивность
механических колебаний достигает наибольшей величины.
При этом заряды на гранях кварцевой пластины имеют
максимальное значение, а следовательно, максимальное
значение имеет и амплитуда тока стекания зарядов. Подобное
изменение тока характерно для последовательного
колебательного контура.

27.

Поведение резонатора в электрической цепи в районе
одной из его собственных частот (основной) соответствует
схеме, представленной на рис. 49. Эта схема является
эквивалентной схемой кварцевого резонатора и состоит из
параллельно соединённых статической ёмкости
и
последовательного колебательного контура
моделирующего изменение кварца при изменении его частоты
вблизи основной механической резонансной частоты.

28.

Рисунок 49. Эквивалентная схема кварцевого резонатора

29.

Ёмкость
пФ представляет собой сумму
ёмкостей конденсатора с кварцевым диэлектриком
диэлектриком, кварцедержателя и выводов. Индуктивность
(очень большая) и ёмкость
(очень маленькая)
характеризует соответственно инерционные и упругие
свойства пластины кварца, а сопротивление
(очень
маленькое) – потери энергии в ней (на трение и излучение
звуковых и ультразвуковых колебаний). Параметры
эквивалентной схемы кварца можно определить как путём
расчёта, так и экспериментально.

30.

Следует подчеркнуть, что изготовить обычный
колебательный контур с такими параметрами не
представляется возможным. Так, например, добротность
серийных кварцевых резонаторов на основной частоте
составляет несколько десятков тысяч, а у специальных
(прецизионных) достигает нескольких миллионов, в то время
как у лучших LС-контуров она не превышает
в
коротком диапазоне и десяти тысяч в диапазоне СВЧ. Кроме
того, кварцевый резонатор обладает высокой эталонностью.