Модулятор схема: Модулятор амплитуды мощных сигналов

Модулятор амплитуды мощных сигналов

Титов Александр Анатольевич Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники Россия, 634050, Томск, пр.. Ленина, 40 Тел. (382-2) 51-65-05 E-mail: titov_aa (at) rk.tusur.ru (Радиодело. – 2005. – № 2. – С. 27) Скачать статью в одном файле Модуляторы амплитуды используются во многих радиотехнических системах, например, в передатчиках теле- и радиовещания. Недостатком известных схемных решений построения устройств формирования амплитудно-модулированных колебаний является их малая выходная мощность [1]. В статье приведено описание модулятора, позволяющего осуществлять амплитудную модуляцию сигналов мощностью до 30…40 Вт. Технические характеристики модулятора: максимальный уровень выходной мощности, не менее –                25 Вт; полоса рабочих частот несущего колебания –                    140…200 МГц; полоса рабочих частот модулирующего колебания –      50 Гц…6,5 МГц; длительность фронта формируемого радиоимпульса, не более –    80 нс; сопротивление генератора и нагрузки –                                          50 Ом; Принципиальная схема модулятора приведена на рис. 1 и разработана на основе использования идеи построения модуляторов мощных сигналов описанной в [2]. Рис.1 Принципиальная схема модулятора Здесь — несущее колебание; — модулирующее колебание; Ec — напряжение смещения; U вых — выходное напряжение. Принцип работы модулятора заключается в следующем. Элементы C1, L1, C3, L2 и C4, L4, C6, L5 образуют фильтры нижних частот с частотой среза равной 210 МГц. Транзистор VT1 играет роль самоуправляемого ограничителя сигналов. Физика работы схемы такого ограничителя подробно описана в [3]. При подаче на базу транзистора VT1 напряжения , закрывающего оба его перехода, транзистор будет осуществлять двухстороннее ограничение сигналов, мгновенное значение которых превышает величину, равную 2· . В данном случае использован n-p-n транзистор. Поэтому закрывающее напряжение имеет отрицательное знак. В случае = 0 В и при выборе =-12,5 В, как показано на рис. 1, амплитуда выходного немодулированного сигнала будет неизменна и равна 25 В. При выборе амплитуды модулирующего колебания = 12,5 В и =-12,5 В на выходе будем иметь сигнал со стопроцентной модуляцией. Варьируя амплитудой модулирующего сигнала можно изменять глубину модуляции высокочастотного модулируемого сигнала. Следует иметь ввиду, что для реализации указанного режима работы модулятора необходимо, чтобы при отключении эмиттера транзистора VT1 от тракта передачи сигнала, выход-ное напряжение было равно не менее чем 53…55 В. Для примера на рис. 2 приведена экспериментально измеренная форма огибающей модулированного сигнала на выходе модулятора, принципиальная электрическая схема которого приведена на рис. 1. Рис. 2. Экспериментально измеренная форма огибающей модулированного сигнала В качестве модулирующего сигнала был выбран тестовый восьмиступенчатый телевизионный радиосигнал яркости, спектр которого занимает полосу частот от 50 Гц до 6,5 МГц. Амплитуда модулируемого сигнала выбрана равной 55 В, а его частота – частоте радиосигнала изображения 9 канала телевидения (199,25 МГц). Масштаб времени на оси абсцисс не обозначен. Длительность фронтов радиосигнала на выходе амплитудного модулятора не превышала 80 нс при допустимой длительности по ГОСТ 20532-83, равной 125 нс [4]. Как следует из графика, приведенного на рис. 2, амплитуда радиосигнала в синхроимпульсе составляла 50 В. ЛИТЕРАТУРА Радиопередающие устройства / Л.А. Белов, М.В. Благовещенский, В.М. Богачев и др.; Под ред. М.В. Благовещенского, Г.М. Уткина. – М.: Радио и связь, 1982. – 408 с. Титов А.А., Ильюшенко В.Н. Амплитудный модулятор мощных сигналов // Патент на изобретение № 2240645 Российского агентства по патентам и товарным знакам. – Опубл. 20.11.2004 Бюл. № 32 Титов А.А. Усилитель мощности на 425…435 МГц с защитой от перегрузок // Радиолюбитель КВ и УКВ. – 2003. – № 5. – С. 25–27. ГОСТ 20532-83. Радиопередатчики телевизионные 1-5 диапазонов. Основные параметры, технические требования и методы измерений. – М.: Издательство стандартов, 1984. – 34 с.

6.4. Схемы импульсных модуляторов. 6. Импульсная работа радиопередатчиков. Устройства генерирования и формирования радиосигналов. Учебное пособие

6.4.1. Модуляторы с частичным разрядом накопительного конденсатора

6.4.1.1. Схема модулятора с шунтирующим нагрузку активным сопротивлением

6.4.1.2. Схема модулятора с шунтирующими нагрузку дросселем и диодом

6.4.1.3. Подмодулятор

6.4.2. Модуляторы с полным разрядом искусственной линии

6.4.2.1. Колебательный заряд линии от источника постоянного тока

6.4.2.2. Схема модулятора с зарядным диодом

Импульсные модуляторы в зависимости от способа их построения и особенностей работы можно разделить на несколько групп, каждая из которых характеризуется определенными признаками. Основными признаками являются тип накопителя, тип коммутирующего прибора, характер заряда накопителя, место формирования модулирующего импульса. Главным из них следует считать тип накопителя, так как именно им определяется выбор всех элементов схемы импульсного модулятора. По типу накопителя энергии различают два основных вида модуляторов:

• с частичным разрядом накопительного конденсатора;
• с полным разрядом искусственной линии.

6.4.1. Модуляторы с частичным разрядом накопительного конденсатора

Импульсные модуляторы с частичным разрядом накопительного конденсатора весьма широко применяются в радиотехнических устройствах. Такие модуляторы формируют импульсы, близкие по форме к прямоугольным. В качестве коммутирующего прибора в них используются электронные лампы, которые являются безынерционными приборами. Это позволяет формировать импульсы с практически любой частотой следования. Кроме того, имеется возможность легко изменять длительность и частоту следования импульсов.

Рассмотрим два типа схем модуляторов с частичным разрядом накопительного конденсатора, предназначенных для модуляции магнетронного генератора – модулятор с шунтирующим нагрузку активным сопротивлением (рис.6.15а) и модулятор с шунтирующими нагрузку дросселем и параллельным ему диодом (рис.6.15б).

6.4.1.1. Схема модулятора с шунтирующим нагрузку активным сопротивлением

Рис. 6.15

На рис.6.15а пунктиром показаны паразитные емкости схемы. Паразитная ёмкость С₁ образована выходной емкостью монтажа, а паразитная емкость С₂ определяется входной емкостью генератора (магнетрона), емкостью монтажа и др.

Включенное последовательно с источником постоянного напряжения сопротивление R₁ является ограничительным, оно необходимо для того чтобы при открытом коммутаторе источник питания не нагружался его малым сопротивлением, поэтому величина R₁ должна быть достаточно большой. Однако, через это сопротивление происходит заряд накопительного конденсатора, поэтому при чрезмерном увеличении R

1 потребуется увеличение напряжения источника питания и понизится КПД зарядной цепи (см.6.3.4.1). Обычно R₁=(10-20)R_м, где R_м – статическое сопротивление магнетрона в рабочей точке, которое бывает порядка 1000 Ом. Сопротивление R₂ служит для создания цепи заряда накопителя, так как генератор СВЧ обладает односторонней проводимостью. Это сопротивление должно быть достаточно большим, чтобы ток через него был во много раз меньше рабочего тока генератора СВЧ; обычно R₂@ 10 R_м.

Сопротивление R₂ служит для создания цепи заряда накопителя, так как генератор СВЧ обладает односторонней проводимостью. Это сопротивление должно быть достаточно большим, чтобы ток через него был во много раз меньше рабочего тока генератора СВЧ. Работа схемы происходит следующим образом. Во время паузы между импульсами модуляторная лампа заперта большим отрицательным напряжением E_g. В это время накопительный конденсатор С заряжается от источника постоянного напряжения Е через сопротивления R1 и R2, и напряжение на нем U

c возрастает до U_cmax (рис.6.16а). При этом паразитная емкость C₁ заряжается через сопротивление R₁ от источника питания Е. К концу паузы между импульсами напряжения на накопительном конденсаторе C и на паразитной емкости С₁ достигают величин, близких к Е, а напряжение на магнетроне почти равно нулю. С приходом на управляющую сетку модуляторной лампы положительного прямоугольного импульса от подмодулятора (рис.6.16б) модуляторная лампа отпирается, и через нее протекают токи разряда накопительного конденсатора С и паразитной емкости С₁, а также ток от источника питания Е через ограничительное сопротивление R₁.

Рис.6.16

Накопительный конденсатор вначале разряжается через модуляторную лампу, паразитную емкость С₂

и сопротивление R₂. При этом паразитная емкость С₂ быстро заряжается, и напряжение на магнетроне нарастает от нуля до порогового напряжения Е₀. Время нарастания напряжения на магнетроне от нуля до порогового значения называется длительностью фронта импульса напряжения модулятора t_ф0. С того момента, когда напряжение на магнетроне достигает порогового значения, разряд накопительного конденсатора происходит через магнетрон, модуляторную лампу, а также через паразитную емкость С₂ и сопротивление R₂. При этом напряжение на магнетроне быстро увеличивается от порогового Е₀ до его значения Е_а в рабочей, а ток магнетрона нарастает от нуля до значения I_a0 в рабочей точке. Время нарастания тока магнетрона от нуля до значения I_a0 называется длительностью фронта импульса тока магнетрона t_фi (рис.6.16в).

Вследствие разряда накопительного конденсатора напряжение на магнетроне после достижения максимума, равного Е

а, начинает медленно уменьшаться и к концу импульса подмодулятора снижается на небольшую величину DЕ_а; при этом и ток магнетрона уменьшается на величину DI_a (рис.6.16в). Время, в течение которого напряжение на магнетроне изменяется на величину DЕ_{а ,} называется длительностью плоской части (вершины) импульса модулятора t.

После окончания действия положительного импульса подмодулятора модуляторная лампа снова оказывается запертой большим отрицательным напряжением на сетке E_g. С этого момента возобновляются процессы заряда накопительного конденсатора и паразитной емкости С₁, и начинается разряд паразитной емкости С₂. Вначале емкость С₂ разряжается через магнетрон и сопротивление R₂, а также через источник питания Е, ограничительное сопротивление R₁ и накопительный конденсатор С (рис.6.15б). При этом напряжение на магнетроне быстро уменьшается до порогового значения Е₀ , после чего ток магнетрона становится равным нулю. Время спада тока магнетрона от его величины в конце плоской части импульса до нуля называется длительностью спада импульса тока магнетрона t_ci (рис.6.16в). После того, как напряжение на магнетроне стало равным пороговому, а ток магнетрона стал равным нулю, разряд емкости С₂ происходит только через сопротивление R₂ и через источник питания Е, сопротивление R₁ и накопительный конденсатор. Напряжение на магнетроне при этом спадает от величины Е₀ до нуля (рис.6.16в). Время спада напряжения магнетрона от величины Е₀ до нуля называется длительностью спада напряжения модулятора t_с0. Таким образом, длительность импульсов модулятора определяется длительностью импульсов, поступающих на управляющую сетку модуляторной лампы от подмодулятора. При этом, даже в случае, когда импульсы подмодулятора имеют идеально прямоугольную форму, импульсы модулятора будут иметь форму, отличную от прямоугольной.

Рассмотрим основные количественные соотношения, при этом будем считать, что нагрузка модулятора (магнетрон) выбрана.

Ёмкость накопительного конденсатора определяется формулой (6.3), а максимальное напряжение на накопительном конденсаторе — формулой (6.2), где

R_з = R₁ +R₂.

Длительность фронта импульса напряжения равна:

t_ф0 = R₀C₀ln (). (6.10)

Здесь E₀= U_н — напряжение на нагрузке (на магнетроне) при t = t_ф0, R₀=,

R= , R’_i — динамическое сопротивление модуляторной лампы на рабочем участке характеристики, С₀= С₁+С₂ — общая паразитная емкость модулятора, I_amax — максимальное значение анодного тока через модуляторную лампу. Длительность фронта импульса напряжения можно оценить и по приближенной формуле:

t_ф0 » 1,1×(Е_аС₀)/I_amax. (6.10’)

Длительность спада импульса напряжения:

t_с0 = 3RC₀ , (6.11)

где

R ³ 10 R_M . (6.12)

Здесь R_М — статическое сопротивление магнетрона в рабочей точке, которое бывает обычно порядка 1000 Ом, а полная паразитная емкость модулятора C₂, как правило, лежит в пределах 100-200пФ, поэтому согласно выражению (6.9) t_c0=6мкс. Такая большая длительность спада импульса напряжения на магнетроне может оказаться недопустимой. Для получения меньшей длительности спада импульсов напряжения вместо сопротивления R2 параллельно магнетрону ставят дроссель и диод (рис.6.15б).

Следует иметь в виду, что суммарный анодный импульсный ток I_a, протекающий через лампу равен:

I_a = I₁+ I₂ + I_а0 ,

где I₁ — ток от источника анодного напряжения лампы, I₂ — часть разрядного тока через зарядное сопротивление R₂ при работе магнетрона, I_а0 — анодный ток магнетрона в импульсе.

Наибольшее напряжение на лампе в импульсе равно:

e_аmax= e_amin + Е_а ,

где e_amin— падение напряжения лампе в рабочей точке (рис.6.7), Е_а — напряжение на выходе модулятора (на магнетроне). Для повышения надежности при выборе модуляторной лампы рекомендуется брать запас по току не менее 15%, а по напряжению — не менее 20%.

6.4.1.2. Схема модулятора с шунтирующими нагрузку дросселем и диодом

Изображенная на рис 6.15б полная схема модулятора с шунтирующими магнетрон дросселем и диодом (с учётом паразитных ёмкостей) в отличие от предыдущей обеспечивает малую длительность спада модулирующего импульса. Рассмотрим физические процессы в схеме модулятора при наличии индуктивности L в зарядной цепи. Здесь накопительный конденсатор С заряжается от источника питания Е через сопротивление R₁, диод D и дроссель L. Поскольку заряд протекает медленно, индуктивность L не оказывает влияния на этот процесс. Можно считать, что напряжение на магнетроне в интервале между импульсами подмодулятора равно нулю. С приходом положительного импульса на сетку модуляторной лампы она открывается, и начинается формирование фронта импульса напряжения на нагрузке. При этом, как и в предыдущей схеме, паразитная емкость C₁ разряжается, а паразитная емкость C₂ заряжается, и напряжение на ней растет. Влияние индуктивности L и здесь незначительно, так как за время фронта импульса ток не успевает сколько-нибудь заметно нарасти.

Во время действия плоской части импульса напряжение на нагрузке снижается, что обусловлено, во-первых, частичным разрядом накопительного конденсатора С, а во-вторых, нарастанием тока в катушке индуктивности L (рис.6.17б).

Рис.6.17

В начале импульса этот ток равен нулю, так как накопительный конденсатор заряжен. За малое время фронта ток не успевает заметно измениться. При достижении напряжения на нагрузке значения Е_а ток i_L в дросселе начинает практически линейно расти (рис.6.17) по закону:

i_L≈ ,

где r_L— активное сопротивление дросселя. Так как << 1, то к концу импульса он становится равным:

I_Lmax@ (6.13)

Таким образом, форма вершины импульса в этой схеме зависит не только от величины емкости накопительного конденсатора, но и от величины индуктивности L – чем она больше, тем меньше снижение плоской вершины модулирующего импульса.

После окончания импульса подмодулятора лампа запирается, и паразитная емкость C₂ начинает разряжаться. Когда напряжение на магнетроне становится меньше порогового E₀, магнетрон прекращает работать, то есть R_М=¥. После этого за счет запаса электромагнитной энергии в индуктивности L и паразитной емкости C₀ в схеме возникает переходный процесс. Так как характеристическое сопротивление r параллельного контура, образованного индуктивностью L и полной паразитной емкостью схемы C₀ (рис.6.15в), всегда намного меньше параллельных ему сопротивлений запертых диода и магнетрона, то переходный процесс имеет колебательный характер, и спад импульса получается очень крутым, что весьма благоприятно. Если бы диода в схеме не было, этот колебательный процесс продолжался бы достаточно долго (по пунктирной линии рис.6.17а), причем, можно показать, что амплитуда колебаний превышает величину анодного напряжения Е_а, что недопустимо.

Диод Д в схеме рис.6.15в включен таким образом, что во время первого полупериода колебательного напряжения, возникающего вслед за основным импульсом (и имеющего обратную полярность), он проводит и шунтирует контур LC₀ своим малым внутренним сопротивлением R_iд. Если внутреннее сопротивление диода меньше характеристического сопротивления параллельного контура образованного L и C₀ , то оно шунтирует этот контур, переходный процесс становится апериодическим, и напряжение на контуре быстро спадает до нуля по экспоненте (на рис.6.17а это показано сплошной линией).

При формирование плоской вершины импульса ток через индуктивность L достигает заметной величины, которая в конце плоской части импульса становится равным I_L=()t. Поэтому в модуляторе с дросселем и диодом относительное изменение напряжения и тока магнетрона во время плоской части импульса больше, чем в схеме модулятора с шунтирующим магнетрон активным сопротивлением. Это является недостатком схемы модулятора с дросселем и диодом. Наибольший за время импульса ток через дроссель I_Lmax должен быть намного меньше тока магнетрона. Обычно принимают

I_Lmax=(0,005¸0,10) I_ao .

Тогда:

L=(10¸20) R_мt (6.14)

Спад модулирующего импульса можно разбить на три участка. На первом участке напряжение на магнетроне при уже закрытой модуляторной лампе спадает от значения (Е_а — DЕ_а) в конце вершины до Е₀, после чего магнетрон прекращает работать. Это время спада импульса тока магнетрона t_ci. На этом участке, когда модуляторная лампа уже закрыта, а магнетрон еще работает, паразитная емкость С₂ разряжается главным образом через магнетрон, так как токи через сопротивление R₁ и дроссель L малы по сравнению с током магнетрона. Длительность спада импульса тока магнетрона оказывается такой же, как в схеме с шунтирующим магнетрон активным сопротивлением.

На втором участке напряжение на магнетроне спадает от Е₀ до нуля. И магнетрон, и диод при этом не работают. На этом участке спада модулирующего импульса паразитная емкость С₂ разряжается в основном через дроссель L. Как указывалось выше, здесь в схеме имеет место колебательный процесс.

На третьем участке напряжение на магнетроне меняет знак, и диод проводит ток. Здесь разряд должен иметь апериодический характер, поэтому величина внутреннего сопротивления диода должна удовлетворять неравенству

R_iд< . (6.15)

Схема модулятора с дросселем и диодом может обеспечить длительность спада модулирующего импульса t_c0 = (0,1 – 0,2)t. Однако из-за диода увеличивается паразитная емкость C₂ и усложняется схема модулятора. Поэтому иногда вместо диода последовательно с дросселем включают активное сопротивление R. При этом послеимпульсный колебательный процесс в контуре LC₀R сохраняется, однако амплитуда колебаний невелика и имеет резко выраженный затухающий характер.

Если принять, что ток через дроссель в течение времени t»t нарастает линейно, то его эффективное значение может быть вычислено с достаточной степенью точности по формуле:

I_Leff @

Режим работы магнетрона контролирует прибор, измеряющий среднее значение импульсного тока. Этот прибор включают так, как показано на рис.6.15г, где этот прибор измеряет зарядный ток, равный среднему значению импульсного тока магнетрона. В самом деле, за время заряда t_зар @ Т накопительный конденсатор приобретает заряд Dq_зар = CU_c. Среднее значение зарядного тока равно:

i_зар.ср.=

Среднее значение импульсного тока магнетрона (если импульс имеет прямоугольную форму) равно:

i_м.ср. = ,

где I_a — ток магнетрона в импульсе. Но I_at = q_зар, так как во время импульса накопитель отдает весь приобретенный во время паузы заряд. Емкость блокировочного конденсатора С_бл (рис.6.15г) выбирают так, чтобы его сопротивление Х_сбл на частоте F было намного меньше сопротивления r_пр рамки прибора, т.е. 1/Ωt << r_пр.

Модуляторная лампа здесь выбирается так же, как в схеме с резистором в зарядной цепи.

6.4.1.3. Подмодулятор

Для управления электронным коммутатором применяются специальные устройства, называемые подмодуляторами, в которых формируются импульсы напряжения определенной амплитуды, формы и мощности, подаваемые затем на управляющую сетку коммутаторной лампы. Форма этих импульсов должна быть близка к прямоугольной. Длительность и частота следования импульсов подмодулятора определяют длительность и частоту следования модулирующих импульсов. В большинстве случаев основным каскадом подмодулятора является заторможенный блокинг-генератор, хотя в принципе может быть использована любая из многочисленных импульсных схем. В состав подмодулятора могут также входить усилительные, согласующие и развязывающие каскады.

Исходными данными для расчета подмодулятора являются требования к импульсу, отпирающему коммутаторную лампу, и к стабильности длительности и частоты следования импульсов. Длительность импульса подмодулятора обычно принимается t_п @ t_ф0 + t_ci + t (см. рис.6.16а и 6.16б). Так как t_ci << t_ф0 , а t_ф0 @0,1t, то t_п @ 1,1t. Расчет подмодулятора сводится к расчету отдельных каскадов типовых импульсных схем – блокинг-генераторов, усилителей, катодных повторителей и т.п.

6.4.2. Модуляторы с полным разрядом искусственной линии

Рис.6.18

В импульсных модуляторах с полным разрядом ёмкостного накопителя — искусственной линии — в качестве коммутатора используются ионные приборы, главным образом, водородные тиратроны. Мы рассмотрим наиболее распространенную схему модулятора с одинарной искусственной линией в качестве накопителя (рис.6.18).

6.4.2.1. Колебательный заряд линии от источника постоянного тока

Для повышения КПД зарядной цепи искусственных линий, используемых в качестве ёмкостных накопителей энергии и работающих в режиме полного разряда, в этой схеме использован колебательный заряд линии от источника постоянного тока, который мы и рассмотрим. Поскольку заряд искусственной линии происходит во время пауз между импульсами сравнительно медленно, то влияние индуктивных элементов линии на процесс заряда незначительно. Поэтому можно считать, что во время заряда искусственная линия представляет собой емкость , которая для цепочечной линии (рис.6.13) равна сумме емкостей конденсаторов, всех ячеек. Тогда упрощенную эквивалентную схему заряда искусственной линии для рассматриваемого случая можно представить так, как это показано на рис.6.19а, где — зарядный дроссель, Е — источник питания, а — суммарные потери в зарядной цепи. Дифференциальное уравнение для зарядного тока имеет вид:

Е =,

здесь E^’ – напряжение, которое в общем случае могло остаться на линии, оно может быть как положительным, так и отрицательным, Е^’= , где q₀ – остаточный заряд на линии при t=0.

Параметры зарядной цепи выбираются так, чтобы заряд был колебательным. Это имеет место при условии:

r_З < 2ρ_з , (6.16)

где ρ_з– волновое сопротивление зарядной цепи6 ρ_з == ω₀L_з =.

При колебательном заряде линии зарядный ток равен:

, (6.17)

где — декремент затухания цепи, . Напряжение на формирующей линии равно:

U_c= E^’ +.

Обычно d<<w₀ , поэтому напряжение на формирующей линии можно представить выражением

(6.18)

Если линия нагружена сопротивлением, равным волновому, то и

(6.19)

На рис.6.19б показаны графики изменения зарядного тока и напряжения на линии при колебательном заряде. Первый максимум напряжения имеет место при , то есть при , где — период свободных колебаний за рядной цепи. Желательно, чтобы коммутирующий прибор производил коммутацию в момент времени, когда напряжение на накопителе имеет максимальное значение. Для этого период следования коммутирующих импульсов Т должен быть равен половине периода свободных колебаний зарядной цепи:

Отсюда определяется индуктивность зарядного дросселя:

, (6.20)

где F — частота следования импульсов.

Рис.6.19

Если величина индуктивности зарядного дросселя выбрана правильно, то напряжение на накопителе в момент коммутации, когда t=0,5T_з, будет максимальным:

, (6.21)

где = ρ_з/r_з — добротность зарядной цепи. Обычно , поэтому максимальное напряжение на накопителе , то есть почти вдвое больше напряжения источника питания. Это увеличение напряжения объясняется тем, что к концу первой четверти периода собственных колебаний, когда зарядный ток достигает максимума, а напряжение на линии – приблизительно напряжения источника питания (рис.6.19б), индуктивности зарядного дросселя запасается энергия . Эта энергия поддерживает дальнейшее протекание тока заряда в течение следующей четверти периода собственных колебаний, напряжение на накопителе продолжает увеличиваться до величины , пока не израсходуется вся энергия, запасенная в индуктивности , и зарядный ток не изменит своего направления.

КПД зарядной цепи равен:

η_з= ,

где W_ист – энергия, отданная источником питания накопителю – линии – в процессе заряда, W_с — энергия, запасенная накопителем.

W_ист= ЕEq_зар,

Здесь q_зар – заряд, полученный накопителем от источника.

W_с = 0,5С_лU_cmax.

Тогда

η_з =

Обычно Q_зар=10–20, при этом η_з = 0,92–0,96. Таким образом, при колебательном заряде линии от источника постоянного тока КПД зарядной цепи достаточно высок.

6.4.2.2. Схема модулятора с зарядным диодом

Для получения стабильной величины напряжения заряда накопителя требуется высокая точность срабатывания коммутирующего прибора. В схеме модулятора, изображенной на рис.6.18, в зарядной цепи последовательно с зарядным дросселем включен диод Д₁, благодаря которому разряд накопителя будет происходить всегда при одном и том же напряжении, равном максимальному напряжению . Напряжение на накопителе достигает максимального значения при t=T_з/2. При t>T_з /2 зарядный ток изменяет направление на обратное. Так как диод не пропускает тока обратного направления, то разряд накопителя через источник питания при t>T_з/2, невозможен, и напряжение на накопителе остается неизменным и равным вплоть до момента коммутации. Для того чтобы коммутация происходила всегда после того, как напряжение заряда накопителя достигнет максимального значения, обычно принимают равным (0,8¸0,9)Т, поэтому в схеме с фиксирующим диодом индуктивность зарядного дросселя L_з вычисляют по формуле:

(6.22)

Уменьшение индуктивности зарядного дросселя по сравнению с величиной, определяемой формулой ( 6.20) , нежелательно, так как при этом напряжение на линии будет нарастать чересчур быстро и может достигнуть значительной величины раньше, чем произойдет полная деионизация тиратрона. В этом случае возможно повторное зажигание тиратрона задолго до появления на его сетке поджигающего импульса.

Схема модулятора с фиксирующим диодам позволяет изменять частоту следования импульсов. Если период следования импульсов изменяется в пределах от до , то параметры зарядной цепи следует подобрать так, чтобы выполнялось условие . КПД зарядной цепи в схеме с фиксирующим диодом

несколько ниже, так как при включении диода снижается добротность зарядной цепи Q_зар.

Цепь разряда накопителя

Цепь разряда накопителя в схеме рис.6.18 содержит искусственную линию, коммутирующий прибор и нагрузку — генератор СВЧ. В тех случаях, когда в качестве генератора СВЧ используется магнетрон, связь модулятора с генератором осуществляет с помощью выходного импульсного трансформатора.

Импульсный трансформатор

Импульсный трансформатор согласует низкоомное выходное сопротивление

модулятора, равное волновому сопротивлению линии r, с высокоомным входным сопротивлением генератора СВЧ, которое в данном случае принимается равным статическому сопротивлению магнетрона в рабочей точке R_М. Поэтому коэффициент трансформации импульсного трансформатора должен быть равен:

n_и = (6.23)

Для неискаженной трансформации модулирующего импульса величина n_и должна на быть не более пяти. То обстоятельство, что импульсный трансформатор является повышающим, позволяет понизить напряжение источника питания. Кроме того, трансформатор изменяет полярность модулирующего импульса, то есть знак выходного напряжения относительно земли.

Искусственная линия

При выборе числа ячеек N накопительной линии необходимо учитывать возможное искажение формы импульса при его трансформации, поэтому, принимая во внимание (6.8), N рассчитывают по формуле:

N=0,4 , (6.24)

где k=0,5¸0,8.

Цепи коррекции формы импульса

1. Согласующая цепь

Во время формирования фронта модулирующего импульса, когда напряжение на магнетроне еще не достигло величины порогового , искусственная линия разряжается на рассогласованную нагрузку, поскольку сопротивление магнетрона бесконечно велико. При этом в начальной части модулирующего импульса получится значительный выброс, что может привести к перенапряжению в схеме и нарушению стабильной работы. Для обеспечения постоянства нагрузки модулятора при формировании фронта и начальной части вершины импульса на выходе модулятора включается согласующая цепь R₁C₁. При включении этой цепи со стороны первичной обмотки (рис.6.18) сопротивление R₁ должно быть равно волновому сопротивлению искусственной линии:

(6.25)

Емкость конденсатора C₁ выбирается такой величины, чтобы время установления напряжения на нем равнялось времени формирования фронта модулирующего импульса. Если принять , то при этом

(6.26)

2. Цепь снятия послеимпульсного напряжения.

Для уменьшения амплитуды послеимпульсного выброса (обусловленного энергией, накопленной в импульсном трансформаторе) в модуляторах используют специальные цепи. На схеме рис.6.18 показана простейшая цепь снятия послеимпульсного напряжения, состоящая из диода Д₃ и сопротивления R₃. Работа этой цепи аналогична работе диода в рассмотренной выше схеме модулятора с частичным разрядом накопительного конденсатора и параллельными нагрузке дросселем и диодом. Полное активное сопротивление цепи снятия послеимпульсного напряжения должно быть такой величины, чтобы по окончании действия основного импульса переходный процесс в паразитном контуре , где L_m — индуктивность намагничивания импульсного трансформатора, был апериодическим. Для этого требуется, чтобы

, (6.27)

где R_iд3— внутреннее сопротивление диода Д₃; сопротивление R₃ ставится для уменьшения тока через диод.

3. Цепь снятия напряжения перезаряда линии.

Рис.6.20

Нарушение режима согласования выхода модулятора со входом генератора сказывается главным образом на форме модулирующего импульса и на его величине. Выше было показано, что если сопротивление нагрузки меньше волнового сопротивления линии напряжение на нагрузке имеет знакопеременный характер (рис.6.21в). При работе на рассогласованную нагрузку напряжение на линии при колебательном заряде описывается уравнением (6.18) :

.

В момент коммутации, то есть при , напряжение на линии . Так как при ( R’_г — приведённое к первичной обмотке импульсного трансформатора сопротивление генератора СВЧ) остаточное напряжение на линии отрицательно, то максимальное напряжение на линии равно:

Из формулы (6.6) следует, что при разряде линии на рассогласованную нагрузку остаточное напряжение равно:

,

поэтому при искрении магнетрона, когда , и . Если рассогласование остается и в последующие периоды работы, то напряжение на линии будет увеличиваться (рис.6.20), что может привести к выходу из строя элементов модулятора. Для устранения этого явления используется цепь снятия напряжения перезаряда линии, которая состоит из диода Д₂ и добавочного сопротивления R₂, включенных на входе формирующей линии (рис.6.18). При нарушении согласования эта цепь должна за короткий интервал времени t_сн разрядить линию и обеспечить нормальные начальные условия для следующего зарядного цикла. Время t_сн должно составлять 1-2% времени заряда линии, которое приблизительно равно периоду следования импульсов Т. Если время перезаряда линии t_сн принять равным 3(R_iД2 +R₂) C_д , то

, (6.28)

где R_iД2 — внутреннее сопротивление диода Д₂ , — полная емкость линии. Величина сопротивления R₂, выбирается так, чтобы ток через диод Д₂ был не больше допустимого.

Подмодулятор

Управление ионным коммутатором осуществляется подмодулятором, который в данном случае является генератором поджигающих импульсов. Для поджига водородного тиратрона требуется импульс положительной полярности с амплитудой напряжения до нескольких сотен вольт. Форма поджигающего импульса значения не имеет, к ней предъявляется лишь требование достаточно большой крутизны фронта для уменьшения разброса во времени зажигания водородного тиратрона. Требования к поджигающему импульсу (амплитуда выходного напряжения и выходного тока, длительность импульса t_ип и скорость нарастания фронта) приводятся в паспорте тиратрона.

Генератор поджигающих импульсов водородных тиратронов обычно имеет на выходе катодный повторитель. Между катодным повторителем и тиратроном включают фильтр нижних частот, частота среза которого равна f_ср= 1/ t _ип.

Цепи питания магнетрона

Для того, чтобы вторичная обмотка трансформатора накала магнетрона не находилась под высоким импульсным напряжением, в схеме на рис.6.18 модулирующее напряжение подается на магнетрон через трансформатор с двумя вторичными обмотками, которые по импульсному напряжению соединены параллельно конденсатором С₁ (клеммы 1 и 2) и конденсаторами С₂ и С₃ (клеммы 3 и 4). Причем, клеммы 3 и 4, а следовательно, и клеммы 5 и 6 накального трансформатора, по импульсному напряжению соединены с корпусом, поэтому максимальный потенциал вторичной обмотки по отношению к корпусу практически равен амплитудному значению напряжения накала магнетрона. Особенностью такой схемы является то, что по вторичной обмотке импульсного трансформатора протекает ток накала магнетрона . Конденсатор С₁ предназначен для устранения возможного неравенства импульсного напряжения между секциями вторичной обмотки импульсного трансформатора. Его емкость должна быть выбрана так, чтобы он имел достаточно большое сопротивление для тока накала магнетрона. Обычно C₁»1 мкФ. Емкость конденсаторов С₂ и С₃ должна быть такой, чтобы напряжение DU, нарастающее на этих конденсаторах за время импульса магнетрона, не могло вызвать пробоя в накальном трансформаторе; DU принимают равным 50В. Через каждую из половин вторичной обмотки импульсного трансформатора протекает половина импульсного тока магнетрона i=0,5I_a. Емкости С₂ и С₃ определяются формулой:

(6.29)

Конденсатор С₄ предохраняет прибор, измеряющий среднее значение тока магнетрона I_aср= I_a/q, где q — скважность, от переменных составляющих импульсного тока, эффективное значение которых I_aeff= I_a/, т.е. в раз больше среднего значения. Емкость этого конденсатора выбирают так, чтобы его сопротивление для составляющей с частотой F было во много раз меньше сопротивления рамки прибора, контролирующего средний ток магнетрона.

5.2. Частотные модуляторы. 5. Радиопередающие устройства аналоговых РРЛ. Спутниковые и радиорелейные системы передачи

Основные технические требования. Модуляционная (передаточная) характеристика ЧМД должна иметь высокую линейность, чтобы нелинейные искажения сигнала, вносимые в процессе модуляции, были небольшими. Границы линейного участка определяются требуемым расходом частоты на выходе ЧМД. Согласно рекомендациям МСЭ в АРРС при передаче ПТВС размах девиации частоты ∆f_m = ±4 МГц. При передаче МТС модулятор рассчитывают на передачу пиковых уровней, которым соответствует девиация ∆f_пик.

Линейность модуляционной характеристики принято оценивать с помощью КНИ по второй и третьей гармоникам. Измеряют КНИ для всего группового тракта радиорелейного участка. На вход модулятора подают гармонический испытательный сигнал с частотой F, выбранной так, что сама частота и ее третья гармоника лежат внутри полосы частот F_н…F_в. На выходе демодулятора поочередно измеряют напряжения первой U₁, второй U₂ и третьей U₃ гармоник. Соответствующие измерительному уровню p_к, КНИ по второй и третьей гармоникам:

(5.1)
и
. (5.2)

При увеличении измерительного уровня растет рабочий участок модуляционной (и демодуляционной) характеристики. Поскольку при этом приходится использовать области характеристик с возрастающей нелинейностью, то значения КНИ увеличиваются.

В ТНОУ КНИ по второй и третьей гармоникам

и , (5.3)

где – мощность измерительного сигнала в милливаттах.

Частотный модулятор должен иметь возможно более высокую крутизну модуляционной характеристики и стабильность крутизны, а также малую относительную нестабильность центрального значения ПЧ.

Крутизна модуляционной характеристики влияет на величину ТШ, поступающих от модема. Положим, например, что на выходе ЧМД ТВ ствола должен быть установлен размах девиации ∆ω(t) =∆ω*_m. Для этого на ЧМД нужно подать модулирующий сигнал (ПТВС) с размахом U*_м = ∆ω*_m / k_м. На вход ОТВП этот ПТВС поступает с определенным номинальным уровнем, которому соответствует напряжение размаха U_н. Коэффициент усиления, требуемый от усилителей ОТВП, К= U*_м / U_н =∆ω*_m / k_мU_н. С ростом k_м падает К, поэтому и собственные шумы усилителей будут усилены меньше. Следовательно, высокая крутизна модуляционной характеристики позволяет снизить ТШ, вносимые в канал модемом.

Из – за нестабильности крутизны модуляционной характеристики одному и тому же напряжению сигнала на входе ЧМД будут соответствовать в разные моменты времени разные значения отклонения частоты на его выходе, а следовательно, и разные значения напряжения на выходе ЧД. В результате колебания уровень сигнала в канале (остаточное затухание), что допустимо в очень малых пределах.

Нестабильность центрального значения ПЧ на выходе ЧМД приводит к нестабильности частоты передатчика. Поскольку модулятор представляет собой ЧМГ с большой девиацией частоты, то для него неприменим такой эффективный способ стабилизации частоты, как кварцевая стабилизация. Обычно применяют параметрическую стабилизацию, которая позволяет поддерживать абсолютный уход ПЧ δf_пр ≤ 200 кГц.

Схема частотного модулятора

Схема частотного модулятора (рисунок 5.2) содержит разветвитель модулирующего сигнала, два ЧМГ с варикапами – UB1 и UB2 и линеаризующими нагрузками ЛН, смеситель UZ, нагрузкой которого является ПФ Z; настроенный на ПЧ. В ЧМГ UB1 в колебательный контур включены варикапы.

Рисунок 5.2. Структурная схема частотного модулятора.

6. Импульсная работа радиопередатчиков. Устройства генерирования и формирования радиосигналов. Учебное пособие

6.1. Особенности работы радиопередатчиков короткими импульсами

6.2. Импульсная модуляция

6.3. Общие принципы работы импульсных модуляторов

6.3.1. Требования к импульсным модуляторам

6.3.2. Принципы генерирования мощных модулирующих импульсов

6.3.3. Коммутирующие устройства

6.3.3.1. Коммутирующие устройства на электронных лампах

6.3.3.2. Коммутирующие устройства на газоразрядных приборах

6.3.3.3. Коммутирующие устройства на тиристорах

6.3.4. Накопители энергии

6.3.4.1. Применение конденсатора в качестве ёмкостного накопителя энергии

6.3.4.2.Линии с распределенными постоянными и искусственные линии как емкостные накопители энергии

6.4. Схемы импульсных модуляторов

6.4.1. Модуляторы с частичным разрядом накопительного конденсатора

6.4.1.1. Схема модулятора с шунтирующим нагрузку активным сопротивлением

6.4.1.2. Схема модулятора с шунтирующими нагрузку дросселем и диодом

6.4.1.3. Подмодулятор

6.4.2. Модуляторы с полным разрядом искусственной линии

6.4.2.1. Колебательный заряд линии от источника постоянного тока

6.4.2.2. Схема модулятора с зарядным диодом

6.1. Особенности работы радиопередатчиков короткими импульсами

Рис. 6.1

В ряде областей радиотехники — в радиолокации, радионавигации, радиорелейной связи и др. — применяют импульсные методы передачи, при которых радиопередатчик работает в течение весьма коротких промежутков времени, разделенных длительными паузами. Наиболее широко используют радиоимпульсы с огибающей, форма которой приближается к прямоугольной. Последовательность таких импульсов, показанная на рис.6.1, характеризуется следующими основными параметрами: частотой высокочастотных колебаний f, длительностью импульса t, частотой повторения импульсов F (или периодом повторения Т) и амплитудой импульсов I. Большое значение для характеристики импульсного режима имеет также скважность q, которая при Т>>t равна:

Как известно, полоса частот, принимаемая за ширину спектра прямоугольного импульса, тем шире, чем короче импульс. Для хорошего воспроизведения прямоугольной огибающей радиоимпульса колебательные контуры радиопередатчика должны пропускать без искажений полосу частот . Например, при длительности импульса t=1 мкс полоса пропускания контуров должна быть не менее 2 МГц. Таким образом, импульсные радиопередатчики могут работать только в диапазоне УКВ. Последнее связано ещё и с тем, что на более длинных волнах через цепь, содержащую колебательные контуры, невозможно передать без искажений короткий импульс прямоугольной формы. Анализ переходных процессов показывает, что колебания в контуре можно считать установившимися за число периодов высокой частоты T_вч, приблизительно равное добротности контура Q, т.е. t_уст = QT_вч =Q/f. Так, при Q = 100 и f = 1МГц время установления t_уст = 100 мкс, а при f=100МГц — 1 мкс. На рис.6.2 в качестве примера показан ток в контуре с добротностью Q = 100 при воздействии на него импульсной ЭДС с t < 100 мкс и f =2 МГц. Из рисунка видно, что в этом случае форма огибающей импульса высокочастотного тока очень далека от прямоугольной.

Рис. 6.2

При широкой полосе пропускания колебательных контуров требования к стабильности частоты передатчика могут быть снижены. Из опыта известно, что без принятия специальных мер нестабильность частоты автогенераторов УКВ оказывается порядка 10^-3. Это позволяет строить передатчики радиолокационных и ряда радионавигационных систем, импульсных радиомаяков и др. по однокаскадной схеме, осуществляя модуляцию непосредственно в автогенераторе. Для генерирования метровых и дециметровых волн используются специальные импульсные генераторные лампы, а для генерирования сантиметровых волн — импульсные магнетроны и клистроны.

При импульсной работе радиопередатчиков различают мощность в импульсе Р_~и, то есть мощность, развиваемую во время импульса, и среднюю за период следования импульсов мощность Р_~ср, которая при строго прямоугольной форме импульсов равна:

При скважности порядка сотен иди тысяч единиц средняя мощность в сотни или тысячи раз меньше мощности в импульсе. Поэтому импульсные передатчики, работающие с большой скважностью, характеризуются очень большими мощностями в импульсе — от единиц до тысяч киловатт — и в то же время сравнительно небольшой средней мощностью — от единиц ватт до единиц киловатт. Это обстоятельство накладывает резкий отпечаток на условия работы и конструкцию импульсных передатчиков большой мощности. Малая средняя мощность позволяет применять сравнительно маломощные и малогабаритные источники питания, а также рассчитывать передатчик на малые мощности прогрева деталей и, в частности, на малые средние мощности, рассеиваемые на электродах ламп. Последнее наводит на мысль о возможности форсированного использования генераторной лампы за счёт повышения анодного напряжения и увеличения тока эмиссии.

Предельное анодное напряжение генераторной лампы зависит от её диэлектрической прочности и определяется главным образом состоянием вакуума. Довольно значительное увеличение анодного напряжения во время короткого импульса (в 5 — 10 раз) не создает опасности электрического пробоя.

Форсирование режима лампы по току возможно у многих современных ламп вследствие значительного недоиспользования их по эмиссии. При работе очень короткими импульсами (t<(10¸15)мкс) наиболее выгодно использовать лампы с оксидными катодами. При небольшой мощности, затрачиваемой в катодной цепи, импульсная эмиссия оксидных катодов в десятки раз больше, чем в непрерывном режиме (плотность тока катода в импульсном режиме достигает 100-150 А/см², а в непрерывном — единиц А/см^{2 )}. Однако при работе более длительными импульсами происходит «отравление» катода, и его эмиссионная способность резко снижается. Другим недостатком оксидных катодов является появление катодного искрения при высоких анодных напряжениях. Для работы с импульсами, длительность которых превышает 15мкс, применяются более стойкие катоды из торированного вольфрама и др., устойчиво работающие при высоком анодном напряжении.

Благодаря большим напряжениям между электродами, скорость движения электронов в лампе, работающей в импульсном режиме, гораздо больше, чем в непрерывном. Поэтому эффект инерции электронов в импульсном режиме сказывается слабее, и минимальная длина волны автогенератора, работающего в импульсном режиме, оказывается короче, чем в режиме непрерывной работы.

К недостаткам импульсных режимов работы передатчиков следует отнести увеличение потерь в диэлектриках, которые пропорциональны квадрату амплитуды напряжения, а также конструктивные трудности, связанные с повышением требований к изоляции.

6.2. Импульсная модуляция

При непрерывных методах передачи за основу берут гармонические колебания вида

и затем в соответствии с передаваемым сигналом изменяют тот или иной параметр этих колебаний — амплитуду, фазу или частоту. Такой вид модуляции получил название одноступенчатого. При импульсных методах передачи применяют как одноступенчатую, так и двухступенчатую импульсную модуляцию.

В радиотелефонных импульсных передатчиках, задачей которых является передача звуковых сигналов, применяется двухступенчатая модуляция. Сначала формируют колебания, представляющие собой последовательность радиоимпульсов одинаковой амплитуды, длительности и постоянной скважности. Такие радиоимпульсы можно рассматривать как высокочастотные колебания, модулированные по амплитуде импульсным напряжением. Однако, эти высокочастотные колебания ещё не содержат информации, это — первая ступень импульсной модуляции. Для передачи звукового сигнала осуществляется дополнительная модуляция — вторая ступень импульсной модуляции. В радиотелефонных импульсных передатчиках используются две группы методов импульсной модуляции.

К первой группе относятся методы, при которых низкочастотным сигналом воздействуют на какой-либо параметр высокочастотных колебаний внутри импульсов — на амплитуду (амплитудно-импульсная модуляция — АИМ), или на частоту (высокочастотная импульсная модуляция — ВЧИМ).

Ко второй группе относятся методы, при которых в соответствии с передаваемым сигналом изменяются параметры самих импульсов — их длительность (импульсная модуляция по длительности ДИМ , или ШИМ), фаза следования ( импульсно — фазовая модуляция — ФИМ), частота следования (импульсно-частотная модуляция — ЧИМ).

При амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) высота импульсов изменяется в соответствии с передаваемым сигналом низкой частоты. Приём таких радиоимпульсов должен производиться без амплитудного ограничителя, вследствие чего он оказывается слабо защищенным от помех. В связи с этим предпочтение отдается таким видам импульсной передачи, при которых высота импульсов не меняется. Наибольшее применение получила импульсно-фазовая модуляция, более помехоустойчивая, чем модуляция по длительности.

Повышенной помехоустойчивостью обладает так называемая импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), при которой передаваемый низкочастотный сигнал квантуется по времени и по уровню (рис.6.3а).Для передачи сигнала достаточно передавать один раз за заданный интервал времени группу нескольких одинаковых импульсов — кодовую группу. Различным уровням сигнала соответствуют определенные комбинации, отличающиеся присутствием либо отсутствием тех или иных импульсов кодовой группы. Если группа состоит только из одного импульса, то возможны всего две комбинации: наличие импульса и его отсутствие. На рис.6.3б показаны возможные комбинации для группы из двух импульсов. В общем случае кодовая группа из n импульсов дает 2ⁿ комбинаций. Коэффициент нелинейных искажений, возникающих вследствие квантования сигнала по уровню, быстро уменьшается с увеличением числа импульсов в кодовой группе: при n = 5 (32 уровня) он составляет 3,5%, а при n = 7 (128 уровней) — всего 0,8%. Повышенная помехоустойчивость импульсно-кодовой модуляции объясняется тем, что помеха искажает передаваемый сигнал только в том случае, если она создает в соответствующий момент времени в радиоприемном устройстве ложный импульс или же гасит один из импульсов кодовой группы, передаваемой радиопередающей станцией.

                                                    Рис. 6.4
В радиолокационных, радионавигационных и ряде других передатчиков применяют одноступенчатую модуляцию, при которой передатчик генерирует последовательность прямоугольных радиоимпульсов с неизменными амплитудой, длительностью и периодом повторения. Модулирующим сигналом в этом случае является напряжение, имеющее форму прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды и длительности, следующих один за другим через равные промежутки времени. Это напряжение формируется в специальных устройствах, носящих название импульсных модуляторов.

В дальнейшем будут рассмотрены только импульсные передатчики с одноступенчатой модуляцией типа радиолокационных. Структурная схема такого передатчика показана на рис.6.4. Передатчик состоит из четырёх основных блоков: синхронизирующего устройства, подмодулятора, модулятора и генератора высокой частоты. На выходе генератора высокой частоты должны быть получены радиоимпульсы, по форме близкие к прямоугольным. Для этого необходимо, чтобы импульсы на выходе модулятора — модулирующее напряжение — были близкими к прямоугольным. Синхронизирующее устройство осуществляет синхронизацию работы импульсного передатчика с работой станции в целом. Подмодулятор обеспечивает на входе модулятора управляющее напряжение требуемой величины и формы.

Импульсную модуляцию в ламповых генераторах СВЧ, то есть включение и выключение электронной лампы, можно осуществлять двумя способами:

1) отпирать лампу положительными импульсами на сетку, к которой приложено постоянное запирающее напряжение смещения, при постоянном высоком напряжении на аноде — сеточная модуляция;

2) подавать на анод импульсы высокого напряжения, при этом смещение на управляющей создается обычной цепочкой RC — анодная модуляция.

Достоинством сеточной модуляции, как всегда, является сравнительно малая мощность модулятора, вследствие чего он получается простым и малогабаритным. Тем не менее модуляция импульсных генераторов на анод оказывается более целесообразной, чем на сетку, по двум причинам. Первая причина состоит в том, что электрический пробой в лампе связан с процессом ионизации, обладающим известной инерционностью. Вторая причина заключается в ухудшении температурного режима лампы из-за термотока сетки, который имеет место во время пауз при сеточной модуляции. Все это является починами того, что основное применение в автогенераторах находит анодная модуляция.

В генераторах с внешним возбуждением применяется, как правило, двойная модуляция — на анод и на сетку, так как при одной только анодной модуляции неизбежна перегрузка сетки в момент снятия анодного напряжения.

Для осуществления анодной модуляции в ламповых генераторах СВЧ необходимы мощные импульсные модуляторы. Импульсные высоковольтные модуляторы большой мощности требуются также для магнетронных и клистронных генераторов, которые используются в передатчиках радиолокационных станций, в ускорителях частиц и др. Поскольку такие модуляторы имеют большое практическое значение, их рассмотрению будут посвящены все последующие разделы.

6.3. Общие принципы работы импульсных модуляторов

6.3.1. Требования к импульсным модуляторам

Импульсные модуляторы, используемые в передатчиках с импульсной анодной модуляцией, должны обеспечивать:

• заданную мощность импульсов (достигающую сотен и даже тысяч киловатт) при высоком КПД модулятора;
• требуемую форму импульсов;
• минимальную мощность управления модулятором;
• удобство и надежность эксплуатации, малую зависимость от внешних условий температуры окружающей среды, давления и т.п., а также по возможности малые габариты, вес и стоимость модулирующего устройства в целом.

Рис.6.5

Форма импульсов на выходе модулятора (рис.6.5) имеет большое значение:

от формы импульсов на выходе радиолокационного передатчика зависят точность определения дальности и разрешающая способность станции. Требования к форме импульсов зависят от типа модулируемого генератора СВЧ.

Для обеспечения нормальной работы магнетронного генератора длительность фронта t_ф модулирующего импульса должна быть порядка (0,1¸0,2)t, а длительность спада t_с – (0,2¸0,4) t, где t — длительность импульса. Нестабильность напряжения на вершине импульса не должна превышать 3%, в некоторых случаях для обеспечения малой величины электронного смещения частоты магнетрона даже 1%. Кроме того, недопустимо наличие значительных послеимпульсных осцилляций, так как из-за них на выходе передатчика могут появиться нежелательные высокочастотные импульсы, которые будут иметь место в то время, когда излучение должно отсутствовать.Поскольку у магнетронного генератора заземляется анод (из-за удобства подключения антенного фидера и системы охлаждения, а также из условий безопасности), то полярность модулирующих импульсов должна быть отрицательной относительно земли.

При модуляции триодных генераторов СВЧ требования к форме модулирующих импульсов ниже, чем при модуляции магнетронных генераторов, поскольку частота и мощность триодных генераторов СВЧ значительно меньше зависят от изменения анодного напряжения, чем у магнетронных генераторов, а форма высокочастотных импульсов приблизительно повторяет форму модулирующих импульсов. Поэтому допустимая нестабильность напряжения b на вершине импульса может достигать 1,0¸12%. Длительность фронта и спада модулирующих импульсов определяется требованиями к высокочастотным импульсам и техническими возможностями схемы модулятора. Полярность модулирующих импульсов для триодного генератора СВЧ должна быть положительной относительно земли, поскольку катод генераторной лампы заземляется по постоянному току.

6.3.2. Принципы генерирования мощных модулирующих импульсов

Как указывалось выше, специфика импульсной работы передатчиков заключается в том, что они работают в течение весьма коротких промежутков времени длительностью микросекунды, отдавая мощность, достигающую в ряде случаев десятков мегаватт, после чего следует длительная пауза, когда генератор заперт. Это приводит к идее создания таких схем импульсных модуляторов, которые были бы способны отдаваемую ими в импульсе энергию накапливать за время паузы. Блок-схема такого модулятора показана на рис.6.6. Основными элементами этой схемы являются накопитель энергии и коммутирующий прибор. В схеме можно выделить две главные цепи: зарядную (она показана пунктиром) и разрядную. Во время паузы между импульсами в модуляторе происходит накопление энергии. Эта энергия запасается в накопителе, который при разомкнутом коммутирующем приборе заряжается от источника питания. Управляемый подмодулятором коммутирующий прибор замыкает во время импульса цепь разряда, и накопитель отдает запасенную во время паузы энергию генератору СВЧ. Ограничительное сопротивление в схеме рис.6.6 установлено для того, чтобы в момент замыкания коммутирующего прибора, когда сопротивление последнего очень мало, не закоротить источник постоянного напряжения при разряде накопителя. Цепь заряда должна замыкаться через зарядное устройство, сопротивление которого кратковременным токам разряда много больше эквивалентного сопротивления генератора СВЧ, поэтому накопитель не разражается через параллельную зарядную цепь.

С энергетической точки зрения модулятор является трансформатором мощности. В самом деле, мощность Р_ист, потребляемая накопителем от источника питания, равна:

Р_ист = η_з,

где W_нак— энергия, получаемая накопителем от источника питания, η_з– КПД зарядной цепи, Т – период следования импульсов. Мощность Р_г, которую получает генератор СВЧ во время импульса, равна:

Р_г= η_рW_нак/τ =η_рη_зР_истT/τ = η_рη_зР_истq ,

где h_р— КПД разрядной цепи, а q – скважность. Таким образом, благодаря применению накопителя энергии мощность Р_г, получаемая генератором СВЧ во время импульса, в (qh_зh_р) раз больше мощности, отдаваемой источником питания. Обычно h_з и h_р= 0,7-0,9, q — порядка 1000. Это даёт возможность использования источников питания малой мощности.

Рассмотрим основные элементы схемы импульсного модулятора — коммутирующие устройства и накопители.

6.3.3. Коммутирующие устройства

Коммутирующие устройства — коммутаторы — в схемах импульсных модуляторов работают либо на замыкание, либо на размыкание. Основное требование, которое предъявляется к коммутатору, заключается в том, что его внутреннее сопротивление должно быть минимальным при замыкании и бесконечно большим при размыкании. Из рис.6.6 видно, что во время разряда накопителя напряжение делится между генератором и внутренним сопротивлением коммутатора, при этом на последнем теряется мощность. При этом в коммутаторе теряется мощность Р_к, которая при прямоугольном импульсе, когда ток во время импульса можно считать постоянным, равна

Р_к=U_кI_{р ,}

где I_р – разрядный ток, U_к – падение напряжения на коммутаторе. Мощность, которая передается генератору равна:

Р_г=U_гI_р =I_р(U_н — U_к) .

Здесь U_н – напряжение на накопителе, U_г— напряжение на генераторе. Тогда КПД разрядной цепи равен:

η_р =

Таким образом, КПД разрядной цепи тем выше, чем меньше падение напряжения на коммутаторе во время разряда, то есть чем меньше его сопротивление при замыкании. Наряду с этим к коммутирующим устройствам предъявляют также следующие технические требования:

• время срабатывания коммутатора и время восстановления его управляющих свойств должны быть как можно меньше, так как от этого зависят длительность фронта импульсов и частота их следования;
• коммутатор должен выдерживать высокие напряжения, достигающие десятков киловольт, и пропускать импульсные токи порядка десятков и сотен ампер;
• коммутатор должен срабатывать от импульсов возможно меньшей мощности;
• параметры коммутатора должны быть стабильными во времени и не зависеть от температуры окружающей среды; и др.

Наиболее широкое применение в качестве коммутаторов имеют электронные лампы и газонаполненные приборы. И те, и другие могут коммутировать большие мощности, достигающие у ламп десятков мегаватт, а у газонаполненных приборов — ста и более мегаватт. В качестве коммутаторов используют также полупроводниковые приборы тиристоры, позволяющие коммутировать мощности до нескольких мегаватт. Рассмотрим особенности этих коммутаторов.

6.3.3.1. Коммутирующие устройства на электронных лампах

Как коммутирующий прибор электронная лампа обладает следующими достоинствами:

1. Электронная лампа является коммутирующим прибором, работающим как на замыкание, так и на размыкание цепи разряда накопителя энергии.

2. Коммутирующие устройства на электронных лампах по существу являются безынерционными. Это позволяет точно управлять началом и окончанием каждого импульса. Благодаря своей безынерционности электронные коммутаторы способны коммутировать импульсы практически любой длительности и частоты повторения. Форма импульсов в модуляторах с электронными коммутаторами определяется главным образом формой управляющих импульсов в цепи сетки электронной лампы и может быть получена весьма близкой к прямоугольной.

3. Электронные лампы выдерживают напряжения достигающие десятков киловольт.

4. Параметры электронных ламп практически не зависят от времени и от температуры окружающей среды.

Наряду с этим электронные коммутаторы обладают и рядом недостатков, главными из которых являются:

1. Сравнительно большое внутреннее сопротивление электронной лампы, что снижает КПД модулятора в процессе разряда.

2. Относительно небольшой ток эмиссии катода, что ограничивает величину пропускаемого импульсного тока. Для увеличения коммутируемого тока приходится включать лампы параллельно (до шести-восьми штук). Поэтому при формировании импульсов большой мощности (более 1000 кВт) схема модулятора усложняется, и надежность ее работы снижается.

3. Для надежного запирания лампы на ее сетку должно быть подано отрицательное напряжение, превышающее напряжение запирания , которое определяется по спрямленной анодносеточной характеристике. Однако, чрезмерное увеличение отрицательного напряжения на управляющей сетке лампы приводит к увеличению необходимой амплитуды импульса, отпирающего лампу, а также к увеличению выходной мощности подмодулятора и напряжения между управляющей сеткой и катодом лампы. Обычно, величину напряжения смещения выбирают в пределах (1,2¸1,5), при этом анодный ток во время паузы не превышает значения 0,001% от импульсного тока. Рабочую точку коммутаторной лампы во время импульса выбирают в граничном режиме — точка В на характеристике лампы (рис.6.7). При работе в перенапряженном режиме (точка А) велик сеточный ток, а следовательно и мощность подмодулятора; при работе в недонапряженном режиме (точка С) велико падение напряжения на лампе. Кроме того, даже небольшое возрастание тока i_а приводит к значительному увеличению падения напряжения на лампе и завалу плоской вершины модулирующего импульса.

Рис.6.7

В качестве коммутаторных ламп обычно используются тетроды, так как у них величина запирающего напряжения и сеточного тока меньше, чем у триодов.

6.3.3.2. Коммутирующие устройства на газоразрядных приборах

Коммутирующие устройства на газоразрядных (ионных) приборах — тиратронах и разрядниках — являются более экономичными, чем на электронных лампах. В отличие от электронной лампы эти приборы способны пропускать импульсные токи, достигающие тысяч ампер при малом падении напряжения на электродах, прячем, цепи их управления (цепь поджига разрядника, сеточная цепь тиратрона) потребляют весьма малую мощность. В результате модуляторы с ионным коммутатором имеют меньшие габариты и более высокий КПД, чем с электронным.

Основной недостаток ионных коммутаторов заключается в том, что они могут работать только на замыкание. После поджига такой коммутатор становится неуправляемым. У модуляторов с ионными коммутаторами форма и длительность импульсов на выходе не зависят от поджигающего импульса, а определяются свойствами цепи разряда, то есть практически свойствами накопителя. Кроме этого, коммутаторы на ионных приборах обладают и рядом других недостатков:

• не выдерживают высоких напряжений, что приводит к необходимости включать их последовательно;
• обладают довольно значительным временем деионизации, что затрудняет их использование при высокой частоте повторения импульсов;
• имеют разброс по времени оформления разряда, а также разброс потенциала зажигания;

Разряд через тиратрон прекращается при уменьшении анодного напряжения более, чем на 20% от начального значения.

Наиболее приспособленными для работы в качестве коммутаторов в импульсных устройствах являются разработанные специально для этой цели водородные тиратроны. Падение напряжения на них при замыкании не превышает 2% от напряжения накопителя; их внутреннее сопротивление в импульсе составляет всего несколько десятков Ом (у электронных ламп оно на порядок выше), поэтому КПД разрядной цепи достигает 98%. Кроме того, водородные тиратроны имеют очень малое время ионизации — от 0,02 до 0,07 мкс — и деионизации — порядка 10мкс. Это позволяет коммутировать импульсы малой длительности (несколько десятых микросекунды) с достаточно высокой частотой повторения (до десятков килогерц). Водородные тиратроны имеют положительную пусковую характеристику, поэтому они не требуют отрицательного напряжения смещения на сетке для запирания во время пауз. Зажигание производится положительными импульсами сравнительно малой мощности с амплитудой напряжения около 200В, причем, имеет значение крутизна фронта этих импульсов, поскольку от нее зависит разброс во времени оформления разряда. При амплитуде поджигающих импульсов 200 В и скорости нарастания напряжения на сетке 300 В/мкс разброс времени оформления разряда не превышает 0,04 мкс. Увеличение скорости нарастания в несколько раз при некотором увеличении управляющего импульса позволяет в необходимых случаях резко уменьшить разброс. Анодный ток тиратрона продолжается до тех пор, пока напряжение на его аноде не уменьшится до значения напряжения погасания, которое у большинства водородных тиратронов не превышает 10-20 В. Параметры и пусковая характеристика водородных тиратронов мало зависят от окружающей температуры. Наибольшее напряжение, допускаемое на аноде водородного тиратрона, достигает десятков киловольт. Для увеличения коммутируемой мощности тиратроны выполняют в металлокерамическом оформлении. Так, металлокерамический водородный тиратрон ТГИI-5000/50 отечественного производства работает при анодном напряжении 50 кВ, коммутируемый ток равен 5000А при среднем токе 10А.

6.3.3.3. Коммутирующие устройства на тиристорах

Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор, основу которого составляет четырехслойная структура типа р-n-р-n (рис.6.8а). Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n-областью называют катодом, а с внешней р-областью — анодом. С внутренней р-областью соединен управляющий электрод. Изготавливают тиристорные структуры из кремния.

Тиристор является управляемым прибором, имеющим два устойчивых состояния — открытое и закрытое. Вольтамперная характеристика тиристора, изображенная на рис.6.8б, имеет S-образную форму. На участке 1 анодный ток весьма мал (от нескольких десятых до 20-30 мА), и прибор можно считать выключенным.

Рис.6.8

Участок 3 аналогичен характеристике обычного полупроводникового диода: прибор находится во включенном состоянии с остаточным напряжением порядка единиц вольт при токах, достигающих тысяч ампер, которые ограничиваются только максимально допустимой мощностью рассеяния. Прямое переключение тиристора имеет место при анодном напряжении, равном (точка перегиба между участком 1 и участком 2, где тиристор имеет отрицательное сопротивление). Это напряжение достигает единиц киловольт. Как видно из рис.10б, при увеличении управляющего (пускового) тока оно уменьшается. Обычно переклюючение тиристора в открытое состояние производится подачей отпирающего импульса тока в цепь управляющего электрода. При обратном переключении тиристора из проводящего состояния в закрытое анодный ток уменьшается до значения тока удержания (рис.6.8б), который невелик — десятки и сотни миллиампер.

При >0, как это обычно бывает на практике, для обратного переключения прибора достаточно уменьшить рабочий ток, протекающий через тиристор, до значения < на время , где — время выключения тиристора. Обратное переключение возможно также при изменении на определенное время полярности напряжения на аноде. Регулировка длительности импульса на нагрузке возможна при запирании тиристора с помощью вспомогательных ключей и дополнительных источников напряжения, а также с помощью коммутирующих реактивных элементов — накопителей энергии (например, энергии предварительно заряженного конденсатора). Включение и выключение так называемого запираемого тиристора производится подачей на его управляющий электрод импульсов положительной (для отпирания) или отрицательной (для запирания) полярности.

Важным параметром тиристора является скорость переключения. Она определяется временем включения к временем выключения. Современные импульсные тиристоры имеют время включения от сотых до единиц микросекунд, а время выключения обычно на порядок больше. Рабочее напряжение у них достигает 2 кВ, а ток — 2000 А. Мощные тиристоры на токи в сотни ампер имеют принудительное охлаждение. Для получения большего напряжения или большего тока тиристоры можно соединять последовательно и параллельно, но при этом должны быть приняты меры, обеспечивающие равномерное распределение токов и напряжений между приборами во избежание их перегрузок.

Достоинством тиристоров является возможность управления не только моментом их включения, но и выключения, что позволяет регулировать длительность импульса в нагрузке. Тиристоры обладают высокой надежностью и долговечностью, постоянно готовы к действию, имеют малые габариты и высокую экономичность.

Недостатками тиристоров является значительно меньшая по сравнению с электронными лампами и водородными тиратронами импульсная мощность, а также большая инерционность.

6.3.4. Накопители энергии

Рис.6.9

Как указывалось выше, в импульсном модуляторе во время пауз между импульсами происходит накопление энергии в накопителе. Энергия в накопителях может запасаться либо в электрическом поле емкости, либо в магнитном поле индуктивности, поэтому в качестве накопителя могут быть использованы емкости, индуктивности, а также различные их комбинации. Наибольшее распространение имеют ёмкостные накопители. Рассмотрим основные типы этих накопителей, обращая при этом внимание на следующее:

• на форму импульса, подаваемого на генератор СВЧ при разряде накопителя;
• мощность, или энергию, отдаваемую накопителем генератору СВЧ;
• КПД накопителя;
• требования к коммутирующему прибору.

6.3.4.1. Применение конденсатора в качестве ёмкостного накопителя энергии

Структурная схема модулятора с конденсатором в качестве емкостного накопителя показана на рис.6.9а. Во время пауз между импульсами коммутирующий прибор разомкнут, и конденсатор С заряжается через сопротивление от источника постоянного тока Е, накапливая энергию. При замыкания коммутатора во время действия импульса конденсатор разряжается на генератор СВЧ, отдавая ему накопленную за время паузы энергию. Возможны два режима работы накопительного конденсатора: режим частичного разряда, когда за время импульса конденсатор разряжается частично, отдавая генератору СВЧ лишь небольшую часть накопленной энергии; режим полного разряда, когда во время импульса конденсатор разряжается полностью, отдавая всю накопленную энергию. Изменение напряжения на накопительном конденсаторе при частичном разряде показано на рис.6.9б. Энергия, получаемая конденсатором во время импульса определяется формулой:

W_c=0,5C(). КПД зарядной цепи равен: η_з = , где W_иcт – энергия, отдаваемая источником питания накопителю – конденсатору — во время паузы. При τ<<Т можно считать, что W_иcт =Eq_зар, где q_зар – заряд, полученный конденсатором от источника питания, он равен: q_зар =С(U_cmax – U_cmin), тогда: W_с= 0,5(U_cmax + U_cmin) q_зар = U_{c ср}/Е.

При этом КПД зарядной цепи равен:

То есть КПД цепи заряда определяется отношением среднего напряжения на конденсаторе к напряжению источника питания.

Для получения импульса на нагрузке, по форме близкого к прямоугольному, относительное изменение напряжения на конденсаторе b должно быть мало:

, (6.1)

где

U_cmax = E (1- ). (6.2)

Поскольку обычно , то при частичном разряде накопительного конденсатора КПД зарядной цепи достигает 90-95%, при этом форма импульса на нагрузке близка к прямоугольной. Можно показать, что емкость накопительного конденсатора определяется формулой:

, (6.3)

где — сопротивление нагрузки (генератора).

Для осуществления режима частичного разряда накопительного конденсатора необходим коммутатор, работающий и на замыкание, и на размыкание. При таких условиях в качестве коммутатора может быть использована электронная лампа.

Режим полного разряда накопительного конденсатора может обеспечить получение модулирующих импульсов большой мощности при более простой схеме подмодулятора и при использовании коммутирующего прибора, работающего только на замыкание. Последнее позволяет использовать в качестве коммутирующего прибора не электронную лампу, а тиратрон. Однако, при полном разряде обычного конденсатора импульс напряжения на нагрузке не прямоугольный, а остроконечный (рис.6.9в), и КПД зарядной цепи, как следует из формул (6.1) и (6.2), получается низким. По этим причинам режим полного разряда накопительного конденсатора не применяется.

6.3.4.2. Линии с распределенными постоянными и искусственные линии как емкостные накопители энергии

Недостатки простого емкостного накопителя, работающего в режиме полного разряда, могут быть устранены при использовании более сложных емкостных накопителей, а именно – накопительных искусственных линий. При этом все преимущества использования полного разряда сохраняются. Импульсные модуляторы с искусственными линиями широко применяются на практике.

Рис.6.10

В однородной линии с распределенными постоянными, заряженной до некоторого напряжения Е, сосредоточен запас электростатической энергии W_c=0,5lE² , где С` -погонная ёмкость линии, l — её длина, то есть С`l=C_л — полная ёмкость линии. Таким образом, эта линия представляет собой емкостный накопитель энергии, как обычный конденсатор.

Известно, что разомкнутая на обоих концах линия с распределёнными постоянными длиной l и волновым сопротивлением r, заряженная до напряжения Е, будучи замкнута на нагрузку R (рис.6.10), выделяет на этой нагрузке напряжение, величина и форма которого зависят от соотношения между величинами R и r. Разрядная волна характеризуется током I₁=I_r= и напряжением U₁= I₁r, или U₁=r. Поскольку при разряде линии напряжение на нагрузке U_r=E-U₁, то нетрудно показать, что

, (6.4)

(6.5)

Последние два выражения показывают, что линия в процессе разряда ведет себя по отношению к нагрузочному сопротивлению R как источник ЭДС E c внутренним сопротивлением r (рис.6.11). Напряжение на линии равно:

Рис.6.11

При t=, где v — скорость распространения волны в линии, после того, как разрядная волна, достигнув разомкнутого конца линии, отразится от него и вернется к началу линии, т.е. после двукратного прохождения разрядной волны, остаточное напряжение на линии станет равным Е’ = E — 2U_r, или:

. (6.6)

Из (6.4) и (6.6) следует, что при R =r на нагрузке выделяется прямоугольный импульс с амплитудой U_R=E/2 и длительностью t==, при этом остаточное напряжение на линии Е’=0; когда R >r напряжение на нагрузке U_r, > E/2, остаточное напряжение Е’ имеет ступенчатую форму одной полярности, длительность каждой «cтупеньки» равна t; при R< r напряжение U_r < E/2, а Е’ имеет знакопеременную ступенчатую форму (рис.6.12).

Итак, если R¹r, то при t=2l/v линия еще заряжена до напряжения , и процесс разряда повторяется до тех пор, пока она не разрядится полностью.

Таким образом, заряженный до некоторого напряжения разомкнутый на конце отрезок линии с распределёнными постоянными позволяет получить при разряде на согласованную нагрузку напряжение, имеющее прямоугольную форму. Амплитуда импульса равна половине величины напряжения, до которого была заряжена линия, а его длительность t — удвоенному времени пробега разрядной волны вдоль линии длиной l, т.е. t=2l/v. Поскольку скорость распространения волны в воздушной линии равна скорости света с=3×10⁸ м/сек, то при заданных значениях U_н, R и t расчет параметров линии не составляет труда. Однако, для получения коротких импульсов длина линии чересчур велика: при t=1мкс l=150м! Поэтому на практике применяются искусственные линии, составленные из ряда ячеек с сосредоточенными параметрами L и C. Наиболее употребительная схема искусственной линии показана на рис.6.13. Свойства искусственных линий отличаются от свойств линий с распределенными постоянными, но приближаются к ним при увеличении числа ячеек, из которых составлена искусственная линия. Для искусственной линии (рис.6.13), составленной из N ячеек, длительность импульса равна:

t = 2l= 2 =2N,

где и— индуктивность и ёмкость одной ячейки, а L_л и C_л — полные индуктивность и ёмкость линии. Волновое сопротивление этой линии равно:

r = .

Тогда:

С_Л= и L_Л= ,

откуда

,

. (6.7)

Рис. 6.12

Обычно искусственные линии проектируют на волновые сопротивления от до 25 до 80 Ом. При больших мощностях выгодно выбирать низкое волновое сопротивление для уменьшения напряжения на линии. Искусственные линии с большими волновыми сопротивлениями не применяются, так как емкости ячеек оказываются очень малыми, соизмеримыми с емкостями монтажа.

Рис.6.13

По этой же причине число ячеек, из которых составлена искусственная линия, обычно не превышает 6.

Рис.6.14

Форма импульсов, создаваемых искусственными линиями на согласованном нагрузочном сопротивлении, заметно отличается от прямоугольной. Нарастание и спад импульса происходят с конечной скоростью. Вершина импульса не плоская, а волнистая, причем, максимальная величина пульсаций достигает 10% и мало зависит от числа ячеек. От числа ячеек N зависят длительности фронта t_ф и длительности спада t_с импульса, которые тем меньше, чем больше ячеек. Число ячеек выбирают, исходя из требуемой длительности фронта:

N @ 0,4 (6.8) Длительность спада импульса равна: t_с @ 2t_ф (6.9) На рис.6.14 показана форма импульсов разряда искусственной линии на согласованную нагрузку при числе ячеек N=2, 3 и 4.

6.4. Схемы импульсных модуляторов

Импульсные модуляторы в зависимости от способа их построения и особенностей работы можно разделить на несколько групп, каждая из которых характеризуется определенными признаками. Основными признаками являются тип накопителя, тип коммутирующего прибора, характер заряда накопителя, место формирования модулирующего импульса. Главным из них следует считать тип накопителя, так как именно им определяется выбор всех элементов схемы импульсного модулятора. По типу накопителя энергии различают два основных вида модуляторов:

• с частичным разрядом накопительного конденсатора;
• с полным разрядом искусственной линии.

6.4.1. Модуляторы с частичным разрядом накопительного конденсатора

Импульсные модуляторы с частичным разрядом накопительного конденсатора весьма широко применяются в радиотехнических устройствах. Такие модуляторы формируют импульсы, близкие по форме к прямоугольным. В качестве коммутирующего прибора в них используются электронные лампы, которые являются безынерционными приборами. Это позволяет формировать импульсы с практически любой частотой следования. Кроме того, имеется возможность легко изменять длительность и частоту следования импульсов.

Рассмотрим два типа схем модуляторов с частичным разрядом накопительного конденсатора, предназначенных для модуляции магнетронного генератора – модулятор с шунтирующим нагрузку активным сопротивлением (рис.6.15а) и модулятор с шунтирующими нагрузку дросселем и параллельным ему диодом (рис.6.15б).

6.4.1.1. Схема модулятора с шунтирующим нагрузку активным сопротивлением

Рис. 6.15

На рис.6.15а пунктиром показаны паразитные емкости схемы. Паразитная ёмкость С₁ образована выходной емкостью монтажа, а паразитная емкость С₂ определяется входной емкостью генератора (магнетрона), емкостью монтажа и др.

Включенное последовательно с источником постоянного напряжения сопротивление R₁ является ограничительным, оно необходимо для того чтобы при открытом коммутаторе источник питания не нагружался его малым сопротивлением, поэтому величина R₁ должна быть достаточно большой. Однако, через это сопротивление происходит заряд накопительного конденсатора, поэтому при чрезмерном увеличении R₁ потребуется увеличение напряжения источника питания и понизится КПД зарядной цепи (см.6.3.4.1). Обычно R₁=(10-20)R_м, где R_м – статическое сопротивление магнетрона в рабочей точке, которое бывает порядка 1000 Ом. Сопротивление R₂ служит для создания цепи заряда накопителя, так как генератор СВЧ обладает односторонней проводимостью. Это сопротивление должно быть достаточно большим, чтобы ток через него был во много раз меньше рабочего тока генератора СВЧ; обычно R₂@ 10 R_м.

Сопротивление R₂ служит для создания цепи заряда накопителя, так как генератор СВЧ обладает односторонней проводимостью. Это сопротивление должно быть достаточно большим, чтобы ток через него был во много раз меньше рабочего тока генератора СВЧ. Работа схемы происходит следующим образом. Во время паузы между импульсами модуляторная лампа заперта большим отрицательным напряжением E_g. В это время накопительный конденсатор С заряжается от источника постоянного напряжения Е через сопротивления R1 и R2, и напряжение на нем U_c возрастает до U_cmax (рис.6.16а). При этом паразитная емкость C₁ заряжается через сопротивление R₁ от источника питания Е. К концу паузы между импульсами напряжения на накопительном конденсаторе C и на паразитной емкости С₁ достигают величин, близких к Е, а напряжение на магнетроне почти равно нулю. С приходом на управляющую сетку модуляторной лампы положительного прямоугольного импульса от подмодулятора (рис.6.16б) модуляторная лампа отпирается, и через нее протекают токи разряда накопительного конденсатора С и паразитной емкости С₁, а также ток от источника питания Е через ограничительное сопротивление R₁.

Рис.6.16

Накопительный конденсатор вначале разряжается через модуляторную лампу, паразитную емкость С₂ и сопротивление R₂. При этом паразитная емкость С₂ быстро заряжается, и напряжение на магнетроне нарастает от нуля до порогового напряжения Е₀. Время нарастания напряжения на магнетроне от нуля до порогового значения называется длительностью фронта импульса напряжения модулятора t_ф0. С того момента, когда напряжение на магнетроне достигает порогового значения, разряд накопительного конденсатора происходит через магнетрон, модуляторную лампу, а также через паразитную емкость С₂ и сопротивление R₂. При этом напряжение на магнетроне быстро увеличивается от порогового Е₀ до его значения Е_а в рабочей, а ток магнетрона нарастает от нуля до значения I_a0 в рабочей точке. Время нарастания тока магнетрона от нуля до значения I_a0 называется длительностью фронта импульса тока магнетрона t_фi (рис.6.16в).

Вследствие разряда накопительного конденсатора напряжение на магнетроне после достижения максимума, равного Е_а, начинает медленно уменьшаться и к концу импульса подмодулятора снижается на небольшую величину DЕ_а; при этом и ток магнетрона уменьшается на величину DI_a (рис.6.16в). Время, в течение которого напряжение на магнетроне изменяется на величину DЕ_{а ,} называется длительностью плоской части (вершины) импульса модулятора t.

После окончания действия положительного импульса подмодулятора модуляторная лампа снова оказывается запертой большим отрицательным напряжением на сетке E_g. С этого момента возобновляются процессы заряда накопительного конденсатора и паразитной емкости С₁, и начинается разряд паразитной емкости С₂. Вначале емкость С₂ разряжается через магнетрон и сопротивление R₂, а также через источник питания Е, ограничительное сопротивление R₁ и накопительный конденсатор С (рис.6.15б). При этом напряжение на магнетроне быстро уменьшается до порогового значения Е₀ , после чего ток магнетрона становится равным нулю. Время спада тока магнетрона от его величины в конце плоской части импульса до нуля называется длительностью спада импульса тока магнетрона t_ci (рис.6.16в). После того, как напряжение на магнетроне стало равным пороговому, а ток магнетрона стал равным нулю, разряд емкости С₂ происходит только через сопротивление R₂ и через источник питания Е, сопротивление R₁ и накопительный конденсатор. Напряжение на магнетроне при этом спадает от величины Е₀ до нуля (рис.6.16в). Время спада напряжения магнетрона от величины Е₀ до нуля называется длительностью спада напряжения модулятора t_с0. Таким образом, длительность импульсов модулятора определяется длительностью импульсов, поступающих на управляющую сетку модуляторной лампы от подмодулятора. При этом, даже в случае, когда импульсы подмодулятора имеют идеально прямоугольную форму, импульсы модулятора будут иметь форму, отличную от прямоугольной.

Рассмотрим основные количественные соотношения, при этом будем считать, что нагрузка модулятора (магнетрон) выбрана.

Ёмкость накопительного конденсатора определяется формулой (6.3), а максимальное напряжение на накопительном конденсаторе — формулой (6.2), где

R_з = R₁ +R₂.

Длительность фронта импульса напряжения равна:

t_ф0 = R₀C₀ln (). (6.10)

Здесь E₀= U_н — напряжение на нагрузке (на магнетроне) при t = t_ф0, R₀=,

R= , R’_i — динамическое сопротивление модуляторной лампы на рабочем участке характеристики, С₀= С₁+С₂ — общая паразитная емкость модулятора, I_amax — максимальное значение анодного тока через модуляторную лампу. Длительность фронта импульса напряжения можно оценить и по приближенной формуле:

t_ф0 » 1,1×(Е_аС₀)/I_amax. (6.10’)

Длительность спада импульса напряжения:

t_с0 = 3RC₀ , (6.11)

где

R ³ 10 R_M . (6.12)

Здесь R_М — статическое сопротивление магнетрона в рабочей точке, которое бывает обычно порядка 1000 Ом, а полная паразитная емкость модулятора C₂, как правило, лежит в пределах 100-200пФ, поэтому согласно выражению (6.9) t_c0=6мкс. Такая большая длительность спада импульса напряжения на магнетроне может оказаться недопустимой. Для получения меньшей длительности спада импульсов напряжения вместо сопротивления R2 параллельно магнетрону ставят дроссель и диод (рис.6.15б).

Следует иметь в виду, что суммарный анодный импульсный ток I_a, протекающий через лампу равен:

I_a = I₁+ I₂ + I_а0 ,

где I₁ — ток от источника анодного напряжения лампы, I₂ — часть разрядного тока через зарядное сопротивление R₂ при работе магнетрона, I_а0 — анодный ток магнетрона в импульсе.

Наибольшее напряжение на лампе в импульсе равно:

e_аmax= e_amin + Е_а ,

где e_amin— падение напряжения лампе в рабочей точке (рис.6.7), Е_а — напряжение на выходе модулятора (на магнетроне). Для повышения надежности при выборе модуляторной лампы рекомендуется брать запас по току не менее 15%, а по напряжению — не менее 20%.

6.4.1.2. Схема модулятора с шунтирующими нагрузку дросселем и диодом

Изображенная на рис 6.15б полная схема модулятора с шунтирующими магнетрон дросселем и диодом (с учётом паразитных ёмкостей) в отличие от предыдущей обеспечивает малую длительность спада модулирующего импульса. Рассмотрим физические процессы в схеме модулятора при наличии индуктивности L в зарядной цепи. Здесь накопительный конденсатор С заряжается от источника питания Е через сопротивление R₁, диод D и дроссель L. Поскольку заряд протекает медленно, индуктивность L не оказывает влияния на этот процесс. Можно считать, что напряжение на магнетроне в интервале между импульсами подмодулятора равно нулю. С приходом положительного импульса на сетку модуляторной лампы она открывается, и начинается формирование фронта импульса напряжения на нагрузке. При этом, как и в предыдущей схеме, паразитная емкость C₁ разряжается, а паразитная емкость C₂ заряжается, и напряжение на ней растет. Влияние индуктивности L и здесь незначительно, так как за время фронта импульса ток не успевает сколько-нибудь заметно нарасти.

Во время действия плоской части импульса напряжение на нагрузке снижается, что обусловлено, во-первых, частичным разрядом накопительного конденсатора С, а во-вторых, нарастанием тока в катушке индуктивности L (рис.6.17б).

Рис.6.17

В начале импульса этот ток равен нулю, так как накопительный конденсатор заряжен. За малое время фронта ток не успевает заметно измениться. При достижении напряжения на нагрузке значения Е_а ток i_L в дросселе начинает практически линейно расти (рис.6.17) по закону:

i_L≈ ,

где r_L— активное сопротивление дросселя. Так как << 1, то к концу импульса он становится равным:

I_Lmax@ (6.13)

Таким образом, форма вершины импульса в этой схеме зависит не только от величины емкости накопительного конденсатора, но и от величины индуктивности L – чем она больше, тем меньше снижение плоской вершины модулирующего импульса.

После окончания импульса подмодулятора лампа запирается, и паразитная емкость C₂ начинает разряжаться. Когда напряжение на магнетроне становится меньше порогового E₀, магнетрон прекращает работать, то есть R_М=¥. После этого за счет запаса электромагнитной энергии в индуктивности L и паразитной емкости C₀ в схеме возникает переходный процесс. Так как характеристическое сопротивление r параллельного контура, образованного индуктивностью L и полной паразитной емкостью схемы C₀ (рис.6.15в), всегда намного меньше параллельных ему сопротивлений запертых диода и магнетрона, то переходный процесс имеет колебательный характер, и спад импульса получается очень крутым, что весьма благоприятно. Если бы диода в схеме не было, этот колебательный процесс продолжался бы достаточно долго (по пунктирной линии рис.6.17а), причем, можно показать, что амплитуда колебаний превышает величину анодного напряжения Е_а, что недопустимо.

Диод Д в схеме рис.6.15в включен таким образом, что во время первого полупериода колебательного напряжения, возникающего вслед за основным импульсом (и имеющего обратную полярность), он проводит и шунтирует контур LC₀ своим малым внутренним сопротивлением R_iд. Если внутреннее сопротивление диода меньше характеристического сопротивления параллельного контура образованного L и C₀ , то оно шунтирует этот контур, переходный процесс становится апериодическим, и напряжение на контуре быстро спадает до нуля по экспоненте (на рис.6.17а это показано сплошной линией).

При формирование плоской вершины импульса ток через индуктивность L достигает заметной величины, которая в конце плоской части импульса становится равным I_L=()t. Поэтому в модуляторе с дросселем и диодом относительное изменение напряжения и тока магнетрона во время плоской части импульса больше, чем в схеме модулятора с шунтирующим магнетрон активным сопротивлением. Это является недостатком схемы модулятора с дросселем и диодом. Наибольший за время импульса ток через дроссель I_Lmax должен быть намного меньше тока магнетрона. Обычно принимают

I_Lmax=(0,005¸0,10) I_ao .

Тогда:

L=(10¸20) R_мt (6.14)

Спад модулирующего импульса можно разбить на три участка. На первом участке напряжение на магнетроне при уже закрытой модуляторной лампе спадает от значения (Е_а — DЕ_а) в конце вершины до Е₀, после чего магнетрон прекращает работать. Это время спада импульса тока магнетрона t_ci. На этом участке, когда модуляторная лампа уже закрыта, а магнетрон еще работает, паразитная емкость С₂ разряжается главным образом через магнетрон, так как токи через сопротивление R₁ и дроссель L малы по сравнению с током магнетрона. Длительность спада импульса тока магнетрона оказывается такой же, как в схеме с шунтирующим магнетрон активным сопротивлением.

На втором участке напряжение на магнетроне спадает от Е₀ до нуля. И магнетрон, и диод при этом не работают. На этом участке спада модулирующего импульса паразитная емкость С₂ разряжается в основном через дроссель L. Как указывалось выше, здесь в схеме имеет место колебательный процесс.

На третьем участке напряжение на магнетроне меняет знак, и диод проводит ток. Здесь разряд должен иметь апериодический характер, поэтому величина внутреннего сопротивления диода должна удовлетворять неравенству

R_iд< . (6.15)

Схема модулятора с дросселем и диодом может обеспечить длительность спада модулирующего импульса t_c0 = (0,1 – 0,2)t. Однако из-за диода увеличивается паразитная емкость C₂ и усложняется схема модулятора. Поэтому иногда вместо диода последовательно с дросселем включают активное сопротивление R. При этом послеимпульсный колебательный процесс в контуре LC₀R сохраняется, однако амплитуда колебаний невелика и имеет резко выраженный затухающий характер.

Если принять, что ток через дроссель в течение времени t»t нарастает линейно, то его эффективное значение может быть вычислено с достаточной степенью точности по формуле:

I_Leff @

Режим работы магнетрона контролирует прибор, измеряющий среднее значение импульсного тока. Этот прибор включают так, как показано на рис.6.15г, где этот прибор измеряет зарядный ток, равный среднему значению импульсного тока магнетрона. В самом деле, за время заряда t_зар @ Т накопительный конденсатор приобретает заряд Dq_зар = CU_c. Среднее значение зарядного тока равно:

i_зар.ср.=

Среднее значение импульсного тока магнетрона (если импульс имеет прямоугольную форму) равно:

i_м.ср. = ,

где I_a — ток магнетрона в импульсе. Но I_at = q_зар, так как во время импульса накопитель отдает весь приобретенный во время паузы заряд. Емкость блокировочного конденсатора С_бл (рис.6.15г) выбирают так, чтобы его сопротивление Х_сбл на частоте F было намного меньше сопротивления r_пр рамки прибора, т.е. 1/Ωt << r_пр.

Модуляторная лампа здесь выбирается так же, как в схеме с резистором в зарядной цепи.

6.4.1.3. Подмодулятор

Для управления электронным коммутатором применяются специальные устройства, называемые подмодуляторами, в которых формируются импульсы напряжения определенной амплитуды, формы и мощности, подаваемые затем на управляющую сетку коммутаторной лампы. Форма этих импульсов должна быть близка к прямоугольной. Длительность и частота следования импульсов подмодулятора определяют длительность и частоту следования модулирующих импульсов. В большинстве случаев основным каскадом подмодулятора является заторможенный блокинг-генератор, хотя в принципе может быть использована любая из многочисленных импульсных схем. В состав подмодулятора могут также входить усилительные, согласующие и развязывающие каскады.

Исходными данными для расчета подмодулятора являются требования к импульсу, отпирающему коммутаторную лампу, и к стабильности длительности и частоты следования импульсов. Длительность импульса подмодулятора обычно принимается t_п @ t_ф0 + t_ci + t (см. рис.6.16а и 6.16б). Так как t_ci << t_ф0 , а t_ф0 @0,1t, то t_п @ 1,1t. Расчет подмодулятора сводится к расчету отдельных каскадов типовых импульсных схем – блокинг-генераторов, усилителей, катодных повторителей и т.п.

6.4.2. Модуляторы с полным разрядом искусственной линии

Рис.6.18

В импульсных модуляторах с полным разрядом ёмкостного накопителя — искусственной линии — в качестве коммутатора используются ионные приборы, главным образом, водородные тиратроны. Мы рассмотрим наиболее распространенную схему модулятора с одинарной искусственной линией в качестве накопителя (рис.6.18).

6.4.2.1. Колебательный заряд линии от источника постоянного тока

Для повышения КПД зарядной цепи искусственных линий, используемых в качестве ёмкостных накопителей энергии и работающих в режиме полного разряда, в этой схеме использован колебательный заряд линии от источника постоянного тока, который мы и рассмотрим. Поскольку заряд искусственной линии происходит во время пауз между импульсами сравнительно медленно, то влияние индуктивных элементов линии на процесс заряда незначительно. Поэтому можно считать, что во время заряда искусственная линия представляет собой емкость , которая для цепочечной линии (рис.6.13) равна сумме емкостей конденсаторов, всех ячеек. Тогда упрощенную эквивалентную схему заряда искусственной линии для рассматриваемого случая можно представить так, как это показано на рис.6.19а, где — зарядный дроссель, Е — источник питания, а — суммарные потери в зарядной цепи. Дифференциальное уравнение для зарядного тока имеет вид:

Е =,

здесь E^’ – напряжение, которое в общем случае могло остаться на линии, оно может быть как положительным, так и отрицательным, Е^’= , где q₀ – остаточный заряд на линии при t=0.

Параметры зарядной цепи выбираются так, чтобы заряд был колебательным. Это имеет место при условии:

r_З < 2ρ_з , (6.16)

где ρ_з– волновое сопротивление зарядной цепи6 ρ_з == ω₀L_з =.

При колебательном заряде линии зарядный ток равен:

, (6.17)

где — декремент затухания цепи, . Напряжение на формирующей линии равно:

U_c= E^’ +.

Обычно d<<w₀ , поэтому напряжение на формирующей линии можно представить выражением

(6.18)

Если линия нагружена сопротивлением, равным волновому, то и

(6.19)

На рис.6.19б показаны графики изменения зарядного тока и напряжения на линии при колебательном заряде. Первый максимум напряжения имеет место при , то есть при , где — период свободных колебаний за рядной цепи. Желательно, чтобы коммутирующий прибор производил коммутацию в момент времени, когда напряжение на накопителе имеет максимальное значение. Для этого период следования коммутирующих импульсов Т должен быть равен половине периода свободных колебаний зарядной цепи:

Отсюда определяется индуктивность зарядного дросселя:

, (6.20)

где F — частота следования импульсов.

Рис.6.19

Если величина индуктивности зарядного дросселя выбрана правильно, то напряжение на накопителе в момент коммутации, когда t=0,5T_з, будет максимальным:

, (6.21)

где = ρ_з/r_з — добротность зарядной цепи. Обычно , поэтому максимальное напряжение на накопителе , то есть почти вдвое больше напряжения источника питания. Это увеличение напряжения объясняется тем, что к концу первой четверти периода собственных колебаний, когда зарядный ток достигает максимума, а напряжение на линии – приблизительно напряжения источника питания (рис.6.19б), индуктивности зарядного дросселя запасается энергия . Эта энергия поддерживает дальнейшее протекание тока заряда в течение следующей четверти периода собственных колебаний, напряжение на накопителе продолжает увеличиваться до величины , пока не израсходуется вся энергия, запасенная в индуктивности , и зарядный ток не изменит своего направления.

КПД зарядной цепи равен:

η_з= ,

где W_ист – энергия, отданная источником питания накопителю – линии – в процессе заряда, W_с — энергия, запасенная накопителем.

W_ист= ЕEq_зар,

Здесь q_зар – заряд, полученный накопителем от источника.

W_с = 0,5С_лU_cmax.

Тогда

η_з =

Обычно Q_зар=10–20, при этом η_з = 0,92–0,96. Таким образом, при колебательном заряде линии от источника постоянного тока КПД зарядной цепи достаточно высок.

6.4.2.2. Схема модулятора с зарядным диодом

Для получения стабильной величины напряжения заряда накопителя требуется высокая точность срабатывания коммутирующего прибора. В схеме модулятора, изображенной на рис.6.18, в зарядной цепи последовательно с зарядным дросселем включен диод Д₁, благодаря которому разряд накопителя будет происходить всегда при одном и том же напряжении, равном максимальному напряжению . Напряжение на накопителе достигает максимального значения при t=T_з/2. При t>T_з /2 зарядный ток изменяет направление на обратное. Так как диод не пропускает тока обратного направления, то разряд накопителя через источник питания при t>T_з/2, невозможен, и напряжение на накопителе остается неизменным и равным вплоть до момента коммутации. Для того чтобы коммутация происходила всегда после того, как напряжение заряда накопителя достигнет максимального значения, обычно принимают равным (0,8¸0,9)Т, поэтому в схеме с фиксирующим диодом индуктивность зарядного дросселя L_з вычисляют по формуле:

(6.22)

Уменьшение индуктивности зарядного дросселя по сравнению с величиной, определяемой формулой ( 6.20) , нежелательно, так как при этом напряжение на линии будет нарастать чересчур быстро и может достигнуть значительной величины раньше, чем произойдет полная деионизация тиратрона. В этом случае возможно повторное зажигание тиратрона задолго до появления на его сетке поджигающего импульса.

Схема модулятора с фиксирующим диодам позволяет изменять частоту следования импульсов. Если период следования импульсов изменяется в пределах от до , то параметры зарядной цепи следует подобрать так, чтобы выполнялось условие . КПД зарядной цепи в схеме с фиксирующим диодом

несколько ниже, так как при включении диода снижается добротность зарядной цепи Q_зар.

Цепь разряда накопителя

Цепь разряда накопителя в схеме рис.6.18 содержит искусственную линию, коммутирующий прибор и нагрузку — генератор СВЧ. В тех случаях, когда в качестве генератора СВЧ используется магнетрон, связь модулятора с генератором осуществляет с помощью выходного импульсного трансформатора.

Импульсный трансформатор

Импульсный трансформатор согласует низкоомное выходное сопротивление

модулятора, равное волновому сопротивлению линии r, с высокоомным входным сопротивлением генератора СВЧ, которое в данном случае принимается равным статическому сопротивлению магнетрона в рабочей точке R_М. Поэтому коэффициент трансформации импульсного трансформатора должен быть равен:

n_и = (6.23)

Для неискаженной трансформации модулирующего импульса величина n_и должна на быть не более пяти. То обстоятельство, что импульсный трансформатор является повышающим, позволяет понизить напряжение источника питания. Кроме того, трансформатор изменяет полярность модулирующего импульса, то есть знак выходного напряжения относительно земли.

Искусственная линия

При выборе числа ячеек N накопительной линии необходимо учитывать возможное искажение формы импульса при его трансформации, поэтому, принимая во внимание (6.8), N рассчитывают по формуле:

N=0,4 , (6.24)

где k=0,5¸0,8.

Цепи коррекции формы импульса

1. Согласующая цепь

Во время формирования фронта модулирующего импульса, когда напряжение на магнетроне еще не достигло величины порогового , искусственная линия разряжается на рассогласованную нагрузку, поскольку сопротивление магнетрона бесконечно велико. При этом в начальной части модулирующего импульса получится значительный выброс, что может привести к перенапряжению в схеме и нарушению стабильной работы. Для обеспечения постоянства нагрузки модулятора при формировании фронта и начальной части вершины импульса на выходе модулятора включается согласующая цепь R₁C₁. При включении этой цепи со стороны первичной обмотки (рис.6.18) сопротивление R₁ должно быть равно волновому сопротивлению искусственной линии:

(6.25)

Емкость конденсатора C₁ выбирается такой величины, чтобы время установления напряжения на нем равнялось времени формирования фронта модулирующего импульса. Если принять , то при этом

(6.26)

2. Цепь снятия послеимпульсного напряжения.

Для уменьшения амплитуды послеимпульсного выброса (обусловленного энергией, накопленной в импульсном трансформаторе) в модуляторах используют специальные цепи. На схеме рис.6.18 показана простейшая цепь снятия послеимпульсного напряжения, состоящая из диода Д₃ и сопротивления R₃. Работа этой цепи аналогична работе диода в рассмотренной выше схеме модулятора с частичным разрядом накопительного конденсатора и параллельными нагрузке дросселем и диодом. Полное активное сопротивление цепи снятия послеимпульсного напряжения должно быть такой величины, чтобы по окончании действия основного импульса переходный процесс в паразитном контуре , где L_m — индуктивность намагничивания импульсного трансформатора, был апериодическим. Для этого требуется, чтобы

, (6.27)

где R_iд3— внутреннее сопротивление диода Д₃; сопротивление R₃ ставится для уменьшения тока через диод.

3. Цепь снятия напряжения перезаряда линии.

  Рис.6.20

Нарушение режима согласования выхода модулятора со входом генератора сказывается главным образом на форме модулирующего импульса и на его величине. Выше было показано, что если сопротивление нагрузки меньше волнового сопротивления линии напряжение на нагрузке имеет знакопеременный характер (рис.6.21в). При работе на рассогласованную нагрузку напряжение на линии при колебательном заряде описывается уравнением (6.18) :

.

В момент коммутации, то есть при , напряжение на линии . Так как при ( R’_г — приведённое к первичной обмотке импульсного трансформатора сопротивление генератора СВЧ) остаточное напряжение на линии отрицательно, то максимальное напряжение на линии равно:

Из формулы (6.6) следует, что при разряде линии на рассогласованную нагрузку остаточное напряжение равно:

,

поэтому при искрении магнетрона, когда , и . Если рассогласование остается и в последующие периоды работы, то напряжение на линии будет увеличиваться (рис.6.20), что может привести к выходу из строя элементов модулятора. Для устранения этого явления используется цепь снятия напряжения перезаряда линии, которая состоит из диода Д₂ и добавочного сопротивления R₂, включенных на входе формирующей линии (рис.6.18). При нарушении согласования эта цепь должна за короткий интервал времени t_сн разрядить линию и обеспечить нормальные начальные условия для следующего зарядного цикла. Время t_сн должно составлять 1-2% времени заряда линии, которое приблизительно равно периоду следования импульсов Т. Если время перезаряда линии t_сн принять равным 3(R_iД2 +R₂) C_д , то

, (6.28)

где R_iД2 — внутреннее сопротивление диода Д₂ , — полная емкость линии. Величина сопротивления R₂, выбирается так, чтобы ток через диод Д₂ был не больше допустимого.

Подмодулятор

Управление ионным коммутатором осуществляется подмодулятором, который в данном случае является генератором поджигающих импульсов. Для поджига водородного тиратрона требуется импульс положительной полярности с амплитудой напряжения до нескольких сотен вольт. Форма поджигающего импульса значения не имеет, к ней предъявляется лишь требование достаточно большой крутизны фронта для уменьшения разброса во времени зажигания водородного тиратрона. Требования к поджигающему импульсу (амплитуда выходного напряжения и выходного тока, длительность импульса t_ип и скорость нарастания фронта) приводятся в паспорте тиратрона.

Генератор поджигающих импульсов водородных тиратронов обычно имеет на выходе катодный повторитель. Между катодным повторителем и тиратроном включают фильтр нижних частот, частота среза которого равна f_ср= 1/ t _ип.

Цепи питания магнетрона

Для того, чтобы вторичная обмотка трансформатора накала магнетрона не находилась под высоким импульсным напряжением, в схеме на рис.6.18 модулирующее напряжение подается на магнетрон через трансформатор с двумя вторичными обмотками, которые по импульсному напряжению соединены параллельно конденсатором С₁ (клеммы 1 и 2) и конденсаторами С₂ и С₃ (клеммы 3 и 4). Причем, клеммы 3 и 4, а следовательно, и клеммы 5 и 6 накального трансформатора, по импульсному напряжению соединены с корпусом, поэтому максимальный потенциал вторичной обмотки по отношению к корпусу практически равен амплитудному значению напряжения накала магнетрона. Особенностью такой схемы является то, что по вторичной обмотке импульсного трансформатора протекает ток накала магнетрона . Конденсатор С₁ предназначен для устранения возможного неравенства импульсного напряжения между секциями вторичной обмотки импульсного трансформатора. Его емкость должна быть выбрана так, чтобы он имел достаточно большое сопротивление для тока накала магнетрона. Обычно C₁»1 мкФ. Емкость конденсаторов С₂ и С₃ должна быть такой, чтобы напряжение DU, нарастающее на этих конденсаторах за время импульса магнетрона, не могло вызвать пробоя в накальном трансформаторе; DU принимают равным 50В. Через каждую из половин вторичной обмотки импульсного трансформатора протекает половина импульсного тока магнетрона i=0,5I_a. Емкости С₂ и С₃ определяются формулой:

(6.29)

Конденсатор С₄ предохраняет прибор, измеряющий среднее значение тока магнетрона I_aср= I_a/q, где q — скважность, от переменных составляющих импульсного тока, эффективное значение которых I_aeff= I_a/, т.е. в раз больше среднего значения. Емкость этого конденсатора выбирают так, чтобы его сопротивление для составляющей с частотой F было во много раз меньше сопротивления рамки прибора, контролирующего средний ток магнетрона.

Схема AM-модулятора на одном транзисторе

Простейший AM-приемник ранее был рассмотрен в статье Детекторный AM-приемник: теория и практика. Было бы здорово сделать к нему еще и передатчик. Генерировать несущий сигнал мы уже умеем, а вот правильно его модулировать — пока нет. Оказывается, что соответствующая схема довольно проста. О ней далее и пойдет речь.

Схема приводится во многих источниках, например, на том же StackExchange:

Модель для LTspice вы можете скачать здесь. На вход схемы подается аудио-сигнал V1 и несущая V2. На выходе получаем сигнал в амплитудной модуляции.

Для понимания схемы нужно принять во внимание, что падение напряжения между базой и эмиттером транзистора V_be, является функцией от тока, протекающего через базу I_b. Точно так же, как в обычном диоде, поскольку PN-переход между базой и эмиттером есть ни что иное, как диод. Подавая на эмиттер НЧ сигнал и оставляя напряжение на базе относительно постоянным (V2 имеет небольшую амплитуду), этим мы меняем V_be, и, как следствие, I_b. Он в свою очередь напрямую влияет на усиление транзистора. Когда V1 максимально, V_be минимально, и потому минимально усиление транзистора. Когда V1 минимально, имеем максимальное V_be и максимальное усиление. Таким образом, несущая V2 усиливается в зависимости от V1, и мы получаем ни что иное, как амплитудную модуляцию.

Заинтересованным читателям предлагается открыть модель в LTspice и убедиться, что она действительно работает так, как описано выше.

В моем исполнении цепь получилась следующей:

Аудио-сигнал генерировался при помощи MHS-5200A. Несущая была получена при помощи следящего генератора Rigol DSA815-TG в режиме Zero Span. Однако с тем же успехом подойдет самодельный генератор или второй канал MHS-5200A с подходящим аттенюатором. Выход был подан на осциллограф Rigol DS1054Z:

Это не совсем идеальный AM-сигнал. Но если его немного отфильтровать, то будет в самый раз.

Тот же сигнал, но поданный на RTL-SDR v3:

Эксперименты показали, что такая схема прекрасно работает на частотах от 1 МГц до 30 МГц. Уровень несущей не особо критичен и может быть от -20 dBm до 0 dBm. Оптимальная амплитуда НЧ сигнала — 4 Vpp, а его частота может быть до 20 кГц. Выход генератора в нагрузку 50 Ом составляет порядка -15 dBm.

В общем, схема оказалась рабочей, и не вызвала каких-либо проблем.

Дополнение: Еще один способ получить амплитудную модуляцию вы найдете в заметке Диодный кольцевой смеситель: теория и практика.

Метки: Беспроводная связь, Любительское радио, Электроника.

RF-модулятор из кассетного видеомагнитофона

Нашлась тут в коробке с закромами непонятная деталька с гнездом и штекером для телевизионного кабеля или антенны. Возникает внезапный вопрос: что за хрень? Разбираемся…

Вид спереди

Вид сзади

Сия вещь была вытащена из видеомагнитофона Funai VIP5000 перед отправкой его на помойку (он был рабочий, но уже HD 1080p видео на дворе, а тут унылое VHS).

Выяснилось, что это RF (Radio Frequency) модулятор, который переделывает сигналы V (Video) и A (Audio), выдаваемые видеомагнитофоном (и нормальным образом подаваемые через «тюльпан» на видеовход телевизора), в сигналы формата AM-видео и FM-аудио, после чего подмешивает их в ТВ-антенный кабель. В результате чего в телевизоре, антенный кабель которого пропущен через видеомагнитофон, появляется ещё один канал (на некоторой частоте UHF-диапазона), который транслирует видеомагнитофон.

Вот как это выглядит на задней панели видеомагнитофона (антенный вход и выход справа):

Типичный зад типичного видеомагнитофона (Sony)

Нужно это на тот случай, если у Вашего телевизора нет видеовхода. Либо для трансляции сигнала на множество телевизоров в разных комнатах.

Мало кто знал… что так можно было! В конце 80-х и начале 90-х многие люди даже не думали покупать видеомагнитофон, по причине того, что у советских телевизоров не было видеовхода, а вот что можно смотреть через ТВ-кабель — не знали.

Более конкретно работает это так: втыкаете ТВ-антенный кабель в TV-IN видика, другой провод из TV-OUT в телевизор. Включаете видеомагнитофон (если он выключен, телек вообще ничего показывать не будет, потому что между TV-IN и TV-OUT видеомагнитофона стоит активный антенный усилитель), вставляете кассету с фильмом [«Греческая смоковница»] и начинаете на телевизоре в режиме поиска каналов искать канал (где-то в районе UHF-диапазона), который транслирует этот фильм. Если так получилось, что фильм с видика смешивается с каналом с эфира, нужно покрутить колёсико «RF-channel» на видеомагнитофоне (возле разъёмов TV-IN и TV-OUT), это изменит частоту трансляции. Далее, найдя канал с видика, запоминаем его [на кнопку «0», например], и теперь на этом канале будет «Video» с видеомагнитофона. Только видик теперь нельзя выключать насовсем, иначе прервётся сигнал ТВ-антенны.

А теперь начинаем копать как этот RF-модулятор устроен и как его можно использовать отдельно.

Вот, что внутри (сняли крышечки-экраны с обеих сторон):

Нутро 1

Устройство разделено на две независимые (по питанию) половинки. Справа — антенный усилитель на +8 дб на транзисторе 2sc2570 (зелёная стрелка), это усиление компенсирует потери на ферритовом сердечнике, через который подмешивается сигнал с левой стороны на TV-OUT. Это часть питается +12 вольт (земля на корпусе).

В левой части с обратной стороны находится чип 2259 JRC, который питается +5V, преобразует сигналы V-IN и A-IN в «эфирный» формат и отправляет его на подмес на правую сторону. Белая стрелка — изменение частоты подмешиваемого канала, сиреневая стрелка — переключение ТВ-системы: PAL B/G или PAL D/K.

С обратной стороны:

Нутро 2

Здесь левая часть — антенный активный усилитель с питанием 12 вольт, правая часть — преобразователь (RF-modulator на чипе 2259 JRC). N/A — это «не используется».

Как всё это счастье можно корыстно использовать в неприличных целях?

Вот здесь [http://forum.cxem.net/index.php?s=b38e36a80e29a11b26316517a5a35996&showtopic=122997&st=60] человек подаёт на вход этого девайса видеосигнал от дверного видеоглазка и смотрит картинку на телевизоре на одном из каналов (не нужно покупать отдельный монитор в коридор).

Вот здесь [http://forum.cxem.net/index.php?s=b38e36a80e29a11b26316517a5a35996&showtopic=122997&st=20] народ делает беспроводную трансляцию с видика на удалённые телевизоры через ДМВ-антенны.

А вот как можно запросто использовать отдельно активный антенный усилитель:

Схема 1

Подаём только 12 вольт на первый слева контакт (землю — на корпус). Также нужно замкнуть контакты, обозначенные оранжевой и циановой стрелками (чтобы отключить ферритовый сумматор [обведён зелёным овалом], чтобы он не затухлял сигнал). Усё, сигнал дико (на 8 дб) усилен…

Чисто для пущего познания:

• Розовая стрелка указывает на точку подмеса сигнала справа, с 2259 JRC.
• Зелёный овал обводит ферритовый сумматор-трансформатор (на нём существенные потери уровня сигнала, наверное около 8 дб, для чего и добавлен усилитель).
• Сразу от циановой стрелки вверх — TV-OUT.
• Красным овалом обведён транзистор 2sc2570 (n-p-n, высокочастотный до 5 ГГц, малошумящий 1.5-3.0 дб, усиление 8 дб), база у него в самом низу (на эту базу через конденсатор снизу подаётся TV-IN), в центре эмиттер, вверху коллектор (на который подаётся 12 вольт через резистор, так чтобы на переходе коллектор-эмиттер было 10 вольт, как нужно по даташиту на этот транзистор), далее с коллектора вверх уходит сигнал через сумматор на TV-OUT.

Вот некая схема антенного усилителя на 2sc2570 (но обычно на этом транзисторе не делают, т. к. есть транзисторы  значительно лучше для таких усилителей, например, T67, V3, 415, BFG67, BFR91A):

Схема 2

——————— уф, усё ———————

Как спроектировать печатную плату (с примером печатной платы схемы голосового модулятора)

В этом проекте мы собираемся создать схему голосового модулятора , используя печатную плату собственной разработки. В этом проекте мы разработали печатную плату с помощью онлайн-симулятора печатных плат EASYEDA и конструктора. Это забавный проект, в основном предназначенный для изменения голоса. Обычно, когда мы говорим в микрофон, мы слышим один и тот же голос. Но в этом проекте, когда мы говорим на MIC, мы слышим немного другой голос, похожий на говорящего робота.Его можно использовать для розыгрышей или веселья с друзьями или использовать в качестве голоса вашего робота .

Необходимые компоненты:

1. IC LM386-1
2. IC LM358 -1
3. Сборная печатная плата -1
4. Аудиоразъем мужской / женский -1
5. 50к ПОТ -2
6. 2k POT (опционально -1
7. Резистор 1к -1
8. 100 тыс. -3
9. 10 тыс. -2
10. 22k -1
11. 47К -1
12. 15k (опционально) -1
13. 68K (опционально) -1
14. 10R -2
15. Конденсатор 100нФ -7
16. 10 мкФ -3
17. 100 мкФ -2
18. 220 мкФ -1
19. 4.7нФ (опционально) -1
20. Питание / аккумулятор -1
21. светодиод -1
22. Bergsticks
23. Джемпер -3
24. МИК -1
25. Динамик или наушники -1
26. База микросхемы 8 контактов -1

Принципиальная схема и описание

:

Эта схема голосового модулятора сделана с использованием операционного усилителя LM358 и усилителя звука LM386 IC . Пользователь может использовать от 3 до 9 вольт для управления этой схемой.

В этой схеме мы изменили голос с помощью схемы полосового фильтра, которая сделана с использованием микросхемы операционного усилителя, а потенциометр R10 используется для изменения усиления схемы предусилителя MIC.IC LM386 используется для усиления сигнала голосового модулятора. На выходе у нас есть два варианта прослушивания модулированного голоса: динамик и разъем 3,5 мм для наушников. Pot R5 используется для регулировки громкости. Перемычка J2 используется для усиления аудиоусилителя. Посмотрите демонстрационное видео в конце этой статьи.

Проектирование схем и печатных плат с использованием EasyEDA:

Для разработки схемы Схема голосового модулятора мы снова использовали бесплатный онлайн-инструмент EDA под названием EasyEDA, который мы использовали для разработки многих из наших предыдущих схем.Это универсальное решение для ваших проектов в области электроники, которое предлагает бесплатные чертежи схем, моделирование, проектирование печатных плат, а также предлагает высококачественные, но недорогие услуги по индивидуальному заказу печатных плат. В его редакторе есть большое количество библиотек компонентов, поэтому вы можете легко и быстро найти нужные части. Здесь можно найти полное руководство по использованию Easy EDA для создания схем, макетов печатных плат, моделирования схем и т. Д.

Недавно они выпустили новую версию 4.1.1 с новыми улучшениями, дополнительными компонентами и новыми функциями.Вскоре они собираются запустить его настольную версию, которую можно будет загрузить и установить на свой компьютер для автономного использования.

Вы можете получить доступ ко всей схеме и макету печатной платы для этой схемы голосового модулятора, перейдя по ссылке ниже:

https://easyeda.com/circuitdigest/Voice_Modulator_Circuit-e59a40c5a2df413b83fc4d5c886f5140

Ниже мы подробно обсуждаем проектирование схемы и печатной платы с использованием EasyEDA. Выполните следующие шаги, чтобы изучить проектирование печатной платы.

Этапы разработки схемы и печатной платы с использованием EasyEDA:

Шаг 1: На первом этапе пользователю необходимо открыть веб-сайт EasyEDA, а затем зарегистрироваться, если вы используете его в первый раз, в противном случае войдите со своими учетными данными.

Шаг 2: Теперь создайте новый проект и откройте схему, щелкнув по New Schematic (синий кружок), или пользователь может напрямую создать компоновку печатной платы, щелкнув по new PCB (красный кружок), как показано на рисунке ниже.

Шаг 3: Теперь пользователь увидит окно схемы, в котором пользователь может выбрать необходимые компоненты из библиотеки EasyEDA на левой боковой панели веб-сайта.Пользователь может видеть символы резистора, конденсатора, катушки индуктивности, мощности и т. Д. И может разместить любой элемент на схеме, щелкнув по нему, а затем переместив курсор в то место, куда вы хотите поместить этот компонент, и, наконец, щелкните еще раз, чтобы разместить его.

Теперь, если пользователь хочет получить больше компонентов, он / она может использовать опцию поиска дополнительных библиотек в левой нижней части экрана.

Затем появится другое окно для выбора компонентов с категорией и возможностью поиска.Так пользователь может получить желаемый компонент:

Шаг 4 : Теперь, после получения всех компонентов, следующая часть — соединить компоненты друг с другом, и для этого в EasyEDA есть окно Wiring Tool . В этом инструменте, выбрав провод, мы можем соединить компоненты, щелкнув начальную точку, а затем щелкнув конечную точку.

Как вы можете видеть, мы начали рисовать схему голосового модулятора , как показано на рисунке ниже:

И вот мы закончили рисование, и пришло время написать текст поверх схемы, выбрав опцию T в инструменте рисования .Здесь мы показали это в красном кружке на данной картинке.

Шаг 5: Теперь пользователю необходимо подключить Vcc и заземление к цепи. Для этого пользователь может выбрать питание и заземление в библиотеках EasyEDA в левой части экрана.

Шаг 6: Теперь, наконец, пользователь может сохранить схему, выбрав синий значок папки, как показано ниже, и нажмите «Сохранить», а затем сохраните его, присвоив схеме правильное имя.

Шаг 7: Теперь схема готова для преобразования макета печатной платы . Для компоновки печатной платы пользователю необходимо навести курсор на вкладку изготовления , как показано на рисунке ниже. Здесь вы увидите convert Project to PCB , и, щелкнув по нему, пользователь перейдет в окно компоновки печатной платы.

Шаг 8: Теперь пользователю нужно разместить все компоненты в желаемом месте, а также сохранить макет, как мы сохранили схему.

Шаг 9: Теперь пользователь может маршрутизировать схему вручную с помощью инструментов для печатных плат или в EasyEDA (красный кружок) есть функция Auto routing , которая автоматически маршрутизирует все соединения за вас.

Здесь, на приведенном ниже рисунке, пользователь может установить ширину дорожки, зазор (зазор дорожки), слой и другие параметры перед автоматической трассировкой, а затем нажать «Выполнить».

Теперь пользователь увидит, что запускается автоматическая маршрутизация, и через несколько секунд она завершится.

Шаг 10: И тогда пользователь увидит данный результат.Теперь пользователь может наложить медную заливку на верхнюю и нижнюю стороны, выбрав инструменты для заливки меди на печатной плате.

Top Copper Pour, выбрав верхний слой (см. Черный кружок на рисунке ниже)

Теперь для нижнего слоя

Наконец-то у нас есть PCB layout Ready .

Расчет и заказ образцов печатных плат онлайн:

После завершения проектирования печатной платы вы можете щелкнуть значок Fabrication output выше, вы перейдете на страницу заказа печатной платы, где вы сможете загрузить или просмотреть файлы gerber вашей печатной платы и отправить их любому производителю, это также много проще (и дешевле) заказать его прямо в EasyEDA.Здесь вы можете выбрать количество плат, которые вы хотите заказать, сколько слоев меди вам нужно, толщину печатной платы, вес меди и даже цвет печатной платы. После того, как вы выбрали все параметры, нажмите «Сохранить в корзину» и завершите свой заказ. Через несколько дней вы получите свои печатные платы.

Вы можете заказать эту печатную плату напрямую или загрузить файл Gerber по этой ссылке.

После нескольких дней заказа печатных плат я получил образцы печатных плат

Пайка: после получения этих частей я установил все необходимые компоненты на печатную плату, и, наконец, у нас есть схема Voice Modulator Circuit Ready.

Посмотрите демонстрационное видео ниже.

Амплитудные модуляторы

Амплитудные модуляторы

Elliott Sound Products

Амплитудные модуляторы

Авторские права © 2016 — Род Эллиотт (ESP)
Страница опубликована в августе 2016 г., обновлена ​​в феврале 2017 г.

верхний

---

Указатель статей
Главный указатель

---

Содержание

---

Введение

«AM» обозначает амплитудную модуляцию, первую систему, используемую для радиопередач.В то время как диапазон AM может считаться устаревшим для большинства людей, все еще существует интерес к приему AM, и, в частности, к возможности имитировать форму волны, которая подходит для тестирования схем демодулятора. Среди статей на сайте ESP есть информация в представленной статье об AM-детекторе с «бесконечным импедансом», который имеет гораздо меньшие искажения, чем простой диодный демодулятор, который обычно используется в большинстве приемников. См. Подробности в AM Radio.

Трудность заключается в том, что в большинстве симуляторов отсутствует возможность амплитудной модуляции в доступных источниках сигнала, поэтому возникает необходимость синтезировать подходящую форму волны.Те пакеты симуляторов, которые действительно включают возможность AM, обычно требуют, чтобы детали вводились в виде формулы, которую они могут включать или не включать в файлы справки. В сети есть несколько версий амплитудных модуляторов, но большинство из них совершенно не подходят для проведения тестов на искажения, потому что несущая AM имеет значительный компонент искажений.

В этой статье показано, как легко построить очень простую схему модулятора, имеющую искажения, близкие к нулю. Это упрощает сравнение различных методов обнаружения, потому что у вас есть хорошая отправная точка.Поначалу амплитудная модуляция кажется довольно простой, но экспериментатор быстро понимает, что изменение амплитуды сигнала без значительных искажений на самом деле очень сложно. Усилители, управляемые напряжением (VCA), являются очень специализированной областью, и получение хорошей линейности — непростая задача. Это ограничение распространяется и на реальный мир, поэтому вы должны быть готовы к некоторой боли, если хотите построить схему AM-передатчика.

В передатчиках

AM на протяжении многих лет использовались различные методы, но первые из них были довольно простыми и довольно умными.Это особенно верно, когда понимаешь, что коммерческие AM-передачи начались в 1920 году, а до этого было всего несколько тестовых передач, и идея «вещания» на широкую аудиторию не рассматривалась. Ранние разработки были ужасно неэффективными и требовали аудиоусилителя, который мог бы обеспечивать половину мощности самого передатчика (часто многие киловатты, поскольку радиовещание стало популярным). Это было серьезной проблемой в то время, когда клапаны были единственным вариантом и были очень примитивными по сравнению с тем, что мы считаем само собой разумеющимся сегодня.

Однако в этой статье не рассматриваются передатчики AM как таковые. Если вы хотите узнать о них больше, вам нужно будет провести собственное исследование. Цель здесь — описать методы, которые можно использовать для генерации сигнала в симуляторе, чтобы читатель мог лучше изучить различные детекторы, которые используются для демодуляции AM.

Во-первых, I – показывают упрощенный передатчик, а также обобщенную схему, которая, кажется, является основой большинства попыток моделирования.Для модулятора требуются два сигнала — сигнал несущей — обычно 455 кГц, чтобы соответствовать общей промежуточной частоте (ПЧ) большинства супергетеродинных приемников AM, и источник сигнала. Последний обычно будет синусоидой 1 кГц, но это может быть любая частота (или форма волны), которая вам нравится, но, конечно же, она всегда будет в пределах нормальной полосы пропускания AM. Обычно это всего около 5 кГц, но может быть и до 10 кГц, если вы думаете, что частоты выше 5 кГц могут просто пройти через стадию ПЧ любого коммерческого приемника.

На самом деле, большинству сложно выйти далеко за пределы 3 кГц, но это в основном проблема приемника, а не технологии передатчика. Однако существуют ограничения, установленные различными регулирующими органами во всем мире на то, какую полосу пропускания может занимать AM-передатчик, что ограничивает максимальную частоту, которая может использоваться для модуляции. Частотный интервал между различными широковещательными передачами обычно составляет 9 кГц, хотя в некоторых регионах обычно 10 кГц. Поскольку есть две боковые полосы (по одной с каждой стороны несущей), и они напрямую связаны с частотой модуляции, практический предел составляет около 4.От 5 до 5 кГц. (Проблема боковых полос обсуждается ниже.)

Хотя я буду просто называть модулированный сигнал «AM», его полное название — DSBFC — Double Sideband Full Carrier. Это стандартная схема модуляции, используемая для вещания AM. Если вы ищете информацию о SSB (одинарная боковая полоса) или DSBSC (двойная боковая полоса подавленной несущей) или других системах модуляции, эта статья вам не сильно поможет, но в результате вы можете получить несколько идей. Кстати, это намек.

---

2 — Принципы AM

Прежде чем мы попытаемся разработать схему, подходящую для тестирования на симуляторе, полезно понять основные принципы, которые используются.Первое требование — это несущая — частота, на которой радиостанция транслирует свой программный материал. Каждая радиостанция имеет частоту, выделенную соответствующим органом, и ее необходимо очень точно контролировать. Правительства обычно взимают лицензионный сбор за каждую частоту, и они жестко контролируются. Несанкционированное использование любой частоты обычно считается серьезным преступлением, поэтому я не рекомендую никому создавать собственную радиостанцию ​​для развлечения. Большинство радиостанций продают рекламу, чтобы оплатить свои расходы (и, надеюсь, получить прибыль), но в некоторых случаях правительство само предоставляет услуги вещания (которые могут включать или не включать пропаганду, в зависимости от правительства).

Некоторые читатели постарше помнят «пиратские» (незаконные в глазах правительства Великобритании) радиостанции, которые работали с небольших кораблей у побережья Великобритания в 1960-е годы. Это должно было бросить вызов монополии британского правительства на всех радиопередач в то время. Коммерческие лицензии с тех пор стали доступны, но в то время их не существовало. Некоторые (обычно «портативные») пиратские станции все еще работают в Великобритании, но редко встречаются в большинстве других регионов.

Настоящий передатчик — это довольно сложный комплект.Учитывая, что типичные радиостанции AM работают на мощности 10-50 кВт, они на самом деле довольно устрашающие звери, даже если не учитывать «шоковых спортсменов», которые взрывают радиоволны своим купоросом. Современные системы используют передовые методы для максимального повышения эффективности на всех уровнях, но более традиционные модуляторы просто используют очень большой усилитель мощности ВЧ и модулируют подачу постоянного тока на выходной каскад ВЧ. Передатчику мощностью 10 кВт необходим усилитель звука мощностью 5 кВт, что является серьезной проблемой на заре развития электроники.Упрощенная версия показана ниже, и это дает представление о процессе.

Звуковой трансформатор, используемый в моделировании, имеет соотношение 1: 1, а ВЧ трансформатор имеет соотношение 1 + 1: 1, то есть все три обмотки одинаковы. В действительности, низкое напряжение передатчика обычно повышается до более высокого напряжения, чтобы обеспечить большую мощность антенны. Здесь это сделано не для простоты. Вторичная обмотка T2 образует резонансный контур с C2 и настроена на частоту передатчика (1 МГц).Нагрузка антенны составляет 50 Ом, а настроенная схема рассчитана на добротность 10. Настоящий передатчик будет использовать более сложные фильтры, а также будет включать настройку антенны.

Рисунок 1 — Упрощенный AM-передатчик с модуляцией высокого уровня

Возбудитель (представленный V2 и инвертором) генерирует несущую частоту RF, а в реальном передатчике возбудитель будет синхронизирован с кристаллом и тщательно контролироваться, чтобы гарантировать, что он остается на заданной частоте. В ранних системах это, как правило, было разумным копированием синусоиды, но теперь во многих системах используется переключение (включая Класс-C, Класс-D и Класс-E), а также несколько ВЧ-усилителей, которые включаются и выключаются из цепи на основе мгновенный спрос.Однако перед тем, как он достигнет антенны, модулированный сигнал будет подвергаться обширной фильтрации, чтобы гарантировать, что форма сигнала несущей будет чистой, без значительных гармоник, кроме боковых полос.

Модулированная несущая также показана выше для 3 циклов звука с частотой 1 кГц. Несущая работает на такой высокой частоте, что выглядит как сплошной цветной блок, но это постоянно меняющийся сигнал на частоте 1 МГц. Следующий рисунок должен помочь …

Рисунок 2 — Расширенный вид амплитудной модуляции

В приведенном выше примере вы можете увидеть, как выглядит форма волны, если несущая частота уменьшена до 10 кГц, чтобы можно было четко увидеть модуляцию.Это не видно ни на одном из других чертежей, потому что все моделирование было выполнено с использованием несущей 1 МГц. Огибающая модуляции 1 кГц четко видна (показана красным), но, конечно, она не будет гладкой, потому что несущая частота слишком мала, чтобы быть полезной. Обратите внимание, что фаза несущей остается постоянной, и это важный фактор для AM. Другие схемы модуляции могут выглядеть внешне похожими, но фаза несущей меняется на противоположную, когда модуляция проходит через ноль.

Система модуляции, показанная на рисунке 1, является «высокоуровневой», что означает, что требуется значительная мощность звука, и получается, что вам необходимо обеспечить 50% мощности несущей в качестве звукового сигнала для достижения 100% модуляции. Однако на самом деле 100% отрицательная модуляция никогда не используется , потому что при превышении (даже на мгновение) она создает помехи (так называемые «брызги» — частоты, кратные несущей для двухтактного передатчика). Отрицательная перемодуляция также искажает форму аудиосигнала, поэтому всегда будет «коэффициент безопасности» около 10%, чтобы предотвратить уменьшение несущей до нуля.Однако положительная модуляция может достигать 150% (иногда больше), и переключение фазы звука часто используется для обеспечения фазировки самых высоких пиков обычно асимметричных аудиосигналов для обеспечения положительной модуляции. В моей модели мощность звука составляет 4,6 Вт, потому что несущая не полностью модулирована. Как показано, модуляция составляет 71,4%.

Чтобы определить индекс модуляции ( м , иногда обозначаемый как µ), вы измеряете минимальную и максимальную амплитуду модулированного сигнала.Поскольку форма сигнала, показанная на Рисунке 1, изменяется от максимального 120 В размах до минимума 20 В размах, индекс модуляции ( м ) составляет …

м = (Vmax — Vmin) / (Vmax + Vmin)
м = (120-20) / (120 + 20) = 0,714 = 71,4%

V1 — это синусоидальный генератор с частотой 1 кГц, с пиковым напряжением 20 В (14,4 В RMS), с вторичной обмоткой трансформатора 1: 1, включенной последовательно с источником постоянного тока. Генератор синусоидальных сигналов заменен усилителем звука для модулированных передатчиков высокого уровня.Напряжение на центральном ответвлении ВЧ-трансформатора в этом случае варьируется от 10 В до 50 В, что представляет собой источник питания 30 В с модуляцией ± 20 В. Мощность антенны 17Вт. Сможете ли вы построить это и будет ли это работать? Да, но многого не хватает, и я бы никогда не рекомендовал это.

Использование высокоуровневой модуляции было единственным жизнеспособным вариантом на заре развития радио (также известного как « беспроводной »), потому что было непросто сделать большой усилитель для начала, но сделав его практически без искажений (или « линейным ») в то время это было невозможно.Недостаток описан выше — передатчику мощностью 10 кВт необходим аудиоусилитель мощностью 5 кВт. Альтернативой является модуляция несущей на низком уровне, а затем увеличение мощности с помощью линейного усилителя, имеющего очень низкие искажения.

Вы можете задаться вопросом, почему радиочастотные искажения важны для радиопередатчика, но если вы вспомните из звука, искажение означает, что вы генерируете гармоники — частоты, которых раньше не было. Если у вас есть передатчик на 1 МГц, который имеет искажения, тогда будут гармоники на 2 МГц, 3 МГц, 4 МГц и так далее (плюс боковые полосы, генерируемые с помощью амплитудной модуляции), и они вызывают проблемы для других радиостанций и мешают приему.Это особенно важно, когда вы передаете на высокой мощности, потому что продукты искажения будут на уровнях, равных (или, возможно, превышающих) многие разрешенные передатчики малой мощности, которые работают на затронутых частотах.

Чтобы представить уровни мощности передатчика в перспективе, примите во внимание, что для выходной мощности передатчика 10 кВт (только несущая) напряжение, подаваемое на антенну (50 Ом), составляет 707 В RMS при токе 14 А. Это на используемой радиочастоте, которая находится в диапазоне от 526,5 до 1606.5 кГц в Австралии и аналогичный для средневолнового AM-вещания в других странах. Если это звучит немного пугающе, рассчитайте напряжение и ток для 50 кВт (что не редкость для вещателей AM). Конечно, есть и передатчики меньшего размера, но идею вы поняли.

Многие современные передатчики используют модуляцию низкого уровня, и здесь это подробно не рассматривается. Есть некоторые важные отличия (особенно с перемодуляцией — но это все равно нет-нет), а низкоуровневая модуляция обычно включает использование умножителя, где аудиосигналы и сигналы несущей подаются на ИС линейного умножителя, обеспечивая амплитуду модулированный выход.Аналоговые VCA (усилители, управляемые напряжением) являются примером простых умножителей. Линейность важна как для радиосигналов, так и для аудиосигналов.

В оставшейся части этой статьи мы сосредоточимся на схемах, которые подходят для моделирования, чтобы можно было оценить детекторы. Для этого нам нужен очень низкий уровень искажений, чтобы можно было измерить характеристики демодулятора с некоторой степенью уверенности в том, что измеренное искажение исходит исключительно от детектора, а не от источника модуляции.

---

2 — AM — Метод 1

Первый показанный метод основан на методе, который используется во многих моделированиях, которые вы увидите в сети, и использует транзистор для модуляции несущей звуковой волны. Существуют простые и сложные версии, но в большинстве из них отсутствует одна важная область — нет настроенной схемы для создания разумно неискаженной несущей волны. Это делает любую дальнейшую обработку намного менее точной, потому что в результате никогда не будет «правильной» двухполосной формы сигнала AM.Самая большая проблема — это искажение формы сигнала, обычно как несущей , так и модулирующего сигнала. На чертеже напряжения, показанные для двух генераторов, равны пиковому значению , поэтому несущая 1 МГц составляет 7,07 мВ RMS, а модулирующее напряжение 1 кГц составляет 3,54 В RMS.

Несмотря на внешний вид, эта схема не будет работать как модулятор, подходящий для передачи звука на AM-приемник. Он предназначен для использования в симуляторе. Основная идея может быть адаптирована как «настоящий» маломощный передатчик, но, учитывая его высокие искажения и в целом низкую производительность, не стоит тратить время на это.

Рисунок 3 — Простой транзисторный модулятор

В сети существует бесчисленное количество версий этой схемы, но только одна упоминается ниже. Некоторые из них (немного) более продвинутые, некоторые неполные и все демонстрируют высокие искажения. Это, конечно, просто, но результатов недостаточно для проверки линейности детектора с помощью симулятора. Напряжения показаны, чтобы вы могли проверить свое моделирование, и вам может потребоваться изменить R1, чтобы получить оптимальное напряжение коллектора. Обратите внимание, что верхняя частота модуляции составляет 338 Гц (-3 дБ), установленная R4 и C2.

Существуют также демонстрационные схемы, в которых используется диод, но этот метод только дает приемлемую форму сигнала AM, если включена настроенная схема — диодный модулятор без него бесполезен. Добавить простую настроенную схему достаточно легко, и показанная выше подходит для выходного сопротивления 1 кОм, чтобы получить приемлемый фильтр Q. Диодные модуляторы также страдают от сильных искажений аудиосигнала, а также от искажений несущей. Их недостаточно для моделирования и тестирования демодуляторов.

Схема транзистора работает, потому что коэффициент усиления Q1 изменяется при изменении тока его эмиттера, вызванного звуковой волной, появляющейся на эмиттере. Амплитуда сигнала несущей модулируется нелинейностью транзистора. Однако схема — смоделированная или построенная из реальных частей — имеет плохие характеристики искажения, поэтому искажаются и звуковые, и радиочастотные сигналы. Если выполнить БПФ (быстрое преобразование Фурье) сигнала, будет бесчисленное количество гармоник, и это не совсем жизнеспособный вариант, если вам нужна хорошая чистая форма сигнала AM.Очевидно, бессмысленно пытаться определить искажение от детектора, если форма звуковой волны уже искажена. Настроенная схема не является обязательной и описана ниже.

Рисунок 4 — Формы сигналов транзисторного модулятора (без настройки схемы)

В приведенном выше примере a) показана форма волны на коллекторе Q1. Несущая РЧ 1 МГц находится на низком уровне и проявляется только в виде «нечеткого сигнала» в звуковом сигнале, причем его амплитуда меняется в течение звукового цикла. C3 и R5 используются для фильтрации низкочастотной (звуковой) составляющей, поэтому на выход проходит только RF.Выход AM показан в b), и вы можете видеть, что он искажен — обратите внимание, что это без настроенной схемы. Искажения небольшие, но модулированная форма волны не так чиста, как должна быть. В частности, обратите внимание, что положительный и отрицательный пики немного смещены. На самом деле это не имеет значения, потому что обычно обнаруживается только одна боковая полоса, но она все равно демонстрирует несовершенную модуляцию.

Недостающим звеном является настроенная схема (полосовой фильтр), и когда это добавлено, форма сигнала RF улучшается (значительно улучшается симметрия огибающей RF), но все еще далеко от идеала.Хотя настроенная схема делает РЧ-сигнал намного чище, это не помогает аудиокомпоненту, поэтому искажение после обнаружения не будет таким низким, как вам нужно, чтобы иметь возможность точно измерить результаты детектора, с которым вы работаете. .

Чтобы включить настроенную (резонансную или «резервуарную») схему, вы добавляете конденсатор и катушку индуктивности со значениями, выбранными в соответствии с несущей частотой. В показанном примере у нас есть несущая 1 МГц, а выходное сопротивление схемы составляет 1 кОм (определяется R5, хотя на самом деле это 909 Ом для RF).Схема будет иметь приемлемую добротность (добротность), если реактивное сопротивление C4 и L1 составляет около 100 Ом (номинальная добротность 10 при импедансе источника 1 кОм). Индуктивность и емкость рассчитываются по …

L = XL / (2π × f _o )
C = 1 / (2π × f _o × XC)
f _o = 1 / (2π × √ L × C)

Где L — индуктивность, C — емкость, XL — индуктивное сопротивление, XC — емкостное сопротивление, fo — резонансная частота.

Значения 1.59 нФ и 15,9 мкГн достаточно близки к 1 МГц (на самом деле 1.00097 МГц, но небольшая ошибка не имеет значения). Спектр формы сигнала с настроенной схемой показан ниже. Для идеальной формы сигнала AM должны быть боковые полосы на частотах 999 кГц и 1,001 МГц (точно на 1 кГц от несущей), а наличие дополнительных боковых полос показывает, что форма звуковой волны искажена.

Рисунок 5 — Спектр модулятора на Рисунке 3 с настроенной схемой

Как видите, имеется много боковых полос, все с частотой, кратной 1 кГц.Это показывает нам, что сигнал частотой 1 кГц имеет вторую, третью, четвертую, пятую (и т. Д.) Гармоники, создаваемые искажением формы сигнала AF. Если вы хотите оценить детектор, это явно недопустимо. Верхняя и нижняя боковые полосы (USB и LSB) должны стоять отдельно от несущей. Все остальное — это искажение звукового сигнала. Как видите, компоненты искажения значительны до 4-й гармоники (4 кГц). Кроме того, они более чем на 60 дБ ниже несущей, поэтому они не являются проблемой — для сигнала 1 кГц.На более высоких частотах модуляции гармоники представляют большую проблему, поскольку допустимая ширина полосы AM-канала может быть легко превышена.

Один из способов моделирования довольно хорошего амплитудного модулятора — это включение подсхемы полного VCA с низким уровнем искажений (усилителя, управляемого напряжением), но это серьезная задача. Если модели для одного еще нет, вам нужно найти схему для коммерческого чипа VCA или спроектировать его самостоятельно и построить полную модель в вашем пакете симулятора.Если вы используете бесплатную версию, вы можете обнаружить, что в окончательной схеме слишком много частей, и вы не сможете провести анализ.

Существуют и другие методы, используемые для моделирования, некоторые из которых работают достаточно хорошо, а другие в значительной степени бессмысленны, и очевидно, что это не так просто, как кажется на первый взгляд. Существуют варианты схемы передатчика, показанной на рисунке 1, и хотя она работает хорошо, она все еще не идеальна. Если настроенная схема (также называемая «баковой» схемой на языке RF) опущена, результаты будут плохими, и неизбежно будет некоторая степень искажения звука, если вы не построите сложную и точную модель «реальной» схемы передатчика.

В этом отношении схема, показанная на Рисунке 1, несколько лучше (на самом деле лот лучше), чем вы можете себе представить, но это добавляет сложности моделированию.

---

3 — Модуляторы Perfect

Все модуляторы несовершенны, одни больше, чем другие. Используя симулятор, вам может потребоваться максимально приблизиться к совершенству, чтобы можно было моделировать детекторы для определения характеристик искажения (например). Последнее, что вам понадобится, это модулятор, который создает такие сильные искажения, что конечный результат невозможно определить.Имея это в виду, вы можете получить идеальную форму сигнала с амплитудной модуляцией. Любое измеренное искажение связано с детектором, так как вы можете быть уверены в безупречной форме РЧ сигнала.

Конечно, настоящие передатчики AM также несовершенны, но ни один коммерческий оператор не будет использовать модулятор, который не может работать лучше, чем 1% THD, причем большинство (вероятно) лучше. Получить полезную информацию не всегда легко.

---

3.1 — «Идеальный» амплитудный модулятор №1

На самом деле в приведенном выше описании боковых полос есть небольшая подсказка, которая может дать вам ключ к пониманию того, как вы можете создать идеальную модулированную форму волны несущей.Идеальный AM-спектр показывает несущую, а также верхнюю и нижнюю боковые полосы, разнесенные на звуковой частоте. Итак, если вы используете три источника напряжения и просто просуммируете их выходы, это сработает? Короткий ответ (и единственный, о котором нам нужно беспокоиться) — «да».

В моделировании добавьте источник сигнала с амплитудой (скажем) 2 В, как показано на рисунке, установленный для синусоидального выхода на частоте 1 МГц или другой выбранной частоте (например, 455 кГц, промежуточная частота большинства типичных AM-приемников). Если вам нужна модуляция 1 кГц, добавьте еще два генератора, каждый с напряжением 800 мВ, с одним настроенным на 1 кГц ниже несущей (т.е.е. 999 кГц), а другой — на 1 кГц на выше несущей (т.е. 1,001 МГц). Суммируйте 3 генератора, используя резисторы 1 кОм, как показано. Добавьте резистор (R4), чтобы вы могли изменять общий уровень без изменения значений трех генераторов. Это создает сигнал AM с модуляцией 80%, который является — или должен быть — идеальным во всех отношениях (зависит от симулятора). Если вам нужна только модуляция 50%, установите генераторы боковой полосы на выход 500 мВ. Может быть произведена модуляция любой глубины, и любая звуковая частота может быть синтезирована путем изменения частотных интервалов двух генераторов боковой полосы.

Рисунок 6 — «Идеальный» амплитудный модулятор и форма выходного сигнала №1

Да, это действительно так просто. Все напряжения, указанные для генераторов, являются пиковыми, поэтому разделите их на 1,414, чтобы получить среднеквадратичное значение. Все три генератора настроены на фазу 0 ° — сдвиг фазы ни на одном из трех генераторов не требуется. Вы можете получить звуковую синусоиду (после обнаружения), которая почти полностью свободна от искажений … для детектора (идеальный )). Теперь вы можете протестировать любой детектор, который вам нравится, и можете быть уверены, что нет искажений от вашего РЧ-источника, поэтому любое измеренное искажение связано с детектором, с которым вы экспериментируете.Это исключает возможность предположений при моделировании и является очень простым способом создания AM. Как показано выше, уровень RF составляет 285 мВ RMS с R4, установленным на 390 Ом.

Этот механизм должен работать с любой версией Spice, независимо от типа или цены. Это не требует никаких «специальных» методов, только три генератора и резисторы смешения. Хотя некоторые версии Spice позволяют создавать различные типы модуляции, для этого обычно требуется, чтобы вы предоставили «генератор» подходящей формулы, и нет гарантии, что используемая версия позволит вам вставить формулу.

В этот модулятор не включено БПФ просто потому, что это довольно скучно. Все, что присутствует (за исключением нескольких артефактов моделирования на уровне около 98 дБ ниже несущей), это несущая, нижняя и верхняя боковые полосы на точных уровнях, которые использовались для трех генераторов. Степень «совершенства» формы волны полностью зависит от используемого вами симулятора, и хотя компоненты практически нулевые, это не обязательно означает, что симулятор, который вы используете, обеспечит идеальный звуковой результат.Это зависит от разрешения симулятора и его настройки.

Когда вы настраиваете моделирование для обработки RF + AF, если возможно, вам нужно установить максимальный «временной шаг» на очень маленькое значение. Для несущей 1 МГц вам понадобится минимум от 50 до 100 образцов для каждого цикла, чтобы получить хороший результат. Я предлагаю максимальный временной шаг от 10 до 20 нс. Это делает моделирование довольно медленным, и в во многих случаях вы можете предпочесть использовать более низкую частоту модуляции, чтобы моделирование не заняло слишком много времени.Это ограничение не относится к «идеальным» модулятор — он применяется для всех симуляций , которые включают RF и аудио.

Обратите внимание, что этот процесс почти идентичен использованию идеального умножителя (который используется для низкоуровневой модуляции), а отрицательная перемодуляция не вызывает исчезновения несущей. Вместо этого он меняет фазу и производит небольшой «удар», где в противном случае несущая была бы уменьшена до нуля. Однако он по-прежнему искажает форму аудиосигнала, поэтому необходимо отрегулировать относительные уровни несущей и боковых полос, чтобы индекс модуляции никогда не превышал единицу (100% модуляция).

---

3.2 — «Совершенный» амплитудный модулятор №2

Второй способ создать идеальный модулятор — использовать «Произвольный источник» симулятора. Это то, что называется в SIMetrix, но в других симуляторах есть нечто подобное, что вы можете использовать. Когда он определен, вам нужно только указать, что вывод получен из «Input1», умноженного на «Input 2». Я не знаю конкретного имени или синтаксиса для других симуляторов, но для SIMetrix это …

V (In1) × V (In2) Примечание: пробелы добавлены для ясности — формула может не работать в некоторых симуляторах, если пробелы включены.

Это создает два входа с именами «in1» и «in2», где «V» указывает, что входы являются напряжениями. Выход — это произведение двух входов, то есть двух входных напряжений, умноженных вместе. Напряжение смещения имеет важное значение, так как оно устанавливает уровень несущей. В показанном случае при наличии только смещения 2 В и пиковой несущей 2 В (немодулированная несущая) пиковая амплитуда составляет 4 В (2 В постоянного тока, умноженные на пик несущей 2 В).

Рисунок 7 — «Идеальный» амплитудный модулятор и форма выходного сигнала №2

Несмотря на ваши ожидания (и мои, я должен признать), форма волны не такая чистая, как в ‘Ideal # 1’, но на существенно лучше, чем все, что вы получите, пытаясь использовать простые схемы, такие как показанные схемы на рисунках 1 и 3.Недостатки являются артефактами моделирования и (вероятно) вызваны выборкой. При более чем на 90 дБ ниже уровня несущей вполне безопасно игнорировать любые артефакты, которые вы можете увидеть на выходе.

С такой компоновкой намного проще экспериментировать с разными частотами или формами сигналов, потому что модулирующая форма волны является просто источником сигнала. Не нужно возиться с боковыми полосами и уровнями. Пиковый выходной уровень точно такой, как указано в формуле, то есть 3,6 × 2 = 7.2 вольта. (3,6 — это сумма сигнала смещения 2 В и максимальной амплитуды модуляции 1,6 В.) Минимальный пик (максимальная отрицательная модуляция) составляет 800 мВ.

Важно, чтобы форма модулирующего сигнала никогда не превышала напряжение смещения, поскольку это вызовет чрезмерную модуляцию. Однако это , а не , как у реального AM-передатчика, поэтому его нельзя использовать для имитации «брызг» — широкополосных сигналов, создаваемых чрезмерно управляемым AM-передатчиком. Умножитель — это так называемый «4-квадрантный» тип, и он может создавать отрицательные выходные напряжения, чего не может передатчик.Если сигнал модуляции поддерживается ниже пикового значения 1,8 В (1,27 В RMS) с указанными значениями, модуляция очень близка к идеальной (т. Е. «Идеальной»).

Есть несколько способов изменить выходной уровень. Один из них — использовать имитируемый потенциометр (горшок), или выход можно масштабировать в рамках формулы для произвольной функции. Например, если вы используете следующее …

(В (In1) × V (In2)) / 10

Выход — это просто произведение двух входов, деленное на 10.Это даст максимальный выходной уровень 720 мВ. Для большинства радиочастотных симуляций напряжение обычно будет довольно низким, и его легче масштабировать в произвольной функции, чем возиться с уровнями генератора, хотя при желании можно также использовать делитель напряжения. Как и в случае с большинством функций симулятора, входное сопротивление генератора произвольных функций бесконечно, а выходное сопротивление равно нулю.

---

4 — Практический амплитудный модулятор

Если вы хотите построить амплитудный модулятор, вы можете использовать один из методов, показанных ранее, но гораздо проще использовать специализированную ИС, которая выполняет большую часть тяжелой работы.MC1496 — это сбалансированный модулятор / демодулятор, а микросхема существует почти всегда (хорошо, это может быть небольшим преувеличением). Они доступны в пакетах DIP и SOIC (сквозные и SMD соответственно) и обычно стоят менее 2,00 австралийских долларов от большинства основных поставщиков. Подходящий модулятор показан ниже, адаптированный из таблицы данных MC1496. В идеале C3 и C4 должны быть многослойными керамическими конденсаторами для хороших ВЧ характеристик, а входящие источники питания также должны быть обойдены с помощью электролитических конденсаторов 10–100 мкФ (не показаны).

Рисунок 8 — Амплитудный модулятор MC1496

Показанная схема в значительной степени «как есть» из таблицы данных, и ее необходимо оптимизировать, чтобы гарантировать, что входные уровни находятся в пределах необходимого диапазона. В таблице данных есть несколько схем приложений, в том числе одна, использующая один источник питания 12 В, что может быть более удобным. Поскольку ИС хорошо известна и производилась в течение многих лет, вы сможете найти любое количество подходящих законченных схем, которые позволят вам создать маломощный AM-передатчик, который можно использовать для вашего собственного местного вещания.Имейте в виду, что в большинстве стран это будет незаконно, если выходная мощность не будет ограничена максимум несколькими милливаттами.

Уровни RF (несущая) и AF (модуляция звука) должны быть в пределах максимальных значений, с которыми может справиться IC, иначе выходной сигнал будет искажен. Обратите внимание, что вход модуляции имеет низкий входной импеданс или , установленный R6, и равен 51 Ом, как показано. Входной резистор обычно необходим для снижения уровня сигнала максимум до нескольких милливольт — предлагается начальное значение около 1 кОм.Это обеспечит 100 мВ на ИС при входном напряжении около 2,5 В RMS. Уровень RF должен быть около 300 мВ RMS (согласно таблице данных). Выходной уровень будет очень маленьким без дополнительного усиления — ожидайте не более 500 мкВ пика между + Out и -Out.

Уровни AF и RF должны быть установлены осторожно, используя осциллограф и (в идеале) частотный анализатор. Последний — довольно серьезный комплект, но функции БПФ цифрового осциллографа, вероятно, будет достаточно для базовых тестов.Выход контролируется с помощью AM-радио. Вам, вероятно, понадобится (очень) небольшой «усилитель мощности» для питания антенны, который должен включать в себя широко настроенную схему, если вам нужно настроить несущую частоту, или фильтр с высокой добротностью для фиксированной частоты.

Выбор подходящей несущей частоты зависит от того, насколько загружен диапазон AM в вашем районе. Вам нужно найти частоту, которая не используется, и в идеале она отделена от соседних AM-трансляций минимум на 18 кГц. Так как немногие AM-радиоприемники имеют частоту отклика выше 5 кГц, вы можете найти полезным ограничить верхнюю часть аудиовхода.Все, что превышает 9 кГц, обычно теряется.

Рисунок 8A — Дискретный амплитудный модулятор

Выше показан дискретный модулятор. Здесь используется ячейка Гилберта, которая является основой для аналоговых умножителей, включая MC1496, показанный выше. Настроенная схема рассчитана на частоту 1 МГц, а с подключенным параллельно резистором 1 кОм она имеет добротность 10. Оба L1 и C3 имеют реактивное сопротивление 100 Ом на частоте 1 МГц. Можно ожидать, что дискретный модулятор, вероятно, будет не так хорош, как специализированная ИС модулятора, но (по крайней мере, при моделировании) он работает хорошо.

---

5 — Обнаружение AM

Основная причина использования симулятора для генерации сигнала AM состоит в том, чтобы можно было экспериментировать с детекторами (демодуляторами). Поэтому стоит кратко изучить «обнаружение» — восстановление исходной частоты модуляции звука. У вас почти наверняка будет предпочтительная схема или что-то, с чем вы хотите поэкспериментировать, но мы можем начать с простого примера. Существует много различных типов AM-детекторов, включая детектор с бесконечным импедансом, описанный в статье High Fidelity AM Reception.В этом упражнении будет рассмотрен только простой диодный детектор.

Этот тип детекторов был одним из самых первых, которые когда-либо использовались для обнаружения ВЧ, и хотя были и другие, более ранние детекторы, они не были линейными и часто были нечувствительными. Выбрав точку на поверхности природного полупроводника (обычно кристалла галенита (сульфида свинца)), можно было слушать AM через наушники. Поиск оптимальной точки на кристалле осуществлялся с помощью так называемого «кошачьего уса» — тонкого отрезка проволоки в специальном держателе, который позволял слушателю найти точку на поверхности кристалла, дающую наилучший сигнал.Это было известно как «набор кристаллов», и они прекрасно работают и по сей день с некоторой осторожностью. За «кристаллами» последовали ламповые диоды, затем германиевые диоды, а теперь и диоды Шоттки. Если вы можете их получить, германиевые диоды по-прежнему будут хорошим выбором.

На схеме ниже показан простой детектор Шоттки с прямым смещением 800 мВ, применяемым для улучшения линейности. Показанные настроенная схема и антенна предназначены для полноты картины, но обычно не включаются в моделирование.Обратите внимание, что C2 необходим, если источник (ваш модулятор) подключен по постоянному току. Если вы не укажете C2, диодный детектор не будет иметь прямого смещения, а это значительно увеличит искажения. Анод D1 должен иметь обратный путь постоянного тока , иначе он вообще не будет работать.

Рисунок 9 — Диодный AM-детектор / демодулятор

Все диодные детекторы имеют хорошо известную проблему, а именно искажение, вызванное напряжением проводимости диода. Для обычных малосигнальных кремниевых диодов это 650 мВ, а для германия около 200 мВ или меньше.Диоды Шоттки варьируются от 150 мВ до 450 мВ, в зависимости от их предназначения. При низких уровнях радиосигнала диод может вообще не проводить, поэтому (почти) ничего не будет слышно на выходе. Это можно преодолеть (по крайней мере, до некоторой степени), применив прямое смещение, чтобы отменить прямое напряжение диода. Это показано на приведенной выше схеме. Обычно трудно добиться искажения менее 1% с помощью наиболее распространенных схем демодулятора.

При тестировании с использованием выхода идеального модулятора (рисунок 6) при уровне радиочастотного сигнала 285 мВ RMS и 80% модуляции искажение в показанной схеме равно 1.6% на уровне 180 мВ RMS. Диод типа Шоттки, напряжение смещения 800 мВ. Не все искажения происходят из-за диода, так как некоторая часть ВЧ несущей все еще присутствует. Как вы можете видеть, существует также постоянное напряжение, среднее значение которого пропорционально амплитуде ВЧ сигнала. Также имеется фиксированное смещение из-за напряжения смещения диода.

Для любого диодного детектора важна постоянная времени (C3 + C4 и R5 на рисунке выше). Если емкость слишком велика или сопротивление слишком велико, конденсатор не сможет разрядиться достаточно быстро, чтобы следовать форме волны переменного тока (модуляция), что приведет к значительному увеличению искажений на отрицательно идущих частях аудиосигнала.По этой теме доступно много информации, и здесь она не является частью анализа. Для записи указанные значения обеспечат приемлемую фильтрацию с приемлемо низким уровнем искажений до 5 кГц.

В большинстве радиоприемников средний уровень постоянного тока используется для активации АРУ схемы (автоматической регулировки усиления). Это сделано для того, чтобы амплитуда промежуточной частоты на входе детектора оставалась достаточно постоянной при настройке различных станций, так что уровень звука остается достаточно стабильным.Без АРУ уровень звука полностью зависит от силы принимаемого сигнала. Постоянный ток должен быть удален из аудиосигнала перед подачей на каскад аудиоусилителя, и это делается просто с помощью разделительного конденсатора.

Идеальный детектор полуволново выпрямит огибающую РЧ, так что форма звуковой волны останется неизменной. Не имеет значения, демодулируются ли положительные или отрицательные полупериоды, поскольку в обоих присутствует одна и та же звуковая информация.Затем РЧ-составляющая удаляется с помощью фильтра нижних частот, оставляя только звук и уровень постоянного тока, который зависит от РЧ-амплитуды. Постоянный ток легко снимается с помощью конденсатора, остается только звук, который, надеюсь, будет точной копией сигнала, используемого для модуляции передатчика. Хотя концепция проста в теории, ее очень сложно реализовать на практике, и существует множество различных решений (включая применение прямого смещения, как показано выше).

Существует много различных типов AM-детекторов, поэтому, если вы хотите узнать больше, поиск в Интернете предоставит вам бесконечные часы чтения.

---

Заключение

Описанный здесь метод получения «идеальной» формы сигнала AM кажется практически неизвестным. Я видел одну косвенную ссылку на метод (которая говорила студентам «подумать об этом»), но подробностей не было в тексте (и я не могу найти ее снова, иначе она будет включена в ссылки) . Если вы действительно задумаетесь об этом, это станет совершенно очевидным и почти наверняка вызовет крики «почему я не подумал об этом» от многих людей, читающих это.Когда я увидел краткую ссылку, упомянутую выше, это была моя реакция.

Идея мультипликатора возникла из-за того, что не разобрались с деталями другого проекта. Я сомневаюсь, что SIMetrix — единственный симулятор, предлагающий произвольную функцию, которая может быть «определена пользователем», и немного озадачивает то, что во время моего первоначального исследования не было найдено упоминания об этом методе. После написания этой статьи и более подробного поиска я наткнулся на несколько сообщений на форуме и некоторые академические работы, в которых предлагалось использовать «специальные» функции симулятора, но не нашел конкретной информации.

В целом, это интересное упражнение, даже если вас не интересует чушь, которую обычно слышат по AM-радио. Я, безусловно, многому научился, когда готовил статью и запускал моделирование, чтобы можно было продемонстрировать формы сигналов. Я давно не делал ничего серьезного с AM, и смотреть на некоторые предложения в сети довольно удручающе. Во многих случаях учащийся узнает все об AM, кроме выполнения заранее подготовленных или предварительно сконфигурированных симуляций или углубления в математическое минное поле.

Это не означает, что математика потенциально бесполезна или что возня с симуляцией аналогового множителя неинтересна. Оба они полезны, но не все, что вы хотите сделать, это проверить идеи для демодуляции AM. Если это так, вам нужно что-то настолько близкое к совершенству, насколько это возможно, чтобы выявить недостатки демодулятора. Особенно полезно иметь что-то, что будет работать практически в любом пакете моделирования, потому что разные версии имеют разные возможности и могут не позволить вам легко делать то, что вам нужно, — если вообще.

Важно понимать, что симуляторы имеют ограничения, и некоторые из них могут быть неспособны разрешить конечный результат без добавления артефактов, которые, по сути, являются результатом разрешения симулятора. Хотя во многих симуляторах можно указать максимальный «временной шаг» (и, следовательно, разрешение), это может сделать симуляцию очень медленной. Например, чтобы правильно разрешить сигнал с частотой 1 МГц, «частота дискретизации» или максимальный временной шаг должны быть не более нескольких наносекунд, а это означает, что моделирование будет очень медленным.Естественно, это также относится к моделированию с использованием других методов.

Вы также можете использовать этот метод для создания AM с двойной боковой полосой с подавлением несущей (просто уменьшите уровень несущей до некоторого достаточно малого напряжения). Сигналы SSB (одинарная боковая полоса) могут быть созданы путем уменьшения амплитуды одной боковой полосы и несущей до достаточно низких напряжений (обычно они составляют около 5-10% от напряжения основной боковой полосы). К сожалению, не существует равнозначно простого метода создания ЧМ (частотной модуляции), но многие симуляторы включают этот способ.

Что такое модулятор Маха-Цендера и как он работает?

Что такое модулятор Маха-Цендера и как он работает? | Synopsys

• Продукты
• Решения
• Ресурсы
• Сервисы
• Сообщество
• Тренировка

• Инструменты и услуги
• Решения
• Тренировка
• Клиенты
• Ресурсы
• Партнеры
• Блог

• О нас
• Отношения с инвесторами
• Сообщество
• отдел новостей
• Ресурсы
• Карьера

Цепи амплитудного модулятора и демодулятора

Презентация на тему: «Схемы амплитудного модулятора и демодулятора» — стенограмма презентации:

1 Цепи амплитудного модулятора и демодулятора
Глава 4 Цепи амплитудного модулятора и демодулятора

2 Темы, рассматриваемые в главе 4
4-1: Основные принципы амплитудной модуляции 4-2: Модуляторы амплитуды 4-3: Демодуляторы амплитуды 4-4: Сбалансированные модуляторы 4-5: Цепи SSB

3 4-1: Основные принципы амплитудной модуляции
Цепи модулятора вызывают изменение амплитуды несущей в соответствии с модулирующими сигналами.Цепи обеспечивают методы передачи AM, DSB и SSB. Основное уравнение для AM-сигнала: νAM = Vcsin 2πfct + (Vmsin 2πfmt) (sin 2πfct). Первый член — это несущая синусоидальной волны. Второй член — произведение несущей синусоидальной волны и модулирующих сигналов.

4 4-1: Основные принципы амплитудной модуляции
АМ во временной области Напряжение амплитудной модуляции вырабатывается схемой, которая может умножать несущую на модулирующий сигнал и затем складывать несущую.Если коэффициент усиления схемы является функцией 1+ m sin 2πfmt, выражение для AM-сигнала будет νAM = A (νc), где A — коэффициент усиления или ослабления.

5 4-1: Основные принципы амплитудной модуляции
Рисунок 4-1 Блок-схема цепи для создания AM.

6 4-1: Основные принципы амплитудной модуляции
AM в частотной области Произведение несущей и модулирующего сигнала может быть сгенерировано путем подачи обоих сигналов на нелинейный компонент, такой как диод.Квадратичная функция — это функция, которая изменяется пропорционально квадрату входных сигналов. Диод дает хорошее приближение квадратичного отклика. Биполярные и полевые транзисторы (FET) также могут быть смещены, чтобы получить квадратичный отклик.

7 4-1: Основные принципы амплитудной модуляции
AM в частотной области Диоды и транзисторы, функция которых не является чисто квадратичной функцией, создают гармоники третьего, четвертого и более высокого порядка, которые иногда называют интермодуляцией. продукты.Продукты интермодуляции легко фильтруются.

AM Модуляторы — Базовые, коллекторные, сеточные и пластинчатые модуляторы

AM-модулятор — это модулятор, который используется для наложения низкочастотного сигнала на высокочастотный несущий сигнал. В этом модуляторе амплитуда несущей изменяется в соответствии с мгновенным значением сигнала сообщения.

Типы модуляторов AM перечислены ниже.

1. Пластинчатый модулятор
2. Модулятор сетки
3. Катодный модулятор
4. Базовый модулятор
5. Модулятор излучателя

Пластинчатый модулятор

Он назван так потому, что сигнал сообщения (AF) накладывается на + Vsb и tVsb, а затем подается на пластину триодной лампы.Теперь изучим, как происходит модуляция в этом модуляторах.

1. Звуковое напряжение (AF) подключается последовательно с напряжением питания пластины + Vbb усилителя класса C. Каким образом достигается это условие в реальных схемах, показанных на рисунке? Сигнал AF подается на трансформатор драйвера AF, который изменяет смещение сетки обоих триодов в соответствии с сигналом сообщения. Из-за того, что токи пластин обоих триодов меняются в зависимости от частоты сигнала AF, следовательно, напряжение + Vbb, приложенное к пластине усилителя класса C, изменяется в соответствии с амплитудой сигнала AF.

2. Теперь мы увидим, что RF (радиочастота) накладывается на напряжения пластины (что в соответствии с AF)?

   -Ve смещение сетки усилителя класса C управляется ВЧ трансформатором драйвера. Из-за того, какой ток пластины зависит от РФ. Таким образом, RF накладывается на AF, и сигнал с амплитудной модуляцией передается на нагрузку через настроенный трансформатор.

   Примечание:

   Код

   RFC включен последовательно с модулирующим трансформатором для защиты от радиочастотного повреждения.

Модулятор сетки

Он назван так потому, что входные сигналы RF, AF и отрицательное напряжение Vc подаются на сеть усилителя класса C.

1. Модулирующее напряжение (AF) последовательно с отрицательным смещением. Модулирующее напряжение накладывается на фиксированное напряжение смещения батареи. Следовательно, величина смещения пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала и изменяется со скоростью, равной частоте модуляции.
2. Входные высокочастотные напряжения накладываются на общее смещение.
3. Результирующая пластина течет импульсами, амплитуда каждого импульса пропорциональна мгновенному смещению и, следовательно, мгновенному модулирующему напряжению.
4. Применение этих импульсов к настроенному контуру резервуара даст амплитудную модуляцию.

Коллекторный модулятор

Выходной каскад передатчика представляет собой мощный усилитель частоты класса C. Усилители класса C проводят только часть положительного полупериода входного сигнала.Импульсы тока коллектора заставляют настроенную схему колебаться или звонить с желаемой выходной частотой. Таким образом, настроенная схема воспроизводит отрицательную часть несущего сигнала.

Модулятор — это линейный усилитель мощности, который принимает модулирующий сигнал низкого уровня и усиливает его до высокого уровня мощности. Модулирующий выходной сигнал через трансформатор модуляции T1 поступает на усилитель класса C. Вторичная обмотка модулирующего трансформатора включена последовательно с питающим напряжением коллектора Vcc усилителя класса C.

С входным сигналом с нулевой модуляцией. На вторичной обмотке T1 будет нулевое напряжение модуляции. Следовательно, напряжение питания коллектора будет подаваться непосредственно на усилитель класса C, а выходной несущей будет устойчивой синусоидальной волной.
Когда возникает сигнал модуляции, напряжение переменного тока на вторичной обмотке трансформатора модуляции добавляется к напряжению питания коллектора и вычитается из него.

Это переменное напряжение питания подается на усилитель класса C.Естественно, амплитуда импульсов тока через транзистор Q1 будет изменяться. В результате амплитуда несущей синусоидальной волны изменяется в соответствии с модулированным сигналом. Например, когда модулирующий сигнал становится положительным, он добавляется к напряжению питания коллектора, тем самым увеличивая его значение и вызывая более высокие импульсы тока и более высокую амплитуду несущей. Когда модулирующий сигнал становится отрицательным, он вычитается из напряжения питания коллектора, делая его меньше. По этой причине импульсы тока усилителя класса C меньше, что приводит к меньшей амплитуде выходного сигнала несущей.Таким образом, получается амплитудно-модулированная волна, которая затем передается через антенну.

Базовый модулятор

Он назван так потому, что РЧ несущая и сигнал сообщения подаются на базу транзистора.

1. Сигнал сообщения усиливается и затем накладывается на фиксированное смещение Vbb, которое изменяется в соответствии с сигналом сообщения. Затем это наложенное смещение подается на базу транзистора через RFC (радиочастотный дроссель).
2. РЧ несущая также подается на базу транзистора через разделительный конденсатор, на который затем накладывается смещение сигнала сообщения.Эти наложенные напряжения смещения управляют током коллектора, который пропорционален амплитуде сигнала сообщения, поэтому эта модулированная форма волны связана с вторичной обмоткой трансформатора.

Глава 4. Схемы амплитудного модулятора и демодулятора

1 2 Глава 4 Схемы амплитудного модулятора и демодулятора

2 3 Темы, затронутые в главе 4 4-1: Основные принципы амплитудной модуляции 4-2: Амплитудные модуляторы 4-3: Амплитудные демодуляторы 4-4: Сбалансированные модуляторы 4-5: SSB Circuits

3 4-1: Основные принципы амплитудной модуляции 4 Цепи модулятора вызывают изменение амплитуды несущей в соответствии с модулирующими сигналами.Цепи обеспечивают методы передачи AM, DSB и SSB. Основное уравнение для AM сигнала: ν AM = V c sin 2πf ct + (V m sin 2πf mt) (sin 2πf ct) Первый член — это несущая синусоидальной волны. Второй член — это произведение несущей синусоидальной волны и модулирующей сигналы.

4 4-1: Основные принципы 5 амплитудной модуляции AM во временной области Напряжение амплитудной модуляции вырабатывается схемой, которая может умножать несущую на модулирующий сигнал, а затем складывать несущую.Если коэффициент усиления схемы является функцией 1+ m sin 2πf m t, выражение для AM-сигнала будет ν AM = A (ν c), где A — коэффициент усиления или ослабления.

5 4-1: Основные принципы амплитудной модуляции 6 Рис. 4-1 Блок-схема цепи для создания AM.

6 4-1: Основные принципы 7 амплитудной модуляции AM в частотной области Произведение несущей и модулирующего сигнала может быть сгенерировано путем подачи обоих сигналов на нелинейный компонент, такой как диод.Квадратичная функция — это функция, которая изменяется пропорционально квадрату входных сигналов. Диод дает хорошее приближение квадратичного отклика. Биполярные и полевые транзисторы (FET) также могут быть смещены, чтобы получить квадратичный отклик.

7 4-1: Основные принципы 8 амплитудной модуляции AM в частотной области Диоды и транзисторы, функция которых не является чисто квадратичной функцией, создают гармоники третьего, четвертого и более высокого порядка, которые иногда называют продуктами интермодуляции. .Продукты интермодуляции легко отфильтровать. Настроенные схемы отфильтровывают модулирующий сигнал и несущие гармоники, оставляя только несущие и боковые полосы.

8 4-1: Основные принципы амплитудной модуляции 9 Рисунок 4-4 Квадратичная схема для создания AM.

9 4-1: Основные принципы амплитудной модуляции 10 Рисунок 4-5 Сигнал AM, содержащий не только несущую и боковые полосы, но и модулирующий сигнал.

10 4-1: Основные принципы амплитудной модуляции 11 Рисунок 4-6 Настроенная схема отфильтровывает модулирующий сигнал и гармоники несущей, оставляя только несущую и боковые полосы.

11 12 4-2: Амплитудные модуляторы Есть два типа амплитудных модуляторов. Это модуляторы низкого и высокого уровня. Модуляторы низкого уровня генерируют AM с небольшими сигналами и должны быть усилены перед передачей.Модуляторы высокого уровня создают АМ на высоких уровнях мощности, обычно в каскаде оконечного усилителя передатчика.

12 13 4-2: Амплитудные модуляторы Низкоуровневый AM: Диодный модулятор Диодная модуляция состоит из резистивной схемы смешения, диодного выпрямителя и настроенной LC-схемы. Несущая подается на один входной резистор, а модулирующий сигнал — на другой входной резистор. Эта резистивная сеть вызывает линейное смешивание двух сигналов (т.е. алгебраическое сложение).При прямом смещении диод проходит полупериоды. Катушка и конденсатор постоянно обмениваются энергией, вызывая колебания или звон на резонансной частоте.

13 14 4-2: Амплитудные модуляторы Рисунок 4-7 Амплитудная модуляция с помощью диода.

14 15 4-2: Амплитудные модуляторы Низкоуровневый AM: транзисторный модулятор Транзисторная модуляция состоит из резистивной схемы смешения, транзистора и настроенной LC-схемы.Переход эмиттер-база транзистора выполняет функции диода и нелинейного устройства. Модуляция и усиление происходят, поскольку базовый ток управляет большим током коллектора. Настроенный контур LC колеблется (звенит), генерируя недостающий полупериод.

15 16 4-2: Амплитудные модуляторы Рисунок 4-9 Простой транзисторный модулятор.

16 17 4-2: Амплитудные модуляторы Низкоуровневый AM: Модулятор PIN-диодов Схемы переменного аттенюатора, использующие PIN-диоды, создают AM на частотах VHF, UHF и СВЧ.PIN-диоды представляют собой кремниевые переходные диоды специального типа, предназначенные для использования на частотах выше 100 МГц. Когда PIN-диоды смещены в прямом направлении, они работают как переменные резисторы. Затухание, вызванное схемами PIN-диодов, зависит от амплитуды модулирующего сигнала.

17 18 4-2: Амплитудные модуляторы Рисунок 4-10 Высокочастотные амплитудные модуляторы с использованием PIN-диодов.

18 19 4-2: Амплитудные модуляторы Низкоуровневый AM: дифференциальный усилитель Дифференциальные модуляторы усилителя являются отличными амплитудными модуляторами, поскольку они имеют высокий коэффициент усиления, хорошую линейность и могут быть модулированы на 100 процентов.Выходное напряжение можно снимать между двумя коллекторами, создавая сбалансированный или дифференциальный выход. Выход также может быть взят с выхода любого коллектора на землю, создавая несимметричный выход.

19 20 4-2: Амплитудные модуляторы Низкоуровневый АМ: дифференциальный усилитель Модулирующий сигнал подается на базу транзистора источника постоянного тока. Модулирующий сигнал изменяет ток эмиттера и, следовательно, коэффициент усиления схемы.Результат — AM на выходе.

20 21 4-2: Амплитудные модуляторы Рисунок 4-11 (a) Базовый дифференциальный усилитель. (б) Модулятор дифференциального усилителя.

21 22 4-2: Амплитудные модуляторы AM высокого уровня При модуляции высокого уровня модулятор изменяет напряжение и мощность в конечном каскаде усилителя RF передатчика. Результатом является высокая эффективность ВЧ-усилителя и высокое качество в целом.

22 23 4-2: Амплитудные модуляторы AM высокого уровня: Коллекторный модулятор Коллекторный модулятор — это линейный усилитель мощности, который принимает модулирующие сигналы низкого уровня и усиливает их до уровня высокой мощности. Модулирующий выходной сигнал подается через преобразователь модуляции на усилитель класса C. Вторичная обмотка модулирующего трансформатора включена последовательно с коллекторным питающим напряжением усилителя класса C.

23 24 4-2: Амплитудные модуляторы Рис. 4-13 Коллекторный модулятор высокого уровня.

24 25 4-2: Амплитудные модуляторы Высокоуровневый AM: Последовательный модулятор Последовательный модулятор производит модуляцию высокого уровня без использования большого и дорогостоящего преобразователя модуляции, используемого в модуляторах коллектора. Улучшает частотную характеристику. Однако это очень неэффективно.

25 26 4-2: Амплитудные модуляторы Высокого уровня AM: Последовательный модулятор Последовательный модулятор заменяет трансформатор модуляции на эмиттерный повторитель.Модулирующий сигнал подается на эмиттерный повторитель. Эмиттерный повторитель включен последовательно с напряжением питания коллектора. Напряжение коллектора изменяется при изменении усиленного модулирующего аудиосигнала.

26 27 4-2: Амплитудные модуляторы Рисунок 4-15 Последовательная модуляция. Транзисторы также могут быть полевыми МОП-транзисторами с соответствующим смещением.

27 28 4-3: Амплитудные демодуляторы Демодуляторы или детекторы — это схемы, которые принимают модулированные сигналы и восстанавливают исходную информацию о модуляции.

28 29 4-3: Амплитудные демодуляторы Рисунок 4-16 АМ-демодулятор диодного детектора.

29 30 4-3: Амплитудные демодуляторы Диодный детектор При положительных изменениях сигнала AM конденсатор быстро заряжается до пикового значения импульсов, пропущенных диодом. Когда импульсное напряжение падает до нуля, конденсатор разряжается в резистор. Постоянная времени конденсатора и резистора велика по сравнению с периодом несущей.Конденсатор слабо разряжается, когда диод не проводит. Результирующая форма волны на конденсаторе является близким приближением к исходному модулирующему сигналу.

30 31 4-3: Амплитудные демодуляторы Диодный детектор Поскольку диодный детектор восстанавливает огибающую AM (модулирующего) сигнала, схему иногда называют детектором огибающей. Если постоянная времени RC в диодном детекторе слишком велика, разряд конденсатора будет слишком медленным, чтобы следовать за более быстрыми изменениями модулирующего сигнала.Это называется диагональным искажением.

31 32 4-3: Амплитудные демодуляторы Синхронное обнаружение Синхронные детекторы используют внутренний тактовый сигнал на несущей частоте в приемнике для включения и выключения AM сигнала, производя выпрямление, подобное тому, которое происходит в стандартном диодном детекторе. Синхронные детекторы или когерентные детекторы имеют меньшие искажения и лучшее отношение сигнал / шум, чем стандартные диодные детекторы.

32 33 4-3: Амплитудные демодуляторы Синхронное обнаружение Ключом к работе синхронного детектора является обеспечение того, чтобы сигнал, вызывающий действие переключения, был идеально синхронизирован по фазе с принимаемой несущей AM.Сигнал несущей, генерируемый внутри генератора, работать не будет.

33 34 4-3: Демодуляторы амплитуды Рисунок 4-22 Практичный синхронный детектор.

34 35 4-4: 4: Симметричный модулятор Симметричный модулятор — это схема, которая генерирует сигнал DSB, подавляя несущую и оставляя на выходе только суммарную и разностную частоты. Выход сбалансированного модулятора может быть дополнительно обработан фильтрами или схемами фазового сдвига для устранения одной из боковых полос, что приводит к сигналу SSB.Типы сбалансированных модуляторов включают решетку, 1496/1596 IC и аналоговый умножитель.

35 36 4-4: 4: Симметричный модулятор Решетчатый модулятор Популярным и широко используемым симметричным модулятором является диодный кольцевой или решетчатый модулятор. Решетчатый модулятор состоит из входного трансформатора, выходного трансформатора и четырех диодов, соединенных по мостовой схеме. Несущий сигнал подается на центральные отводы входного и выходного трансформаторов. Модулирующий сигнал подается на входной трансформатор.Выходной сигнал появляется на выходном трансформаторе.

36 37 4-4: 4: Симметричный модулятор Рисунок 4-24: Симметричный модулятор решетчатого типа.

37 38 4-4: 4: Решетчатые модуляторы симметричного модулятора Синусоидальная волна несущей значительно выше по частоте и амплитуде, чем модулирующий сигнал. Несущая синусоида используется как источник прямого и обратного смещения для диодов. Носитель включает и выключает диоды с высокой скоростью.Диоды действуют как переключатели, которые подключают модулирующий сигнал на вторичной обмотке Т 1 к первичной обмотке Т 2.

38 39 4-4: 4: Сбалансированный модулятор IC Сбалансированные модуляторы 1496/1596 IC — это универсальная схема, доступная для связи. Приложения. Может работать на несущих частотах до 100 МГц. Он может обеспечить подавление несущей от 50 до 65 дБ. 1496/1596 IC может работать как симметричный модулятор или сконфигурирован для работы как амплитудный модулятор, детектор продукта или синхронный детектор.

39 40 4-4: 4: Симметричный модулятор IC Симметричные модуляторы: аналоговый умножитель Аналоговый умножитель — это тип интегральной схемы, которая может использоваться в качестве симметричного модулятора. Аналоговые умножители часто используются для генерации сигналов DSB. Аналоговый умножитель не является схемой переключения, как симметричный модулятор. В аналоговом умножителе используются дифференциальные усилители, работающие в линейном режиме. Несущая должна быть синусоидальной, а умножитель дает истинное произведение двух аналоговых входов.

40 41 4-5: Цепи SSB Генерация сигналов SSB: Метод фильтрации Метод фильтрации — самый простой и наиболее широко используемый метод генерации сигналов SSB. Модулирующий сигнал подается на усилитель звука. Выход усилителя подается на один вход симметричного модулятора. Кварцевый генератор обеспечивает несущий сигнал, который также подается на сбалансированный модулятор.

41 42 4-5: Цепи SSB, генерирующие сигналы SSB: метод фильтрации Выходом балансного модулятора является двухполосный (DSB) сигнал.Сигнал SSB создается путем прохождения сигнала DSB через высокоселективный полосовой фильтр. При использовании метода фильтрации необходимо выбрать либо верхнюю, либо нижнюю боковую полосу.

42 43 4-5: Цепи SSB Рис. 4-31 Передатчик SSB, использующий метод фильтрации.

43 44 4-5: Цепи SSB, генерирующие сигналы SSB: метод фазирования В методе фазировки генерации SSB используется метод фазового сдвига, который вызывает подавление одной из боковых полос.В методе фазирования используются два сбалансированных модулятора, устраняющих несущую. Генератор несущей подается на верхний балансный модулятор вместе с модулирующим сигналом.

44 45 4-5: Цепи SSB, генерирующие сигналы SSB: метод фазирования Несущий и модулирующий сигналы сдвигаются по фазе на 90 градусов и подаются на другой симметричный модулятор. Фазовый сдвиг вызывает подавление одной боковой полосы при сложении двух выходов модулятора.

45 46 4-5: Цепи SSB Рис. 4-33 Генератор SSB, использующий метод фазирования.

46 47 4-5: Цепи SSB Демодуляция DSB и SSB Чтобы восстановить интеллект в сигнале DSB или SSB, необходимо повторно вставить несущую, которая была подавлена ​​на приемнике. Детектор продукта — это сбалансированный модулятор, используемый в приемнике для восстановления модулирующего сигнала.