§ 31. Особенности и перспективы применения УРУ в радиопередающих устройствах

Радиопередающие устройства работают с тем или иным видом модуляции.

В последнее время все более широкое распространение получает однополосная модуляция, имеющая ряд принципиальных преимуществ перед другими системами [8]. Информационный сигнал в однополосных передатчиках обычно формируется на малом уровне мощности. Следовательно, усилительный тракт работает в режиме усиления модулированных колебаний. Это обстоятельство налагает высокие требования к линейности усиления УРУ при использовании их в радиопередатчиках.

Особенно жесткие требования к линейности УРУ предъявляются при усилении нескольких независимых каналов, поскольку интермодуляционные составляющие могут приводить к сильным взаимным помехам.

В связи с "теснотой" в эфире к радиопередающим устройствам предъявляются также жесткие требования в части излучения гармоник. В соответствии с международными нормами мощность излучения на любой из гармоник не должна превышать 50 мвт в радиовещательном диапазоне [53]. Фильтрация высших гармоник при резонансном выходном каскаде обеспечивается промежуточным и антенным контурами. Однако анодная линия УРУ в первой половине диапазона частот не фильтрует некоторые высшие гармонические. Поэтому при использовании УРУ в качестве выходного каскада весьма важной проблемой является обеспечение малого уровня высших гармоник.

Общими мерами для обеспечения высокой линейности УРУ при сохранении высоких энергетических показателей является построение усилителя по двухтактной схеме с использованием элементов для подавления четных гармоник (см. § 10), выбор специальных ламп с характеристиками, удовлетворяющими высоким требованиям по линейности, и режима работы ламп [8]. Для обеспечения высокой линейности при построении УРУ приходится отбирать лучшие образцы ламп из выбранного типа, а также индивидуализировать режим сеточной цепи для каждой отдельной лампы.

Как известно [15], для улучшения линейности усиления часто применяется отрицательная обратная связь. В УРУ введение обратной связи, охватывающей весь усилитель, оказывается невозможным, поскольку разность фаз входного и выходного напряжений изменяется в диапазоне частот в пределах нескольких радиан. Однако возможно применение местной отрицательной обратной связи по току путем включения в катоды ламп активных сопротивлений, что может быть достаточно эффективной мерой для улучшения линейности УРУ [53].

Следует подчеркнуть, что благодаря широкополосным свойствам УРУ весь спектр сигнала, поступающего от возбудителя передатчика и лежащий в полосе усилителя, будет излучаться в эфир. Поэтому к возбудителям передатчиков с использованием УРУ предъявляются жесткие требования к "чистоте" сформированного сигнала, и выполнение этих требований является необходимым условием для применения широкополосного усилительного тракта.

Теоретический расчет основных показателей УРУ, характеризующих его линейность, оказывается сложной задачей. Поэтому для оценки достижимых показателей представляет интерес рассмотреть экспериментальные данные передатчика с использованием во всем усилительном тракте УРУ, описанного в [53] (данные усилителя см. в табл. 10).

Испытание линейных свойств усилителя проводилось несколькими способами.

При первом способе на вход усилительного тракта, включающего 2 каскада УРУ, подавался бигармонический сигнал (см. § 2), обеспечивающий пиковую мощность огибающей биений на выходе УРУ 500 вт (кривая 1 рис. 58) или 1 квт (кривая 2). Измерялись уровни интермодуляционных составляющих 2f₁ - f₂ и 2f₂ - f₁ спектра первой гармоники (другие составляющие были значительно меньше) и максимальные составляющие спектра второй и третьей гармоник (см. рис. 3). Результаты измерений приведены на рис. 58, где по оси ординат отложены коэффициенты нелинейных искажений для бигармонического сигнала (определения этих коэффициентов приведены в § 2). Как видно из рис. 58, интермодуляционные составляющие спектра первой гармоники весьма малы, что вполне удовлетворяет предъявляемым требованиям и не уступает по линейности резонансным усилителям [8, 15].

Рис. 58. Зависимость относительного уровня интермодуляционных составляющих спектра первой гармоники (относительно пиковой мощности огибающей) от основной частоты бигармонического сигнала (f₁ или f₂, f₁ ≈ f₂) при пиковой мощности 500 вт (а) и 1 квт (б)

Из рис. 59 видно, что если частота гармоники лежит вне полосы частот УРУ, то уровень ее весьма мал; это обусловлено фильтрующими свойствами анодной линии. Однако на некоторых частотах, лежащих в первой половине диапазона, высшие гармонические превышают допустимый уровень, который при пиковой мощности 1 квт составляет 43 дб. Поэтому для удовлетворения международным нормам необходимо применить на выходе фильтры, которые разбивают рабочий диапазон частот на несколько поддиапазонов с переключением фильтров при переходе с одного поддиапазона на другой. Так, из рис. 59 видно, что применение одного фильтра нижних частот с частотой среза 15 Мгц обеспечит необходимую фильтрацию в первой половине диапазона, при этом рабочий диапазон разбивается теперь на два поддиапазона: 2-15 Мгц и 9,5-24 Мгц с относительно большим коэффициентом перекрытия. Однако преимущества, связанные с применением УРУ, почти полностью сохраняются, тем более, что во многих случаях в широком диапазоне частот применяется несколько антенн и коммутация фильтров происходит одновременно с коммутацией антенн.

Рис. 59. Зависимость относительного уровня максимальных интермодуляционных составляющих спектра второй гармоники К_f^II и спектра третьей гармоники К_f^III (относительно мощности 1 квт) от основной частоты бигармонического сигнала

Более трудное положение в отношении гармоник оказывается при работе незатухающими колебаниями, т. е. при усилении гармонического сигнала. Как видно из рис. 60, где представлены коэффициенты нелинейных искажений для гармонического сигнала (см. § 2), требования по гармоникам не удовлетворяются в большей части диапазона, чем в случае бигармонического сигнала. Поэтому требуются уже 2 фильтра с частотами среза 8 Мгц и 15 Мгц, которые разбивают рабочий диапазон на три поддиапазона: 2-8 Мгц, 6,5-15 Мгц и 13-24 Мгц.

Рис. 60. Зависимость относительного уровня второй (Kf2) и третьей (Кf3) гармоник (относительно уровня 1 квт) от частоты первой гармоники при гармоническом возбуждении

При использовании передатчика для одновременной многоканальной связи на нескольких частотах важно знать, какой может быть мощность каждого отдельного канала при заданной мощности усилителя. Решение этого вопроса во многом определяется линейными свойствами УРУ.

Допустим, что передатчик работает на двух каналах незатухающими колебаниями. В этом случае мощность в пиковой точке огибающей биений будет в 4 раза превышать мощность каждой составляющей и в 2 раза - среднюю мощность суммарного сигнала. Следовательно, при мощности передатчика в 1 квт мощность каждого канала будет составлять 250 вт. Спектр результирующего сигнала на выходе усилителя будет похожим на спектр, изображенный на рис. 3, с той лишь разницей, что он не всегда может быть разбит на отдельные характерные участки (спектр первой, второй и третьей гармоник), поскольку частоты отдельных каналов могут сильно отличаться. Однако относительный уровень интермодуляционных составляющих по-прежнему будет характеризоваться графиками рис. 58 и 59, причем можно ожидать лучшие результаты, поскольку частоты отличаются одна от другой больше, чем для бигармонического испытательного сигнала, так что необходимость в фильтрах на выходе УРУ может отпасть.

При большем числе передаваемых частот нет необходимости так сильно уменьшать мощность каждого канала, поскольку вероятность фазового совпадения одновременно всех частот весьма мала. Как показали испытания многократным бигармоническим сигналом (см. ниже), уровень интермодуляционных составляющих оказывается очень малым, если средняя мощность суммарного сигнала не превышает 500 вт, несмотря на то, что его пиковое значение может существенно превышать 1 квт. Таким образом, допускаемая мощность каждого отдельного канала из общего числа каналов n ≥ 3÷4 при работе незатухающими колебаниями может составлять 500/n вт.

Для оценки интермодуляционных составляющих при многоканальных передачах с однополосной модуляцией были выполнены испытания усилителя многократным бигармоническим сигналом, т. е. на вход УРУ подавали несколько бигармонических сигналов. Каждый i-й бигармонический сигнал представляет собой сумму двух косинусоид с одинаковыми амплитудами и очень близкими частотами f_i ≈ f'_i. Спектр выходного сигнала УРУ имеет весьма сложный вид, однако он разбивается на ряд характерных участков. Так, например, для двукратного бигармонического сигнала спектр, лежащий в пределах полосы пропускания УРУ, группируется относительно частот, указанных в табл. 11 и 12, а для трехкратного - относительно частот, указанных в табл. 13.

Таблица 11

Таблица 12

Таблица 13

При испытании двукратным бигармоническим сигналом каждый из бигармонических сигналов имел среднюю мощность 250 вт и пиковую мощность 500 вт. При этом средняя мощность суммарного сигнала составляла 500 вт, а его пиковая мощность при определенных фазовых соотношениях могла достигать 2 квт, т. е. существенно превышать мощность УРУ.

В табл. 11 приведены относительные уровни интермодуляционных составляющих (по отношению к пиковой мощности каждого бигармонического сигнала 500 вт), попадающих в полосу пропускания УРУ для частот бигармонических сигналов f₁ ≈ f'₁ = 6,2 Мгц и f₂ ≈ f'₂ = 11 Мгц, а в табл. 12 - для частот f₁ ≈ f'₁ = 6,2 Мгц и f₂ ≈ f'₂ = 20 Мгц. В табл. 11 и 12 указаны уровни максимальной из составляющих, сгруппированных относительно приведенных частот.

При испытании тремя бигармоническими сигналами средняя мощность каждого из них составляла 167 вт, а пиковая мощность 333 вт. Средняя мощность суммарного сигнала по-прежнему составляла 500 вт. Пиковая мощность суммарного сигнала может составлять 3 квт, однако для этого необходимо фазовое совпадение шести частот, вероятность чего весьма мала. Это, а возможно также и пространственный разброс (не все лампы работают одновременно с фазовым совпадением шести частот) являются причиной низкого уровня интермодуляционных составляющих, что видно из табл. 13. В этой таблице приведены относительные уровни этих составляющих (по отношению к пиковой мощности каждого бигармонического сигнала 333 вт), попадающих в полосу пропускания УРУ, для частот бигармонических сигналов f₁ ≈ f'₁ = 3,5 Мгц, f₂ ≈ f'₂ = 6,2 Мгц и f₃ = f'₃ = 11,5 Мгц.

Испытания однокиловаттного УРУ [53] показывают, что при n передачах средняя мощность каждого канала может составлять 500 вт/n и нет необходимости рассматривать пиковую мощность суммарного сигнала, которая может значительно превышать 1 квт.

Полученные результаты могут быть распространены на УРУ с другой номинальной мощностью.

Таким образом, при одночастотном или двухчастотном сигналах УРУ с выходной мощностью 1 квт не удовлетворяет требованиям по генерации гармоник, предъявляемым к выходному каскаду передатчика, и для удовлетворения этим требованиям необходимо использовать дополнительные фильтры, разбивающие весь диапазон частот на несколько поддиапазонов. Однако эти фильтры весьма просты и число поддиапазонов невелико (2-3).

При многоканальной работе уровень всех интермодуляционных составляющих оказывается весьма малым, так что нет необходимости в фильтрах даже при мощности, большей чем 1 квт.

Основным препятствием к построению передатчиков с мощностью более 1 квт с использованием в выходном каскаде УРУ (но при работе только на одной несущей) является то, что такие передатчики пока менее экономичны, чем обычные, из-за высокой стоимости необходимых ламп и относительно низкого к. п. д. Однако положение может измениться, если полностью использовать возможность одновременной работы на нескольких несущих частотах. Подсчитано [53], что один пятикиловаттный передатчик с использованием УРУ в выходном каскаде можно считать эквивалентным десяти однокиловаттным передатчикам, и в этом случае передатчик оказывается экономически выгодным.

Такие передатчики могут быть успешно использованы, например, в наземных станциях систем связи с самолетами. Подобная система может иметь вид, изображенный на рис. 61. Она состоит из шести комплектов широкополосных передатчиков на УРУ - широкополосных антенн (например, логопериодических [14]). Каждая из антенн имеет ширину основного лепестка диаграммы направленности 60°, так что вся система позволяет без перестройки устанавливать связь на любой частоте широкого диапазона в любом направлении.

Рис. 61. Блок-схема наземной станции связи с самолетами, использующей широкополосные передатчики

Каждый из операторов имеет устройство, формирующее сигнал с нужной частотой и видом модуляции и может с помощью коммутатора выбрать любое направление передачи. При этом изменение частоты и направления передачи осуществляется практически мгновенно, поскольку любое переключение делается на очень малом уровне мощности. Напряженность поля не уменьшается при излучении в одном направлении на нескольких частотах или во всех направлениях на одной частоте.

Излучаемая мощность, приходящаяся на каждого оператора, зависит от числа возможных передач. Если отдельная радиограмма очень важная или если отдельная линия связи требует повышенной мощности, то мощность одного канала может быть легко увеличена за счет незначительного уменьшения излучаемой мощности для других линий связи. Так, например, для удвоения мощности одной из пяти передач требуется уменьшить мощность других четырех только на 25%.

Весьма перспективно применение УРУ в трактах предварительного усиления широкодиапазонных передатчиков с резонансным выходным каскадом. При этом к УРУ уже не предъявляются жесткие требования по генерации гармоник, поскольку резонансный выходной каскад обеспечивает необходимую фильтрацию. Сочетание УРУ и резонансного выходного каскада позволяет создать значительно улучшенные передатчики, поскольку для передатчика с ручной настройкой число настроечных элементов значительно уменьшается, а в случае автоматизированного передатчика значительно упрощается система управления.

Приложение. Данные и расчетные параметры генераторных ламп

^* (Двойной тетрод. Данные приведены на каждый тетрод)

^** (Для учета емкости монтажа при расчетах УРУ С_вых следует увеличить в 1,3-1,5 раза.)