книги / Основы радиоэлектроники

Гектаметровые (средние) волны распространяются с помощью поверхностной волны на расстояние меньшее, чем километровые волны. Пространственная волна днем затухает в ионосфере, а ночью отражается от слоя Е, и дальность связи резко увеличи­ вается.

Декаметровые (короткие) волны распространяются с по­ мощью пространственных волн, так как поверхностная волна быстро затухает. Изменение высоты ионосферных слоев от hг до h2 приводит к изменению амплитуды волны (замираниям) в ме­ сте приема (рис. 1.30). Прием становится неустойчивым. При малых углах падения српад волны на ионосферный слой возникает зона молчания на расстояниях в десятки км вблизи передатчика, куда электромагнитные волны — пространственная и поверхност­ ная— не приходят (рис. 1.31).

Метровые (ультракороткие) волны не отражаются от ионо­ сферы и уходят в космос. Прием возможен только с помощью поверхностной волны в зоне видимости. Для увеличения этой зоны надо выше поднимать антенны передатчика и приемника. Дифракция этих волн мала.

Космическая связь со спутниками осуществляется в диапазо­ нах, где мало поглощение радиоволн. «Радиоокно» расположено в диапазоне волн 30 мн-3 см, а «оптическое окно» в диапазоне 2н-0,4 мкм.

В атмосфере благодаря грозовым разрядам, молниям и т. д. возникают помехи радиоприему, затрудняющие прием инфор­ мации. Кроме атмосферных, существуют другие виды по­ мех: 1. Промышленные помехи от электроискровых устано­ вок, электрического транспорта и т. д. в ДВ, СВ, КВ и УКВ диапазонах. 2. Космические помехи, которые постепенно умень­ шаются с частотой и малы в диапазоне Х = 60 см-^2 см. 3. Теп­ ловое излучение атмосферы и земли. 4. Изменения во време­ ни свойств ионосферы за счет изменения потоков ионизации, которые приводят к большим изменениям сигналов в месте приема.

1.Что такое сообщение и управляющий сигнал? Охарактеризуйте временное

испектральное представление сигнала. Что такое спектрограммы?

2.Опишите телефонный и телевизионный управляющие сигналы, их времен­

ные и спектральные характеристики.

3.Назовите принципы радиосвязи. Как решается проблема многоканальной

связи?

4.Опишите виды модуляции.

5.Охарактеризуйте временные и спектральные характеристики радиосигна­ лов при амплитудной модуляции. Укажите области применения, преимущества

инедостатки амплитудной модуляции.

6.Охарактеризуйте временные и спектральные характеристики радиосигна­ лов при частотной модуляции, укажите области применения, преимущества и не­ достатки частотной модуляции.

7.Какое должно быть соотношение между шириной спектра радиосигналов

иполосой канала радиосвязи?

8.Опишите принципы выбора несущих частот.

9.Назовите и охарактеризуйте диапазоны радиоволн.

10.Каковы особенности распространения радиоволн различных диапазонов?

11.Назовите области применения радиоволн различных диапазонов.

12.Найдите амплитуды и частоты боковых составляющих амплитудно-мо-

дулированного сигнала при /и = 0,1; С/м= 10 В ;/н= 100 кГ ц;/упр= 1 кГц.

13. Сколько радиостанций с амплитудной модуляцией может работать в по­ лосе частот 200 кГц?

Г Л А В А 2

РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ ЦЕПИ

§2.1. Классификация элементов и цепей

Всовременных радиоэлектронных устройствах наиболее час­ то встречаются следующие элементы: резисторы с сопротивлени­

ем R, конденсаторы с емкостью С, катушки индуктивности с ин­ дуктивностью L, полупроводниковые диоды и транзисторы. Раньше в радиоэлектронной аппаратуре широко использовались электронно-вакуумные приборы— диоды, триоды, тетроды, пен­ тоды и т. п. Однако в настоящее время они практически полно­ стью вытеснены полупроводниковыми приборами, и электронно­ вакуумные приборы используются в качестве передающей и при­ емной телевизионных трубок, а также в генераторах большой мощности. Величины R, L, С являются параметрами соответст­ вующих элементов.

Остановимся на классификации радиоэлектронных элементов и цепей. Если размеры элементов и цепей много меньше длины электромагнитной волны X [м] = 300// [МГц] соответствующей рабочей частоты / [МГц], то токи и напряжение в таких цепях зависят только от времени, но не зависят от координаты X, так как размеры цепи малы и координаты всех элементов достаточно точно описываются одним и тем же значением X. Такие элементы

называются сосредоточенными, а цепи— цепями с сосредоточен­ ными параметрами. Эти цепи описываются обыкновенными диф­ ференциальными уравнениями. Примером такой цепи является любая цепь, содержащая дискретные элементы, резисторы, кон­ денсаторы, диоды, транзисторы и т. д. Если же размеры элемен­ тов с параметрами /?, С, L сравнимы с длиной волны Х9элементы являются не сосредоточенными, а распределенными по цепи, и так как время прохождения сигнала по цепи сравнимо с периодом колебаний, то токи и напряжение в разных точках цепи зависят не только от времени, но и от координаты X. Примером этой

цепи является телевизионный кабель, связывающий телевизион­ ную антенну со входом телевизионного приемника. Такие цепи называются цепями с распределенными параметрами. Они описы­ ваются уравнениями в частных производных.

С другой стороны, элементы делятся на линейные и нелиней­ ные. Если параметры R, L, С не зависят от значений токов

инапряжений, то соответствующие элементы и цепи, содержащие эти элементы, являются линейными. В силу этого ток, напряжение

иих производные связаны линейными зависимостями

UR (i()= R ■iR(/); lc{t) = c - ^ ; u L(t) = L

где uR, Ul , UC— напряжения на резисторе, индуктивности и кон­ денсаторе, a iR, ic, iL— токи через эти элементы*. Если же пара­ метры R, L, С зависят от токов и напряжений, соответствующие элементы, цепи и соотношения между токами, напряжениями и их производными являются нелинейными.

Линейные и нелинейные резисторы часто называют безынер­ ционными элементами, так как они не накапливают заряд или магнитный поток, и ток через этот элемент мгновенно изменяет­ ся при изменении напряжения. Линейные и нелинейные конден­ саторы и индуктивности называют инерционными элементами, поскольку в результате накопления заряда или возникновения магнитного потока напряжения или токи через эти элементы не могут мгновенно измениться. Соответственно называют безыне­ рционными и инерционными цепи, содержащие эти элементы.

С # /3(0 и на элементы с переменными во времени параметрами R= fi(t), L = f2(t) и С = /3(0- Наиболее широко используются линейные элементы с постоянными во времени параметрами (для краткости— линейные элементы). Линейные элементы с перемен­ ными во времени параметрами встретятся при изучении преоб­ разования частоты.

Источники энергии (источники сигнала или источники пита­ ния радиоаппаратуры) описываются генераторами напряжения или электродвижущей силы (ЭДС) и генераторами тока. На зажимах идеального генератора ЭДС напряжение (разность по­ тенциалов), численно равное ЭДС, не зависит от протекающего через генератор тока иГ = Еф/(1) (рис. 2.1). Внутреннее сопротив­ ление идеального генератора ЭДС равно нулю. Реальные генера­ торы напряжения могут быть представлены в виде генератора ЭДС Е и внутреннего сопротивления генератора Rr , включенного последовательно с ним (рис. 2.2). С ростом тока / через нагрузку напряжение на зажимах генератора ur — E —iRr падает. Стрелка

* Линейные цепи— это те, которые описываются линейными дифференци альными уравнениями.

Рис. 2.2

внутри генератора показывает направление движения положи­ тельных зарядов, образующих ток, когда к генератору подклю­ чена нагрузка, например, резистор, и генератор является источни­ ком энергии. Если рассматривается генератор постоянной во времени ЭДС — источник питания радиоэлектронного устройст­ ва, то направление стрелки с течением времени не меняется. В цепях переменного тока направление тока периодически меня­ ется, вместе с током должно меняться периодически и напряже­ ние на зажимах генератора ЭДС, а, следовательно, и направление стрелки внутри генератора (рис. 2.2). В этом случае стрелка характеризует направление движения положительных зарядов в данный момент времени.

Кроме генератора ЭДС, для описания источников энергии широко используются генераторы тока. Ток, протекающий через идеальный генератор тока, не зависит от сопротивления нагрузки RHи, следовательно, напряжения иг = iRHна зажимах этого гене­ ратора /г ^ /(и г) (рис. 2.3). Внутреннее сопротивление Rr идеаль­ ного генератора тока стремится к бесконечности. Реальный гене­ ратор тока может быть представлен параллельно включенными идеальным генератором тока и внутренней проводимостью гене­ ратора Gr (рис. 2.4). С ростом сопротивления нагрузки RHток через нагрузку падает.

Генераторы ЭДС и тока могут быть автономными (не­ зависимыми) и управляемыми. ЭДС Е или ток /г автономных генераторов не зависит от напряжений или токов в любых цепях рассматриваемого устройства. ЭДС Е управляемого генератора ЭДС не зависит от тока, протекающего через данный генератор, но безынерционно опре­ деляется токами или напряжени­ ями в других цепях рассматри­ ваемого устройства. Аналогично ток /г управляемого генератора тока не зависит от напряжения, приложенного к этому генератору, но безынерционно определяется

токами и напряжениями в других цепях исследуемого устройства. Управляемые генераторы ЭДС или тока оказываются очень полезными при изучении транзис­ торных устройств (главы 3, 4, 7).

Радиоэлектронные цепи делятся на пассивные и активные. Если к цепи не подключен источник энергии — источник питания по постоянному току, то соглас­ но закону сохранения энергии мощность

колебаний в такой системе меньше или равна мощности генера­ тора переменного тока на входе цепи. В такой цепи не проис­ ходит усиления по мощности или генерации колебаний, и она называется пассивной. Примерами пассивной цепи является лю­ бая цепь, содержащая резисторы, конденсаторы и катушки ин­ дуктивности с параметрами R, L и С и источник переменного тока (рис. 2.5). В активных цепях, благодаря использованию транзисторов и некоторых типов диодов, удается реализовать преобразование энергии источника питания по постоянному току в энергию колебаний переменного тока и получить усиление или генерацию колебаний.

§ 2.2. Характеристики нелинейных элементов

Нелинейные элементы можно охарактеризовать следующими зависимостями: для нелинейного резистора i=f\ (и), для нелиней­ ного конденсатора б=/г(м ), для нелинейной катушки индуктив­ ности Ф =/з(/), где Q — заряд на нелинейной емкости, Ф — маг­ нитный поток через нелинейную индуктивность.

В радиоэлектронике широко используется диод с р-п перехо­ дом, зависимость тока от напряжения (вольт-амперная характе­ ристика— ВАХ) которого приведена на рис. 2.6 и описывается формулой:

где ct= q/kT, q— заряд элек­ трона, к — постоянная Боль­ цмана, Т— абсолютная тем­ пература диода, Is— ток на­ сыщения.

Пользоваться этой зависи­ мостью не всегда удобно. Поэтому используют различ­ ные аппроксимации ВАХ — приближенные представле­ ния. Для многих задач при

Po — U0I0= I QR0.

Поскольку все полупроводниковые нелинейные элементы явля­ ются потребителями энергии постоянного тока, для этих элемен­ тов Р0> 0 и R0> 0. В случае диода с р-п переходом имеем:

р _ » 0 /.(* --1)‘

Если в радиоэлектронном устройстве на нелинейный элемент, кроме постоянного напряжения смещения t/0, действует малое переменное напряжение Дк(/) [Ди(/)<^| U0\ ], воспользовавшись разложением в ряд Тэйлора и взяв первые два члена разложения, ток через нелинейный элемент можно представить в виде:

Ц ы ) - Ц и 0)+Ы(1)~Г1и0+ Щ , ) ) - Ц и , ) + ^ / ^

Отсюда видно, что малое приращение тока Д/ (t) линейно связано

смалым приращением напряжения Au(t):

•Au(t)

u = U 0

с точностью до отброшенных членов второго порядка малости.

малых приращений напряжения) проводимость нелинейного эле­ мента. Дифференциальная проводимость позволяет найти диф­ ференциальное сопротивление:

Ядиф^о) - G ttM y

Дифференциальная проводимость и сопротивление не зависят от величины и формы слабых сигналов и определяются напряжени­ ем смещения U0. Окончательно имеем:

видеть, что при достаточно больших U0 Лдиф, Ro резко отличают­ ся друг от друга. Дифференциальное сопротивление не всегда положительно. В современной радиоэлектронике получил рас­ пространение туннельный диод, ВАХ которого приведена на рис. 2.9. Легко видеть, что эта ВАХ имеет два участка 1 и 3, где ток возрастает с увеличением напряжения, и падающий уча­ сток 2, где ток падает с ростом напряжения. Если для участков 1 и 3 при Ди>0 Ai также положительно и Лдиф > 0, то для участка 2