Predavanja_final - Kemo

Univerzitet u Sarajevu t e o r i j a Elektrotehnički fakultet Odsjek za telekomunikacije R A D I O T E H N I K A ak. 2007./2008. godina

1

R A D I O T E H N I K A

PREDAVANJA

(nerecenzirani materijal)

Predavač:

mr.sci. Emin Skopljak, dipl.ing.el.


2

1. S A D R Ž A J

2. UOPŠTE O RADIOPREDAJNICIMA................................................................................3 3. OSCILATORI..................................................................................................................11 4. PLL SISTEM KONTROLE FREKVENCIJE ....................................................................13 5. MAGNETRONI ...............................................................................................................17 6. VF POJAČAVAČ NAPONA U KLASI „C“ (ODVOJNI STEPEN) ....................................20 7. UMNOŽAVAČ FREKVENCIJA.......................................................................................24 8. POJAČAVAČ SNAGE VF SIGNALA..............................................................................27 9. AMPLITUDNA MODULACIJA I MODULATORI .............................................................29

10. MODULATOR ZA FM I MΦ SIGNAL.........................................................................34 11. RADIOPRIJEMNICI....................................................................................................35 11.1 DIREKTNI PRIJEMNICI .............................................................................................35 11.2 PRIJEMNIK SA PROMJENOM NOSEĆE FREKVENCIJE ........................................36 12. ANTENA I ULAZNO KOLO ........................................................................................38 13. SELEKTIVNI VF POJAČAVAČ ..................................................................................39 14. LOKALNI OSCILATOR...............................................................................................41 15. STEPEN ZA PROMJENU NOSEĆE FREKVENCIJE.................................................42

(MJEŠAČ, MIKSER, KONVERTOR) ..........................................................................42 16. MEĐUFREKVENCIJSKI POJAČAVAČ ......................................................................44 17. DETEKCIJA AM SIGNALA.........................................................................................47 18. DETEKCIJA FM SIGNALA (DISKRIMINATOR) .........................................................49 19. AUTOMATSKA REGULACIJA POJAČANJA (ARP) ..................................................50 20. AUTOMATSKA REGULACIJA FREKVENCIJE (ARF ili AFC) ...................................52 21. SQWELCH .................................................................................................................54


3

2. UOPŠTE O RADIOPREDAJNICIMA Radiopredajnici se mogu kategorizirati po:

(a) snazi, pa se dijele na radiopredajnike (a.1) velike snage (a.2) srednje snage (a.3) male snage (b) frekvencijskom opsegu, pa se dijele na radiopredajnike koji rade na (b.1) visokim frekvencijama, u što ulaze i VHF, UHF i ostali radiopredajnici (b.2) srednjim frekvencijama (b.3) niskim frekvencijama (c) vrsti modulacije, pa se dijele na radiopredajnike sa (c.1) amplitudnom modulacijom, AM (c.2) frekvencijskom modulacijom, FM (c.3) faznom modulacijom, PM.

Prema standardu Međunarodne telekomunikacione unije (ITU, International Telecommunication Union), frekvencije koje se zauzimaju i koriste leže u opsegu 9kHz do 100GHz. Može se uopšte reći da se u opsegu frekvencija od 9kHz do cca 30MHz koristi amplitudna modulacija signala, a više od 30MHz jedna od ugaonih modulacija (FM ili PM). Ukupni frekvencijski opseg je podijeljen u skladu sa standardima prema namjeni, uz preporučeno korištenje određene snage predajnika i pogodnog tipa modulacije. Npr. predajnik na srednjim talasima (500 – 1600 kHz) koristi snagu od oko 1MW i amplitudnu modulaciju. Iz teorije o prostiranju elektromagnetnih talasa (EM) je poznato da se EM talasi različito prostiru u zavisnosti od toga da li je dan ili noć, iz razloga što se jonosfera bitna za prostiranje EM talasa noću pomiče uvis.

Širina kanala u radio komunikaciji varira od frekvencijskog opsega na kojem se komunikacija odvija, pa tako npr. za srednje talase (AM) širina kanala iznosi 9kHz, a za ultrakratke talase (VHF, FM) oko 150kHz. Za prenos TV programa klasičnim metodama širina kanala iznosi 5MHz, s tim što u TV prenosu imamo mnogo više informacija za prenijeti od predajnika do prijemnika, dakle, pored tona (muzika, govor) i pokretnu sliku. U nastavku prikažimo blok-šeme radio predajnika u zavisnosti od tipa modulacije koja se u istoj koristi. Blok-šema radiopredajnika s AM modulacijom prikazana je na Slici 2.1. Ovdje možemo ukratko opisati elemente blok-šeme. Oscilator koji se koristi može biti tipa: Meissnerov, „u tri tačke“ – Hartleyev ili Colpitzov, kvarcni itd. Oscilator je „srce“ sistema jer: 1. određuje noseću frekvenciju i 2. mora imati vanredno tačnu i stabilnu frekvenciju.


4

Tačnost oscilatora treba da se kreće u granicama 86 1010 −− − ili još više, a stabilnost u granicama 106 1010 −− − . Stabilnost oscilatora znači sposobnost oscilatora da u određenom intervalu vremena održi frekvenciju koju generiše. Ovdje ćemo dati samo jedan mali primjer kako tačnost od recimo 0,1% nije nikako dobra ako koristimo frekvencije za prenos od oko 100MHz, jer to znači da su nam odstupanja 100kHz, a to nije malo. Što je veća snaga predajnika zahtijeva se i veća tačnost & stabilnost. Zato je najbolje koristiti kvarcne oscilatore, barem u radiotehnici, jer postoje i mnogo tačniji & stabilniji oscilatori, ali imaju druge namjene. Za stabilnost oscilatora se koriste i termokomore s obzirom da je kvarc osjetljiv na temperaturne promjene. Napon napajanja koji se dovodi na oscilator se posebno filtrira i stabiliše.

Slika 2.1 – Blok-šema AM predajnika

Odvojni stepen ima osnovnu ulogu da „ušuška“ oscilator. U principu, odvojni stepen je pojačavač čije pojačanje nije bitno, jer samo treba da spriječi povlačenje snage iz oscilatora kojim bi se mogla poremetiti stabilnost frekvencije oscilatora.

Slika 2.2 – Otpornost R se oslikava na primarno kolo i vuče snagu preko međuinduktivne sprege Pojačavač snage radi u klasi „C“. Za signal to znači da se jako izobliči u odnosu na svoj originalni oblik (ali to nije bitno mnogo, jer je informacija pohranjena u frekvenciji koja se ne izobličava), ali isto tako, s pojačavačem snage u klasi „C“ postiže se velika iskorištenost uložene snage u kolo. To je razlog što (amplitudnu) modulaciju ne vršimo na pojačavačima napona, nego na pojačavačima snage. Da bi signal iz donje grane sklopa sa Slike 2.1 mogao parirati signalu iz gornje grane sklopa, potrebno je da pojačavač snage (u „C“ klasi“) koji ujedno predstavlja i modulator, te NF pojačavač snage moraju biti „bliski“. To u praktičnim primjenama znači da je potrebno ugraditi komponente za prilagođenje tipa dvije elektronske cijevi za NF pojačavač i jednu elektronsku cijev za pojačavač snage. Pojačavač u „C“ klasi ima približno iskorištenje

%65≈η (ostatak od 35% ode na toplotu), a pojačavač u klasi „B“ ima iskorištenje %30≈η .

Odvojni stepen povlači konstantnu snagu iz oscilatora bez obzira šta se veže na njegov izlaz tj. koji je sljedeći stepen u sklopu. Iza odvojnog stepena slijede pojačavači napona i snage. Primjer „odvajanja“ signala je prikazan na Slici 2.2.


5

Nedostatak predajnika AM signala je velika instalisana snaga na izlaznim komponentama i veliki gubici. Primjer: u Visokom su instalisana dva AM predajnika snage 300kW s odgovarajućim (štap) antenama, a oslobođena toplota se odvodi vodom. Prednost AM predajnika je uzak spektar pri modulaciji. Na Slici 2.3 je prikazan amplitudno modulisani (AM) signal. Frekvencija AM signala je jednaka frekvenciji nosioca, a amplituda AM signala se mijenja u ritmu NF ili korisnog signala.

Slika 2.3 – AM signal

Slika 2.4 – Amplitudno-frekvencijska karakteristika AM signala i raspodjela snage na nosilac i bočne komponente


6

Ako posmatramo Sliku 2.4 i to raspodjelu snage, možemo reći da na nosilac se utroši 50% snage, a nosilac ne nosi korisnu informaciju nego jedna od dvije bočne komponente. Dakle, korisna snaga je sadržana u 25% ukupne snage signala, dok se ostatak od 75% utroši na toplotu. Ako odbacimo nosioca i jednu bočnu komponentu, ostaje nam jedna bočna komponenta s korisnim signalom. Takav signal nazivamo SSB (eng. Single Side Band – jednobočni opseg) modulisani signal. U praksi se uz SSB signal emituje tzv. potisnuti nosač (umanjen po amplitudi), a snaga se koncentriše na gornji opseg frekvencija. Ako se ipak potpuno ukida nosač, onda se u frekvencijski opseg namijenjen za obični AM signal, može smjestiti duplo više radio predajnika tj. njihovih kanala. Problem je što su sve smetnje i šumovi u prirodi uglavnom amplitudnog karaktera, a rijetko frekvencijskog, i to smanjuje kvalitet signala.

* * * Blok-šema radiopredajnika za FM modulaciju prikazana je na Slici 2.5., a na Slici 2.6 je prikazan frekvencijski modulisani signal (uz signal nosača i korisni signal).

Slika 2.5 – Blok šema FM predajnika

Oscilator u sklopu FM predajnika daje osnovnu frekvenciju, ali ne istu kao što ćemo je imati na izlazu. Iza oscilatora se nalazi odvojni stepen, a zatim umnožavač stepena ili umožavač frekvencija, gdje je n – cijeli broj. Umnožavač frekvencija množi osnovnu frekvenciju n puta. Pojačavač napona „prečišćava“ signal od smetnji. NF pojačavač je male snage i obično ima jedan tranzistor, te je uloga NF pojačavača da „omekša“ prelaz između izvora signala i oscilatora, tek da ne se ulaznim signalom ne „upada“ direktno na oscilator. Slika 2.6 – Signal nosača (ref. Frekvencija oscilatora), korisni signal koji utiče na varicap diodu i frekvencijski modulisan signal


7

Sama frekvencijska modulacija se vrši u kolu oscilatora.

Slika 2.7 – LC kolo Ako se radi o običnom LC kolu (Slika 2.7), onda se može mijenjati L ili C, ali je to komplikovano, jer treba napraviti zavisnost L ili C od promjena ulaznog signala. Jednostavnije je postaviti u kolo VARICAP diodu.

Slika 2.8 – p-n prelaz

Slika 2.9 – U-C karakteristika varicap diode Šema oscilatornog kola u sklopu oscilatora (npr. Meissnerovog) s varicap diodom izgleda kao na Slici 2.10.

Slika 2.10 – Oscilatorno kolo s varicap diodom za FM

1C za visoke frekvencije predstavlja veliku otpornost.

Kvalitet kola je: rL

Q 0ω= .

Rezonantna frekvencija oscilatora se može izračunati pomoću Thompsonovog obrasca:

LCf

π21

0

Kako promijeniti rezonantnu frekvenciju oscilatora?

Varicap dioda je inverzno polarisana dioda: širi se p-n prelaz (Slika 2.8) i raste kapacitivnost za odgovarajući polaritet doveden na istu.

Karaktiristika varicap diode je približno jednaka kvadratnoj karakteristici i kao takva je kompatibilna s Thompsonovim obrascem, a to znači da je zavisnost napona i frekvencije u konačnici – linearna. Kapacitivnost varicap diode je definisana

kao i kapacitivnost običnog kondenzatora: dSC ε=


8

Uloga otpornika velike otpornosti (R>>) je zaštita od pregorijevanja oscilatora zbog visokog napona, tj. zbog uništavanja Q faktora.

Slika 2.11 – Odnos R i Rdiode Slika 2.12 – Karakteristika diode Osnovni nedostatak ovakve konfiguracije FM predajnika je taj što oscilator „napadamo“ signalom NF pojačavača (bez odvojnog stepena). Direktno spajanje NF pojačavača na oscilator umanjuje tačnost i stabilnost rezonantne frekvencije oscilatora. Zato se ova šema FM predajnika rjeđe koristi.

Frekvencijski modulisan (FM) signal ima širi spektar u odnosu na AM signal. Da bi se dobila velika stabilnost i tačnost frekvencije oscilator se pravi za neku manju rezonantnu frekvenciju od one frekvencije koju zrači predajna antena. Rezonantna frekvencija oscilatora se umnožava u umnožavaču/ima frekvencije određeni broj puta:

knnnN ⋅⋅⋅⋅= 21

obično 20 do 50 puta. Umnožavanje frekvencije se obavlja u kaskadi umnožavača u kojoj svaki od umnožavača množi ulaznu frekvenciju 2 ili 3 puta. S obzirom da u samo jednom dijelu karakteristike varicap diode imamo linearnost, modulaciju vršimo na početnom dijelu FM predajnika. Umnožavanjem dobijemo potreban nivo modulacije. Umnožavači na izlazu ne daju „čist“ signal jer umnožavanju podliježu i neki neželjeni harmonici signala. Pojačavač napona „čisti“ signal od viših harmonika, tako da se dobije signal jedne frekvencije i takav je signal priprema za ulaz u pojačavač snage. Između pojačavača snage i antene se postavljaju filteri (kako se kanali / frekvencije ne bi preklapali), koji su nekad sadržani u izlaznom stepenu. Filter obično nema operaciono pojačalo i pasivan je (s velikim vrijednostima L i C). Kako ukloniti nedostatak date konfiguracije FM predajnika („napad“ na oscilator)? Korištenjem faznog modulatora (za PM signal).

Varicap dioda ima jako veliku otpornost:

10010 ÷= diodeR

R

i na bazi je Si.

U slučaju da imamo kvarcni oscilator, imamo manju promjenu frekvencije. Na Slici 2.13 je prikazana impedansna karakteristika kvarca (iznad ordinate, kvarc se ponaša kao da je induktivna, a ispod – kao kapacitivna komponenta). Slika 2.13 – Impedansna karakteristika kvarca


9

* * * Blok-šema radiopredajnika za PM modulaciju prikazana je na Slici 2.14.

Slika 2.14 – Blok šema modulatora za PM signal

Do sada smo se susretali s obrtanjem faze za °180 u spojevima s tranzistorom čiji je emiter uzemljen ili u spoju sa zajedničkim emiterom (ZE). Ako posmatramo Sliku 2.15 vidimo da van frekvencijskog opsega ZE stepen ne obrće fazu za °180 zbog uticaja rednih i parazitnih kapaciteta.

S obzirom da ne postoji velika razlika između FM i PM modulacije (osim matematski), obje modulacije zovemo jednim imenom – ugaona modulacija. Ali i matematski kad analiziramo odnos FM i PM možemo reći sljedeće: integral i izvod xsin i xcos su isti, jer je razlika između tih funkcija 2

π . Integral faze je frekvencija, odnos izvod frekvencije je faza.

PM ima nešto širi spektar u odnosu na FM, ali to se u praksi i ne vidi. Nakon prvog stepena umnožavanja signala, razlike između PM i FM signala nema. Sad se zahtijeva veliko N.

Međutim, ako simuliramo parazitne kapacitete postoji mogućnost da promijenimo fazu. Sve ovo važi ako u kolektoru običnog sklopa s tranzistorom u spoju ZE imamo otpornik R. Ako u kolektoru tranzistora imamo LC kolo, onda je A-f karakteristika drugačija. A prema blok šemi sa Slike 2.14 svi su blokovi sklopa s LC kolima. Mi se obično služimo elektroničkim šemama s FET tranzistorima, a to su, kako znamo, komponente osjetljive na napon (a ne na struju). Slika 2.15 – A-f i f−ϕ karakteristika tranzistora


10

Fazna modulacije je, dakle, ugaona. Fazni stav između U i I je °90 , ali se zbog linearnosti koristi °60 . Nakon prvog stepena dolazi do integriranja signala, pa se fazna modulacija i praktično pretvara u frekvencijsku. Potreban je veliki broj umnožavača da bi se dobio potrebni nivo modulacije. Ovakav se način dobivanja FM preko PM često primjenjuje. Pri tome je poželjno da oscilator ima frekvenciju koja se može mijenjati. Oscilator je uglavnom kontrolisan nekim integrisanim kolom, te ima stabilnu frekvenciju i fazu.


11

3. OSCILATORI Oscilator koji se dosta koristi u radiotehnici je Meissnerov oscilator i prikazan je na Slici 3.1.

Slika 3.1 – Šema Meissnerovog oscilatora Oscilator je pretvarač jednosmjerne u naizmjeničnu energiju (sa željenom amplitudom i frekvencijom). Iako neki autori oscilator nazivaju generatorom naizmjeničnog signala, to nije korektno. Oscilator ima selektivnu pozitivnu povratnu spregu i osciluje za 1≥A , gdje je A – pojačanje. Ako je β - koeficijent povratne sprege, može se pisati da za oscilatore vrijedi:

1=⋅ βA

Ako se pogleda šema Meissnerovog oscilatora, može se reći da SR i SC određuju radnu tačku FET tranzistora. Pozitivna povratna sprega znači da je ukupan obrt faze u kolu jednak

°360 ili nula. U slučaju Meissnerovog oscilatora važi da je: °=°× 3601802 , tj. prvi obrt faze od °180 je na samom FET-u (u spoju sa zajedničkim source-om), a drugi obrt faze od °180 se ostvaruje na induktivno spregnutom kolu (usaglašeni krajevi).

Ako se poveća sprega (koeficijent M), zbog povećanja koeficijenta povratne sprege β , onda u prelaznom periodu važi:

1>⋅ βA . A onda se opet oscilator vraća na „normalni“ režim rada, tj. 1=⋅ βA . Znači, pojačanje A se u tom slučaju smanjuje.

ii RSA ⋅=

Slika 3.2 – Ulazno-izlazna karakteristika FET-a


12

S označava strminu karakteristike FET tranzistora u sklopu Meissnerovog oscilatora i važi:

G

D

UIS

∆∆

= . iR predstavlja otpornost LC kola. Gore je navedeno da se pojačanje smanjuje,

kad se poveća koeficijent povratne sprege, a to znači i da se dinamička strmina smanjuje u skladu sa Slikom 3.2. Važi i obrnuto. Što je sprega induktivno spregnutih kola manja (M, odnosno β ), to je pojačanje A veće, a upravo se tome i teži kod oscilatora. Spregu ipak ne treba previše smanjiti da oscilator ne bi postao pojačavač. Veća povratna sprega od neke nominalne (pre)opterećava oscilator. Dakle, oscilator treba optimizirati regulisanjem povratne sprege, da bi se postigla zadovoljavajuća amplituda, stabilnost i kvalitet. Miješanjem frekvencija dva oscilatora (zbog određene potrebe) može doći do pojave „povlačenja“ frekvencije (Slika 3.3).

Slika 3.3 – Miješanje frekvencija dva oscilatora


13

4. PLL SISTEM KONTROLE FREKVENCIJE

Razvojem mikroelektronike došlo se do PLL sklopa. PLL je akronim za Phase Lock Loop (petlja zaključana po fazi).

Slika 4.1 – Blok šema PLL sklopa

Objašnjenje šeme PLL sklopa: • Kvarcni oscilator daje tačnu i stabilnu frekvenciju. Kvarcni oscilator obezbjeđuje konstantnu frekvenciju, dok se drugi oscilator (naponom upravljani) dovodi na blisku frekvenciju, a izlazni signali oba oscilatora nakon što se provedu kroz digitalne djelitelje frekvencija se vode na fazni komparator, odakle se uzima fazna razlika. Kvarci oscilator generiše frekvencije do 30MHz. • Prije ulaska sinusiodalnog signala u digitalni frekvencijski djelitelj vrši se obrada signala u digitalnu formu. Digitalnim frekvencijskim djeliteljima se može upravljati iz vanjskog izvora, po želji. Digitalni djelitelj frekvencije može biti npr. niz RS flip-flopova (brojač) sa predupisom, a čine ga milioni elektronskih komponenti. • Naponom upravljani oscilator u svom sklopu obično ima varicap diodu, kojoj mijenjajući kapacitivnost (u zavisnosti od ulaznog napona), mijenjamo frekvenciju na izlazu tog oscilatora. Ovdje se može postaviti i RC oscilator (R bi bilo promjenljivo) s FET tranzistorom kojem se preko gate-a mijenja napon, itd. Da bi mogli uporediti fazne stavove ulaznih signala u fazni komparator, potrebno je pretpostaviti:

Nf

Mf Qizl = ili III ff =


14

Fazni komparator na izlazu daje impulse iste amplitude, ali različite širine, zavisno od faza. Filter jednosmjerne komponente izvlači jednosmjernu komponentu koja koriguje naponom upravljani oscilator. Korekcija se vrši dok je III ff = i petlja se zaključava po fazi. Tada je

sistem u kvazi-ravnoteži: Qizl fNMf = .

Faktori dijeljenja M i N su cijeli brojevi, te ih možemo mijenjati zavisno od potrebe i na izlazu dobijamo frekvenciju po želji. Ranije smo rekli da Qf nosi stabilnost. Veliki dio ili cijeli PLL sklop se danas izrađuje u integrisanoj tehnici, dakle u chipu. Obično kvarcni oscilator bude urađen u diskretnoj tehnici. Primjer primjene PLL-a je digitalna skala radio-prijemnika. PLL petlja može služiti i kao FM detektor ili demodulator ugaono modulisanih signala. PLL se takođe može koristiti i u šifriranju poruka zbog mogućnosti „skakutanja“ po frekvencijama kako predajnika, tako i prijemnika. PLL uvijek koristimo kada trebamo tačan i stabilan sistem.

Slika 4.2 – Poređenje frekvencija u faznom komparatoru

Važni parametri PLL petlje su: 1. sinhronizam ili brzina odziva sistema; 2. opseg frekvencija hvatanja hf - opseg izlaznih frekvencija u kojem će PLL sigurno

„skočiti“ ili ući u sinhronizam;

3. opseg frekvencija držanja df - opseg frekvencija unutar kojeg možemo lagano mijenjati frekvenciju, a istem ostaje u sinhronizmu.

Slika 4.3 – Brzina odziva sistema, vrijeme ulaska u sinhronizam Na dijagramima (Slika 4.4) su prikazani unipolarni signali, iako su u praksi ovi signali bipolarni.

Šta ako se frekvencije If i IIf ulaznih signala u fazni komparator toliko razlikuju da se njihove faze ne mogu porediti? U tom slučaju se koristi frekvencijski komparator, a za vrijeme dok se porede bliske frekvencije u frekvencijskom komparatoru, fazni komparator je van funkcije.

Važi da je opseg frekvencija držanja veći od opsega frekvencija hvatanja:

hd ff > . Brzina stupanja u sinhronizam, kao i kvalitet rada PLL petlje, zavisi od rada filtera.


15

Slika 4.4 – Signali na ulazu u komparator i izlazni signal (u tački B) iz komparatora

Dakle, fazni stav je konstantan za .0 constU = , te je izlf konstantno i sistem se „zaključao“. U PLL petljama se koriste i sistemi višeg reda za regulaciju faznog stava. Primjer sistema višeg reda je najprostiji integrator (Slika 4.7).

Slika 4.5 – Funkcija promjene širine impulsa; isto što i Slika 4.2

Objašnjenje rada varicap diode: kada 0U raste, raste i napon na varicap diodi, a kapacitet pada. Tada frekvencija

If raste i faza ostaje ista. C

X c ω1

=

Slika 4.6 – Karakteristika varicap diode


16

Fazni stav neće biti nula korištenjem filtera jednosmjerne komponente. Od reda filtera zavisi da li će fazni stav biti nula ili ne. Uglavnom se sistemi višeg reda prave da se fazni stav anulira.

Slika 4.7 – Integrator, za regulaciju faznog stava Frekvencije If i IIf ulaznih signala u fazni komparator su obično reda 10kHz, što je pogodno jer ne zahtijeva komplikovane komponente (npr. za više frekvencije), a i sistem je jednostavnije „zaključati“ na ovim frekvencijama. PLL petlju je nemoguće realizirati za frekvencije reda 10GHz. Ako postoji potreba za generisanjem ovih frekvencija, onda se obično frekvencija PLL sistema miješa sa frekvencijom nekog vanjskog oscilatora (Slika 4.8).

Slika 4.8 – Miješanje frekvencija za potrebe dobivanja viših frekvencija


17

5. MAGNETRONI

Oscilatori koji se baziraju na radu magnetrona jedine su komponente određene vrste predajnika. Ti su predajnici – radarski predajnici ili primarni radari. Od takvog oscilatora se zahtijevaju oscilacije velike snage i visoke frekvencije. Dakle, magnetron je u suštini kompletan predajnik (+ generator).

Slika 5.1 – Sinusoidalan oblik EM talasa

Talasna dužina elektormagnetnih talasa (koji se generišu u magnetronu) je: fc

=λ .

Zašto poluprovodničke komponente ne mogu ostvariti oscilacije velikih snaga i visokih frekvencija? Vremena kašnjenja (odziva) ograničavaju korištenje poluprovodničkih komponenti na visokim frekvencijama. Zatim, traži se velika snaga IUP ⋅= , a to je teško ostvariti zbog postojanja parazitnih kapaciteta.

Koaksijalni kabl koji se koristi ima ulogu talasovoda, ali i filtera jer propušta samo određenu frekvenciju f (ili uzak opseg frekvencija) ili njen umnožak fn ⋅ . Slika 5.2 – Koaksijalni kabl kao talasovod

Objašnjenje uz Sliku 5.3: Šupljina koja vodi iz rezonatora predstavlja antenu koja vodi rezonantnu frekvenciju. Rezonantna frekvencija zavisi od dimenzija rezonatora. Mlaz elektrona izaziva oscilovanje u rezonatorima.

Slika 5.3 – Jedna rezonantna šupljina magnetrona (rezonator) sa šupljinom kao izvodom energije


18

• Katodne cijevi

Magnetron se može posmatrati i kao dioda ili elektronska cijev (Slika 5.5).

Slika 5.5 – Magnetron: katoda je negativno naelektrisana i elektroni iz oblaka kreću ka anodi

Slika 5.6 – Impulsni režim rada magnetrona

Šta ako elektronski top daje elektronski mlaz određene brzine, a i simulira skretanje? Slika 5.4 – Skretanje elektronskog mlaza pod uticajem magneta

Magnetron radi u impulsnom režimu rada: 1ms radi, a 20ms ne radi tj. relaksira se. Impulsi koje generiše magnetron imaju snagu reda MW. Magnetroni registruju pokrete. (Slika 5.6)

Katoda se zagrijava do velikih temperatura izlazni rad. Brzina elektrona zavisi od napona. Stvara se snažno magnetno polje, elektromagnetne indukcije B . Čim elektron krene (početak impulsa), magnento polje ga skrene po pravilu „desne ruke“. Onda se u Cu indukuje struja koja će početi da mijenja svoje polaritete.

Elektron sada gubi brzinu i zalet, ali onda ga više ništa ne vuče, pa opet pravi zaokret i to se ponavlja sve dok ne dođe do anode gdje se oslobađa. Svakim svojim zaokretom elektron izgubi kinetičku energiju i dio brzine. Elektron pravi 5-7 „hopova“ ili zaokreta prije nego dođe do anode.


19

Frekvencija koja nastane ovakvim tipom oscilovanja je reda GHz. Primjer: izvodi energije iz oscilatora (Slika 5.7).

Slika 5.7 – Izvodi energije iz oscilatora


20

6. VF POJAČAVAČ NAPONA U KLASI „C“ (ODVOJNI STEPEN)

Visoko-frekvencijski pojačavač napona u „C“ klasi predstavljen je u sklopu s FET tranzistorom koji je kao komponenta – naponski pojačavač (za razliku od bipolarnog tranzistora koji predstavlja strujni pojačavač).

Slika 6.1 – Elektronska šema VF pojačavača napona (u klasi C)

FET takođe ima i pozitivni temperaturni koeficijent i pandan je elektronskoj cijevi. Na šemi prikazani SR i SC predstavljaju zaštitu tranzistora u slučaju da bude 0=GU , da ne bi struja nekontrolisano potekla kroz tranzistor. Tzv. blok-kondenzator BLC blokira prolazak impulsne (naizmjenične) struje kroz izvor, dakle, predstavlja zaštitu, a veže se na najkraćem putu od tačaka A i B. Komponente L i C imaju veliku otpornost na rezonantnoj frekvenciji.

U odvojnom stepenu pojačanje zapravo i nije bitno: Di RSA ⋅= , a ovdje iS predstavlja strminu karakteristike FET tranzistora i DR je dinamički otpor. Posmatrano na statičkoj karakteristici FET-a, pU predstavlja napon prekida.

Za pG UU > i 0=ulU struja je 0≈DI . Kako bismo prikazali pojačanje ulaznog signala na

karakteristici FET-a )( GD UI , potrebno je da karakteristiku zamislimo kao ogledalo. Ulazni signal na FET-u je zapravo signal doveden na ulaz pojačavača superponiran na GU . Struju ograničava unutrašnjer koje se mijenja sa promjenom ulU . (Slika 6.2)

U periodima kada FET vodi, odnosno pojačava ulazni signal i na izlazu imamo impuls, tada kažemo da FET radi u prinudnom režimu oscilovanja, a taj se period vođenja naziva i uglom vođenja. Za to vrijeme struja nabije kondenzator C, a ne prolazi kroz induktivitet L, a zatim se kondenzator C prazni na L. Za vrijeme ugla vođenja α , pojačavač se kao i FET nalazi u prinudnom režimu rada. GU ne smije preći ordinatnu osu da tranzistor ne bi došao u stanje vođenja.


21

Slika 6.2 – Signali na gate-u i drain-u FET-a u sklopu pojačavača u C klasi

Slika 6.4 – Zavisnost izlaznog napona od unutrašnje otpornosti (koja zavisi od frekvencije)

Sinusioda izlaznog signala je idealnija što je ugao vođenja ili oscilovanja α veći. (Slika 6.3) U biti, svaki pojačavač je pojačavač snage. Na ulazu dovedeno <<ulI postaje na izlazu >>ulI . Slika 6.3 – Izlazni signal iz pojačavača


22

Napon napajanja DDU bez obzira na stabilizator nije fiksan, pa korištenjem blok-kondenzatora BLC sprječavamo pojavu lažnih impulsa. Tačka „D“ je „vruća tačka“, a tačka „A“ je „hladna“ tačka.

Slika 6.5 – Kondenzatori u sklopu

Automatsko dobijanje prednapona

Ako pogledamo šemu pojačavača u „C“ klasi, vidjećemo da se koristi dodatni izvor na gate-u FET-a, što je vrlo nepraktično. Dodatni izvor GU− predstavlja i dodatni gabarit, a samim tim i podiže cijenu sklopa. Iako postoji blok-kondenzator BLC uz ovaj izvor, ostaje mogućnost da kolo zaosciluje s ostalim ulaznim i izlaznim kolima što je svakako neželjena pojava. Sve navedeno rješava tzv. automatsko dobijanje prednapona (Slika 6.6).

Slika 6.6 – VF pojačavač napona u C klasi i automatsko dobijanje prednapona

GC ima rezervu napona: GU− . >>GR ili GR je dosta velikog iznosa. Prekoračenje Gu preko ordinate otvori FET, a struja se zatvori prema ulazu. Negativna poluperioda nabija GC , a struja se zatvara kroz GENR i GR , ali ne može isprazniti GC (koji je rezerva napona GU− ). Tako gate ostaje na „minusu“, a upravo to predstavlja automatsko dobivanje prednapona.

Ako se sad uporede dijagrami sa Slika 6.2 i 6.7, onda se može primijetiti razlika u sljedećem. Sa prednaponom ( GU− ) se reguliše položaj radne tačke na ulazno-izlaznoj karakteristici FET-a, što predstavlja prvi slučaj. Ako fiksnog prednapona na gate-u nema, onda se sklopom, kao sa Slike 6.6 postiže da se automatski, nakon kratkog vremena, napon na gate-u stabiliše, ali se kontrola radne tačke tad postiže isključivo regulacijom amplitude ulaznog

Keramički kondenzator može pratiti brzu promjenu impulsa, dok elektrolitski kondenzator ima ulogu da spriječi uticaj sporih varijacija napona na rad sklopa. Elektrolitski kondenzator je trom (joni su „teški“) i ima svoju polarizaciju. U sklopu se ne smiju zamijeniti polariteti elektrolitskog kondenzatora. Za postizanje veće frekvencije, kapacitivnosti kondenzatora moraju biti što manje.


23

signala. Kad se napon Gu stabiliše, onda vrhovi amplituda i dalje prelaze osu, ali su manjeg iznosa u odnosu na početnu.

Slika 6.7 – Dijagram ulazno-izlazne karakteristike FET-a i signala na ulazu i izlazu FET-a u C klasi

Eventualni problem koji može nastati u radu je: nelinearnost karakteristike FET-a oko tačke prekidnog napona pU jer to dalje vodi izobličavanju izlaznog signala tj. )(tI D , što znači da je moguća i pojava viših harmonika i sve to može imati uticaja na predajni signal.


24

7. UMNOŽAVAČ FREKVENCIJA

ulfnLC

f ⋅==π2

10

Slika 7.1 – Elektronička šema umnožavača frekvencija

Ulazna frekvencija ulf je fiksna, a izlazna 0f se podešava promjenom L ili C. Radnu tačku tranzistora određuje GU− . Komponente SR i SC predstavljaju zaštitu od pregaranja FET-a. Uzima se da je faktor umnožavanja frekvencije cjelobrojan i važi da je: ,...3,2=n Ako se pogleda dijagram sa Slike 7.2, može se reći da pozitivne poluperiode otvaraju tranzistor i tada je oscilatorno LC kolo u režimu prinudnog oscilovanja i ulazna struja se samo preslika (uz odgovarajuće pojačanje) na izlaz. Dakle, tada FET vodi, Kad dio periode struje prođe iza prekidnog napona, FET se zakoči. Tada je kolo prepušteno samo sebi i osciluje frekvencijom 0f . To je slobodni režim oscilovanja.


25

Slika 7.2 – Ulazni i izlazni signali u umnožavač frekvencija za n=2 Ako je 2=n , sljedeći impuls se pojavljuje nakon dvije poluperiode. Ako je kvalitet LC kola velik ( >>= r

LQ ω ), tada su amplitude signala (kad je FET u prinudnom i slobodnom režimu)

bliske, odnosno slabljenje je malo. Na zavojnici se inače dešava „propad“ napona. Dakle, za 2=n , θ mora biti oko °90 (inače imamo slučaj kao na Slici 7.3). Pola periode je prinudni

režim oscilovanja, a 1,5 periode je slobodni režim.

Slika 7.3 – Izlazni signal za slučaj da je °≠ 90θ

Radna tačka se podešava da °≤ 90θ za 2=n i ne predstavlja veliki problem ako ugao vođenja bude nešto manji od °90 . Koliko će prigušenje biti u slobodnom režimu, to zavisi od kvalitete LC kola. Anvelopa će imati istu frekvenciju kao ulazni signal. Ako je 3=n , onda je °≈ 60θ u odnosu na ulazni signal. A što se tiče izlaznog signala, on ostaje isti: °180 . Radna tačka mora ići dublje u C klasu. U slučaju da je °> 60θ , onda se sve mora pomijerati, posebno ulf , da bi se stigla frekvencija ulfn ⋅ , što je krajnje nezgodno. Manji je problem ako je °< 60θ .

Slika 7.4 - Ulazni i izlazni signali u umnožavač frekvencija za n=3

Radna tačka mora biti stabilna, što određuju GR i GC , a u praksi se ne dodaje izvor GU− u sklop (tj. koristi se automatsko dobivanje prednapona). Pošto je praktično teško ugoditi


26

vrijednosti GR i GC , zbog tolerancije i preferiranih vrijednosti, konstruktori onda zadaju manje θ . Umnožavači s 4=n se obično ne prave jer se u toku slobodnog režima oscilovanja amplituda toliko oslabi, da se postavlja pred pojačavač zadatak da isto ispravi. Kada se zahtijeva umnožavanje frekvencije veće od 3, onda se formiraju kaskade umnožavača sa 2 i 3 itd., pa konačan sklop ima faktor umnožavanja tipa: ⋅⋅⋅⋅⋅= 232N Specifični su slučajevi kada se zahtijeva umnožavanje frekvencija npr. 7 ili 11 puta. U tom se slučaju podešava ulazna frekvencija. U profesionalnim primjenama koriste se samo umnožavači 2 i 3 puta. Umnožavači se obično izvode u diskretnoj tehnici, a skoro nikad u integrisanoj. Volumen sklopa treba biti oko 32cm . Faktor umnožavanja do kojeg se često ide je

3021 =⋅⋅⋅⋅= knnnN što se realizuje s 4 sklopa. Može se još napomenuti da djelovanje parazitnih kapacitivnosti ( DSC ) u umnožavaču frekvencija nije zanemarljivo. Iza umnožavača frekvencija opet dolazi pojačavač u C klasi, da poravna amplitude, a iza njega slijedi – VF pojačavač snage.


27

8. POJAČAVAČ SNAGE VF SIGNALA

Slika 8.1 – Elektronička šema pojačavača snage VF signala

Ovaj je sklop prilagođen za niže frekvencije (ne npr. za 100MHz). Oscilatorno kolo 21LCC je π -filter tj. četveropol za odgovarajućom ulaznom i izlaznom otpornošću ulr i izlr . Napajanje

DDU je „visoki“ napon (reda 100V) i zato se komponente C i L stavljaju samo na naizmjeničnu komponentu, pa imamo zaštitu kad uštimavamo 1C i 2C . Izlaz iz skopla su obično standardni kablovi otpornosti Ω50 ili Ω75 koji vode na antenu. Na izlazu dakle mora postojati impedansno prilagođenje. 1 Za filter važi: >>ulZ i <<izlZ .

Slika 8.2 - π -filter s varničarom

Slika 8.3 – Filter na izlazu VF pojačavača snage 1 Osciloskop se veže preko koaksijalnog kabla koji je asimetričan, a unimer se veže simetrično.

Razlika je u faznom stavu te su potrebna podešavanja od 2λ .

Iz elektroenergetike važi: PG RR = za maksimalni (optimalni prenos energije). Impedansno prilagođenje se vrši da bi se anteni prenijela što veća energija. Optimalna konstrukcija koaksijalnog kabla je na impedansi Ω50 i to je postao standard. Šema se Slike 8.2 se češće koristi jer je lakše proizvesti promjenljivo C.

Šema sa Slike 8.3 je komplikovana za napraviti zbog mehaničkih promjena u sklopu tj. promjenljivog L. Ova šema takođe ima veliki nedostatak, jer antena „lebdi“ tj. nema adekvatnog uzemljenja. Šeme sa prethodnih slika se odnose na predajnike velikih snaga.


28

U prethodnom tekstu je pomenuta važnost uzemljenja. Funkcija gromobrana je da prenosi potencijal Zemlje; jonski neutrališe prostor oko sebe i time odbija gromove od sebe. Standard je da je otpornost uzemljenja Ω≤ 2uzemljenjaR . Zaštite radi se koristi i varničar (za >>U ), slično varistoru )(URR = , a podnosi intenzitete struje reda kA. Dobra energetska zaštita je katodni odvod. Na izlaznom stepenu traži se energija. Kako dakle napojiti taj stepen? Koriste se driver-i ili predizlazni stepen (predsklopovi, pojačavači), a povezani su međuinduktivnom spregom (koju je teško korigovati) za >f ili međukapacitivnom spregom za <f . Za još više frekvencije se ne koristi π -filter već neki drugi. Predajnik stvara nosilac i u to treba „ukomponovati“ originalni, korisni signal. Modulator je moguće realizovati na pojačavaču snage za VF signal. Jedan vid amplitudne modulacije je Morzeova abeceda tj. kod (koja funkcioniše na principu „ima signala, nema signala“ – digitalno, jednostavno). Morzeov kod ima nekih prednosti, ali više nedostataka.


29

9. AMPLITUDNA MODULACIJA I MODULATORI

Slika 9.1 – Nosilac, korisni signal i modulisani signal; spektar AM signala na donjoj slici Na Slici 9.1 su prikazani oblici signala: nosioca (VF), korisnog signala (NF) i amplitudno modulisanog signala (AM), te je prikazan i spektar AM signala. AM signal se po amplitudi može sniziti do nule, a teoretski ne može biti modulisan preko 100%. Idealno bi bilo izvesti 100% modulaciju čime se maksimalno iskorištava sistem (Slika 9.2). U praksi se obično ne izvodi 100%-tna modulacija jer radimo s nelinearnim komponentama koje se „čudno“ ponašaju oko nule, pa bi dobili izobličenja signala.


30

(a) Modulacija na gate-u FET-a

Slika 9.3 – Elektronička šema modulatora za modulaciju na gate-u FET-a Uloga komponenti AM modulatora s modulacijom na „G“:

SPC odvaja visoki napon. VFblC _ ima malu kapacitivnost, te sprječava prolazak signala visoke frekvencije (kao i VF prigušnica). Na gate-u FET-a se sabiru amplitude NF i VF signala, te tako ukupni signal ima oblik zmije (Slika 9.4). Na gornjoj VF prigušnici se dešavaju „propadi“ napona. DI je modulisana jednosmjerna struja u impulsima (samo iznad x-ose). Preko ove šeme modulatora s modulacijom na „G“ ne može se postići visok nivo modulacije pa se koristi za modulaciju govora (opseg frekvencija do 4kHz), ali ne i za muziku (opseg frekvencija do 20kHz). Oko tačke GU− se javljaju velika izobličenja, a inače karakteristiku FET-a smatramo lienarnom, uz taj navedeni nedostatak. Dobra osobina ove šeme je ta da snaga NF signala ne treba biti veća od 5% ukupne izlazne snage za kvalitetno sabiranje i modulaciju. Teoretski nema nikakve NF struje, ali praktično se ipak pojavljuje zbog uticaja parazitnih elemenata. Izvori su vezani u seriju. IUP ⋅= ; <<I , a nama je na izlazu bitan napon U. Pojačanje je oko 20 puta.

Slika 9.2 – 100%-tna modulacija: anvelopa AM signala dodiruje x-osu, a ne prelazi je


31

Slika 9.4 – Modulacija na gate-u FET-a

(b) Modulacija na drain-u FET-a

Slika 9.5 - Elektronička šema modulatora za modulaciju na drain-u FET-a


32

Uloga komponenti AM modulatora s modulacijom na „D“: Korisni signal NFU dovodi se preko modulacionog transformatora te se vrši superponiranje signala s jednosmjernom komponentom DDU . U ovakvoj konstrukciji modulatora imamo familiju karakteristika FET-a (i ulaznih signala, od zavisnosti od NF signala). Radna tačka je fiksna. Snagu nosi jednosmjerna komponenta DDU . Korisni napon NFU mora imati snagu reda DDU da bi se ista mogla superponirati na DDU . Signali se sabiraju u tački drain-a („D“). Sad je NF signal direktno narinut na kolo (ne prolazi kroz FET), pa nema izobličenja, ali se zahtijeva veliki udio u izlaznoj snazi da bi se dobio potreban nivo modulacije: oko 80% izlazne snage predajnika. Dakle, dobra osobina ovog modulatora je ta što nema izobličenja (linearnost), a loša – velika snaga koja se zahtijeva na NFU .

Slika 9.6 – Modulacija na drain-u FET-a U principu je svejedno da li je modulator konstruisan s elektronskom cijevi, FET-om ili bipolarnim tranzistorom. Koeficijenti iskorištenja za pojačavače u određenim klasama su sljedeći: „A“ 10-30% „B“ 30-40% „C“ 60-70%


33

Instalisana snaga na pojačavačkoj komponenti mora biti oko dva puta veća u odnosu na izlaz, tj. na NFU mora biti jako velika instalisana snaga zbog stepena iskorištenja. Zato se

NFU obično dovodi preko pojačavača koji je u klasi „B“, a FET u sklopu modulatora je svakako u klasi „C“. (Praktično se postavljaju iste komponente 2x„B“ i 1x„C“). Bitno je napomenuti sljedeće: da bi se modulacija izvršila, mora postojati neka nelinearna komponenta (npr. dioda, FET itd.), ali su takođe potrebni i filteri. Gore opisane modulacije su klasičnog tipa.


34

10. MODULATOR ZA FM I MΦ SIGNAL

Slika 10.1 – Dio šeme FM modulatora sa karakteristikom VARICAP diode i dijagramom napona

BLC je male kapacitivne otpornosti, a služi da jednosmjerna komponenta 0U ne bi bila vezana na masu. 0R >> je reda ΩM namijenjeno struji VARICAP diode koja je reda nA. Ako je otpornost R mala, kratko vežemo izlaz kola na masu, čime se kvari faktor dobrote Q za f>>. Ne ide se sa jako velikom dubinom modulacije kod šeme sa Slike 10.1, jer se kvari linearnost modulacije.

Svaka promjena frekvencije zahtijeva promjenu faze. Zato je šema za MΦ modulator ista kao za FM modulator. Svaka promjena ekvC izaziva promjenu rezonantne frekvencije, a time i promjenu faze, a na ulazu sad imamo pojačavač, a ne oscilator. U literaturi se za varicap diodu često kaže – reaktivni elementi (tranzistor itd.).

Za veće dubine modulacije i zadovoljavajuću linearnost koristi se šema sa Slike 10.2. Obje diode rade u inverznom režimu, a pošto obje imaju nelinearnu karakteristiku, u određenom trenutku nastupi linearnost. Potreban nivo modulacije se dobije umnožavanjem. Slika 10.2 –Dio šeme za FM modulator koji obezbjeđuje veću linearnost; dijagram s karakteristikama dvije VARICAP diode


35

11. RADIOPRIJEMNICI Osnovne osobine radioprijemnika su:

osjetljivost, selektivnost i frekvencijski opseg u kojem rade.

Osjetljivost je mogućnost prijemnika da primi signal sa antene što manje vrijednosti i da iz tog signala „izvuče“ korisnu informaciju ili to je minimalna indukovana snaga sa antene (naponski je reda Vµ1,0 ). Selektivnost je sposobnost prijemnika da signal željene frekvencije izdvoji iz određenog frekvencijskog opsega, bez smetnji. Idealno izdvajanje signala tj. njegove frekvencije ili opsega frekvencija je praktično nemoguće. Bitno je napomenuti da selektivnost nije širina frekvencijskog opsega.

Slika 11.1 – Selektivnost: idealno i realno izdvajanje signala iz određenog frekvencijskog opsega

11.1 DIREKTNI PRIJEMNICI

Slika 11.2 – Blok šema direktnog prijemnika

Prijemnik, posebno direktni prijemnik, mora da ima veliki broj oscilatornih (LC) kola zbog postizanja što veće selektivnosti. Sva ta LC kola bi trebala biti podesiva teoretski, ali je to praktično neizvodivo, jer je nemoguće proizvesti. Za kvalitetnu selektivnost potrebno je barem 5-6 LC kola u sklopu prijemnika. Između LC kola se postavljaju pojačavači.

Širina frekvencijskog opsega za različite primjene je različita (Slika 11.4). Npr. za telefon, širina frekvencijskog opsega kanala je 4kHz, za TV je 5MHz, a za prenos Morzeove abecede je 50Hz. Slika 11.3 – Frekvencijski opseg oko željene frekvencije, propusni opseg


36

Slika 11.4 – Propusni opseg, kao i selektivnost, je za veće rezonantne frekvencije – veći (ako je kvalitet oscilatornog kola isti)

Ulazno kolo prijemnika vrši prilagođenje signala sa antene, a detekcijom se izdvaja željena frekvencija. Što je više LC kola u sklopu prijemnika, veća je selektivnost. Kod direktnih prijemnika se ne može postići velika osjetljivost, tj. ne može se postaviti veliko pojačanje zbog postojanja povratnih sprega, jer sistem može zaoscilovati.

11.2 PRIJEMNIK SA PROMJENOM NOSEĆE FREKVENCIJE

Slika 11.5 – Blok šema prijemnika s promjenom noseće frekvencije (superheterodini prijemnik)

MF – označava međufrekvenciju, a mješač (eng. mixer) je konvertor frekvencije.

sLOMF fff −=

sf - spektar signala koje treba da prihvati ulazno kolo;

LOf - označava frekvenciju lokalnog oscilatora, a to je zapravo samo pomjerena frekvencija od ulazne za MFf . Iako postoji više MF stepena u kolu (pojačavača međufrekvencijskog signala), MFf je fiksna frekvencija, pa MF pojačavač zapravo predstavlja i filter (propusnik opsega). U sistemima sa elektronskim cijevima samo su dva MF pojačavača, a ako je prijemnik konstruisan sa tranzistorima, onda su obično tri MF stepena. Posmatrano po intenzitetu (voltaži), signal sf je male amplitude, a LOf znatno veće.


37

Problem radioprijemnika je postojanje tzv. dvoznačnosti ili mogućnosti prijema simetrične frekvencije ssf u odnosu na LOf , koja takođe zadovoljava jednakost:

ssLOMF fff −=

Dakle, simetrična frekvencija ssf je takva ulazna frekvencija koja je za MFf udaljena od LOf , ali simetrično od tražene sf .

Slika 11.6 – Odnos željene (prijemne) i simetrične frekvencije

Posljednja zapreka u prijemniku za signal simetrične frekvencije je selektivni pojačavač, tako da ulazno kolo i selektivni pojačavač moraju biti kvalitetni i podešavaju se u odnosu na MFf . Što je međufrekvencija MFf viša, to je uticaj simetrične frekvencije ssf manji. Još jedan metod za eliminaciju međufrekvencije je postavljanje selektivnijih kola na ulaz prijemnika. Međufrekvencija je obično određena standardima i ne uzima se iz prijemnog opsega frekvencija. Primjer za veličine međufrekvencija je: 100kHz, 455kHz (AM radio-difuzija), 10,7MHz (FM radio), 36MHz (za TV prijemnik), 72MHz itd. Podešavanje rezonantnih frekvencija selektivnog pojačavača i lokalnog oscilatora zavisi jedno od drugog (obično su im kondenzatori jednaki i na istoj „poluzi“ koja mijenja njihovu kapacitivnost), jer MFf mora ostati isto tj. konstantno. U savremenim uređajima umjesto kondenzatora se pojavljuju VARICAP diode. Problem radioprijemnika je što svaki sklop, a posebno mješači unose svoj šum. Postoje prijemnici sa dvostrukom promjenom noseće frekvencije (sa dva lokalna oscilatora).


38

12. ANTENA I ULAZNO KOLO

Antena i ulazno kolo su obično objedinjeni u jednom sklopu, a nekad se unutar tog sklopa nalazi i selektivni pojačavač. Obično se koriste antene koje su rezonantne za dati frekvencijski opseg, pa time ujedno vrše i frekvencijsku predselekciju signala. Dimenzije antene se posebno projektuju za prijem (ili predaju) signala određenog frekvencijskog opsega. Primjer je dipol antena prikazana na Slici 12.1.

Slika 12.1 – Dipol antena (rezonantna antena) Funkcija ulaznog kola je prilagođenje ulaznog otpora antene ostatku kola. Ulazno kolo je najčešće LC kolo.

(a) Induktivna sprega se kod ulaznih kola koristi za

prijem signala relativno nižih frekvencija. Statički elektricitet se vodi na masu i time služi kao gromobran.

(b) Prednost šeme s međuinduktivnom spregom je u

tome što masa i uzemljenje u ovoj šemi nemaju veze jedno s drugim.

(c) Kapacitivna sprega se koristi za velike ulazne

otpornosti. Kod ulaznih kola postizanje rezonanse je u drugom planu, jer im je osnovna zadaća – ohmsko prilagođenje antene na ostatak prijemnika. Postoji mnogo vrsta konfiguracija ulaznih kola. Slika 12.2 – Šeme ulaznih kola: (a) induktivna sprega, (b) međuinduktivna sprega, (c) kapacitivna sprega


39

13. SELEKTIVNI VF POJAČAVAČ

Slika 13.1 – Elektronička šema selektivnog pojačavača Sa Slike 13.1 vidimo da je oscilatorno kolo uzemljeno, a u principu može biti postavljeno na mjestu VF prigušnice, međutim, jednostavnije je ako je jedan kraj kondenzatora C uzemljen. Kondenzator iz ulaznog kola i kondenzator u oscilatornom kolu se obično nalaze na jednoj osovini, što znači da se podešavanjem kapacitivnosti jednog, podešava i kapacitivnost drugog kondenzatora. 0U predstavlja jednosmjerni napon za regulaciju pojačanja koji se dovodi sa detektora.

Slika 13.2 – Karakteristika FET-a u sklopu selektivnog pojačavača

Radioprijemik bi trebao da ravnopravno prima i reprodukuje signale emitovane iz blizine i daljine (dinamički opseg). Zato je potrebno regulisati pojačanje (RP) na strani prijemnika, ali se to zbog signala visokih frekvencija ne vrši pomoću potenciometra. Kao što se vidi sa Slike 13.2 u sklopu selektivnog pojačavača se koristi FET kao komponenta s eksponencijalnom karakteristikom. Podešavanjem napona na ulazu FET-a da bude npr. što negativniji GU , radnu tačku dovodimo na manje strmi dio karakteristike, a kako je manja strmina, manje je i pojačanje. Upravo to podešavanje napona se vrši putem RP grane.


40

Ako je 00 =U , pojačanje će biti maksimalno, jer će strmina biti najveća za VU G 2,0≈ (blizu nule). U tom slučaju radnu tačku određuju vrijednosti SR i SC . Ulazni signal je jako mali (reda mV ili još manji), pa se dio karakteristike gdje se radna tačka nalazi i oko koje se „namotava“ signal, može smatrati linearnim, pa se ovdje potencijalna izobličenja zanemaruju. Selektivni pojačavač je uskopojasni pojačavač, odnosno pojačava one signale koji se nalaze na frekvenciji koja je jednaka rezonantnoj frekvenciji selektivnog pojačavača ili se nalazi u blizini te frekvencije, a signale drugih frekvencija ne pojačava. Pojačavač NF signala je širokopojasan, dakle nema selektivnog (LC) kola u svojoj strukturi tj. uopšte nema frekvencijski zavisnih komponenti.

Slika 13.3 – Propusni opseg selektivnog VF pojačavača u poređenju s istim za neselektivni pojačavač (ima otpornik u kolu drain-a)

U radiopredajnicima, kao i u radioprijemnicima vrlo je praktično slijediti unifikaciju. To znači da se u konstrukcijama sklopova koristi što veći broj istih komponenata sa karakteristikom koja je npr. dijelom linearna, dijelom eksponencijalna.


41

14. LOKALNI OSCILATOR Lokalni oscilator služi za samo ovu vrstu prijemnika (heterodini ili sa izmjenom noseće frekvencije). Od lokalnog oscilatora se zahtijeva da daje što „čišću“ sinusoidu, sa što manje izobličenja. Viši harmonici uz rezonantnu frekvenciju lokalnog oscilatora dovode do toga da prijemnik pored željene prima i više neželjenih frekvencija. Lokalni oscilator daje frekvenciju koja miješanjem s frekvencijom ulaznog signala daje međufrekvenciju:

sLOMF fff −=

Lokalni oscilator mora da daje tačnu i stabilnu frekvenciju, ali i da ima mogućnost podešenja u nekom zadatom opsegu. Zahtijeva se stabilnost izlaznih amplituda po vrijednosti u frekvencijskom opsegu. Stabilnost vrijednosti amplitude se postiže preko podešavanje radne tačke.

Slika 14.1 – Selektivno kolo unutar lokalnog oscilatora: zavisnost promjene kapacitivnosti i rezonantne frekvencije, što utiče na kvalitet oscilatornog kola, te na promjene amplitude

Danas se u prijemnicima umjesto lokalnog oscilatora najčešće stavlja PLL petlja kao sintetizator frekvencija.


42

15. STEPEN ZA PROMJENU NOSEĆE FREKVENCIJE

(MJEŠAČ, MIKSER, KONVERTOR)

a) Mješač za aditivno miješanje frekvencija

Slika 15.1 – Mješač za aditivno miješanje frekvencija s FET-om Signal lokalnog oscilatora frekvencije LOf će sa GR odrediti radnu tačku, a biće modulisan („pomiješan sa“) frekvencijom ulaznog signala sf . Na gate-u FET-a je zbir ulaznih signala. Sistem radi u AB klasi. Upravljački signal je na gate-u FET-a i to se prenosi na drain (funkcija oba signala). Bitno je da se miješanje obavlja na nelinearnoj komponenti.

( )sLOsLOLOsD fI ωωωωωω +−= ,,,

b) Mješač za multiplikativno miješanje frekvencija

Slika 15.2 – Mješač za multiplikativno miješanje frekvencija s FET-om Multiplikativno miješanje frekvencija se takođe obavlja na nelinearnoj komponenti (FET). Iako se signali množe, frekvencije se u konačnici sabiru ili oduzimaju međusobno.


43

[ ])cos()cos(21sinsin βαβαβα −−+−=

Odatle je: ( )sLOsLOD fI ωωωω +−= , Postavljajući rezonantno kolo na razliku frekvencija, izdvojićemo korisni signal. Signal frekvencije sLO ωω − imat će modulisanu amplitudu zato što ulazni signal frekvencije sf može imati modulisanu amplitudu, a signal lokalnog oscilatora obično ima stabilnu amplitudu. Izlazni signal će se ponašati u odnosu na ulazni signal frekvencije sf , iako može biti vrlo male amplitude. Izmjena noseće frekvencije unosi šum. Zato se mješač obično konstruiše sa vrlo kvalitetnim komponentama. Pored mješača s tranzistorima (aktivne komponente), postoje i mješači s diodama (pasivne komponente), ali se na njima obično vrši samo aditivno miješanje, te ulazni signali moraju imati dovoljno veliku amplitudu, jer dioda ne pojačava, nego slabi signale. Problem aditivnog miješanja je u tome što se dio ulaznog signala sf vraća na antenu, pa prijemnik može da emituje što je nedopustivo. Dakle, ako je na ulazu mješača antena, onda to svakako ne bi smio biti aditivni mješač. Pošto prijemnik može imati više mješača, šema (a) se izbjegava na prvom mješaču, ali se može postaviti na sljedećem. Postoji i tzv. samooscilujući mješač čija je šema data na Slici 15.3.

Slika 15.3 – Elektronička šema saooscilujućeg mješača

Sf

LCsMF fff −=


44

16. MEĐUFREKVENCIJSKI POJAČAVAČ Selektivnost je izdvajanje željenog opsega frekvencija. Međufrekvencijski pojačavač je selektivni pojačavač (signala čija je frekvencija jednaka međufrekvenciji MFf ) koji se u radioprijemniku postavlja u kaskadi. Odnosno, iza mješača se obično postave dva ili tri međufrekvencijska (MF) pojačavača.

Slika 16.1 – Elektronička šema međufrekvencijskog pojačavača Oscilatorno kolo u sklopu MF pojačavača je polupodesivo (zbog parazitnih kapacitivnosti), tj. promjenljivo je dok se ne postavi, a onda se više ne dira. Dok je u drugim sklopovima obično kondenzator promjenljiva komponenta, u MF pojačavaču je to kalem, odnosno prenosni transformator. Oscilatorno kolo u sklopu MF pojačavača se podešava na međufrekvenciju. Oscilatorno kolo sa međuinduktivnom spregom je oklopljeno da ne zrači u okolinu i da ne prima zračenje iz okoline (dakle, kao zaštita). Postoji dosta varijanti izvedbi ovog sklopa (npr. dva oscilatorna kola u kritičnoj sprezi, Slika 16.3.a).

Slika 16.2 – Karakteristika FET-a Kod kritične sprege nam odgovara ravnina i velika strmina karakteristike, jer je dosta slična idealnoj četvrtki, što se može vidjeti na Slici 16.3.b.

Na gate FET-a se dovodi jednosmjerna komponenta koja upravlja sistemom tako što mijenja pojačanje pojačavača – ARP (automatska regulacija pojačanja). U principu, za MF pojačavač važi sve isto što i za selektivni pojačavač, samo što je ovdje rezonantna frekvencija kola fiksna. Međuinduktivna sprega dva oscilatorna kola može biti:

podkritična sprega; kritična; nadkritična.


45

Slika 16.3 – a) Dva oscilatorna kola u međuinduktivnoj sprezi, b) Karakteristike međuinduktivne sprege

(amplitudno-frekvencijske), c) Šema povezivanja izlaza za malo prigušenje Još jedna od izvedbi međuinduktivne sprege je kvarcni (keramički) filter ili transfilter (Slika 16.4). Keramika koja se dobije tehnologijom sintetizovanja praškastih materijala podliježe piezoelektričnom efektu (mV). Keramički filter treba da bude što stabilniji na temperaturne promjene. Jednostavnija izvedba keramičkog filtera je bez jednog od dva oscilatorna kola: te se keramički filter ubaci na mjesto GC . Keramički filter je kapacitivno „dekaplovan“ (decoupled, rasparen), tj. sprega između ulaza i izlaza je minimalna. Keramički filter se koristi i u kombinacijama s integrisanim kolima (za manja LC kola).

Slika 16.4 – Keramički filter u kombinaciji s međuinduktivnom spregom

Ako se zahtijeva širok opseg (Slika 16.5.b), npr. za prenos TV slike (4 ili 5MHz), na međufrekvenciji od 36MHz, to se postiže povezivanjem više LC kola u svakom od nekoliko stepeni MF pojačavača. (Npr. za 3 x MF pojačavača, imamo 3 LC kola x 3 MF pojačavača = 9 LC kola, kao na Slici 16.5.a.) Prava međufrekvencija se u tom slučaju uzima sa srednjeg LC kola. Ovdje imamo induktivnu spregu (različito od međuinduktivne), a ista vrijednost struje protiče kroz sva tri LC kola. Za niže frekvencije oscilatorno kolo je selektivnije i zahijeva se više LC kola. Slika 16.5 – a) Tri povezana LC kola za postizanje širokog opsega propusnosti, b) Karakteristika kola prikazanog na Slici 16.5.a.


46

Zadnji pojačavač u kaskadi MF pojačavača radi u „A“ klasi, zato što je signal do zadnjeg pojačavača već dovoljno pojačan, velike amplitude, da se mora koristiti što linearnija komponenta. Na zadnji MF pojačavač se ne dovodi ARP grana. Slika 16.6 – Karakteristika FET-a u sklopu MF pojačavača s položajima radne tačke u zavisnosti od položaja MF pojačavača u sklopu radioprijemnika.


47

17. DETEKCIJA AM SIGNALA

Slika 17.1 – Elektronička šema detektora (demodulatora) AM signala

Slika 17.2 – Oblik signala u karakterističnim tačkama


48

Detektor se sastoji od diode i RC filtera: I filter: 11CR II filter: 22CR III filter: SPCR1 za izoliranje NF signala, NF sa 0U i samo 0U . Dioda propušta signal u samo jednom smjeru. Kondenzator 1C se puni i prazni, te formira anvelopu (NF signal). Otpornik 1R samo prazni

1C .

Slika 17.3 – Detektovani signal razložen u naizmjeničnu i istosmjernu komponentu Detektor AM signala je jedna vrsta ispravljača. U praksi se izbjegava korištenje šeme sa Slike 17.1, pa se obično koristi šema sa Slike 17.4. Razlika je u tome što je u šemi sa Slike 17.1 napon 0U pozitivan, a zahtijeva se da 0U za ARP bude negativno. U principu, mogli smo samo okrenuti diodu na šemi sa Slike 17.1, ali ipak cijeli sklop realizujemo drugačije.

Slika 17.4 – Šema detektora AM signala s negativnim naponom za ARP Prednost šeme sa Slike 17.4 je u tome što je katoda diode uzemljena i zatvara signal visoke frekvencije na masu, a na šemi sa Slike 17.1, kao da dioda „lebdi“. Mora se paziti da vodovi u sklopu budu što kraći, jer bi mogli zračiti, kao antene.

Intenzitet detektovanog signala pokazuje napon 0U koji predstavlja upravljački signal za prva dva MF pojačavača i ulazni, selektivni pojačavač (ARP). Vrijednosti kapaciteta kondenzatora su: nFC 11 ≈ ,

nFC 1002 ≈ , a otpornost R je dosta velika. Takođe je i

RCτ >>, pa propušta samo

0U .


49

18. DETEKCIJA FM SIGNALA (DISKRIMINATOR)

B) FM AM pretvarač – ovo se kolo ne podešava na međufrekvenciju MFf , već pored te frekvencije, desno ili lijevo. Time se postiže da svaka promjena frekvencije izaziva promjenu amplitude.

Slika 18.2 – a) Oscilatorno kolo FM AM pretvarača podešeno na frekvenciju koja je bliska međufrekvenciji, ali nije ista; b) A-f karakteristika oscilatornog kola pod a).

Dakle, ako kod AM prijemnika imamo iza kaskade MF pojačavača postavljen detektor AM signala, kod FM prijemnika iza kaskade MF pojačavača slijedi limiter, FM AM pretvarač, a onda detektor AM signala, što znači da su svi ostali sklopovi isti za AM i FM prijemnik.

Ako je potrebno detektovati SSB modulisan signal, potreban je i dodatni oscilator koji generiše i simulira nosač frekvencije. Kao detektor može raditi i PLL, npr. u svrhu mjerenja (mjerni prijemnik), ali je to skupo rješenje. PLL unutar mjernog prijemnika bi imao svoju klasu tačnosti ili preciznije, svaki sklop unutar PLL-a ima svoju klasu tačnosti.

A) Ograničavač (limiter) – ima ulogu otklanjanja smetnji. Dioda paralelno postavljena oscilatornom kolu je inverzno polarisana (zapravo i nije polarisana što se tiče jednosmjernog napona). Ograničavač vrši odsijecanje amplitude. Nivo signala u kolu je reda 1V (mora biti veći od naponskog praga diode VU diode 7,0≅ ).

Slika 18.1 – Oscilatorno kolo s diodom za odsijecanje neželjenih amplitudnih komponenata u sklopu III MF pojačavača

FM-AM pretvarač se može konstruisati sa dva oscilatorna kola u seriji, tako da se dobije dvostruko veća amplituda prije detektora AM signala. Slika 18.3 – A-f karakteristika dva oscilatorna kola u seriji za dobivanje dvostruko veće amplitude


50

19. AUTOMATSKA REGULACIJA POJAČANJA (ARP)

Slika 19.1 – Blok šema AM radioprijemnika s ARP granom (upravljački signal)

0U je pokazatelj jakosti prijemnog signala, tj. njegove amplitude (uzima se srednja vrijednost). Upravljački signal se može dovesti i na mješač, ali se to rijetko čini, upravo da bi se izbjeglo generisanje dodatnih šumova i smetnji. Za veće pojačanje, potreban je veći 0U (manji po apsolutnoj vrijednosti, jer je negativan) koji upravlja položajem radne tačke na karakteristikama pojačavača.

Postoji i tzv. ručna ARP, jer ARP ima sopstveni dijapazon pojačanja.

Slika 19.3 – Vremenska konstanta utiče na brzinu reakcije ARP-a

Ako upravljački signal 0U ne postoji, pojačanje prijemnika je maksimalno, sve radne tačke su bliske nuli, što znači da se nalaze na najstrmijem dijelu karakteristike. U tom se slučaju korisni signal odbaci, kao što je prikazano na Slici 19.2. Dakle, upravljački signal 0U za regulaciju pojačanja djeluje automatski na cijeli sklop, pa otuda naziv – automatska regulacija pojačanja. Slika 19.2 – Odsijecanje amplitude (nema ARP-a)

Za ARP je važna osobina – brzina reakcije (pa oko toga postoji cijela teorija). To je posebno bitno za radarske sisteme u kojima se koristi prijem AM signala. U tu svrhu se konstruira tzv. „brza ARP“.


51

Uticaj grmljavine na rad AM prijemnika (i uopšte prijem srednjih talasa) nije zanemarljiv. 0U je jako veliko, zablokira selektivni pojačavač, kao i prva dva MF pojačavača. Kondenzatori se napune, a zatim sporo prazne. U zvučnicima je umjesto korisnog signala – tišina, a zatim se signal postepeno pojačava na isti nivo kakav je i bio prije smetnji.


52

20. AUTOMATSKA REGULACIJA FREKVENCIJE (ARF ili AFC2)

Slika 20.1 – Blok-šema FM prijemnika s upravljačkom granom za ARF Grana AFC se može uključiti i isključiti. Nakon FM-AM pretvarača, slijedi AM detektor odakle vodimo upravljački signal 0U direktno na lokalni oscilator. Tu nastaje problem jer je nemoguće napraviti stabilan oscilator na 90MHz (kvarcni ne može biti jer zahtijevamo promjenu frekvencije). Kada se zahtijeva stabilan oscilator, to znači da bude stabilniji po frekvenciji više od 1%, jer je i to puno na visokim frekvencijama. Npr. za 90MHz je 1% 900kHz.

ARF grana pravi sa FM prijemnikom frekvencijsko – zaključanu petlju. Dovoljno je da sklop pokaže samo težnju da promijeni frekvenciju, a upravljački signal 0U reakcijom stabilizuje istu.

2 AFC – Automatic Frequency Control

Ako lokalni oscilator pokuša da promijeni frekvenciju, promijeni se i 0U (povećava se ili smanjuje), a proces se odvija preko varicap diode. 0U se smanji, kapacitet diode C se poveća, a onda i frekvencija ostane stabilna. Slika 20.2 – Uticaj upravljačkog ARF signala na promjene frekvencije lokalnog oscilatora

Zašto se postavlja prekidač za ARF? Slika 20.3 – ARF prekidač


53

Kad je prekidač u stanju ON: prijemnik „preskače“ radio-stanice slabijeg signala. Kad je prekidač u stanju OFF: prijemnik prima signale i slabijih radio-stanica (tj. slabije signale) i prati manuelnu promjenu frekvencije.


54

21. SQWELCH

Slika 21.1 – Blok-šema FM prijemnika sa granom za SQWELCH SQWELCH je funkcionalnost radio-prijemnika koja djeluje kao prigušivač šuma. Komparator u sklopu prijemnika reaguje na to da li signala ima (prijem signala) ili nema. Ako signala nema, tj. prijemnik ne detektuje ništa (nema NF-a), komparator zapravo prekriva šum. Drugačije rečeno, komparator isključuje i uključuje NF signal, u zavisnosti od 0U . Potenciometar se podešava u odnosu na nivo šuma. SQWELCH pomaže u selektivnom biranju određenog broja radio-stanica (PL ton kao kodirani poziv; primjer policijskih radio-stanica, tonsko pozivanje radio-stanica).

Documents

Predavanja_final - Kemo