Основи радіоелектроніки

 

Затверджено Міністерством освіти i науки України

 

 

Підручник для студентів вищих педагогічних

навчальних закладів

 

Київ

«ВИЩА ШКОЛА» 2004

 

УДК621.37/.38(075.8) Гриф надано Міністерством oсвіти

ББК 32я73 i науки України (лист від 20 травня

С40 2002 р. № 1/11-1565)

 

Видано за рахунок державних коштів.

Продаж заборонено

 

Рецензенти: зав. кафедри методики викладання фізики Національного педагогічного університету ім. М. П. Драгоманова проф. С. В. Коршак; канд. техн. наук, доц. В. К. Калаптурівський (Полтавський державний педагогічний університет ім. В. Г. Короленка)

 

Редактор В. Ф. Хміль

 

Сисоєв В. М.

С40 Основи радіоелектроніки: Підручник. — К.: Вища шк., 2004. — 279 с.: іл.

ISBN 966-642-018-Х

 

 

З мінімальним використанням математичного апарату з позиції теорії чотириполюсників розглянуто фізичні основи побудови, принцип дії та різновиди й особливості застосування основних елементів радіоелектронних кіл (резисторів, конденсаторів, котушок індуктивності, напівпровідникових приладів тощо), елементів радіоелектронних пристроїв (електричних фільтрів, підсилювачів, перетворювачів, генераторів електричних сигналів) i деяких найпоширеніших радіоелектронних пристроїв та систем (радіомовних, телевізійних, радіолокаційних, обчислювальних). Звернуто увагу на особливості вивчення зазначених елементів i пристроїв у курсі фізики загальноосвітньої школи та їx використання в навчальному обладнанні, постановці фізичного експерименту, позакласній роботі, дитячій технічній творчості тощо.

Для студентів вищих педагогічних навчальних закладів. Може бути корисним студентам тих навчальних закладів, в яких радіоелектроніка не є профільним предметом, а також усім, хто цікавиться елементами i пристроями радіоелектроніки.

 

УДК 621.37/38(075.8)

ББК 32я73

ISBN 966-642-018-Х © В. М. Сисоєв, 2004

3MICT.

 

Список скорочень …..………………...……………………………………………………...6

Передмова …..………………………………………………………………………..………7

Вступ ..……………………………………………………..…………………………………9

 

Розділ 1. ЕЛЕКТРИЧНІ СИГНАЛИ Й ЕЛЕМЕНТИ

РАДІОЕЛЕКТРОННИХ КІЛ

Глава 1. Електричні сигнали як носії інформації …………………………………….….12

 

1.1. Сигнали та їхні параметри ...……………………………………………………….....12

1.2. Сигнали повідомлення ..………………………………………………………….…...16

1.3. Дискретизація аналогових сигналів повідомлення .…………………………………19

1.4. Багатоканальна передача інформації .…………………………………………..……21

 

Глава 2. Характеристики та параметри радіоелектронних кіл ……………………….....26

 

2.1. Детaлi й елементи радіоелектронних кіл ………………………………………...…..26

2.2. Схеми радіоелектронних пристроїв …………………………………..……………...29

2.3. Аналіз властивостей радіоелектронних кіл ……………………………………..…...32

2.4. Характеристики та параметри навантаженого чотириполюсника ………..………..37

2.5. Вимірювання основних параметрів чотириполюсників ..……………………..……40

2.6. З’єднання чотириполюсників ………………………………………………..……….43

2.7. Зворотні зв'язки в радіоелектронних колах ……………………………………...…..45

 

Глава 3. Елементна база радіоелектроніки ……………………………………...………..48

 

3.1. Пояснення електропровідності речовини на підставі зонної теорії .…………...…..48

3.2. Дискретні радіодеталі, побудовані на основі провідникових

i діелектричних матеріалів ………...…………………………………………..……...52

3.3. Електричні властивості напівпровідників.

Напівпровідникові резистори ..…………………………………………………. …...54

3.4. Електронно-дірковий перехід i його властивості.

Напівпровідникові діоди .……………………………………………………..………58

3.5. Транзистори …….…………………………………………………………...…………67

3.6. Електровакуумні прилади …..……………………………………………..………….74

3.7. Напівпровідникові й електровакуумні прилади як активні

чотириполюсники ……………………………………………………….………...….76

3.8. Забезпечення режиму робота за постійним струмом транзисторів

та електронних ламп .…………………………………………………………….…...78

3.9. Напівпровідникові інтегральні мікросхеми …...…………….………………….…...80

3.10. Oсновні поняття про функціональну мікроелектроніку …..………………………84

3.11. Електронно-променеві прилади …..………………………………………………...95

 

Розділ 2. ЕЛЕМЕНТИ РАДІОЕЛЕКТРОННИХ ПРИСТРОЇВ

 

Глава 4. Фільтри електричних сигналів ….……………………………………………….99

 

4.1. Типи електричних фільтрів …………………………………………………………...99

4.2. Властивості найпростіших -елементів ….……………………………………..102

4.3. Вибірні властивості коливального контуру ….…………………...………………...107

Глава 5. Підсилювачі електричних сигналив …………………………………...………115

 

5.1. Загальна структура i типи підсилювачів …….……………………………………...115

5.2. Аналіз властивостей аперіодичного підсилювального каскаду ………………..…117

5.3. Зворотні зв'язки в підсилювачах …………………………………...………………..121

5.4. Резонансні підсилювачі ………………………………………...……………………124

5.5. Підсилювачі потужності ……………………………………………..……………...130

5.6. Підсилювачі постійного струму й операційні підсилювачі …………………….....134

 

Глава 6. Перетворювачі електричних сигналів ………………………………...……….139

 

6.1. Загальна структура i типи перетворювачів сигналів ……………………………....139

6.2. Модуляція i схеми модуляторів …...…………………………………...……………143

6.3. Демодуляція i схеми детекторів ….……………………………………………..…..146

6.4. Перетворення i множення частоти …………………………………………..……...153

6.5. Логічні перетворення цифрових сигналів i базові логічні елементи ………..……155

 

Глава 7. Генератори електричних коливань ………………………………...…………..159

 

7.1. Загалъна структура i типи генераторів ………………………..……………..……..159

7.2. Автогенератори з коливальним контуром …..…………………………………...…164

7.3. Автогенератори гармонічних коливань на аперіодичних

підсилювачах …………….……………………………………..…………………….167

7.4. Генератори релаксаційних коливань …...………………………………...…………170

7.5. Тригери ….………………………………………………………...…………………..181

 

Розділ 3. РАДІОЕЛЕКТРОННІ ПРИСТРОЇ ТА СИСТЕМИ

 

Глава 8. Системи радіозв’язку i радіомовлення ……………………………………...…187

 

8.1. Загальна структура каналу радіозв’язку i діапазони

використовуваних радіочастот ……………………….…………………………..…187

8.2. Антени …………………………………………………………………..……………193

8.3. Основнi технічні показники i структурні схеми радіопередавачів …………...…..200

8.4. Основні експлуатаційні параметри i структурні схеми

радіоприймачів …………..…………………………………..……………………….204

8.5. Особливості побудови деяких елементів радіоприймачів ….….……………….....209

 

Глава 9. Системи телебачення ………………………………………..………………….216

 

9.1. Принципи телебачення ………………………….………………...………………....216

9.2. Структури схеми монохромних телевізорів …………..………………………...….222

9.3. Структурна схема кольорового телевізора …………..……………………………..226

 

Глава 10. Радіолокаційні системи ………………………………………...……………...228

 

10.1. Принципи радіолокації ….……………………………………………………….....228

10.2. Радіолокація неперервним сигналом ….……………………………………..……230

10.3. Радіолокація імпульсним сигналом …..……………………………………...…….231

10.4. Конструктивні особливості деяких елементів РЛС …………..……………...…...233

 

 

Глава 11. Системи електронної обчислювальної техніки …………………...…………238

 

11.1. Способи технічної реалізації алгоритмів оброблення цифрової

інформації …………………………………………………..……………………….238

11.2. Апаратні засоби ЕОМ .………………...…………………...……………………….242

11.3. Комп’ютерні мережі ……………………….…………..……………...……………249

11.4. Основні типи комп’ютерів ………...……………………………………..………...250

11.5. Oсновнi операційні елементи обчислювальної техніки ………………..………...255

 

Глава 12. Радіоелектроніка в загальноосвітній школі ……………………...…………..264

 

12.1. Питання радіоелектроніки в курсі фізики i спецкурсах ………………..………...264

12.2. Радіоелектроніка у кабінеті фізики i засобах навчання ...……………………..…265

12.3. Радіоелектроніка в позакласній роботі ……………………………..……………..267

12.4. Елементи радіоелектроніки в технічній творчості школярів ...……………..…...271

 

Список використаної та рекомендованої літератури .....……...……………………...279

 

СПИСОК СКОРОЧЕНЬ

  АЛП – арифметико-логічний пристрій АМ – амплітудна модуляція

ПЕРЕДМОВА

Головною особливістю цього підручника і навчального предмета у вищих педагогічних навчальних закладах є його інтегративний характер. Майже кожна… У першому розділі на рівні загальних фізичних понять з мінімальним… Кожна тема другого розділу, присвяченого розгляду на рівні принципових та еквівалентних схем основних елементів і…

ВСТУП

Уперше термін «радіоелектроніка» з’явився років 50 тому. Це означало технічну та наукову інтеграцію двох доти самостійних галузей науки i техніки — радіотехніки й електроніки, які відокремилися від фізики на межі XIX i XX ст. Перша охоплювала розроблення принципів побудови та проектування конструкцій i технологій виготовлення пристроїв для здобуття, передачі (випромінювання), приймання й оброблення інформації за допомогою високочастотних електромагнітних хвиль. Друга забезпечувала розроблення та виготовлення елементної бази (електронних ламп, напівпровідникових приладів, резисторів, конденсаторiв тощо) для побудови радіотехнічних пристроїв. Елементи електроніки не мали самостійного функціонального призначення. Лише об’єднані радіоконструктором у каскади i блоки вони утворювали функціонально самостійні підсилювачі, передавачі, перетворювачі, генератори електричних сигналів.

3 появою i розвитком інтегральної та функціональної мікроелектроніки розроблення принципів побудови i конструкцій радіотехнічних пристроїв стало справою спеціаліста з електроніки. Тепер в одній мікросхемі, в єдиному технологічному процесі формуються транзистори, резистори та конденсатори, всі основні, допоміжні й узгоджувальні елементи, що визначають режими роботи i технічні параметри блоків та самостійних у функціональному відношенні пристроїв від радіоприймачів до мікропроцесорів. Відбулася не тільки інтеграція окремих радіоелектронних компо­нентів, а й інтеграція колись самостійних наук, технологій, спеціальностей. До того ж з опануванням надвисоких частот i від суто радіотехнічної ознаки — випромінювання радіохвиль для передачі інформації — здебільшого також відмовились, створивши кабельні мережі та світловодні системи зв’язку.

Радіоелектроніка, умовно кажучи, посідає деяке проміжне місце між фундаментальними (радіофізикою, фізикою твердого тіла, оптикою) та технічними (електротехнікою, автоматикою, технічною кібернетикою) науками. Умовність такого розподілу наук пов’язана з тим, що в багатьох свoїx компонентах вони перетинаються, відбулося взаємне проникнення методів дослідження, способів побудови, апаратурної реалізації багатьох основних інструментів цих наук.

Так, у радіоелектронних приладах широко використовуються різні системи автоматичного керування (автоматичне регулювання підсилювання, підстроювання частоти генератора тощо), зміни режиму їхньої роботи залежно від зміни параметрів сигналу (наприклад, автома­тична зміна режиму роботи i навіть випромінюваної частоти радіолокатора при дії штучних завад), цифрові способи селекції та оброблення сигналів.

3 іншого боку, радіоелектронні пристрої є складовою частиною багатьох верстатів, приладів, систем вимірювання i контролю, систем керу­вання, технологічних ліній тощо.

3 розвитком радіоелектроніки від неї відокремилися такі нові напрями науки i техніки, як квантова електроніка, оптоелектроніка, мікроелектроніка, кріогенна електроніка, магнітоелектроніка, хемотроніка. Сьогодні досягнення радіоелектроніки широко використовують ме­дицина, економіка, лінгвістика, хімія, біологія, психологія, археологія, астрономія та інші багатогалузеві й досить спеціалізовані напрями наукової i практичної діяльності людей. Кожен iз цих напрямів, у свою чергу, має численні розгалуження. В кожній галузі сучасної техніки радіоелектроніка дає потужний поштовх для дійсно нового рівня розвитку. Це зумовлено насамперед високою швидкодією, точністю та чутливістю її елементної бази — електронних приладів. 3 їх допомогою досить просто i з дуже високим коефіцієнтом корисної дії (ККД) окремі види енергії перетворюють на електричну i навпаки. різноманітні електричні давачі i вимірювальні пристрої дають змогу з високою точністю вимірювати, реєструвати, регулювати різні неелектричні величини.

Процеси перетворення енергії в пристроях радіоелектроніки відбуваються дуже швидко, що зумовлено малою інерційністю приладів, а чутливість радіоелектронних пристроїв не може бути перевищена ніякими іншими відомими нам фізичними способами. Радіоелектроніка оперує електричними сигналами частотою до сотень гігагерців зі струмами від A i напругами від В. Так, електронні мікроскопи, які збільшують об’єкт у мільйони разів, дали можливість глибоко вивчити світ атомів, а спеціальні радіоастрономічні пристрої відкривають перед людством численні таємниці Всесвіту, дають змогу спостерігати явища, що відбуваються на відстані сотень світлових років від нас.

Багато явищ та процесів навколо нас відбуваються дуже швидко. Тому людині, яка ними керує, потрібні пристрої, які б збільшували швидкість її реакції, підвищували б чутливість її природних відчуттів. Таку можливість надали людям різноманітні елементи електронної автоматики, передусім електронні обчислювальні машини (ЕОМ).

Якщо перші машини виконували лише обчислювальну роботу, то в сучасних умовах — це складні автоматичні універсальні пристрої, здaтнi виконувати будь-які операції, пов’язані зi здобуттям та обробленням різної інформації.

Радіоелектроніка застосовується в сучасних педагогічних технологіях. Якщо ще кілька років тому радіоелектронні пристрої в школах були лише об’єктами для вивчення, то нині вони здебільшого стали засобами навчання або основними їхніми компонентами i використовуються не лише викладачами фізики, а й учителями інших дисциплін, якщо, безумовно, вони до такого використання радіоелектронних засобів навчання підготовлені.

Отже, знання основ радіоелектроніки, розуміння основних фізичних процесів, що відбуваються в радіоелектронних пристроях, уміння грамот­но експлуатувати ці пристрої є не лише невід’ємним елементом фахової підготовки фізика i математика, а й мірилом загальнокультурного рівня, освіченості та професійної підготовки спеціаліста будь-якої сучасної галузі освіти.

 

РО3ДІЛ 1 ЕЛЕКТРИЧНІ СИГНАЛИ Й ЕЛЕМЕНТИ

РАДІОЕЛЕКТРОННИХ КІЛ

 

ГЛАВА 1. ЕЛЕКТРИЧНІ СИГНАЛИ ЯК НОСІЇ ІНФОРМАЦІЇ

 

Сигнали та їхні параметри.

Сигнал — це будь-який фізичний носій інформації, кількісні характеристики змінюються з часом. Це фізичний процес, здатний діяти на органи чуття… Одна і та сама інформація може бути перетворена і передана на відстань… У радіоелектроніці використовують переважно електричні сигнали, тому що вони забезпечують найвищу швидкодію…

Сигнали повідомлення

Будь-який періодичний сигнал з частотою i кутовою частотою при розвиненні в ряд Фур’є має вигляд , (1.4) де — середнє значення сигналу за період, або постійна складова; , , — модуль амплітуди кожної гармошки;

Дискретизація аналогових сигналів повідомлення

Якщо аналогові сигнали, задані функцією , розглядати в кінцевому проміжку часу, то зовсім не обов'язково враховувати всю нескінченну множину значень… Реальні сигнали повідомлення теж мають обмежений спектр складових, який… Якщо відомо верхню граничну частоту , то із заздалегідь заданою похибкою неперервну функцію можна замінити її окремими…

Багатоканальна передача інформації

Розглянуті аналогові і цифрові сигнали повідомлення можуть бути використані для передачі по лінії зв'язку одночасно тільки одного повідомлення.… При ущільненні за часом кожен канал передачі інформації в межах загального… Частотне ущільнення забезпечується лінійним перенесенням спектра сигналу повідомлення в область радіочастот. Кожне…

ГЛАВА 2.ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА ПАРАМЕТРИ

РАДІОЕЛЕКТРОННИХ КІЛ

Деталі й елементи радіоелектронних кіл

  Рис. 2.1. Умовні графічні позначення найпоширеніших елементів електричних кіл… функції кінцевих пристроїв (гучномовці, дисплеї, принтери, світлодіоди), в яких електричний сигнал перетворюється на…

Схеми радіоелектронних пристроїв

Для побудови, аналізу й унаочнення радіоелектронних пристроїв користуються різноманітними схемами, найпоширенішими з яких є структурні,… Рис. 2.2. Структурна схема радіоприймача

Аналіз властивостей радіоелектронних кіл

Існує кілька способів аналізу властивостей радіоелектронних кіл: аналітичні, графічні, графоаналітичні. Залежно від схеми, режиму її роботи, виду…     У методі чотириполюсників кожна радіодеталь, у… Рис. 2.5. Подання елементів радіоелектронних кіл у вигляді чотириполюсників

Характеристики та параметри навантаженого

Чотириполюсника

Рис. 2.7. Вольт-амперні характеристики чотириполюсника (біполярного…  

Вимірювання основних параметрів чотириполюсників

Усі розглянуті вище характеристики та параметри чотириполюсника можна одержати експериментально прямим вимірюванням й обчисленням. Для визначення малосигнальних параметрів і побудови ВАХ у ста­тичному режимі…    

З'єднання чотириполюсників

Для виконання найпростіших операцій оброблення електричних сигналів (фільтрування, підсилення, перетворення спектрів тощо) чотириполюсники з’єднують…  

Зворотні зв'язки в радіоелектронних колах

Крім прямої передачі чотириполюсником сигналів від входу до виходу в електричних колах може відбуватися також зворотна передача частини сигналу з…    

ГЛАВА 3. ЕЛЕМЕНТНА БАЗА РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

 

Пояснення електропровідності речовини на підставі зонної

Теорії

 

Фізичною основою побудови елементної бази радіоелектроніки є техно­логічне і конструктивне використання електропровідних властивостей речовини, що Визначаються її структурою, внутрішньою будовою та агрегатним станом. Ці властивості можна схарактеризувати кількісно такою фізичною величиною, як електропровідність. Ця фізична величина виражається в сименсах (См) й опосередковано вказує на умови переміщення в речовині заряджених частинок під дією електричних, магнітних та електромагнітних полів. Як відомо, такими частинками можуть бути вільні електрони або йонізовані атоми, які втратили електрон або придбали його.

Згідно з планетарною моделлю атома, яку запропонував ще Ернест Резерфорд, електрони обертаються на стаціонарних орбітах навколо ядра, в якому розташовані позитивно заряджені протони та нейтральні частинки — нейтрони. Кількість протонів й електронів в атомі однакова. Залежно від того, яку енергію має електрон, він знаходиться на тій або іншій орбіті. Макс Планк ще в 1900 р. висловив гіпотезу, згідно з якою енергія електронів в атомі може мати лише певні дискретні значення, а її зміна може відбуватися стрибкоподібно. Узагальнюючи результати робіт М. Планка та Е. Резерфорда, Нільс Бор у 1913 р. дійшов таких висновків:

1. Електрони в атомах можуть перебувати у стійких станах, які називаються стаціонарними. Ці стани відповідають рухові електронів на стаціонарних орбітах. У цьому разі атом енергії не випромінює.

2. Атом випромінює або поглинає енергію лише при переході з одного стаціонарного стану в інший. Значення кванта енергії пов'язане з частотою випромінювання співвідношенням

( 3.1)

де h = 6,626·10 ^-34 Дж·с — стала Планка;f —частота випромінювання.

3. Момент кількості руху електрона на стаціонарній орбіті має бути

кратним числу —, тобто

(3.2)

де т_е — маса електрона; v — швидкість його руху на орбіті; r — радіус орбіти; п — ціле число.

Розвиваючи ідеї квантової теорії, Луї де Бройль у 1923 р. довів, що електромагнітна енергія зарядженої частинки, яка рухається на замкненій орбіті, не випромінюється (що відповідає стаціонарній орбіті) лише тоді, коли вздовж орбіти утворюється стійна хвиля, тобто орбіта містить цілу кількість довжин хвилі, яка відповідає цій частинці. Отже, для руху електрона на орбіті радіусом г має виконуватися співвідношення

(3.3)

де λ — довжина хвилі.

Довжину хвилі електрона, що має масу т_е і швидкість v, можна визначити, якщо порівняти його механічну та хвильову енергію:

(3.4)

Число п у співвідношенні (3.3) називають головним квантовим числом. Воно визначає орбіту електрона, яку він може займати згідно з рівнем своєї енергії.

Крім головного квантового числа стан електрона в атомі визначається трьома квантовими числами: орбітальним, орбітальним магнітним і спі­новим магнітним. Відповідно до принципу заборони Шулі в атомі не мо­же бути двох електронів з однаковими чотирма квантовими числами.

Отже, кожній орбіті відповідає строго визначена енергія електрона, або дозволений енергетичний рівень. Рівні енергії, яких не можуть ма­ти електрони при переході з однієї орбіти на іншу, називають забороненими.

Кількість електронів на кожній орбіті, а також кількість орбіт для кожної речовини чітко визначені. Так, на першій внутрішній орбіті може бути лише не більше двох електронів, на другій і третій — не більш як по вісім, на четвертій — десять, на п'ятій — знову вісім. Електрони завжди прагнуть зайняти рівні найменшої енергії, і ому всі внутрішні електронні орбіти завжди заповнені, частково заповненою може бути лише зовнішня орбіта. Чим далі від ядра знаходиться електрон, тим більшу енергію він має. Переходячи на орбіту ближче до ядра, електрон віддає частину своєї енергії у вигляді випромінювання. Навпаки, якщо електрон під дією теп­лоти, світла, інших зовнішніх факторів одержує додаткову енергію ззов­ні то він переходить на більш віддалену від ядра орбіту. Електрон, що одержав додаткову енергію, називають збудженим. Граничним випадком збудження є іонізація, коли електрон відривається від атома і стає вільним.

Принцип Паулі поширюється також на кристалічну структуру твердого тіла, яка розглядається як єдина система атомів, що взаємодіють між собою. В умовах кристалічних ґрат на електрони впливають ядра сусідніх томів. Взаємодія багатьох атомів спричинює зміщення і розщеплення енергетичних рівнів електронів, перетворюючи їх на енергетичні зони. Отже, енергетичний стан твердого тіла можна уявити таким, що складається з трьох основних зон: заповненої, забороненої їді вільної (рис. 3.1). У крайніх зонах, у свою чергу, можна виділити ще валентну зону і зону провідності.

Шириною забороненої зони визначається електропровідність матеріалу. Провідність тієї чи іншої речови­ни залежить від кількості енергії, яку треба надати валентним електронам, щоб вони могли перейти зі свого нормального енергетичного рівня на рівень зони провідності. В цьому разі електрони втрачають зв'язок з ядром атома І стають вільними. Така енергетична структура твердих тіл дає змогу пояснити фізичну суть провідників, діелектриків і напівпровідників (рис. 3.2).

 

 

Рис. 3.1. До розгляду зонної теорії електропровідності твердого тіла

 

У провідниках (а) зона провідності та зона валентних електронів перекривають одна одну, а заборонена зона відсутня. Тому валентні електрони легко переходять у зону провідності. В діелектриках (б) ширина забороненої зони велика, для переходу валентних електронів у зону провідності їм треба надати багато енергії, не менш як 3 еВ. У напівпровідниках заборонена зона відносно мала (приблизно 0,5 еВ) і під впливом зовнішніх діянь (теплота, світло, електричне поле тощо) електрони завдяки зміні своєї енергії можуть перейти з валентної зони в зону провідності, тобто елект­ропровідність напівпровідників нестійка і Істотно залежить від зовнішніх діянь.

В електронних приладах, крім електронів провідності, значну ролі, відіграють вільні електроні, що мають рухатися у вільному просторі за межами провідника. В провідниках, які мають високу концентрацію

 

 

 

Рис. 3.2. Структура енергетичних зон у провідниках (а), діелектриках (б) і

напівпровідниках (в)

 

електронів у зоні провідності, їх розподіл за енергією визначається формулою Фермі

(3.5)

де N — кількість вільних електронів в 1 см³ провідника (для металів N≈10²²...10²³ см^-3).

Хоча рівень Фермі W_F в металах досягає десятків електрон-вольтів, їх вихід за межі поверхні за відсутності зовнішніх діянь не відбувається. По-перше, та невелика кількість електронів, що можуть вийти за межі поверхні металу, втрачає більшу частину своєї енергії на шляху до поверхні. їх збільше­на концентрація поблизу поверхні металу сприяє створенню між електронами провідності та позитивними іонами, які знаходяться в металі, електричного поля, спрямованого назовні, тобто в напрямку розташування електро­нів провідності. Сукупність негативних іонів й електронів біля поверхні ме­талу називається подвійним електронним шаром, що перешкоджає виходу електронів з металу. По-друге, якщо деякі електрони все ж йдуть за межі поверхні металу, то він їх притягатиме, оскільки після виходу частини електронів метал матиме деякий позитивний заряд.

Таким чином, для відриву від поверхні провідника електрони мусять виконати роботу проти дії електричних сил, які намагаються повернути їх:

W=W_F+W₀ (3.6)

Величина W_о називається роботою виходу. Вона визначається зарядом електрона і різницею потенціалів, яку він при цьому долає. Для твердих тіл робота виходу залежить від їхньої структури й є фізичною характеристикою тіла. Вихід електронів можливий також з напівпровідників та ді­електриків. Однак у цьому випадку робота виходу витрачається не лише на подолання гальмівних електричних сил, а й на збудження електронів, Що переходять з валентної зони в зону провідності.

Таким чином, якщо до електронів металів або напівпровідників підвес­ти ззовні додаткову енергію, то відбувається електронна емісія, тобто вихід електронів з тіла у відкритий простір. Залежно від способу надання елект­ронам додаткової енергії розрізняють такі види електронної емісії:

• термоелектронну, при якій додаткова енергія підводиться нагріванням;

.• фотоелектронну, коли на поверхню тіла діє електромагнітне випро­мінювання;

• вторинну, що є результатом бомбардування твердого тіла швидкими електронами або іонами;

• автоелектронну (або електростатичну), при якій сильне зовнішнє електричне поле біля поверхні твердого тіла створює сили, що сприяють виходу електронів.

Слід мати на увазі, що поняття енергетичних рівнів і зон характеризують лише енергетичні стани електронів, а не їх просторове розташування в твердому тілі.

Фізичні властивості електронів добре вивчені. Нагадаємо основні з них, які використовуються в роботі напівпровідникових та електронних приладів:

•електрони відштовхуються один від одного;

•електрони утворюють навколо себе електричне поле і взаємодіють з зовнішніми електричними полями;

•потік електронів створює навколо себе магнітне поле і взаємодіє з поперечним магнітним полем;

•електрон, що рухається, має кінетичну енергію, яка при зіткненні з нейтральним атомом може витрачатися на його іонізацію, а з твердим тілом — перетворюватися на теплоту;

•електрон завдяки великому питомому заряду є найрухомішою зарядженою частинкою;

•електрон має хвильові властивості.

 

Дискретні радіодеталі, побудовані на основі провідникових і

Діелектричних матеріалів

Найпоширенішими радіодеталями як у дискретному, так і в інтегральному виконанні є резистори та конденсатори, які виготовляють з різно­манітних… Резистори — це деталі радіоелектронних пристроїв, в яких відбувається… Опір резисторів визначається розмірами і фізичними властивостями матеріалу, з якого виготовлено струмопровідну їхню…

Електричні властивості напівпровідників. Напівпровідникові

Резистори

За зонною теорією провідності до напівпровідників належать речовини, в яких ширина забороненої зони не перевищує 3 еВ, або такі, питома… Найпоширенішими напівпровідниками є германій, силіцій (кремній), селен, а… Напівпровідники мають кристалічну структуру, в якій атоми, сполучені між собою валентними електронами, розташовуються…

Електронно-дірковий перехід і його властивості. Напівпровідникові діоди

Розглянуті вище властивості однорідних напівпровідників використовуються лише для побудови напівпровідникових резисторів. Більшість же… Електричний перехід між двома частинами напівпровідника, одна з яких має… Властивості п - p-переходу суттєво залежать від його конструкції, способу добування, співвідношення концентрації…

Транзистори

Транзистором називають напівпровідниковий прилад, що має три виводи (електроди) і здатний підсилювати потужність сигналу. Назва приладу походить як словосполучення від двох англійських слів transfer… Промисловість випускає багато типів різноманітних за конструкцією, технологією виготовлення і принципом дії…

Електровакуумні прилади

Найпростіший електровакуумний прилад — діод (рис. 3.22, а) має вигляд балона, тиск повітря в якому не перевищує 10–7…10–8 мм. рт. ст., де… Введення третього електрода — сітки С (рис. 3. 22, б), розташованої поблизу… анодної напруги. В цьому і полягає підсилювальна властивість триелектродної лампи, що дістала назву тріода.

Напівпровідникові й електровакуумні прилади як активні

Чотириполюсники

Розглянуті в п. 3.5 та 3.6 активні елементи радіоелектронних кіл мають різну фізичну природу, будову і принцип дії, але в радіоелектронних пристроях… Хоча транзистори й електровакуумні тріоди приєднуються до схеми трьома… Приймаємо як основу таку схему вмикання електронного приладу, для якої спільним

Забезпечення режиму роботи за постійним струмом

Транзисторів та електронних ламп

Режим роботи транзисторів й електронних ламп забезпечується початковим положенням РТ на їхніх ВАХ, яке визначається значеннями постійних напруг на… У режимі активного підсилення сигналу РТ розташовується на лінійній ділянці… Для живлення радіоелектронних пристроїв здебільшого користуються одним джерелом, напруга якого визначає найбільшу…

Напівпровідникові інтегральні мікросхеми

Розглянуті радіодеталі – резистори, конденсатори, діоди, транзистори, електровакуумні прилади тощо – складають дискретну елементну 6азу… Для виконання будь-яких перетворень сигналів, навіть для простого забезпечення… Однак сучасний технічний прогрес висуває вимоги до зменшення всіх цих конструктивних параметрів і витрат на…

Основні поняття про функціональну

Мікроелектроніку

У пристроях функціональної електроніки локальному об'ємові речо­вини надають властивостей, необхідних для виконання заданої функції. Матеріалом для… Найпоширеніше практичне використання з сучасних напрямів функціональної… Магнетоелектроніка використовує фізичні властивості топких магніт­них плівок, застосування магнітних матеріалів як…

Електронно-променеві прилади

Електронно-променевими називають електровакуумні прилади, в яких для перетворення сигналів інформації використовують потік електронів у вигляді… Конструктивно електронно-променеві прилади мають вигляд електронно-променевих… При електростатичному керуванні на шляху електронного променя розташовують електронну лінзу, що складається з двох…

РОЗДІЛ 2 ЕЛЕМЕНТИ РАДІОЕЛЕКТРОННИХ ПРИСТРОЇВ

 

ГЛАВА 4. ФІЛЬТРИ ЕЛЕКТРИЧНИХ СИГНАЛІВ

 

Типи електричних фільтрів

Однією з поширених операцій, що виконуються в радіоелектронних колах, є виділення певного сигналу або частини його спектра з сукуп­ності інших… Частотним електричним фільтром називають вибірний чотириполюсник, що передає… Класифікувати електричні фільтри можна за різними ознаками:

Властивості найпростіших RС-елементів

Властивості фільтрувального елемента залежать від опору та ємності, а також розміщення радіодеталей відносно напрямку передачі сигналу. Оскільки до… Добуток значень опору та ємності має розмірність часу і називається постійною… . (4.1)

Вибірні властивості коливального контуру

Аналіз таких фільтрів можна вести на підставі загальної теорії коли­вальних систем, розв'язуючи диференціальні рівняння другого порядку. Специфіка аналізу електричних коливальних систем полягає в тому, що тут маємо… Вільні коливання в коливальному контурі — це майже періодичний процес обміну енергією, одноразово внесеною в контур,…

ГЛАВА 5.ПІДСИЛЮВАЧ ЕЛЕКТРИЧНИХ СИГНАЛІВ

 

Загальна структура і типи підсилювачів

Підсилення — це збільшення амплітуди напруги, струму або потужність електричних сигналів завдяки енергії джерела живлення (як правило, джерела… Щоб стабілізувати роботу й одержати бажані характеристики та параметри,… Підсилювальними елементами в електронних підсилювачах можуть бути транзистори, інтегральні мікросхеми, електронні…

Аналіз властивостей аперіодичного підсилювального

Каскаду

Транзистор забезпечує перетворення енергії джерела постійного струму на енергію підсиленого сигналу, напруга якого виділяється на навантажувальному… Повний опір навантаження аперіодичного підсилювального каскаду з урахуванням…

Зворотні зв'язки в підсилювачах

При позитивному ЗЗ фази напруг ЗЗ та сигналу на вході підсилювача збігаються. Це зумовлює зростання коефіцієнта передачі, але знижує стабільність… Ступінь впливу ЗЗ на параметри і характеристики підсилювача залежить від… На рис. 5.6, а показано структурну схему підсилювального каскаду з негативним ЗЗ, послідовним за струмом, а на рис.…

Резонансні підсилювачі

Рис. 5.11. Принципові схеми резонансних підсилювачів, побудованих на… (а) і зв'язаних (б) контурах, та їх еквівалентна схема (в)

Підсилювачі потужності

Ці підсилювачі призначені для забезпечення потрібної потужності сигналу на опорі навантаження при мінімальному значенні коефіцієнта нелінійних… Отже, однією з проблем при побудові підсилювачів потужності є забезпечення… Підсилювачі потужності будують на транзисторах середньої та великої потужностей, які працюють при великих амплітудах…

Підсилювачі постійного струму й операційні підсилювачі

Якщо миттєві значення сигналу змінюються дуже повільно, то нижня гранична частота смуги пропускання підсилювача має прямувати до нуля. З цією метою… Найвагоміша складова дрейфу струму транзистора породжується залежністю його…

ГЛАВА 6. ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ЕЛЕКТРИЧНИХ СИГНАЛІВ

Загальна структура і типи перетворювачів сигналів

Перетворення електричних сигналів поряд з їх виділенням та підсиленням є однією з основних функцій радіоелектроніки. Існує два виду перетворення…  

Модуляція і схеми модуляторів

Амплітудна модуляція може бути здійснена як на нелінійному, так і на параметричному елементах. Якщо частоти сигналів на вході нелінійного елемента вибрати такими, що й то… (6.9)

Демодуляція і схеми детекторів

За визначенням демодуляція (детектування) сигналу — це процес, зворотний його модуляції. Згідно з п. 6.1 детектування може відбуватися як у… Детектування амплітудно-модульованих сигналів можна розглядати як нелінійне… Якщо у виразі (6.7) покласти ω1 = ω0 та ω2 = ω0 - Ω, де Ω — частота керувального…

Перетворення і множення частоти

Перетворення частоти — це лінійне перенесення спектра радіосигналу з однієї області частот в іншу, як правило, більш низькочастотну. При цьому форма… Перетворення частоти прийнятого сигналу на фіксовану проміжну частоту сприяє… Отже, якщо вибрати частоту власного генератора ωг = ω1, і частоту прийнятого сигналу ωс =ω2 за…

Логічні перетворення цифрових сигналів і базові логічні елементи

Логічні перетворювачі електричних сигналів є основою побудови всіх цифрових схем і пристроїв. За формальними ознаками вони підпадають під… Теоретичною основою побудови логічних перетворювачів є алгебра логіки (Булева… Відповідно до способів технічного відображення змінних величин логічні перетворювачі або логічні елементи цифрової…

ГЛАВА 7. ГЕНЕРАТОРИ ЕЛЕКТРИЧНИХ КОЛИВАНЬ

 

Загальна структура і типи генераторів

Генератори електричних коливань перетворюють енергію джерела живлення на енергію змінного струму, частота якого визначається параметрами коливальної… Із підвищенням частоти змінюється принцип утворення електричних коливань. Якщо… Нижче розглядаються лише генератори, побудовані на зосереджених елементах, в яких за допомогою активних електронних…

Автогенератори з коливальним контуром

Автогенератор із коливальним контуром — це резонансний підсилювач з колом 33, побудований за трансформаторною, автотрансформаторною або ємнісною… У середній школі вивчається автогенератор на біполярному транзисторі з… Якщо коливальний контур уведено в коло колектора, то котушку зв'язку в коло бази можна ввімкнути різними способами:…

Автогенератори гармонічних коливань на аперіодичних

Підсилювачах

Застосування автогенераторів з коливальним контуром має обмеження як при надвисоких частотах, так і при низьких. із зростанням частоти розміри… При дуже низьких частотах (нижче 100...200 кГц) для побудови коливальної… Виконання умови балансу амплітуд забезпечують вибором коефіцієнта підсилення каскаду, а виконання умови балансу фаз —…

Генератори релаксаційних коливань

Генераторами релаксаційних коливань називають такі джерела періодичних імпульсних сигналів, в основі роботи яких лежить періодичне накопичення… Керування комутувальним пристроєм здійснюється за допомогою кола позитивного… Можна виділити три фази процесу коливання: накопичення енергії, відкривання перемикача, розряджання накопичувача через…

Тригери

Тригер можна умовно розглядати як окремий випадок релаксаційного генератора в очікувальному режимі. Спільним для них є наявність глибокого… Тригери використовують як формувачі прямокутних імпульсів, дискримінатори,… Тригери можуть бути побудовані на дискретних електронних або магнітних елементах, ОП, логічних елементах.…

Розділ 3РАДІОЕЛЕКТРОННІ ПРИСТРОЇ ТА СИСТЕМИ

ГЛАВА 8. СИСТЕМИ РАДІОЗВ'ЯЗКУ І РАДІОМОВЛЕННЯ

Загальна структура каналу радіозв'язку і діапазони

Використовуваних радіочастот

Першим технічним застосуванням радіоелектроніки було передавання інформації на відстань за допомогою електромагнітних хвиль, або радіохвиль. Для… Основними фізичними процесами в каналі зв'язку є: генерація високочастотного… Залежно від способу перетворення повідомлень на електричні сигнали їх перетворювачами можуть бути телеграфний ключ при…

Антени

Антена є проміжною ланкою між радіопристроєм – приймачем або передавачем – і навколишнім середовищем. Вона є відкритим коливальнім контуром із розосередженими параметрами і виконує функції перетворювача електромагнітної енергії з однієї форми на іншу, тобто трансформатора. Передавальна антена, до якої підведено енергію від передавача у вигляді високочастотного електричного струму, збуджує в просторі електромагнітне поле, еквівалентне електричному сигналу, що передається. Дуже незначна частина енергії цього поля, яка, поширюючись у відкритому просторі, досягає місця розташування приймальної антени, створює в ній електрорушійну силу, достатню для подальшого підсилення та відтворення сигналу.

Як і всі технічні пристрої, побудовані на використанні явища електромагнітної індукції, антени мають властивість оборотності, тобто передавальна антена може бути приймальною і навпаки. В пристроях радіолокації, наприклад, одна й та сама антена і випромінює, і приймає сигнали. Основні параметри антен теж мають властивість оборотності. Проте між передавальною та приймальною антенами є й суттєва різниця. Приймальна антена може бути як настроєною (резонансною), так і ненастроєною на частоту сигналу, що приймається. Передавальна ж антена майже завжди резонансна, оскільки для ефективного випромінювання частота власних коливань антени має збігатися з частотою сигналу в ній.

Однією з основних вимог до антени є не просто здатність випромінювання, а така передача енергії в простір, яка відповідає деяким технічним завданням. Наприклад, при радіомовленні випромінювання має бути однаковим у всіх напрямках, а для двобічногонедоречно розсіювати марно енергію в усіх напрямках, і в антені створюють такі умови, щоб енергія випромінювалась вузьким променем тільки в тому напрямку, в якому розташовано радіоприймач.

Основні технічні вимоги до антени можна задати кількісно за допомогою деяких параметрів. Одним з основних параметрів антени, що кількісно характеризує її спрямованість, є коефіцієнт спрямованої дії (КСД). Цей Параметр увів О.О. Пістолькоре. Для визначення КСД порівнюють конкретну антену з ідеалізованою (ізотропною) антеною, яка випромінює в усіх напрямках однаково.

Якщо дві антени випромінюють у простір ту саму потужність, то КСД атени, що розглядається, визначається як співвідношення

, (8.2)

де П_а – густина потоку енергії, яка випромінюється в довільному напрямку; П_о – густина потоку енергії ізотропної антени; F(β,α) – нормована характеристика спрямованості антени.

Графічне зображення в просторі або в будь-якій площині функції Нор мованої характеристики спрямованості антени називають її діаграмою спрямованості. Будують діаграми спрямованості, як правило, в полярних координатах.

Якщо значення Па визначається в напрямку максимального випромінювання антени, то її максимальний КСД

. (8.3)

Антена навантажує вихідний каскад радіопередавача як елемент його вихідного кола опором, який в загальному випадку визначається так:

, (8.4)

Де Z_вх– сумарний опір випромінювання, що визначається інтегруванням вектора Пойтінга; R_втр – еквівалентний опір втрат; jХ_А –сумарний реактивний опір антени.

Для резонансних антен =0.

Виходячи з (8.4), корисно ввести також поняття добротності, смуги пропускання і частотної характеристики антени, які аналогічні визначеним раніше для коливального контуру.

Формула (8.4) визначає вхідний опір антени для випадку, коли можна виміряти струм на ЇЇ вході. Якщо ж виникає питання про потужність випромінювання або про потужність втрат, то їх знаходять множенням Rz і відповідно ReTp на половину квадрата амплітуди вхідного струму:

. (8.5)

Розглянуті випадки стосуються лише живлення антен від двопровід-них ліній до яких можна застосувати поняття теорії електричних кіл. У разі приєднання антени за допомогою довгої лінії (наприклад, хвилеводу) поняття вхідного опору вживається лише умовно. В регулярній частині хвилеводу існує тільки поле основного типу й опором його в поперечному перерізі може бути відношення поперечних компонентів напруженостей ЕтаН цього поля. Роль вхідного опору антени тут відіграє ошр навантаження, який залежить також від довжини відрізка з'єднувальної лінії.

Передавальну антену як споживача енергії характеризують ККД

. (8.61)

Параметри D й η визначають узагальнений параметр передавально1 антени, який називають коефіцієнтом підсилення

. (8.7)

Незважаючи на те, що відносно антен діє принцип взаємності, тобто їхні основні параметри ідентичні як у режимі передачі, так і в режимі приймання, роботу приймальної антени як еквівалентного генератора характеризують додатковими, специфічними тільки для неї, параметрами: потужністю , яку вона віддає радіоприймачу, та ефективною поверхнею А (для лінійних антен кіло- і гектометрових хвиль замість параметра А користуються поняттям дієвої висоти антени ). Ці параметри мають безпосередній зв'язок із КСД та коефіцієнтом підсилення антени. Можна довести, що максимальна потужність, яку антена віддає радіоприймачу в узгодженому режимі, визначається так:

. (8.8)

де Е_m – напруженість поля поблизу приймальної антени; W₀ – хвильовий опір вільного простору.

Ефективна поверхня антени пов'язана з КСД таким виразом:

. (8.9)

Для антен поверхневого типу величина А пропорційна площі їхньої геометричної поверхні і за деяких умов не залежить від довжини хвилі λ. Отже, для здобуття збільшеної спрямованості антен треба або збільшувати їхні розміри, або зменшувати довжину хвилі.

Основні параметри антен суттєво впливають не тільки на проходження корисних сигналів по каналу зв'язку, а й на його завадозахищеність. Завади радіоприйманню створюють грозові, космічні, індустрійні випромінювання, сторонні радіостанції, внутрішні теплові шуми та шуми антени. В звичайних умовах потужність сигналу в приймальній антені має бути значно більшою за сумарну потужність усіх завад.

Власні теплові шуми переважають над зовнішніми лише на декаметрових хвилях. Починаючи з хвиль метрового діапазону основними є зовнішні завади. У спрямованих антенах потужність зовнішніх завад значно знижується порівняно з аналогічними антенами з круговою діаграмою спрямованості. Тому з двох параметрів, що входять у вираз (8.7), кожен має переважне значення за різних умов. Якщо внутрішніми завадами порівняно з зовнішніми можна знехтувати, то співвідношення сигнал завада не залежить від ККД антени, а залежить лише від її КСД D. В цих випадках можна застосовувати антени з дуже малим ККД (близько 5...6 %). Однак, наприклад, у радіорелейних лініях внутрішні завади значно перевищують зовнішні. Тоді співвідношення сигнал/завада можна вважати пропорційним коефіцієнту підсилення антени. За цих умов підвищення ККД антени так само важливе, як і підвищення її КСД.

Сучасні антени досить різноманітні за конструкціями і виконуваними Функціями. Конструкції та властивості антен визначаються діапазонами частот, для роботи в яких вони призначені, і тими специфічними завдац нями, які за допомогою їх вирішують. Наприклад, розміри антен кіло- та гектометрових хвиль завжди менші за довжину хвилі, а в діапазонах декаметрових і метрових хвиль розміри антен сумірні з довжиною хвилі або значно її перевищують. Антени для радіомовлення мають кругову діаграму спрямованості, а для радіолокації – плоску або голкоподібну тощо. Різняться антени також зовнішнім виглядом. Будують антени стрижневі і дротяні, дзеркальні й рупорні, лінзові та щілинні, діелектричні і спіральні тощо.

Різноманітні типи антен можна класифікувати за різними ознаками Наприклад, Існує класифікація антен за діапазонами радіохвиль: міріаметрові, кілометрові, гектометрові, декаметрові, метрові, дециметрові сантиметрові та міліметрові. Така класифікація застосовується при проектуванні антен, вона дає змогу виділити перш за все конструктивні ознаки антен різних діапазонів, їхні особливості, зумовлені характером поширення радіохвиль. Можна класифікувати антени за призначенням: антени для радіозв'язку, радіомовлення, телевізійні, радіолокаційні, радіоастрономічні тощо. Це буде класифікація з позиції інженера-експлуатаційника.

З позиції фізиків зручніше класифікувати антени за принципом конструктивної побудови, тобто за розташуванням в антені джерел випромінювання і характером їх збудження. Отже, за цими ознаками будемо розрізняти елементарні (точкові), лінійні, поверхневі й об'ємні антени. На рис. 8.3 показано деякі антени, які є представниками цих типів.

Найпростішими є елементарні антени, які можуть розглядатися як електричні або магнітні диполі Герца – нерезонансні антени, довжина яких , та як симетричні пївхвильові вібратори – резонансні антени, довжина яких .

Як відомо, електричним диполем Герца є малий (завдовжки h) порівняно з довжиною хвилі λ елемент струму з різнойменними коливальними зарядами на кінцях. Отже, серед реальних антен такими наближеннями до електричного диполя Герца є: штирова антена над електропровідною (рис. 8.3, а), що найчастіше використовується як збуджувач хвилеводів; штирова приймальна антена (рис. 8.3, б), яка може застосовуватися, наприклад, як телескопічна антена на автомобілях або у переносних радіоприймачах; Т-подібна антена (рис. 8.3, в) передавальної станції, що працює в кілометровому діапазоні хвиль. Загальною для всіх цих антен є умова

h<<λ (8.10)

при наявності близько розташованої відбивної провідної поверхні. Завдяки цьому всі вони випромінюють фактично лише вертикальну складову струму й антена поводить себе як вертикальний електричний диполь Герца з круговою діаграмою спрямованості.

Магнітний диполь Герца – це малий порівняно з довжиною хвилі замкнений контур струму провідності з площею S. Аналогом такої антени є магнітний збуджувач хвилеводів (рис. 8.3, г), рамкова антена (рис. 8.3, д) і магнітна стрижнева антена (рис. 8.3, е).

Рис 8.3. Приклади конструктивної побудови антен деяких типів

 

 

Останні дві використовують Як приймальні в діапазонах кіло- та гектометрових хвиль. їхня особливість полягає в тому, що вони мають спрямовану дію і можуть застосовуватися як додатковий засіб боротьби зі спрямованими завадами під час радіоприймання (наприклад, досить потужна передавальна станція, що працює на сусідньому каналі).

Рамкові антени можуть бути прямокутними та круглими. У поєднанні зі штировими антенами їх можна використовувати для радіопеленгування. У шкільній практиці такі антени застосовуються на радіозмаганнях які дістали назву "полювання на лисиць". Магнітні антени виготовляють намотуванням на циліндричні або прямокутні феритові стрижні і застосовують у побутових радіоприймачах.

Симетричний півхвильовип вібратор (рис. 8.3, е) може одночасно розглядатись і як елементарна антена, і як лінійна антена з неперервним розподілом джерел випромінювання. Це резонансна передавальна антена. При горизонтальному розташуванні максимум її діаграми спрямованості перпендикулярний до площини вібратора.

Електричні вібратори як самостійно, так і в складі різноманітних поверхневих ліній та дзеркальних антен, використовуються в усьому діапазоні радіохвиль. На кіло- і гектометрових хвилях у зв'язку з їхньою великою довжиною найчастіше застосовують несиметричні вібратори, тобто такі, в яких використовуються відбивні електричні властивості поверхні Землі. На рис. 8.3, ж показано випромінювальну мачту-антену, що спирається на ізолятор і є несиметричним ненавантаженим вібратором над відбивною поверхнею.

На декаметрових хвилях застосовуються горизонтальні симетричні вібратори з мідного дроту, закріплені на опорах за допомогою ізоляторів Однак, на відміну від гектометрових, декаметрові вібратори в різні періоди добипрацюють на різних хвилях, тобто є діапазонними. Для доброго узгодження з радіопередавачем у всьому діапазоні такі вібратори виготовляють у вигляді кількох паралельних дротів, що утворюють у простор: циліндр (рис. 8.3, з). Ці вібратори називають вібраторами Наденеика.

В антенах метрових, дециметрових та сантиметрових хвиль вібратори виконують у вигляді жорстких стрижнів, іноді трубчастих. Для доброго узгодження з коаксіальним кабелем живлення зручно застосовувати шлейф-вібратор Пістолькорса (рис. 8.3, и), який складається з двох з'єднаних кінцями півхвильових вібраторів.

Для значного підвищення КСД з симетричних півхвильових вібраторі утворюють поверхневі антени з дискретно-неперервним розподілом випромінювачів (рис. 8.3, і) та лінійні антени типу «хвильовий канал», що працюють переважно в діапазонах метрових і дециметрових хвиль (рис. 8.3, ї). Останні антени належать до антен біжної хвилі.

Уперше таку антену запропонували японські інженери Уда та Ягі, ім’ям яких її і названо. Її ще називають директорною, тому що вона складається з активного симетричного вібратора 2, відбивача (рефлектора) 1 і кількох напрямних (директорів) випромінювання 3. Під впливом випромінювання активного вібратора в директорах наводяться високочастотні струми, які утворюють власні випромінювання. Якщо відстані між активним вібратором та директорами такі, що всі випромінювання в них синфазні то вони додаються в напрямку осі антени, створюючи досить вузьку діаграму спрямованості. Для того щоб уникнути заднього випромінюваная в напрямку мінімуму діаграми спрямованості на відстані приблизно λ/4 від випромінювача встановлюють рефлектор, в якому під дією первинного випромінювання теж індукуються струми, але їхні поля протифазні тим, які створюються первинним випромінюванням, і компенсують останні. З урахуванням взаємодії та внесених взаємних реактивних провідностей довжини директорів і рефлекторів трохи відрізняються від резонансних.

Директорці антени широко застосовуються як для приймання телевізійних програм, так і для побудови складних радіолокаційних антен метрового та дециметрового діапазонів.

До поверхневих антен з неперервним розподілом випромінювачів можна віднести рупорні, лінзові, дзеркальні антени (рис. 8.3, й,к,л). У розкриві всіх цих типів антен утворюється плоска синфазна однорідна хвиля (в разі формування голкоподібної діаграми спрямованості) або хвиля із заданим законом розподілу фаз. Властивості таких антен розглядаються на підставі властивостей елемента Гюйгенса. Основною їхньою властивістю є те, що спрямованість антен у кожній з площин тим більша, чим більшим є лінійний розмір розкриву в цій площині відносно довжини хвилі. Такі антени використовують переважно в дециметровому, сантиметровому і міліметровому діапазонах.

Представниками антен з неперервним об'ємним розподілом випромінювачів є спіральна (рис. 8.3, м) і діелектрична (рис. 8.3, н) антени. Це антени біжної хвилі, але, на відміну від розглянутої вище директорної антени, в цих антенах випромінювання поляризоване по колу. Такі антени знаходять переважне застосування в літальних апаратах (літаки, ракети), які під час виконання маневру змінюють своє положення у просторі.

Для транспортування радіочастотного сигналу від радіопередавача до антени та від антени до радіоприймача використовують фідери, або довгі лінії. Довгими їх називають тому, що довжина фідера може бути не тільки сумірною з довжиною хвилі, а й в деяких випадках навіть набагато перевищувати її. Конструкція фідера залежить від довжини хвилі та діапазону виль, в яких він застосовується.

Відкриті двопровідні лінії (рис. 8.4, а, б) використовують на хвилях, доввжина яких перевищує 5 м. При коротших хвилях такі фідери починають випромінювати, тобто перетворюються на антени.

Фідер у вигляді коаксіального кабелю (рис. 8.4, в) добре екранований і може застосовуватись навіть у діапазоні дециметрових хвиль.

Хвилеводи використовують в основному в діапазонах сантиметрових міліметрових хвиль. Річ у тім, що поширення електромагнітної енергії у хвилеводі можливе лише на хвилях, довжина яких менша за деяке критичне значення, яке визначається геометричними розмірами хвилеводу.

Рис. 8.4. Приклади конструктивної побудови фідерів деяких типів

 

Це значить, що для більш довгих хвиль, ніж сантиметрові, геометричні розміри хвилеводів стають конструктивно неприйнятними. На практиці застосовуються прямокутні (рис. 8.4, г), круглі (рис. 8.4, д), П-подібні (рис. 8.4, е), а також Н-подібні (рис. 8.4, є) хвилеводи.

Крім розглянутих, останнім часом досить широке використання знаходять смужкові лінії, діелектричні хвилеводи, світловоди. Ці фідери добре конструктивно узгоджуються з радіоелементами інтегрального виконання [13].

 

 

Основні технічні показники і структурні схеми

Радіопередавачів

За призначенням радіопередавальні пристрої бувають зв'язкові, радіонавігаційні, радіолокаційні, для радіокерування, радіомовлення, телебачення тощо.… За потужністю розрізняють радіопередавачі дуже малої (до 3 Вт), малої (до 100… Залежно від діапазону частот радіопередавачі бувають низько-, середньо­-, високочастотні, дуже високочастотні,…

Основні експлуатаційні параметри і структурні схеми

Радіоприймачів

Усі радіоприймачі можна поділити на дві великі групи: побутові та професійні. Перші призначені для приймання програм радіомовлення і телебачення.… Загальні технічні показники радіоприймачів такі самі, як і аналогічні… Чутливість радіоприймача визначається мінімальною електрорушійною силою сигналу в антені, при якій на виході…

Особливості побудови деяких елементів радіоприймачів

Ці особливості пов'язані з широкодіапазонністю радіоприймачів як за частотою, так i за динамічністю сигналів на вході. Висока якість приймання… Першим елементом на шляху радіосигналу є вхідне коло, з'єднане з антеною як з…

Принципи телебачення

Сукупністъ оптичних, електронних i радіотехнічних пристроїв, за допомогою яких зображення перетворюєься на електричні сигнали, після чого вони… За призначенням телевізійні системи можна поділити на системи телемовлення… За якісними ознаками системи телебачення можуть бути монохромні (чорно-білі), колъорові, стереоскопічні монохромні, а…

Структурні схеми монохромних телевізорів

За принципом дії телевізійні приймачі можуть бути прямого підсилення i супергетеродинні. Вони можуть бути побудовані за дво- або одноканальною… На рис. 9.6 зображено структурну схему супергетеродинного телевізійного… У двоканальному телевізорі сигнал проміжної частоти з виходу перетворювача частоти надходить у блок зображення i блок…

Структурна схема кольорового телевізора

 

Особливості структурної схеми кольорового телевізора визначаються застосованою в ньому системою кодування кольору. Блоки ПТК (СК) зображення, звуку i синхронізації в кольорових телевізорах такі caмi, як i в монохромних. Тільки після відеопідсилювача в кольорових телевізорах встановлюється лінія затримки сигналу на 0,7 мкс, щоб узгодити час проходження різними шляхами сигналу яскравості та кольорорізницевих сигналів.

На рис. 9.8 показано структурну схему блока кольоровості телевізора системи СЕКАМ. 3 відеодетектора повний телевізійний сигнал U_п надходить у підсилювач кольоровості ПК, з якого він подається на один із двох входів електронного перемикача ЕП. На інший вхід електронного перемикача цей сигнал потрапляє через 64 мкс, пройшовши лінію затримки ЛЗ. Виходи комутатора через обмежувачі Обм1, Обм2 з'єднано з частотними детекторами ЧД_R i ЧД_B, які мають протилежні нахили АЧХ.

Нехай в деякий момент часу надійшов сигнал U_п = D_R. Згідно з положенням електронного перемикача ЕП, показаному на рисунку, цей сигнал пройде в ЧД_R, а в канал частотного детектора ЧД_B потрапить сигнал iз попереднього рядка, затриманий на 64 мкс. При надходженні сигналу наступного рядка на виході підсилювача кольоровості буде сигнал D_B, а на виході лінії затримки – сигнал D_R із попереднього рядка. Щоб ці сигнали потрапили до своїх детекторів, треба перемкнути електронний перемикач. Це здійснює генератор комутувальних імпульсів ГКІ, який запускається імпульсами рядкової синхронізації U_p.c.

На виходах частотних детекторів формуються сигнали D_R i –D_B, які проходять коректувальні підсилювачі П_R та П_B, де компенсуються низькочастотні спотворення, що

Рис. 9.8. Структурна схема блока кольоровості телевізора системи СЕКАМ

 

виникли під час передачі, i змінюються фази сигналів на 180°. На виході коректувальних підсилювачів будуть сигнали E_R–_Y та E_B–Y, з яких за допомогою матриці M_G формується сигнал E_G–Y.

Якщо електронний перемикач працює правильно, то сигнали D_R i D_B потраплятимуть у свої канали, а на виході коректувальних підсилювачів разом iз сигналами кольоровості утворяться ще й сигнали розпізнавання кольору у вигляді негативних імпульсів. Однакова негативна полярність ix буде тому, що сигнал у каналі R змінює свою полярність один раз, а сигнал у каналі В — двічі.

Якщо електронний перемикач працює неправильно i переплутав канали, то двічі змінюється полярність сигналу D_R й один раз —полярність сигналу D_B. Імпульси розпізнавання кольору в цьому разі будуть позитивними. Для повернення схеми у стан правильної роботи застосовуєтъся схема кольорової синхронізації.

Схема кольорової синхронізації спрацьовує від імпульсів кадрової синхронізації U_к.с, які в генераторі допоміжних імпульсів ГДІ формують допоміжні негативні імпульси. Ці імпульси після диференціювання в колі ДК запускають тригер Шмітта ТШ. Останній встановлюється в положення, при якому на частотні детектори подається сигнал, що відкриває їх.. Якщо передача не кольорова, то негативний імпульс продиференційованого допоміжного імпульсу перекидає тригер Шмітта i на частотні детектори надходить запірний потенщал. Отже, при чорно-білих передачах канали кольоровості відкриті тільки на час передаі імпульсів розпізнава кольору, а решту часу вони закриті.

Якщо здійснюється кольорова передача i сигнали кольоровості потрапляють у свої канали, то на матрицю М сигналів кольорової синхронізації подається серія негативних імпульсів з обох каналів кольоровості. Вони додаються, а після інтегрування в колі IK утворюють негативний імпулъс, що збігається з негативним викидом про диференційованого допоміжного імпульсу. Внаслідок цього допоміжний імпульс компенсується i тригер Шмітта другий раз не перекидається. При цьому канали кольоровості залишаються відкритими.

Відтворювальним пристроєм кольорового телевізора є спеціальна телевізійна трубка — кольоровий кінескоп. До недавнього часу доситъ поширеними були маскові кінескопи, які по суті об'єднували в одній колбі три монохромні електронно-променеві трубки. В масковому кілескопі застосовується просторове зміщування кольорів трьох люмінофорів, нанесених на екран у вигляді окремих точок, що утворюють тріади RGB. Кожна тріада — це один елемент розкладання зображення. Всього на екрані 1 400 000 таких тріад. Поблизу екрана на шляху електронів установлюється маска з отворами для проходження променів. Конструкція такого кінескопа досить складна, а ефективність використання електронного променя в ньому низька, оскільки маска перехоплює близько 85 % електронів, які прямують до екрана.

Запропоновано багато різновидів конструкцій кінескопів, що забезпечують значно більшу ефективність використання електронного променя.Серед них хромотрони i тринітрони, в яких маску замінено сіткою з вертикальними щілинами, а люмінофори нанесено вертикальними смужками

Проблемою кольорових кінескопів є також зведення променів. Для її вирішення по всій площині екрана встановлюють електромагніти динамічного зведення, що живляться струмами спеціальної форми. В сучасних планарних кінескопах застосовується самозведення променів, яке здйснюється спеціальною відхильною системою з нерівномірним електромагнітним полем. В останніх конструкціях магніт статичного зведення розташовують у самій колбі кінескопа.

Кінескоп — це єдиний електровакуумний прилад сучасного телевізора. Його теж можна замінити. Вже існують екрани на рідких кристалах та матрицях світлодіодів, тобто відпрацьовуються перспективи побудови плоских напівпровідникових телевізійних екранів.

У сучасних телевізорах значно вдосконалюються i спрощуються для користування споживачем yci органи ручного й автоматичного настроювань (регулювання гучності, яскравості та кольоровості кадру, вибір програм i підстроювання гетеродина в межах каналу тощо), а також індикації дублюванням їх у дистанційному режимі та винесенням на окремий пульт дистанційного керування.

 

ГЛАВА 1 0. РАДІОЛОКАЦІЙНІ СИСТЕМИ

Принципи радіолокації

Радіолокація — це галузь радіоелектроніки, за допомогою якої при використанні електромагнітного випромінювання виявляють, визначають місцеположення… Положення об'єкта в просторі радіолокаційна станція (РЛС) визначає в полярній…  

Радіолокація неперервним сигналом

Найперші РЛС були саме доплерівськими станціями неперервного випромінювання. Спрощену структурну схему такої станції показано на рис. 10.2. Станція… (10.10) де с = 3•108 м/с – швидкість поширення сигналу

Радіолокація імпульсним сигналом

На рис. 10.4 зображено спрощену структурну схему імпульсної РЛС. Її роботою керує генератор синхроімпульсів ГСІ. Від його дуже коротких імпульсів у… Рис. 10.4. Спрощена структурна схема імпульсної РЛС

Конструктивні особливості окремих елементів РЛС

Виявлення та визначення координат i параметрів руху об'єктів у просторі за допомогою електромагнітних хвиль — досить складна суперечлива технічна…    

ГЛАВА 11 . СИСТЕМИ ЕЛЕКТРОННОЇ ОБЧИСЛЮВАЛЬНОЇ ТЕХНІКИ

Способи технічної реалізації алгоритмів

Оброблення цифрової інформації

Електронні обчислювальні машини (комп'ютери) — це засоби перетворення інформації, які є програмованими автоматами. Існують машини для оброблення інформації в аналоговій формі та в цифровій.… Цифрові комп’ютери здебільшого універсальні як за формою подання інформації, так i за способами iї оброблення. Тому…

Апаратні засоби ЕОМ

Будь-яка ЕОМ складається з електронних операційних пристроїв, що виконують операції, задані програмою, і генерують, транспортують та перетворюють… Узагальнена структура ЕОМ складається з процесора (центрального процесора),… Технічні можливості та універсальність комп'ютера визначаються двома факторами.

Комп’ютерні мережі

Залежно від того, якими способами організовано комп’ютерну мережу, Існує два способи доступу до інформації. Найпростіший — передати файл з одного… Елементи комп’ютерної мережі можна класифікувати різними способами. Наприклад,… Іншим підходом до ранжування комп’ютерних мереж є розподіл їх на реальні, штучні й однорангові.

Основні типи комп’ютерів

Практично всі типи ЕОМ побудовано за принципами і схемою, розглянутими вище. Проте залежно від конкретних сфер застосування вони різняться… Надпродуктивні комп’ютери. Їх використовують для розв'язання особливо складних… Надпродуктивні комп’ютери мають надшвидкодійні апаратні засоби і призначені для виконання спеціалізованого оброблення…

Основні операційні елементи обчислювальної техніки

Як зазначено при розгляді апаратних засобів обчислювальних систем, оброблення цифрової інформації полягає у виконанні елементарних операцій з… Розрядність операційних елементів визначається типом ЕОМ, де вони… Операційні елементи бувають двох видів: комбінаційні, побудовані на базових логічних елементах (див. п. 6.5), та…

Питания радіоелектроніки в курсі фізики i спецкурсах

Вивченню питань радіоелектроніки в структурі базового курсу фізики приділяється значна увага. В шести великих розділах завершального ступеня… Отже, у значної частини учнів уже в молодших та середніх класах виникає… Традиційно питання радіоелектроніки за програмою курсу фізики вивчаються в старших класах у розділах «Магнітне поле»,…

Радіоелектроніка у кабінеті фізики i засобах навчання

Кабінет фізики сучасної загальноосвітньої школи досить насичений радіоелектронною апаратурою та обладнанням. Його можна поділити на такі основні… Навчальні моделі для вивчення питань радіоелектроніки найчастіше складаються з… Навчальні моделі та набори-коиструктори використовують разом iз відповідними вимірювальними приладами i джерелами…

Радіоелектроніка в позакласній роботі

Через те, що радіоелектроніка оточує нас у повсякденному житті, завдяки багатьом своїм загадковим явищам та ефектам i різноманітності застосування… У різних позашкільних установах працюють радіоклуби та школи радіоелектроніки.… Здебільшого позакласна робота з радіоелектроніки грунтується на використанні промислового обладнання, в тому числі…

Елементи радіоелектроніки в технічній творчості школярів

Однією з найбільш гнучких та ефективних форм опанування теоретичних знань радіоелектроніки i набуття практичних навичок школярами є фізико-технічний… Організація роботи факультативу або гуртка радіоелектроніки в загальноосвітній… З самого початку практична діяльність, пов’язана з виготовленням об'єктів технічної творчості, поєднується з…

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ

ТА РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

2.Бобровников Л. 3. Радиотехника и электроника. — М.: Недра, 1990. — 373 с. 3.Богатырев А.Н. Радиоэлектроника, автоматика и элементы ЗВМ. — М.:… 4.Галкин В. И. Начинающему радиолюбителю. — Минск: Польша, 1989. — 304 с.