Аналоговые устройства приемопередатчиков

В.А. Романюк 
 
 
 
 
 
Аналоговые устройства 
приемопередатчиков 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
СОЛОН-Пресс 

УДК 621.6(075.8)  
ББК 32, 32.848,32.849 
     Р 69 
 
В.А. Романюк 
Аналоговые устройства приемопередатчиков. — М.: СОЛОН-Пресс, 
2019 – 144 с.: ил.  
 
ISBN 978-5-91359-323-8 
 
Изложены основные сведения о составе, механизме работы и 
характеристиках 
аналоговых 
устройств, 
применяемых 
в 
радиопередатчиках и радиоприемниках СВЧ. Несмотря на успехи 
современной цифровой техники, в приемопередатчиках сантиметрового 
и миллиметрового диапазонов длин волн продолжают применяться 
аналоговые 
устройства: 
усилители 
мощности, 
автогенераторы, 
синтезаторы и  смесители частот, модуляторы и демодуляторы.  
Значительное внимание в пособии уделено функциональным 
схемам 
радиопередатчиков 
и 
радиоприемников, 
подробно 
рассмотрены параметры, определяющие их качество. При описании 
работы аналоговых устройств упор сделан на физические процессы с 
приведением необходимых математических выкладок, облегчающих 
понимание информации, отмечены особенности в случае аналоговой и 
цифровой формы радиосигналов. Материал, изложенный по каждому 
устройству, иллюстрируется примерами реализации интегральными 
схемами с приведением их параметров. 
В пособии намечены пути улучшения аналоговых устройств 
приемопередатчиков, 
связанные 
с 
созданием 
монолитных 
микроволновых интегральных схем (ММИС) на базе арсенида и 
нитрида 
галлия, 
карбида 
кремния 
и 
других 
современных 
полупроводниковых материалов. Информация пособия предназначена 
для подготовки бакалавров радиотехнического профиля.  
 
По вопросам приобретения обращаться: 
ООО «СОЛОН-Пресс» 
Тел: (495) 617-39-64, (495) 617-39-65 
E-mail: kniga@solon-press.ru, www.solon-press.ru 
 
ISBN 978-5-91359-323-8 
© СОЛОН-Пресс, 2019  
 
© Романюк В.А., 2019

Введение.  
Сигналы и элементы  
радиотехнических цепей 
Сигналы 
Радиотехническая система предназначена для передачи и приема сигналов, 
которые 
осуществляются 
посредством 
электромагнитных 
волн, 
распространяющихся в пространстве. Сигнал — это электромагнитные 
колебания, 
содержащие 
информацию. 
Различают 
видеосигналы 
и 
радиосигналы. 
Видеосигналы, 
или 
первичные 
сигналы, 
могут 
быть 
аналоговыми и цифровыми. В аналоговом видеосигнале передаваемая 
информация заключена в виде зависимости от времени напряжения или тока - 
рис. В.1. 
 
Рис. В.1. Напряжение аналогового видеосигнала 
Цифровой видеосигнал представляет собой последовательность чисел, 
представленных, как правило, в двоичной форме. Во временной области 
простейший цифровой видеосигнал имеет вид импульсов напряжения и пауз 
между ними, которые эквивалентны 1 и 0 цифрового кода — рис. В.2. 
(Возможно и другие временные представление напряжения цифрового 
сигнала, например, в виде импульсов положительной — 1 и отрицательной — 
0 полярности). 
 
Рис. В.2. Простейший цифровой видеосигнал. 

Видеосигналы аналоговые и цифровые имеют сплошной спектр, в составе 
которого содержатся низкие частоты колебаний: от близких к 0 до единиц 
мегагерц. 
Для 
возможности 
осуществления 
передачи 
информации 
радиоволнами требуется переместить спектр видеосигнала на более высокую 
частоту, то есть преобразовать видеосигнал в радиосигнал. Спектр аналогового 
видеосигнала и соответствующего ему радиосигнала показан на рис. В.3, где 
по вертикальной оси отложена спектральная плотность напряжения. 
 
0
                 
                                                               
                                            
 
                                                               
                 а)
 
0                                                 
н
  
      н    
н
                      
     б)                           
 
Рис. В.3. Спектры напряжения при амплитудной модуляции реальным аналоговым 
сигналом, где: а — спектр видеосигнала, б — спектр радиосигнала 
 
На рис. В.4 представлены спектры цифровых видео- и радиосигналов.  
 
а) 

Введение. Сигналы и элементы радиотехнических цепей 
 
б) 
Рис. В.4. Спектры цифровых сигналов (а — видеосигнал, б — радиосигнал) 
Передаваемая информация содержится в боковых составляющих спектра 
радиосигнала, а центральная частота, называемая несущей, служит лишь для 
того, чтобы передать информацию через свободное пространство. Для 
преобразования видеосигнала в радиосигнал требуется осуществить две 
операции: 
- генерировать электромагнитные колебания несущей, достаточно высокой 
частоты, 
- модулировать их низкочастотным видеосигналом. 
Колебания напряжения несущей частоты ߱ː можно записать в виде 
ݑሺݐሻൌܷ…‘•ሺ߱ːݐ൅߮଴ሻ, 
где U — амплитуда, ߮଴ — начальная фаза. Часто применяют представление о 
гармонических колебаниях, основанное на формуле Эйлера (݁௝ן = …‘• ן + 
j •‹ ן) 
 
ݑሺݐሻൌ ܴ݁[ܷ݁௝ሺఠː௧ାఝబሻ]     
(В.1) 
При линейных преобразованиях гармонических колебаний несущая частота 
не изменяется, поэтому, вместо мгновенного напряжения, используют 
комплексную амплитуду 
ܷሶ = U݁௝ఝబ 
Модулированные колебания несущей частоты, в общем случае, имеют 
амплитуду 
и 
начальную 
фазу, 
зависящие 
от 
времени. 
Напряжение 
радиосигнала 
 
ݑሺݐሻൌܷሺݐሻ…‘•ሺ߱ː – ൅Ъ(t))    
(В.2) 
К напряжению радиосигнала (В.2) можно применить формулу (В.1) 
ݑሺݐሻൌܴ݁ሾܷሺݐሻ݁௝ሺఠː ୲ା஦ሺ௧ሻሻ] 

Так же, как и при гармонических колебаниях, вместо мгновенного значения 
высокочастотного напряжения, используют комплексную амплитуду, у 
которой модуль и фаза медленно зависят от времени: 
 
ܷሺ
ሶt) = U(t)݁௝ఝሺ௧ሻ,       
(В.3) 
ее называют «комплексной огибающей радиосигнала».  
Мгновенное напряжение радиосигнала можно представить в виде 
 
ݑሺݐሻൌܴ݁ሾܷሶሺݐሻ݁௝ఠː௧]       
(В.4) 
где комплексная огибающая определяется выражением (В.3) или в 
алгебраической форме 
 
ܷሶሺݐሻ = I(t) + jQ(t)      
(В.5) 
 
I(t) = U(t) …‘• ߮ሺݐሻ     
(В.6) 
 
Q(t) = U(t) •‹ ߮ሺݐሻ      
(В.7) 
Подставляя выражения (В.5) — (В.7) в (В.4) и используя формулу Эйлера, 
запишем 
 
ݑሺݐሻൌܫሺݐሻ…‘• ߱ː – െ  Q(t) •‹ ߱ː –     
(В.8) 
Напряжение радиосигнала можно представить в виде проекции на 
горизонтальную ось вектора, вращающегося с угловой скоростью ߱ː, при 
этом, передаваемая информация содержится в изменениях его амплитуды и 
фазы — выражение (В.2). Это, так называемое, векторное представление 
радиосигнала. В другом варианте, радиосигнал — сумма двух гармоник, 
колеблющихся с фазовым сдвигом 90 
0 (В.8), информация в которых 
заключена в изменениях их амплитуд ܫሺݐሻ и -Q(t) — квадратурное 
представление радиосигнала. 
Элементы радиотехнических цепей 
Современные 
приемопередающие 
устройства 
выполняют 
в 
виде 
интегральных схем. Первым шагом для их создания является разработка 
электрической схемы и оптимизация ее параметров. Элементы электрических 
схем — это сопротивления R, емкости C, индуктивности L, диоды, 
транзисторы и другие. Многие приборы моделируют эквивалентными 
схемами, состоящими из простейших элементов R,L,C.  
Активные и пассивные элементы 
Среди элементов цепей существуют пассивные, которые либо потребляют 
энергию электромагнитного поля (сопротивления), либо могут ее запасать 
(емкости и индуктивности). Имеются активные (или усилительные) элементы 
цепей — способные преобразовать энергию постоянного электрического поля 
в энергию электромагнитных колебаний. Это транзисторы, генераторные 

Введение. Сигналы и элементы радиотехнических цепей 
диоды, вакуумные приборы СВЧ — магнетроны, клистроны, лампы бегущей 
волны и другие. Источник питания, подключаемый к активному элементу, 
передает энергию электрического поля потоку электронов, который тем или 
иным способом модулируется по плотности и приобретенную кинетическую 
энергию отдает возникшему электромагнитному полю. 
Линейные и нелинейные элементы  
Элементы электрической цепи бывают линейными и нелинейными. 
Простейшие элементы в цепях переменного тока характеризуются основными 
характеристиками, независящими от частоты колебаний: сопротивление 
(проводимость) — 
вольт-амперной 
характеристикой 
(ВАХ), 
то 
есть 
зависимостью 
тока 
i 
от 
напряжения 
u, 
емкость — 
вольт-кулонной 
характеристикой 
(ВКХ) — 
зависимостью 
заряда 
на 
емкости 
q 
от 
приложенного 
напряжения 
u, 
индуктивность — 
ампер-веберной 
характеристикой (АВХ), то есть зависимостью магнитного потока Ф в области 
индуктивности 
от 
протекающего 
тока 
i. 
Проводимость, 
емкость 
и 
индуктивность определяются как производные: ݃ൌ
ௗ௜
ௗ௨, ܥൌ
ௗ௤
ௗ௨,  ܮൌ
ௗʣ
ௗ௜. 
Графики основных характеристик могут быть прямыми линиями. В этом 
случае параметры g, C, L — постоянные величины и элементы цепи 
называются линейными. Если график основной характеристики отличается от 
прямой линии, то появляется зависимость проводимости и емкости от 
напряжения, а индуктивности — от протекающего через нее тока. В этом 
случае g, C, L — нелинейные элементы цепи. 
Нелинейные элементы цепей могут работать в режимах малых амплитуд 
колебаний, когда мгновенные напряжения, ток, заряд, магнитный поток не 
выходят за пределы линейных участков основных характеристик. При этом, 
параметры элементов постоянны и элементы линейны. Но если изменить 
постоянное напряжение или ток, то можно попасть на другой линейный 
участок основной характеристики с другой крутизной, тогда параметры 
элементов оказываются зависимыми не от мгновенных напряжений или токов, 
а о т их постоянных значений. 
Линейные и нелинейные устройства 
Радиотехнические 
устройства 
бывают 
линейными 
и 
нелинейными. 
Линейное устройство состоит только из линейных элементов (или может 
содержать нелинейные элементы, работающие в режиме малых амплитуд 
колебаний). Если в устройстве имеется хотя бы один нелинейный элемент и 
амплитуду колебаний нельзя считать малой, то устройство является 
нелинейным. Нелинейное устройство имеет две особенности, отличающие его 
от линейного: 
1) на выходе нелинейного устройства могут быть колебания тех частот, 
которых не было на входе, 

2) численные значения параметров нелинейных устройств зависят от 
амплитуды (или мощности) входных колебаний. 
Диоды  
Наиболее широко применяемыми нелинейными элементами являются 
диоды и транзисторы. Полупроводниковые диоды могут быть с p-n переходом 
или с другими контактами (барьер Шотки, гетеропереходы). Упрощенная 
эквивалентная схема диода представляет собой параллельное соединение 
нелинейного сопротивления и нелинейной емкости — рис. В.5. 
+
+
 
Рис. В.5. Простая эквивалентная схемы диода 
В зависимости от частоты колебаний и примененных участков вольтамперной i(u) и вольт-кулонной q(u) характеристик диод может быть 
использован как нелинейная проводимость ݃ൌ
ௗ௜
ௗ௨ или нелинейная емкость 
ܥൌ
ௗ௤
ௗ௨: 
߱ܥ ا g — нелинейная проводимость, 
g ا ߱ܥ — нелинейная емкость. 
Транзисторы 
Транзисторы, применяемые в приемопередающих устройствах, бывают 
биполярные и различных структур полевые. Для всех типов транзисторов 
справедлива упрощенная эквивалентная схема, изображенная на рис. В.6. 

Введение. Сигналы и элементы радиотехнических цепей 
 
Рис. В.6. Упрощенная эквивалентная схема транзистора 
Названия электродов, приведенные на рис. В.6, относятся к биполярному 
транзистору. Для полевых транзисторов схема остается такой же, но 
электроды — затвор, сток и исток. Элементом транзистора, определяющим его 
активные и нелинейные свойства, является генератор выходного тока iк, 
зависящего от напряжений база-эмиттер uб и коллектор-эмиттер uк. Кроме 
генератора тока ݅ˍ(ݑ˄,ݑˍ), в схеме учтены нелинейные емкости база-эмиттер и 
база коллектор. 
Нелинейные свойства транзистора определяются зависимостью выходного 
тока от входного напряжения. Для биполярного транзистора —  зависимость 
коллекторного тока от напряжения между базой и эмиттером. Эта зависимость 
для одного из видов биполярного транзистора, снятая на постоянном токе при 
постоянном напряжении ݑˍ, показана на рис. В.7, а. Аналогичная зависимость 
для варианта полевого транзистора с барьером Шотки (зависимость тока стока 
от напряжение затвор-исток) показана на рис. В.7, б.        

p
݅ˍ, мА 
150
100
50
0
0.7
1
1.3
1.6
1.8
 
ݑ˄, В 
а) 
݅௖ǡ мА 
60
50
40
30
20
10
0
-1
-0.5
0
0.1
 
ݑˊ, В 
б) 
Рис. В.7. Переходные статические вольт-амперные характеристики транзисторов: 
а — биполярного, б — полевого с барьером Шотки 
Основным параметром транзистора, определяющим его активные свойства, 
является крутизна линейной части статической переходной характеристики, 
или просто крутизна транзистора  ܵൌ݀݅ˍ ݀ݑ˄
ൗ
  или ܵ ൌ݀݅௖݀ݑˊ
ൗ
.  
Микросхемы 
Имеется обширный набор микросхем, включающий практически все 
устройства приемопередатчиков, предназначенных для электромагнитных 
колебаний частот вплоть до миллиметрового диапазона дли волн. Микросхемы 
характеризуются параметрами соответствующих устройств. С ростом частоты 
гибридные 
микросхемы 
заменяются 
монолитными 
на 
базе 
полупроводниковых материалов GaAs, GaN, SiC и других.