Аналоговые устройства приемопередатчиков

В.А. Романюк 
 
 
 
 
 
Аналоговые устройства 
приемопередатчиков 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
СОЛОН-Пресс 
2019

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. 
3 

Романюк В.А. Аналоговые устройства приемопередатчиков 
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) 
4 

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] 
5 

Романюк В.А. Аналоговые устройства приемопередатчиков 
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 
6 

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, 
7 

Романюк В.А. Аналоговые устройства приемопередатчиков 
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. 
8 

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.        
9 

Романюк В.А. Аналоговые устройства приемопередатчиков 
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. 
10