電子/發射機設計
無線電發射機設計是一個複雜的主題，可以分解成一系列較小的主題。
對於固定頻率發射機，一種常用的方法是使用石英晶體諧振器在晶體振盪器中固定頻率。對於需要能夠改變頻率的發射機，可以使用幾種方法。
- 晶體陣列 - 這種方法使用多個振盪器，每個振盪器調諧到不同的固定頻率。
- 可變頻率振盪器 (VFO)
- 鎖相環 (PLL) 頻率合成器
對於 VHF 發射機，經常無法在最終輸出頻率上執行晶體控制或可變頻率振盪器。另外，出於頻率穩定性等原因，最好將自由執行振盪器的頻率倍增到所需的最終頻率。
如果放大器級輸出調諧到驅動級的頻率的倍數，則該級被最佳化以產生比線性放大器中更大的諧波輸出。在推輓級中，輸出將只包含偶數諧波。這是因為在這個電路中會產生基波和奇數諧波的電流（如果移除一個電子管）會被第二個電子管抵消。請注意，在這些圖中，為了清晰起見，偏置電源和中和電路已省略。在一個真實的系統中，很可能使用四極管，因為四極管中的板極到柵極電容較低，因此使該級不太可能不穩定。
這裡在推輓級中，輸出將只包含奇數諧波，因為它們被抵消了。
許多發射機的任務是使用載波傳輸某種形式的資訊。這個過程稱為調製。有許多種射頻調製，調製的選擇通常取決於要傳輸的資訊型別。
例如，音訊資訊在時間和值上是連續的，並且按常數縮放（即訊號反轉，音量控制）是可以接受的，因此 AM 和 FM 傳輸有效。但對於數字通訊，訊號在時間和值上是離散的，訊號反轉是不可接受的，因此 AM 和 FM （單獨）並不令人滿意。對於數字通訊，諸如頻率移位鍵控 (FSK) 或開關鍵控 (OOK) 在 FM 上的調製將更好。
在許多情況下，載波與另一個電訊號混合以在載波上施加資訊。這發生在調幅 (AM) 中。
這裡使用一個小的音訊級來調製一個低功率級，然後使用一個線性射頻放大器放大該級的輸出。
- 優點
使用線性射頻放大器的優點是，較小的早期級可以被調製，這隻需要一個小的音訊放大器來驅動調製器。
- 缺點
這種系統的最大缺點是放大器鏈效率較低，因為它必須是線性的才能保持調製。因此，不能使用 C 類放大器。
一種將低電平調製的優點與 C 類功率放大器鏈的效率結合起來的方法是，安排一個反饋系統來補償 AM 包絡的重大失真。發射機輸出端的簡單檢波器（可以只是一個鬆散耦合的二極體）恢復音訊訊號，並將其用作對音訊調製級的負反饋。那麼整個鏈條在實際調製方面就起到了線性放大器的作用，儘管射頻放大器本身仍然保持 C 類的效率。這種方法廣泛用於實際的中功率發射機，例如 AM 無線電電話。
- 優點
在廣播 AM 發射機中使用 C 類放大器的優點之一是，只需要調製最後一級，所有早期級都可以以恆定電平驅動。這些 C 類級能夠以較小的直流電源輸入為最後一級產生驅動。但是，在許多設計中，為了獲得更好的 AM 質量，倒數第二級射頻級需要與最後一級一樣進行調製。
- 缺點
調製級需要一個大的音訊放大器，至少要等於發射機輸出本身的功率。傳統上，調製是使用音訊變壓器實現的，音訊變壓器可能很大。直接耦合從音訊放大器也是可能的（稱為串聯級配置），但這通常需要相當高的直流電源電壓（例如 30V 或更高），不適合移動裝置。
許多不同的電路已被用於 AM。雖然使用固態電子器件完全可以建立良好的設計，但這裡顯示了電子管電路。總的來說，電子管能夠輕鬆產生遠遠超過固態電子器件所能實現的射頻功率。大多數高功率廣播電臺仍然使用電子管。
在板極調製系統中，提供給級聯的電壓發生變化。由於可用輸出功率是電源電壓的函式，因此輸出功率被調製。這可以透過使用變壓器來改變陽極（板極）電壓來實現。變壓器方法的優點是音訊功率可以提供給射頻級並轉換為射頻功率。
使用變壓器的陽極調製。四極管接收陽極電源（和屏柵電源），該電源透過變壓器進行調製。電阻 R1 設定柵極偏置，輸入和輸出都是調諧 LC 電路，透過感應耦合接入。
串聯調製幅度調製級的示例。四極管接收陽極電源（和屏柵電源），該電源由調製管進行調製。電阻 VR1 設定調製管的柵極偏置，射頻輸入（調諧柵極）和輸出都是調諧 LC 電路，透過感應耦合接入。
當頂部的管子導通更多時，較低管子（射頻管）的陽極和陰極之間的電位差會增加。這兩個管子可以被認為是電位器中的兩個電阻。
在穩態條件下（沒有音訊驅動），該級將是一個簡單的射頻放大器，其中柵極偏置由陰極電流設定。當該級被調製時，屏柵電位發生變化，從而改變該級的增益。
幾種 AM 的衍生形式被廣泛使用。它們是
(SSB，或 SSB-AM 單邊帶全載波調製)，非常類似於單邊帶抑制載波調製（SSB-SC）
使用平衡混頻器生成雙邊帶訊號，然後將其透過非常窄的帶通濾波器，只留下一個邊帶。按照慣例，在通訊系統中通常使用上邊帶（USB），但在業餘無線電中，當載波頻率低於 10 MHz 時，通常使用下邊帶（LSB）。
相移法是另一種生成單邊帶訊號的方法。該方法的一個弱點是需要一個網路，該網路在整個音訊頻譜中對音訊訊號施加恆定的 90o 相移。透過降低音訊頻寬，可以更容易地設計相移網路。
假設音訊是一個單一的正弦波 E = Eo sine (ωt)
音訊訊號透過相移網路，得到兩個相同的訊號，相差 90o。
因此，由於音訊輸入是一個單一的正弦波，輸出將是
E = Eo sine (ωt)
以及
E = Eo cosine (ωt)
這些音訊輸出與載波在非線性混頻器中混合，其中一個混頻器的載波驅動訊號相移 90o。這些混頻器的輸出在一個線性電路中組合，得到 SSB 訊號。
w:殘留邊帶調製（VSB，或 VSB-AM）是一種調製系統型別，常用於電視系統，它是一種經過濾波器去除一個邊帶的普通 AM。
嚴格來說，常用的“AM”是雙邊帶全載波。摩爾斯電碼通常使用未調製載波（連續波）的開關鍵控來發送，這可以看作是一種 AM 模式。
直接 FM（真頻率調製）是指改變振盪器的頻率，以在載波上施加調製。這可以透過在晶體控制振盪器中使用電壓控制電容（可變電容二極體）來實現。然後使用頻率倍頻級將振盪器的頻率倍增，或者使用混頻級將其上移到發射機的輸出頻率。
間接 FM 使用可變電容二極體在調諧電路中施加相移（電壓控制），該電路接收普通載波。這被稱為相位調製，從相位調製級輸出的調製訊號可以用 FM 接收機理解，但為了獲得良好的音訊質量，施加到相位調製級的音訊訊號需要經過預加重。
這是一個固態電路，右側的射頻驅動施加到電晶體的基極，連線到集電極的儲能電路 (LC) 透過電容包含一對可變電容二極體。當施加到可變電容的電壓發生變化時，輸出的相移也會發生變化。
對於高功率系統，通常使用電子管，請參閱電子管射頻放大器瞭解電子管射頻功率級的詳細工作原理。
- 適用於高功率系統
- 電氣上非常堅固，它們可以承受會導致雙極電晶體系統在毫秒內損壞的過載，時間長達數分鐘。
- 陰極需要加熱電源
- 陽極需要高電壓（存在死亡威脅）
- 電子管的工作壽命比固態器件短，因為加熱器容易失效
對於低功率和中功率系統，通常使用固態功率級。不幸的是，對於高功率系統，它們的成本更高，每 瓦 的輸出功率 比電子管系統更高。
將發射機連線到天線
[edit | edit source]絕大多數現代裝置被設計為使用特定的阻抗，通常為 50 歐姆，透過同軸電纜驅動阻性負載。為了將天線連線到這種同軸電纜傳輸線，可能需要匹配網路和/或平衡器。通常使用駐波比 (SWR) 表和/或天線分析儀來檢查天線系統與傳輸線 (饋線) 之間的匹配情況。
有關匹配網路和平衡器的詳細資訊，請參閱 w:天線調諧器 和 w:平衡器。
電磁相容性很重要
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雖然本節是從無線電愛好者的角度，針對電視干擾（無線電發射機干擾）寫的，但它適用於所有無線電發射機的構造和使用，以及其他沒有輻射這些高射頻功率的意圖，但會產生高射頻功率的電子裝置。例如，一臺介電加熱器內部可能包含一個 2000 瓦 27 兆赫的電源，如果機器按預期工作，那麼所有這些射頻功率都不會洩漏出來。但是，如果裝置出現故障，那麼在工作時，射頻會洩漏出來，它現在就變成了發射機。同樣，計算機也是射頻裝置，如果外殼製作不當，計算機就會在甚高頻 (VHF) 頻段輻射。例如，如果你嘗試在你的辦公桌旁調諧到一個微弱的調頻廣播電臺（88 至 108 兆赫，II 波段），你可能會在開啟你的電腦時失去接收。這裡不考慮那些不是為了產生射頻而產生的裝置，例如開關觸點上的火花產生的射頻，有關此類事項的考慮，請參閱電視干擾（電氣干擾）以瞭解更多資訊。
射頻洩漏（射頻遮蔽缺陷）
[edit | edit source]所有使用射頻電子裝置的裝置都應該放在一個遮蔽金屬箱內，進出金屬箱的所有連線都應該經過濾波，以防止無線電訊號進入或離開。對攜帶直流電源、50 赫茲交流連線、音訊和控制訊號的線使用饋通電容是一種常見且有效的方法。這是一種安裝在遮蔽體上的電容，電容的一個端子是其金屬外殼，它接觸到遮蔽箱的遮蔽體，而電容的另外兩個端子位於遮蔽體的兩側。饋通電容可以看作是一個金屬棒，它有一個介電套管，套管又有一個金屬塗層。
除了饋通電容之外，還可以使用電阻器或射頻扼流圈來增加引線的濾波效果。在發射機中，阻止射頻透過任何引線（例如電源、麥克風或控制連線）進入發射機至關重要。如果射頻以這種方式進入發射機，則會發生一種被稱為“馬達船”的不穩定現象。“馬達船”是自我造成的電磁相容性問題的一個例子。
如果懷疑發射機是導致電視干擾問題的原因，那麼應該將發射機連線到一個假負載上，假負載是一個位於遮蔽箱或罐中的電阻器，它將允許發射機產生無線電訊號，而不會將這些訊號傳送到天線。如果發射機在測試期間沒有造成干擾，那麼可以安全地假設必須從天線天線輻射訊號才能造成問題。如果發射機在測試期間確實造成干擾，則說明存在一條路徑，射頻功率可以透過該路徑洩漏出裝置，這可能是由於遮蔽不良造成的。這是一個罕見但隱蔽的問題，必須對其進行測試。
- 你最有可能在自制裝置或經過改裝的裝置上看到這種洩漏。你也可以觀察到微波爐中洩漏的射頻。
雜散發射
[edit | edit source]- 在無線電技術的早期發展中，人們認識到發射機發射的訊號必須是“純淨”的。例如，火花發射機很快就被禁止了，因為它們在頻率上的輸出範圍很廣。在現代裝置中，主要有三種類型的雜散發射。
- 雜散發射是指除所需訊號外，從發射機發出的任何訊號。雜散發射包括諧波、沒有被完全抑制的帶外混頻器產品以及來自發射機內部本機振盪器和其他系統的洩漏。
諧波
[edit | edit source]這些是發射機工作頻率的倍數，即使發射機使用完美的正弦波驅動，它們也可能在發射機的一個級中產生，因為現實生活中沒有放大器是完全線性的。最好在早期階段將這些諧波設計出來。例如，一個由兩個四極管連線到陽極槽諧振 LC 迴路組成的推輓放大器，該回路的線圈在中心連線到高壓直流電源（也是射頻接地），它只會產生基波和奇次諧波的訊號。
這是一個稍差的設計，它只有一個四極管，雖然使用這種電路已經做出了非常好的設計，但它的潛在缺陷比上面的電路更多。
除了對放大器級進行良好設計外，發射機的輸出還應該使用低通濾波器進行濾波，以降低諧波的水平。
可以使用射頻頻譜分析儀（昂貴）或吸收波長計（便宜）來測試諧波。如果發現與接收機所需訊號頻率相同的諧波，那麼這種雜散發射會阻止所需訊號被接收。
本機振盪器和不需要的混頻產物
[edit | edit source]想象一個發射機，它的中頻 (IF) 為 144 兆赫，與 94 兆赫混合，產生一個 50 兆赫的訊號，然後進行放大和發射。如果本機振盪器訊號進入功率放大器，沒有被充分抑制，那麼它可能會被輻射出來。然後，它有可能會干擾調頻音訊 (II 波段) 廣播頻段中 94 兆赫的無線電訊號。同樣，在設計不好的系統中，238 兆赫處的不需要的混頻器產品也可能被輻射出來。通常情況下，透過合理選擇中頻和本機振盪器頻率，可以避免這種問題，但一個潛在的不利情況是在構建一個 144 到 70 兆赫的轉換器時，本機振盪器的頻率為 74 兆赫，非常接近所需輸出頻率。已經制造出了使用這種轉換的質量好的裝置，但它們的設計和製造具有挑戰性。這個問題可以被認為與接收器中存在的映象響應問題相關。
減少這種發射機缺陷的可能性的一種方法是使用平衡混頻器和雙平衡混頻器。例如，這是一個簡單但效果不好的混頻器
如果假設方程為
E = E1 . E2
並且由兩個簡單的正弦波 f1 和 f2 驅動，那麼輸出將是四個頻率的混合
f1
f1+f2
f1-f2
f2
如果將簡單的混頻器替換為平衡混頻器，則可能產品的數量會減少。想象一下，兩個具有方程式 {I = E1 . E2} 的混頻器被連線起來，它們的電流輸出連線到線圈的兩端（線圈的中心連線到地），那麼流過線圈的總電流是兩個混頻器級輸出之間的差值。如果其中一個混頻器的 f1 驅動訊號相移 180o，則整個系統將成為一個平衡混頻器。
E = K . Ef2 . ΔEf1
因此，輸出現在將只有三個頻率。
f1+f2
f1-f2
f2
現在，由於頻率混頻器具有更少的輸出，確保最終輸出乾淨的任務將變得更加簡單。
如果發射機中的某個級不穩定並且能夠振盪，那麼它可能開始在接近工作頻率或完全不同的頻率上產生射頻。一個很好的跡象是，如果射頻級即使沒有被激勵級驅動也能產生功率輸出。另一個跡象是，如果輸出功率在輸入功率略微增加時突然大幅度增加，值得注意的是，在 C 類級中，這種行為可以在正常情況下觀察到。抵禦這種發射機缺陷的最佳防禦措施是良好的設計，此外，還要密切注意對電子管或電晶體的中和。
無線電通訊手冊（RSGB），ISBN 0900612584
