Проектирование радиовещательного передатчика с амплитудной модуляцией. Проектирование радиопередающих устройств - Шахгильдян В.В

Под радиопередающим устройством (РПдУ) понимают комплекс оборудования, предназначенный для формирования и излучения радиосигналов. Основными узлами РПдУ являются генератор несущей частоты и модулятор. В современных системах связи РПдУ содержит и другое оборудование, обеспечивающее совместную работу средств связи: источники питания, системы синхронизации, автоматического управления, контроля и сигнализации, защиты и т.д.

Обобщенная структурная схема радиопередающего устройства с амплитудной либо фазовой модуляцией сигналов приведена на рисунке 7.9.

Первичный сигнал, подлежащий передаче, поступает на входную цепь. Входная цепь обеспечивает согласование этого сигнала с РПдУ, в конечном итоге, это определяется параметрами модулированного радиосигнала, передаваемого в линию.

Генератор несущей частоты формирует колебания несущей частоты, которые и являются переносчиками сообщения. В современных системах связи генератор несущей частоты выполняют в виде синтезатора частот. Синтезатор частот - устройство, предназначенное для формирования в заданном диапазоне частот высоко стабильных колебаний, определяемых стабильностью параметров задающего генератора.

Модулятор - узел, в котором на параметры несущего колебания накладывается передаваемое сообщение. При формировании в РпдУ радиосигналов с амплитудной или фазовой модуляцией синтезатор частоты вырабатывает колебания с постоянной частотой. При дополнительном воздействии модулирующим сигналом на частоту выходного колебания синтезатора частот можно получить радиосигналы с частотной модуляцией.

Рис. 7.9 Обобщенная структурная схема радиопередающего устройства

Усилитель мощности предназначен для увеличения уровня радиосигнала до величины, определяемой мощностью излучаемого сигнала в системе связи. Необходимое согласование РПдУ с антенной обеспечивает выходная цепь.

Преимущества цифровых методов обработки информации (передача, хранение, преобразование) способствовали широкому распространению цифровых систем связи. Достоинством представления сигналов в цифровом виде является также ее универсальность, то есть независимость от природы передаваемых сообщений. Современные системы связи способны передавать не только дискретные сообщения, но и непрерывные (как по времени, так и по уровню). Для преобразования непрерывных сигналов в цифровые служат специальные устройства - аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

В аналого-цифровом преобразователе из сигнала, непрерывного по времени, сначала выбирают значения сигнала в определенные моменты времени. Чаще всего такие отсчеты берут через одинаковые промежутки времени. Выбранные значения сигнала называют выборками, а операцию получения отсчетов называют дискретизацией по времени.

На следующем этапе обработки весь диапазон возможных значений сигнала разбивают на определенное количество интервалов и выясняют, к какому из этих интервалов относится значение текущей выборки. На этом этапе обработки за значение сигнала принимается не действительное значение выборки, а ближайшее к нему округленное значение сигнала. Это значение может соответствовать середине того интервала, в который попадает данный отсчет, либо другому значению из этого интервала (начало или конец этого интервала). Операция замены действительного значения сигнала ближайшим к нему округленным значением называется квантованием, а ширину этого интервала называют шагом квантования. Если все интервалы, на которые разбиваются возможные значения сигнала, одинаковые, то такое квантование называется равномерным. В некоторых случаях, например, при передаче речи, оказывается выгодным такие интервалы делать неодинаковыми. В таком случае говорят о неравномерном квантовании.

На последнем этапе аналого-цифровой преобразователь заменяет действительное значение выборки номером того интервала, в пределах которого находится значение данного отсчета. Операция замены значения отсчета номером (кодом) называется кодированием. Наибольшее распространение в современных системах получило представление отсчетов в виде двоичных кодов. Затем полученные коды передаются по системе связи.

Упрощенная структурная схема приемопередатчика цифровой системы связи приведена на рисунке 7.10. Рассмотрим работу этого устройства.

Рис. 7.10 Приемопередатчик цифровой системы связи

Непрерывное сообщение от источника сообщений поступает на устройство, называемое кодером. Под кодированием в широком смысле понимают операцию преобразования отсчетов непрерывных сигналов в последовательность кодовых символов. В результате, на выходе кодера формируются электрические сигналы, соответствующие кодовой последовательности и определяемой передаваемым сообщением.

Кодовые сигналы в виде последовательности импульсов затем поступают на модулятор, на второй вход которого подается колебание несущей частоты с выхода синтезатора частоты. В модуляторе выполняется соответствующая модуляция (амплитудная, фазовая, частотная и т.д.) колебания несущей частоты в соответствии с поступающей кодовой последовательностью. Затем модулированные сигналы усиливаются до необходимого уровня с помощью усилителя мощности и излучаются передающей антенной.

Наведенные в приемной антенне электромагнитные излучения поступают на вход усилителя и преобразователя частоты, где выделяются и усиливаются колебания несущей частоты полезного сигнала. В демодуляторе выполняется демодуляция принимаемого сообщения, и на выходе демодулятора формируется последовательность импульсов, соответствующая последовательности импульсов передаваемого сообщения (на выходе кодера), которая поступает на декодер. В декодере выполняется операция, обратная кодированию, и восстановленное сообщение направляется получателю сообщений.

В одном приемопередающем устройстве кодер и декодер обычно объединяют в единый конструктивный узел (чаще - это одна микросхема) и объединенный блок кодер-декодер по первым буквам составляющих называют кодеком. Аналогично, объединенный блок модулятор-демодулятор называют модемом.

Радиопередающие устройства отличаются по назначению, условиям эксплуатации, виду модуляции радиосигналов и другим характеристикам.

К основным энергетическим показателям РПдУ относят величину мощности сигнала, подводимого к антенне, и коэффициент полезного действия. Различают пиковую мощность полезного сигнала РпдУ и усредненное значение мощности за определенный интервал времени. Коэффициент полезного действия - это отношение полезной мощности, подводимой к антенне, к мощности, потребляемой РпдУ от источника электропитания.

Под диапазоном частот, в котором работает данное РПдУ, понимают такую полосу частот, которая необходима для передачи полезных сигналов в системе связи и выделена данному РПдУ для формирования радиосигналов. К сожалению, кроме полезных сигналов, радиопередающие устройства излучают и побочные колебания.

Внеполосными излучениями называют такие сигналы, формируемые РПдУ, спектры которых расположены вне полосы, отведенной для данной системы связи. Внеполосные излучения являются источниками дополнительных помех для систем связи, работающих в других полосах частот.

Важной характеристикой систем связи является стабильность частоты излучаемых колебаний. Под нестабильностью частоты РПдУ понимают отклонение частоты излучаемых колебаний относительно номинального значения. Недостаточная стабильность частоты ухудшает качество связи и может являться причиной помех для радиотехнических устройств, работающих в смежных диапазонах частот.

По назначению радиопередающие устройства делят на связные и радиовещательные. По условиям эксплуатации РПдУ разделяют на стационарные и мобильные (устанавливаемые на подвижных объектах: самолетные, автомобильные, носимые и т.д.). РПдУ различаются также диапазоном рабочих частот, мощностью излучаемых колебаний и т.д.

1 . Техническое задание

Спроектировать радиовещательный передатчик с АМ (ПРВАМ) со следующими параметрами:

· Мощность в антенне (нагрузке) P ~ =100 кВт;

· Волновое сопротивление фидера с Ф =150 Ом;

· КПД фидера з ф = 0.80;

· Коэффициент бегущей волны КБВ = 0.8;

· Максимальный индекс модуляции m = 1;

· Диапазон рабочих частот f min - f max , 0.1 - 0.3МГц;

· Диапазон частот модуляции ДF = 50 10000 Гц;

· несущая частота f 0 =200 кГц.

Анализ технического задания:

Радиовещательные передатчики (ПРВ) с АМ применяемые в диапазонах длинных, средних и коротких волн по своим параметрам должны соответствовать ГОСТ 1392468. В ламповых вариантах передатчиков для получения АМ сигнала заданной мощности наиболее распространены анодная, анодно-экранная или комбинированная (по нескольким электродам) модуляция в оконечном каскаде, реже применяется усиление модулированных колебаний (УМК).

В рамках данной работы проведены следующие расчеты:

· оконечного каскада в пиковой, минимальной и телефонной точках, а также при 100% -й глубине модуляции;

· модулирующего устройства и электрических параметров его элементов; трансформатора, дросселей, блокировочных конденсаторов;

· выходной колебательной системы;

2. Выбор способа постр оения проектируемого устройства

Для реализации данного устройства был выбран вариант реализации с анодной модуляцией вследствие ее высокой энергоэффективности, хорошей линейности и широкого применения в радиовещательных передатчиках , .Структурная схема проектируемого устройства представлена на рисунке 1.

Рисунок 2.1. Структурная схема проектируемого радиовещательного передатчика с АМ.

Ориентировочный расчет радиопередатчика с АМ по структурной схеме

Согласно техническому заданию, передатчик должен обладать следующими параметрами: P ~ = 100 кВт;

индекс модуляции m = 1;

диапазон рабочих частот f min f max = 0.1 0.3 МГц.

Исходя из заданных выше параметров произведем ориентировочный расчет элементов радиопередатчика.

Пиковая мощность в антенне при этом составит:

Мощности P 1 T и P 1 max , отдаваемые приборами ОК определяются формулами:

где ориентировочный КПД выходной колебательной системы. выбранный из таблицы, приведенной в и , КПД фидера.

Тогда P 1 T = 136 кВт, P 1 max = 544 кВт.

В связи с тем, что в ОК реализована анодная модуляция то номинальная мощность ЭП выбирается по правилу P 1ном?2P 1 T = 272 кВт (номинальная мощность генераторных ламп).

Т.к. при разработке ОК использовалась двухтактная схема, то P 1ном лампы = .

Выбор типа лампы осуществляется по таким параметрам как P 1ном ламы и максимальной рабочей частоте f max .

По справочным таблицам, представленным в и была выбрана лампа ГУ 66 Б, имеющая следующие параметры : E a ном = 10 кВ; S = 0.16 А/В, P ном справ = 150 кВт.

Описание лампы ГУ 66 Б приведено в приложении 1.

Принципиальная схема проектируемого радиовещательного передатчика представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Принципиальная схема проектируемого передатчика с АМ.

3 . Расчет оконечного каскада (ОК)

В данном пункте производится расчет ОК в следующих режимах:

· в пиковой точке;

· в минимальной точке;

· в телефонной точке;

· при 100% глубине модуляции.

Глубина модуляции анодного напряжения m = 1 в соответствии с техническим заданием.

Принципиальная схема оконечного каскада приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 Принципиальная схема оконечного каскада.

Напряжение анодного питания для режима телефонной точки обычно выбирается как:

Угол отсечки выбирается в пределах и = 80?- 90?. В данном случае примем угол отсечки равным 90?.

3 .1 Расчет оконечного каскада(ОК) в максимальной точке

Расчет оконечного каскада в максимальной точке производится по методике изложенной в и .

Напряжение анодного питания и питания экранирующей сетки:

Е а max =E a . т (1+m)=16 кВ

Коэффициент использования анодного напряжения в граничном режиме

Амплитудное напряжение на аноде:

U a max = E amax о max =15.7 кВ

Амплитуда первой гармоники анодного тока:

I a 1 max =2=69.2 А

Амплитуда импульса анодного тока

I amm == 138.4 A

Эквивалентное сопротивление анодной нагрузки:

Верхний угол отсечки определяется из уравнения

Откуда получаем = 0.31 рад = 18 0

Постоянная составляющая анодного тока с учетом усеченности вершины импульса

Мощность, потребляемая анодной цепью

Мощность рассеиваемая на аноде

КПД анодной цепи в максимальном режиме

Амплитуда напряжения возбуждения в цепи управляющей сетки и напряжение смещения

Сопротивление автоматического смещения

где, = 71.2 0 , ? 0.66

Составляющие сеточного тока

где коэффициенты и, учитывающие несинусоидальность импульса тока, принимаются равными? 0.66, ? 0.75

Мощности, потребляемые от предыдущего каскада ПК и источника смещения

Мощность, рассеиваемая на управляющей сетке

3 .2 Расчет оконечного каскада(ОК) в минимальной точке

Расчет режима минимальной точки проводится по методикам, изложенным в - . Режим минимальной точки характерен малыми напряжениями на аноде. В области e a >0 увеличивается напряженность режима и несколько искривляется МХ. Для ослабления этих явлений в цепь тока включают сопротивления автоматического смещения R c ..

Расчет параметров минимального режима выполняется только для цепи управляющей сетки, . Исходными данными для этого расчета являются U c max , E c 0 , S, R c . .

Для нахождения параметров сеточного тока, по методике, изложенной в найдем из уравнения

Потребляемые мощности от источника смещения и от ПК.

3 .3 Расчет оконечного каскада(ОК) в телефонной точке

Расчет режима телефонной точки проводится по методикам, изложенным в и .

Составляющие анодного тока

Анодное напряжение и амплитуда напряжения на нагрузке

Потребляемая и отдаваемая мощности

3.4 Расчет оконечного каскада(ОК) в режиме модуляции

Расчет ОК в режиме модуляции проводится по методике, изложенной в и .

Средняя, потребляемая анодной цепью мощность

Мощность, доставляемая модуляционным устройством

Средняя мощность, отдаваемая лампами ОК

Средняя мощность, рассеиваемая на аноде.

Средняя мощность, рассеиваемая на управляющей сетке

4 . Расчет предоконечного каскада

ЭП для предоконечного каскада выбирается по следующему правилу: по справочным таблицам, приведенным в находится коэффициент усиления мощности N p = 30 .. 50. Примем N p = 50. Тогда мощность предыдущего каскада, необходимая для возбуждения ОК составляет

Для данной мощности подходит лампа ГУ - 39 Б, у которой P ном = 13 кВт . Характеристики ГУ 39 Б приведены в приложении 2.

В качестве цепи согласования ПОК и ОК может быть применена П цепочка .

5 . Р асчет модуляционного устройства

ММУ реализовано с использованием усилителя класса D. Принцип работы данного ММУ подробно описан в и . Двухтактный усилитель класса D предназначен для усиления модулирующего сигнала. Для подачи постоянной составляющей I a 0т к ОК служит отдельный источник питания с напряжением Е ат и дроссель L d 4 . Модулирующее напряжение U Щ подается к широтно - импульсному модулятору и последующему импульсному усилителю и далее к лампе V 2 . Управление второй лампой V 1 производиться напряжением, падающим на сопротивление R 1 от анодного тока лампы V 2 .

Принципиальная схема данного устройства приведена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 Принципиальная схема ММУ с двухтактным усилителем класса D.

К преимуществам данной схемы относятся:

· существенное увеличение КПД усилителя, вследствие того, что лампы каскада работают в ключевом режиме, а постоянная составляющая тока I a 0 т ОК проходит через дроссель с малым сопротивлением обмотки;

· постоянный КПД усилителя при разных уровнях усиливаемого сигнала (при рациональном выборе ламп, КПД в таком усилителе может достигать 95% - 97%) ;

· отсутствие тяжелого, громоздкого, дорогостоящего модуляционного трансформатора.

К недостаткам данной схемы можно отнести:

· необходимость тщательной регулировки управления лампами, исключающей их одновременное открытие, что привело бы к замыканию источника питания 2Е а.

Диоды VD 1 и VD 2 предназначены для предотвращения прерывания тока в катушке L d 2 в моменты переключения ламп.

Т.к расчет параметров режима ОК выполнен, то определяется

Исходя из рассчитанных параметров выбирается лампа ГУ- 66 Б .

Диоды VD1 и VD2 выбираются по следующим параметрам:

Обратное напряжение E обр Е п,

Максимальный импульсный ток I D max = 38 А

Прямое сопротивление открытого диода r D - желательно возможно меньше. Номинал индуктивности дросселя фильтра L d 1 выбирается в несколько Генри. L d 1 = 5 Гн.

Конденсатор C 1 выбирается из условия тогда C 1 =253 пФ

Фильтр L d 2 , L d 3 , C 2 , C 3 выполнен в виде полузвена L d 2 C 2 по Баттерворту. Следовательно

Разделительный конденсатор C 4 выбирается из условия

Тогда С 4 = 688 нФ.

выбирается из условия Тогда можно положить

Сопротивление R 1 выбирается таким образом, чтобы выполнялось неравенство

где напряжение отсечки анодного тока ламп VL1 и VL2.

Таким образом R 1 = 150 Ом.

Тактовая частота f т выбирается из условия f т =(5..8)F в. Выбираем f т = 70 кГц.

6 . Ра счет выходной контурной системы

Расчет выходной колебательной системы проводится по методике, изложенной в и .

Назначение выходных колебательных систем в радиопередатчиках заключается в выполнении следующих функций :

· согласование активного сопротивления R A антенного фидера с необходимым для нормальной работы выходной ступени эквивалентным сопротивлением R э нагрузки в анодной цепи;

· компенсация реактивного сопротивления X A антенны или фидера с тем, чтобы ВКС работала на активную нагрузку и отдавала в антенну наибольшую мощность;

· фильтрация гармоник, вырабатываемых электронными приборами в выходных каскадах.

Для выбора конструкции ВКС вычислим необходимую фильтрацию

По графику зависимости з ВКС (Ф необх) определяется конструкция выходной колебательной системы. Для з ВКС =0.92 и Ф необх =2.1 10 3 в конструкция ВКС будет иметь вид (рисунок 6.1):

Рисунок 6.1 Принципиальная схема выходной колебательной системы.

Максимальное и минимальное входное сопротивление фидера

Расчет элементов ВКС проводится по методике, изложенной в .

Тогда для первой П - цепи имеем

Для второй П цепочки

Тогда номиналы элементов ВКС должны изменяться в пределах

7 . Заключение

В результате проделанной работы в соответствии с техническим заданием был спроектирован радиовещательный передатчик с амплитудной модуляцией. Произведен расчет ОК, модуляционного устройства и выходной контурной системы и выбраны элементы для построения данных устройств. ММУ выполнено по схеме с двухтактным усилителем класса D, что способствует увеличению КПД усилителя и упрощению его схемы. Для согласования активного сопротивления антенного фидера с необходимым для нормальной работы выходной ступени эквивалентным сопротивлением нагрузки в анодной цепи, а также для компенсации реактивного сопротивления фидера и для фильтрации гармоник, вырабатываемых электронными приборами в выходных каскадах применена выходная контурная система с двойным П-образным контуром.

Приложение 1

Характеристики генераторного триода ГУ 66 Б

Генераторный триод ГУ-66Б предназначен для усиления мощности на частотах до 30 МГц в стационарных передающих радиотехнических устройствах как в схемах с общей сеткой, так и в схемах с общим катодом.

Общие сведения

Катод - вольфрамовый торированный карбидированный прямого накала. Оформление - металлокерамическое с кольцевыми выводами катода и сетки. Охлаждение - принудительное: анода - водяное; ножки - воздушное. Высота не более 420 мм. Диаметр не более 211 мм. Масса не более 23 кг.

Электрические параметры
Напряжение накала, В
Ток накала, А
Крутизна характеристики, мА/В
Коэффициент усиления (при напряжении анода 4 кВ, токе анода 8 А)
Межэлектродные ёмкости, пФ, не более
выходная
проходная,
Наибольшее напряжение накала
Наибольший пусковой ток накала, А
Наибольшая мощность рассеивания, кВт
Наибольшая температура ножки и спаев керамики с металлом, °С

радиовещательный передатчик амплитудный модуляция трансформатор

Приложение 2

Характеристики ГУ - 39 Б

Допустимые воздействующие факторы при эксплуатации
Температура окружающей среды, С 0
Относительная влажность воздуха при температуре до 25 °С, %
Электрические параметры
Напряжение накала, В
Ток накала, А
Крутизна характеристики, мА/В
Мощность выходная кВт, не менее
Максимальные предельно допустимые эксплуатационные данные
Наибольшее напряжение анода (постоянное), кВ
Наибольшая рабочая частота, МГц

Подобные документы

Структурная схема передатчика, расчет оконечного каскада. Эквивалентная схема входного сопротивления транзистора в схеме с ОЭ. Расчёт согласующего устройства, выходного фильтра. Конструктивный расчёт катушек индуктивности. Расчет блокировочных элементов.

курсовая работа , добавлен 09.05.2012


Разработка радиопередатчика для радиовещания на ультракоротких волнах (УКВ) с частотной модуляцией (ЧМ). Подбор передатчика-прототипа. Расчет структурной схемы. Электрический расчет нагрузочной системы передатчика, режима предоконечного каскада на ЭВМ.

курсовая работа , добавлен 12.10.2014


Проектирование связного радиопередающего устройства с частотной модуляцией (ЧМ). Структурные схемы передатчика с прямой и косвенной ЧМ. Расчет оконечного каскада, коллекторной и входной цепей. Расчет цепи согласования оконечного каскада с нагрузкой.

курсовая работа , добавлен 21.07.2010


Обоснование функциональной схемы передатчика. Расчет и определение транзистора для оконечной ступени передатчика. Расчет оконечного каскада, входного сопротивления антенны, цепи согласования. Определение коллекторной цепи генератора в критическом режиме.

курсовая работа , добавлен 14.04.2011


Характеристика и предназначение радиовещательного приемника сигналов с амплитудной модуляцией, структурная схема. Особенности настройки приемника, использование варикапов. Способы расчета напряжения шума приемника. Анализ расчет детектора радиосигналов.

курсовая работа , добавлен 21.04.2012


Обоснование структурной схемы. Электрический расчет. Выбор усилительного полупроводникового прибора. Расчет выходного фильтра. Выбор стандартных номиналов. Электрическая схема оконечного мощного каскада связного передатчика с частотной модуляцией.

курсовая работа , добавлен 14.11.2008


Каналы утечки речевой информации. Методы формирования и преобразования сигналов. Характеристика радиомикрофона с амплитудной модуляцией. Признаки и классификация закладных устройств. Сущность и принцип действия амплитудной модуляции гармонической несущей.

реферат , добавлен 21.01.2013


Разработка структурной схемы передатчика с базовой модуляцией, числа каскадов усиления мощности, оконечного каскада, входной цепи транзистора, кварцевого автогенератора, эмиттерного повторителя. Эквивалентное входное сопротивление и емкость транзистора.

курсовая работа , добавлен 17.07.2010


Выбор способа получения частотной модуляцией. Расчет транзисторного автогенератора на основе трехточки. Выбор структурной схемы возбудителя. Электрический расчет режимов каскадов тракта передатчика. Проектирование широкодиапазонной выходной цепи связи.

курсовая работа , добавлен 29.03.2014


Расчет цепей смещения и питания транзистора. Выбор радиодеталей для цепей связи, фильтрации, питания для схемы оконечного каскада. Расчет принципиальной схемы передатчика. Электрический расчет генератора, управляемого напряжением с частотной модуляцией.

Министерство образования Российской Федерации

Омский государственный технический университет

Кафедра РТУ и СД

Курсовой проект

Расчет, конструирование и проектирование радиопередающего устройства

Руководитель проекта:

Ельцов А..К.

Разработали:

студенты группы РИ-419

Куприн В. И.,

Глазков А.. В.

Омск 2002 г.

Аннотация

В данном курсовом проекте рассматривается задача проектирования коротковолнового радиопередающего устройства с амплитудной модуляцией. При проектировании решаются задачи, которые заключаются в составлении структурной схемы, расчёта усилителя мощности, кварцевого автогенератора и цепи согласования активного элемента с нагрузкой. Предварительный, промежуточный и оконечный усилитель мощности рассчитаны по постоянному и переменному току. На следующем этапе проектирования выбраны стандартные комплектующие изделия - конденсаторы и резисторы, рассчитаны катушки индуктивности, а также составлена схема электрическая принципиальная проектируемого радиопередатчика.

Введение

Радиопередающими называют устройства, предназначенные для выполнения двух основных функций - генерации электромагнитных колебаний высокой или сверхвысокой частоты и их модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Радиопередающие устройства входят в состав радиокомплексов, содержащих, кроме того, антенны, радиоприемные и различные вспомогательные устройства.

Одной из основных тенденций развития техники радиопередающих устройств является стремление выполнить радиопередатчик по возможности полностью на полупроводниковых приборах и интегральных схемах. Если требуемая выходная мощность не может быть обеспечена существующими генераторными полупроводниковыми приборами, то выходные каскады передатчика выполняют на вакуумных приборах: радиолампах, клистронах, лампах бегущей волны и т. д.

Разработка радиопередающего устройства представляет собой решение комплекса схемотехнических и конструктивных вопросов. От того, насколько рационально выбрана схема и правильно рассчитан режим работы её элементов, во многом зависит конструкция усилителя, его технологичность, стабильность во времени.

Радиопередатчики классифицируют по назначению, условиям эксплуатации, выходной мощности, частоте, виду модуляции и т. д. По выходной мощности радиопередатчики на полупроводниковых приборах могут быть разделены на маломощные, средней мощности и мощные; по частоте - на высокочастотные и сверхвысокочастотные.

Освоение УКВ диапазона для целей радиосвязи и радиовещания началось несколько позже, чем диапазона КВ. Это объясняется двумя причинами: трудностями, связанными с усилением колебания ОВЧ и УВЧ, и ограниченной дальностью распространения волн этих диапазонов. Трудности, связанные с усилением сигналов были преодолены созданием металлокерамических генераторных ламп и приборов, работа которых основана на использовании инерционности электронного потока. Относительно небольшой радиус действия передатчиков УКВ диапазона во многих случаях из недостатков превращается в достоинство - появляется возможность многократного использования одних и тех же рабочих частот в различных географически удалённых друг от друга пунктах.

1. Выбор и расчет структурной схемы

Рассмотрим построение и расчет структурной схемы РПДУ, приведенной на рис.1. Данный вариант структурной схемы состоит из:

ЗГ - задающего генератора (автогенератора);

БУ - буферного каскада;

Умножителя частоты;

ПУ - предварительного усилителя мощности; оконечного усилителя мощности;

М - модулирующего устройства;

Отметим, что в более сложных профессиональных РПДУ вместо ЗГ используется возбудитель, в основе которого лежит синтезатор частот, а сама структурная схема имеет несколько иной вид.

Задача расчета структурной схемы состоит в том, чтобы определить оптимальное число k каскадов высокой частоты между задающим генератором и оконечным усилителем мощности.

Очевидно, что значение колебательной мощности, требуемой от активного элемента задающего каскада можно вычислить по формуле

;

где - колебательная мощность n - го каскада

Коэффициент усиления по мощности n - го каскада.

Завершив решение вопроса по распределению коэффициентов усиления по всем каскадам проектируемого устройства, можно определить мощность требуемую от задающего генератора:

;

где i = n - 1 число каскадов усилителя.

Заданную стабильность рабочей частоты РПДУ можно получить только при использовании в задающем генераторе в качестве колебательной системы высокодобротных элементов, например, кварцевых резонаторов. При этом следует иметь в виду, что мощность задающего генератора не должна превышать 20... 50 мВт, а частота кварцевого резонатора - 10...15 MГц. В этом случае можно получить относительную нестабильность <1...2∙10-5.

Коэффициент умножения частоты в промежуточных каскадах (умножителях частоты) определяются как отношение частот выходного каскада и задающего генератора.

Учитывая, что энергетические показатели умножителей частоты хуже, чем усилителей мощности, то, обычно, применяют умножители на два и на три.

Отметим, что в РПДУ с частотной модуляцией умножение частоты позволяет также повысить девиацию частоты.

2. Расчет усилителя мощности высокой частоты

.1 Расчет УМ по схеме с общим эмиттером

Для расчета необходимы следующие исходные данные:

Выходная мощность передатчика (90 Вт),

Рабочая частота передатчика (103 МГц),

Сопротивление нагрузки (50 Ом).

Электрический расчет режима работы активного элемента проводится отдельно для коллекторной и входной цепей.

Рассмотрим расчет коллекторной цепи каскада:

1. Для получения максимальных усиления по мощности и коэффициента полезного действия , транзистор должен работать в критическом режиме с углом отсечки . Для которого по таблицам или графикам находим величины .

Найдем выходную мощность усилителя

; ,

где - коэффициент полезного действия выходной колебательной системы.

Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе:

(напряжение питания должно соответствовать стандартному ряду значений, приведенному в ГОСТ 21128-83 В нашем случае Еп=27 В)

Максимальное напряжение на коллекторе не должно превышать допустимого:

Для нашего транзистора .

При невыполнении этого условия необходимо снизить Еп или рассмотреть замену активного элемента.

Амплитуда первой гармоники коллекторного тока

;

А.

Сопротивление коллекторной нагрузки

Ом.

Постоянная составляющая коллекторного тока

;

где отношение - коэффициент формы выходного тока по 1-й гармонике.

Максимальный коллекторный ток (высота импульса выходного тока) равен:

;

Мощность, потребляемая от источника питания:

Коэффициент полезного действия коллекторной цепи при заданной полезной нагрузке:

Рассеиваемая мощность на коллекторе транзистора

;

.

Электрический расчет входной цепи транзистора при расчете входной цепи транзистора, включенного по схеме с ОЭ, предполагает, что между его базовым и эмиттерным выводами включен резистор Rдоп, сопротивление которого ориентировочно можно определить по формуле:

,

где - коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ;

Граничная частота;

Сэ - ёмкость эмиттерного перехода.

Амплитудное значение тока базы:

где - поправочный коэффициент;

Ск - барьерная емкость коллекторного перехода.

,

где: Е’б - напряжение отсечки коллекторного тока, равное (по модулю) 0,6 ÷ 0,7 В для кремниевых транзисторов;

В.

Постоянные составляющие базового и эмиттерных токов:

4. Активная составляющая входного сопротивления транзистора на рабочей частоте:

,

где: находятся по формулам, соответствующих эквивалентной схеме входного сопротивления транзистора (рис.2):

где: Ска = (0,2) Ск =30 пф - барьерная емкость активной части коллекторного перехода;

rб = 0,36 Ом - сопротивление материала базы.

Если rб не дано, то ориентировочно его можно определить по формуле rб =

10,8 - постоянная времени коллекторного перехода;

Сопротивление эмиттерного перехода (если не дано, то можно принять = 0)

Отметим, что параметры и используются при определении реактивной составляющей входного сопротивления транзистора.

Мощность возбуждения на рабочей частоте без учета потерь во входном согласующем контуре:

6. Коэффициент усиления по мощности транзистора на рабочей частоте:

7. Общая мощность, рассеиваемая транзистором:

Значение Ррасс является исходным параметром для расчета теплового режима транзистора и системы его охлаждения.

.2 Расчет цепи согласования активного элемента с нагрузкой

Цепь согласования выполняет две основные задачи. Первая - преобразования сопротивления нагрузки в сопротивление , вторая - фильтрация внешних гармоник.

В узкополосных транзисторных ГВВ, особенно в выходных каскадах радиопередающих устройств, широкое применение получил П - образный контур, схема которого изображена на рис.З.

В силу геометрической симметрии схемы реализация ее возможна при , в том числе при . Очевидно, что при равенстве сопротивлений основным назначением цепи является фильтрация высших гармоник выходного тока АЭ.

В ряде случаев, например, если величина индуктивности L оказывается слишком малой, что затрудняет или делает невозможной ее реализацию, то эквивалентное индуктивное сопротивление реализуется в виде последовательного включения индуктивности LЭ и емкости Сэ. Схема П - образного контура в этом случае представляется в виде цепи, представленной на рис.4.

Ниже приведен порядок расчета согласующей цепи , изображенной на рис.4. Отметим, что все расчеты проводят в основных единицах (Ом, Гн, В, А, Ф и т.д.).

Задаемся величиной волнового сопротивления контура:

где f - частота сигнала.

Определим индуктивность контура Lэ:

3. На частоте сигнала f рассчитываемая согласующая цепь сводится к виду, изображенному на рис.3, причем элементы L , Lэ,Cэ, находятся в соотношении:

Величиной L необходимо задаться в соответствии с формулой:

4. Определяем величину емкости конденсатора Сэ:

5. Определяем величину емкостей конденсаторов С1 и С2:

С1=1010 пФ,(1000пф-стандартное значение);

пФ.

С2=146 пФ,(150пФ-стандартное значение).

Внесенное в контур сопротивление будет равно:

Rвн=2,323 Ом.

Добротность нагруженного контура

где - собственное сопротивление потерь контурной индуктивности , определенное в процессе ее конструктивного расчета. Для ориентировочных расчетов можно принять (Ом).

8. Особый интерес представляет собой расчет коэффициента фильтрации высших гармоник для выходного каскада.

В частном случае, при можно пользоваться выражением

где: n=2 - однотактная схема.

Далее необходимо полученное значение коэффициента фильтрации сравнить с требуемым значением данного коэффициента Фт, рассчитанным по литературе . Если Ф < Фт следует переходить к двух или трехконтурной схеме согласующей цепи.

В виду того, что в многокаскадном передатчике все каскады после модулируемого работают в режиме усиления модулированных колебаний, то необходимо проверить нагрузочную систему на обеспечение требуемой полосы пропускания:

2.3 Выбор и расчет конструкции теплоотвода

Для отвода тепла от полупроводниковых приборов применяют теплоотводы, действие которых основано на различных способах рассеивания тепловой энергии: теплопроводности, естественной принудительной конвекции воздуха и жидкости, изменении агрегатного состояния вещества.

Существуют два способа расчета теплового режима полупроводникового прибора с теплоотводом:

при заданных значениях мощности Р, рассеиваемой полупроводниковым прибором, температуре корпуса прибора и температуре р-п перехода и температуре окружающей среды То рассчитывают геометрические размеры теплоотвода;

при заданных геометрических размерах теплоотвода, температуре окружающей среды То.с, температуре р-n перехода или температуре корпуса прибора рассчитывают мощность, рассеиваемую полупроводниковым прибором с теплоотводом.

В частности, для расчета необходимы следующие параметры:

P - мощность, рассеиваемая п/п прибором, Вт.

Температура окружающей среды, .

Максимальная температура перехода, .

Тепловое сопротивление переход - корпус, .

Тепловое контактное сопротивление, .

1. Для охлаждения транзистора необходим радиатор, его тепловое сопротивление вычисляется по формуле:

2. Средняя поверхностная температура теплоотвода:

Тср= Р∙Кт-с.исх.д+ То.с=75,8° С.

Минимальная протяженность ребра:

Толщина ребра:

d=0,003 м=3 мм.

Толщина плиты теплоотвода:

q=0,003 м=3 мм.

Расстояние между ребрами:

b=0,012 м=12 мм.

Высота ребра:

h=0,025 м=25 мм.

Протяженность ребра:

L=0,13 м=130 мм.

Число ребер штук:

n=(l+b)/(b+d)=10.

Длинна плиты теплоотвода на которой развиты ребра:

l=b(n-l)+2d=0,11 м=110 мм.

Площадь гладкой поверхности теплоотвода:

Sгл=L∙L=0,016 м2=16 мм2.

Площадь оребренной поверхности теплоотвода:

Sop=S1+ S2 +S3 =0,08 м2=80 мм2.

13. Коэффициент теплоотдачи излучением:

αл=εφf(Тср+ То.с)=8,1 Вт/(м∙С).

Коэффициент теплоотдачи конвекцией:

αк=А1*Тм[(Тср- To.c)/L]=3,96 Вт/(м∙С).

Коэффициент теплоотдачи гладкой поверхности:

αгл= αл + αк = 12,06 Вт/(м∙С).

Мощность рассеиваемая гладкой поверхностью:

Ргл= αгл ∙ Sгл ∙ (Тср- То.с)=40 Вт.

Тепловое сопротивление гладкой поверхности:

Rт.гл=1/(αгл ∙ Sгл)= 4,98 С/Вт.

Температура окружающей среды между ребрами:

To.c1= Тср-Н∙ (Тср - То.с)=61° С,

Тм1=0,5(Тср + To.с1)= 66° С.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией:

20.Коэфициент теплоотдачи излучением:

αл.ор = εφf(Тср+ То.с)= 1,6 Вт/(м∙С).

Мощность рассеиваемая оребренной поверхностью теплоотвода

Рт.ор=[ αк (Тср- То.с) + αл (Тср- То.с)] *S= 5 Вт.

Тепловое сопротивление оребренной поверхности теплоотвода

Rт.ор=(Тс- То.с)/ Рт.ор= 21 С/Вт.

Общее тепловое сопративление теплоотвода

Rт.расч= (Rт.гл∙ RT.op)/ (Rт.гл+RT.op)= 18 С/Вт.

Мощность, рассеиваемая гладкой и оребренной поверхностями теплоотвода

Рт=Рт.гл+Рт.ор= 58 Вт.

2.4 Выбор и расчет катушки индуктивности

После завершения электрического расчета необходимо выбрать тип конденсаторов. При этом конденсатор должен выбираться из соответствующих групп ТКЕ, иметь требуемую величину емкости (желательно из ряда Е12), выдерживать действующее на них напряжение и пропускать соответствующий на них ток.

Для выполнения требований по надежности должен быть определенный запас по напряжению и току. Если вместо допустимых тока и напряжения в справочных данных указана допустимая реактивная мощность, то выбор конструкции ведется с учетом величины этого параметра.

усилитель мощность частота автогенератор

Катушки индуктивности не выпускаются типовыми, и найденные из расчета контура данные используются при разработке конструкции катушки. Катушки индуктивности как правило имеют цилиндрическую форму витков и выполняются как однослойными так и многослойными. Ниже рассмотрим порядок расчета однослойной катушки, эскиз которой приведен на рис.5.

Задаемся отношением длины катушек к ее диаметру в пределах

.

2. Определяем площадь продольного сечения катушки S = lD по формуле

где - коэффициент, характеризующий удельную тепловую нагрузку на 1 см2 сечения катушки. Типовое значение этого коэффициента:

3. Определяем размеры катушки в сантиметрах:

4. Число витков катушки W можно определить по известной формуле

где LЭ - индуктивность, мкГн.

5. Диаметр d провода катушки (мм) рассчитываем по формуле:

где Iк - амплитуда контурного тока, А,

f - рабочая частота, МГц.

Определяем (уточняем) собственное сопротивление потерь контурной катушки на рабочей частоте.

где f - рабочая частота, МГц, d - диаметр провода, мм, D - диаметр катушки, мм.

Коэффициент полезного действия контура

3. Умножители частоты

Умножители частоты (УЧ) называют такой ГВВ, частота колебаний, на выходе которого в 2, 3…, n раз выше, чем на выходе. УЧ отличается от усилителя мощности тем, что его выходной контур настроен на вторую, третью или n - ю гармонику входного напряжения. Необходимо отметить, что энергетические показатели УЧ ниже, чем у усилителя мощности, что обусловлено уменьшением амплитуды гармонических составляющих в импульсе коллекторного тока по мере роста кратности умножения.

При построении УЧ рекомендуется выбирать транзистора с большим значением граничной частоты (), так как с повышением рабочей частоты () импульс коллекторного тока расширяется и содержание высших гармоник в нем резко снижается. Приводимый ниже вариант расчета предполагает, что выполняется соотношение , т.е. активный элемент считается безынерционным.

Для расчета необходимы следующие исходные данные:

Выходная мощность,

Частота выходных колебаний,

N - коэффициент умножения.

Выбор типа активного элемента осуществляется исходя из расчетной выходной мощности и частоты выходных колебаний.

Рассмотрим расчет коллекторной цепи каскада.

1. Оптимальный угол отсечки, при котором получаются максимальные значения , определяем по формуле

2. Находим амплитуду напряжения N - гармоники на выходе активного элемента, работающего в граничном (критическом) режиме:

где - напряжение источника питания радиопередающего устройства,

Крутизна линии граничного режима.

Определяем амплитуду N - ной гармоники коллекторного тока

4. Максимальное значение коллекторного тока равно

5. Постоянная составляющая коллекторного тока

6. Мощность, потребляемая от источника питания

7. Мощность, рассеиваемая на коллекторе

8. Коэффициент полезного действия

Выполняем расчет входной цепи

Определяем амплитуду переменного напряжения на базе

где = 4,1 - крутизна проходной характеристики.

3. Определим необходимую мощность возбуждения

4. Коэффициент усиления по мощности

5. Входное сопротивление каскада

Расчёт номиналов элементов схемы умножителя

Постоянная составляющая тока базы

Находим из условия

Индуктивность Lr находим из условия:

lб находим из соотношения следовательно

сбл находим из условия следовательно

4. Кварцевые автогенераторы

Высокая стабильность рабочей частоты в многокаскадных радиопередающих устройствах обеспечивается задающим генератором. Использование в настоящее время в качестве задающих генераторов обычных LC - генераторов, даже когда приняты специальные меры по их защите от внешних воздействий, не позволяет в должной мере выполнять всё возрастающие требования по стабильности высокочастотных колебаний.

Применение в автогенераторах в составе колебательной системы кварцевых резонаторов позволяет построить задающие генераторы с достаточно высокими техническими характеристиками. При оптимальном выборе и расчете параметров элементов схемы, режима их работы стабильность частоты КГ без применения термокомпенсации и термостатирования определяется в основном стабильностью частоты резонатора. Стабильность частоты КГ оценивают обычно по изменению частоты из-за изменения температуры окружающей среды, воздействия механических и климатических дестабилизирующих факторов, а также старения.

Существует много разновидностей схем КГ. Широкое распространение нашли осцилляторные схемы, которые получаются путем замены кварцевым резонатором одной из индуктивности трехточечной схеме автогенератора. В частности, в диапазоне средних частот наибольшее применение имеет емкостная трехточка, которая позволяет получить высокую стабильность частоты. Отличительная особенность осцилляторных схем заключается в том, что они работают только на частоте кварца. При неисправности кварцевого резонатора колебания в автогенераторе е возникают.

До 15...20 МГц кварцевые резонаторы работают по первой (основой) гармонике, на более высоких частотах используются колебания нечетных механических гармоник. Кварцевый резонатор и активный элемент (транзистор) выбираются исходя из электрических параметров, а также условий эксплуатации, габаритов и стоимости.

Ориентировочная величина относительной нестабильности частоты КГ, например в диапазоне температур -10 °С до +50 °С может составлять 2...5∙10-5. Знание этой величины необходимо при составлении структурной схемы и выбора типа задающего генератора.

5. Проектирование кварцевых генераторов с непосредственной частотной модуляцией

.1 Особенности построения генераторов, управляемых напряжением

При разработке управляемого по частоте КГ необходимо правильно выбрать частоту генератора, резонатора и элементы управления частотой, чтобы наиболее простыми схемными решениями обеспечить необходимые пределы перестройки при высокой стабильности частоты. Кроме обеспечения определённой девиации частоты к КГ при формировании ЧМ колебаний прямым методом предъявляется требование минимальных нелинейных искажений модулирующего канала, которые обусловлены нелинейностью характеристик варикапа и резонатора. Наиболее эффективным способом их уменьшения является включение катушки индуктивности параллельно резонатору.

По ряду объективных причин, наиболее широкое распространение управляемые по частоте КГ получили в диапазоне 5..20 МГц. В этом диапазоне кварцевые резонаторы работают как правило, на основной частоте, сами пьезоэлементы представляют собой плоские пластины, а значения m и Со позволяют получить перестройку по частоте порядка ±1000∙10-6 при сравнительно высокой стабильности частоты. На более низких частотах пьезоэлементы резонаторов среза Т имеют форму двояковыпуклой линзы, что уменьшает m и затрудняет получение больших пределов перестройки по частоте.

5.2 Проектирование КГ, управляемого напряжением при частотной модуляции

Составление и расчёт структурной схемы в соответствии со 2ой главой настоящих указаний должно было вестись с учётом реальных возможностей построения задающего кварцевого генератора. Воспользовавшись результатами этого расчёта, уточняем необходимые исходные данные.

Рис.6. Частотномодулированный кварцевый генератор.

На основе справочных данных выбираем резонатор АТ - среда, работающий на основной частоте. Выписываем параметры резонатора: Rкв, m , C0 .

Выбираем активный элемент. Например, транзистор КТ324, крутизна статической характеристики которого при токе коллектора 1…2 мА составляет 35…50 мА/В. (Естественно с учетом специфики конкретного задания должен выбираться транзистор с соответствующими параметрами).

Определяем управляющее сопротивление автогенератора:

,

Отметим, что следует рассчитывать для минимального значения крутизны S и =0,2 (коэффициент запаса по возбуждению Кз= 5).

Найдем значения емкостей обратной связи (С3 и С4) генератора.

Что необходимо для предотвращения открывания варикапа модулирующим напряжением и напряжением высокой частоты;

амплитудное значение модулирующего напряжения.

Определяем приведенное значение Xрн по формуле:

8. Рассчитываем емкость варикап при напряжении смещения Евн - 4 В:

где: 1/2 - коэффициент для резких переходов.

Из серийно выпускаемых варикапов выбираем такой, чтобы последовательные соединения двух варикапов дало емкость приблизительно равную Св. Примем варикап КВ110Б.

Для обеспечения возможности работы в близи частоты последовательного резонанса кварцевого резонатора последовательно с ним включена катушка индуктивности L2.

Определяем для двух граничных значений емкости выбранных варикапов значение подстроечной индуктивности:

,

где СВН - емкость варикапа при построении смещения 4В. Причем внизу разброса параметров полупроводниковых приборов в формулу для определения пределов изменение индуктивности вместо СВН подставлять нижнее и верхнее значение емкости.

После определения верхнего и нижнего значения L2, находим среднее значение индуктивности Lср.

Определяем коэффициент нелинейных искажений:

11.Так как коэффициент нелинейных искажений в исходных данных (Кf=5%), то для его уменьшения подключаем катушку индуктивности L1 параллельно резонатору. Значение данной индуктивности определяем по формуле:

где - приведенное сопротивление индуктивности.

Вычисляем коэффициент нелинейных искажений с учетом включения параллельно резонатору катушки индуктивности L1:

Заключение

В соответствии с техническим заданием произведен расчет радиопередающего устройства. Благодаря хорошо изложенной в литературе подобных устройств и современной элементарной базе, стала возможной простая реализация радиопередатчика. Рассмотрен вариант его конструктивного исполнения.

Был произведён расчёт усилителя мощности, умножителя частоты и кварцевого автогенератора радиопередатчика, вещающего в диапазоне УКВ на частоте 103 МГц, обеспечивающего выходную мощность 90 Вт. Для питания устройства необходим источник =27В.

Примечание: окончательная настройка и подбор элементов схемы, производится при изготовлении макета радиопередающего устройства.

Литература

1. Проектирование радиопередатчиков: Учебн. пособие для вузов / Под редакцией В.В. Шахгильдяна. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 2000 - 656с.

2. Проектирование радиопередающих устройств: Учебное пособие для вузов/ Под ред. В. В. Шахгильдяна. - М.: Радио и связь, 1993. -512 с.

Проектирование радиопередатчиков: Учебное пособие для вузов/ Под ред. В.В.Шахгильдяна. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 2000. - 656 с.

Проектирование радиопередающих устройств СВЧ / Под ред. Г. М. Уткина.-М.: Сов. радио, 1979.-320с.

Проектирование радиопередающих устройств на транзисторах. Методические указания к курсовому проектированию. - Ротоприт ТИАСУРа. - Томск, 1987. - 79 с.

Обеспечение тепловых режимов изделий электронной техники./ А. А. Чернышев, В. И. Иванов, А. И. Аксенов, Д. Н. Глушкова. - М.: Энергия, 1980 - 216 с.

ГОСТ 21128-83. Системы электроснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения до 1000 В. - М.: Изд-во стандартов, 1983.

ГОСТ 22579-86. Радиостанции с однополостной модуляцией сухопутной подвижной службы. - М.: Изд-во стандартов, 1986

ГОСТ 12252-86. УКВ радиостанции сухопутной подвижной службы. - М.: Изд-во стандартов, 1986

Курсовое и дипломное проектирование. Методические указания для студентов специальностей 190200 и 200700. Омск. - Изд-во ОмГТУ, 1997. - 44 с.

Радиопередающие устройства. Методические указания по курсовому проектированию. - ОмПИ. - Омск, 1985. - 27 с.

Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: Справ. пособие. М.: Радио и связь, 1984. - 232 с.

Пьезокварцевые резонаторы: Справочник / Под ред. П.Е. Кандыбы и Г.П. Позднякова. - М.: Радио и связь, 1992 - 392с.

Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник / Под ред. А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1989 - 640с.

17. Электронный справочник по полупроводниковым приборам. Шульгин О.А. v.1.02

Дипломная работа на тему:

Разработка радиопередающего устройства, работающего в режиме однополосной модуляции

ВВЕДЕНИЕ

ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

1. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

2. РАСЧЁТ РЕЖИМА РАБОТЫ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА

2.1 Выбор типа транзистора

2.2 Расчёт входной цепи транзистора

2.3 Расчет коллекторной цепи оконечного каскада

3. РАСЧЕТЫ И ВЫБОР ВХОДЯЩИХ КАСКАДОВ

3.1 Расчет кварцевого автогенератора

3.2 Выбор типа балансного модулятора

3.3 Выбор и расчет фильтров

4. РАСЧЁТ ЛИНИИ СВЯЗИ

5. СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТЫ

6. РАСЧЁТ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА 2Т925В

7. ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

темой данного дипломного проекта является разработка радиопередающего устройства, работающего в режиме однополосной модуляции. Радиопередающие устройства такого типа получили широкое распространение в диапазоне частот f = 1,5 - 30,0 МГц в качестве связных, так как речевой (передаваемый) сигнал достаточно узкополосен - 300… 3400 Гц. Это обусловлено назначением такого вида передатчиков, как в энергопотреблении (мобильные радиостанции), так и особенностями данного частотного диапазона, а именно его низкой информационной ёмкостью.

Исходя из вышеуказанных обстоятельств, можно сделать вывод, что однополосная модуляция обладает рядом преимуществ перед обычной амплитудной модуляцией. К ним относятся: более узкая полоса частот радиоканала (что позволит осуществлять частотное уплотнение каналов), лучшие энергетические характеристики радиопередатчиков (повышенный КПД по сравнению с обычной амплитудной модуляцией), универсальность (использование в стационарных условиях в качестве базовых станций, а также в системах подвижных служб - сухопутной, морской, воздушной).

Недостатком такого типа модуляции является усложнённая принципиальная схема как передающего, так и приёмного тракта данного типа устройств.

Требования, которым должен удовлетворять передатчик, это, прежде всего, простота схемного исполнения (которая достигается применением современной элементной базы), что обеспечивает высокую надежность, возможности работы в широком диапазоне температур и влажности окружающей среды, простота в обращении, иногда ударостойкость, малое энергопотребление, а также низкая себестоимость.

ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Спроектировать связной радиопередатчик с однополосной модуляцией, удовлетворяющий следующим параметрам:

Максимальная выходная мощность в фидере – Р 1 max = 10 Вт;

Диапазон частот – f = 10…16 МГц;

Волновое сопротивление фидера – W ф =50 Ом;

Напряжение источника питания – Е = 220 В, 50 Гц (сеть);

Шаг сетки частот – 1 кГц;

ПВИ = - 45 дБ;

Частоты модуляции – f мод = 0,3…3 кГц;

Относительная нестабильность частоты – 3 * 10 – 5 .

В процессе проектирования необходимо выбрать и рассчитать:

– составить и обосновать структурную схему;

– сформировать требования к источнику питания, привести схемы.

Графические работы:

– часть принципиальной электрической схемы (выбирается преподавателем);

– схема размещения элементов оконечного каскада (вид сверху и сбоку).

1. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Связные передатчики данного частотного диапазона f = 1.5…30 МГц работают, как правило, в режиме однополосной модуляции. Однополосный сигнал формируется фильтровым методом на относительно низкой частоте (f 0 = 500 кГц) и переносится с помощью преобразователей частоты в рабочий диапазон.

Структурная схема проектируемого передатчика построим таким образом, чтобы максимально снизить нелинейные искажения одновременно обеспечив заданное подавление внеполосного излучения колебаний, а также минимальное число перестраиваемых цепей в промежуточных и оконечном каскадах передатчика. Рассмотрим вариант структурной схемы (рис. 1), вполне удовлетворяющей изложенным выше требованиям.

Рис. 1. Структурная схема проектируемого передатчика.

Краткое описание предлагаемой структурной схемы и назначение блоков:

Звуковой сигнал с микрофона усиливается усилителем нижних частот (УНЧ) до необходимого уровня и попадает на балансный модулятор 1 (БМ 1), на второй вход которого поступает напряжение с частотой f0 = 500 кГц (в качестве опорной частоты f 0 используется сигнал, формируемый синтезатором частоты). Частота этого генератора выбрана с учетом амплитудно - частотной характеристики электромеханического фильтра (ЭМФ) и выбором рабочей боковой полосы (верхней). Для этой частоты промышленностью выпускаются электромеханические фильтры (ЭМФ) с крутизной характеристики затухания S = 0,1…0,15 дБ/Гц, кроме того, синтезатор частоты обеспечит заданную относительную нестабильностью частоты, так как в его составе используется кварцевый генератор. Так как полоса полезного сигнала в соответствии с ТЗ равна 300 до 3000 Гц, то можно применить ЭМФ, полоса пропускания которого равна 3 кГц. По стандартам, для однополосных передатчиков с рабочей частотой выше 7 МГц выходной сигнал должен содержать верхнюю боковую полосу (рис.2), а при рабочей частоте ниже 7 МГц - нижнюю. На выходе БМ 1 получается двухполосный сигнал с ослабленной несущей. Степень подавления несущей частоты на выходе передатчика определяется балансным модулятором и ЭМФ, а нежелательной БП  только параметрами ЭМФ. Поэтому от качества построения этого каскада зависит степень наличия в сигнале посторонних спектральных составляющих, причем в последующих каскадах невозможно изменить соотношение этих составляющих в сигнале. После прохождения сигнала через БМ 1 и ЭМФ сигнал затухает, поэтому целесообразно применить компенсационный усилитель (КУ 1), с выхода которого сигнал поступает на БМ2.

На второй вход БМ 2 поступает сигнал вспомогательной частоты f 1 = 20 МГц, которая, аналогично f 0, формируется синтезатором. Частота f 1 выбирается выше верхней рабочей частоты передатчика – f B . При таком выборе комбинационная частота на выходе БМ 2, равная f 1 + f 0 также будет выше верхней частоты рабочего диапазона передатчика. Следовательно, колебания вспомогательного генератора f 1 и продукты преобразования первого порядка с частотами f 1 + f 0 , если они попадут на вход усилителя мощности, не создадут помех в рабочем диапазоне проектируемого передатчика. Относительная расстройка между комбинационными частотами на выходе БМ 2, как правило, не велика, поэтому селекция нужной комбинационной частоты должна осуществляться пьезокерамическим фильтром (ПФ) или фильтром на поверхностных акустических волнах, обладающие достаточно высокой избирательностью. Полоса пропускания этого фильтра должна быть не меньше полосы передаваемого сигнала. После прохождения сигнала через БМ 2 и ПФ сигнал также ослабляется, поэтому здесь тоже целесообразно применить компенсирующий усилитель (КУ 2), после которого сигнал поступает на БМ3.

Однополосный сигнал с выхода КУ 2 в балансном модуляторе БМ3 смешивается с частотой f 2 . Источником этих колебаний служит синтезатор сетки дискретных частот, генерирующий сетку в заданном диапазоне с заданным шагом. Частота f 2 выбирается выше f 1 , то есть выше рабочего диапазона. Частоты рабочего диапазона получаются на выходе БМ3 в зависимости от значения f 2 . Они равны разности частот f 2 и промежуточных частот преобразований на выходе полосового фильтра f = f 2 - f 1 - f 0 . Таким образом, можно определить требуемый диапазон сетки f 2 .

Верхнее значение: f 2 = f в + f 1 + f 0 = 16 + 20 + 0,5 = 36,5 Мгц

Нижнее значение: f 2 = f н + f 1 + f 0 = 10 + 20 + 0,5 = 30,5 Мгц

Эти частоты выделяются фильтром нижних частот (ФНЧ), который должен охватывать весь рабочий диапазон. Частота среза ФНЧ должна быть не менее верхней рабочей частоты диапазона.

Однополосный сигнал формируется на малом уровне мощности 1 - 5 мВт. До заданного уровня на выходе передатчика он доводится линейным широкополосным усилителем мощности, число каскадов в котором определяется величиной сквозного коэффициента усиления:

К Р = Р 1 / Р ВХ = 11,2 / 0,005 = 2240,

где Р 1 - мощность в коллекторной цепи оконечного каскада передатчика,

Р ВХ - мощность однополосного сигнала на выходе ФНЧ.

В результате усиления ШПУ получается уже достаточно сильный сигнал, поступающий на вход оконечного каскада (ОК), который определяет номинальную заданную мощность в передающем тракте, определяет КПД устройства, кроме того, цепь связи (ЦС), включенная последовательно с ОК определяет уровень внеполосных излучений. Определим количество каскадов усиления (ШПУ) для получения номинальной заданной мощности исходя из величины сквозного коэффициента усиления:

Примем коэффициент усиления по мощности одного каскада равный 8, тогда число каскадов ШПУ можно определить, разделив К Р на величину коэффициента усиления одного каскада.

Усиление сигнала по мощности на величину, не менее 4,375 будет производиться в оконечном каскаде.

Курсовая работа на тему:

Связные радиопередающие устройства с частотной модуляцией

Техническое задание

В процессе проектирования радиопередающего устройства необходимо выполнить следующее:

составить и обосновать структурную схему ПРД;

сформировать требования к ИП, привести схемы.

Характеристики передатчика:

f = (160 ¸ 180) МГц

Df = 10 кГц

ПВИ = -50 дБ

F мод = (0,3 ¸ 3) кГц

питание сетевое - 220 В, 50 Гц

Введение

Связные радиопередающие устройства (РПУ) с частотной модуляцией (ЧМ) проектируются для работы на одной фиксированной частоте или в диапазоне частот. В первом случае рабочая частота стабилизируется кварцевым резонатором, а для генерации ЧМ колебаний могут быть использованы как прямой метод управления частотой, так и косвенный. Структурная схема передатчика с использованием прямого метода ЧМ изображена на рис.1.

Рис.1 Структурная схема передатчика с прямой ЧМ

Модулирующее напряжение U W подается на варикап, с помощью которого модулируется по частоте кварцевый автогенератор (КГ). Кварцевый генератор работает на частотах 10-15 МГц, затем его частота умножается в n раз до рабочего значения, сигнал подается на усилитель мощности (УМ) и через цепь связи в антенну.

Косвенный метод ЧМ основан на преобразовании фазовой модуляции (ФМ) в частотную при помощи введения в схему интегрирующего звена, т.е. фильтра низких частот (ФНЧ). Структурная схема передатчика с использованием косвенного метода получения ЧМ изображена на рис.2.

Рис.2 Структурная схема передатчика с использованием косвенного метода ЧМ.

В качестве возбудителя диапазонного передатчика с ЧМ используется синтезатор сетки дискретных частот, ведомый генератор которого управляется двумя варикапами (рис.3).

Рис.3 Структурная схема ЧМ передатчика с синтезатором частоты

Для построения нашего связного передатчика воспользуемся подобной схемой, но уточним состав и количество входящих в неё блоков.

В качестве возбудителя диапазонного передатчика с ЧМ используется синтезатор сетки дискретных частот, ведомый генератор которого управляется двумя варикапами (рис.3). На варикап VD1 подается модулирующее напряжение U W , на варикап VD2 - управляющее напряжение системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Разделение функций управления объясняется тем, что девиация частоты под влиянием модулирующего сигнала относительно невелика (3-5 кГц) в сравнении с диапазоном перестройки ведомого генератора (ГУН) управляющим сигналом с выхода системы ФАПЧ. Поэтому варикап VD1 связан с колебательным контуром ГУНа значительно слабее, чем VD2. Шаг сетки частот на выходе передатчика в зависимости от рабочего диапазона может быть 5; 10; 12,5; 25 кГц.

Для повышения устойчивости необходимо, чтобы оконечный усилитель как можно меньше влиял на работу ГУНа, поэтому производят их развязку по частоте введением в структуру передатчика умножителя частоты. В таком случае шаг сетки синтезатора уменьшается в n раз, где n - коэффициент умножения частоты умножителя.

В данном курсовом проекте проведен анализ диапазонного передатчика ЧМ. В пояснительной записке представлены электрические расчеты оконечного каскада, цепи связи с фидером, автогенератора и частотного модулятора, приведены конструктивные расчеты оконечного каскада и цепи связи с фидером. К пояснительной записке прилагаются чертежи с изображениями полной электрической схемы и конструкцией оконечного каскада передатчика.

1. Расчет оконечного каскада

1.1 Выбор транзистора

Мощность в фидере связного передатчика, работающего в диапазоне 160 - 180 МГц, равна 8 Вт. Примем величину КПД цепи связи: h ЦС = 0,7. Мощность, на которую следует рассчитывать оконечный каскад, равна:

Р 1макс = Р Ф /h ЦС = 8/0,7 = 11,43 Вт.

Справочная величина мощности, отдаваемой транзистором, должна быть не менее 10 Вт.

Как правило, для генерации заданной мощности в нагрузке в определенном диапазоне частот можно подобрать целый ряд транзисторов. Из группы транзисторов нужно выбрать тот, который обеспечивает наилучшие электрические характеристики усилителя мощности.

При выборе типа транзистора усилителя мощности (УМ) учтем следующее:

для снижения уровня нелинейных искажений транзистор должен удовлетворят условию 3 . f т / β о > f;

выходная мощность транзистора Р вых > Р 1макс.

Коэффициент полезного действия каскада связан с величиной сопротивления насыщения транзистора - r нас. Чем меньше его величина, тем меньше остаточное напряжение в граничном режиме и выше КПД генератора.

Исходя из этих условий, выбираем транзистор 2Т909А, имеющий следующие параметры:

1. Параметры идеализированных статических характеристик:

сопротивление насыщения транзистора на высокой частоте r нас » 0,39 Ом;

коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ на низкой частоте (f →0) β о = 32;

сопротивление базы r б = 1,0 Ом;

сопротивление эмиттера r э = 2,0 Ом;

2. Высокочастотные характеристики:

граничная частота усиления по току в схеме с ОЭ f т =570 МГц;

емкость коллекторного перехода С к = 30 пФ;

емкость эмиттерного перехода С э = 244 пФ;

индуктивности выводов L Б = 2,5 нГн, L Э = 0,2 нГн, L К = 2 нГн;

3. Допустимые параметры:

предельное напряжение на коллекторе U кэ доп = 60 В;

обратное напряжение на эмиттерном переходе U бэ доп = 3,5 В;

постоянная составляющая коллекторного тока I ко. доп = 2 А;

максимально допустимое значение коллекторного тока I к. макс. доп = 4 А;

диапазон рабочих частот 100 - 500 МГц;

4. Тепловые параметры:

максимально допустимая температура переходов транзистора t п. доп = 160 ºС;

тепловое сопротивление переход - корпус R пк = 5 ºС/Вт;

5. Энергетические параметры

P вых = 17 Вт;

Режим работы - класс В.

Т.к. УМ должен усиливать сигнал с минимальными искажениями, т.е. иметь линейную амплитудную характеристику, и, кроме того, возможно больший КПД, примем угол отсечки коллекторного тока q = 90° (класс В). При этом

- коэффициенты Берга.

1.2 Расчет коллекторной цепи

1. Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе в критическом режиме

В

2. Максимальное напряжение на коллекторе

В

Т.к. не выполняется условие

, необходимо уменьшить Е k , выберем стандартное постоянное питающее напряжение равным 24 В. А также, если Е k выбирать равным наибольшему предельно допустимому для данного типа транзистора, то следует ожидать существенного снижения его надежности из-за опасности пробоя. В В.

3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока

А

4. Постоянная составляющая коллекторного тока

А;

5. Максимальная мощность, потребляемая от источника коллекторного напряжения

Вт

6. КПД коллекторной цепи при номинальной нагрузке