Уральский Государственный Технический Университет

Радиотехнический факультет

Кафедра Радиопередающих устройств

"Устройства формирования и генерирования сигналов"

"Оконечный каскад однополосного связного передатчика"

Екатеринбург 2004

Задание

Составить структурную схему однополосного связного передатчика, рассчитать режим оконечной ступени со следующими параметрами:

· Диапазон рабочих частот 1,8-3,0 МГц;

· Мощность 6,0 Вт;

· Антенна провод длиной 20 м;

· Подавление внеполосных излучений 40 дБ;

· Питание от аккумуляторов устройство 12 В.

Рассчитать согласующее устройство оконечной ступени и пояснить назначение всех элементов схемы.

Содержание

Введение. 4

Расчетная часть. 5

1.1 Выбор и обоснование структурной схемы передатчика. 5

1.2 Выбор транзистора для выходной ступени передатчика. 5

2. Расчет режима оконечной ступени. 8

2.1 Расчет коллекторной цепи. 8

2.2 Расчет базовой цепи. 10

1.3 Расчет антенны.. 13

1.4 Расчет согласующей цепи оконечной ступени с антенной. 13

1.5 Конструктивный расчет параметров катушек. 14

Назначение элементов схемы.. 19

Заключение. 21

Введение

Радиопередающее устройство (РПУ) – необходимый элемент любой системы передачи информации по радио – будь то система радиосвязи, навигационная или телеметрическая системы. Параметры радиопередатчиков разнообразны и определяются конкретными техническими требованиями к системе передачи данных. РПУ представляет собой достаточно сложную систему, в состав которой входит высокочастотный тракт, модулятор для управления колебаниями высокой частоты в соответствии с передаваемой информацией, источники питания, устройства охлаждения и защиты. Связные коротковолновые (f=1,5-30 МГц) передатчики работают в режиме однополосной модуляции и используются для звуковой связи.

Расчетная часть

1.1 Выбор и обоснование структурной схемы передатчика

УНЧ – усилитель низкой частоты;

ОМ – однополосный модулятор (в который входит амплитудный модулятор и фильтр, выделяющий одну из боковых);

ПЧ – преобразователь частоты однополосно-модулированных колебаний;

Ф – фильтр для подавления побочных продуктов при преобразовании частоты;

Синт – источник необходимых поднесущих колебаний;

СЦ – согласующая цепь.

Сигнал с микрофона через предварительный усилитель низкой частоты попадает в однополосный модулятор, где сигнал модулирует некоторую промежуточную частоту (например, f1=128 кГц). Затем однополосный модулированный сигнал подается на преобразователь частоты и переносится на частоту f2, которую можно менять в некотором диапазоне. Затем однополосно-модулированный сигнал подается на оконечный усилитель и через согласующую цепь на антенну.

1.2 Выбор транзистора для выходной ступени передатчика

Мощность в фидере связного КВ передатчика, работающего в диапазоне 1,8-3,0 МГц равна 6,0 Вт. Т.к. между фидерным разъемом коллекторной цепью транзистора стоит цепь связи, на сопротивлениях потерь элементов цепи связи бесполезно теряется часть колебательной мощности, генерируемой транзистором. В зависимости от схемы цепи согласования, мощности и рабочей частоты передатчика величина КПД цепи связи h_ЦС = 0,7…0,9. Примем величину h_ЦС = 0,7. Мощность, на которую следует рассчитывать ГВВ, равна: Р₁ = Р_Ф /h_ЦС = 6 / 0,7 = 8,57 Вт.

Справочная величина мощности, отдаваемой транзистором, должна быть не менее 12 Вт.

В однополосных связных передатчиках используются биполярные транзисторы коротковолнового диапазона (1,5-30 МГц) с линейными проходными характеристиками. По диапазону частот и по заданной мощности можно выделить следующие транзисторы 2T951Б, 2Т955А, 2Т921А. 2Т951Б, 2Т955А.

При одинаковой выходной мощности ГВВ на этих приборах будут иметь разный КПД и коэффициент усиления по мощности. Из группы транзисторов нужно выбрать тот, который обеспечивает наилучшие электрические характеристики усилителя мощности.

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.

Коэффициент усиления по мощности К_Р зависит от ряда параметров транзистора – коэффициента передачи тока базы b_О , частоты единичного усиления

f_T и величины индуктивности эмиттерного вывода L_Э. При прочих равных условиях К_Р будет тем больше, чем выше значение b_О, f_T и меньше L_Э .

Из приведенных транзисторов минимальный r_НАС у транзистора 2Т951Б.

r_НАС =2,4 Ом;

r_э =0 Ом;

r_б =3 Ом;

β₀ =32;

f_т =194 МГц;

С_к =65 пФ;

С_э =600 пФ;

L_э =3,8 нГн;

U_кэ.доп =60 В;

U_бэ.доп =4 В;

I_к0 =3 А;

E_отс =0,7В;

Диапазон рабочих частот – 1.5..30МГц;

P_Н =20 Вт;

Режим работы – линейный, <-30дБ.

2. Расчет режима оконечной ступени

2.1 Расчет коллекторной цепи

Определим коэффициент использования выходного напряжения (U_вых ).

Возьмем угол отсечки (q) равным 90⁰ , что обеспечит лучшую линейность амплитудных характеристик усилителя, тогда a₁ (q) = 0,5; при Е_к =12В, ξ_гр получается комплексным, чтобы этого избежать увеличим Е_к .

При Е_к =28В ξ_гр получается равным 0,881, что обеспечивает приемлемый КПД.

Определим амплитуду напряжения между коллектором и эмиттером в граничном режиме:

U_кгр = Е_к ·x_гр ;

U_кгр = 28В·0,881 = 24,664 В.

Найдем первую гармонику тока коллектора:

Определим постоянную составляющую коллекторного тока:

Определим подводимую мощность P₀ .

P₀ = E_к ·I_к0 ,

P₀ = 28·0,443 » 12,417 Вт < P_доп = 1/2U_кэдоп ·I_к0доп = 0,5*36В*8А = 144 Вт.

Определим мощность, рассеиваемую в виде тепла:

P_к1 = P₀ - P₁ ,

P_к1 = 12,417 – 8,57 = 3,845 Вт.

Определим коэффициент полезного действия (h).

Определим сопротивление коллектора (R_к )

2.2 Расчет базовой цепи

Рассчитаем амплитуду тока базы:

где c = 1 + g₁ (q) 2pf_Т C_к R_к

c = 1 + 0,5·2·3,14·100·10⁶ ·65·10^-12 ·35,484 » 2,15

Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов:

I_б0 = I _к0 /b ₀

I_б0 = 0,934/26 = 0,014А;

I_э0 = I_к0 + I_б0

I_э0 = 0,443 + 0,014 = 0,475А.

Максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе, для того чтобы U_{бэ мах} было меньше с U_{бэ доп} R_д (сопротивление резистора, включенного по РЧ между базой и эмиттером) должно быть 8 Ом, но R_д >>r_β =0.034 Ом:

Напряжение смещения на эмиттерном переходе:

Для того чтобы не вводить отдельный источник питания для подачи отрицательного смещения, можно использовать схему с автосмещением. Если взять напряжение смещения по постоянному току 0,7В, то R_см =2,8 Ом; С_см =8,8 мкФ (X_{C см} на частоте 1,8 МГц должно быть много меньше R_см ). U_ост =28В‑24,664В=3,336В => R₃ =(U_ост /I_к0 ) – R_см =4,73 Ом.

R_кэ вычисляем зная I_б0 , E_п и R_д . (Е_п -Е_б )/R_кэ =I_б0 +Е_б /R_д R_кэ =R_д (Е_п -Е_б )/(I_б0 R_д +Е_б )= =268,966 Ом.

Рассчитаем элементы схемы:

L_вхОЭ = 3,8·10^-9 + 3,8·10^-9 /2,15+5·10^-9 » 10,567 нГн;

Входное сопротивление транзистора (Z_вх = r_вх + jX_вх ):

δ=0,1; α₁ =0,93; α₂ =0,68.

Входная мощность:

Коэффициент усиления по мощности транзистора:

k_p = P₁ /P_вх ; k_{p 1} = 8,57/0,832=10,306; k_{p 2} = 8,57/0,924=9,276.

1.3 Расчет антенны

λ₁ =с/f₁ =3·10⁸ м/с / 1,8·10⁶ с^-1 =166,67 м.

λ₂ =с/f₂ =3·10⁸ м/с / 3·10⁶ с^-1 =100 м.

1. Из конструктивных соображений выберем для антенны провод сечением 2 мм² , соответственно радиус провода – 0,798 мм.

2. Длина антенны значительно меньше длины рабочей волны , тогда волновое сопротивление антенны рассчитываем по формуле:

Ом

3. Найдем входное сопротивление:

1.4 Расчет согласующей цепи оконечной ступени с антенной

Согласующая цепь должна включать в себя:

· фильтр нижних частот, обеспечивающий затухание 40 дБ на частоте равной 2∙f_н , и 0дБ на частоте f_в , тогда будет обеспечено заданное подавление внеполосных излучений на всем рабочем диапазоне. Входное и выходное сопротивления равны R_к =35,48 Ом.

· перестраиваемый трансформатор сопротивлений, обеспечивающий преобразование выходного сопротивления оконечного усилительного каскада к активному сопротивлению антенны.

· перестраиваемое устройство, компенсирующее реактивную составляющую входного сопротивления антенны.

Фильтр нижних частот, удовлетворяющий выше указанным условиям, выбираем при помощи программы RFSim и трансформатор сопротивлений.

Т.к. реактивная составляющая входного сопротивления антенны меньше нуля, то антенну можно представить в виде последовательно соединенных конденсатора и резистора. Для компенсации реактивной составляющей входного сопротивления антенны, последовательно с антенной необходимо поставить катушку индуктивности такого же сопротивления (L=X_c /2πf). Соответственно, эта катушка должна быть перестраиваемой в пределах от 292/(2∙3,14∙1,8∙10⁶ )=2,58∙10^-5 Гн до 89/(2∙3,14∙3∙10⁶ )=4,72∙10^-6 Гн.

1.5 Конструктивный расчет параметров катушек

Порядок расчета.

1. Задаются отношением длины намотки катушки l к ее диаметру в (для катушек диаметром до 50 мм обычно берут l/D=0.5…0.8, а для больших катушек мощных каскадов l/D=1…2).

2. Диаметр провода катушки выбираем исходя из соображений ее допустимого нагрева:

где в – диаметр провода, [мм];

I – радиочастотный ток, [А];

ΔT – разность температур провода и окружающей среды, [К] (для катушек ГВВ принимают ΔT=40…50 К);

f – частота тока, [МГц].

3. Выбирается шаг намотки (теоретические исследования и практика проектирования рекомендуют g=(1.3…1.5) d).

4. Число витков спирали катушки

,

где L_расч – расчетное значение индуктивности, [Гн];

D – диаметр катушки, [мм];

F (l/D) – коэффициент формы катушки

Расчет.

Ток протекающий в катушке индуктивности L_бл1 это ток I_б0 =0,014А, ток протекающий в катушке индуктивности L_бл2 это ток I_к0 =0,443А, ток протекающий в катушках индуктивности фильтра, трансформатора сопротивлений и компенсирующей катушки будет не больше .

Соответственно, диаметры проводов катушек будут: 7,42 мкм; 0,235 мм 0,26 мм.

Расчет.

Блокировочные.

Катушка L_бл1 =5 мГн; d=0,01 мм; I_б0 =0,014А;

Внешний диаметр – 20,02 мм.

Внутренний диаметр – 20,01 мм.

Шаг между витками – 0,01 мм.

Длина катушки – 3,88 мм.

Длина провода – 24,39 м.

Количество слоев – 1.

Количество витков – 388.

Количество витков в слое – 388.

Количество витков в слое – 87.

Индуктивность – 4,993463 мГн.

Катушка L_бл2 =5 мГн; d=0,25 мм; I_к0 =0,443А;

Внешний диаметр – 23,5 мм

Внутренний диаметр – 21,75 мм

Шаг между витками – 1,75 мм

Длина катушки – 21,89 мм

Длина провода – 41,89 м

Количество слоев – 7

Количество витков – 613

Количество витков в слое – 87

Индуктивность – 5,002767 мГн.

Фильтр.

Катушка L₁ =0,491 мкГн; d=0,3 мм; I_б0 =0,491А;

Внешний диаметр – 10,6 мм

Внутренний диаметр – 10,3 мм

Шаг между витками – 0,3 мм

Длина катушки – 1,5 мм

Длина провода – 0,16 м

Количество слоев – 1

Количество витков – 5

Количество витков в слое – 5

Индуктивность – 0,000441 мГн

Катушка L₂ =2,29 мкГн; d=0,3 мм; I_б0 =0,491А;

Внешний диаметр – 10,6 мм

Внутренний диаметр – 10,3 мм

Шаг между витками – 0,3 мм

Длина катушки – 4,2 мм

Длина провода – 0,45 м

Количество слоев – 1

Количество витков – 14

Количество витков в слое – 14

Индуктивность – 0,00228 мГн

Катушка L₃ =3,48 мкГн; d=0,3 мм; I_б0 =0,491А;

Внешний диаметр – 10,6 мм

Внутренний диаметр – 10,3 мм

Шаг между витками – 0,3 мм

Длина катушки – 5,7 мм

Длина провода – 0,61 м

Количество слоев – 1

Количество витков – 19

Количество витков в слое – 19

Индуктивность – 0,00354 мГн

Катушка L₄ =3,73 мкГн; d=0,3 мм; I_б0 =0,491А;

Внешний диаметр – 10,6 мм

Внутренний диаметр – 10,3 мм

Шаг между витками – 0,3 мм

Длина катушки – 6 мм

Длина провода – 0,65 м

Количество слоев – 1

Количество витков – 20

Количество витков в слое – 20

Индуктивность – 0,0038 мГн

Катушка L₅ =2,99 мкГн; d=0,3 мм; I_б0 =0,491А;

Внешний диаметр – 10,6 мм

Внутренний диаметр – 10,3 мм

Шаг между витками – 0,3 мм

Длина катушки – 5,1 мм

Длина провода – 0,55 м

Количество слоев – 1

Количество витков – 17

Количество витков в слое – 17

Индуктивность – 0,00303 мГн

Катушка L₆ =1,44 мкГн; d=0,3 мм; I_б0 =0,491А;

Внешний диаметр – 10,6 мм

Внутренний диаметр – 10,3 мм

Шаг между витками – 0,3 мм

Длина катушки – 3 мм

Длина провода – 0,32 м

Количество слоев – 1

Количество витков – 10

Количество витков в слое – 10

Индуктивность – 0,00137 мГн

Трансформатор сопротивления(минимальное).

Катушка L_тр =0,935 мкГн; d=0,3 мм; I_б0 =0,491А;

Внешний диаметр – 10,6 мм

Внутренний диаметр – 10,3 мм

Шаг между витками – 0,3 мм

Длина катушки – 2,4 мм

Длина провода – 0,26 м

Количество слоев – 1

Количество витков – 8

Количество витков в слое – 8

Индуктивность – 0,000963 мГн

Компенсирующая катушка индуктивности.

Катушка L₆ =4,72 мкГн; d=0,3 мм; I_б0 =0,491А;

Внешний диаметр – 10,6 мм

Внутренний диаметр – 10,3 мм

Шаг между витками – 0,3 мм

Длина катушки – 6,9 мм

Длина провода – 0,74 м

Количество слоев – 1

Количество витков – 23

Количество витков в слое – 23

Индуктивность – 0,00460 мГн

L_бл1, L_дл2 – фильтрует ВЧ составляющую в цепи питания, 2πfL_дл2 , 2πfL_дл1 >>R_кэ ,

L_бл1 = L_бл2 =5мГн,

L₁ -L_6, С₁ -С₆ – фильтр нижних частот;

L_тр , С_тр –трансформатор сопротивлений;

L_ком – компенсирующая катушка индуктивности;

С_р1 , С_р2 – развязывают каскады по постоянному току, 1/(2πfC_бл1 )<<R_кэ, C_бл1 =С_бл2 =0,1 мкФ.

R_кэ и R_д – устанавливают напряжение смещения на эмиттерном переходе, R_кэ =269Ом, R_д =8 Ом.

R_см и Сcм – цепь автосмещения, R_см =2,8 Ом, С_см =8,8 мкФ.

L₁ , L₂ , C₁ , C₂ – трансформатор сопротивления и фильтр, отфильтровывающий высшие гармоники. С₁ =6,479 нФ, С₂ =23,92 нФ, L₁ =4,83 мкГн, L₂ =1,308 мкГн.

VT – транзистор, ответственный за управляемый перенос мощности источника питания в нагрузку.

Заключение

В результате выполнения данного курсового проекта был произведен расчет оконечного каскада передатчика и цепи согласования с антенной удовлетворяющий техническому заданию. Составлена структурная схема РПУ, соответствующая принципиальной схеме. Принципиальная схема приведена в приложении. Проведено пояснение назначения всех элементов схемы. Таким образом, задание и цели курсового проекта можно считать выполненными.