Оконечный каскад однополосного связного передатчика

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 >ЦС >= 0,7…0,9. Примем величину >ЦС >= 0,7. Мощность, на которую следует рассчитывать ГВВ, равна: Р>1> = Р>Ф>/>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 >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 >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;

β>0>=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 () равным 900, что обеспечит лучшую линейность амплитудных характеристик усилителя, тогда >1>() = 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>·>гр>;

U>кгр> = 28В·0,881 = 24,664 В.

Найдем первую гармонику тока коллектора:

Определим постоянную составляющую коллекторного тока:

Определим подводимую мощность P>0>.

P>0 >= E>к>·I>к0>,

P>0 >= 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 >= P>0 >- P>1>,

P>к1 >= 12,417 – 8,57 = 3,845 Вт.

Определим коэффициент полезного действия ().

Определим сопротивление коллектора (R>к>)

2.2 Расчет базовой цепи

Рассчитаем амплитуду тока базы:

где  = 1 + >1>() 2f>Т>C>к>R>к>

 = 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>/> 0>

I>б0> = 0,934/26 = 0,014А;

I>э0> = I>к0> + I>б0>

I>э0> = 0,443 + 0,014 = 0,475А.

М
аксимальное 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 => R>3>=(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; α>1>=0,93; α>2>=0,68.

Входная мощность:

Коэффициент усиления по мощности транзистора:

k>p> = P>1>/P>вх>; k>p>>1> = 8,57/0,832=10,306; k>p>>2> = 8,57/0,924=9,276.

1.3 Расчет антенны

λ>1>=с/f>1>=3·108м/с / 1,8·106с-1=166,67 м.

λ>2>=с/f>2>=3·108м/с / 3·106с-1=100 м.

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

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

Ом

    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 D (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 d – 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 L>1>=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 L>2>=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 L>3>=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 L>4>=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 L>5>=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 L>6>=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 L>6>=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,

L>1>-L>6, >С>1>-С>6> – 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.

L>1>, L>2>, C>1>, C>2> – трансформатор сопротивления и фильтр, отфильтровывающий высшие гармоники. С>1>=6,479 нФ, С>2>=23,92 нФ, L>1>=4,83 мкГн, L>2>=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.