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

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: Р₁ = 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;

?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, ?_гр получается комплексным, чтобы этого избежать увеличим Е_к.

При Е_к=28В ?_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 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 ().

Определим сопротивление коллектора (R_к)

2.2 Расчет базовой цепи

Рассчитаем амплитуду тока базы:

где  = 1 + ₁() 2f_ТC_кR_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.

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_?=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_Cсм 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_б0R_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):

?=0,1; ?₁=0,93; ?₂=0,68.

Входная мощность:

Коэффициент усиления по мощности транзистора:

k_p = P₁/P_вх; k_p1 = 8,57/0,832=10,306; k_p2 = 8,57/0,924=9,276.

1.3 Расчет антенны

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

?₂=с/f₂=3·10⁸м/с / 3·10⁶с^-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

1. 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/2?f). 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];

?T – разность температур провода и окружающей среды, [К] (для катушек ГВВ принимают ?T=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, 2?fL_дл2, 2?fL_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/(2?fC_бл1)<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.