Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Проектирование каналов радиосвязи

Реферат

усилитель канал передатчик радиоволна

Курсовой проект содержит 39 страниц печатного текста, 9 иллюстраций, 1 таблицу, 2 наименования используемой литературы.

ТРАНЗИСТОР, УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ, ЦЕПЬ СОГЛАСОВАНИЯ, БУФЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, РАДИОСВЯЗЬ, КАНАЛ СВЯЗИ, МОДУЛЯЦИЯ, ПЕРЕДАТЧИК, ПРИЕМНИК, АВТОГЕНЕРАТОР, СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТЫ, МИКРОСХЕМА.

Целью данного проекта является проектирование радиоканала, которое включает в себя:

а) выбор варианта проекта;

б) выбор структурной схемы;

в) выбор и обоснование функциональной схемы канала радиосвязи;

г) предварительный расчёт основных параметров передающей части канала;

д) предварительный расчёт основных параметров приемной части канала;

е) расчёты режимов узлов и разработки принципиальных схем передающей части канала радиосвязи;

ж) расчёт кривой наземного затухания напряженности поля радиоволны при радиосвязи дежурного по станции с машинистом поезда;

з) разработка синтезатора частоты, обслуживающего радиоканал.

Введение

Приемопередающее устройство - это источник и приемник радиочастотных колебаний в системах радиосвязи, телевидения, радиолокации и др. Назначение приемопередатчика - сформировать и принять радиосигнал в соответствии с требованиями, установленными при разработке системы. Радиосигналом называют колебание радиочастоты, один или несколько параметров которого изменяются (модулируются) в соответствии с передаваемым сообщением.

Частотная модуляция (ЧМ) применяется в высококачественном радиовещании, в радиорелейных линиях с большим числом каналов, в радиолокационных системах непрерывного излучения. При любых видах модуляции энергия сигнала локализована в узкой полосе частот радиоспектра. Это означает, что радиосигнал представляет собой колебание, близкое к гармоническому. Поэтому основным сигналом, для которого рассчитываются режимы каскадов приемопередатчика, является гармонический.

Системы радиосвязи на железнодорожном транспорте делятся на: поездные, станционные, ремонтно-оперативные, индивидуальные по специально выделенным каналам и др. Железнодорожная радиосвязь осуществляется в нескольких диапазонах радиоволн: гектометровые волны КВ (f0 = 2,13 МГц), метровые волны УКВ1 (f0 = 151,725 - 156 МГц) и дециметровые - УКВ2 (f1 = 457,4 - 458,45 МГц и f2 = 467,4 - 468,45 МГц). Наибольшее использование в поездной и станционной радиосвязи получил диапазон метровых радиоволн, поэтому парк радиостанций этого диапазона самый обширный. Задачей учебного курсового проектирования является разработка канала радиосвязи метрового диапазона, включающего в себя передающую и приемную части.

При разработке радиоканала производятся расчёт и проектирование следующих принципиальных электрических схем, входящих в передающую часть канала:

- генератор, управляемый напряжением, ГУН1 в качестве задающего автогенератора;

- режим частотной модуляции в ГУН1;

- буферный каскодный усилитель напряжения ГУН1;

- предварительные усилители мощности;

- оконечный усилитель мощности,

1. Исходные данные (вариант n=2):

1) значения рабочей частоты возбудителя передатчика fВ и первого гетеродина приемника fГ1:

fВ = 155,625 + 0,025 • (n - 1) = 155,65 Мгц;

fГ1= 177,025 + 0,025 • (n - 1) = 177,05 МГц;

2) выходная мощность передающего устройства РВЫХ на нагрузке 50 Ом (к - номер группы: для группы 23Е - 2):

РВЫХ = (15 - к), Вт;

РВЫХ = 15 - 2 = 13 Вт.

Коэффициент усиления постоянного тока в оконечном и в предоконечных каскадах, выполненных на транзисторах КТ909А, КТ907А и КТ606, определяется по формуле:

в0 = 20 + n = 22

3) высота стационарной антенны Н = (12 + n) м, локомотивной - h = 6 м,

Н = 12 + 2 = 14 м

4) чувствительность приёмного устройства по системе СИНАД при отношении “сигнал/шум”, равном 12 дБ, и входном сопротивлении приёмника 50 Ом UВХ.МИН = 0,5 мкВ. При этом все каскады усиления и преобразования рекомендуется выполнить на транзисторах ГТ311Е, которые имеют коэффициенты усиления по постоянному току:

в0 = 40 + n = 42

5) параметры девиации частоты модулятора:

ДfНОМ = 3,5 кГц; ДfМАКС =4кГц;

6) избирательность приемника по зеркальному каналу Se З.К. = 50 дБ, по соседнему каналу - Se С.К. = 60 дБ.

7) стабильность частоты возбудителя и гетеродинов дf = 10-5.

8) коэффициент нелинейных искажений сигналов в радиоканале составляет КГ ? 0,08 (8 %);

9) материальная база разработки: транзисторы, микросхемы;

10) номиналы напряжений питания: 25, 15, 12, 9, 5 В.

2. Выбор функциональной схемы радиопередающей части канала

Проектирование радиопередающей части канала начинается с разработки функциональной схемы. В настоящее время на железнодорожном транспорте внедрена система аналоговой ЧМ радиосвязи на основе приемопередатчика диапазона метровых волн УПП - 2МВ стационарной радиостанции "Транспорт РС - 46М". Система выполнена на современной микроэлементной базе с применением микропроцессорной технологии обслуживания с программным обеспечением, позволяющим конфигурировать режимы радиостанции применительно к конкретным условиям эксплуатации на используемой сетке частот, при симплексе (работает передатчик - выключен собственный приемник и наоборот).

На рис. 1 приведена структурная схема такого канала. В ее состав входят:

- блок коммутации К симплексного режима работы ;

- передающая часть канала, включающая усилитель мощности (УМ), синтезатор-возбудитель, опорный генератор и модулятор, обеспечивающий оптимальный режим частотной модуляции в канале;

- приемная часть канала, включающая тракт усиления радиочастоты (УРЧ),

синтезатор первого гетеродина и сам гетеродин, первый смеситель, усилитель первой промежуточной частоты и завершающую часть приёмника, выполненную на одной микросхеме МС3371Р, - второй смеситель, второй гетеродин, усилитель второй промежуточной частоты, частотный детектор и предварительный усилитель звуковой частоты. После микросхемы следует тракт дополнительного усиления сигнала, который подается затем в блок автоматики.

Для разрабатываемой функциональной схемы передающей части канала из структурной схемы выбираются: коммутатор К, усилитель мощности, который может состоять из двух каскадов предварительного усиления (ПОК1 и ПОК2) и оконечного усилителя мощности ОК. Схема синтезатора-возбудителя предназначена для формирования высокочастотного ЧМ-колебания с амплитудой не менее 0,5В, которое используется для возбуждения предварительного усилителя мощности ПОК1.

Рисунок 1 - Структурная схема канала радиосвязи

Диапазон частот возбудителя 151,725-156,000МГц, шаг сетки частот 25 кГц. В состав возбудителя входят: ГУН1 на транзисторе ГТ311Е и варикапах КВ121А; буферный усилитель на двух транзисторах того же типа, включенных по каскодной схеме ОЭ - ОБ; большая интегральная схема синтезатора частоты типа КФ1015ПЛ4Б или КР1015ХК2. Опорный сигнал частотой 10МГц для передающего и приёмного синтезаторов вырабатывает высокостабильный генератор "Топаз - 03", выпускаемый в виде малогабаритного конструктивного устройства, питаемого стабилизированным напряжением +9 В.

На вход синтезатора частоты поступает сигнал с ГУН1 через развязывающее устройство в виде буферного усилителя. Входом является включённый в синтезатор делитель частоты с переменным коэффициентом деления ДПКД, с выхода которого сигнал поступает на один из входов частотно-фазового детектора ЧФД. На второй вход детектора подается высокочастотный сигнал опорного генератора ОГ, прошедший через делитель опорной частоты ДОЧ. ЧДФ формирует сигнал ошибки, пропорциональный разности фаз входных сигналов. Это напряжение ошибки по цепи фазовой автоподстройки ФАПЧ через фильтр низких частот ФНЧ подаётся на управляющий вход ГУН1, что приводит к изменению его частоты до требуемого значения, определяемого коэф-том ДПКД. Синтезатор имеет выход сигнала детектора захвата частоты петлёй ФАПЧ.

На ГУН1 одновременно осуществляются ЧМ и автоподстройка его частоты. Чтобы не происходило снижения девиации частоты за счёт схемы ФАПЧ, постоянная времени ФНЧ на выходе синтезатора выбрана много больше, чем период низкой частоты (FМИН = 300 Гц) спектра НЧ-сигнала. При этом ФАПЧ работает на частотах ДF<< 300 Гц и не реагирует на сравнительно быстрые изменения частоты при её девиации, что делает возможным одновременное сосуществование ЧМ и автоподстройки частоты генератора.

Особое место в схеме передающего тракта занимает модулятор, который выполняет следующие функции:

1) обеспечивает номинальную девиацию частоты ДfНОМ;

2) ограничивает максимальное значение девиации частоты ДfМАКС;

3) осуществляет необходимую предкоррекцию амплитудно-частотной характеристики АЧХ тракта по закону +6 дБ/октава.

Для выполнения указанных функций схема модулятора содержит:

- усилитель звуковой частоты, охваченный петлей автоматической регулировки усиления АРУ, которая производит сжатие динамического диапазона входных сигналов;

- корректор АЧХ +6 дБ/октава для модулирующего сигнала, поступающего с блока автоматики;

- амплитудный ограничитель, устраняющий перемодуляцию передатчика;

- фильтр низких частот, служащий для ограничения полосы пропускания модулирующих сигналов в пределах от 0,3 до 3,4 кГц;

- формирователь сигнала исправности модулятора.

Параметры стандартного модулятора:

1) чувствительность модуляционного входа модулятора при RВХ= 600 Ом

(должна быть не менее 300 мВ);

2) отклонение амплитудно-частотной модуляционной характеристики передатчика АЧМХ от характеристики с предкоррекцией + 6 дБ/октава (должно быть в пределах ± 12,5 дБ);

3) уровень паразитной амплитудной модуляции (не более 3 %).

Примерный вид функциональной схемы передающего канала приведен на рисунке 2.

Рисунок 2 - Функциональная схема передающей части канала

3. Выбор функциональной схемы радиоприемной части канала

Проектирование радиоприемной части канала начинается с разработки функциональной схемы. Эта схема составляется также на основе структурной схемы (рисунок 1). Для функциональной схемы приёмника выбираются кроме коммутатора К два усилителя радиочастоты - УРЧ1 и УРЧ2, первый смеситель VT1, на второй вход которого подается через буферный усилитель БУ2 сигнал с генератора, управляемого напряжением ГУН2, который выполняет роль первого гетеродина приемника. Диапазон перестраиваемой частоты первого гетеродина 173,125-177,400МГц (N = 172канала) обеспечивается собственным синтезатором приемной части канала, аналогичным синтезатору возбудителя.

Схема генератора, управляемого напряжением ГУН2 аналогична схеме ГУН1, но имеет более простую колебательную систему, т.к. в ней не должна производиться частотная модуляция. Для увеличения мощности сигнала первого гетеродина и его надежной развязки от смесителя и синтезатора частоты должен быть применён буферный усилитель БУ2, собранный по каскодной схеме ОЭ-ОБ.

В состав большой интегральной схемы БИС синтезатора частоты приёмника входят те же элементы и выполнен он на микросхеме D2 типа КФ1015ПЛ4Б, либо КР1015ХК2 [4]. В качестве опорной частоты f0 = 10МГц используется частота опорного генератора ОГ "Топаз-03", имеющего относительную нестабильность дf ? 10-5. Напряжение рассогласования, сформированное частотно-фазовым детектором синтезатора, через ФНЧ поступает на варикапы колебательного контура ГУН2 и управляет его частотой. Запись коэффициентов деления ДПКД и опорного делителя в регистр синтезатора осуществляется последовательным двоичным кодом по цепям "Запись 1", "Данные", "Синхронизация. В приемном синтезаторе также предусмотрена схема контроля (вывод 4), формирующая сигнал исправности синтезатора при наличии захвата в кольце ФАПЧ.

Преобразованный сигнал со смесителя СМ1 через фильтр сосредоточенной избирательности ФСИ1 поступает на усилитель первой промежуточной частоты fПР1=21,4МГц, выполненный по стандартной схеме. С её нагрузки - двухконтурного фильтра сигнал поступает на вход микросхемы D3 типа МС3371Р. Микросхема D3 осуществляет второе преобразование частоты сигнала во вторую промежуточную частоту f ПР2=455кГц, её усиление, частотное детектирование и предварительное усиление звуковой частоты речевого сигнала.

К выводу 1 микросхемы D подключен кварцевый резонатор Z1, который служит для генерации вторым гетеродином стабильной частоты f Г2=fПР1 + 455кГц. Сигнал второй промежуточной частоты выделяется кварцевым фильтром сосредоточенной избирательности ФСИ2 (SeС.К.?60дБ), усиливается и детектируется. Сигнал, усиленный микросхемой D3, поступает на активный ФНЧ и на конечный усилитель в блоке автоматики и управления, выполняющий функцию частотного корректора, обеспечивающего спад частотной характеристики сигнала -6 дБ/октава. Далее сигнал звуковой частоты используется в блоке автоматики.

Примерный вид функциональной схемы приёмной части канала приведён на рисунке 3.



Рисунок 3 - Функциональная схема приёмной части канала

4. Расчёт параметров функциональной схемы передающей части канала

Требуется рассчитать передающую часть канала с исходными параметрами: fC, дf, РН, ДfH, ДfМАКС, ДF = 300 - 3400 Гц.

Расчет параметров:

1) в таблице параметров транзистора КТ909А приведены следующие данные для типового режима его работы: РТИП = 24 Вт, К = 2,4, fТИП = 500 МГц, по которым может быть рассчитан коэффициент усиления мощности КР оконечного каскада (ОК) на рабочей частоте:

(4.1)

мощность возбуждения на входе оконечного каскада

(4.2)

где КС - коэффициент полезного действия контура предоконечного каскада, его значение рекомендуется выбрать с запасом равным ЮКС = 0,5;

Вт.

2) предоконечный каскад может быть выполнен на менее мощном транзисторе КТ907А с параметрами типового режима: f ТИП=400 МГц, КР ТИП.=3,по ним может быть рассчитан коэффициент КР на рабочей частоте

(4.3)

3) мощность возбуждения на входе предоконечного каскада ПОК

(4.4)

Вт

4) предыдущий результат показал, что для возбуждения предоконечного каскада мощности буферного усилителя, нагружающего ГУН1, будет недостаточно, поэтому требуется ещё один предоконечный каскад ПОК1 на транзисторе КТ606 с мощностью возбуждения

(4.5)

мВт;

теперь мощности ГУН1 достаточно, чтобы возбудить дополнительный каскад;

5) требуется узнать оптимальную амплитуду модулирующего напряжения звуковой частоты [5, 6]

(4.6)

где н - коэффициент нелинейности характеристики варикапа (в большинстве случаев рекомендуется принимать н = 0,5) ;

UВ0 - напряжение смещения варикапа (UВ0 = 4 - 10 В).

Для данного проекта рекомендуется варикап КВ123А с параметрами UВ0 = 4 В при С0 = 17 пФ;

В;

Режимы автогенератора ГУН с буферным усилителем не нуждаются в предварительных расчётах.

5. Расчёт параметров функциональной схемы приемной части канала

Требуется рассчитать приемную часть канала радиосвязи с исходными параметрами: fС, fГ1, UВХ. МИН, ДfПР, SeЗК, SeСК, дf.

Расчёт параметров приемного тракта:

1) - полоса частот генерации ЧМ-канала рассчитывается по формуле

(5.1)

где М f = Д f МАКС / FМАКС - индекс частотной модуляции;

ДfМАКС - максимальная девиация частоты ЧМ-сигнала;

FМАКС - максимальная частота телефонного спектра;

Гц;

- полоса частотной нестабильности канала

(5.2)

где ?fС = fC • дfВ - абсолютная нестабильность частоты возбудителя;

?fГ1 = fГ • дfГ - абсолютная нестабильность частоты гетеродина;

ДfПЧ1=fПЧ1•дfПЧ - абсолютная нестабильность тракта промежуточной частоты;

fC=155,65 МГц, fГ1=177,05 МГц, fПЧ1=21,4 МГц,

fПЧ2=0,455 МГц, fГ2=21,855 МГц

кГц;

2) ширина полосы пропускания приёмного тракта (не должна превышать 25 кГц):

П ОБЩ = П С + П НЕСТ (5.3)

П ОБЩ = 22176 + 2380 = 24556 Гц;

3) первая промежуточная частота определяется заданной избирательностью по зеркальной помехе Se`ЗП, числом колебательных контуров в тракте высокой частоты nВЧ и их эквивалентным затуханием dЭ (dЭ = 0,06)

(5.4)

В качестве первой промежуточной частоты можно принять стандартную, принятую в новых железнодорожных радиостанциях fПР1 = 21,4 МГц;

fПР1 15,754 МГц

4) проверка показывает, что полученная промежуточная частота не сможет обеспечить требуемую избирательность по соседнему каналу (SeCK=60дБ), следовательно, необходимо двойное преобразование частоты. Вторая промежуточная частота вычисляется по формуле

(5.5)

где fCK = 25 кГц,

,

dПЧ2 0,02 (при использовании ФСИ),

nПЧ2=9; в качестве второй промежуточной частоты можно выбрать стандартную для железнодорожных радиостанций fПР2 = 455 кГц;

fПР2 1,747 МГц;

5) оценим степень ослабления второй зеркальной помехи в тракте преселектора (УРЧ)

(5.6)

где dЭ.ВЧ 0,06, fПР2 = 455 кГц, fС. ВЧ = 156 МГц, nВЧ = 3;

Sе(2ЗК) = 1,057;

6) малое ослабление зеркальной помехи в преселекторе требует использования в трактах УПЧ1 и УПЧ2 фильтров сосредоточенной избирательности кварцевого или пьезокерамического типа, поэтому рекомендуется выбрать в качестве фильтра для УПЧ1 фильтр ФП2П4-272-21,4М-18к, выполненный по техническим условиям АЦО.206.091ТУ; для работы с микросхемой D3 (рекомендуется новая микросхема МС3371Р) для УПЧ2 можно использовать ФСИ типа ФП1П1-11АДКШ.433.550.001ТУ.

7) произведём предварительное распределение усиления по каскадам приёмника: двухкаскадный УРЧ может иметь устойчивый коэффициент усиления не менее КУРЧ=10,тогда при чувствительности приёмника UВХМИН=0,5мкВ на входе первого преобразователя появится сигнал с напряжением

UВХ. ПР1 = UВХ. МИН КУРЧ; (5.7)

UВХ. ПР1 = 0,5 10-6 10 = 5 мкВ;

8) примем общий коэффициент усиления в тракте УПЧ1 КУПЧ1 = 30, тогда на вход второго преобразователя будет подаваться напряжение

UВХ. ПР2 = UВХ. ПР1 КУПЧ1; (5.8)

UВХ. ПР1 = 5 10-6 30 = 150 мкВ;

9) оценим общий коэффициент усиления приёмного тракта с некоторым запасом, если на предельной чувствительности микросхема МС3361Р может выдавать выходное напряжение низкой частоты не менее 0,1 В [4]

(5.9)

КОБЩ = 0,1/0,5 10-6 = 0,2 106

10) коэффициент усиления, приходящийся на микросхему МС3361Р

(5.10)

6. Расчёт наземного затухания напряженности поля радиоволны

Требуется рассчитать значения напряженности поля радиосигнала Е, напряжений сигнала на входе кабеля, соединяющего локомотивную антенну с приёмником радиостанции и значения напряжений сигнала на входе самого локомотивного приёмника, если длина соединительного кабеля lK=10м, а погонное затухание кабеля б?=0,1 дБ/м. Расчёт можно проводить в следующем порядке:

1) напряжённость поля в месте расположения локомотивной антенны

(6.1)

PУ - мощность, излучаемая антенной;

GA = 1,62 - коэффициент усиления простейшей стационарной антенны -полуволнового вибратора;

приведённая с учётом сферичности земли высота стационарной антенны;

приведённая с учётом сферичности земли

высота локомотивной антенны;

км - приведённый радиус земли с учётом нормальной тропосферной рефракции радиоволн в приземном слое атмосферы;

2) напряжение на входе кабеля, соединяющего локомотивные антенну и приёмник радиостанции:

[B], (6.2)

где

- действующая высота локомотивного четвертьволнового вибратора; е - ЭДС, наведённая в антенне полем радиоволны;

3) напряжение на входе локомотивного приёмника радиостанции UВХ при длине кабеля lK = 10 м:

(6.3)

где - коэффициент затухания напряжения в кабеле lK.

Произведем расчет для r0=3 км.

м;

м;

В/м;

В;

В; В.

Дальнейший расчет выполняется аналогично. Результаты заносим в таблицу 1.

Таблица 1 - Расчётные данные по затуханию радиоволны в канале

r0, км	3	5	10	15	17	20	21
H'	13,807	13,463	11,851	9,166	7,791	5,406	4,525
h'	5,917	5,770	5,079	3,928	3,339	2,317	1,939
E, мкВ/м	2116,72	724,546	140,371	37,316	20,989	7,302	4,640
Eа, мкВ	1298,63	444,517	86,119	22,894	12,877	4,480	2,847
Uвх', мкВ	649,315	222,258	43,059	11,447	6,439	2,240	1,423
Uвх, мкВ	578,540	198,032	38,366	10,199	5,737	1,996	1,268

7. Расчёт усилителя мощности радиочастоты

7.1 Расчет оконечного каскада

Угол отсечки коллекторного тока транзистора выбирается обычно для критического режима класса В: и = 900 (б1 = 0,5; б0 = 0,318).

1) Коэффициент использования коллекторного напряжения транзистора в граничном режиме

(7.1)

Выберем ЕКО=28 В.

при этом напряжение эквивалентного генератора

(7.2)

В;

2) Амплитуда тока первой гармоники коллектора

(7.3)

А;

3) Проверка допустимого напряжения коллекторного перехода (7.4)

В;

Рисунок 1 - Упрощенная эквивалентная схема замещения транзистора

Рисунок 2- Типовая электрическая схема оконечного каскада

4) Нагрузка эквивалентного генератора

(7.5)

Ом;

5) Амплитуда импульса коллекторного тока

. (7.6)

А;

6) Постоянный ток коллектора

(7.7)

А;

7) Мощность, потребляемая от источника питания

(7.8)

Вт;

8) Мощность, рассеиваемая на коллекторе

(7.9)

Вт;

9) Коэффициент полезного действия генератора

(7.10)



10) Угол дрейфа носителей тока через базу

(7.11)

є;

11) Нижний угол отсечки импульсов эмиттерного тока

(7.12)

є.

Находим коэффициенты разложения Берга

,

б 1Э = 0,482; б 0Э= 0,296

12) Постоянный ток эмиттера

(7.13)

А;

13) Амплитуда эмиттерного тока

 (7.14)

А;

14) Ток первой гармоники эмиттера

(7.15)

А;

15) Крутизна тока коллектора на рабочей частоте

(7.16)

См;

16) Амплитуда переменного напряжения возбуждения базы

(7.17)

1,414 В;

17) Модуль коэффициента передачи напряжения возбуждения с входных электродов (б - э) на рn - переход (б ` - э)

 (7.18)

0,165;

18) Приближённое значение входного сопротивления транзистора на рабочей частоте

(7.19)

2,394 Ом;

19) Мощность сигнала на входе оконечного каскада

(7.20)

0,418 Вт;

20) Коэффициент усиления мощности в оконечном каскаде

(7.21)

21) Тепловое сопротивление радиатора охлаждения транзистора

 (7.22)

Здесь tСР - температура окружающей транзистор среды в 0 C;

tП. ДОП - предельная температура перехода в 0 С;

RПК - тепловое сопротивление (переход - корпус) транзистора;

RКТ ? (0,5 ч 1) - тепловое сопротивление между теплоотводом и корпусом транзистора, 0 С/Вт.

8,714 К/Вт

7.2 Расчет предоконечного каскада

1) Определим входную мощность каскада:

, (7.23)

Вт

2) Коэффициент использования коллекторного напряжения транзистора в граничном режиме

(7.24)

при этом напряжение эквивалентного генератора

(7.25)

В;

3) Амплитуда тока первой гармоники коллектора

(7.26)

А;

4) Проверка допустимого напряжения коллекторного перехода

(7.27)

В;

5) Нагрузка эквивалентного генератора

(7.28)

Ом;

6) Амплитуда импульса коллекторного тока

. (7.29)

А;

7) Постоянный ток коллектора

 (7.30)

А;

8) Мощность, потребляемая от источника питания

(7.31)

Вт;

9) Мощность, рассеиваемая на коллекторе

(7.32)

Вт;

10) Коэффициент полезного действия генератора

(7.33)

11) Угол дрейфа носителей тока через базу

(7.34)

є;

12) Нижний угол отсечки импульсов эмиттерного тока

 (7.35)

є.

б 1Э = 0,480; б 0Э= 0,294

13) Постоянный ток эмиттера

(7.36)

мА;

14) Амплитуда эмиттерного тока

(7.37)

А;

15) Ток первой гармоники эмиттера

(7.38)

мА;

16) Крутизна тока коллектора на рабочей частоте

(7.39)См;

17) Амплитуда переменного напряжения возбуждения базы

(7.40)

мВ;

18) Модуль коэффициента передачи напряжения возбуждения с входных электродов (б - э) на рn - переход (б ` - э) определяется

(7.41)

0,152;

19) Приближённое значение входного сопротивления транзистора на рабочей частоте

(7.42)

1,18 Ом;

20) Мощность сигнала на входе предоконечного каскада

 (7.43)

332,2 мкВт;

21) Коэффициент усиления мощности в предоконечном каскаде

(7.44)

22) Тепловое сопротивление радиатора охлаждения транзистора

(7.45)

531,072 К/Вт

8. Расчет буферного усилителя радиочастоты

В диапазоне метровых и более коротких волн нередко радиопередающие устройства работают на фиксированной частоте. В каскадах УВЧ таких радиопередающих устройств целесообразно использовать автотрансформаторное включение контура. Для повышения устойчивости УВЧ с фиксированной частотой настройки можно рекомендуется применение каскодного включения транзисторов (рисунок 8). Исходными данными для расчета УВЧ с фиксированной частотой настройки обычно являются: собственное затухание контура УВЧ dK; частота настройки УВЧ fс и Y-параметры.

Рисунок 8 - Схема буферного усилителя

В данном курсовом проекте для буферного усилителя используем два транзистора ГТ311Е, включенных каскодно (ОЭ - ОБ).

Исходные данные (в соответствии с таблицей 2 и справочными данными):



8.1 Режим термостабилизации

1) Рассчитаем температурное смещение обратного тока коллектора:

(8.1)

2) Рассчитаем температурное изменение напряжения база - эмиттер:

(8.2)

где = 1,85 мВ/К - температурный коэффициент изменения напряжения для данного типа транзисторов;

3) Рассчитаем температурное изменение прямого тока коллектора:

(8.3)

4) Рассчитаем сопротивление резистора в эмиттерной цепи, необходимого для термостабилизации:

 (8.4)

где g11Э - активная часть комплексной входной проводимости транзистора; g11Э = 0,0135

Выберем сопротивление по номинальному ряду: RЭ = 130 Ом.

5) Рассчитаем общее сопротивление делителей напряжения R0 = R1+R2+R3:

(8.5)

где ЕП = 12 В - напряжение питания,

6) Рассчитаем сопротивлений:

(8.6)

Выберем сопротивление по номинальному ряду: R3 = 1600 Ом.

(8.7)

Выберем сопротивление по номинальному ряду: R2 = 13000 Ом.

(8.8)

Выберем сопротивление по номинальному ряду: R1 = 16000 Ом.

7) Рассчитаем активную составляющую сопротивления RC-фильтра:

(8.9)

Выберем сопротивление по номинальному ряду: RФ = 270 Ом.

8) Рассчитаем блокировочные емкости, а также емкости RC-фильтра и термостабилизации. Они находятся из условия:

(8.10)

Выберем емкости по номинальному ряду: СЭ = СФ = СБЛ = 430 пФ.

8.2 Расчёт Y-параметры для каскодного включения транзисторов

С включением транзисторов по принципу ОЭ - ОБ параметры усилителя заметно улучшаются, благодаря изменению Y-параметров. Их расчёт производится по следующим формулам:

 (8.11)

Y11 = g11 + jb11 = 0,013 + j0,0048 См;

Y22 = g22 + jb22 = 0,00033 + j0,00084 См;

Y21 = g21 + jb21 = 0,01 - j0,036 См;

Y12 = g12 + jb12 = 0,00079 + j0,000063 См.

8.3 Расчет режима усиления

1) Устойчивый коэффициент усиления усилителя

(8.12)

2) Эквивалентная проводимость

(8.13)

3) Реальный коэффициент усиления не может быть больше коэффициента устойчивого усиления

 (8.14)

Можно сделать вывод о том, что буферный усилитель будет устойчиво работать, так как КУСТ = КРЕЗ.

4) Входное сопротивление буферного усилителя

, (8.15)

Ом

5) Если предположить, что с автогенератора на вход буферного усилителя поступает переменное напряжение с амплитудой не менее величины UВХ БУ = 0,5 В, то выходное напряжение составит

, (8.16)

В.

6) Выходная мощность буферного усилителя будет равна

, (8.17)

мВт.

Расчёт произведен корректно т.к. значение выходной мощности превышает входную мощность предоконечного каскада. = 59,312 мкВт.

9. Расчет режима автогенератора

Автогенераторами (АГ) называются устройства, в которых энергия источников питания преобразуется в энергию высокочастотных колебаний без внешнего возбуждения. Автогенераторы являются первичными источниками колебаний, частота и амплитуда которых определяются только собственными параметрами схемы и должны в очень малой степени зависеть от внешних условий. В состав автогенератора входят активный элемент (АЭ) и колебательная система (КС). Активный элемент управляет поступлением порций энергии источника питания в колебательную систему для поддержания амплитуды колебаний на определённом уровне. Колебательная система задаёт частоту колебаний, близкую к одной из её собственных частот.

Автогенераторы применяются в качестве задающих генераторов, входящих в состав возбудителей передающих устройств, а также гетеродинов приёмников. Выходная мощность АГ играет роль только в однокаскадных передатчиках. В многокаскадных - основные требования предъявляются к стабильности частоты АГ, которую невозможно улучшить в последующих каскадах.

Расчёт режима автогенератора делится на четыре части: расчёт режима постоянного тока, энергетический расчёт, расчёт колебательной системы и расчёт режима частотной модуляции полезным сигналом. При расчёте гетеродина приёмника расчёт режима частотной модуляции не производится.



Рисунок 6 - Схема автогенератора

На рисунке 6 представлена схема автогенератора, работающего в режиме частотной модуляции полезным сигналом и сигналом автоподстройки частоты от синтезатора. В основе АГ заложена схема трехточечного генератора Клаппа с колебательным контуром третьего вида. Все автогенераторы в проекте выполняются на транзисторе ГТ311Е, параметры которого приведены в Приложении 1. Рабочая частота АГ определяется вариантом задания. В качестве шины питания в схеме предлагается использовать шину c напряжением EK02 = + 12 В для питания всех делителей напряжения, а для коллектора активного элемента напряжение ЕК01 от этой шины подаётся через ограничивающее сопротивление RОГР.

9.1 Расчёт режима по постоянному току

Порядок расчёта следующий:

1) Температурное изменение обратного тока коллектора

(9.1)



2) Тепловое смещение напряжения базы

(9.2)

3) Температурное изменение прямого тока коллектора

(9.3)

4) Сопротивление резистора в эмиттерной цепи

(9.4)

где r11 = 1/g11Э - активная часть входного сопротивления транзистора (g11Э = 0,0135)

Выберем сопротивление по номинальному ряду: RЭ = 130 Ом.

5) Напряжение коллекторного питания

(9.5)

Напряжение коллекторного питания меньше половины максимального напряжения коллектор - эмиттер Ек0=6В.

6) Сопротивления делителя напряжения R1 и R2

(9.6)

(9.7)

Выберем сопротивления по номинальному ряду: R1 = 27 кОм, R1 = 1,6 кОм.

7) Блокировочная ёмкость СЭ

(9.8)

Выберем емкость по номинальному ряду: СЭ = 390 пФ.

8) Ограничивающее сопротивление в цепи питания коллектора

(9.9)

Выберем сопротивление по номинальному ряду: RОГР = 1300 Ом.

9.2 Энергетический расчёт автогенератора

Энергетический расчёт начинается с выбора угла отсечки коллекторного тока, который для автогенераторов выбирается в пределах и = 60 ч 900.

1) Пусть и = 700, тогда в соответствии с таблицей коэффициентов Берга в Приложении 2 можно установить следующие значения:

(9.10)

2) Амплитуда импульса коллекторного ток, соответствующего напряжению UK0 = 5 В и току IK0 = 5 мА

(9.11)

3) Определяются коэффициенты положительной обратной связи., соответствующие работе АЭ в предельных режимах: Кi -по току IК МАКС; КU -по напряжению UЭБ МАКС; КР - по мощности транзистора РК МАКС. Эти формулы имеют вид(S=0,1 А2/Вт, РК МАКС=0,15Вт) :

(9.12)



(9.13)

(9.14)

4) Рабочее значение коэффициента обратной связи должно быть меньше наименьшей из этих величин

(9.15)

5) Рассчитываются энергетические параметры для статической крутизны S=0,1 См транзистора ГТ311Е при UK0 = 5 B:

а) нормирующее напряжение базы

(9.16)

б) напряжение возбуждения

 (9.17)

в) переменное напряжение коллектор - эмиттер

(9.18)

г) ток первой гармоники коллектора

(9.19)

д) напряжение базового смещения

(9.20)

е) пиковое обратное напряжение базы

(9.21)

ж) мощность, отдаваемая в нагрузку

(9.22)



з) мощность, потребляемая от источника питания

(9.23)

и) коэффициент полезного действия автогенератора

(9.24)

к) мощность, рассеиваемая коллектором

(9.25)

л) эквивалентное сопротивление генератора

(9.26)

9.3 Расчёт колебательного контура

Перед началом расчёта колебательного контура, представленного на рисунке 7, необходимо задать его основные параметры. Для лучшей стабильности частоты целесообразно выбирать контур с высокой добротностью (Q = 80 ч 100) и большим характеристическим сопротивлением с. Кроме того рекомендуется выбрать реактивное сопротивление емкости С2 в предела ХС2 = - (5 ч 10) Ом. Обычно на частотах до 150 МГц удаётся реализовать указанную добротность и с=200 ч 400 Ом. Установим QХХ = 100, с = 300 Ом, а величину Х2 = - 8 Ом. Произведём расчёт параметров контура в следующем порядке.

1) емкость С2

(9.27)

Выберем емкость по номинальному ряду: С2 = 130 пФ.

2) Реактивное сопротивление ёмкости С1

(9.28)

3) Ёмкость С1

(9.29)

Выберем емкость по номинальному ряду: С1 = 8,2 пФ.

4) Коэффициент включения нагрузки со стороны ёмкости С1

 (9.30)

5) Сопротивление реактивности Х3

(9.31)

6) Индуктивность L3 определяется из характеристического сопротивления колебательного контура

(9.32)

Выберем индуктивность по номинальному ряду: L3 = 300 нФ.

7) Реактивное сопротивление ёмкости С3

(9.33)



Рисунок 7 - Колебательный контур трехточки Клаппа

8) Ёмкость С3

(9.34)

Выберем емкость по номинальному ряду: С3 = 6,2 пФ.

9) Проводимость нагрузки автогенератора GН обуславливается величиной входного сопротивления буферного усилителя, но оптимальное значение этой проводимости, гарантирующее максимум подводимой к нагрузке мощности, определяется эквивалентным сопротивлением генератора RЭКВ, собственным сопротивлением колебательного контура GK, а также суммарной активной межэлектродной проводимостью транзистора GKЭБ, распределённой между реактивностями контура. Все эти проводимости определяются в следующем порядке:

а) собственная проводимость контура GK

(9.35)



б) межэлектродная проводимость может быть рассчитана по формуле, приведённой в [ 6 ]

(9.36)

однако её величина обычно не выходит за пределы GКЭБ = (1 ч 10), мкСм, поэтому можно принять GКЭБ = 5? 10-6 См;

в) оптимальная проводимость нагрузки автогенератора

(9.37)

10) Мощность автогенератора, подводимая к оптимальной нагрузке

(9.38)

11) Оптимальное сопротивление нагрузки

(9.39)

9.4 Расчёт режима частотной модуляции

В проекте должен быть реализован прямой метод получения частотной модуляции сигнала автогенератора путём включения в его колебательный контур нелинейной ёмкости VD1 (VD2) варикапа (КВ123), как показано на рисунке 6. На катод варикапа подведено напряжение обратного смещения с делителя R1, R2 (R3, R4), равное UB0 = + 4 B, а через разделительный конденсатор СР1 и дроссель L1 (CP2, L2) подаётся напряжение звуковой частоты с подмодулятора передатчика. Второй варикап VD2 смещается сигналом автоподстройки частоты с синтезатора. На рисунке 8 приведена эквивалентная схема контура автогенератора совместно с ёмкостью варикапа. Выбранный тип варикапа КВ123 при напряжении смещения UВ0 обеспечивает величину постоянной ёмкости СВ0 ? 17 пФ и величину нелинейных искажений Кг = 0,05(5%) при коэффициенте нелинейности вольт-фарадной характеристики ВФХ н = 0,5 [5,6 ]. Расчёт основных параметров модуляционного режима может быть выполнен в следующем порядке.

Рисунок 8 - Часть схемы контура с варикапом

1) Амплитуда модулирующего напряжения

 (9.40)

2) Диапазон изменения ёмкости варикапа

(9.41)

3) Высокочастотная составляющая напряжения на варикапе

(9.42)

4) Коэффициент включения варикапа

(9.43)

5) Коэффициент вклада варикапа в суммарную ёмкость

(9.44)

где суммарная ёмкость колебательного контура.

6) Максимальная девиация частоты модулятора

(9.45)

7) Ёмкость связи варикапа с контуром

(9.46)

Выберем емкость по номинальному ряду: ССВ = 18 пФ.

8) Откорректированная ёмкость контура за счёт режима частотной модуляции

(9.47)

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта были рассчитаны элементы усилительных каскадов, буферного усилителя и автогенератора, составляющих проектируемый передатчик. Также был рассчитан режим частотной модуляции в ГУН1, приведены предварительные расчеты основных параметров передающей части радиоканала.

При выполнении курсового проекта были использованы текстовый редактор Microsoft Word ХР, графические редакторы Visio 2003 и Paint, математический пакет Mathcad 2003 Professional.

Размещено на Allbest.ru

...