Схема реализации и принцип функционирования связного радиопередатчика с частотной модуляцией

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

За последнее время существенно повысился технический уровень электронной техники. Быстрое развитие требует создания все более точного и сложного автоматизированного технологического оборудования для изобретения более сложных и совершенных устройств с лучшими характеристиками и параметрами, меньшими габаритами.

Большое значение имеют средства передачи и приема информации. Сегодня существуют различные информационные системы связи: радиорелейная, оптическая, мобильная, спутниковая и другие.

Особое место в электронной технике занимают радиопередающие устройства. В 1887 году немецкий физик Генрих Рудольф Герц изобрёл и построил радиопередатчик и радиоприёмник, провёл опыты по передаче и приёму радиоволн, чем доказал существование электромагнитных волн, исследовал основные свойства электромагнитных волн.

Первые радиопередатчики искрового принципа действия на основе катушки Румкорфа были очень просты по конструкции -- излучателем радиоволн служил искровой разряд, а модулятором являлся телеграфный ключ. С помощью такого радиопередатчика информация передавалась в кодированной дискретной форме -- например азбукой Морзе или иным условным сводом сигналов. Недостатками такого радиопередатчика была относительно высокая мощность, требуемая для эффективного излучения радиоволн искровым разрядом, а также очень широкий радиочастотный диапазон излучаемых им волн. В результате одновременная работа нескольких близко расположенных искровых передатчиков была практически невозможной из-за интерференции их сигналов.

Следующим этапом было использование в передатчике электромашинного генератора переменного тока. Такой генератор позволял получить достаточно стабильные колебания определенной частоты, которую можно изменять, регулируя частоту вращения ротора генератора. Мощность могла достигать десятков и сотен киловатт. Сигнал такого генератора можно модулировать по амплитуде, что позволяет передавать по радио звуковой сигнал. Однако электромашинный генератор практически пригоден для генерации частот не выше десятков килогерц, то есть передатчик может работать только в самом длинноволновом диапазоне. До 1950-х годов электромашинные передатчики использовались в радиовещании и радиосвязи. Так, в 1925 г. на Октябрьской радиостанции в Ленинграде были установлены два генератора мощностью 50 и 150 кВт конструкции В. П. Вологдина. Как исторический памятник в Швеции сохраняется в рабочем состоянии радиостанция Гриметон (открыта в 1925 г.) с генератором Александерсена мощностью 200 кВт, спроектированным для работы на частотах до 40 кГц.

Изобретение в 1913 году Мейснером (Германия) электронного генератора и дальнейшее развитие электронных вакуумных ламп позволило усовершенствовать устройство радиопередатчика и устранить недостатки искровых и электромашинных систем, а структурная схема радиопередатчика стала в общих чертах неизменной вплоть до настоящего времени. Дальнейшие изобретения в области связи и радиотехники -- твердотельные аналоги электронных ламп (транзисторы), кварцевые резонаторы, новые виды модуляции и методы стабилизации частоты -- сопровождались только количественными изменениями параметров радиопередатчиков: уменьшением размеров и потребляемой мощности, повышением стабильности и КПД, расширением частотного диапазона и т. д.Самостоятельно радиопередатчики используются в тех областях, где не нужен приём информации в месте её передачи -- сигналы точного времени, разнообразные навигационные радиомаяки для определения местоположения объектов, многопозиционная радиолокация, радиовещание, дистанционное управление, телеметрия ,радиоастрономия.

По назначению все передатчики делятся на радиовещательные, связные, радиолокационные , навигационные , телевизионные и другие.

По заданию я рассматриваю радиопередатчик связной с частотной модуляцией , и типом излучения F3E , что означает частотная модуляция с одним каналом аналоговой связи в телефонии. Диапазон рабочих частот от 140 до 160 МГц. Связные радиопередатчики в свою очередь подразделяются на стационарные(магистральные) и подвижные. Подвижные передатчики могут быть мобильными (самолетные , автомобильные , корабельные) , носимыми (переносятся в рабочем состоянии) и переносными (переносятся в нерабочем состоянии , работают только на стоянке). По моим предположениям мой передатчик носимый , так как он работает от химического источника питания аккумулятора.

В каждом из этих групп в свою очередь может быть проведена дополнительная классификация. Например среди подвижных передатчиков можно выделить передатчики работающие на назначенных фиксированных частотах или на отведённом диапазоне частот как у меня. Также классификация можно провести и по мощностям(маломощные, средней мощности , мощные и сверхмощные) у меня маломощный. По виду примененных в схемах электронных приборов (ламповые и транзисторные) в моем передатчике используется транзисторы.

В данной расчетно-графической работе рассмотрен связной радиопередатчик с частотной модуляцией. Рассмотрены схемы его реализации и принцип функционирования. Описаны вид модуляции, такой как частотная, а также принцип действия соответствующих им модуляторов. Также приведен расчет одного из основных блоков такого как выходной каскад.



1. Общая часть

1.1 Выбор и обоснование структурной схемы радиопередатчика

Проектирование радиопередающего устройства начинаем с расчета его структурной схемы, по заданным параметрам выбираем мощность на выходе усилителя мощности по формуле:

(1.1.1)

где это мощность, подводимая к фидеру антенны равная 12Вт по условию,

является коэффициентом полезного действия промежуточного контура и равным так как радиопередатчик работает в диапазоне на УКВ волнах, причем при увеличении кпд это приводит к ухудшению фильтрации высших гармоник, что не желательно.[1.стр.16]

является коэффициентом полезного действия для антенного контура и находиться по формуле:

, (1.1.2)

где этоактивное сопротивление антенны, и оно равно 100Ом по характеристикам штыревой антенны радиопередатчика Р-250м2

это активное сопротивление потерь и находится по формуле:

где (1.1.3)



Q это добротность контура так как радиопередатчик у меня связной можно выбрать работу его на штыревой антенне, тогда добротность можно принимать равным примерно Q= 200, а это реактивная составляющая антенны и находится по формуле :

(1.1.4)

это максимальная рабочая частота данная мне по заданию и равная =160МГц, а является емкостью антенны равная 100пФ так как антенна штыревая и взята с радиопередатчика Р-250м2.

Теперь подставляем в полученные формулы наши данные и находим реактивную составляющую антенны по формуле (1.1.4)

после подставляем данные в формулу нахождения активного сопротивление потерь (1.1.3)

после чего находим к.п.д для антенного контура по формуле (1.1.2)

Теперь по ориентировочным знаниям и по формуле (1.1.1) определяется необходимая для получения заданного значения мощности в антенне генерируемая выходным каскадом мощность , на которую выбираем транзисторы выходного каскада.

После нахождения мощности выходного каскада можем подобрать для его транзистор с необходимыми характеристиками, его мы определяем в справочнике транзисторов и находим в нем подходящий к нашему условию, (заметим, что мощность выбранного транзистора должна быть немного больше, чем мы получили по формуле (1.1.1) , это делается для запаса. Из приведённых некоторых параметров линейки транзисторов наиболее подходящий полевой транзистор для нашего связного передатчика 2Т922А[2.стр262], потому что имеет достаточно большое r_нас = 0,9 а также подходит по мощности (с запасом), по диапазону рабочих частот, и по рекомендуемому режиму работы.

Для определения необходимой мощности возбуждения выходного каскада ориентировочно находим коэффициент усилителя по мощности, который находится по формуле:

(1.1.4)

где это коэффициент по напряжению и находится по формуле:

(1.1.5)

где S-крутизна характеристики и находится в справочнике

-активное сопротивление

-это коэффициент потоку и находится по формуле:

(1.1.6)

Но так как, выходной каскад работает с отсечкой коллекторного тока, то угол отсечки принимаем равным ; ток выхода будет в 10 раз больше тока на входе , следовательно коэффициент потоку равен 10(Ом).

Но мы не будем её высчитывать, потому что она дана нам в справочнике и ровна 10

Необходимая мощность возбуждения находится по формуле:



(1.1.7)

Вставляем в формулу свои данные и получаем

=2,488(Вт)

Определяем выходную мощность промежуточного усилителя по формуле:

(1.1.8)

где - это к.п.д переходной цепи и равно 0.5

Подставляем полученные данные

Принимаем транзистор КТ922а [3.стр430]

Определяем мощность возбуждения промежуточного усилителя по формуле:

(1.1.9)

является коэффициент усилителя по мощности. Принимаем значение его равным 8[1, стр.430]

Отсюда в формулу (1.1.8) подставляем данные

Определяем выходную мощность следующего промежуточного усилителя по формуле (1.1.8) :

Принимаем транзистор КТ919б [3.стр430]

Определяем мощность возбуждения промежуточного усилителя по формуле (1.1.9):

Определяем выходную мощность следующего промежуточного усилителя по формуле (1.1.8) :

Принимаем транзистор КТ911а [3.стр430]

Определяем мощность возбуждения промежуточного усилителя по формуле (1.1.9):

Такую малую мощность можно получить непосредственно от возбудителя, но нагружать возбудитель достаточно мощного выходного каскада нежелательно, так как это приведет к снижению стабильности частоты. Поэтому между возбудителем и промежуточным каскадом следует поставить буферный усилитель, который ослабит связь между ними. Чтобы не расширять ассортимент транзисторов в передатчике, буферный усилитель целесообразно сделать на одном транзисторе.

Транзисторный буферный усилитель собирается по схеме с общим коллектором(эмиттерный повторитель).

Выходная мощность буферного усилителя определяется с учетом к.п.д переходных цепей и находится по формуле:

(1.1.9)

подставляем наши данные

(Вт)

Подбираем транзистор из справочника, нам подходит -КТ918Б. [3.стр430]

Мощность возбуждения буферного усилителя находим по формуле:

(1.1.10)

отсюда

Для повышения стабильности частоты возбудителя и предотвращения влияния на последующие каскады:

Транзисторный буферный усилитель собирается по схеме с общим коллектором(эмиттерный повторитель).

Необходим стабилизированный блок питания

Связь буферного усилителя с возбудителем делается слабой, коэффициент передачи энергии делаем в пределах

(1.1.11)

отсюда

Структурная схема связного радиопередатчика с учетом приведенных расчетов и исходных данных приведена на рисунке 1.

Рис.1 Структурная схема связного радиопередатчика

Транзисторы используемые в каскадах:

Буферный усилитель- КТ918Б

Промежуточный усилитель1- КТ911а

Промежуточный усилитель2 - КТ919б

Промежуточный усилитель3- КТ922а

Усилитель мощности-2Т922Б

1.2 Разбивка диапазона частот на поддиапазоны

Для начала разбивки диапазона частот на поддиапазоны потребуется коэффициент перекрытия диапазона, который находится по формуле:

(1.2.1)

где -максимальная частота в заданном диапазоне частот, равное по заданию 160 МГц

-минимальная частота в заданном диапазоне частот, равное по заданию 140 МГц

после подставляем значения в формулу (1.2.1)

Примем коэффициент перекрытия поддиапазонов

Определим число поддиапазонов по формуле:

(1.2.2)

Подставляем свои данные

= 2

уточним значение

(1.2.3)

отсюда имеем

=1.0686

Найдем максимальное и минимальное значение длины волны по формуле:

(1.2.4)

где с-скорость света и равная 3*м/с

f-частота

отсюда высчитываем максимальное и минимальное значение длины волны

= 2,14 м

Определим границы поддиапазонов:

1поддиапазон:

2 поддиапазон:

МГц

140МГц 150МГц 160МГц

1.3 Выбор и обоснование электрической схемы каждого каскада радиопередатчика

1.3.1 Возбудитель

Рис. 1.3.1 Схема возбудителя с кварцевой стабилизацией частот.

Возбудитель представляет собой генератор с самовозбуждением. В диапазоне УКВ целесообразно применять транзисторные автогенераторы одноконтурные .С целью повышения стабильности , независимо от мощности радиопередатчика его делают маломощным. Особое внимание нужно уделить стабилизации частоты , по заданию у меня стоит кварцевая стабилизация частот. Возбудитель с кварцевой стабилизацией , построены по принципу кварц-волна , используется в передатчиках , которым по условию эксплуатации не приходится часто менять рабочую частоту. Источником питания возбудителя по условию является щелочным аккумулятором выдающим напряжение U=12B , но так как для питания транзисторов этого не хватает увеличиваем напряжение до 28В. Так как источником питания является аккумулятор , я могу сделать вывод , что радиопередатчик переносной. Наиболее распространенную группу возбудителей , особенно в связных передатчиках УКВ диапазона , образуют возбудители с дискретной сеткой частот.

1.3.2 Буферный усилитель

Рисунок 1.3.2 Схема с общим коллектором

С целью уменьшения влияния на возбудитель последующих мощных каскадов, после возбудителя ставят буферный усилитель. Связь возбудителя с буферным усилителем делают слабой. Так как радиопередатчик работает на транзисторах целесообразна схема с общим коллектором, так как при ней наибольшее входное сопротивление из всех возможных вариантов включения транзистора.

1.3.3 Промежуточные усилители

Рисунок 1.3.3 схема с эмиттерной стабилизацией режима.

Промежуточный усилитель предназначен для усиления колебаний возбудителя до мощности необходимой для нормальной работы выходного каскада радиопередатчика. В качестве промежуточного усилителя выбираем схему с эмиттерной стабилизацией режима. Она обладает высоким усилением по напряжению и по току. В моем передатчике используются 4 промежуточных усилителя связанных между собой оптимальным согласованием, при котором значения коэффициентов трансформации m_вх и m_вых, определяющие степень включения контура в каскад, и полная емкость контура обеспечивают максимальный коэффициент усиления, и согласование усилительных элементов без применения шунтирующих сопротивлений.

1.3.4 Усилитель мощности

Рис1.3.4 Схема усилителя мощности

Усилитель мощности- самый мощный каскад радиопередатчика который обеспечивает антенну нужной мощностью и обеспечением требуемой полосы излучения , то есть фильтрацией. Он построен по сложной схеме , так как по простой могут собраны только резервные передатчики. Связь между усилителем мощности и антенной цепью делаем трансформаторной.

радиопередатчик частота модуляция усилитель



1.3.5 Антенная цепь

Антенная цепь- устройство для излучения и приема радиоволн. Передающая антенна преобразует энергию электромагнитных колебаний высокой частоты в низкую (по закону низкой частоты) так как антенны не могут излучать ВЧ колебания .Преобразование волн основано на том , что переменный электрический ток является источником электромагнитных волн. Связь между усилителем мощности и антенной цепью делаем трансформаторной.

1.4 Выбор и обоснование получения заданного типа модуляции

Существует несколько способов получения частотной модуляции. Угловая модуляция может быть получена прямым способом, когда модулируется непосредственно частота автогенератора передатчика, или косвенным, когда в промежуточном каскаде передатчика производится фазовая модуляция. Другими словами, прямую частотную модуляцию осуществляют: в полупроводниковых генераторах путём изменения параметров колебательного контура с помощью варикапов, варикондов, реактивного транзистора, нелинейной индуктивности, железоиттриевого граната. В системах косвенного получения частотной модуляции используются фазовые модуляторы. Известны четыре наиболее распространённые структурные схемы передатчиков с ЧМ: с ЧМ на выходе передатчика; с ЧМ в предоконечных каскадах с последующим усилением мощности сигнала ФМК; с ЧМ в начальных каскадах с последующим умножением частоты и усилением мощности сигнала ФМК; с ЧМ на поднесущей частоте с последующим транспонированием и усилением ЧМ сигнала. Тот и другой способы получения ЧМ имеют свои недостатки и достоинства. Достоинство прямого метода - возможность получения глубокой и достаточно линейной частотной модуляции, недостаток - трудность обеспечения стабильности средней частоты колебания с ЧМ. Достоинство косвенного способа - высокая стабильность средней частоты, недостатки - неглубокая модуляция, трудность передачи низких модулирующих частот. Возможность получения глубокой и линейной ЧМ делает предпочтительным прямой способ в радиовещательных и связных передатчиках. При этом для повышения стабильности средней частоты используют систему автоматической подстройки частоты (АПЧ) по высокостабильному кварцевому эталону.

Девиация частоты под действием модулирующего сигнала относительно невелика (в случае связного передатчика - 3 кГц)

Ширина спектра ЧМ сигнала составляет:

(1.4.1)

где F_В - верхняя частота передаваемого сообщения, для речевых сообщений F_В = 3 кГц (т.к по заданию у меня телефония),

На выходе ГУН, сигнал имеет небольшую девиацию частоты 3 кГц и соответственно небольшой коэффициент модуляции m 0,882, а по техническому заданию передатчик должен обеспечить девиацию частоты как минимум f = 5 кГц. Поэтому, рассчитанный по формуле индекс модуляции, который должен иметь сигнал на выходе нашего связного передатчика оказывается равным:

, где (1.4.2)

где f - девиация частоты на выходе передатчика дана по условию.

Подставляя в (1.4.2) численные значения входящих в них величин, получаем, что:

Поделив полученный индекс модуляции на выходе передатчика на индекс модуляции на входе передатчика (выходе ГУН) можно определить во сколько раз необходимо произвести умножение частоты сигнала на входе передатчика для получения требуемой девиации частоты в 5кГц сигнала на выходе передатчика:

(1.4.3)

Поскольку с каждым каскадом умножителей частоты умножение частоты происходит в соответствии с алгоритмом: [1] «n» [2] «n²» [3] «n³» … [k] «n^k»; то с учётом того, что необходимо минимизировать число каскадов, а стандартный максимальный коэффициент умножения частоты одного каскада n = 4, то в нашем случае, число каскадов умножителей частоты получается k = 5, а коэффициент умножения частоты этого каскада n = 2. При этом девиация частоты на выходе передатчика получится f = 3000 2 6 кГц. Очевидно, что при коэффициенте умножения частоты равном 2 верхние и нижние частоты генератора сетки эталонных частот должны быть соотвенно:

Подставив в формулу (1.4.1) численные значения входящих в неё величин, получаем, что ширина спектра сигнала на выходе связного передатчика равна

Исходя из ширины спектра ЧМ сигнала в данном случае, выбираем шаг сетки частот на выходе передатчика равным 46 кГц. Тогда с учётом коэффициента умножения частоты шаг сетки частот ГСЭЧ должен составить 23 кГц.



2. Расчетная часть

2.1 Полный электрический расчет усилителя мощности на 1 поддиапозоне

Выбранный транзистор 2Т922Б имеет следующие параметры и структуру n-p-n [2.стр262]:

f=150МГц



2.1.1 Расчет оптимального режима

Задаем косинусоидальный формой импульса катодного тока с углом отсечки равным . По графикам А.И.Берга находим соответствующие нашему значению коэффициенты разложения Cos 92=-0.62 ; ; .

Находим коэффициент использования катодного напряжения по формуле, он не должен превышать 1 :

(2.1.1.1)

где -эдс коллектора

- крутизна линии граничного режима для нахождения воспользуемся формулой :

(2.1.1.2)

где - статическая крутизна характеристик которая находиться по формуле:

(2.1.1.3)

Подставляем данные в формулу (2.1.1.1) :

Находим амплитуду переменного напряжения на коллекторе по формуле :



Подставляем наши данные в формулу (2.1.1.4)

Находим амплитуду первой гармоники коллекторного тока по формуле:

, (2.1.1.5)

Находим максимальную величину коллекторного тока по формуле:

(2.1.1.6)

Находим постоянную составляющую коллекторного тока по формуле:

(2.1.1.7)

Находим мощность потребляемая коллекторной цепью от источника питания по формуле :

(2.1.1.8)

Вт

Находим мощность рассеиваемая на коллекторе по формуле :



(2.1.1.9)

Находим коэффициент полезного действия по формуле :

(2.1.1.10)

Находим оптимальное сопротивление нагрузки по формуле :

(2.1.1.11)

Находим амплитуду напряжения обратной связи по формуле :

(2.1.1.12)

Напряжение смещения в цепи базы :

(2.1.1.13)

Мощность возбуждения при 50

(2.1.1.14)



Максимальный ток базы :

(2.1.1.15)

Амплитуда тока базы первой гармоники :

(2.1.1.16)

Постоянная составляющая тока базы :

(2.1.1.17)

Коэффициент обратной связи :

(2.1.1.18)

Для возбуждения автогенератора необходимо , чтобы

(2.1.1.19)

Проверим возможность самовозбуждения по формуле (2.1.1.19) :

, следовательно самовозбуждение возможно.

2.1.2 Расчет элементов схемы усилителя мощности

Ёмкость контура определяется по формуле с средней длиной волны:

Определяем ёмкость конденсаторов С1и С 2 :

ПринимаемС1=2.7пФ

Принимаем С2=3.15пФ

Определяем индуктивность контура :

Определим ёмкость блокировочного конденсатора при среднем значении волны по формуле :

Принимаем конденсатор С=120пФ



Заключение

На сегодняшний день все вопросы касающиеся радиосвязи и средств её непосредственного обеспечения очень актуальны, тем боле, что радиосвязь с каждым днём всё глубже проникает во все сферы деятельность человека, и позволяет оперативно передавать информацию от абонента к абоненту, практически мгновенно, минуя огромные расстояния.

Обслуживание уже существующих средств обеспечения радиосвязи и разработка новых лежат на плечах радиоинженеров всего мира, тем более что с каждым днём всё острее идёт борьба за освоение новых диапазонов рабочих частот и методов кодирования (сжатия) и декодирования информации в реальном масштабе времени при передаче её посредством радиосвязи.

Освоение большого количества материала при подготовке радиоинженеров занимающихся вопросами радиосвязи обязательно должно сопровождаться и достаточным количеством практической деятельности, для более полного понимания проблематики изучаемого вопроса. Одним из видов практической деятельности является курсовое проектирование, основной задачей которого является упорядочение полученных знаний в процессе самостоятельной разработки, например какого-либо блока РПУ.

Таким образом, в ходе выполнения данной курсовой работы был спроектирован связного передатчика с ЧМ, который полностью удовлетворяет техническим требованиям, описанным в задании на проектирование. Выполнение данной работы позволило подробней изучить материал курса радиопередающих устройств, а значит, внесло свою лепту в процесс обучения и в будущем, полученный ценный практический опыт обязательно пригодится в будущей инженерной деятельности, которая и является основной целью обучения на специальности радиотехника.



Список используемой литературы

1-Е.Г.Лапицкий , А.М.Семёнов , Л.Н.Сосновский - Расчет диапазонных радиопередатчиков.

2-Под редакцией А.В.Голомедова - Справочник. Мощные полупроводниковые приборы транзисторы.

3-В.И.Каганов - Транзисторные радиопередатчики.

Размещено на Allbest.ru

...