Передатчик радиостанции специального назначения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Рязанский государственный радиотехнический университет

Кафедра радиотехнических устройств

Пояснительная записка к курсовой работе

По дисциплине: «Устройства генерирования и формирования радиосигналов в ТКС»

На тему: «Передатчик радиостанции специального назначения»

Выполнила: студентка гр.117

Тараканова А.С.

Проверил: доц. Крестов П.А.

Рязань 2014



Содержание

Введение

1. Разработка технических условий

2. Разработка и расчет структурной схемы передатчика

2.1 Структурная схема передатчика с УМ

2.2 Разработка структурной схемы передатчика

3. Расчет выходного усилителя мощности

3.1 Расчет параметров транзисторов

3.2 Энергетический расчет ВУМ

3.3 Выбор вспомогательных элементов ВУМ

3.4 Пересчет основных энергетических показателей ВУМ

4. Расчет цепи согласования ВУМ

Заключение

Список используемой литературы



Введение

Радиопередающее устройство - это источник радиочастотных колебаний в системах радиосвязи, телевидения, радиолокации и др. Назначение передатчика - сформировать радиосигнал в соответствии с требованиями, установленными при разработке системы, и подвести его к антенне или к линии связи.

Радиосигналом называют колебание радиочастоты, один или несколько параметров которого изменяются (модулируются) в соответствии с передаваемым сообщением (информацией). В радиосвязи используется частотная модуляция.

Основное требование к радиосигналу, связанное с выбором способа модуляции сигнала, - получение заданной точности воспроизведения закона модуляции на приемной стороне канала связи.

В настоящее время радиопередающие устройства получили широкое распространение. Они находят применение в радиосвязи, в РЛС, в сотовой телефонии и в домашних радиотелефонах, в охранных сигнализациях, в телевидении и радиовещании и т.д. Поэтому важно иметь представление и уметь рассчитывать такие устройства.

В данной работе необходимо провести расчет структурной схемы передатчика радиостанции специального назначения, работающего в диапазоне частот 141-153 МГц и имеющего выходную мощность 50 Вт, а также расчет выходного усилителя мощности с цепями согласования.



1. Разработка технических условий

По техническому заданию необходимо спроектировать передатчик радиостанции специального назначения с выходной мощностью 50 Вт и диапазоном рабочих частот 141-153 МГц.

Модуляция сигнала фазовая.

Первичный источник питания бортовая сеть с напряжением +24 В.

Условия эксплуатации передатчика полевые, следовательно, для работы в этих условиях необходимо обеспечить защиту от влажности, давления, механических воздействий и возможного перепада температур.



2. Разработка и расчет структурной схемы передатчика

2.1 Структурная схема передатчика с УМ

Колебательная мощность передатчика в оконечной нагрузке, не более

Оконечная нагрузка передатчика:

Фидер с волновым сопротивлением, Ом

КСВ в фидере, не более КСВ_max=2

Диапазон рабочих частот передатчика

Неравномерность отдачи мощности по диапазону рабочих частот, не более

Степень подавления высших гармоник в оконечной нагрузке, не менее

Отклонение частоты передатчика от номинального значения, не более

Вид модуляции ФМ

Диапазон модулирующих частот

Коэффициент нелинейных искажений передаваемого сообщения, не более



2.2 Разработка структурной схемы передатчика

Рабочая полоса частот передатчика

Коэффициент перекрытия

При коэффициенте перекрытия по частоте выходной усилитель мощности и относительно мощные каскады предварительного усилителя могут выполняться с цепями согласования (ЦС) на основе резонансных контуров. Для получения хороших эксплуатационных характеристик передатчика желательно отказаться от настройки ЦС в процессе эксплуатации и работать без перестройки в пределах полосы пропускания.

При работе ЦС без перестройки возникает неравномерность отдачи мощности по рабочему диапазону частот из-за изменения сопротивления нагрузки на активные элементы (АЭ) каскадов, вызванной неравномерностью амплитудно-частотной характеристики передатчика в целом. Основную неравномерность вносят ЦС ВУМ. Цепи согласования предварительных каскадов (ПК) усилителя тоже могут оказать существенное влияние на АЧХ передатчика. По этой причине требование ТУ на неравномерность отдачи мощности по диапазону распределяется между отдельными каскадами усиления с учетом соотношения



Расчет структурной схемы усилительного тракта передатчика выполним в следующей последовательности.

1. Определим номинальную мощность передатчика:

2. Делаем поправку на мощность передатчика, обусловленную допустимой величиной рассогласования в фидере:

3. По заданной степени ослабления высших гармоник определим требуемую фильтрующую способность ЦС ВУМ.

Коэффициент фильтрации можно рассчитать по формуле

4. При передаче мощности от активных элементов ВУМ через ЦС к оконечной нагрузке неизбежно появляются потери. Количественно они оцениваются с помощью коэффициента полезного действия (КПД) цепей согласования

В нашем случае КПД цепей согласования можно определить из графика зависимости КПД ЦС от коэффициента фильтрации :

Нижняя граница соответствует параллельным контурам с меньшей фильтрующей способностью (резонансные контуры типа ФВЧ), верхняя граница соответствует контурам с лучшей фильтрующей способностью (резонансные контуры типа ФНЧ).

5. Рассчитаем мощность, которую необходимо получить от ВУМ:

6. Следующий шаг - выбор типа активных элементов ВУМ.

Активные элементы ВУМ составляют обширный класс генераторных приборов. При рабочих частотах до чаще всего используются генераторные транзисторы или лампы. Мы будем использовать биполярный транзистор.

7. Выберем конкретный тип транзистора.

Рекомендуемое соотношение между мощностью транзистора , указанной в справочнике, и мощностью , которую от него следует получить,

Это делается с целью повышения надежности генераторного каскада.

Исходя из рассчитанных параметров, данному соотношению удовлетворяет транзистор КТ930А.

8. Выбираем класс работы активных элементов ВУМ и режим работы усилителя.

В передатчиках с УМ амплитуда ВЧ колебания постоянна, поэтому в ВУМ предпочтение отдается классу «В» и критическому режиму работы.

9. Рассчитываем ориентировочный коэффициент усиления ВУМ по мощности:

Здесь - коэффициент усиления по мощности на частоте

10. Рассчитываем мощность, которую должен генерировать первый предоконечный каскад (ПК1) блока предварительного усиления:

Здесь - КПД цепи согласования первого предоконечного каскада. При расчетах его значение целесообразно принять равным .

11. Выбираем класс и режим работы ПК1.

Т.к. мощность на порядок меньше мощности ВУМ, целесообразно выбрать класс работы «А».

Достоинствами этого класса работы являются наибольший коэффициент усиления по мощности в сравнении с другими классами и малый уровень высших гармоник в токе выходного электрода. В идеальном случае высшие гармоники в токе выходного электрода вообще отсутствуют.

Недостатком класса «А» является низкий электронный КПД каскада. Его предельная величина не превышает 45%. Это несколько снижает промышленный КПД передатчика, но снижение будет незначительным за счет малого энергопотребления ПК1 в сравнении с ВУМ. Кроме того, снижение промышленного КПД будет ослаблено за счет сокращения числа предшествующих каскадов усиления.

12. Выбираем конкретный тип транзистора для ПК1.

Рекомендуемое соотношение между типовой мощностью транзистора и мощностью, которую необходимо получить от ПК1, имеет вид

Данному условию удовлетворяет транзистор КТ907А.

13. Выбираем тип цепи согласования ПК1 по коллекторной цепи.

Т.к. коэффициент перекрытия будем использовать простейшую Т-цепочку:

14. Рассчитываем ориентировочный коэффициент усиления по мощности АЭ ПК1 и мощность, требуемую для возбуждения ПК1.

Требуемая для возбуждения ПК1 мощность определяется соотношением



15. Рассчитываем число каскадов ВЧ тракта передатчика, предшествующего ПК1.

В целях унификации возбудители передатчиков проектируются на уровень сигнала на выходе из расчета (0,5…1) В при сопротивлении нагрузки 50 Ом. Это соответствует мощности сигнала возбудителя Принимая во внимание сложность идеального согласования выхода возбудителя с последующим ВЧ трактом, целесообразно принять равной 2,5 мВт. Следовательно, коэффициент усиления по мощности всех каскадов ВЧ тракта должен быть не менее

16. Выбираем класс и режим работы каскадов ВЧ тракта предварительного усиления.

Поскольку мощность возбуждения ПК1 меньше мощности передатчика на более чем два порядка, то во всех дополнительных каскадах предварительного усиления целесообразно выбирать линейный класс работы, т.е. класс «А», а режим работы - недонапряженный. Электронный КПД таких усилителей невелик. У наиболее мощных он не превышает (20…25) %, а у маломощных - 10%. Однако из-за малого энергопотребления таких усилителей их влияние на снижение промышленного КПД передатчика незначительно.

17. Выбираем схему построения каскадов предварительного усиления.

Маломощные промежуточные каскады выполняются по схеме усилителей с резистивной нагрузкой



Для обеспечения на входе ПК1 мощности 52 мВт, выберем транзистор 2Т315Ж. Тогда:

Количество каскадов ВЧ тракта усиления находится из соотношения:

передатчик усилитель мощность транзистор



3. Расчет выходного усилителя мощности

Исходные данные:

1) Уровень колебательной мощности

2) Диапазон рабочих частот

3) Предельно допустимый уровень неравномерности отдаваемой мощности по рабочему диапазону частот

4) Конкретный тип активных элементов, на основе которых будет выполняться ВУМ - транзистор КТ930А кремниевый, многоэмиттерный

5) Количество АЭ в ВУМ - n=1

Необходимо выбрать принципиальную схему ВУМ.

При наших рабочих частотах оптимальной будет двухтактная схема ВУМ с трансформатором на длинных линиях:

3.1 Расчет параметров транзисторов

Параметры транзистора КТ930А:

1) Статический коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ

при

2) Постоянная времени цепи обратной связи

3) Полная емкость коллекторного перехода

4) Предельная частота транзистора

5) Номинальное напряжение источника коллекторного питания

6) Индуктивности вводов транзистора

Физическая схема замещения транзистора с ОЭ

Рассчитаем параметры элементов физической схемы замещения:

1. Рассчитываем крутизну проходной характеристики транзистора по переходу Б-Э:



2. Рассчитываем сопротивление рекомбинации:

3. Рассчитываем емкость открытого эмиттерного перехода, образованную барьерной и диффузионной емкостями:

4. Рассчитываем емкости и распределенное сопротивление базы :

Здесь - коэффициент, который для многоэмиттерных транзисторов принимают равным 2…3

5. Рассчитываем коэффициент передачи от внешних зажимов Б-Э к эмиттерному переходу на низкой частоте:

В этой формуле - сопротивление стабилизации, которое применяют в многоэмиттерных структурах. Его значение можно оценить по формуле:

Тогда

6. Рассчитываем крутизну проходной характеристики:

7. Рассчитываем крутизну входной характеристики:

8. Рассчитываем величину сопротивления:

Где - сопротивление тела коллектора. Величина

9. Рассчитываем проницаемость поля коллектора:

10. Рассчитываем предельные частоты транзистора:

11. Рассчитываем величину сопротивления насыщения:

Кроме этого, для дальнейших расчетов необходимы предельно допустимые значения токов, напряжений транзистора, максимальная мощность рассеяния, температуры переходов, тепловые сопротивления:

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер

Постоянное напряжение эмиттер-база

Постоянный ток коллектора

Средняя рассеиваемая мощность в динамическом режиме

Температура перехода Т=433 К

Тепловое сопротивление переход-корпус 1,8 К/Вт

3.2 Энергетический расчет ВУМ

Энергетический расчет генераторов проводится на мощность, которую должен отдавать в коллекторную нагрузку один АЭ ВУМ

Расчет коллекторной цепи транзисторного усилителя мощности



1. Для выбранного класса работы АЭ определяем значения коэффициентов Берга и коэффициент .

Класс работы транзистора - В, режим критический, следовательно

Для данного угла отсечки

2. Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе в критическом режиме

3. Максимальное напряжение на коллекторе

Результат превышает предельно допустимое напряжение . При реальной разработке передатчика при возникновении данной проблемы необходимо пересмотреть элементную базу и выбрать более подходящий транзистор, но для учебных целей оставим наши расчеты прежними.

4. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока



5. Постоянная составляющая коллекторного тока

6. Высота импульса коллекторного тока

7. Мощность, потребляемая от источника питания

8. КПД по коллекторной цепи (электронный КПД)

9. Мощность рассеяния на коллекторе транзистора

Где - модуль отражения, который имеет место при КСВ в фидере, равном двум.

10. Эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки, при котором обеспечивается критический режим работы усилителя

Расчет базовой цепи транзисторного усилителя мощности

При расчете базовой цепи предполагается, что между базой и эмиттером транзистора по ВЧ включен резистор . Резистор выравнивает постоянные времени базовой цепи при переходе транзистора из закрытого состояния в открытое и обратно. Это обеспечивает сохранность косинусоидальной формы импульса коллекторного тока и его угла отсечки , а также ограничивает пиковое значение напряжения на эмиттерном переходе. Особенно эффективно влияние в области низких и средних рабочих частот, т.е. .

11. Рассчитываем требуемую величину резистора :

12. Амплитуда тока базы

13. Максимальное обратное напряжение между базой и эмиттером



14. Постоянные составляющие токов базы и эмиттера

15. Напряжение смещения на базе

16. Рассчитываем элементы цепи замещения входного иммитанса транзистора.

Схема цепи замещения



17. Рассчитываем активную и реактивную составляющие входного сопротивления транзисторного усилителя:

18. Рассчитываем требуемую входную мощность и коэффициент усиления по мощности:

19. Полная мощность рассеяния на транзисторе



3.3 Выбор вспомогательных элементов ВУМ

К вспомогательным элементам ВУМ относятся дроссели, разделительные и блокировочные конденсаторы. Их роль в работе усилителя по высокой частоте должна быть по возможности очень малой.

Дроссель обеспечивает подачу на базу транзистора нулевого смещения и одновременно отделяет базу транзистора от корпуса по высокой частоте. Дроссель включен параллельно входному сопротивлению транзистора ВУМ. Его влияние на работу ВУМ по ВЧ будет ничтожным, если

Дроссель обеспечивает подачу на коллектор транзистора напряжения источника питания и одновременно отделяет коллектор транзистора от корпуса по высокой частоте. Дроссель включен параллельно сопротивлению коллекторной нагрузки транзистора ВУМ. Его влияние на работу ВУМ по ВЧ будет ничтожным, если

Конденсатор обеспечивает разделение по постоянному току базы транзистора от схемы предшествующего усилителя и одновременно соединяет базу транзистора с ПУ по высокой частоте. При выборе емкости можно использовать следующие соотношения:

Конденсатор обеспечивает разделение по постоянному току коллектора транзистора, на который поступает напряжение источника питания, от коллекторной цепи согласования и одновременно соединяет коллектор транзистора с ЦС по высокой частоте. При выборе емкости можно использовать следующие соотношения:



Конденсатор предотвращает растекание токов высокой частоты по подводящим цепям питания. Его емкость можно выбрать равной емкости .

3.4 Пересчет основных энергетических показателей ВУМ

1. Колебательная мощность, поступающая на вход ЦС ВУМ

2. Мощность, потребляемая ВУМ от источника питания

3. Мощность, требуемая для возбуждения ВУМ

4. Тепловая мощность, выделяемая на транзисторах ВУМ

5. Электронный КПД ВУМ:

6. Входное сопротивление цепи согласования ВУМ:



При двухтактном варианте ВУМ цепь согласования симметрична, причем для каждого плеча входное сопротивление должно быть равно

7. Входное сопротивление ВУМ:

При двухтактном варианте ВУМ входное сопротивление представляет собой симметричную цепь с параметрами

по каждому плечу.



4. Расчет цепи согласования ВУМ

Принципиальная схема одного плеча ВУМ

1. Рассчитываем требуемый коэффициент фильтрации . Расчет проводим для второй гармоники рабочей частоты, т.е. n=2

2. Выбираем нагруженные добротности промежуточного (первого) и антенного (второго) контуров .

Минимально допустимая величина произведения нагруженных добротностей контуров рассчитывается из условия обеспечения требований по фильтрации:

Максимально допустимая величина произведения нагруженных добротностей контуров рассчитывается из условия получения полосы пропускания больше рабочей полосы частот.



Если исходить из уплощенной АЧХ двух связанных контуров с фактором связи А=1, формула для расчета полосы пропускания по уровню 0,7 имеет вид

но при этом неравномерность отдаваемой мощности по рабочему диапазону частот составит величину не менее 3 дБ. Для уменьшения уровня неравномерности целесообразно обеспечить запас по полосе пропускания

- коэффициент запаса, который можно брать в пределах от 1,5 до 2,5 раз.

Следовательно, значение произведения нагруженных добротностей конутров необходимо выбирать из условия

Такой выбор величины обеспечит выполнение требований к ЦС как по коэффициенту фильтрации, так и по полосе пропускания.

Выберем 169

3. Нагруженные добротности промежуточного и антенного контуров в отдельности.



Нагруженные добротности каждого из контуров могут быть различными. Однако для лучшей равномерности АЧХ двух связанных контуров их добротности целесообразно выбрать равными

4. Добротность холостого хода промежуточного и антенного контуров.

Минимальную величину добротности холостого хода каждого контура можно вычислить из условия

5. Рассчитываем величины внесенных сопротивлений

6. Рассчитываем величины элементов промежуточного контура и требуемую величину связи между контурами:

7. Рассчитываем волновое сопротивление промежуточного контура:

8. Рассчитываем величины элементов антенного контура:

9. Для обеспечения чисто активного входного сопротивления ЦС рассчитываются требуемая величина расстройки антенного контура по отношению к промежуточному контуру и величина индуктивности антенного контура:

Рассчитанная расстройка необходима для компенсации реактивной составляющей входного сопротивления ЦС.

10. Волновое сопротивление антенного контура

11. Рассчитываем фактор связи:

Фактор связи близок к единице, поэтому ожидаемая форма АЧХ будет близка к уплощенной форме и требуемая полоса будет обеспечена.

12. Оцениваем ожидаемый КПД цепи согласования:



Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы мы ознакомились с методикой общего проектирования радиопередающих устройств, провели расчет структурной схемы передатчика спец. назначения и ВУМ с цепями согласования. Расчеты соответствуют ТЗ.



Список используемой литературы

1. «Передатчик связной радиостанции: учебное пособие. Часть 1» / П.А. Крестов, Е.В. Васильев. - Рязань: РГРТУ, 2012. - 80с.

2. «Проектирование радиопередающих устройств».Учебное пособие для высших учебных заведений./Под ред. В.В.Шахгильдяна. Москва “Радио и связь” 1993г.

3. «Полупроводниковые приборы: транзисторы». Справочник/ под общ. ред. Н.Н.Горюнова. Москва «Энергоатомиздат» 1985 г.

Размещено на Allbest.ru

...