Проектирование каналов радиосвязи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проектирование каналов радиосвязи



Введение

радиопередающий термостабилизация частотный колебательный

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

1) Значения рабочей частоты возбудителя и первого гетеродина:

f_B = 151.525 + 0.025•(n - 1) = 151.525 + 0.025•(7 - 1) = 151.675 МГц

f_Г1 = 173.275 + 0.025•(n - 1) = 173.275 + 0.025•(7 - 1) = 173.425 МГц

2) Выходная мощность передающего устройства на нагрузке 50 Ом (для группы А k =1):

P_ВЫХ = 14 - k = 14 - 1 = 13 Вт

Коэффициент усиления постоянного тока в оконечном и в предоконечных каскадах, выполненных на транзисторах КТ909А, КТ907А и КТ606: в₀ = h_21Э = 21 + n = 21 + 7 = 28

3) Высота стационарной антенны Н = 12 + n =12 + 7 = 19 (м). Высота локомотивной - 6 м.

4) Чувствительность приемного устройства по системе СИНАД при отношении «сигнал/шум», равном 12 дБ, и входном сопротивлении приемника 50 Ом: U_вх.min= 0.5 мкВ. Все каскады усиления и преобразования рекомендуется выполнить на транзисторах ГТ311Е, которые имеют коэффициент усиления по постоянному току: в₀ = 41 + n = 41 + 7 = 48

5) Параметры девиации частоты модулятора: Дf_ном = 3.5 кГц, Дf_max = 4 кГц

6) Избирательность приёмника:

по зеркальному каналу Se_З.К = 50 дБ,

по соседнему - Se_С.К = 60 дБ

7) Стабильность частоты возбудителя и гетеродинов - дf = 10^-5

8) Коэффициент нелинейных искажений сигналов в радиоканале - К_Г ? 0.08 (8%)

9) Материальная база разработки: транзисторы, микросхемы.

10) Номиналы напряжения питания: 25, 15, 12, 9, 5В.

2. Выбор и расчёт параметров функциональных схем приёмной и передающей частей канала

Проектирование радиопередающей части канала начинается с разработки функциональной схемы. В настоящее время на железнодорожном транспорте внедрена система аналоговой частотно-модулированной (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 так называемом симплексе (работает передатчик - выключен собственный приемник и наоборот).

Структурная схема такого канала приведена на рисунке 2.1. В её состав входят следующие устройства:

- блок коммутации К симплексного режима работы;

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



Рисунок 2.1 - Структурная схема канала радиосвязи

2.1 Функциональная схема радиопередающей части канала

Для разрабатываемой функциональной схемы передающей части канала, изображенной на рисунке 2.2, из структурной схемы выбираются устройства: 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 0,5 В, которое используется для возбуждения предварительного усилителя мощности ПОК.

Диапазон частоты возбудителя - от 151,725 до 156,000 МГц, шаг сетки частоты - 25 кГц. В состав возбудителя входят устройства: ГУН₁ на транзисторе ГТ311Е и варикапах КВ121А; буферный усилитель на двух транзисторах того же типа, включенных по каскодной схеме (ОЭ-ОБ); большая интегральная схема (БИС) синтезатора частоты типа КФ1015ПЛ4Б или КР1015ХК2. Опорный сигнал частотой 10 МГц для передающего и приемного синтезаторов вырабатывает высокостабильный генератор «Топаз-03», выпускаемый в виде малогабаритного конструктивного устройства, питаемого стабилизированным напряжением +9 В. В данном проекте он используется как функциональный блок без представления принципиальной схемы.

На вход синтезатора частоты поступает сигнал с ГУН₁ через развязывающее устройство в виде буферного усилителя. Входом является включенный 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. ЧФД формирует сигнал ошибки, пропорциональный разности фаз входных сигналов. Это напряжение ошибки по цепи фазовой автоподстройки ФАПЧ через фильтр низких частот ФНЧ подается на управляющий вход ГУН₁, что приводит к изменению его частоты до требуемого значения, определяемого коэффициентом ДПКД. Синтезатор имеет выход сигнала детектора захвата частоты петлей ФАПЧ.

На ГУН₁ одновременно осуществляются частотная модуляция и автоподстройка его частоты. Чтобы не происходило снижения девиации частоты за счет схемы ФАПЧ, постоянная времени ФНЧ на выходе синтезатора выбрана много больше, чем период низкой частоты (f_min = 300 Гц) спектра низкочастотного сигнала. При этом ФАПЧ работает на частотах Дf << 300 Гц и не реагирует на сравнительно быстрые изменения частоты при ее девиации.

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

- обеспечивает номинальную девиацию частоты Дf_НОМ;

- ограничивает максимальное значение девиации частоты Дf_max;

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

Для выполнения указанных функций схема модулятора содержит в себе следующие устройства:

- 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;

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

- формирователь сигнала исправности модулятора.

Расчет режима модулятора в данном проекте не выполняется, в принципиальную и функциональную схемы вставлены только его функциональный блок.

Параметры стандартного модулятора:

- чувствительность модуляционного входа модулятора при R_ВХ = 600 Ом не менее 300 мВ;

- отклонение амплитудно-частотной модуляционной характеристики передатчика (АЧМХ) от характеристики с предкоррекцией +6 дБ/октава лежит в пределах );

- уровень паразитной амплитудной модуляции составляет не более 3%.

Рисунок 2.2 - Функциональная схема передающей части канала

2.2 Расчёт параметров функциональной схемы передающей части канала

1. В таблице параметров транзистора КТ909А приведены следующие данные для типового режима его работы: Р_ТИП = 24 Вт; К_ТИП = 2,4; f_ТИП = 500 МГц, по которым может быть рассчитан коэффициент усиления мощности К_Р оконечного каскада на рабочей частоте:

2. Мощность возбуждения на входе оконечного каскада:

где з_кс = 0.5 - коэффициент полезного действия контура предоконечного каскада.

3. Предоконечный каскад может быть выполнен на менее мощном транзисторе КТ606 с параметрами типового режима: f_ТИП = 400 МГц, К_ТИП = 3; по ним может быть рассчитан коэффициент К_Р на рабочей частоте:

4. Мощность возбуждения на входе предоконечного каскада ПОК:



5. Оптимальная амплитуда модулирующего напряжения звуковой частоты

где н = 0.5 - коэффициент нелинейности характеристики варикапа; U_В0 - напряжение постоянного смещения варикапа (обычно U_В0 = 4 - 10 В). Для данного проекта можно порекомендовать варикап КВ121А с параметрами U_В0 = 4 В при С₀ = 17 пФ.

2.3 Функциональная схема радиоприемной части канала

Проектирование радиоприемной части канала начинается с разработки функциональной схемы, изображённой на рисунке 2.3. Эта схема составляется на основе структурной схемы, изображенной на рисунке 2.1. Для функциональной схемы приемника 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 - от 173,125 до 177,400 МГц (N = 172 канала) обеспечивается собственным синтезатором приемной части канала (аналогичен синтезатору возбудителя).

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

В БИС синтезатора частоты приемника входят те же элементы, что и в функциональную схему, выполнен он на микросхеме D2 типа КФ1015ПЛ4Б либо КР1015ХК2. В качестве опорной частоты f₀ = 10 МГц используется частота 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.

Рисунок 2.3 - Функциональная схема приемной части канала

Преобразованный сигнал со смесителя СМ₁ через фильтр сосредоточенной избирательности ФСИ₁ поступает на усилитель первой промежуточной частоты f_ПР1 = 21,4 МГц, выполненный по стандартной схеме. С ее нагрузки (двухконтурного фильтра) сигнал поступает на вход микросхемы D₃ типа МС3371Р. Микросхема D₃ осуществляет второе преобразование частоты сигнала во вторую промежуточную частоту f_ПР2 = 455 кГц, ее 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 = f_ПР1 + 455 кГц. Сигнал второй промежуточной частоты выделяется кварцевым фильтром сосредоточенной избирательности ФСИ₂ (Se_С.К ? 60 дБ), усиливается и детектируется. Усиленный микросхемой D₃ сигнал поступает на активный фильтр низких частот ФНЧ и на конечный усилитель в блоке автоматики и управления, выполняющий функцию частотного корректора, обеспечивающего завал частотной характеристики сигнала минус 6 дБ/октава. Далее сигнал звуковой частоты используется в блоке автоматики.

2.4 Расчёт параметров функциональной схемы приёмной части канала

1. Полоса частот генерации ЧМ канала:

где: М_f = Дf_max / F_max - индекс частотной модуляции; Дf_max = 4 кГц - максимальная девиация частоты ЧМ сигнала; F_max = 3.4 кГц - максимальная частота телефонного спектра.

2. Полоса частотной нестабильности канала:



где ?f_С = (f_C•дf_В) - абсолютная нестабильность частоты возбудителя;

?f_Г1 = (f_Г•дf_Г) - абсолютная нестабильность частоты гетеродина;

Дf_ПЧ1 = (f_ПЧ1•дf_ПЧ) - абсолютная нестабильность тракта промежуточной частоты;

?f_С = 151.675•10⁶•10^-5 = 1516.75 Гц;

?f_Г1 = 173.425•10⁶•10^-5 = 1734.25 Гц; Дf_ПЧ1 = 21.4

10⁶•10^-5 = 214Гц;

?f_Г2 = 214 + 4.55= 218.55 Гц;

3. Ширина полосы пропускания приёмного тракта:

4. Первая промежуточная частота определяется заданной избирательностью по зеркальной помехе Se`_ЗП, числом колебательных контуров в тракте n_ВЧ = 3 и их эквивалентным затуханием d_Э = 0,06:

Возьмём в качестве первой промежуточной частоты стандартную, принятую в новых железнодорожных радиостанциях f_ПР1 = 21,4 МГц

5. Проверка показывает, что полученная промежуточная частота не сможет обеспечить требуемую избирательность по соседнему каналу (Se_С.К = 60 дБ), следовательно, неизбежно двойное преобразование частоты. Вторая промежуточная частота может быть вычислена по формуле:



где Дf_С.К = 25 кГц, d_ПЧ ? 0.02 (при использовании ФСИ), n_пч = 9.

В качестве второй промежуточной частоты выбираем стандартную для железнодорожных радиостанций f_ПР2 = 455 кГц.

6. Произведём предварительное распределение усиления по каскадам приемника. Так, например, двухкаскадный УРЧ может иметь устойчивый коэффициент усиления не менее К_УРЧ = 10, тогда при чувствительности приёмника U_вх.min= 0.5 мкВ на входе преобразователя появится сигнал с напряжением:

7. Примем общий коэффициент усиления в тракте УПЧ₁. К_УПЧ1 = 30, тогда на вход второго преобразователя будет подаваться напряжение:

8. Оценим общий коэффициент усиления приёмного тракта если на предельной чувствительности микросхема МС3361Р может выдавать выходное напряжение низкой частоты не менее 0,1 В:

9. Коэффициент усиления, приходящийся на микросхему МС3371Р должен быть не менее:



3. Расчёт усилителя мощности радиочастоты

Основу технического расчета транзисторного генератора с посторонним возбуждением составляет энергетический расчет режима транзистора. Расчет энергетики коллекторной и базовой цепей усилителя мощности высокой частоты производится по упрощенной методике. Исходными данными для энергетического расчета являются основные технические параметры, приведенные в задании, а также полученные в результате предварительного расчета функциональной схемы. По этим данным производится выбор транзистора, вследствие чего становятся известными следующие его параметры: f_P, f_ГР, Е_k0, Р_ВЫХ.max, I_k.доп, U_К-Э.доп, U_Б-Э.доп, h_21Э, U`<sub>Б-Э</sub>, S<sub>ГР</sub>, t<sub>П</sub>, С<sub>К.А</sub>, С<sub>К</sub>, С<sub>Э</sub>, r`_б, r`_э, R_П.К, Т_П.доп.

Формулы, используемые в расчете, соответствуют упрощенной эквивалентной схеме замещения мощного транзистора, приведенной на рисунке 3.1. В этой схеме применены следующие обозначения: r`_б - сопротивление материала тела базы транзистора между выводом и р-n-переходом; r - сопротивление рекомбинации; С_Э и С_Д - соответственно барьерная и диффузионная емкость эмиттерного перехода; С_К.А и С_К - активная и общая емкость коллекторного перехода.

Рисунок 3.1 - Упрощенная эквивалентная схема замещения мощного транзистора

Типовая электрическая схема выходного каскада представлена на рисунке 3.2.



Рисунок 3.2 - Типовая электрическая схема выходного каскада

3.1 Расчёт оконечного каскада

В ходе расчёта угол отсечки коллекторного тока транзистора КТ909А выбирается для критического режима класса В: и = 90⁰ (б_k1 = 0.5, б_k0 = 0.318).

1. Коэффициент использования коллекторного напряжения транзистора в граничном режиме рассчитывается по формуле:

где Е_k0 = 28 В, S_ГР = 0.46 См.

При этом напряжение эквивалентного генератора по формуле:

2. Амплитуда тока первой гармоники коллектора находится по формуле:



3. Формула для проверки допустимого напряжения коллекторного перехода:

4. Расчёт нагрузки эквивалентного генератора производится по формуле:

5. Амплитуда импульса коллекторного тока находится по формуле:

6. Постоянный ток коллектора рассчитывается по формуле:

7. Мощность, потребляемая от источника питания, находится по формуле:

8. Мощность, рассеиваемая на коллекторе, рассчитывается по формуле:



9. КПД генератора находится по формуле:

10. Угол дрейфа носителей тока через базу рассчитывается по формуле:

11. Нижний угол отсечки импульсов эмиттерного тока находится по формуле:

По таблице коэффициентов Берга находятся следующие коэффициенты:

б_Э1 = 0.480, б_Э0 = 0.296, cos и = 0.122

12. Постоянный ток эмиттера рассчитывается по формуле:

13. Амплитуда эмиттерного тока находится по формуле:



14. Ток первой гармоники эмиттера рассчитывается по формуле:

15. Крутизна тока коллектора на рабочей частоте находится по формуле:

16. Амплитуда переменного напряжения возбуждения базы находится по формуле:

17. Модуль коэффициента передачи напряжения возбуждения с входных электродов (б-э) на р-n-переход (б-э) определяется в соответствии с рисунком 3.3.

Рисунок 3.3 - Схема внутреннего делителя напряжения б-э транзистора

18. Приближенное значение входного сопротивления транзистора на рабочей частоте рассчитывается по формуле:

19. Мощность сигнала на входе оконечного каскада (ОК) находится по формуле:

20. Коэффициент усиления мощности в оконечном каскаде находится по формуле:

21. Тепловое сопротивление радиатора охлаждения транзистора рассчитывается с помощью формулы:

где

t_СР ? +(3040) - температура окружающей транзистор среды;

R_П-К - тепловое сопротивление (переход-корпус) транзистора;

R_К.Т ? (0,51) - тепловое сопротивление между теплоотводом и корпусом транзистора, С / Вт.



3.2 Расчёт предоконечного каскада

Энергетический расчёт предоконечных каскадов производится по методике, аналогичной изложенной выше. Но в качестве выходной мощности предоконечного каскада выбирается входная мощность оконечного каскада, увеличенная в К_ЗАП раз, где К_ЗАП - коэффициент запаса, обычно К_ЗАП = 1,5, то есть в качестве выходной мощности предоконечного каскада выбирается входная мощность оконечного с коэффициентом запаса К_ЗАП. В большинстве случаев надобности во втором предоконечном каскаде не возникает, так как мощность в десятки милливатт обеспечивает буферный усилитель. Используемый транзистор - КТ606.

Входная мощность каскада определяется по формуле:

1. Коэффициент использования коллекторного напряжения транзистора в граничном режиме рассчитывается по формуле:

где Е_k0 = 28 В, S_ГР = 0.03 См.

При этом напряжение эквивалентного генератора по формуле:

2. Амплитуда тока первой гармоники коллектора находится по формуле:



3. Формула для проверки допустимого напряжения коллекторного перехода:

4. Расчёт нагрузки эквивалентного генератора производится по формуле:

5. Амплитуда импульса коллекторного тока находится по формуле:

6. Постоянный ток коллектора рассчитывается по формуле:

7. Мощность, потребляемая от источника питания, находится по формуле:

8. Мощность, рассеиваемая на коллекторе, рассчитывается по формуле:

9. КПД генератора находится по формуле:

10. Угол дрейфа носителей тока через базу рассчитывается по формуле:

11. Нижний угол отсечки импульсов эмиттерного тока находится по формуле:

По таблице коэффициентов Берга находятся следующие коэффициенты:

б_Э1 = 0.472, б_Э0 = 0.286, cos и = 0.174

12. Постоянный ток эмиттера рассчитывается по формуле:

13. Амплитуда эмиттерного тока находится по формуле:



14. Ток первой гармоники эмиттера рассчитывается по формуле:

15. Крутизна тока коллектора на рабочей частоте находится по формуле:

16. Амплитуда переменного напряжения возбуждения базы находится по формуле:

17. Модуль коэффициента передачи напряжения возбуждения с входных электродов (б-э) на р-n-переход (б-э) определяется в соответствии с рисунком 3.3.

18. Приближенное значение входного сопротивления транзистора на рабочей частоте рассчитывается по формуле:



19. Мощность сигнала на входе предоконечного каскада (ПОК) находится по формуле:

20. Коэффициент усиления мощности в предоконечном каскаде находится по формуле:

21. Тепловое сопротивление радиатора охлаждения транзистора рассчитывается с помощью формулы:

где t_СР ? +(3040) - температура окружающей транзистор среды;

R_П-К - тепловое сопротивление (переход-корпус) транзистора;

R_К.Т ? (0,51) - тепловое сопротивление между теплоотводом и корпусом транзистора, С / Вт.

При постройке конструкции по тепловому сопротивлению радиатора охлаждения R_Т при помощи справочной литературы определяется его объем и форма конструкции. Однако в данном случае при малой рассеиваемой мощности и очень большом тепловом сопротивлении радиатором можно пренебречь.

Полученное в расчётах значение мощности относительно невелико, что позволяет отказаться от использования второго предоконечного каскада.

4. Расчёт буферного усилителя радиочастоты

Промежуточный каскад усиления, включённый между автогенератором и каскадом усиления мощности, называется буферным, т.е. разделительным. Он выполняет две функции: 1) ослабляет влияние мощных усилительных каскадов на режим автогенератора; 2) обеспечивает по возможности малую нагрузку для автогенератора с целью повышения стабильности его частоты. Первая функция требует минимальной проходной ёмкости с коллектора на базу буферного усилителя, вторая - высокого входного сопротивления усилителя. Обе задачи достаточно хорошо решаются в усилителе, собранном по так называемому каскодному принципу включения, когда первый каскад усиления включён по схеме с общим эмиттером ОЭ, а второй - по схеме с общей базой ОБ. У такого усилителя получаются достаточно высокое (выше, чем у усилителя мощности) входное сопротивление и минимальная проходная ёмкость С₁₂ ? 0,1 пФ. Кроме того, каскодный усилитель обеспечивает высокий устойчивый коэффициент усиления сигнала по напряжению.

Расчёт режима буферного усиления делится на три части: расчёт термостабилизации усиления, уточнение Y - параметров для каскодного включения транзисторов и расчёт всех параметров усиления. Схема буферного усилителя представлена на рисунке 4.1. В качестве активных элементов VT₁ и VT₂ взяты транзисторы типа ГТ311Е. Параметры этого транзистора: I_{К ОБР} = 2 мкА, t_П = 70⁰, I_К0 = 5 мА, E_ПИТ = 12 В, U_К0 = 5 В.



Рисунок 4.1 - Схема буферного усилителя

4.1 Расчёт режима термостабилизации

Расчет режима постоянного тока и температурной стабилизации проводится в интервале ±60С. Температурное смещение обратного тока коллектора транзистора рассчитывается с помощью формулы:

1. Температурное смещение обратного тока коллектора транзистора:

где T - температура в абсолютной системе градусов Кельвина (T₀ = 293 ⁰К).

2. Температурное смещение напряжения базы находится по формуле:



где г = (1,62,1) - коэффициент температурного смещения, мВ/К.

3. Температурное смещение прямого тока коллектора рассчитывается по формуле:

4. Сопротивление резистора в эмиттерной цепи находится по формуле:

Пусть R_Э = 120 ± 0.5% Ом.

5. Общее сопротивление смещения рассчитывается по формуле:

6. Сопротивление базового смещения транзистора VT₁ находится по формуле:

Сопротивление R₃ = 1.8 ± 0.5% кОм

7. Сопротивление базового смещения транзистора VT₂ рассчитывается по формуле:

Сопротивление R₂ = 15 ± 0.5% кОм

8. Гасящее сопротивление находится из формулы:

Сопротивление R₁ = 18 ± 0.5% кОм

9. Сопротивление фильтра рассчитывается по формуле:

Сопротивление R_Ф = 270 ± 0.5% Ом

10. Ёмкость блокировочных конденсаторов рассчитывается по формуле:

4.2 Y-параметры для каскодного включения транзисторов

Расчёт - параметров для каскодного включения транзисторов производится по следующим формулам:

4.3 Расчёт режима усиления буферного усилителя

Расчёт начинается с выбора согласующего устройства в качестве высокочастотной нагрузки каскада в виде последовательного колебательного контура, представленного на рисунке 4.2. Значения сопротивлений R₁ и R₂ равны соответственно выходному сопротивлению буферного усилителя и входному сопротивлению предоконечного каскада.

Рисунок 4.2 - Схема межкаскадного согласующего устройства

1. Устойчивый коэффициент усиления усилителя находится по формуле:

2. Эквивалентная проводимость нагрузки буферного усилителя рассчитывается по формуле:



3. Реальный коэффициент усиления находится по нижеследующей формуле, при этом для устойчивой работы буферного усилителя он не может превосходить коэффициент устойчивого усиления.

4. Сопротивление R₁ находится по формуле:

5. Эквивалентная добротность вычисляется по формуле:

где R₂ = 4.853 Ом - входное сопротивление транзистора ПОК.

6. Индуктивность контура находится по формуле:



7. Ёмкости:

Ёмкость C₁ = 8 ± 5% пФ.

Ёмкость C₂ = 25 ± 5% пФ.

8. Входное сопротивление буферного усилителя находится по формуле:

9. Предполагая, что с автогенератора на вход буферного усилителя поступает переменное напряжение с амплитудой не менее 0.5 В, то выходное напряжение можно вычислить с помощью формулы:



10. Выходная мощность буферного усилителя рассчитывается по формуле:

При корректном расчёте значение выходной мощности должно значительно превосходить входную мощность предоконечного каскада (ПОК), создавая запас:

то есть делаем вывод о том, что расчеты корректны.



5. Расчёт 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 определенном уровне. Колебательная система задает частоту колебаний, близкую к одной из ее собственных частот.

Автогенераторы применяются в качестве задающих генераторов, входящих в состав возбудителей передающих устройств, а также гетеродинов приемников. Выходная мощность АГ играет роль только в однокаскадных передатчиках. В многокаскадных передатчиках основные требования предъявляются к стабильности частоты АГ, которую невозможно улучшить в последующих каскадах. Расчет режима АГ делится на четыре части: расчет режима постоянного тока, энергетический расчет, расчет колебательной системы и расчет режима частотной модуляции полезным сигналом.

Схема автогенератора, работающего в режиме частотной модуляции полезным сигналом и сигналом автоподстройки частоты от синтезатора, представлена на рисунке 5.1. В основе АГ заложена схема трёхточки Клаппа с колебательным контуром третьего вида. Автогенератор в данном проекте выполняется на транзисторе ГТ311Е. Рабочая частота АГ определена вариантом задания и составляет 173.5 МГц. В качестве шины питания в схеме предлагается использовать шину с напряжением E_k02 = +12 B для питания всех делителей напряжения, а для коллектора активного элемента напряжение E_k01 от этой шины подается через ограничивающее сопротивление R_ОГР.

Рисунок 5.1 - Схема автогенератора

5.1 Расчёт режима по постоянному току

1. Температурное изменение обратного тока коллектора рассчитывается по формуле:

2. Тепловое смещение напряжения базы находится по формуле:

где г = (1,62,1) - коэффициент температурного смещения, мВ/К.

3. Температурное изменение прямого тока коллектора находится по формуле:



4. Сопротивление резистора в эмиттерной цепи рассчитывается по формуле:

Сопротивление R_Э = 120 ± 0.5% Ом.

где r₁₁ = 1/g_11э - активная часть входного сопротивления транзистора.

5. Напряжение коллекторного питания находится по формуле:

6. Сопротивления делителя напряжения рассчитываются по формулам:

Сопротивление R₁ = 30 ± 0.5% кОм.

Сопротивление R₂ = 1.6 ± 0.5% кОм.

7. Блокировочная ёмкость находится по формуле:



Ёмкость С_Э = 1 ± 0.5% нФ.

8. Ограничивающее сопротивление в цепи питания коллектора:

Сопротивление R_ОГР = 1.3 ± 0.5% кОм.

5.2 Энергетический расчёт автогенератора

1 Для расчета автогенератора угол отсечки выбирается равным и = 70⁰. По таблице коэффициентов Берга находятся следующие коэффициенты:

б₁ = 0.436, б₀ = 0.253, cos и = 0.342, г₁ = 0.288,

2 Амплитуда импульса коллекторного тока, соответствующего току I_k0 = 5 мА и напряжению U_k0 = 5 В находится по формуле:

3 Определяются коэффициенты положительной обратной связи, соответствующие работе АЭ в предельных режимах: K_i - по току I_{k max}; K_u - по напряжению U_{б-э max}; K_P - по мощности транзистора P_{k max} по нижеследующим формулам:

4 Рабочее значение коэффициента обратной связи выбирается из соображений того, что оно должно быть меньше наименьшего значения рассчитанных величин:

5 Расчёт энергетических параметров для статической крутизны S = 0.1 См транзистора ГТ311Е при U_k0 = 5 В:

Нормирующее напряжение базы рассчитывается по формуле:

Напряжение возбуждения находится по формуле:

Переменное напряжение «коллектор - эмиттер» рассчитывается по формуле:



Ток первой гармоники коллектора находится исходя из формулы:

Напряжение базового смещения рассчитывается по формуле:

Пиковое обратное напряжение базы находится по формуле:

Мощность, отдаваемая в нагрузку, рассчитывается по формуле:

Мощность, потребляемая от источника питания, находится по формуле:

КПД автогенератора рассчитывается по формуле:

Мощность, рассеиваемая коллектором, находится по формуле:



Эквивалентное сопротивление генератора рассчитывается по формуле:

5.3 Расчёт колебательного контура

Перед началом расчёта колебательного контура, представленного на рисунке 5.2, необходимо задать его основные параметры.

Рисунок 5.2 - Схема колебательного контура (трёхточка Клаппа)

Для лучшей стабильности частоты целесообразно выбирать контур с высокой добротностью (Q = 80100) и большим характеристическим сопротивлением с. Кроме того, рекомендуется выбрать реактивное сопротивление емкости C₂, X_C2 в пределах (510) Ом. Обычно на частотах до 150 МГц удается реализовать указанную добротность и с = 200400 Ом. В данном проекте устанавливается следующие значения: Q_XX = 80; с = 350 Ом, X_C2 = -8 Ом.

1. Емкость C₂ находится исходя из формулы:



Ёмкость С₂ = 130 ± 0.5% пФ.

2. Реактивное сопротивление емкости C₁ рассчитывается по формуле:

3. Емкость C₁ находится исходя из формулы:

Ёмкость С₁ = 9 ± 0.5% пФ.

4. Коэффициент включения нагрузки со стороны емкости C₁ находится по формуле:

5. Сопротивление реактивности рассчитывается по формуле:

6. Индуктивность L₃ определяется из характеристического сопротивления колебательного контура:



7. Реактивное сопротивление емкости C₃ находится по формуле:

8. Емкость C₃ рассчитывается по формуле:

Ёмкость С₃ = 5 ± 0.5% пФ.

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

Собственная проводимость контура находится по формуле:

Межэлектродная проводимость может быть рассчитана по формуле:

Но её значение обычно не выходит за пределы G_к-э-б = (110) мкСм, поэтому можно принять G_к-э-б = 5 мкСм.

Оптимальная проводимость нагрузки автогенератора находится по формуле:

10. Мощность автогенератора, подводимая к оптимальной нагрузке, рассчитывается исходя из формулы:

11. Оптимальное сопротивление нагрузки находится по формуле:

5.4 Расчёт режима частотной модуляции

В данном проекте реализован прямой метод получения частотной модуляции сигнала автогенератора путём включения в его колебательный контур нелинейной емкости VD₁ (VD₂) варикапа (КВ123), как показано на рисунке 5.1.

Рисунок 5.3 - Часть схемы контура с варикапом

На катод варикапа подведено напряжение обратного смещения с делителя R₁, R₂ (R₃, R₄), равное U_B0 = +4 B, а через разделительный конденсатор С_Р1 и дроссель L₁ (C_P2, L₂) подаётся напряжение звуковой частоты с подмодулятора передатчика. Второй варикап VD₂ смещается сигналом автоподстройки частоты с синтезатора. На рисунке 5.3 приведена эквивалентная схема контура автогенератора совместно с ёмкостью варикапа. Выбранный тип варикапа КВ123 при напряжении смещения U_В0 обеспечивает величину постоянной ёмкости С_В0 ? 17 пФ и величину нелинейных искажений К_г = 0,05 (5%) при коэффициенте нелинейности вольт-фарадной характеристики (ВФХ) н = 0,5.

1. Амплитуда модулирующего напряжения рассчитывается по формуле:

2. Диапазон изменения ёмкости варикапа рассчитывается по формуле:

3. Высокочастотная составляющая напряжения на варикапе находится по формуле:

4. Коэффициент включения варикапа может быть рассчитан по формуле:



5. Коэффициент вклада варикапа в суммарную ёмкость находится по формуле:

где - суммарная ёмкость колебательного контура:

6. Максимальная девиация частоты модулятора рассчитывается по формуле:

7. Емкость связи варикапа с контуром находится по формуле:

Ёмкость С_СВ = 18 ± 0.5% пФ.

8. Откорректированная ёмкость контура за счёт режима частотной модуляции рассчитывается исходя из формулы:



6. Принципиальная схема передающей части канала

Общий вид принципиальной схемы передающей части приведен на рисунке 6.1. Частотный модулятор и синтезатор частоты подробно не рассмотрены и вставлены в схему в виде законченных функциональных блоков.



Заключение

В соответствии с целью данного проекта был проведен расчет основных параметров радиоканала и расчете радиопередающей части радиоканала. Пояснительная записка содержит проект радиоканала в соответствии с выданным вариантом. По данному проекту был произведен выбор структурной схемы, выбрана и обоснована функциональная схема канала радиосвязи. Были проведены предварительные расчеты основных параметров передающей части канала и основных параметров приемной части канала. Также рассчитаны режимы узлов и проведена разработка принципиальных схем передающей части канала радиосвязи.

В заключение по результатам проектирования была составлена принципиальная схема радиопередающего устройства, рассчитанного в проекте.

В ходе выполнения расчетно-пояснительной записки были рассчитаны элементы предоконечного и оконечного каскадов, буферного усилителя и автогенератора. Также был рассчитан режим частотной модуляции в ГУН. Разработана общая принципиальная схема передатчика.

При выполнении расчетно-пояснительной записки были использованы текстовый редактор Microsoft Word 2010, графический редактор Visio 2010, математический пакет Mathcad v. 15.



Список использованной литературы

1. Проектирование каналов радиосвязи. Часть 1: Методические указания к курсовому проектированию / В.М. Рогилев, Г.А. Кузьменко, С.С. Лутченко; Омский государственный университет путей сообщения. Омск, 2005. 25 с.

2. Проектирование каналов радиосвязи. Часть 2: Методические указания к курсовому проектированию / В.М. Рогилев, Г.А. Кузьменко, С.С. Лутченко; Омский государственный университет путей сообщения. Омск, 2005. 54с

3. Каналообразующие устройства железнодорожной телемеханики и связи / Г.В. Горелов, А.А. Волков, В.И. Шелухин. Москва, 1994. 240 с.

4. Телекоммуникационные технологии на железнодорожном транспорте / Г.В. Горелов, В.А. Кудряшов, В.В. Шмытинский и др.; под ред. Г.В. Горелова. Москва, 1999. 577 с.

Размещено на Allbest.ru

...