Размещено на http://www.allbest.ru/

Техническое задание

Задание: спроектировать широкополосный радиовещательный ЧМ-передатчик.

Средняя частота

Мощность в нагрузке

Фидер симметричный, волновое сопротивление фидера

К.П.Д. фидера

Диапазон частот модулирующего сигнала

Максимальная девиация частоты

Стабильность частоты задающего генератора

Отметим, что желательно обеспечить работу передатчика в диапазоне



Введение

Угловая модуляция (УМ) может быть частотная (ЧМ) или фазовая (ФМ); она применяется в системах низовой радиосвязи различных диапазонов частот, в радиовещании на УКВ, в звуковом сопровождении телевизионного вещания, в наемной радиорелейной связи прямой видимости, тропосферной и космической связи.

Известно, что УЧ и ФМ обеспечивают лучшую помехоустойчивость и более высокие энергетические характеристики, чем АМ (амплитудная модуляция), однако для этого им требуются большие необходимые полосы частот (НПЧ).

При УМ амплитуда ВЧ колебания остается неизменной, а изменяются во времени его частота или фаза, т.е. аргумент :

где - центральная или средняя частота УМ,

Ф(t) - фаза, зависящая от амплитуды модулирующего сигнала.

Модулирующий сигнала в общем случае имеет сложную форму, и анализ процессов, происходящих в передатчике, затруднен. Многие задачи решаются просто, если считать, что модуляция производится одним тоном. Принимая это упрощение, ЧМ и ФМ сигналы будем представлять выражением:

где - частота модулирующего колебания

- индекс модуляции

Модуляция называется частотной, если девиация (отклонение) частоты от среднего значения пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала и не зависит от частоты , т.е. если индекс модуляции пропорционален и обратно пропорционален .

Методы получения модуляции

Существуют прямые и косвенные методы получения ЧМ колебаний. При прямых методах модулирующее колебание непосредственно воздействует на необходимый для данной модуляции параметр - частоту ВЧ колебания. В этом случае частотный модулятор представляет собой автогенератор, в контур которого включен реактивный элемент, управляемый модулирующим сигналом. Косвенные методы предполагают получение нужного вида модуляции путем осуществления другой модуляции и соответствующего преобразования сигнала. Так как частота с фаза гармонического колебания взаимосвязаны:, то ЧМ колебание можно получить, осуществляя модуляцию по фазе, но при этом необходимо устранить зависимость девиации частоты от частоты модуляции , присущую ФМ. Это нетрудно выполнить , пропустив модулирующий сигнал через цепь с коэффициентом передачи, пропорциональным . Девиация фазы на выходе такого устройства

,

а девиация частоты при этом будет зависеть только от амплитуды , что характерно для ЧМ.

Диапазон рабочих частот

.



Для того, чтобы не влиять на соседние радиостанции, будем считать, что



Основная часть

1. Разработка структурной схемы передатчика

Для описания радиопередатчика удобно использовать следующую схему:

Опишем схему. Из задающего генератора сигнал поступает в формирователь, куда так же подается информационный сигнал. На выходе формирователя получаем ЧМ-сигнал малой мощности с частотой, заданной по техническому заданию. Далее этот сигнал усиливаем в предварительном усилителе, поскольку оконечный каскад не почувствует такую небольшую мощность. Передатчик работает на антенну, перед антенной сигнал усиливается в оконечном каскаде до требуемого по ТЗ значения.

2. Расчет оконечного каскада

Основой оконечного каскада является активный элемент. Перед тем как его выбрать, необходимо понять, какова будет схема каскада и какими характеристиками должен обладать активный элемент.

Кстати сказать, в качестве активного элемента будет выбран транзистор, поскольку в нагрузочном элементе рассевается менее 100 Вт.

В ТЗ оговорено, что на выходе ОК расположен симметричный фидер, следовательно, необходимо использовать двухтактную схему построения ОК. Сделаем схему, которая будет работать во всех диапазонах. Поскольку необходимо обеспечить широкополосность передатчика, то будем использовать в ОК типовую схему двухтактного транзисторного усилителя на трансформаторах типа длинных линий. В нашем случае она будет выглядеть следующим образом:

Рисунок 1. Схема оконечного каскада

В этой схеме транзисторы и необходимы для повышения входного сопротивления каждого транзистора. Конденсаторы и необходимы для шунтирования резисторов на высокой частоте. В такой схеме четные гармоники компенсируются длинной линии с волноводным сопротивление . Нечетные же гармоники (все, кроме первой) на выход тоже не проходят, поскольку в режиме «В» граничном с углом отсечки эти гармоники равны нулю. Это подтверждается графиками Берга.

По техническому заданию в нагрузке должно рассеется 50 Ом. Необходимо сделать запас по мощности, т.к. у антенны существует реактивное сопротивление, которое приводит к понижению мощности. Тогда ОК будем рассчитывать с учетом рассеиваемой мощности в 60 Вт.

Поскольку в схеме используется 2 транзистора, то на каждом из них будет рассеваться 30 Вт.

Далее необходимо выбрать транзистор. Как уже было сказано, . Еще одним параметром, определяющим выбор транзистора является частота. Согласно техническому заданию транзистор должен быть высокочастотный.

Выбранным транзистором будет КТ958А. Этот транзистор обладает следующими характеристиками:

Поскольку

,

а , то форма тока на высоких частотах будет расплываться и угол отсечки будет не , а несколько больше. Для того чтобы избежать этого вредного явления можно сделать путем того, что замкнуть на землю две катушки индуктивности во входной цепи. Тогда в области низких частот угол осечки будет меньше, зато в области высоких частот за счет явления «расплывания» формы тока получим угол отсечки .



Изобразим режим работы активного элемента:

Рисунок 2. Режим работы оконечного каскада

Теперь можно произвести расчет.

Если , то положим , а , отсюда:

При угле отсечки получим, что:

Тогда

=>



Расчет выходной цепи:

Расчет сопротивления, которое чувствует транзистор, :

Поскольку, , следовательно, необходимо согласовать с сопротивлением фидера.

Расчет входной цепи:

Входное сопротивление транзистора:

· Расчет КПД:

1) Постоянная составляющая коллекторного тока

2) Потребляемая мощность

3) КПД

3. Расчет предварительного усилителя

Поскольку схема оконечного каскада является широкополосной, то и схема предварительно усилителя тоже должна быть широкополосной. Причем, для работы предварительного усилителя будет реализована в режиме А.

Оговорим условия работы. Сигнал на предварительный усилитель поступает с модулятора, т.е. это небольшой сигнал с амплитудой, например, 1 В. Тогда на вход усилителя должен поступать сигнал с мощностью

А на выходе усилителя должны получить

Рисунок 3. Режим работы предварительно усилителя

Рисунок 4. Схема работы ПУ

Используем транзистор КТ920А, имеющий параметры:

4. Расчет коллекторной цепи

а) Амплитуда переменного напряжения:

б) Максимальное напряжение на коллекторе не должно превышать допустимое:



в) Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

г) Постоянная составляющая тока:

д) Максимальный коллекторный ток:

е) Максимальная мощность, потребляемая от источника коллекторного питания:

ж) КПД:

з) Максимальная рассеиваемая мощность:



и) Номинальное сопротивление коллекторной нагрузки:

Отметим, что такое сопротивление не равно сопротивлению фидера, следовательно, схема нуждается в трансформаторе с коэффициентом трансформации .

5. Расчет выходной цепи

Для того, чтобы рассчитать номиналы элементов схемы необходимо воспользоваться вольтамперными характеристиками транзистора КТ958А. Поскольку характеристики отсутствуют, то попробуем на основе данных справочника примерно их построить. Будем использовать кусочно-линейную аппроксимацию. Полученный график выходных характеристик транзистора с отмеченной на них рабочей точной приведен в Приложении 1.

Итак, полученные параметры рабочей точки:

По полученной характеристике можем определить ток .

Произведем расчет:

но поскольку в коллекторной цепи стоит индуктивность, а для расчета по постоянному току индуктивность всего лишь провод, то будем использовать следующее уравнение:



По закону Кирхгофа:

Отсюда:

6. Расчёт входной цепи

Можно показать, что:

Отсюда:

Тогда:



Сопротивления входной цепи можно показать только в виде сопротивлений, поскольку для их расчета необходимо знать параметр выбранной рабочей точки . Этот параметр определяется по графику зависимости

,

который, к сожалению, неизвестен. Для восстановления графика, как это было сделано выше, не позволяет отсутствие данных.

Результат:

1) Максимальная мощность, потребляемая от источника коллекторного питания:

2) КПД:

3) Максимальная рассеиваемая мощность:

7. Проектирование модулятора

В радиовещательных передатчиках модуляцию осуществляют в возбудителе. Это позволят получить высокое качество сигнала, вводя при необходимости в схему элементы, улучшающие параметры устройства. Усложнение схемы модулятора существенного влияния на энергетические параметры передатчика не оказывает. В действующих радиостанциях преимущественно применяют прямой метод ЧМ с использованием в качестве управляющего элемента варикапа. Специфическим требованием к частотному модулятору при передаче стереофонии является более чем трехкратное расширение полосы модулирующих частот. На практике с учетом возможного введения кадрофонического вещания обеспечивают не превышающее 1 дБ отклонение АХЧ от допустимой в полосе частот до 100 кГц. Модулятор унифицируют и делают пригодным для любого управляющего колебания. Передача стереофонических программ имеет еще одну особенность, которая нашла отражение в построении схем возбудителей. Исследования показали нежелательность формирования ЧМ сигнала на частотах, меньших частоты излучения.

Рассмотрим устройство формирования ЧМ сигналов прямым методом. В модуляторах этого типа используют линейную зависимость частоты колебаний автогенератора от резонансной частоты контура. Последнюю меняют с помощью специальных твердотельных приборов - варикапов. Считается допустимым исследовать процесс модуляции как медленный, пренебрегая нестационарными явлениями, которые возникают при установлении частоты. В рамках этого допущения:

,

где .

Малое слагаемое характеризует нестабильность частоты, вызываемую вариациями фазы средней крутизны генераторного прибора и добротности нагруженного контура автогенератора.

Теперь несколько слов о модуляторе на варикапе.

Варикапы под действием приложенного напряжения изменяют свою емкость согласно выражению:

,

где

- емкость варикапа при постоянном напряжении на нем

-нормированное мгновенное напряжение на варикапе

Показатель для «резких» переходов и от 1,0…2,0 и выше для «сверхрезких».

Основные параметры варикапов:

· Максимальная емкость для напряжения на , выбранного при определении его параметров;

- коэффициент перекрытия;

· Добротность и частота при изменении добротности;

· Максимальное обратное напряжении .

Рассмотрим наиболее употребляемую схему.

Рисунок 5. Схема модулятора



Автогенератор в ней выполнен как емкостная трехточка. База транзистора по высокой частоте соединена с корпусом. Положительная обратная связь создана емкостным делителем . Напряжение обратной связи поступает на резистор , включенный в эмиттерной цепи транзистора. Резонансная частота контура АГ определяется в основном элементами и . Управляющий частотой колебательной системы АГ варикап подключен параллельно емкости контура с помощью емкости связи (на схеме конденсатор ). В режиме молчания емкость контура

Конденсатор учитывает паразитную емкость катушки . Его значение можно оценить величиной 2..5 пФ. Емкость делителя обратной связи АГ образованная конденсаторами и и межэлектродными емкостями транзистора. Отношение сопротивлений делителя и характеристического контура определяет коэффициент связи активного элемента (транзистора) с его нагрузкой. Для ослабления влияния нестабильности режима АГ на генерируемую частоту рекомендуют выбирать небольшим, порядке 0,1…0,2. Емкость

,

где в схеме соответствует . Модулирующую емкость образует последовательное соединение емкостей связи и варикапа :



Целью проектирования является выбор типа варикапа и определение элементов колебательного контура автогенератора, обеспечивающих заданные номинальную девиацию частоты и линейность СМХ (статистическая модуляционная характеристика - ее форма определяет величину нелинейных искажений, присущих модулятору) при выполнении нормы на уровень интегральной помехи. По выбранному режиму варикапа - приложенным к нему напряжениями постоянному , модулирующему и радиочастотному - находят допустимые контурный ток и напряжения на элементах контура. Это позволяет сформулировать исходные данные к выбору режима автогенератора.

Исходные данные:

Спроектируем модулятор, приведенный выше, работающий в режиме молчания (телефонном) на частоте . Номинальную девиацию частоты примем из ТЗ . Руководствуясь сказанным выше, выберем допустимое отклонение напряжения смещения на варикапе . Меньшие значения реализовать трудно. Уже в том случае требуется электронная стабилизация напряжения .

Нормированные параметры модуля.

К ним причислены:

1) Относительная номинальная девиация частоты ;

2) Коэффициент гармоник ;

3) Нормированная квазипиковая амплитуда модулирующего сигнала ;

4) Коэффициент управления частотой .

Девиация

;

Амплитуда

- защищенность от интегральной помехи (ГОСТ)

Коэффициент управления частотой АГ

Коэффициент гармоник

(около 2%)

Это вдвое превышает допустимое значение уровня гармоник модулирующей частоты. Меры, обеспечивающие снижение искажений, рассмотрены ниже.

Выбор варикапа и его режима.

Рассмотрим модулятор, показанный на рис выше.

1) Зададимся значением характеристического сопротивления . Это обеспечит слабое влияние изменений режима АГ на его частоту. Последнее обусловлено свойствами межэлектродных емкостей транзистора, которые являются частью контурных. Пусть .

2) Тогда емкость контура в режиме молчания:

3) Определим тип варикапа, имея в виду следующее. Диоды с высоким обратным напряжением , позволяют строить более мощные АГ. Добротность решающего значения не имеет. Высокий уровень паразитной АМ, обусловленный низкой добротностью варикапа, можно ослабить введением в структуру ограничителя амплитуды. Ориентировочно максимальную емкость выбирают с помощью равенства . Нам нужен варикап с максимальной емкостью . Воспользуемся таблицей и выберем варикап КВ110Б. У него следующие характеристики: , .

Таблица 1. Характеристики варикапов

4) Примем минимальное значение запирающего напряжения на варикапе

.

5) Найдем наибольшее запирающее напряжение, используя максимальное значение параметра , тогда

.

Электрическая прочность по напряжению обеспечена.

6) Напряжение на варикапе в режиме молчания

.

На практике же используют меньшие напряжения, принимая . Мы же оценим предельные параметры модулятора.

7) Емкость

8) Допустимая нестабильность напряжения

9) Квазипиковая амплитуда модулирующего напряжения

10) Допустимая амплитуда радиочастотного напряжения

Расчет элементов контура.

Емкость контура в режиме молчания найдена выше: .

1) Примем коэффициент включения контура . Тогда емкость делителя (последовательного соединения и )

2) Емкость включенных параллельно конденсаторов и варикапа в режиме молчания :



3) Включение управляющей емкости последовательно с ослабляет ее влияние на частоту автогенератора. Расчетное значение девиации частоты

4) Расчетная крутизна

5) Расчетный коэффициент

6) Коэффициент связи включения варикапа

7) Емкость связи варикапа с контуром ()

8) Емкость контурного конденсатора



9) Контурная индуктивность

Режим элементов контура АГ.

1) Напряжение на конденсаторе связи

2) Напряжение на контурном конденсаторе ()

3) Напряжение на контурной индуктивности

4) Напряжение на емкостном делителе ()

5) Контурный ток

Исходные данные к расчету режима:

Примем добротность нагруженного контура автогенератора

Это обеспечит слабое влияние изменений нагрузки АГ на его режим. Эквивалентное сопротивление контура АГ равно

Сопротивление нагрузки в цепи коллектор-эмиттер

Максимально допустимая мощность АГ составляет

Найденные выше значения , и выбранный угол отсечки коллекторного тока АГ в стационарном режиме являются исходными данными к расчету. Прибор выбирают по допустимой постоянной составляющей коллекторного тока



Рисунок 6 Принципиальная схема передатчика



Заключение

В результате проделанной работы был спроектирован широкополосный радиовещательный ЧМ-передатчик, работающий в диапазоне частот .

Промышленный КПД передатчика:



Список литературы

1. ГОСТ P 51471-2001 Передатчики стационарные радиовещательные.

2. «Радиопередающие устройства», В. В. Шахгильдян, Москва, «Радио и

связь», 1990г.

3. «Проектирование радиопередающих устройств», В. В. Шахгильдян,

Москва, «Радио и связь», 1984г.

Размещено на Allbest.ru

...