Курсовая работа на тему:
Связные радиопередающие устройства с частотной модуляцией
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
В процессе проектирования радиопередающего устройства необходимо выполнить следующее:
составить и обосновать структурную схему ПРД;
рассчитать режимы работы оконечного каскада;
рассчитать цепи согласования оконечного каскада с нагрузкой;
рассчитать модулятор (ЧМ);
рассчитать блокировочные элементы в оконечном каскаде;
сформировать требования к ИП, привести схемы.
Характеристики передатчика:
Рф = 8 Вт
f = (160 180) МГц
WФ = 50 Ом
f = 10 кГц
ПВИ = -50 дБ
Fмод = (0,3 3) кГц
питание сетевое – 220 В, 50 Гц
ВВЕДЕНИЕ
Связные радиопередающие устройства (РПУ) с частотной модуляцией (ЧМ) проектируются для работы на одной фиксированной частоте или в диапазоне частот. В первом случае рабочая частота стабилизируется кварцевым резонатором, а для генерации ЧМ колебаний могут быть использованы как прямой метод управления частотой, так и косвенный. Структурная схема передатчика с использованием прямого метода ЧМ изображена на рис.1.
Рис.1 Структурная схема передатчика с прямой ЧМ
Модулирующее напряжение U подается на варикап, с помощью которого модулируется по частоте кварцевый автогенератор (КГ). Кварцевый генератор работает на частотах 10-15 МГц, затем его частота умножается в n раз до рабочего значения, сигнал подается на усилитель мощности (УМ) и через цепь связи в антенну.
Косвенный метод ЧМ основан на преобразовании фазовой модуляции (ФМ) в частотную при помощи введения в схему интегрирующего звена, т.е. фильтра низких частот (ФНЧ). Структурная схема передатчика с использованием косвенного метода получения ЧМ изображена на рис.2.
Рис.2 Структурная схема передатчика с использованием косвенного метода ЧМ.
В качестве возбудителя диапазонного передатчика с ЧМ используется синтезатор сетки дискретных частот, ведомый генератор которого управляется двумя варикапами (рис.3).
Рис.3 Структурная схема ЧМ передатчика с синтезатором частоты
Для построения нашего связного передатчика воспользуемся подобной схемой, но уточним состав и количество входящих в неё блоков.
В качестве возбудителя диапазонного передатчика с ЧМ используется синтезатор сетки дискретных частот, ведомый генератор которого управляется двумя варикапами (рис.3). На варикап VD1 подается модулирующее напряжение U, на варикап VD2 – управляющее напряжение системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Разделение функций управления объясняется тем, что девиация частоты под влиянием модулирующего сигнала относительно невелика (3-5 кГц) в сравнении с диапазоном перестройки ведомого генератора (ГУН) управляющим сигналом с выхода системы ФАПЧ. Поэтому варикап VD1 связан с колебательным контуром ГУНа значительно слабее, чем VD2. Шаг сетки частот на выходе передатчика в зависимости от рабочего диапазона может быть 5; 10; 12,5; 25 кГц.
Для повышения устойчивости необходимо, чтобы оконечный усилитель как можно меньше влиял на работу ГУНа, поэтому производят их развязку по частоте введением в структуру передатчика умножителя частоты. В таком случае шаг сетки синтезатора уменьшается в n раз, где n – коэффициент умножения частоты умножителя.
В данном курсовом проекте проведен анализ диапазонного передатчика ЧМ. В пояснительной записке представлены электрические расчеты оконечного каскада, цепи связи с фидером, автогенератора и частотного модулятора, приведены конструктивные расчеты оконечного каскада и цепи связи с фидером. К пояснительной записке прилагаются чертежи с изображениями полной электрической схемы и конструкцией оконечного каскада передатчика.
1. РАСЧЕТ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА
1.1 ВЫБОР ТРАНЗИСТОРА
Мощность в фидере связного передатчика, работающего в диапазоне 160 – 180 МГц, равна 8 Вт. Примем величину КПД цепи связи: ЦС = 0,7. Мощность, на которую следует рассчитывать оконечный каскад, равна:
Р1макс = РФ/ЦС = 8/0,7 = 11,43 Вт.
Справочная величина мощности, отдаваемой транзистором, должна быть не менее 10 Вт.
Как правило, для генерации заданной мощности в нагрузке в определенном диапазоне частот можно подобрать целый ряд транзисторов. Из группы транзисторов нужно выбрать тот, который обеспечивает наилучшие электрические характеристики усилителя мощности.
При выборе типа транзистора усилителя мощности (УМ) учтем следующее:
для снижения уровня нелинейных искажений транзистор должен удовлетворят условию 3. fт/ βо > f;
выходная мощность транзистора Рвых > Р1макс.
Коэффициент полезного действия каскада связан с величиной сопротивления насыщения транзистора – rнас. Чем меньше его величина, тем меньше остаточное напряжение в граничном режиме и выше КПД генератора.
Исходя из этих условий, выбираем транзистор 2Т909А, имеющий следующие параметры:
1. Параметры идеализированных статических характеристик:
сопротивление насыщения транзистора на высокой частоте rнас 0,39 Ом;
коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ на низкой частоте (f→0) βо= 32;
сопротивление базы rб = 1,0 Ом;
сопротивление эмиттера rэ = 2,0 Ом;
2. Высокочастотные характеристики:
граничная частота усиления по току в схеме с ОЭ fт =570 МГц;
емкость коллекторного перехода Ск = 30 пФ;
емкость эмиттерного перехода Сэ = 244 пФ;
индуктивности выводов LБ = 2,5 нГн, LЭ = 0,2 нГн, LК = 2 нГн;
3. Допустимые параметры:
предельное напряжение на коллекторе Uкэ доп = 60 В;
обратное напряжение на эмиттерном переходе Uбэ доп = 3,5 В;
постоянная составляющая коллекторного тока Iко. доп = 2 А;
максимально допустимое значение коллекторного тока Iк. макс. доп= 4 А;
диапазон рабочих частот 100 – 500 МГц;
4. Тепловые параметры:
максимально допустимая температура переходов транзистора tп. доп= 160 ºС;
тепловое сопротивление переход – корпус Rпк= 5 ºС/Вт;
5. Энергетические параметры
Pвых = 17 Вт;
Ек = 28 В;
= 45 – 75%;
Кр = 1,7;
Режим работы – класс В.
Т.к. УМ должен усиливать сигнал с минимальными искажениями, т.е. иметь линейную амплитудную характеристику, и, кроме того, возможно больший КПД, примем угол отсечки коллекторного тока = 90° (класс В). При этом
– коэффициенты Берга.
1.2 РАСЧЕТ КОЛЛЕКТОРНОЙ ЦЕПИ
1. Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе в критическом режиме
В
2. Максимальное напряжение на коллекторе
В
Т.к. не выполняется условие , необходимо уменьшить Еk, выберем стандартное постоянное питающее напряжение равным 24 В. А также, если Еk выбирать равным наибольшему предельно допустимому для данного типа транзистора, то следует ожидать существенного снижения его надежности из-за опасности пробоя.
Тогда
В
и В.
3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока
А
4. Постоянная составляющая коллекторного тока
А;
5. Максимальная мощность, потребляемая от источника коллекторного напряжения
Вт
6. КПД коллекторной цепи при номинальной нагрузке
7. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора
Вт
8. Сопротивление коллекторной нагрузки
Ом
1.3 РАСЧЕТ ВХОДНОЙ ЦЕПИ
1. Предполагается, что между базой и эмиттером активного элемента (АЭ) по радиочастоте включен резистор RД, предназначенный для устранения “перекосов” в импульсах коллекторного тока.
= 36,62 Ом
Между базой и коллектором включается Rос
= 297,83 Ом
2 Коэффициент уменьшения коэффициента усиления по току:
,
= = 2,27
Рис.4 Входная цепь АЭ
Амплитуда тока базы:
= 1,34 А
3. Максимальное обратное напряжение на закрытом эмиттерном переходе:
= 4,41 В
где E’ – напряжение отсечки транзистора.
Т.к. Uбэ. макс > Uбэ доп = 3,5 В, необходимо уменьшить сопротивление Rд, чтобы выполнялось соотношение Uбэ. макс 0,8 – допустимое значение коэффициента бегущей волны (КБВ) нагрузки;
Кб. вх > 0,7 – допустимое значение КБВ на входе фильтрующей цепи;
доп = -50 дБ – допустимый уровень высших гармоник в нагрузке передатчика;
цс = 19 дБ – дополнительное затухание, вносимое согласующей цепью;
гN – относительный уровень высших гармоник напряжения (или тока) на выходе УМ.
Для рассматриваемого случая (одноактный УМ в критическом режиме):
.
Расчет проводится для наиболее значимой второй гармоники.
1. г2 = -7,5 дБ при = 900 2 = 0,212.
2. Как уже выше было сказано коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот передатчика Kf = 1,13.
3. Граничные частоты фильтра совпадают с соответствующими частотами fн = 160 МГц, fв = 180 МГц передатчика.
4. КБВ, который должна обеспечить колебательная система
.
5. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в полосе пропускания фильтрующей цепи
.
дБ.
6. Минимальное затухание, которое должен обеспечить фильтр в полосе задерживания
фN > -доп + цс + г2 = 50 – 14 – 7,5 = 28,5 дБ.
7. Нормированная частота в полосе задерживания (для ФНЧ)
зN = = = 1,77.
8. При выборе схемы фильтра необходимо обеспечить малое входное сопротивление на частотах высших гармоник. В частности, для однотактного УМ ФНЧ должен начинаться с емкости. Для рассматриваемого случая ф2 = (20 – 30) дБ и з2 = (1,5 – 1,8) необходимо применить фильтр Кауэра (эллиптический), имеющий равноколебательную АЧХ в полосе пропускания и АЧХ с “всплесками” в полосе задерживания. Используя диаграмму для оценки порядка эллиптического ФНЧ и данные таблиц “Справочника по расчету фильтров” Р. Зааля, выбираем фильтр 4-го порядка С0408b-37 с = 0,0279 дБ, з = 1,771353621, ф = 28,1 дБ, коэффициентом отражения = 8%.
Рис.7 Схема эллиптического ФНЧ
Нормированные значения элементов фильтра:
С1’ = 0,642980 Ф
С2’ = 0,288778 Ф
С3’ = 1,344509 Ф
L2’ = 0,942820 Гн
L4’ = 0,750226 Гн
Для преобразования нормированных величин в реальные их необходимо умножить на коэффициент преобразования. Нормированная индуктивность и емкость умножаются на постоянные КL и КС, которые вычисляем с помощью следующих формул:
,
где все величины выражены в генри, фарадах, омах и герцах.
Вычисляем требуемые значения элементов фильтра:
С1 = С1’. KC = 11,37038 пФ
С2 = С2’. KC = 5,106716 пФ
С3 = С3’. KC = 23,77614 пФ
L2 = L2’. KL = 41,6818 нГн
L4 = L4’. KL = 33,16727 нГн
Для рассчитанного ФНЧ с помощью пакета схемотехнического моделирования OrCAD9.1 был получен график АЧХ, приведенный на рис.8.
Рис.8 АЧХ согласующей и фильтрующей цепочек
Из приведенного графика АЧХ видно, что согласующая П-образная цепь и фильтр обеспечивают фильтрацию высших гармоник примерно на 52 дБ, что удовлетворяет требованию технического задания.
Произведем конструктивный расчет катушек L2 и L4.
Главной задачей данного конструктивного расчёта является расчёт геометрии катушек индуктивности входящих в состав выходного фильтра.
Это необходимо для выполнения помимо требований к заданной индуктивности, высокой добротности, определённой стабильности, также и требований к электрической прочности, допустимого нагрева, механической прочности и т.д.
В транзисторных ступенях благодаря низким значениям постоянного и переменного напряжений электрическую прочность обеспечить не трудно: расстояния в несколько десятых долей миллиметра между витками достаточно, чтобы напряжённость поля не превышала допустимую: 500 – 700 В/мм по воздуху и 250 – 300 В/мм по поверхности керамического или другого подобного каркаса.
Вместе с тем ток радиочастоты, протекающий по катушке, может достигать большой величины и вызвать её значительный нагрев.
Приближенно можно считать, что действующее на LC – элементах напряжения и токи в 3 – 5 раз больше номинальных значений напряжения и тока в нагрузке Rн.
Действующее значение тока в нагрузке:
А.
Действующее значение напряжения на нагрузке:
В.
Исходя из выше сказанного действующие напряжения и тока на LC – элементах не превосходят:
А,
В,
В.
1. Уточним расчетные значения индуктивностей с учетом размагничивающего влияния близко расположенных проводников, деталей конструкции, каркаса и стенок блока:
мкГн,
нГн,
нГн.
2. Выберем диаметр провода катушки исходя из соображений ее допустимого перегрева.
Для цилиндрической катушки с естественным (конвекционным) охлаждением:
,
где = 40 К – разность температур провода и окружающей среды.
Примем d = 0,9 мм
3. Шаг намотки:
мм.
4. Число витков спирали катушки:
,
где D – диаметр намотки катушки, см;
F – коэффициент формы катушки, зависящий от отношения длины намотки катушки l к ее диаметру D. Для катушек диаметром до 5 см обычно берут = 0,5 – 0,8. Примем = 0,5 Тогда из графика для коэффициента формы катушки (рис.9) F = 13.10-3.
Рис.9 График зависимости коэффициента формы катушки
Поскольку величины D, , выбираются произвольно, необходимо проверить правильность выбора – должно выполнятся равенство . При совпадении результатов с точностью + (5 – 7)% расчет можно считать законченным.
Для L: D = 2,3 мм, l = 1,15 мм, N = 1 виток;
Для L2: D = 3 мм, l = 2,6 мм, N = 1 виток;
Для L4: D = 2,4 мм, l = 1,2 мм, N = 1 виток.
3. РАСЧЕТ ГУН
3.1 ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
ГУН имеет две регулировки частоты: регулировка частоты по диапазону (управляющее напряжение в этом случае поступает с синтезатора сетки дискретных частот) и модуляция частоты сигналом. Регулировки производятся с помощью двух варикапов.
Диапазон частот, в котором работает ГУН лежит от 40 до 45 МГц, т.к после него идут два умножителя частоты сигнала в два раза, т.е.
fнг = 40 МГц; fвг = 45 МГц
Мощность, которую должен развивать ГУН в нагрузке примем равной 10 мВт.
На рис.10 представлена принципиальная схема ГУНа, расчет которой приведен ниже.
Рис.10 Схема ГУН с частотным модулятором
Для упрощения расчета автогенератора выберем безынерционный транзистор для частоты автоколебаний, например, КТ306А.
1. Параметры идеализированных статических характеристик:
сопротивление насыщения транзистора на высокой частоте rнас 35 Ом;
коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ на низкой частоте (f→0) βо= 50; сопротивление базы rб = 15 Ом;
2. Высокочастотные характеристики:
граничная частота усиления по току в схеме с ОЭ fт =600 МГц;
емкость коллекторного перехода Ск = 4 пФ;
емкость эмиттерного перехода Сэ = 5 пФ;
3. Допустимые параметры:
предельное напряжение на коллекторе Uкэ доп = 10 В;
обратное напряжение на эмиттерном переходе Uбэ доп = 3 В;
постоянная составляющая коллекторного тока Iко. доп = 30 мА;
максимально допустимое значение коллекторного тока Iк. макс. доп= 50 мА;
4. Тепловые параметры:
максимально допустимая температура переходов транзистора tп. доп= 150 ºС;
тепловое сопротивление переход – корпус Rпк= 100 ºС/Вт;
5. Энергетические параметры
Pвых = 0,4 Вт; Ек = 40 В; = 40%; Кр = 4,5.
Проверим, можно ли пренебречь инерционностью этого транзистора в данных условиях. Для этого необходимо выполнение условия:
,
где f – частота генерируемых колебаний, fS – граничная частота транзистора по крутизне.
Граничная частота транзистора по крутизне определяется выражением:
где распределённое сопротивление базы rБ берется из справочника, а крутизна статической проходной характеристики S0:
,
где – температурный потенциал перехода; зададим постоянную составляющая тока коллектора – Iк0 = 3 мА
Подставляя рассчитанные величины в начальную формулу, получим:
.
Таким образом, транзистор в данном случае можно считать безынерционным устройством.
3.2 РАСЧЕТ АВТОГЕНЕРАТОРА
1. Задаемся фактором регенерации G = 5;
2. Берем коэффициенты Берга из справочника:
3. Определяем первую гармонику ток коллектора
А;
4. Напряжение на коллекторной нагрузке автогенератора
В;
5. Сопротивление коллекторной нагрузки
Ом;
6. Зададимся величиной коэффициента использования по напряжению:
7. Напряжение питания В, выберем стандартное ЕК = 9 В;
8. Мощность, подводимая к автогенератору
Вт;
9. Рассеиваемая на коллекторе мощность
Вт;
10. Коэффициент обратной связи
11. Напряжение обратной связи
12. Входное сопротивление автогенератора
Ом;
13. Постоянная составляющая тока базы
мкА;
14. Смещение на базе
В.
3.3 РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО КОНТУРА
Элементы колебательного контура должны быть рассчитаны так, чтобы обеспечивалось найденное ранее сопротивление нагрузки автогенератора при рассчитанном значении коэффициента обратной связи К. Характеристическое сопротивление колебательного контура выберем равным 200 Ом. Примем добротность ненагруженного контура QXX = 120, то при передаче в нагрузку 10 – 20 процентов колебательной мощности автогенератора нагруженная добротность QH будет
QH = QXX (1 – K) = 120 (1 – 0,1) = 108
1. Коэффициент включения контура в коллекторную цепь
.
2. Реактивное сопротивление между коллектором и эмиттером
Ом,
пФ.
3. Реактивное сопротивление между базой и эмиттером
Ом,
нФ.
4. Реактивное сопротивление между базой и коллектором
Ом,
мкГн,
Ом,
пФ.
Сопротивление R3 входит в контур и поэтому шунтирует его, чтобы этого не происходило нужно взять его величину значительно большей, чем сопротивление коллекторной нагрузки, т.е. выбираем R3=2,8 кОм.
3.4 РАСЧЕТ ЦЕПИ АВТОСМЕЩЕНИЯ
Зададимся величиной
, , В.
Из выражения для напряжения смещения в установившемся режиме
найдем значения R1 и R2.
кОм.
Следует убедиться в том, что невозможен режим прерывистой генерации:
.
2,64 10-6
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
