Уральский Государственный Технический Университет

Радиотехнический факультет

Кафедра Радиопередающих устройств

"Устройства формирования и генерирования сигналов"

"Оконечный каскад однополосного связного передатчика"

Екатеринбург 2004

Задание

Составить структурную схему однополосного связного передатчика, рассчитать режим оконечной ступени со следующими параметрами:

Диапазон рабочих частот 1,8-3,0 МГц;

Мощность 6,0 Вт;

Антенна провод длиной 20 м;

Подавление внеполосных излучений 40 дБ;

Питание от аккумуляторов устройство 12 В.

Рассчитать согласующее устройство оконечной ступени и пояснить назначение всех элементов схемы.

Содержание

Введение

Расчетная часть

1.1 Выбор и обоснование структурной схемы передатчика

1.2 Выбор транзистора для выходной ступени передатчика

2. Расчет режима оконечной ступени

2.1 Расчет коллекторной цепи

2.2 Расчет базовой цепи

1.3 Расчет антенны

1.4 Расчет согласующей цепи оконечной ступени с антенной

1.5 Конструктивный расчет параметров катушек

Назначение элементов схемы

Заключение

Введение

Радиопередающее устройство (РПУ) – необходимый элемент любой системы передачи информации по радио – будь то система радиосвязи, навигационная или телеметрическая системы. Параметры радиопередатчиков разнообразны и определяются конкретными техническими требованиями к системе передачи данных. РПУ представляет собой достаточно сложную систему, в состав которой входит высокочастотный тракт, модулятор для управления колебаниями высокой частоты в соответствии с передаваемой информацией, источники питания, устройства охлаждения и защиты. Связные коротковолновые (f=1,5-30 МГц) передатчики работают в режиме однополосной модуляции и используются для звуковой связи.

Расчетная часть

1.1 Выбор и обоснование структурной схемы передатчика

УНЧ – усилитель низкой частоты;

ОМ – однополосный модулятор (в который входит амплитудный модулятор и фильтр, выделяющий одну из боковых);

ПЧ – преобразователь частоты однополосно-модулированных колебаний;

Ф – фильтр для подавления побочных продуктов при преобразовании частоты;

Синт – источник необходимых поднесущих колебаний;

СЦ – согласующая цепь.

Сигнал с микрофона через предварительный усилитель низкой частоты попадает в однополосный модулятор, где сигнал модулирует некоторую промежуточную частоту (например, f1=128 кГц). Затем однополосный модулированный сигнал подается на преобразователь частоты и переносится на частоту f2, которую можно менять в некотором диапазоне. Затем однополосно-модулированный сигнал подается на оконечный усилитель и через согласующую цепь на антенну.

1.2 Выбор транзистора для выходной ступени передатчика

Мощность в фидере связного КВ передатчика, работающего в диапазоне 1,8-3,0 МГц равна 6,0 Вт. Т.к. между фидерным разъемом коллекторной цепью транзистора стоит цепь связи, на сопротивлениях потерь элементов цепи связи бесполезно теряется часть колебательной мощности, генерируемой транзистором. В зависимости от схемы цепи согласования, мощности и рабочей частоты передатчика величина КПД цепи связи hЦС = 0,7…0,9. Примем величину hЦС = 0,7. Мощность, на которую следует рассчитывать ГВВ, равна: Р1 = РФ/hЦС = 6 / 0,7 = 8,57 Вт.

Справочная величина мощности, отдаваемой транзистором, должна быть не менее 12 Вт.

В однополосных связных передатчиках используются биполярные транзисторы коротковолнового диапазона (1,5-30 МГц) с линейными проходными характеристиками. По диапазону частот и по заданной мощности можно выделить следующие транзисторы 2T951Б, 2Т955А, 2Т921А. 2Т951Б, 2Т955А.

При одинаковой выходной мощности ГВВ на этих приборах будут иметь разный КПД и коэффициент усиления по мощности. Из группы транзисторов нужно выбрать тот, который обеспечивает наилучшие электрические характеристики усилителя мощности.

Коэффициент полезного действия каскада связан с величиной сопротивления насыщения транзистора – r НАС. Чем меньше его величина, тем меньше остаточное напряжение в граничном режиме и выше КПД генератора.

Коэффициент усиления по мощности КР зависит от ряда параметров транзистора – коэффициента передачи тока базы bО, частоты единичного усиления

f T и величины индуктивности эмиттерного вывода LЭ. При прочих равных условиях КР будет тем больше, чем выше значение bО, f T и меньше LЭ.

Из приведенных транзисторов минимальный rНАС у транзистора 2Т951Б.

rНАС=2,4 Ом;

rэ=0 Ом;

rб=3 Ом;

β0=32;

fт=194 МГц;

Ск=65 пФ;

Сэ=600 пФ;

Lэ=3,8 нГн;

Uкэ.доп=60 В;

Uбэ.доп=4 В;

Iк0=3 А;

Eотс=0,7В;

Диапазон рабочих частот – 1.5..30МГц;

PН=20 Вт;

Режим работы – линейный, <-30дБ.

2. Расчет режима оконечной ступени

2.1 Расчет коллекторной цепи

Определим коэффициент использования выходного напряжения (Uвых).

Возьмем угол отсечки (q) равным 900, что обеспечит лучшую линейность амплитудных характеристик усилителя, тогда a1(q) = 0,5; при Ек=12В, ξгр получается комплексным, чтобы этого избежать увеличим Ек.

При Ек=28В ξгр получается равным 0,881, что обеспечивает приемлемый КПД.

Определим амплитуду напряжения между коллектором и эмиттером в граничном режиме:

Uкгр = Ек·xгр;

Uкгр = 28В·0,881 = 24,664 В.

Найдем первую гармонику тока коллектора:

Определим постоянную составляющую коллекторного тока:

Определим подводимую мощность P0.

P0 = Eк·Iк0,

P0 = 28·0,443 » 12,417 Вт < Pдоп = 1/2Uкэдоп ·Iк0доп = 0,5*36В*8А = 144 Вт.

Определим мощность, рассеиваемую в виде тепла:

Pк1 = P0 - P1,

Pк1 = 12,417 – 8,57 = 3,845 Вт.

Определим коэффициент полезного действия (h).

Определим сопротивление коллектора (Rк)

2.2 Расчет базовой цепи

Рассчитаем амплитуду тока базы:

где c = 1 + g1(q) 2pfТCкRк

c = 1 + 0,5·2·3,14·100·106·65·10-12·35,484 » 2,15

Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов:

Iб0 = I к0/b 0

Iб0 = 0,934/26 = 0,014А;

Iэ0 = Iк0 + Iб0

Iэ0 = 0,443 + 0,014 = 0,475А.

Максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе, для того чтобы Uбэ мах было меньше с Uбэ доп Rд (сопротивление резистора, включенного по РЧ между базой и эмиттером) должно быть 8 Ом, но Rд>>rβ=0.034 Ом:

Напряжение смещения на эмиттерном переходе:

Для того чтобы не вводить отдельный источник питания для подачи отрицательного смещения, можно использовать схему с автосмещением. Если взять напряжение смещения по постоянному току 0,7В, то Rсм=2,8 Ом; Ссм=8,8 мкФ (XCсм на частоте 1,8 МГц должно быть много меньше Rсм). Uост=28В 24,664В=3,336В => R3=(Uост/Iк0) – Rсм=4,73 Ом.

Rкэ вычисляем зная Iб0, Eп и Rд. (Еп-Еб)/Rкэ=Iб0+Еб/Rд Rкэ=Rд(Еп-Еб)/(Iб0Rд+Еб)= =268,966 Ом.

Рассчитаем элементы схемы:

LвхОЭ = 3,8·10-9 + 3,8·10-9/2,15+5·10-9 » 10,567 нГн;

Входное сопротивление транзистора (Zвх = rвх + jXвх):

δ=0,1; α1=0,93; α2=0,68.

Входная мощность:

Коэффициент усиления по мощности транзистора:

kp = P1/Pвх; kp1 = 8,57/0,832=10,306; kp2 = 8,57/0,924=9,276.

1.3 Расчет антенны

λ1=с/f1=3·108м/с / 1,8·106с-1=166,67 м.

λ2=с/f2=3·108м/с / 3·106с-1=100 м.

Из конструктивных соображений выберем для антенны провод сечением 2 мм2, соответственно радиус провода – 0,798 мм.

Длина антенны значительно меньше длины рабочей волны , тогда волновое сопротивление антенны рассчитываем по формуле:

Ом

Найдем входное сопротивление:

1.4 Расчет согласующей цепи оконечной ступени с антенной

Согласующая цепь должна включать в себя:

фильтр нижних частот, обеспечивающий затухание 40 дБ на частоте равной 2∙fн, и 0дБ на частоте fв, тогда будет обеспечено заданное подавление внеполосных излучений на всем рабочем диапазоне. Входное и выходное сопротивления равны Rк=35,48 Ом.

перестраиваемый трансформатор сопротивлений, обеспечивающий преобразование выходного сопротивления оконечного усилительного каскада к активному сопротивлению антенны.

перестраиваемое устройство, компенсирующее реактивную составляющую входного сопротивления антенны.

Фильтр нижних частот, удовлетворяющий выше указанным условиям, выбираем при помощи программы RFSim и трансформатор сопротивлений.

Т.к. реактивная составляющая входного сопротивления антенны меньше нуля, то антенну можно представить в виде последовательно соединенных конденсатора и резистора. Для компенсации реактивной составляющей входного сопротивления антенны, последовательно с антенной необходимо поставить катушку индуктивности такого же сопротивления (L=Xc/2πf). Соответственно, эта катушка должна быть перестраиваемой в пределах от 292/(2∙3,14∙1,8∙106)=2,58∙10-5 Гн до 89/(2∙3,14∙3∙106)=4,72∙10-6 Гн.

1.5 Конструктивный расчет параметров катушек

Порядок расчета.

1. Задаются отношением длины намотки катушки l к ее диаметру D (для катушек диаметром до 50 мм обычно берут l/D=0.5…0.8, а для больших катушек мощных каскадов l/D=1…2).

2. Диаметр провода катушки выбираем исходя из соображений ее допустимого нагрева:

где d – диаметр провода, [мм];

I – радиочастотный ток, [А];

ΔT – разность температур провода и окружающей среды, [К] (для катушек ГВВ принимают ΔT=40…50 К);

f – частота тока, [МГц].

3. Выбирается шаг намотки (теоретические исследования и практика проектирования рекомендуют g=(1.3…1.5) d).

4. Число витков спирали катушки

,

где Lрасч – расчетное значение индуктивности, [Гн];

D – диаметр катушки, [мм];

F (l/D) – коэффициент формы катушки

Расчет.

Ток протекающий в катушке индуктивности Lбл1 это ток Iб0=0,014А, ток протекающий в катушке индуктивности Lбл2 это ток Iк0=0,443А, ток протекающий в катушках индуктивности фильтра, трансформатора сопротивлений и компенсирующей катушки будет не больше .

Соответственно, диаметры проводов катушек будут: 7,42 мкм; 0,235 мм 0,26 мм.

Расчет.

Блокировочные.

Катушка Lбл1=5 мГн; d=0,01 мм; Iб0=0,014А;

Внешний диаметр – 20,02 мм.

Внутренний диаметр – 20,01 мм.

Шаг между витками – 0,01 мм.

Длина катушки – 3,88 мм.

Длина провода – 24,39 м.

Количество слоев – 1.

Количество витков – 388.

Количество витков в слое – 388.

Количество витков в слое – 87.

Индуктивность – 4,993463 мГн.

Катушка Lбл2=5 мГн; d=0,25 мм; Iк0=0,443А;

Внешний диаметр – 23,5 мм

Внутренний диаметр – 21,75 мм

Шаг между витками – 1,75 мм

Длина катушки – 21,89 мм

Длина провода – 41,89 м

Количество слоев – 7

Количество витков – 613

Количество витков в слое – 87

Индуктивность – 5,002767 мГн.

Фильтр.

Катушка L1=0,491 мкГн; d=0,3 мм; Iб0=0,491А;

Внешний диаметр – 10,6 мм

Внутренний диаметр – 10,3 мм

Шаг между витками – 0,3 мм

Длина катушки – 1,5 мм

Длина провода – 0,16 м

Количество слоев – 1

Количество витков – 5

Количество витков в слое – 5

Индуктивность – 0,000441 мГн

Катушка L2=2,29 мкГн; d=0,3 мм; Iб0=0,491А;

Внешний диаметр – 10,6 мм

Внутренний диаметр – 10,3 мм

Шаг между витками – 0,3 мм

Длина катушки – 4,2 мм

Длина провода – 0,45 м

Количество слоев – 1

Количество витков – 14

Количество витков в слое – 14

Индуктивность – 0,00228 мГн

Катушка L3=3,48 мкГн; d=0,3 мм; Iб0=0,491А;

Внешний диаметр – 10,6 мм

Внутренний диаметр – 10,3 мм

Шаг между витками – 0,3 мм

Длина катушки – 5,7 мм

Длина провода – 0,61 м

Количество слоев – 1

Количество витков – 19

Количество витков в слое – 19

Индуктивность – 0,00354 мГн

Катушка L4=3,73 мкГн; d=0,3 мм; Iб0=0,491А;

Внешний диаметр – 10,6 мм

Внутренний диаметр – 10,3 мм

Шаг между витками – 0,3 мм

Длина катушки – 6 мм

Длина провода – 0,65 м

Количество слоев – 1

Количество витков – 20

Количество витков в слое – 20

Индуктивность – 0,0038 мГн

Катушка L5=2,99 мкГн; d=0,3 мм; Iб0=0,491А;

Внешний диаметр – 10,6 мм

Внутренний диаметр – 10,3 мм

Шаг между витками – 0,3 мм

Длина катушки – 5,1 мм

Длина провода – 0,55 м

Количество слоев – 1

Количество витков – 17

Количество витков в слое – 17

Индуктивность – 0,00303 мГн

Катушка L6=1,44 мкГн; d=0,3 мм; Iб0=0,491А;

Внешний диаметр – 10,6 мм

Внутренний диаметр – 10,3 мм

Шаг между витками – 0,3 мм

Длина катушки – 3 мм

Длина провода – 0,32 м

Количество слоев – 1

Количество витков – 10

Количество витков в слое – 10

Индуктивность – 0,00137 мГн

Трансформатор сопротивления(минимальное).

Катушка Lтр=0,935 мкГн; d=0,3 мм; Iб0=0,491А;

Внешний диаметр – 10,6 мм

Внутренний диаметр – 10,3 мм

Шаг между витками – 0,3 мм

Длина катушки – 2,4 мм

Длина провода – 0,26 м

Количество слоев – 1

Количество витков – 8

Количество витков в слое – 8

Индуктивность – 0,000963 мГн

Компенсирующая катушка индуктивности.

Катушка L6=4,72 мкГн; d=0,3 мм; Iб0=0,491А;

Внешний диаметр – 10,6 мм

Внутренний диаметр – 10,3 мм

Шаг между витками – 0,3 мм

Длина катушки – 6,9 мм

Длина провода – 0,74 м

Количество слоев – 1

Количество витков – 23

Количество витков в слое – 23

Индуктивность – 0,00460 мГн

Lбл1, Lдл2 – фильтрует ВЧ составляющую в цепи питания, 2πfLдл2, 2πfLдл1>>Rкэ,

Lбл1= Lбл2=5мГн,

L1-L6, С1-С6 – фильтр нижних частот;

Lтр, Стр –трансформатор сопротивлений;

Lком – компенсирующая катушка индуктивности;

Ср1, Ср2 – развязывают каскады по постоянному току, 1/(2πfCбл1)<<Rкэ, Cбл1=Сбл2=0,1 мкФ.

Rкэ и Rд – устанавливают напряжение смещения на эмиттерном переходе, Rкэ=269Ом, Rд=8 Ом.

Rсм и Сcм – цепь автосмещения, Rсм=2,8 Ом, Ссм=8,8 мкФ.

L1, L2, C1, C2 – трансформатор сопротивления и фильтр, отфильтровывающий высшие гармоники. С1=6,479 нФ, С2=23,92 нФ, L1=4,83 мкГн, L2=1,308 мкГн.

VT – транзистор, ответственный за управляемый перенос мощности источника питания в нагрузку.

Заключение

В результате выполнения данного курсового проекта был произведен расчет оконечного каскада передатчика и цепи согласования с антенной удовлетворяющий техническому заданию. Составлена структурная схема РПУ, соответствующая принципиальной схеме. Принципиальная схема приведена в приложении. Проведено пояснение назначения всех элементов схемы. Таким образом, задание и цели курсового проекта можно считать выполненными.