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. 4
Расчетная часть. 5
1.1 Выбор и обоснование структурной схемы передатчика. 5
1.2 Выбор транзистора для выходной ступени передатчика. 5
2. Расчет режима оконечной ступени. 8
2.1 Расчет коллекторной цепи. 8
2.2 Расчет базовой цепи. 10
1.3 Расчет антенны.. 13
1.4 Расчет согласующей цепи оконечной ступени с антенной. 13
1.5 Конструктивный расчет параметров катушек. 14
Назначение элементов схемы.. 19
Заключение. 21
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 – rНАС.
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
fT
и величины индуктивности эмиттерного вывода LЭ.
При прочих равных условиях КР
будет тем больше, чем выше значение bО,
fT
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) 2pfТ
Cк
Rк
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 (XC
см
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
)/(Iб0
Rд
+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
; kp
1
= 8,57/0,832=10,306; kp
2
= 8,57/0,924=9
1.3 Расчет антенны
λ1
=с/f1
=3·108
м/с / 1,8·106
с-1
=166,67 м.
λ2
=с/f2
=3·108
м/с / 3·106
с-1
=100 м.
1. Из конструктивных соображений выберем для антенны провод сечением 2 мм2
, соответственно радиус провода – 0,798 мм.
2. Длина антенны значительно меньше длины рабочей волны , тогда волновое сопротивление антенны рассчитываем по формуле:
Ом
3. 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.