Радиопередатчик повышенной мощности с кварцевой стабилизацией частоты задающего генератора

Радиопередатчик повышенной мощности с кварцевой стабилизацией частоты задающего генератора

30

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ-УПИ»

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ - РТФ

КАФЕДРА ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СРЕДСТВ РАДИОСВЯЗИ И ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Оценка работы _______________

Преподаватель _______________

/ Булатов Л.И./

РАДИОПЕРЕДАТЧИК ПОВЫШЕННОЙ МОЩНОСТИ С КВАРЦЕВОЙ СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ЧАСТОТЫ ЗАДАЮЩЕГО ГЕНЕРАТОРА

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

075600 000000 004 ПЗ

Подпись ДатаФ.И.О.

Руководитель Булатов Л. И.

Студент Беляев Д. О.

Группа Р-43072

Номер зачетной книжки 09372704

Екатеринбург 2007

Содержание

Задание на курсовое проектирование

Принципиальная схема передатчика

Часть 1. Структурная схема передатчика с пояснениями

Часть 2. Электрические расчеты режимов и элементов

оконечного каскада

Часть 3. Конструкторский расчет элементов оконечной ступени

Часть 4. Назначение всех элементов принципиальной схемы

радиопередатчика

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Задание на курсовое проектирование

Вам предлагается для исследования и расчета оконечной ступени схема реального радиопередающего устройства.

Составьте пояснительную записку, которая должна содержать следующие разделы:

1. Структурная схема передатчика с пояснениями: тип применяемой модуляции, вид согласующего устройства выходного каскада передатчика с нагрузкой, схема возбудителя передатчика.

2. Электрические расчеты режимов и элементов оконечного каскада. Полагая, что мощность выходной ступени Р1 = 0,5 Вт, а антенна - это вертикальный штырь длиной l = 1 м, сделайте расчет электрического режима этого каскада и устройств согласования передатчика с нагрузкой.

3. Конструкторский расчет элементов оконечной ступени.

4. Назначение всех элементов принципиальной схемы радиопередатчика.

Рабочая частота f = 45 МГц.

Часть 1. Структурная схема передатчика с пояснениями

Заданная на курсовое проектирование схема реального радиопередающего устройства показывает, что приведенный на ней радиопередатчик использует прямой метод частотной модуляции высокочастотного колебания, вырабатываемом автогенератором, речевым модулирующим сигналом, поступающим с микрофона. Частотная модуляция осуществляется с помощью варикапной матрицы, включенной в схему задающего генератора: под действием модулирующего напряжения, поступающего на данную матрицу, изменяется емкость варикапной матрицы, что приводит к изменению частоты автогенератора.

30

Рис. 2. Структурная схема передатчика

Структурная схема радиопередающего устройства представлена ниже:

В данной структурной схеме под аббревиатурой «ЦС» обозначена цепь согласования, представляющая собой П-образный четырехполюсник:

Рис. 3. Схема согласующего устройства

Возбудитель передатчика - кварцевый автогенератор, в котором осуществляется прямая частотная модуляция, а затем там же, точнее, в коллекторной нагрузке (представляет собой колебательный контур), осуществляется умножение частоты, поскольку частота основных колебаний автогенератора колеблется в пределах 15..18 МГц. Здесь кварцевый резонатор включен цепь обратной связи трехточечной схемы автогенератора (емкостная трехточка с заземленным эмиттером, элемент ОС - конденсатор С12):

Рис. 4. Схема задающего генератора

Часть 2. Электрические расчеты режимов и элементов оконченного каскада

Схема оконечного каскада приведена ниже:

Рис. 5. Схема оконечного каскада

Для дальнейшего расчета данной части радиопередающего устройства необходимо знать главный параметр антенны (вертикальный штырь), без которого расчет всего передающего устройства бессмыслен - входное сопротивление антенны. Для точного расчета параметров антенны используем специализированную программу MMANA.

Расчет входного сопротивления антенны

Для расчета антенны необходимо ввести ее координаты в пространстве.

Для более точного расчета необходимо задать координаты с учетом так называемой подстилающей поверхности - имитатора (эквивалента) тела радиопередатчика. Его представляют собой два горизонтальных провода длиной в 1 метр каждый, прикрепленные к одному из выводов штыря:

30

Рис. 6. Внешний вид антенны с учетом проводов-имитаторов реального радиопередатчика

Кроме того, реальные антенны реальных радиопередатчиков ставятся пользователями передающего устройства на определенную высоту. Зададимся высотой в 1,5 метра от поверхности земли. Зададимся и радиусом антенны - 5 мм. Поэтому координаты антенны будут следующие:

Рис. 7. Окно параметров антенны

Для дальнейшего расчета параметров антенны необходимо задать на вкладке «Вид» источник сигнала, поступающего в антенну. Без этого дальнейший расчет невозможен:

Рис. 8. Окно внешнего вида антенны

Далее следует непосредственный расчет параметров антенны, к которым относится и входное сопротивление антенны:

Рис. 9. Окно расчета параметров антенны

Далее необходимо перейти на вкладку «Диаграмма направленности», где, помимо самой диаграммы направленности (круговой, так как положение относительно сторон света может меняться; такую антенну чаще всего имеют передвижные радиопередатчики) представлено и входное комплексное сопротивление антенны ZA:

Рис. 10. Окно результатов работы программы

В результате сопротивление антенны получилось равным:

ZA=RA+jXA=4.627 - j256.356 (Ом).

Можно сделать вывод, что комплексное сопротивление антенны имеет емкостный характер.

Расчет выходной цепи генератора по схеме с общим эмиттером

На схеме оконечного каскада передатчика указан транзистор марки КТ610. Промышленность выпускает только разновидности этого транзистора - КТ610А и КТ610Б. Выберем КТ610А.

Производится расчет выходной цепи оконечного каскада на заданную мощность P1=0.5 Вт. Понадобится параметр: . Для транзистора КТ610А этот параметр равен 10 Ом.

Зададимся углом отсечки коллекторного тока и=90? (для обеспечения приемлемых соотношений Р1 и КПД ГВВ). Таким образом, режим работы ГВВ - граничный.

Коэффициенты Берга и коэффициенты разложения импульсной последовательности для и=90?:

1. Коэффициент использования коллекторного напряжения в граничном режиме:

2. Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе в граничном (критическом) режиме:.

3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:.

4. Постоянная составляющая коллекторного тока:.

5. Максимальная величина коллекторного тока:.

6. Мощность, потребляемая от источника коллекторного питания:.

7. Коэффициент полезного действия коллекторной цепи:.

8. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:.

9. Сопротивление коллекторной нагрузки:.

Расчет входной цепи транзисторного генератора по схеме с общим эмиттером

Ссылаясь на автора книги по проектированию радиопередающих устройств Шахгильдяна В.В., отмети, что данная методика расчета справедлива на частотах до (0,5…0,8)fT. Так как у транзистора КТ610 частота единичного усиления fT>1000 МГц (для определенности возьмем частоту, близкую к данной - 1100 МГц), следовательно эта методика может использоваться для расчета входной цепи оконечного каскада (поскольку заданная рабочая частота равна 45 МГц).

Входная цепь транзистора (если рассматривать электрическую модель транзистора) представляет собой совокупность цепей, в которых происходят переходные процессы, вследствие чего образуются перекосы импульсов iк(щt). Для устранения перекосов в импульсах iк(щt) нужно включать шунтирующее добавочное сопротивление Rдоп между выводами базы и эмиттера транзистора.

Сопротивление Rдоп выравнивает постоянные времени эмиттерного перехода в закрытом и в открытом состоянии. Одновременно сопротивление Rдоп снижает максимальное обратное напряжение на закрытом эмиттерном переходе.

. В расчете по данной формуле значение коэффициента усиления по току в0 соответствует среднему геометрическому приведенных в справочниках достаточно широко разбросанных значений этого коэффициента: в0 = 50…300, отсюда .

При включении транзистора с ОЭ целесообразно между коллекторным и базовым выводами транзистора включать сопротивление RО.С..

.

В результате включения RО.С. создается дополнительная отрицательная обратная связь на низких и средних частотах. В результате на всех частотах модуль коэффициента усиления по току транзистора в(щ) снижается в ч раз.

.

Стоит отметить, что в справочных данных не указаны такие параметры транзистора, как сопротивление в цепи эмиттера rэ, сопротивление в цепи базы rб, индуктивность выводов (базы и эмиттера) Lб, Lэ. Их не указывают, ссылаясь на то, что их следует принимать равными нулю. Однако реально эти величины все же существуют. Поэтому стоит рассчитать и их:

1. Нам известна постоянная времени коллекторного перехода и емкость коллекторного перехода Ск = 2.864·10-12 Ф. Также мы знаем формулу расчета постоянной времени коллекторного перехода: , где Ска - барьерная емкость активной части коллекторного перехода: Ска=0.2·Ск=5.727·10-13 Ф. Отсюда: . Сопротивление rэ примем равным Ом.

2. Для расчета индуктивностей выводов транзистора (базы и эмиттера) необходимо знать длины этих выводов (внешний вид транзистора см. в Приложении). Индуктивность рассчитывается по следующей формуле: . Измерено, что длина эмиттера равна 6.4 мм (так как эмиттера раздвоен, то следует принять 3.2 мм), базы - также 6.4. Отсюда индуктивности выводов: .

Далее следует непосредственный расчет входной цепи ГВВ:

1. Амплитуда тока базы.

2. Максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе

3. Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов

4. Напряжение смещения на эмиттерном переходе

5. Значения LВХ.О.Э, rВХ.О.Э., RВХ.О.Э., CВХ.О.Э. в эквивалентной схеме входного сопротивления транзистора на рис. 10.

Рис. 11. Эквивалентная схема входного сопротивления транзистора

6. Резистивная и реактивная составляющие входного сопротивления транзистора (ZВХ=RВХ+iXВХ)

7. Входная мощность

8. Коэффициент усиления по мощности

Расчет устройства согласования передатчика с нагрузкой

Из теоретических сведений известно, что устройство согласования передатчика с нагрузкой предназначено не только для трансформации сопротивления нагрузки радиопередающего устройства в величину сопротивления Rк гр, но и для подавления высших гармоник.

Исходя из этих требований, воспользуемся специализированной программой RFSimm99, предназначенной для расчета выше указанного устройства. Так как тип согласующего устройства (П-образный четырехполюсник) нам уже задан, необходимо рассчитать активную составляющую входного сопротивления антенны: дело в том, что катушка индуктивности L5, относящаяся к антенне, служит для гашения реактивной составляющей комплексного сопротивления антенны ZA=RA+jXA=4.627 - j256.356 (Ом). Отсюда сопротивление катушки (HL=щL) равно 256.356 Ом. Промышленность в настоящее время производит высокодобротные катушки (Q ? 100), однако и они имеют некоторые потери: сопротивление потерь, вносимое такой катушкой, рассчитывается так: . Отсюда активная часть комплексного входного сопротивления антенны равна: RA=4.627+2.56=7.187 Ом.

Также проектировщику необходимо задаться величиной полосы пропускания согласующего устройства, являющегося одновременно фильтрующим. Величина полосы пропускания определит и эффективность выделения колебания (гармоники) основной частоты, и эффективность подавления высших гармоник. Для начала зададимся узкой полосой пропускания в 1МГц. Чтобы узнать, какими будут параметры элементов, воспользуемся программой RFSimm99:

Рис. 12. Рабочее окно программы: задание сопротивлений, рабочей частоты передатчика и полосы пропускания.

Рис. 13. АЧХ устройства (подавление на 2 гармонике равно -46.32 дБ)

При увеличении полосы пропускания в 10 раз устройство обеспечивает гораздо худшее подавление высших гармоник, т.е. гораздо худшие фильтрующие свойства:

Рис. 14. АЧХ устройства при увеличенной полосе пропускания (подавление на второй гармонике составляет -25.31 дБ)

Оставим первоначальный вариант - с полосой пропускания в 1 МГц. Значения элементов (номенклатура по заданной схеме): L4=3.016 нГн, C16=6.366 нФ, C17=11.866 нФ. Однако изготовить катушку индуктивности, величина индуктивности которой 3.016 нГн, будет трудно, поэтому увеличим значение индуктивности до 50 нГн, но последовательно ей включим емкость величиной примерно 47 нФ, чтобы скомпенсировать выбранное значение индуктивности до 3 нГн:

Рис. 15. Вид ветви СУ с учетом принятых условий

Часть 3. Конструкторский расчет элементов оконечной ступени