Радиопередатчик повышенной мощности с кварцевой стабилизацией частоты задающего генератора

Начнем расчет с элементов согласующего устройства. Напомним, что устройством согласования передатчика с нагрузкой служит П-образный четырехполюсник:

Рис. 16. Устройство согласования устройства передатчика с нагрузкой

Поскольку выходная мощность радиопередающего устройства, заданная в задании, много меньше 20 кВт, целесообразно выполнить катушку индуктивности L4 в виде цилиндрической однослойной спирали.

Очевидно, что ток, текущий через катушку индуктивности L4, по законам электротехники равен току, текущему через емкость С' (так как они соединены параллельно). Не трудно догадаться, что ток, текущий через катушку индуктивности L4, складывается из токов, текущих через емкость С17 и резистор (обозначает активную часть комплексного сопротивления антенны) RА, разумеется, с учетом комплексности (ток, текущий через катушку индуктивности L4, делится на токи, текущие через емкость С17 и резистор RА). Это будет рассмотрено далее.

Мощность, отдаваемая в антенну: , активная часть комплексного сопротивления антенны . Отсюда:

.

Напряжение на нагрузке: .

Ток, текущий через емкость С17:

Реактивное сопротивление емкости С17: .

Тогда: .

В конечном итоге (по методу комплексных амплитуд, известном из курса теории электрических цепей): .

1. Действующее значение тока, текущего через катушку индуктивности L4:

.

2. Диаметр провода катушки:

, где коэффициент 1,8 определяет технологию изготовления катушки - катушку на ребристом (гребенчатом) каркасе, который обеспечивает свободную циркуляцию воздуха. Разность температур провода и окружающей среды ДТ примем 45 К. Частота задается в МГц, действующее значение тока, текущего через катушку индуктивности L4, задается в амперах. Итого:

. По ГОСТу 2112-62 выбираем стандартный диаметр провода 4.5 мм (для достижения этого значения необходимо снизить разность температур провода и окружающей среды ДТ до 42 К).

3. Зададимся отношением длины катушки к ее диаметру: . Это значение справедливо для тех катушек, диаметр которых меньше 50 мм. Изготавливать катушку диаметром больше 50 мм технически не совсем выгодно, поскольку катушка выйдет много габаритная.

4. Так как d=4,5 мм, то выберем D=20 мм (для катушки на ребристом каркасе выбор диаметра провода определяется прочностью провода; для диаметра провода, рассчитанного ранее, данный диаметр катушки будет подходящим, но это должен доказать последующий расчет).

5. Так как , отсюда длина катушки =0,63·20=12,6 мм.

6. Коэффициент формы катушки: F?11,4·10-3

7. Шаг намотки: g = (1,3..1,5)d = 1,4d = 6,3 мм.

8. Определим расчетное значение индуктивности, которое обусловлено размагничивающим влиянием близко расположенных проводников, деталей конструкции, стенок корпуса: . Отсюда вычислим число витков катушки:

. В данной формуле действующее значение индуктивности задается в мкГн (сама индуктивность, как было рассчитано, равна 50 нГн), диаметр катушки - в см. Итого:

.

Проверить правильность расчета несложно: воспользуемся формулой: . Разброс полученных значений очень велик. Поэтому изменим диаметр катушки: возьмем D = 12 мм. При этом количество витков катушки будет равно: . Как видно, разброс значений уменьшился, поэтому оставим значение диаметра катушки D = 12 мм, при этом длина катушки будет равна 7,56 мм.

Число витков катушки N = 2.

9. Проверим электрическую прочность катушки: приложенное к катушке напряжение . Напряжение между соседними витками: . Напряженность поля между витками: , что много меньше допустимого значения 500..700 В/мм.

10. Собственная емкость однослойной катушки: . По эмпирическим графикам, приведенными в книге Шумилина, определяем: , . Отсюда С0 = 1,85 пФ. Для катушек с гребенчатым каркасом, какой был выбран ранее, это значение берется как (15%..20%)С0 ? 0,319 пФ.

11. Проверим длина провода катушки: Это значение должно быть меньше 0,3·л. Рассчитаем длину волны: Тогда 0,3·л = 2 м. В итоге lпр < 0,3·л, и поэтому все в порядке.

Для рассчитанной катушки индуктивности трудно подобрать номинал, изготовляемый отечественной промышленностью, поэтому для изготовления подобной катушки требуется специальный заказ. Выберем номиналы для блокировочного дросселя (Др1) и катушки индуктивности, относящейся к антенне - L5:

· Дроссель, обозначенный на схеме как «Др1»: известно, что для блокировочных индуктивностей . =25Ом, отсюда =75=1,875 кОм - высокое сопротивление для переменного тока. . Выберем дроссель на ферритовом сердечнике, индуктивность которого несколько больше полученной - ДМ-0,6-10. Его параметры: индуктивность - 10 мкГн, сила тока - не более 0,6 А, диаметр катушки - 3,3 мм, длина l - 11 мм, длина L - 70 мм.

· Индуктивность L5: ранее отмечалось, что =256,356 Ом. Известно, что . Также выберем дроссель на ферритовом сердечнике, индуктивность которого несколько больше полученной - ДМ-3-2. Его параметры: индуктивность - 2 мкГн, сила тока - не более 3 А, диаметр катушки - 3,8 мм, длина l - 11 мм, длина L - 70 мм. Также можно применить дроссель ДМ-3-1. Его параметры: индуктивность - 1 мкГн, сила тока - не более 3 А, диаметр катушки - 3,8 мм, длина l - 11 мм, длина L - 70 мм.

Что касается выбора конденсаторов, то, скорее всего, целесообразней выбрать керамические конденсаторы, так как для обеспечения хорошего КПД и минимальных потерь мощности для конденсаторов согласующего устройства, которое одновременно является и фильтрующим, существует требование обеспечения малых потерь - малым тангенсом угла потерь (tg д) и, таким образом, высокой добротностью. Также необходимо обеспечивать устойчивость к температурному фактору, влажности, давлению. Это могут обеспечить наиболее часто применяемые в промышленности керамические конденсаторы. Для согласующего устройства, емкости которого получились достаточно великими - 6,366 нФ и 11,866 нФ - следующий вид конденсаторов, изготовляемый отечественной промышленностью: так, для емкости С16 (величина емкости - 6,366 нФ или 6 366 пФ) можно применить монолитный конденсатор КМ-6, а для емкости С17 (величина емкости - 11,866 нФ или 11 866 пФ) применим этот же конденсатор. Для керамических конденсаторов КМ-6 значения номинальной емкости колеблется от от 120 до 15 000 пФ. Эти конденсаторы используются в маломощных передатчиках.

С учетом требований Международной электротехнической комиссии установлено семь предпочтительных рядов для значений номинальной емкости: по ряду Е24 можно взять следующие номиналы - С16 = 6,2·10-9 Ф, С17 = 1,2·10-8 (12·10-9) Ф. При этом могут возникнуть некоторые искажения частотных характеристик согласующего устройства, некоторые изменения в фильтрующих и согласующих свойствах, однако эти изменения будут не совсем значительными, так как отклонения колеблются в пределах ±10%.

Часть 4. Назначение всех элементов принципиальной схемы радиопередатчика

Схема условно разбита на две части: низкочастотный тракт и высокочастотный тракт. Низкочастотный тракт составляют микрофон М1, предварительный усилитель низкой частоты, выполненный на операционном усилителе, и компрессор динамического диапазона входного речевого сигнала, сжимающего динамический диапазон за счет каскада на полевом транзисторе VT1 (выбран транзистор КП303А). Высокочастотный тракт включает в себя задающий генератор с кварцевой стабилизацией частоты, одновременно выполняющий роль умножителя частоты автоколебаний в целое число раз, а также частотного модулятора, оконечный каскад (генератор с внешним возбуждением), выполняющий роль усилителя мощности, согласующее устройство. Далее промодулированный сигнал поступает в антенну.

В конструкции присутствует микрофон (М1), который, по-видимому, крепится на печатную плату НЧ-тракта и выводится из корпуса через специальное отверстие на передней панели. Сигнал с микрофона поступает на цепь, состоящую из резистора R4 и конденсатора С2: эта цепь представляет собой высокочастотный фильтр, позволяющий снизить влияние посторонних шумов низкой частоты. Далее входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя DA1 (обозначен на схеме цифрой «3»), который усиливает разность сигналов: Uвых=К(Uвх неинв-Uвх инв). Этот операционный усилитель выполняет роль линейного усилителя. Элементы R6 и С4 - цепь положительной обратной связи (частотная характеристика цепи аналогична частотной характеристике цепи R4С2). Сигнал с выхода операционного усилителя поступает на компрессор динамического диапазона, который работает следующим образом: постоянная составляющая усиленного сигнала выделяется на резисторе R10. Посредством диодов VD1 и VD2 переменное напряжение звуковой частоты преобразуется в постоянное отрицательное напряжение, которое воздействует на затвор полевого транзистора: положительная полярность звукового сигнала поступает через конденсатор С8 (разделительный конденсатор) на анод диода VD2, затем через «землю» на R10, затем на R9 и на полевой транзистор VT1. Отрицательная полярность звукового сигнала идет с «земли» через конденсатор С9 на анод диода VD1. Таким образом продетектированное переменное напряжение в постоянное поступает на затвор полевого транзистора. Цепь R4С5 является частотно-зависимой: входом схемы является конденсатор С5, на высоких частотах его сопротивление уменьшается, соответственно, увеличивается коэффициент передачи, поэтому эта цепь, скорее всего, выступает в роли ФНЧ. Полевой транзистор VT1 ведет себя в этой схеме как переменный резистор: при увеличении амплитуды речевого сигнала увеличивается постоянное напряжение на затворе. Сопротивление канала (сопротивление перехода «сток-исток») увеличивается, а коэффициент усиления операционного усилителя, который определяется как , уменьшается. Конденсатор С6 шунтирует инвертирующий вход усилителя. На инвертирующий вход (на схеме операционного усилителя - цифра «2») с выхода через резистор R7 (постоянная составляющая сигнала) и конденсатор С7 (переменная составляющая сигнала), которые образуют цепь отрицательной обратной связи (коэффициент передачи операционного усилителя определяется характеристиками цепей положительной и отрицательной обратных связей) поступает сигнал речевой частоты, вычитается из входного, который, как уже отмечалось, поступает на неинвертирующий вход, и разность умножается на определенный коэффициент усиления (величина его зависит от амплитуды сигнала с микрофона). Сигнал на выходе усилителя поступает на частотно-зависимую цепь R11С10 - НЧ-фильтр, по всей видимости предназначенный для гашения высокочастотных шумов.

Резисторы R2 и R3 - это делитель напряжения, он создает однополярное питание для операционного усилителя. Это же напряжение через резисторы R11 и R12 поступают на катоды варикапов VD3 (варикапная матрица КВС111А). Все эти резисторы определяют рабочую точку (напряжение смещения) варикапной матрицы. Матрица КВС111А - элемент задающего генератора: известно, что емкость варикапа изменяется пропорционально приложенному к нему напряжению, а колебательное звено (LC-контур, резонансный контур) - один из основных элементов автогенератора - определяет частоту, которую вырабатывает автогенератор (частота резонансного контура: ), соответственно, с изменением емкости изменяется резонансная частота. Элементы L1, C12, C18, транзистор VT2 образуют емкостную трехточку (элемент обратной связи - С12). Резисторы R14 и R12 образуют делитель напряжения - создается напряжение смещения для работы в режиме с отсечкой, резистор R16 также обеспечивает положение рабочей точки транзистора. При таком режиме на выходе транзистора VT2 (выбран транзистор КТ368) образуется последовательность импульсов определенной формы (это зависит от величины угла отсечки и амплитуды входного сигнала), которую можно разложить в ряд Фурье, т.е. на сумму гармонических составляющих. Колебательный контур (нагрузка транзистора) L2C13 настраивается на одну из гармоник (при помощи изменения индуктивности L2). Кстати, встречное включение варикапов обеспечивает более линейную зависимость емкости варикапа от напряжения и уменьшает нелинейность модуляционной характеристики, резистор R13 способствует линеаризации статической модуляционной характеристики. Так как вблизи кварца Q1 включена индуктивность L1, можно полагать, что кварц, включенный в цепь обратной связи, скорее всего работает как последовательный колебательный контур.

На схеме присутствуют связанные индуктивности L2 и L3: посредством этой связи из катушки L2 - элемент колебательного контура L2C13 - передается энергия катушке L3 (явление взаимоиндукции). То есть посредством такой связи колебания из контура L2C13 передаются на транзистор VT3 - на этом транзисторе собран ГВВ. Резисторы R17 и R18 предназначены для создания смещения на базе, конденсатор С14 - короткое замыкание по высокой частоте. Резистор R19 предназначен для ограничения базового тока, а также выполняет роль противопаразитного элемента по отношению к самовозбуждению: дело в том, что физически у транзистора есть выводы, которые представляют собой совокупность индуктивностей и емкостей, поэтому могут возникать автоколебания, поэтому резистор R19 нужен в качестве препятствия самовозбуждению. Дроссель «Др1» - блокировочная индуктивность, предназначенная для подачи питания на транзистор VT3. Конденсатор С15 - блокировочная емкость, предназначенная для того, чтоб переменный ток обходил источник питания Ек. Генератор с внешним возбуждением на транзисторе VT3 работает в режиме с отсечкой, поэтому на выходе генератора наблюдается периодическая последовательность импульсов, которую также можно разложить в сумму гармонических составляющих. Эти импульсы поступают на П-образный четырехполюсник - L4,C16,С17 - устройство согласования передатчика с антенной и фильтрации высших гармоник. Индуктивность L4 предназначена для гашения реактивной составляющей комплексного сопротивления антенны, емкость С19 - для беспрепятственного прохождения ВЧ тока в антенну.

На общей шине расположены резисторы R20, R5, R1 - для ограничения постоянного тока, текущего от источника питания, а также для вклада в создание рабочей точки на транзисторе VT3, подачи питания на транзистор VT2 (наряду с индуктивностью L2) и питания микрофона М1. Также на общей шине расположены конденсаторы С1, С3 и С11 - они служат для следующего: если в общей шине, по которой течет постоянный ток, возникают гармонические составляющие, отправлять их на «землю».

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта была проанализирована работа реального радиопередатчика повышенной мощности с кварцевой стабилизацией частоты задающего генератора, предназначенного для передачи частотно-модулированного колебания. Был рассчитан оконечный каскад передатчика - передатчик был рассчитан в граничном режиме. Был произведен конструкторский расчет катушек индуктивности и выбор стандартных номиналов емкостей и блокировочных дросселей, что дало представления в производстве катушек индуктивностей и практическом применении рядов МЭК. Работа со специализированными программами MMANA и RFSimm показала возможности компьютерного моделирования антенн радиопередающих устройств и разработки устройств согласования. Анализ принципиальной схемы радиопередающего устройства показал разнообразие схемотехники радиопередающих устройств.

Список использованных источников

1. Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине “Устройства формирования сигналов” /Л.И. Булатов, Б.В. Гусев. Екатеринбург: Изд-во УГТУ, 2003 г.

2. Проектирования радиопередающих устройств: Учеб. пособие для вузов/В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин, И.А. Попов и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна. М.: Радио и связь, 1993, 512с.

3. Шумилин М. С., Козырев В. Б., Власов В. А. Проектирование транзисторных каскадов передатчиков: Учебное пособие для техникумов. М.: Радио и связь, 1987.

4. Устройства формирования и генерирования сигналов: Учебник для вузов/Л.А. Белов, В.М. Богачев, М.В. Благовещенский и др.; Под ред. Г.М. Уткина, В.Н. Кулешова и М.В. Благовещенского. М.: Радио и связь, 1994.

5. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов/ В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А. Ляховкин и др. М.: Радио и связь, 2003.

6. Петухов В.М. Биполярные транзисторы средней и большой мощности сверхвысокочастотные и их зарубежные аналоги. Справочник. Т.4. - М.: КУбКа, 1997.

7. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник. М.: Высшая школа, 1983.

8. Конспект лекций по дисциплине «Устройства формирования и передачи сигналов в ТКС».

Приложение

Параметры транзистора КТ610А

Внешний вид транзистора КТ610А:

Страницы: 1, 2