Радиопередающее устройство, работающее в режиме однополосной модуляции

1. Необходимое волновое сопротивление линии:

ZС.ТРЕБ 20 Ом

2. Амплитудные значения напряжения и тока в нагрузке:

UН 33,5 В

IН = 0,67 А

Ток в линии IЛ = IН = 0,67 А

3. Выбираем коаксиальную линию КВФ - 25 с волновым сопротивлением ZС = 25 Ом.

4. Оценим общую геометрическую длину линий:

, где

< ( 18 54 ) при ZС ZС.ТРЕБ. Примем = 30

С = 3 10 8 - скорость света

= 2,1 - диэлектрическая проницаемость заполнителя коаксиала

lЛ 176 см

Выбираем многовитковую конструкцию. Она удобна при использовании гибких линий достаточной длины, что позволяет наматывать их на каркас.

Высшие гармоники тока или напряжения, образованные в результате работы транзистора УМ в нелинейном режиме с = 90, должны быть ослаблены в нагрузке передатчика (фидере) до уровня, определенного в задании на курсовую работу - 45 дБ. С этой целью на выходе передатчика включается фильтр ПВИ, для обеспечения заданной фильтрации гармоник, в первую очередь наиболее интенсивных - второй и третьей. Фильтрующая цепь должна обеспечить минимальное ослабление сигнала в рабочем диапазоне частот передатчика при заданном уровне колебательной мощности (высокий КПД).

Исходные данные для расчета:

- Коэффициент перекрытия передатчика по частоте Кf = 1,6

- RН = WФ = 50 Ом - сопротивление нагрузки

- КБ.Н. 0,8 - допустимое значение КБВ нагрузки

- КБ.ВХ. 0,7 - допустимое значение КБВ на входе фильтрующей цепи

- ДОП = - 45 дБ - необходимый уровень ПВИ

- СЦ 0 - дополнительное затухание, вносимое согласующей цепью

- ГN - относительный уровень высших гармоник напряжения (или тока) на выходе УМ. Величина ГN определяется схемой и режимом работы УМ. Для рассматриваемого случая (однотактный УМ в недонапряженном или критическом режиме):

Для наиболее значимой второй гармоники при = 90 2() = 0,212.

Тогда Г2 - 7,5 дБ.

Расчет основных параметров фильтра:

1. Так как КfП 1,9 (допустимая норма) устанавливаем один фильтр.

2. Граничные частоты среза фильтра возьмём равными + 1 МГц к соответствующим частотам fН = 10 МГц и fВ = 16 МГц передатчика.

3. Неравномерность АЧХ в полосе пропускания фильтрующей цепи:

= 0,004

= 0,02 дБ

4. Минимальное затухание, которое должен обеспечить фильтр в полосе задерживания:

ФN - ДОП + ГN + СЦФ2 42,5 дБ

5. Нормированная частота в полосе задерживания (для ФНЧ):

ЗN = N / КfПЗ2 = 1,09

6. При выборе схемы фильтра необходимо обеспечить малое входное сопротивление на частотах высших гармоник. В частности, для однотактного УМ ФНЧ должен начинаться с параллельной емкости С1. Для рассматриемого случая Ф2 (20 30) дБ и З2 (1,5 1,8), поэтому рекомендуется применять фильтры Кауэра, имеющие равномерную АЧХ в полосе пропускания, и АЧХ со “всплесками” затухания в полосе задерживания. Используя диаграмму для оценки порядка фильтров Кауэра на рис. 2 и данные таблицы 9, выбираем фильтр 9-го порядка С09 - 05 - 67 с = 0,0109 дБ, З = 1,086360377, Ф = 46,4 дБ, = 5%.

7. Принципиальная схема фильтра приведена на рис. 12.

Рис. 12. Схема фильтра Кауэра 9-го порядка.

Нормированные значения элементов:

c1 = 0,693482L2 = 1,235453c2 = 0,163150

c3 = 1,172824L4 = 0,748031c4 = 1,008319

c5 = 0,793057L6 = 0,575410c6 = 1,456578

c7 = 0,908201L8 = 0,765453c8 = 0,707124

c9 = 0,351309

Производим денормирование:

;;RB = RН = 50 Ом

LB = 1,085147 мкГнСВ = 192,915 пФ

С1 = СВ с1 = 133,783 пФС2 = СВ с2 = 31,474 пФ

С3 = СВ с3 = 226,255 пФС4 = СВ с4 = 194,52 пФ

С5 = СВ с5 = 152,993 пФС6 = СВ с6 = 280,996 пФ

С7 = СВ с7 = 175,206 пФС8 = СВ с8 = 136,415 пФ

С9 = СВ с9 = 67,773 пФ

L2 = LB l2 = 1,341 мкГн

L4 = LB l4 = 0,812 мкГн

L6 = LB l6 = 0,624 мкГн

L8 = LB l8 = 0,831 мкГн

КПД фильтра:

Ф = 1- 2Ф = 0,9975

Произведем конструктивный расчет катушек L2, L4, L6, L8. Приближенно можно считать, что действующие на LC - элементах напряжения и токи в 35 раз больше номинальных значений напряжения и тока в нагрузке RН.

Действующее значение тока в нагрузке:

IНД 0,67 А

Действующее значение напряжения на нагрузке:

UНД 33,5 В

1. Уточним расчетные значения индуктивностей с учетом размагничивающего влияния близко расположенных проводников, деталей конструкции, каркаса и стенок блока:

L2РАСЧ = 1,1 L2L2РАСЧ = 1,475 мкГн

L4РАСЧ = 1,1 L4L4РАСЧ = 0,893 мкГн

L6РАСЧ = 1,1 L6L6РАСЧ = 0,686 мкГн

L8РАСЧ = 1,1 L8L8РАСЧ = 0,914 мкГн

2. Выберем диаметр провода катушки исходя из соображений ее допустимого перегрева. Для цилиндрической однослойной катушки с естественным (конвекционным) охлаждением:

, где

Т 2 = 40 К - разность температур провода и окружающей среды.

Примем d = 0,5 мм.

3. Шаг намотки:

g = (1,31,5)dg = 0,75 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. Катушки на данных частотах обычно берут диаметром D = 0,5 0,8 см. Примем D = 0,6. Тогда F = 12 10 -3 (из графика).

Таким образом, с учетом приведенных выше условий имеем:

Для L2: D = 0,6 см, l = 3,0 см, N = 7,879 витков.

Для L4: D = 0,6 см, l = 2,3 см, N = 6,696 витков.

Для L6: D = 0,6 см, l = 2,3 см, N = 6,134 витков.

Для L8: D = 0,6 см, l = 2,3 см, N = 6,734 витков.

Рис. 13. Вид катушки индуктивности с сердечником.

5. Длина провода катушки:

L ПР D Nl ПРМАКС 50 см

Условие l ПРМАКС 50 см < 0,3 МИН 300 см выполняется, значит катушки фильтра можно считать элементами с сосредоточенными параметрами.

Как известно, вид АЧХ фильтра находится в тонкой зависимости от величин элементов. Полученные в ходе расчетов значения емкостей конденсаторов фильтра не соответствуют дискретным значениям стандартных рядов, что затрудняет их выбор. Здесь возможно применение конденсаторов типа К10-17А со стандартными значениями номиналов, соответствующими ряду Е24, а именно:

C1 = 130 пФC2 = 30 пФC3 = 220 пФ

C4 = 200 пФC5 = 150 пФC6 = 270 пФ

C7 = 180 пФC8 = 130 пФC9 = 68 пФ

Значения индуктивностей оставим без изменений, равными расчетным, т.к. в процессе настройки их можно, при необходимости, изменить.

5. СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТЫ

Синтезатор частоты (СЧ) - устройство, преобразующее колебания опорного источника U0 (t), частота которого принимается за эталонную, в определенную частоту из заданного диапазона с заданным шагом, при этом имея достаточно высокую относительную нестабильность. Выходной сигнал такого устройства - колебание ГУН, частота которого синхронизирована по опорному источнику при помощи цепи обратной связи.

Выходная частота СЧ с ФАПЧ ограничена частотным диапазоном применяемого ГУНа. СЧ с ФАПЧ могут быть выполнены с целочисленным или дробно-переменным коэффициентом деления частоты.

В предложенной схеме СЧ с целочисленным коэффициентом деления ГУН охвачен кольцом автоматической подстройки частоты, содержащим фазовый детектор (ФД), опорный делитель частоты :m, задающий шаг сетки, делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) с фильтром нижних частот (ФНЧ), необходимого для устойчивой роботы схемы.

ДПКД работает на частоте fгун, как управляемый счетчик с произвольным коэффициентом деления, который определяется пропорционально выбранным значением рабочей частоты.

Рассчитаем диапазон изменения коэффициента деления ДПКД:

- на выходе СЧ (передатчика), частота сигнала меняется в соответствии с техническим заданием от 10 до 16 МГц с шагом fc = 1 кГц;

- частота сигнала с выхода ГУН не умножается;

- на выходе ГУН частота сигнала меняется от 30,5 до 36,5 МГц с шагом fc = 1 кГц;

- минимальный коэффициент деления ДПКД равен:

N min = 30,5 ? 10 6 / 1 ? 10 3 = 30500;

- шаг изменения коэффициента деления ДПКД равен:

?N min = 30,501 ? 10 6 / 1 ? 10 3 = 30501;

- максимальный коэффициент деления ДПКД равен:

N max = 36,5 ? 10 6 / 1 ? 10 3 = 36500.

Коэффициент пропорциональности частот опорного генератора и ГУНа представляет собой отношение целых чисел:

fгун / N дпкд = f кв / m

Именно на этом принципе строится построен проектируемый СЧ, кроме того, данный СЧ можно использовать как формирователь фиксированных вспомогательных частот f0 и f1, используя один автогенератор.

Использование современных интегральных микросхем значительно упрощает разработку высококачественных перестраиваемых синтезаторов частоты. Как правило, из внешних элементов необходимы только опорный кварцевый генератор, генератор управляемый напряжением (ГУН), фильтр петли ФАПЧ и элементы разделения цепей постоянного и переменного токов. Управление ДПКД можно осуществлять с помощью специализированного микроконтроллера (микропроцессора), который устанавливает необходимый коэффициент деления ДПКД в зависимости от установленной пользователем несущей частоты. Отображение частоты удобно реализовать на ЖК-индикаторе, управление которым можно также реализовать на этом контроллере. В качестве такого контроллера можно использовать современную технологию ПЛИС. Применяя современные вышеуказанные элементы можно добиться высокой точности, низкого энергопотребления, и малых габаритов и высокой надежности проектируемого изделия.

6. РАСЧЁТ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА 2Т925В

Исходным параметром для расчета радиатора транзистора оконечного каскада является полезная мощность РК.МАКС 12 Вт, и мощность, рассеиваемая на его коллекторе РК. РАСС 4,5 Вт. Максимальная температура корпуса транзистора типа 2Т925В составляет 125 С, примем температуры корпуса транзистора и его радиатора примерно одинаковыми, с некоторым запасом, равными не более 80 С. Температурой окружающей среды для радиатора будет являться внутренняя температура корпуса передатчика t СР. Примем t СР = 40 С.

Определим тепловое сопротивление радиатора:

t РАД = 80 С R РАД = 3,48 С/Вт

Определим минимально необходимую площадь радиатора с учетом вышеприведённых расчетов:

S 2 Y (t РАД - t СР) РК.РАСС = 2 0,5 (80 - 40) 4,5 = 180 см 2

где 2 - коэффициент запаса (1,1…3),

Y - степень черноты поверхности радиатора (0,2…0,95).

Определим габаритные размеры данного радиатора:

В случае применения радиаторов можно значительно уменьшить занимаемый объём и вес, сохранив тепловые свойства, применив ребристую структуру (рис. 5).

Рис. 15. Радиатор.

Применив вышеуказанный радиатор с приведенными размерами (S 300 см 2), можно обеспечить оптимальный заданный тепловой режим транзистора.

7. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИСТОЧНИКУ ПИТАНИЯ

Согласно ТЗ радиопередатчик питается от сети с напряжением 220 В и частотой 50 Гц, следовательно данное изделие можно отнести к стационарным. В настоящее время предъявляются высокие требования к питанию РПУ. Большое влияние на стабильность частоты оказывает изменение питающего напряжения сети. При анализе полупроводниковых приборов следует учитывать особенность транзисторов, заметную зависимость параметров транзисторов от питающих напряжений, изменение параметров которых обусловлено непостоянством питающих напряжений, что приводит к изменению электрического режима генератора, что в свою очередь вызывает дополнительное изменение параметров транзистора. Как правило, для частотозадающих цепей применяют стабилизированные источники питания (иногда многоуровневые), для меньшего влияния нестабильности источников питания на элементы схемы. При отсутствии стабилизации источника питания относительное отклонение частоты бывает не выше (0,5 - 1) ? 10 -2 % при изменении напряжения питания на + 10 %, даже с применением кварцевых стабилизаторов. В настоящем ТЗ не оговорены габаритно-массовые характеристики изделия, следовательно, можно применить трансформаторный источник питания с двухуровневой стабилизацией питания задающего генератора.

Применение трансформаторного источника питания позволит:

- снизить уровень сетевых помех;

- обеспечить гальваническую развязку питания изделия относительно сети;

- обеспечить простоту схемы и монтаж;

- обеспечить высокую надежность.

Схема электрическая принципиальная источника питания приведена в приложении 2.

4. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет. Под ред. Р.А. Валитова и И.А. Попова.- М.: Сов. радио, 1973

5. Генерирование и формирование радиосигналов. Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине ”Устройства формирования радиосигналов”/Л.И. Булатов, Б.В. Гусев. Екатеринбург: Изд-во УГТУ, 2003, 30с.

6. Шумилин М.С., Власов В.А., Козырев А.А. Проектирование транзисторных каскадов передатчиков. М: Радио и связь, 1987, 320с.

Страницы: 1, 2, 3