Связные радиопередающие устройства с частотной модуляцией

Курсовая работа на тему:

Связные радиопередающие устройства с частотной модуляцией

Техническое задание

В процессе проектирования радиопередающего устройства необходимо выполнить следующее:

составить и обосновать структурную схему ПРД;

рассчитать режимы работы оконечного каскада;

рассчитать цепи согласования оконечного каскада с нагрузкой;

рассчитать модулятор (ЧМ);

рассчитать блокировочные элементы в оконечном каскаде;

сформировать требования к ИП, привести схемы.

Характеристики передатчика:

Р_ф = 8 Вт

f = (160 ¸ 180) МГц

W_Ф = 50 Ом

Df = 10 кГц

ПВИ = -50 дБ

F_мод = (0,3 ¸ 3) кГц

питание сетевое - 220 В, 50 Гц

Введение

Связные радиопередающие устройства (РПУ) с частотной модуляцией (ЧМ) проектируются для работы на одной фиксированной частоте или в диапазоне частот. В первом случае рабочая частота стабилизируется кварцевым резонатором, а для генерации ЧМ колебаний могут быть использованы как прямой метод управления частотой, так и косвенный. Структурная схема передатчика с использованием прямого метода ЧМ изображена на рис.1.

Рис.1 Структурная схема передатчика с прямой ЧМ

Модулирующее напряжение U_W подается на варикап, с помощью которого модулируется по частоте кварцевый автогенератор (КГ). Кварцевый генератор работает на частотах 10-15 МГц, затем его частота умножается в n раз до рабочего значения, сигнал подается на усилитель мощности (УМ) и через цепь связи в антенну.

Косвенный метод ЧМ основан на преобразовании фазовой модуляции (ФМ) в частотную при помощи введения в схему интегрирующего звена, т.е. фильтра низких частот (ФНЧ). Структурная схема передатчика с использованием косвенного метода получения ЧМ изображена на рис.2.

Рис.2 Структурная схема передатчика с использованием косвенного метода ЧМ.

В качестве возбудителя диапазонного передатчика с ЧМ используется синтезатор сетки дискретных частот, ведомый генератор которого управляется двумя варикапами (рис.3).

Рис.3 Структурная схема ЧМ передатчика с синтезатором частоты

Для построения нашего связного передатчика воспользуемся подобной схемой, но уточним состав и количество входящих в неё блоков.

В качестве возбудителя диапазонного передатчика с ЧМ используется синтезатор сетки дискретных частот, ведомый генератор которого управляется двумя варикапами (рис.3). На варикап VD1 подается модулирующее напряжение U_W, на варикап VD2 - управляющее напряжение системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Разделение функций управления объясняется тем, что девиация частоты под влиянием модулирующего сигнала относительно невелика (3-5 кГц) в сравнении с диапазоном перестройки ведомого генератора (ГУН) управляющим сигналом с выхода системы ФАПЧ. Поэтому варикап VD1 связан с колебательным контуром ГУНа значительно слабее, чем VD2. Шаг сетки частот на выходе передатчика в зависимости от рабочего диапазона может быть 5; 10; 12,5; 25 кГц.

Для повышения устойчивости необходимо, чтобы оконечный усилитель как можно меньше влиял на работу ГУНа, поэтому производят их развязку по частоте введением в структуру передатчика умножителя частоты. В таком случае шаг сетки синтезатора уменьшается в n раз, где n - коэффициент умножения частоты умножителя.

В данном курсовом проекте проведен анализ диапазонного передатчика ЧМ. В пояснительной записке представлены электрические расчеты оконечного каскада, цепи связи с фидером, автогенератора и частотного модулятора, приведены конструктивные расчеты оконечного каскада и цепи связи с фидером. К пояснительной записке прилагаются чертежи с изображениями полной электрической схемы и конструкцией оконечного каскада передатчика.

1. Расчет оконечного каскада 1.1 Выбор транзистора

Мощность в фидере связного передатчика, работающего в диапазоне 160 - 180 МГц, равна 8 Вт. Примем величину КПД цепи связи: h_ЦС = 0,7. Мощность, на которую следует рассчитывать оконечный каскад, равна:

Р_1макс = Р_Ф/h_ЦС = 8/0,7 = 11,43 Вт.

Справочная величина мощности, отдаваемой транзистором, должна быть не менее 10 Вт.

Как правило, для генерации заданной мощности в нагрузке в определенном диапазоне частот можно подобрать целый ряд транзисторов. Из группы транзисторов нужно выбрать тот, который обеспечивает наилучшие электрические характеристики усилителя мощности.

При выборе типа транзистора усилителя мощности (УМ) учтем следующее:

для снижения уровня нелинейных искажений транзистор должен удовлетворят условию 3^. f_т/ β_о > f;

выходная мощность транзистора Р_вых > Р_1макс.

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.

Исходя из этих условий, выбираем транзистор 2Т909А, имеющий следующие параметры:

1. Параметры идеализированных статических характеристик:

сопротивление насыщения транзистора на высокой частоте r_нас » 0,39 Ом;

коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ на низкой частоте (f→0) β_о= 32;

сопротивление базы r_б = 1,0 Ом;

сопротивление эмиттера r_э = 2,0 Ом;

2. Высокочастотные характеристики:

граничная частота усиления по току в схеме с ОЭ f_т =570 МГц;

емкость коллекторного перехода С_к = 30 пФ;

емкость эмиттерного перехода С_э = 244 пФ;

индуктивности выводов L_Б = 2,5 нГн, L_Э = 0,2 нГн, L_К = 2 нГн;

3. Допустимые параметры:

предельное напряжение на коллекторе U_{кэ доп} = 60 В;

обратное напряжение на эмиттерном переходе U_{бэ доп} = 3,5 В;

постоянная составляющая коллекторного тока I_{ко. доп} = 2 А;

максимально допустимое значение коллекторного тока I_{к. макс. доп}= 4 А;

диапазон рабочих частот 100 - 500 МГц;

4. Тепловые параметры:

максимально допустимая температура переходов транзистора t_{п. доп}= 160 ºС;

тепловое сопротивление переход - корпус R_пк= 5 ºС/Вт;

5. Энергетические параметры

P_вых = 17 Вт;

Е_к = 28 В;

h = 45 - 75%;

К_р = 1,7;

Режим работы - класс В.

Т.к. УМ должен усиливать сигнал с минимальными искажениями, т.е. иметь линейную амплитудную характеристику, и, кроме того, возможно больший КПД, примем угол отсечки коллекторного тока q = 90° (класс В). При этом

 - коэффициенты Берга.

1.2 Расчет коллекторной цепи

1. Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе в критическом режиме

В

2. Максимальное напряжение на коллекторе

В

Т.к. не выполняется условие , необходимо уменьшить Е_k, выберем стандартное постоянное питающее напряжение равным 24 В. А также, если Е_k выбирать равным наибольшему предельно допустимому для данного типа транзистора, то следует ожидать существенного снижения его надежности из-за опасности пробоя.

Тогда

В

и В.

3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока

А

4. Постоянная составляющая коллекторного тока

А;

5. Максимальная мощность, потребляемая от источника коллекторного напряжения

Вт

6. КПД коллекторной цепи при номинальной нагрузке

7. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора

Вт

8. Сопротивление коллекторной нагрузки

Ом

1.3 Расчет входной цепи

1. Предполагается, что между базой и эмиттером активного элемента (АЭ) по радиочастоте включен резистор R_Д, предназначенный для устранения "перекосов" в импульсах коллекторного тока.

= 36,62 Ом

Между базой и коллектором включается R_ос

= 297,83 Ом

2 Коэффициент уменьшения коэффициента усиления по току:

,

c== 2,27

Рис.4 Входная цепь АЭ

Амплитуда тока базы:

= 1,34 А

3. Максимальное обратное напряжение на закрытом эмиттерном переходе:

= 4,41 В

где E' - напряжение отсечки транзистора.

Т.к. U_{бэ. макс} > U_{бэ доп} = 3,5 В, необходимо уменьшить сопротивление R_д, чтобы выполнялось соотношение U_{бэ. макс} < U_{бэ доп}.

R_д =

R_д = 30,11 Ом, тогда U_{бэ. макс}=3,5 В.

4. Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов:

=20 мА

I_э0=I_ко+I_бо=0,63+0,02=0,65 А

5. Напряжение смещения на эмиттерном переходе

0,66 В

6. Эквивалентная схема входного сопротивления транзистора:

Рис.5 Эквивалентная схема входного сопротивления транзистора

2,6 нГн

,

где С_ка=0,5С_к барьерная емкость активной части коллекторного перехода

= 1,75 Ом,

28,6 Ом,

=0,31 нФ,

7. Резистивная и реактивная составляющие входного сопротивления:

2,06 Ом

-25,36 Ом