Минимальное затухание, которое должен обеспечить фильтр в полосе задерживания

6. Минимальное затухание, которое должен обеспечить фильтр в полосе задерживания

a_фN > -a_доп + a_цс + a_г2 = 50 - 14 - 7,5 = 28,5 дБ.

7. Нормированная частота в полосе задерживания (для ФНЧ)

W_зN = = = 1,77.

8. При выборе схемы фильтра необходимо обеспечить малое входное сопротивление на частотах высших гармоник. В частности, для однотактного УМ ФНЧ должен начинаться с емкости. Для рассматриваемого случая a_ф2 = (20 - 30) дБ и W_з2 = (1,5 - 1,8) необходимо применить фильтр Кауэра (эллиптический), имеющий равноколебательную АЧХ в полосе пропускания и АЧХ с "всплесками" в полосе задерживания. Используя диаграмму для оценки порядка эллиптического ФНЧ и данные таблиц "Справочника по расчету фильтров" Р. Зааля, выбираем фильтр 4-го порядка С0408b-37 с Da = 0,0279 дБ, W_з = 1,771353621, a_ф = 28,1 дБ, коэффициентом отражения r = 8%.

Рис.7 Схема эллиптического ФНЧ

Нормированные значения элементов фильтра:

С₁’ = 0,642980 Ф

С₂’ = 0,288778 Ф

С₃’ = 1,344509 Ф

L₂’ = 0,942820 Гн

L₄’ = 0,750226 Гн

Для преобразования нормированных величин в реальные их необходимо умножить на коэффициент преобразования. Нормированная индуктивность и емкость умножаются на постоянные К_L и К_С, которые вычисляем с помощью следующих формул:

,

где все величины выражены в генри, фарадах, омах и герцах.

Вычисляем требуемые значения элементов фильтра:

С₁ = С₁’^. K_C = 11,37038 пФ

С₂ = С₂’^. K_C = 5,106716 пФ

С₃ = С₃’^. K_C = 23,77614 пФ

L₂ = L₂’. K_L = 41,6818 нГн

L₄ = L₄’. K_L = 33,16727 нГн

Для рассчитанного ФНЧ с помощью пакета схемотехнического моделирования OrCAD9.1 был получен график АЧХ, приведенный на рис.8.

Рис.8 АЧХ согласующей и фильтрующей цепочек

Из приведенного графика АЧХ видно, что согласующая П-образная цепь и фильтр обеспечивают фильтрацию высших гармоник примерно на 52 дБ, что удовлетворяет требованию технического задания.

Произведем конструктивный расчет катушек L₂ и L₄.

Главной задачей данного конструктивного расчёта является расчёт геометрии катушек индуктивности входящих в состав выходного фильтра.

Это необходимо для выполнения помимо требований к заданной индуктивности, высокой добротности, определённой стабильности, также и требований к электрической прочности, допустимого нагрева, механической прочности и т.д.

В транзисторных ступенях благодаря низким значениям постоянного и переменного напряжений электрическую прочность обеспечить не трудно: расстояния в несколько десятых долей миллиметра между витками достаточно, чтобы напряжённость поля не превышала допустимую: 500 - 700 В/мм по воздуху и 250 - 300 В/мм по поверхности керамического или другого подобного каркаса.

Вместе с тем ток радиочастоты, протекающий по катушке, может достигать большой величины и вызвать её значительный нагрев.

Приближенно можно считать, что действующее на LC - элементах напряжения и токи в 3 - 5 раз больше номинальных значений напряжения и тока в нагрузке R_н.

Действующее значение тока в нагрузке:

А.

Действующее значение напряжения на нагрузке:

В.

Исходя из выше сказанного действующие напряжения и тока на LC - элементах не превосходят:

 А,

 В,

В.

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

мкГн,

нГн,

нГн.

2. Выберем диаметр провода катушки исходя из соображений ее допустимого перегрева.

Для цилиндрической катушки с естественным (конвекционным) охлаждением:

,

где = 40 К - разность температур провода и окружающей среды.

Примем d = 0,9 мм

3. Шаг намотки:

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. Для катушек диаметром до 5 см обычно берут  = 0,5 - 0,8. Примем  = 0,5 Тогда из графика для коэффициента формы катушки (рис.9) F = 13.10^-3.

Рис.9 График зависимости коэффициента формы катушки

Поскольку величины D, , выбираются произвольно, необходимо проверить правильность выбора - должно выполнятся равенство . При совпадении результатов с точностью + (5 - 7)% расчет можно считать законченным.

Для L: D = 2,3 мм, l = 1,15 мм, N = 1 виток;

Для L₂: D = 3 мм, l = 2,6 мм, N = 1 виток;

Для L₄: D = 2,4 мм, l = 1,2 мм, N = 1 виток.

3. Расчет ГУН 3.1 Выбор основных параметров и активного элемента

ГУН имеет две регулировки частоты: регулировка частоты по диапазону (управляющее напряжение в этом случае поступает с синтезатора сетки дискретных частот) и модуляция частоты сигналом. Регулировки производятся с помощью двух варикапов.

Диапазон частот, в котором работает ГУН лежит от 40 до 45 МГц, т.к после него идут два умножителя частоты сигнала в два раза, т.е.

f_нг = 40 МГц; f_вг = 45 МГц

Мощность, которую должен развивать ГУН в нагрузке примем равной 10 мВт.

На рис.10 представлена принципиальная схема ГУНа, расчет которой приведен ниже.

Рис.10 Схема ГУН с частотным модулятором

Для упрощения расчета автогенератора выберем безынерционный транзистор для частоты автоколебаний, например, КТ306А.

1. Параметры идеализированных статических характеристик:

сопротивление насыщения транзистора на высокой частоте r_нас » 35 Ом;

коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ на низкой частоте (f→0) β_о= 50; сопротивление базы r_б = 15 Ом;

2. Высокочастотные характеристики:

граничная частота усиления по току в схеме с ОЭ f_т =600 МГц;

емкость коллекторного перехода С_к = 4 пФ;

емкость эмиттерного перехода С_э = 5 пФ;

3. Допустимые параметры:

предельное напряжение на коллекторе U_{кэ доп} = 10 В;

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

постоянная составляющая коллекторного тока I_{ко. доп} = 30 мА;

максимально допустимое значение коллекторного тока I_{к. макс. доп}= 50 мА;

4. Тепловые параметры:

максимально допустимая температура переходов транзистора t_{п. доп}= 150 ºС;

тепловое сопротивление переход - корпус R_пк= 100 ºС/Вт;

5. Энергетические параметры

P_вых = 0,4 Вт; Е_к = 40 В; h = 40%; К_р = 4,5.

Проверим, можно ли пренебречь инерционностью этого транзистора в данных условиях. Для этого необходимо выполнение условия:

,

где f - частота генерируемых колебаний, f_S - граничная частота транзистора по крутизне.

Граничная частота транзистора по крутизне определяется выражением:

где распределённое сопротивление базы r_Б берется из справочника, а крутизна статической проходной характеристики S₀:

,

где - температурный потенциал перехода; зададим постоянную составляющая тока коллектора - I_к0 = 3 мА

Подставляя рассчитанные величины в начальную формулу, получим:

.

Таким образом, транзистор в данном случае можно считать безынерционным устройством.

3.2 Расчет автогенератора

1. Задаемся фактором регенерации G = 5;

2. Берем коэффициенты Берга из справочника:

3. Определяем первую гармонику ток коллектора

А;

4. Напряжение на коллекторной нагрузке автогенератора

 В;

5. Сопротивление коллекторной нагрузки

Ом;

6. Зададимся величиной коэффициента использования по напряжению:

7. Напряжение питания В, выберем стандартное Е_К = 9 В;

8. Мощность, подводимая к автогенератору

Вт;

9. Рассеиваемая на коллекторе мощность

Вт;

10. Коэффициент обратной связи

11. Напряжение обратной связи

12. Входное сопротивление автогенератора

Ом;

13. Постоянная составляющая тока базы

мкА;

14. Смещение на базе

В.

3.3 Расчет элементов колебательного контура

Элементы колебательного контура должны быть рассчитаны так, чтобы обеспечивалось найденное ранее сопротивление нагрузки автогенератора  при рассчитанном значении коэффициента обратной связи К. Характеристическое сопротивление колебательного контура r выберем равным 200 Ом. Примем добротность ненагруженного контура Q_XX= 120, то при передаче в нагрузку 10 - 20 процентов колебательной мощности автогенератора нагруженная добротность Q_H будет

Q_H = Q_XX (1 - h_K) = 120 (1 - 0,1) = 108

1. Коэффициент включения контура в коллекторную цепь

.

2. Реактивное сопротивление между коллектором и эмиттером

Ом,

пФ.

3. Реактивное сопротивление между базой и эмиттером

Ом,

нФ.

4. Реактивное сопротивление между базой и коллектором

Ом,

мкГн,

Ом,

пФ.

Сопротивление R₃ входит в контур и поэтому шунтирует его, чтобы этого не происходило нужно взять его величину значительно большей, чем сопротивление коллекторной нагрузки, т.е. выбираем R₃=2,8 кОм.

3.4 Расчет цепи автосмещения

Зададимся величиной

, , В.

Из выражения для напряжения смещения в установившемся режиме

 найдем значения R₁ и R₂.

кОм.

Следует убедиться в том, что невозможен режим прерывистой генерации:

.

2,64 × 10^-6 < 3,19 × 10^-5.

3.5 Расчет частотного модулятора

 МГц, МГц - диапазон изменения частоты ГУНа;

 МГц - средняя частота автогенератора;

 кГц - ширина спектра радиочастот передаваемого сигнала;

Гц, индекс модуляции , девиация частоты на выходе передатчика Гц.

Гц - девиация частоты на выходе автогенератора.

3.5.1 Расчет частотного модулятора по сигналу

Расчет ведем исходя из следующих величин:

- добротность нагруженного контура;

 В - напряжение питания;

 пФ - емкость контура автогенератора;

- амплитуда высокочастотного колебательного напряжения на контуре;

- коэффициент гармоник;

 - показатель степени для "резкого" перехода.

1. Выбираем варикап КВ110А. Его параметры: пФ (при В); добротность  (f = 50 МГц, В);  - коэффициент перекрытия по емкости; допустимое напряжение смещения В;  В;

2. Относительная девиация частоты

;

3. Необходимое изменение емкости конура для получения заданной девиации частоты

Ф;

4. Напряжение смещения на варикапе Е_см = 4 В, при этом смещении емкость варикапа С₀ = 15 пФ;

5. Сопротивление делителя напряжения при токе делителя

I_дел = 1000 × I_обр = 1 мА,

где I_обр - обратный ток варикапа, равный 1 мкА

кОм,

отсюда выбираем R₆ = 6 кОм, R₇ = 3 кОм.

6. Для ослабления факторов, дестабилизирующих частоту генерации выбираем наименьший коэффициент включения варикапа в контур

,

откуда

;

7. Постоянная составляющая емкости, вносимой варикапом,

С = p × С₀ = 0,035 × 15 = 0,525 пФ;

8. Необходимое изменение емкости варикапа в процессе модуляции

пФ;

9. Емкость конденсатора связи

пФ;

10. Амплитуда высокочастотного напряжения на варикапе

В;

11. Нормированная амплитуда модулирующего сигнала

;

12. Амплитуда модулирующего напряжения на варикапе

В;

13. Проверка режима работы варикапа

В < Е_см = 4 В;

14. Коэффициент паразитной амплитудной модуляции

15. Коэффициент нелинейных искажений

,

где

Допустимые нелинейные искажения не более 10%.

3.5.2 Расчет варикапа для перестройки частоты по диапазону

Для перестройки ГУНа от f_Н до f_В необходимо изменять емкость контура, для этого параллельно к емкости С₃ (главная составляющая общей емкости контура) через емкость связи подключим варикап (см. рис.10).

Определим, как изменяется общая емкость колебательного контура: на частоте  МГц она составит пФ, а на частоте  МГц она возрастет до пФ, т.е. варикап должен обеспечить изменение емкости контура на 2,2 пФ.

При параллельном подключении варикапа к емкости С₃ необходимо изменять ее величину (при неизменных значениях остальных емкостей) в пределах  пФ.