Оконечный каскад однополосного связного передатчика

Уральский Государственный Технический Университет

Радиотехнический факультет

Кафедра Радиопередающих устройств

"Устройства формирования и генерирования сигналов"

"Оконечный каскад однополосного связного передатчика"

Екатеринбург 2004

Задание

 

Составить структурную схему однополосного связного передатчика, рассчитать режим оконечной ступени со следующими параметрами:

·  Диапазон рабочих частот 1,8-3,0 МГц;

·  Мощность 6,0 Вт;

·  Антенна провод длиной 20 м;

·  Подавление внеполосных излучений 40 дБ;

·  Питание от аккумуляторов устройство 12 В.

Рассчитать согласующее устройство оконечной ступени и пояснить назначение всех элементов схемы.

Содержание

 

Введение. 4

Расчетная часть. 5

1.1 Выбор и обоснование структурной схемы передатчика. 5

1.2 Выбор транзистора для выходной ступени передатчика. 5

2. Расчет режима оконечной ступени. 8

2.1 Расчет коллекторной цепи. 8

2.2 Расчет базовой цепи. 10

1.3 Расчет антенны.. 13

1.4 Расчет согласующей цепи оконечной ступени с антенной. 13

1.5 Конструктивный расчет параметров катушек. 14

Назначение элементов схемы.. 19

Заключение. 21

Введение

Радиопередающее устройство (РПУ) – необходимый элемент любой системы передачи информации по радио – будь то система радиосвязи, навигационная или телеметрическая системы. Параметры радиопередатчиков разнообразны и определяются конкретными техническими требованиями к системе передачи данных. РПУ представляет собой достаточно сложную систему, в состав которой входит высокочастотный тракт, модулятор для управления колебаниями высокой частоты в соответствии с передаваемой информацией, источники питания, устройства охлаждения и защиты. Связные коротковолновые (f=1,5-30 МГц) передатчики работают в режиме однополосной модуляции и используются для звуковой связи.

Расчетная часть 1.1 Выбор и обоснование структурной схемы передатчика

 

УНЧ – усилитель низкой частоты;

ОМ – однополосный модулятор (в который входит амплитудный модулятор и фильтр, выделяющий одну из боковых);

ПЧ – преобразователь частоты однополосно-модулированных колебаний;

Ф – фильтр для подавления побочных продуктов при преобразовании частоты;

Синт – источник необходимых поднесущих колебаний;

СЦ – согласующая цепь.

Сигнал с микрофона через предварительный усилитель низкой частоты попадает в однополосный модулятор, где сигнал модулирует некоторую промежуточную частоту (например, f1=128 кГц). Затем однополосный модулированный сигнал подается на преобразователь частоты и переносится на частоту f2, которую можно менять в некотором диапазоне. Затем однополосно-модулированный сигнал подается на оконечный усилитель и через согласующую цепь на антенну.

1.2 Выбор транзистора для выходной ступени передатчика

Мощность в фидере связного КВ передатчика, работающего в диапазоне 1,8-3,0 МГц равна 6,0 Вт. Т.к. между фидерным разъемом коллекторной цепью транзистора стоит цепь связи, на сопротивлениях потерь элементов цепи связи бесполезно теряется часть колебательной мощности, генерируемой транзистором. В зависимости от схемы цепи согласования, мощности и рабочей частоты передатчика величина КПД цепи связи h_ЦС = 0,7…0,9. Примем величину h_ЦС = 0,7. Мощность, на которую следует рассчитывать ГВВ, равна: Р₁ = Р_Ф/h_ЦС = 6 / 0,7 = 8,57 Вт.

Справочная величина мощности, отдаваемой транзистором, должна быть не менее 12 Вт.

В однополосных связных передатчиках используются биполярные транзисторы коротковолнового диапазона (1,5-30 МГц) с линейными проходными характеристиками. По диапазону частот и по заданной мощности можно выделить следующие транзисторы 2T951Б, 2Т955А, 2Т921А. 2Т951Б, 2Т955А.

При одинаковой выходной мощности ГВВ на этих приборах будут иметь разный КПД и коэффициент усиления по мощности. Из группы транзисторов нужно выбрать тот, который обеспечивает наилучшие электрические характеристики усилителя мощности.

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.

Коэффициент усиления по мощности К_Р зависит от ряда параметров транзистора – коэффициента передачи тока базы b_О, частоты единичного усиления

f_Tи величины индуктивности эмиттерного вывода L_Э. При прочих равных условиях К_Р будет тем больше, чем выше значение b_О, f _T и меньше L_Э.

Из приведенных транзисторов минимальный r_НАС у транзистора 2Т951Б.

r_НАС=2,4 Ом;

r_э=0 Ом;

r_б=3 Ом;

β₀=32;

f_т=194 МГц;

С_к=65 пФ;

С_э=600 пФ;

L_э=3,8 нГн;

U_кэ.доп=60 В;

U_бэ.доп=4 В;

I_к0=3 А;

E_отс=0,7В;

Диапазон рабочих частот – 1.5..30МГц;

P_Н=20 Вт;

Режим работы – линейный, <-30дБ.

2. Расчет режима оконечной ступени 2.1 Расчет коллекторной цепи

Определим коэффициент использования выходного напряжения (U_вых).

 

Возьмем угол отсечки (q) равным 90⁰, что обеспечит лучшую линейность амплитудных характеристик усилителя, тогда a₁(q) = 0,5; при Е_к=12В, ξ_гр получается комплексным, чтобы этого избежать увеличим Е_к.

При Е_к=28В ξ_гр получается равным 0,881, что обеспечивает приемлемый КПД.

Определим амплитуду напряжения между коллектором и эмиттером в граничном режиме:

U_кгр = Е_к·x_гр;

U_кгр = 28В·0,881 = 24,664 В.

Найдем первую гармонику тока коллектора:

Определим постоянную составляющую коллекторного тока:

Определим подводимую мощность P₀.

P₀ = E_к·I_к0,

P₀ = 28·0,443 » 12,417 Вт < P_доп = 1/2U_кэдоп ·I_к0доп = 0,5*36В*8А = 144 Вт.

Определим мощность, рассеиваемую в виде тепла:

P_к1 = P₀ - P₁,

P_к1 = 12,417 – 8,57 = 3,845 Вт.

Определим коэффициент полезного действия (h).

Определим сопротивление коллектора (R_к)

2.2 Расчет базовой цепи

Рассчитаем амплитуду тока базы:

где c = 1 + g₁(q) 2pf_ТC_кR_к

c = 1 + 0,5·2·3,14·100·10⁶·65·10^-12·35,484 » 2,15

Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов:

I_б0 = I _к0/b ₀

I_б0 = 0,934/26 = 0,014А;

I_э0 = I_к0 + I_б0

I_э0 = 0,443 + 0,014 = 0,475А.

Максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе, для того чтобы U_{бэ мах} было меньше с U_{бэ доп} R_д (сопротивление резистора, включенного по РЧ между базой и эмиттером) должно быть 8 Ом, но R_д>>r_β=0.034 Ом:

Напряжение смещения на эмиттерном переходе:

Для того чтобы не вводить отдельный источник питания для подачи отрицательного смещения, можно использовать схему с автосмещением. Если взять напряжение смещения по постоянному току 0,7В, то R_см=2,8 Ом; С_см=8,8 мкФ (X_Cсм на частоте 1,8 МГц должно быть много меньше R_см). U_ост=28В‑24,664В=3,336В => R₃=(U_ост/I_к0) – R_см=4,73 Ом.

R_кэ вычисляем зная I_б0, E_п и R_д. (Е_п-Е_б)/R_кэ=I_б0+Е_б/R_д R_кэ=R_д(Е_п-Е_б)/(I_б0R_д+Е_б)= =268,966 Ом.

Рассчитаем элементы схемы:

L_вхОЭ = 3,8·10^-9 + 3,8·10^-9/2,15+5·10^-9 » 10,567 нГн;

Входное сопротивление транзистора (Z_вх = r_вх + jX_вх):

δ=0,1; α₁=0,93; α₂=0,68.

Входная мощность:

Коэффициент усиления по мощности транзистора:

k_p = P₁/P_вх; k_p1 = 8,57/0,832=10,306; k_p2 = 8,57/0,924=9,276.

1.3 Расчет антенны

λ₁=с/f₁=3·10⁸м/с / 1,8·10⁶с^-1=166,67 м.

λ₂=с/f₂=3·10⁸м/с / 3·10⁶с^-1=100 м.

1.  Из конструктивных соображений выберем для антенны провод сечением 2 мм², соответственно радиус провода – 0,798 мм.

2.  Длина антенны значительно меньше длины рабочей волны , тогда волновое сопротивление антенны рассчитываем по формуле:

Ом

3.  Найдем входное сопротивление:

1.4 Расчет согласующей цепи оконечной ступени с антенной

Согласующая цепь должна включать в себя:

·  фильтр нижних частот, обеспечивающий затухание 40 дБ на частоте равной 2∙f_н, и 0дБ на частоте f_в, тогда будет обеспечено заданное подавление внеполосных излучений на всем рабочем диапазоне. Входное и выходное сопротивления равны R_к=35,48 Ом.

·  перестраиваемый трансформатор сопротивлений, обеспечивающий преобразование выходного сопротивления оконечного усилительного каскада к активному сопротивлению антенны.

·  перестраиваемое устройство, компенсирующее реактивную составляющую входного сопротивления антенны.

Фильтр нижних частот, удовлетворяющий выше указанным условиям, выбираем при помощи программы RFSim и трансформатор сопротивлений.

Т.к. реактивная составляющая входного сопротивления антенны меньше нуля, то антенну можно представить в виде последовательно соединенных конденсатора и резистора. Для компенсации реактивной составляющей входного сопротивления антенны, последовательно с антенной необходимо поставить катушку индуктивности такого же сопротивления (L=X_c/2πf). Соответственно, эта катушка должна быть перестраиваемой в пределах от 292/(2∙3,14∙1,8∙10⁶)=2,58∙10^-5 Гн до 89/(2∙3,14∙3∙10⁶)=4,72∙10^-6 Гн.

1.5 Конструктивный расчет параметров катушек

Порядок расчета.

1. Задаются отношением длины намотки катушки l к ее диаметру D (для катушек диаметром до 50 мм обычно берут l/D=0.5…0.8, а для больших катушек мощных каскадов l/D=1…2).

2. Диаметр провода катушки выбираем исходя из соображений ее допустимого нагрева:

где d – диаметр провода, [мм];

I – радиочастотный ток, [А];

ΔT – разность температур провода и окружающей среды, [К] (для катушек ГВВ принимают ΔT=40…50 К);

f – частота тока, [МГц].