Обоснование структуры радиопередатчика

Содержание

1. Введение.…………………………………………………………………………5

2. Расчет и обоснование структурной схемы передатчика ……………………...6

2.1 Обоснование структуры радиопередатчика..……………………………..6

2.2 Предварительные расчеты ………………………………………..………8

3. Расчет оконечного каскада……………….. ……………………………………10

3.1 Принцип работы усилителя модулированных колебаний (УМК) и

предварительные расчеты ………………………………………….…..…10

3.2 Выбор транзистора…………..……………………………………………..11

3.3 Принципы расчета каскада на максимальную мощность……………….12

3.4 Вопросы теории электрического расчета цепи базы…………………….12

3.5 Энергетический расчет каскада на максимальную мощность…………..15

3.6 Энергетический расчет нагрузочной системы выходного каскада..........20

3.7 Компенсация паразитной выходной емкости транзистора

оконечного каскада………………………………………………………...23

3.8 Конструктивный расчет элементов нагрузочной системы……………...26

3.9 Уточнение принципиальной схемы каскада……………………………...28

4. Расчет модулируемого каскада………………………………………................33

4.1 Теория базовой модуляции и предварительные расчеты………………..33

4.2 Выбор транзистора…………………………………………………………34

4.3 Энергетический расчет каскада на максимальную мощность…………..35

4.4 Энергетический расчет нагрузочной системы модулируемого каскада..36

4.5 Компенсация паразитной выходной емкости транзистора и входной

емкости оконечного каскада………………………………………………36

4.6 Расчет СМХ всего передатчика…………………………………………...38

4.7 Распределение параметров входной цепи модулируемого каскада и

определение свойств СМХ………………………………………………...41

4.8 Уточнение принципиальной схемы каскада………………………..…….42

5. Расчет умножителя частоты…………………………………………………….45

5.1 Теоретические сведенья и предварительные расчеты………………….45

5.2 Выбор транзистора………………………………………………………..46

5.3 Энергетический расчет каскада умножителя…………………………..46

5.4 Электрический расчет нагрузочной системы умножителя……………48

5.5 Уточнение принципиальной схемы каскада……………………………49

6. Расчет задающего кварцевого автогенератора………………………………..51

6.1 Выбор схемы автогенератора……………………………………………51

6.2 Выбор транзистора……………………………………………………….52

6.3 Электрический расчет автогенератора ………………………………....54

7. Заключение………………………………………………………………………58

Список использованной литературы……………………………………………...59

Приложение 1 - Схема электрическая принципиальная …………..……………60

Приложение 2 - Перечень элементов ….………………………………................61

Приложение 3 - Схема структурная………………………………………………63

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Техника радиопередающих устройств развивается непрерывно и интенсивно. Это обусловлено определяющей ролью передатчиков в энергопотреблении, качестве работы, надежности, стоимости радиосистем передачи и приема информации, радиоуправления (радиосвязь, радиовещание и телевиденье, радионавигация и др.)

Диапазон УКВ обладает огромной информационной емкостью и поэтому его используют для передачи широкополосных сигналов, в частности, для связи.

Применение транзисторов в передатчиках способствует повышению надежности устройств по сравнению с ламповыми аналогами, однако, полупроводники обладают гораздо меньшей радиационной устойчивостью. Требования, которым должен удовлетворять передатчик- простота схемного использования, дешевизна, надежность, минимум искажений, а также высокий КПД. На основе этих требований был спроектирован, описываемый ниже, радиопередатчик.

Радиопередающими называют устройства, предназначенные для выполнения двух основных функций – генерации электромагнитных колебаний высокой и сверхвысокой частоты и их модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Мы будем использовать, как требуется по ТЗ, базовую модуляцию смещением, требующую меньшую мощность от источника модулирующего сигнала.

РАСЧЕТ И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

ПЕРЕДАТЧИКА

 

Обоснование структуры радиопередатчика

 

В начале проектирования необходимо составить структурную схему все­го тракта радиочастоты передатчика. На первом этапе схема является ориен­тировочной. В процессе выполнения работы, когда рассчитывается большинство каскадов передатчика, иногда в структурную схему приходится вносить некоторые изменения.

Если передатчик предназначен для амплитудно-модулированного веща­ния, он содержит модулируемый каскад. Этот каскад является почти обыч­ным усилителем высокочастотных колебаний, однако, их амплитуда на выхо­де пропорциональна величине модулирующего сигнала. Модулируемый кас­кад рекомендуется делать оконечным, т.к. при данном виде модуляции от транзистора требуется почти четырёхкратный запас по мощности, по сравне­нию с обычным усилительным каскадом. Число каскадов с большим запасом по мощности стремятся уменьшать, т.к. иначе происходит удорожание изде­лия. Именно поэтому выгоднее всего производить модуляцию оконечного каскада.

Разрабатываемый радиопередатчик по ТЗ должен содержать модулируе­мый каскад, в котором применена базовая амплитудная модуляция. Этот вид модуляции обладает невысокой энергетической эффектностью, однако тре­бует от источника модулирующих колебаний гораздо меньшую выходную мощность. Из теории модуляторов известно, что при базовой модуляции не­возможно получить коэффициенты модуляции, больше 0,6 без заметных ис­кажений, что является существенным недостатком использования базовой модуляции. Чтобы получить требуемый по ТЗ коэффициент модуляции 0.8, необходимо использовать, кроме каскада базовой модуляции, оконечный кас­кад - УМК с определенным выбором угла отсечки коллекторного тока. Это приведёт к увеличению коэффициента модуляции сигнала на выходе УМК, по сравнению с входным сигналом, полученным после базовой модуляции. Таким образом, прорисовывается структура передатчика: оконечный каскад -УМК, а модулируемый каскад будет предоконечным.

В качестве возбудителя колебаний будем использовать автогенератор с кварцевой стабилизацией частоты. Частота кварцевого резонатора для полу­чения относительной нестабильности не | должна превышать 10 МГц. Следовательно, для получения на выходе колебаний с требуемой частотой передатчик должен содержать задающий кварцевый автогенератор с частотой, не превышающей указанного выше значения, и умножитель час­тот. Использование в автогенераторе частоты, отличающейся от излучае­мой, ведет к значительному снижению паразитных обратных связей и наво­док. Это связано с тем, что мощность излучения в сотни раз превосходит мощность автогенератора и на одинаковой частоте мощные излучённые коле­бания, вполне вероятно, могут «просачиваться» в автогенератор, даже при его экранировании.

Все каскады, стоящие между автогенератором и антенной являются уси­лительными. К ним относятся: умножитель частоты, модулируемый каскад и усилитель модулированных колебаний. В основном, активный элемент (в на­шем случае применены биполярные транзисторы) в усилительных каскадах включают по схеме с общим эмиттером (ОЭ), т.к. такое включение обеспечи­вает максимальный коэффициент усиления по мощности. Однако возможно применение и других вариантов включения АЭ. Одним из основных альтер­нативных способов включения является каскодная схема (два транзистора включаются последовательно по схеме с общей базой (ОБ) и (ОЭ)). В этом случае от каскада возможно получение больших коэффициентов усиления по мощности без опасности его самовозбуждения. В нашей работе применение специальных схем включения не потребуется и во всех каскадах будет при­менено включение АЭ по схеме с ОЭ.

Между каскадами включены резонансные нагрузочные системы, кото­рые служат для селекции нужной гармоники коллекторного тока, а также для трансформации входного сопротивления последующего каскада в сопротивление нагрузки предыдущего каскада, являющееся критическим с точки зре­ния максимальной выходной мощности. Кроме того, выбранный тип цепей согласования осуществляет развязку каскадов по постоянному току.

По ТЗ предполагается самостоятельный выбор способа связи с антенной. Наиболее реально предположить, что передача энергии от передатчика к ан­тенне будет осуществляться по коаксиальному кабелю, т.к. для используемой рабочей частоты подойдёт только такой вид фидера: частота слитом высока, чтобы передавать колебания по обычной двухпроводной линии (вследствие больших потерь) и недостаточна для передачи энергии по волноводу (из-за невозможности реализации низкочастотного волноводного тракта, в связи с наличием критической длины волны в волноводе). Выберем для использова­ния одну из распространенных марок коаксиального кабеля - РК-50. Этот ка­бель имеет волновое сопротивление 50 Ом. Для полной отдачи энергии в ан­тенну необходимо согласование волнового сопротивления фидера с входным сопротивлением излучателя» иначе в подводящем тракте возможно поте­ние, наряду с падающей водной, волны отраженной от входа антенны, что может привести к уменьшению суммарной амплитуды колебаний в излучателе. Согласование означает равенство активного сопротивления антенны вол­новому сопротивлению используемого кабеля. При этом реактивное сопротивление антенны должно отсутствовать. Из сказанного следует считать- со­противление нагрузки каскада равно 50 Ом.

 

 

2.2 Предварительные расчёты

 

Перейдем от описания структурной схемы к предварительным расчетам, которые потребуются при дальнейшем проектировании.

Исходя из заданной длины волны, определим частоту выходных колеба­ний (частоту несущей):

.

Считая, что по техническому заданию дана средняя излучаемая в про­странство мощность, определим мощность на выходе в режиме молчания. Известно, что мощность в режиме молчания отличается от средней мощно­сти, т.к. в среднем имеется непрерывная модуляция с некоторым среднеста­тистическим коэффициентом модуляции, который, согласно [1], рекоменду­ется брать равным 0,3 - 0,4.

.

Тогда максимальная (пиковая) мощность, которая должна излучаться в пространство:

В связи с тем, что полученная от оконечного каскада передатчика мощ­ность не вся дойдет до антенны, так как имеются затухания в нагрузочном контуре каскада и в фидере (подводящей линии), требование к максимальной выходной мощности оконечного каскада следует усилить, учитывая вышена­званные потери. Итак, максимальная мощность, требуемая от оконечного каскада радиопередатчика с учетом затухания:

где к_ПЗ=1,2- коэффициент производственного запаса,

Рвых мах- заданная максимальная мощность в антенне,

- к.п.д. контура и фидера соответственно.

В [1] рекомендуется на этапе предварительного составления структурной схемы распределить усиление по каскадам для определения оптимального чием каскадов усиления с целью обеспечения требуемой мощности в антенне при определенной малой мощности задающего автогенератора. Однако точ­ное число каскадов окажется известно лишь после точного расчета коэффициента усиления каждого из них. Поэтому в данной работе предварительное распределение усиления по каскадам производить не будем, а будем придер­живаться в данном отношении следующей методики: после точного расчета коэффициентов усиления по мощности оконечного каскада, модулируемого каскада и умножителя частоты, станет известно, потребуется ли еще одни каскад усиления мощности или нет. Если мощность возбуждения умножителя будет превышать рекомендуемую выходную мощность задающего автогене­ратора, необходимо будет ввести ещё один резонансный усилительный кас­кад между модулируемым каскадом и умножителем частоты, после чего по­требуется произвести перерасчет всего умножителя частоты.

На этом этап выбора структуры радиопередатчика заканчивается. Струк­турная схема передатчика приведена на рисунке 2.1.

	М

А

 

 

Рисунок 2.1

КГ - кварцевый автогенератор,

МК - модулируемый каскад,

nF - умножитель частоты,

УМК - усилитель модулированных колебаний,

М - модулятор,

А - антенна,

- информационный сигнал.

 

 

3 РАСЧЁТ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА