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.