Выбор кварцевого резонатора

По условию fокг=16МГц, тогда, параметры резонатора:

Задаемся

Вспомогательный параметр

Расчет параметров колебательной системы

1. Резистивное сопротивление кварцевого резонатора

1. Реактивное сопротивление по обходу колебательной системы

1. Произведение

1. Амплитуда напряжения на базе транзистора

1. Сопротивление шунтирующего резонатор резистора

Принимаем

1. Амплитуда первой гармоники тока через резонатор

1. Сопротивления конденсаторов колебательной системы

1. Емкости конденсаторов колебательной системы

Принимаем

1. Сопротивление индуктивности контура

1. Индуктивность контура

Принимаем

Эквивалентное сопротивление контура

Расчет энергетических параметров автогенератора

1. Нагруженная добротность контура

, где

Задаемся , тогда

1. Модуль коэффициента обратной связи

1. Амплитуда напряжения на коллекторе транзистора

1. Постоянное напряжение на коллекторе транзистора

выбирается из условия .

1. Проверка условия недонапряженного режима

1. Мощность, потребляемая транзистором от источника коллекторного питания

Поскольку вся мощность, отдаваемая транзистором, рассеивается на кварцевом резонаторе, то

1. Коэффициент полезного действия транзистора

1. Постоянная составляющая тока базы транзистора

1. Напряжение смещения на базе транзистора

1. Расчет сопротивления в цепи эмиттера транзистора

1. Расчет индуктивности дросселя

Принимаем

1. Напряжение источника коллекторного питания

1. Расчет делителя

Расчет делителя базируется на выполнении двух условий:

· должно быть исключено шунтирование колебательной системы АГ делителем;

· напряжение смещения между базой и эмиттером должно соответствовать расчетному значению.

Принимаем

ток, проходящий через . Чтобы базовый ток не влиял на величину смещения, целесообразно выбирать

Принимаем

Принимаем

1. Расчет емкости конденсатора в цепи эмиттера транзистора

Принимаем

1. Расчет емкости разделительного конденсатора

, тогда

Принимаем

Система синтеза частот

Описание схемы

В соответствии с техническим заданием ССЧ строится по схеме синтезатора с кольцом ФАП.

Генератор управляемый напряжением (ГУН) является источником выходных колебаний. В фазовом детекторе ФД происходит сравнение фазы колебаний, поступающих с выхода делителя с эталонного генератора ОКГ с фазой колебаний ГУН, прошедших через делитель с переменным коэффициентом деления ДПКД. При расстройке ГУН на выходе ФД возникают биения, при этом ФНЧ пропустит на управляющий вход ГУН их постоянную составляющую.

В этой схеме из сигнала ОКГ датчик опорных частот ДОЧ формирует набор частот кратных шагу сетки, при этом каждая следующая частота ДОЧ в 10 раз отличается от предыдущей, кроме этого формируется частота f_доп . Сигналы с ДОЧ поступают на умножители с переменными коэффициентами умножения.

Структурная схема ССЧ

В соответствии с заданием надо получить частоты от 550 до 630 МГц с шагом 0,5 МГц.

На схеме указаны нижние и верхние (в скобках) частоты и соответствующие им коэффициенты у СГ.

Усилитель мощности

1. Заданная выходная мощность составляет 80 Вт. Поэтому необходимо выбрать такое количество транзисторов для усилителя, чтобы их суммарная мощность была не меньше этого значения. В данном случае их количество будет равно 2. Рабочая частота выбранного транзистора не должна быть меньше верхней граничной частоты.

1. Расчет выходной цепи

a. Выбор используемого транзистора:

2Т-984А^* со следующими параметрами:

Pвых = 250 Вт

Рабочая частота

F = 1 ГГц

Допустимое значение рассеиваемой на коллекторе мощности

Pкдоп = 600 Вт

Максимально допустимое значение напряжения коллекторного питания

Ек max = 50 В

Максимально допустимое значение напряжения база-эмиттер

Uбэmax = 4 В

Максимально допустимое значение коллекторного тока

Ikmax = 16 А

Крутизна линии граничного режима

S_гр= 3 А/В

Индуктивность выводов

L_б = 0,01 нГн; L_э = 0,4 нГн; L_к = 0,5 нГн

Межэлектродные емкости

С_к= 60 пФ

Частота единичного усиления

fт = 1,4 ГГц

Сопротивления выводов

rб = 0,2 Ом; rэ = 0,06 Ом

Схема включения

Общая база

· Зададимся напряжением коллекторного питания Ек = 45В, что не превышает предельно допустимого значения. Мощность отдаваемая одним транзистором на выходе Р1 = 200 Вт. При угле отсечки θ = 90º можно получить амплитуду импульса коллекторного тока из выражения:

= 21,065 А

· Амплитуда переменного напряжения на коллекторе:

U_кm= E_к – u₀; u₀ = / S_гр ; u₀ = 21,065/ 3=7,02 В

U_кm = 37,978 В

· Амплитуда первой гармоники тока на выходе:

I_к1 = α₁ ; α₁ = 0.5

I_к1 = 0,5*21,065=10,532 А

· Амплитуда постоянной составляющей тока на выходе:

I₀ = α₀ ; α₀ = 0,318;

I₀ = 0,318*21,065=6,699 А

Постоянная составляющая тока стока не превосходит предельно допустимое значение.

· Мощность потребляемая транзистором от источника питания:

P₀=I_к0 E_к

P₀ =301,434 Вт

· КПД:

h = P1 / P0

h = 66,3 %

· Мощность рассеиваемая на коллекторе:

Pк=P0-P1

Pк =101,434 Вт

· Сопротивление нагрузки по первой гармонике:

R _э=U_кm/ I_к1

R э =37,978/10,532=3,6 Ом

Расчет входной цепи

β_i = 1/ α₁(1-cosθ)

ω_т = 2πfт

ω_т =8,796*10^9 рад/с

β_i = 2

• Rвх = rб + rэ

R вх =0,2+0,06=0,26 Ом

• R вх1 = β_i R вх

R вх1 =2*0,26=0,52 Ом

• Коэффициент усиления по мощности:

Kp(ω) = R_э/(R вх1*(1+(ωв/ ω_т )^2 ))

Kp(ω) = 5,767 Вт

• Входная мощность:

Pвх = P1/ Kp(ω)

Pвх = 200/5,767=34,682 Вт

1. Расчет входной согласующей цепи

• Входное сопротивление транзистора по первой гармонике:

Rвх1 = 0,52 Ом

Входная индуктивность:

Lвх = Lэ + Lб = 0,4+0,01=0,41 нГн

• Полоса пропускания:

Δω =502,7*10⁶ рад/с

• Неравномерность примем δ = 0,2 дБ
• Пусть число элементов в согласующей цепи будет четное и равное 2. Тогда из справочника имеем:

g0 = 1

g1 = 1,0378

g2 = 0,6745

g3 = 1,5386

Общая схема цепи имеет вид:

• Денормировка по Δω и R:

Rнор = Rвх1*g3 =0,8 Ом

g0=ρ = 75 Ом

g1 : C1 = g1/ Rнор* Δω =2,581 нФ

g2 : L2 = g2* Rнор /Δω = 1,074 нГн

g3=R3 = Rвх1 = 0,52 Ом

• Преобразование ФНЧ в ППФ:

ω0 = (ωв* ωн)^1/2 =3,699*10⁹ рад/с

Фильтр примет следующий вид:

Исходя из условия, что на резонансной частоте должно выполняться равенство:

1/ ω0*C = ω0*L

находятся значения емкостей и индуктивностей:

C2 =1/( ω0^2*L2)=68 пФ

L1 = 1/(ω0^2*C1)=0,028 нГн

• Трансформация сопротивления:

Коэффициент трансформации находится по формуле:

k² = ρ/g3*Rвх1

k = 9,682

Тогда конечная схема входной согласующей цепи будет иметь вид:

где:

C1=C1/ k² =25,81 пФ

L1=L1* k² =2,833 нГн

С21=C2/k =6,809 пФ

С22=-C2*(k-1)/ k² = -6,128 пФ

С23=C2*(k-1)/ k = 61,28 пФ

L2=1,074 нГн

C1=C1+C22=25,81-6,128=19,682 пФ

С2=С21=6,809 пФ

С3=С23=61,28 пФ

L1=2,833 нГн

L2=1,074 нГн

График коэффициента передачи входной согласующей цепи

График коэффициента отражения входной согласующей цепи

5. Расчет выходной согласующей цепи

• Общая схема выходной согласующей цепи будет подобна входной, то есть с n = 4 элементов. Значения для g будут те же. Схема имеет вид:

g0=1

g1=1.3028

g2=1.2814

g3=1.9761

g4=1.8468

g5=1.5386

Где g0 = Rэ, g5 = ρ, а g1 и g2 должны равняться выходной емкости и индуктивности транзистора соответственно.

• Денормировака по Δω и R:

Предполагается взять верхнюю граничную частоту больше, чем дано в задании, тогда увеличится и Δω.

Пусть Δω = 502,7*10⁶ рад/с.

Сопротивление нормировки будет равно:

Rнор = ρ*g5 = 115,35 Ом

Тогда имеем:

g0=Rэ=3,6 Ом

g1 = C1 = Cвых = 60 пФ

g2 = L2 = Lвых = 0,5 нГн

g3 = C3 = g3/Rнор* Δω =34,08 пФ

g4 = L4 = g4*Rнор/Δω =194,1 нГн

g5 = R5 = ρ = 75 Ом

• Преобразование ФНЧ в ППФ:

Схема будет иметь вид:

ω0 = (ωв* ωн)^1/2 = 3,699*10⁹ рад/с

Исходя из условия, что на резонансной частоте должно выполняться равенство:

1/ ω0*C = ω0*L

находятся значения емкостей и индуктивностей:

C2 = 146,2 пФ

C4 = 0,3765 пФ

L1 = 12,18 нГн

L3 = 2,145 нГн

• Трансформация сопротивления:

Так как Rэ меньше ρ, то необходимо ввести 2 трансформатора с коэффициентами связи, выбранными из условия:

Rнор * k1²/k2² = Rэ

k2=17

k1=3

Тогда схема примет следующий вид:

Где

C1 = C1* k2²/ k1²

C2 = C2* k2²

C3 = C3* k2*(k2-1)

C4 = C3*k2

C5 = -C3*(k2-1)

C6 = C4

L1 = L1*k1*(k1-1)/ k2²

L2 = L1*k1/ k2²

L3 = -L1*(k1-2)/ k2²

L4 = L2/ k2²

L5 = L3

L6 = L4

С1=0,187 пФ

С2=42250 пФ

С3=9270 пФ

С4=579,4 пФ

С5=-148300 пФ

С6=0.486 пФ

L1=-0.253 нГн

L2=0.0026 нГн

L3=-0,0008753 нГн

L4= 0,0000091нГн

L5=1,23 нГн

L6=9,245 нГн

• Расчет сумматора:

Эквивалентная схема сумматора представляет собой источник напряжения с внутренним сопротивлением, равным сопротивлению тракта, двух параллельно соединенных микрополосковых линий, нагруженных на сопротивления нагрузки, равные также сопротивлению тракта. Для развязки в линии включено балластное сопротивление, равное удвоенному сопротивлению нагрузки.

Схема имеет вид:

Параметры схемы:

Rг = 75 Ом

Rн = 75 Ом

Rб = 150Ом

Волновое сопротивление линии ρ = (2* Rг* Rн)^1/2 =106 Ом

Электрическая длина отрезка микрополосковой линии θ = 90º.

• Структурная схема усилителя мощности:

Фильтр

Фильтр представляет собой состыкованные по уровню -3 дБ ФНЧ и ФВЧ.

Для предотвращения возбуждения усилителя мощности входное сопротивление фильтра должно быть 75 Ом (сопротивление тракта, данное в задании).

Требование к фильтру: подавление третьей гармоники на 30 дБ.(L=30)

Расчет:

· Требуемая неравномерность не должна превышать 0,25 дБ. Выбираем δ = 0,2 дБ.

· Количество элементов в фильтре рассчитывается по формуле:

n = arch [(10^L/10 – 1)/(10^δ/10 – 1)] ^1/2 /arch [ω/ ω_ср]

где ω – частота подавления = 3ω_н

ω_ср = ω_в

После округления n = 4

Схема фильтра четного порядка для n = 4 имеет вид:

· Денормировка по частоте и сопротивлению:

C₁= C₁’/ ρ* ω_в

L₂ = L₂’* ρ/ ω_в

C₃= C₃’/ ρ* ω_в

L₄ = L₄’* ρ/ ω_в

C₁’=0,7717 1/ C₁’=1,2958

L₂’=1,4798 1/ L₂’=0,6758

C₃’=1,7893 1/ C₃’=0,5589

L₄’=1,4561 1/ L₄’=0,6868

C₁ = 1,84 пФ L1 = 40 нГн

L₂ = 39,6 нГн C2=1,85 пФ

C₃ = 4,26 пФ L3 =17,24 нГн

L₄ = 38,98 нГн C4 =1,876 пФ

Заключение

В данной работе были описаны и рассчитаны принципиальные схемы основных блоков транзисторного широкополосного передатчика. Рассчитаны характеристики и построена схема опорного кварцевого генератора. Кроме того, на уровне структурной схемы была разработана система синтеза частот с ФАП в требуемом рабочем диапазоне и шагом сетки частот. Для обеспечения заданного уровня мощности отдаваемой в нагрузку потребовалось соединение 4 усилительных элементов с согласующими цепями. Рассчитан фильтр с чебышевскими характеристиками. Также рассчитаны номиналы элементов принципиальных схем и построена общая схема передатчика.

Список использованной литературы

1. А. В. Митрофанов, В. В. Полевой, А. А. Соловьев. Устройства генерирования и формирования радиосигналов. Учебное пособие. Санкт-Петербург, 1999, ЛЭТИ

2. А. А. Соловьев. Автогенераторы гармонических колебаний и синтезаторы частоты. Учебное пособие. Санкт-Петербург, 2000, ЛЭТИ.