Расчёт входной (базовой) цепи.

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Дисциплина: Радиопередающие устройства систем мобильной связи

Тема: Однополосный связной передатчик КВ-диапазона

Выполнил студент гр. 43427/3 ____________________ Малов Д. А.

Руководитель, асс. ____________________ Сивчек И.В.

Санкт - Петербург

СОДЕРЖАНИЕ:

1. Техническое задание

2. Выбор структурной схемы

3. Преимущества применения однополосной модуляции в системах связи

4. Однополосный сигнал. Способ его формирования

5. Схема и расчёт оконечного каскада

6. Расчёт выходной согласующей цепи оконечного каскада

7. Расчёт предварительного каскада

8. Расчёт промышленного КПД передатчика

9. Общая схема передатчика

10. Заключение

11. Список используемой литературы

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ.

1. Тип передатчика: однополосный связной КВ-диапазона

2.Назначение: стационарные, возимые радиостанции сухопутной подвижной службы [1]

3. Номинальная мощность: 100 Вт

4. Полоса передаваемых частот: 2-12 МГц

5. Относительная долговременная нестабильность частоты: 40*10^-6

6. Ослабление мощности побочных излучений по отношению к мощности первой гармоники: - 40 дБ [1]

7. Коэффициент нелинейных искажений передатчика: ẟ3/ ẟ1 ≤ - 36 дБ [2]

8. Сопротивление фидера (нагрузка): 50 Ом

9. Тип нагрузки: несимметричная

10. Полоса частот звукового сигнала: 300-3400 Гц [2]

11. Ослабление пиковой мощности передатчика при изменении уровня входного сигнала на 10 дБ: - 3 дБ [1]

12. КБВ согласующих цепей: 0,8.

2. ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ.

Для решения данной задачи необходимо проанализировать техническое задание, по техническому заданию составить структурную схему будущего РПдУ. Структурная схема современного диапазонного передатчика с однополосной модуляцией должна строится так, чтобы снизить вероятность излучения паразитных колебаний и свести к минимуму число перестраиваемых цепей в промежуточных и оконечных каскадах передатчика.

Исходя из поставленных условий, нам, прежде всего, необходимо создать формирователь ОМ сигнала. После формирователя необходимо усилить сигнал, этим будет заниматься предоконечный усилитель, а также оконечный каскад. Предоконечный каскад необходим в силу того, что сигнал с формирователя имеет небольшую мощность и его необходимо усилить до сигнала требуемого оконечным усилителем. Также соединения каскадов необходимо обеспечить цепями согласования, которые будут входное сопротивление последующего каскада преобразовывать в сопротивление нагрузки предыдущего. С оконечного каскада промодулированный сигнал заданной мощности попадает на согласующую цепь, происходит согласование с антенно-фидерным устройством. Структурная схема передатчика приведена на рис.1.

Рисунок 1. Структурная схема радиопередатчика

где:

ФОПС - Формирователь однополосного сигнала,

ПУ1 - Предварительный усилитель,

СЦ - Согласующие цепи,

АЭ - Активный элемент.

Некоторые числа, обозначенные на рисунке, будут рассчитаны позднее.

3. ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ ОДНОПОЛОСНОЙ

МОДУЛЯЦИИ В СИСТЕМАХ СВЯЗИ.

Верхняя и нижняя боковые полосы содержат полную информацию о модулирующем сигнале. В то же время несущая частота не несет никакой информации о свойствах модулирующего сигнала. Поэтому сообщение можно передавать лишь на одной боковой полосе частот, не передавая несущую и вторую боковую полосу. Такая передача называется однополосной.

Главным и очевидным преимуществом однополосной связи является экономия спектра частот. При преобразовании модулирующего сигнала в однополосный ширина спектра, занимаемого сообщением, не изменяется, так как из

- модулирующий сигнал в общем виде

- для однополосной связи (ВПБ - верхняя боковая частота) видно, что спектр просто сдвигается в область несущей частоты . Поэтому при однополосной связи передается только полезная информация и мощность передатчика используется наиболее рационально. Для однополосной передачи сигнала достаточна полоса частот по меньшей мере вдвое уже, чем для амплитудной модуляции. Это дает возможность увеличить число каналов связи.

Сужение полосы пропускания приемного устройства позволяет примерно в два раза снизить мощность помех на входе приемника, что эквивалентно увеличению мощности передатчика примерно в 2 раза.

Благодаря устранению из спектра несущей и одной боковой полосы ОМ передатчик при отсутствии передаваемого сигнала (например, при молчании перед микрофоном) не излучает, в то время как в обычных системах излучается несущая частота. Учитывая, что подобные паузы при радиотелефонной передаче составляют значительную часть времени работы, применение однополосной передачи дает дополнительный существенный энергетический выигрыш. Полный энергетический выигрыш по сравнению с обычной амплитудной модуляцией может составить до 10-15 раз.

Надо отметить, что все эти преимущества достигаются за счет существенного усложнения приемника системы связи. По этой причине однополосная модуляция не используется в радиовещании, но широко используется в разнообразных системах связи для передачи телефонной, телеграфной и графической информации.

4. ОДНОПОЛОСНЫЙ СИГНАЛ. СПОСОБ ЕГО ФОРМИРОВАНИЯ.

Для формирования ОП сигнала на практике обычно применяется фильтровый метод с поднесущими частотами (рис. 2). Из-за малого расстояния между нижней частотой модулирующего сигнала и несущей частотой, мы не можем непосредственно сформировать однополосный сигнал на несущей частоте; поэтому на практике формируется сигнал на поднесущей частоте (100-500 кГц) и потом с помощью несколько преобразований транспонируется к рабочей частоте.

Рисунок 2. Схема формирования однополосного сигнала

Надо заметить, что число преобразователей зависит от рабочей частоты и требований к качеству однополосного сигнала (характеризуемого коэффициентом нелинейности и коэффициентом подавления несущей частоты) на выходе формирователя.

Рассмотрим процесс формирования однополосного сигнала на поднесущей частоте.

К входу балансного модулятора одновременно подводятся напряжение передаваемого сигнала и напряжение несущей частоты. На выходе модулятора сохраняются только верхняя и нижняя боковые полосы. Для получения однополосного сигнала используется фильтр ,чтобы вырезать верхнюю или нижнюю полосу. [2]

Рисунок 3. Спектр передаваемого сигнала

Рисунок 4. Спектр сигнала с АМ

Рисунок 5. Спектр сигнала, содержащего 2 боковые полосы (с подавленной несущей) после балансного модулятора

Рисунок 6. Спектр однополосного сигнала после фильтра на промежуточной частоте

5. СХЕМА И РАСЧЁТ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА.

Оценим мощность на выходе оконечного каскада с учётом потерь в фидере в силу неидеальности последнего (потери учтены как КБВ и КПД согласующей цепи(фильтра гармоник)).

Используем формулу:

Зададим = 0,83, = 0,8.

Получим ≈ 150 Вт.

Таким образом, к фидеру должна подводиться максимальная мощность150 Вт.

Учитывая небольшую выходную мощность и несимметричный выход на фидер, оконечный каскад было решено строить по однотактной схеме с использованием биполярного транзистора в качестве активного элемента. Чаще всего применяется включение транзистора по схеме с ОЭ, т.к. это обеспечивает наибольший коэффициент усиления по мощности. Чтобы предотвратить нелинейные искажения, был выбран режим работы генератора с внешним возбуждением граничный класса B, при этом проходная характеристика транзистора должна быть линейной и угол отсечки коллекторного тока . Усилитель необходимо обеспечить входной и выходной согласующей цепочкой, а также обеспечить на резонансной частоте вещественное входное сопротивление. Согласование необходимо для трансформации выходного сопротивления одного контура во входное следующего, для получения максимальной мощности . Помимо этого, необходимо поставить дроссель по питанию, для исключения прохода переменного тока по цепи питания.

Транзистор выбирается такой, чтобы обеспечивать необходимую мощность, а также высокий коэффициент усиления и КПД. Основные параметры выбора транзистора:

1.)Транзистор должен отдавать необходимую мощность в нагрузку (P ≥ 150 Вт);

2.) Транзистор должен иметь частоту больше рабочей (f ≥ 12 МГц).

Возможные варианты транзисторов приведены на рис. 7 и 8. Исходя из этих требований, был выбран транзистор 2T9111А под номером 26 на рис. 7 и 8. Он имеет выходную мощность 150 Вт на частоте 30 МГц.

Рисунки 7 и 8. Таблица с параметрами биполярных транзисторов

Схема оконечного каскада представлена на рис. 9. [3]

Рисунок 9. Схема оконечного каскада радиопередатчика и выходной согласующей цепи

Расчёт производится на частоте 12 МГц по методике, указанной в [3].

Запишем коэффициенты Берга для :

α₀ = 0,319,

α₁ = 0,5,

γ₁ = 0,5.

Выберем E_к = 46 В, ,

Остальные параметры транзистора, используемые в расчётах, указаны на рис. 7 и 8.

Расчёт коллекторной цепи.

1. Амплитуда напряжения первой гармоники на коллекторе:

39,448 В.

2. Максимальное напряжение на коллекторе:

3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

4. Постоянная составляющая коллекторного тока:

5. Максимальный коллекторный ток:

6. Максимальная мощность, потребляемая от источника коллекторного питания:

7. КПД коллекторной цепи при номинальной нагрузке:

8. Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

118,259 Вт.

9. Эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки:

Расчёт входной (базовой) цепи.

1. Входное (дополнительное) сопротивление:

2. Сопротивление база-коллектор:

3. Промежуточный коэффициент χ:

4. Амплитуда тока базы:

5. Максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе:

6. Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов:

7. Входные индуктивности, ёмкости, активные сопротивления в эквивалентной схеме:

4,623 нГн,

8. Резистивная и реактивная составляющие входного сопротивления:

=

9. Входная мощность:

10. Коэффициент усиления по мощности:

11. Максимальная мощность, рассеиваемая на транзисторе:

На рис. 10 представлены динамические и статические характеристика транзистора, временная диаграмма работы ГВВ в граничном режиме класса B.

Рисунок 10. Временная диаграмма работы ГВВ в граничной режиме класса B

6. РАСЧЁТ ВЫХОДНОЙ СОГЛАСУЮЩЕЙ ЦЕПИ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА.

К входным, межкаскадным и выходным СЦ, устанавливаемым в ГВВ, предъявляется ряд требований: трансформация нагрузочных сопротивлений на основной частоте; обеспечение для выходных цепей определённого входного сопротивления, а для входных цепей - определённого выходного сопротивления на частотах высших гармоник; обеспечение заданных амплитудно- и фазочастотных характеристик; фильтрация побочных составляющих; возможность перестройки в рабочей полосе частот и при изменениях нагрузки. [3]

В качестве выходной согласующей цепи был выбран П-контур. Расчёт величин емкостей и индуктивности выполнен согласно методике, приведённой в [3], с учётом всех условий, принятых при расчётё оконечного каскада.

= ,

откуда

Тогда

Выполним проверку правильности расчёта:

7. РАСЧЁТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО КАСКАДА.

С учетом результатов расчёта оконечного каскада проведём расчёт предварительного каскада, у которого на входе реализуем делитель для напряжения. При этом выходная мощность предварительно каскада равна входной мощности оконечного каскада с учётом КПД и КБВ согласующей цепи.

Зададим = 0,83, = 0,8.

Амплитуду напряжения, поступающего на предварительный усилитель, положим равной Входное сопротивление предварительного каскада положим равным . Тогда мощность, поступающая с возбудителя на предварительный усилитель:

Можно видеть, что необходимо большое усиление. Практически невозможно реализовать такой усилитель по однотактной схеме на биполярном транзисторе. Поэтому целесообразно использовать двухтактную схему.

Т.к. передатчик широкополосный, выбран режим класса А работы транзисторов, т.е. .Ввиду двухтактности схемы необходимая мощность возбуждения делится пополам между двумя плечами усилителя. Один транзистор должен генерировать мощность:

Транзистор выбирается такой, чтобы обеспечивать необходимую мощность, а также высокий коэффициент усиления и КПД. Основные параметры выбора транзистора:

1.)Транзистор должен отдавать необходимую мощность в нагрузку (P ≥ Вт);

2.) Транзистор должен иметь частоту больше рабочей (f ≥ 12 МГц).

Возможные варианты транзисторов приведены на рис. 7 и 8. Исходя из этих требований, был выбран транзистор 2T965А под номером 6 на рис. 7 и 8. Он имеет выходную мощность 10 Вт на частоте 30 МГц.

Схема предварительного каскада представлена на рис. 11. [3]

Рисунок 11. Схема предварительного каскада с входной и выходной цепями согласования

Приведём небольшие пояснения к схеме:

Трансформатор T1 обеспечивает параллельное включение транзисторов. Трансформатор T2 в коллекторной цепи симметрирует напряжения основной частоты на коллекторах транзисторов и обеспечивает замыкание чётных гармоник коллекторных токов. Трансформатор Т3 осуществляет переход двухтактной схемы к несимметричной нагрузке Rdop, представляя собой выходную цепь согласования для предварительного каскада и входную цепь согласования для оконечного каскада. Коллекторное питание подаётся через блокировочные дроссели Lbl. Трансформаторы T3dop(1) и T3dop(2) фактически заменяют индуктивности проводников, которые соединяют коллекторы транзисторов с выходными зажимами Т3 в случае, если расстояние между транзисторами велико. На входе предварительного каскада также реализован делитель напряжения, перед которым стоит цепь согласования с формирователем однополосного сигнала.

Расчёт предварительного каскада производится для одного плеча на частоте 12 МГц по методике, указанной в [3].

Запишем коэффициенты Берга для :

α₀ = 0,406,

α₁ = 0,536,

γ₁ = 0,8.

Выберем E_к = 13 В, ,

Остальные параметры транзистора, используемые в расчётах, указаны на рис. 7 и 8.

Расчёт коллекторной цепи.

1. Амплитуда напряжения первой гармоники на коллекторе:

10,946 В.

2. Максимальное напряжение на коллекторе:

3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

4. Постоянная составляющая коллекторного тока:

5. Максимальный коллекторный ток:

6. Максимальная мощность, потребляемая от источника коллекторного питания:

7. КПД коллекторной цепи при номинальной нагрузке:

8. Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

6,888 Вт.

9. Эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки: