Связные радиопередающие устройства с частотной модуляцией

Связные радиопередающие устройства (РПУ) с частотной модуляцией (ЧМ) проектируются для работы на одной фиксированной частоте или в диапазоне частот. В первом случае рабочая частота стабилизируется кварцевым резонатором, а для генерации ЧМ колебаний могут быть использованы как прямой метод управления частотой, так и косвенный. Структурная схема передатчика с использованием прямого метода ЧМ изображена на рис.1.

Рис.1 Структурная схема передатчика с прямой ЧМ

Модулирующее напряжение U подается на варикап, с помощью которого модулируется по частоте кварцевый автогенератор (КГ). Кварцевый генератор работает на частотах 10-15 МГц, затем его частота умножается в n раз до рабочего значения, сигнал подается на усилитель мощности (УМ) и через цепь связи в антенну.

Косвенный метод ЧМ основан на преобразовании фазовой модуляции (ФМ) в частотную при помощи введения в схему интегрирующего звена, т.е. фильтра низких частот (ФНЧ). Структурная схема передатчика с использованием косвенного метода получения ЧМ изображена на рис.2.

Рис.2 Структурная схема передатчика с использованием косвенного метода ЧМ.

В качестве возбудителя диапазонного передатчика с ЧМ используется синтезатор сетки дискретных частот, ведомый генератор которого управляется двумя варикапами (рис.3).

Рис.3 Структурная схема ЧМ передатчика с синтезатором частоты

Для построения нашего связного передатчика воспользуемся подобной схемой, но уточним состав и количество входящих в неё блоков.

В качестве возбудителя диапазонного передатчика с ЧМ используется синтезатор сетки дискретных частот, ведомый генератор которого управляется двумя варикапами (рис.3). На варикап VD1 подается модулирующее напряжение U, на варикап VD2 - управляющее напряжение системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Разделение функций управления объясняется тем, что девиация частоты под влиянием модулирующего сигнала относительно невелика (3-5 кГц) в сравнении с диапазоном перестройки ведомого генератора (ГУН) управляющим сигналом с выхода системы ФАПЧ. Поэтому варикап VD1 связан с колебательным контуром ГУНа значительно слабее, чем VD2. Шаг сетки частот на выходе передатчика в зависимости от рабочего диапазона может быть 5; 10; 12,5; 25 кГц.

Для повышения устойчивости необходимо, чтобы оконечный усилитель как можно меньше влиял на работу ГУНа, поэтому производят их развязку по частоте введением в структуру передатчика умножителя частоты. В таком случае шаг сетки синтезатора уменьшается в n раз, где n - коэффициент умножения частоты умножителя.

В данном курсовом проекте проведен анализ диапазонного передатчика ЧМ. В пояснительной записке представлены электрические расчеты оконечного каскада, цепи связи с фидером, автогенератора и частотного модулятора, приведены конструктивные расчеты оконечного каскада и цепи связи с фидером. К пояснительной записке прилагаются чертежи с изображениями полной электрической схемы и конструкцией оконечного каскада передатчика.

1. Расчет оконечного каскада

1.1 Выбор транзистора

Мощность в фидере связного передатчика, работающего в диапазоне 160 - 180 МГц, равна 8 Вт. Примем величину КПД цепи связи: _ЦС = 0,7. Мощность, на которую следует рассчитывать оконечный каскад, равна:

Р_1макс = Р_Ф/_ЦС = 8/0,7 = 11,43 Вт.

Справочная величина мощности, отдаваемой транзистором, должна быть не менее 10 Вт.

Как правило, для генерации заданной мощности в нагрузке в определенном диапазоне частот можно подобрать целый ряд транзисторов. Из группы транзисторов нужно выбрать тот, который обеспечивает наилучшие электрические характеристики усилителя мощности.

При выборе типа транзистора усилителя мощности (УМ) учтем следующее:

для снижения уровня нелинейных искажений транзистор должен удовлетворят условию 3^. f_т/ в_о > f;

выходная мощность транзистора Р_вых > Р_1макс.

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.

Исходя из этих условий, выбираем транзистор 2Т909А, имеющий следующие параметры:

1. Параметры идеализированных статических характеристик:

сопротивление насыщения транзистора на высокой частоте r_нас 0,39 Ом;

коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ на низкой частоте (f>0) в_о= 32;

сопротивление базы r_б = 1,0 Ом;

сопротивление эмиттера r_э = 2,0 Ом;

2. Высокочастотные характеристики:

граничная частота усиления по току в схеме с ОЭ f_т =570 МГц;

емкость коллекторного перехода С_к = 30 пФ;

емкость эмиттерного перехода С_э = 244 пФ;

индуктивности выводов L_Б = 2,5 нГн, L_Э = 0,2 нГн, L_К = 2 нГн;

3. Допустимые параметры:

предельное напряжение на коллекторе U_{кэ доп} = 60 В;

обратное напряжение на эмиттерном переходе U_{бэ доп} = 3,5 В;

постоянная составляющая коллекторного тока I_{ко. доп} = 2 А;

максимально допустимое значение коллекторного тока I_{к. макс. доп}= 4 А;

диапазон рабочих частот 100 - 500 МГц;

4. Тепловые параметры:

максимально допустимая температура переходов транзистора t_{п. доп}= 160 єС;

тепловое сопротивление переход - корпус R_пк= 5 єС/Вт;

5. Энергетические параметры

P_вых = 17 Вт;

Е_к = 28 В;

= 45 - 75%;

К_р = 1,7;

Режим работы - класс В.

Т.к. УМ должен усиливать сигнал с минимальными искажениями, т.е. иметь линейную амплитудную характеристику, и, кроме того, возможно больший КПД, примем угол отсечки коллекторного тока = 90° (класс В). При этом

- коэффициенты Берга.

1.2 Расчет коллекторной цепи

1. Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе в критическом режиме

В

2. Максимальное напряжение на коллекторе

В

Т.к. не выполняется условие , необходимо уменьшить Е_k, выберем стандартное постоянное питающее напряжение равным 24 В. А также, если Е_k выбирать равным наибольшему предельно допустимому для данного типа транзистора, то следует ожидать существенного снижения его надежности из-за опасности пробоя.

Тогда

В

и В.

3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока

А

4. Постоянная составляющая коллекторного тока

А;

5. Максимальная мощность, потребляемая от источника коллекторного напряжения

Вт

6. КПД коллекторной цепи при номинальной нагрузке

7. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора

Вт

8. Сопротивление коллекторной нагрузки

Ом

1.3 Расчет входной цепи

1. Предполагается, что между базой и эмиттером активного элемента (АЭ) по радиочастоте включен резистор R_Д, предназначенный для устранения "перекосов" в импульсах коллекторного тока.

= 36,62 Ом

Между базой и коллектором включается R_ос

= 297,83 Ом

2 Коэффициент уменьшения коэффициента усиления по току:

,

== 2,27

Рис.4 Входная цепь АЭ

Амплитуда тока базы:

= 1,34 А

3. Максимальное обратное напряжение на закрытом эмиттерном переходе:

= 4,41 В

где E' - напряжение отсечки транзистора.

Т.к. U_{бэ. макс} > U_{бэ доп} = 3,5 В, необходимо уменьшить сопротивление R_д, чтобы выполнялось соотношение U_{бэ. макс} < U_{бэ доп}.

R_д =

R_д = 30,11 Ом, тогда U_{бэ. макс}=3,5 В.

4. Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов:

=20 мА

I_э0=I_ко+I_бо=0,63+0,02=0,65 А

5. Напряжение смещения на эмиттерном переходе

0,66 В

6. Эквивалентная схема входного сопротивления транзистора:

Рис.5 Эквивалентная схема входного сопротивления транзистора

2,6 нГн

,

где С_ка=0,5С_к барьерная емкость активной части коллекторного перехода

= 1,75 Ом,

28,6 Ом,

=0,31 нФ,

7. Резистивная и реактивная составляющие входного сопротивления:

2,06 Ом

-25,36 Ом

8. Входная мощность

= 1,85 Вт

9. Коэффициент усиления по мощности

= 6

После выполнения расчёта входной (базовой) и коллекторной цепи транзистора видно, что в выбранном режиме транзистор может обеспечить требуемую мощность 8 Вт на выходе передатчика с K_p = 6, имеет при этом достаточно высокий КПД 76%.

2. Расчет цепи согласования оконечного каскада с нагрузкой

2.1 Расчет цепи согласования

При расчете коллекторной цепи оконечного каскада получили сопротивление коллекторной нагрузки R_{эк. ном} = 23,61 Ом. К такому сопротивлению необходимо трансформировать сопротивление фидера R_ф = 50 Ом, который является нагрузкой разрабатываемого оконечного каскада.

Так как коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот передатчика K_f = = 1,13 < 1,1 - 1,2, в качестве цепи согласования можно использовать простые Г, П, Т-образные четырехполюсники, т.к во-первых они обеспечивают лучшую фильтрацию высших гармоник, а во-вторых такую колебательную цепь легче выполнить конструктивно, в-третьих при структуре ФНЧ выходная емкость и индуктивность выводов транзисторов достаточно просто включаются в LC-элементы трансформирующих цепочек или образуют дополнительные Г-цепочки.

Выберем в качестве цепи согласования П-образный четырехполюсник.

Рис.6 Схема согласующей П-цепочки.

Рассчитаем значения элементов согласующей цепи.

Согласующую П-образную цепочку можно представить как две последовательно соединенных Г-образных цепочек. Правая цепочка (Г₂) трансформирует R₂ в некоторое сопротивление R₀, а левая (Г₁) - R₀ в R₁, где R₀ должно быть меньше в 2 - 5 раз R₁ и R₂.

Примем R₀ равным R₁/2 = 11,8 Ом.

Рассчитаем Г₁:

1. Добротность

;

2. Значения элементов С₁ и L₁

пФ,

мкГн.

Рассчитаем Г₂:

1. Добротность

;

2. Значения элементов С₁ и L₁

пФ,

мкГн.

мкГн.

Исходя из приведенных расчетов добротность нагруженного П-контура: Q 3. Определим коэффициент фильтрации высших гармоник:

,

где n = 2 - номер гармоники.

дБ

На второй гармонике рабочего диапазона частот данная П-образная цепь обеспечивает затухание примерно 14 дБ, что не соответствует техническому заданию, следовательно, необходимо после цепи согласования поставить фильтр нижних частот, обеспечивающий подавление гармоники на 36 дБ.

2.2 Расчет фильтрующей цепи

Заданную фильтрацию гармоник фильтрующая цепь должна обеспечить в рабочем диапазоне частот передатчика при заданном уровне колебательной мощности высоком КПД.

Исходные данные:

диапазон рабочих частот f_н = 160 МГц, f_в = 180 МГц;

R_н = W_ф = 50 Ом - сопротивление нагрузки;

К_{б. н} > 0,8 - допустимое значение коэффициента бегущей волны (КБВ) нагрузки;

К_{б. вх} > 0,7 - допустимое значение КБВ на входе фильтрующей цепи;

_доп = -50 дБ - допустимый уровень высших гармоник в нагрузке передатчика;

_цс = 19 дБ - дополнительное затухание, вносимое согласующей цепью;

_гN - относительный уровень высших гармоник напряжения (или тока) на выходе УМ.

Для рассматриваемого случая (одноактный УМ в критическом режиме):

.

Расчет проводится для наиболее значимой второй гармоники.

1. _г2 = -7,5 дБ при = 90⁰ ₂ = 0,212.

2. Как уже выше было сказано коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот передатчика K_f = 1,13.

3. Граничные частоты фильтра совпадают с соответствующими частотами f_н = 160 МГц, f_в = 180 МГц передатчика.

4. КБВ, который должна обеспечить колебательная система

.

5. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в полосе пропускания фильтрующей цепи

.

дБ.

6. Минимальное затухание, которое должен обеспечить фильтр в полосе задерживания

_фN > -_доп + _цс + _г2 = 50 - 14 - 7,5 = 28,5 дБ.

7. Нормированная частота в полосе задерживания (для ФНЧ)

_зN = = = 1,77.

8. При выборе схемы фильтра необходимо обеспечить малое входное сопротивление на частотах высших гармоник. В частности, для однотактного УМ ФНЧ должен начинаться с емкости. Для рассматриваемого случая _ф2 = (20 - 30) дБ и _з2 = (1,5 - 1,8) необходимо применить фильтр Кауэра (эллиптический), имеющий равноколебательную АЧХ в полосе пропускания и АЧХ с "всплесками" в полосе задерживания. Используя диаграмму для оценки порядка эллиптического ФНЧ и данные таблиц "Справочника по расчету фильтров" Р. Зааля, выбираем фильтр 4-го порядка С0408b-37 с = 0,0279 дБ, _з = 1,771353621, _ф = 28,1 дБ, коэффициентом отражения = 8%.

Рис.7 Схема эллиптического ФНЧ

Нормированные значения элементов фильтра:

С₁' = 0,642980 Ф

С₂' = 0,288778 Ф

С₃' = 1,344509 Ф

L₂' = 0,942820 Гн

L₄' = 0,750226 Гн

Для преобразования нормированных величин в реальные их необходимо умножить на коэффициент преобразования. Нормированная индуктивность и емкость умножаются на постоянные К_L и К_С, которые вычисляем с помощью следующих формул:

,

где все величины выражены в генри, фарадах, омах и герцах.

Вычисляем требуемые значения элементов фильтра:

С₁ = С₁'^. K_C = 11,37038 пФ

С₂ = С₂'^. K_C = 5,106716 пФ

С₃ = С₃'^. K_C = 23,77614 пФ

L₂ = L₂'. K_L = 41,6818 нГн

L₄ = L₄'. K_L = 33,16727 нГн

Для рассчитанного ФНЧ с помощью пакета схемотехнического моделирования OrCAD9.1 был получен график АЧХ, приведенный на рис.8.

Рис.8 АЧХ согласующей и фильтрующей цепочек

Из приведенного графика АЧХ видно, что согласующая П-образная цепь и фильтр обеспечивают фильтрацию высших гармоник примерно на 52 дБ, что удовлетворяет требованию технического задания.

Произведем конструктивный расчет катушек L₂ и L₄.

Главной задачей данного конструктивного расчёта является расчёт геометрии катушек индуктивности входящих в состав выходного фильтра.

Это необходимо для выполнения помимо требований к заданной индуктивности, высокой добротности, определённой стабильности, также и требований к электрической прочности, допустимого нагрева, механической прочности и т.д.

В транзисторных ступенях благодаря низким значениям постоянного и переменного напряжений электрическую прочность обеспечить не трудно: расстояния в несколько десятых долей миллиметра между витками достаточно, чтобы напряжённость поля не превышала допустимую: 500 - 700 В/мм по воздуху и 250 - 300 В/мм по поверхности керамического или другого подобного каркаса.

Вместе с тем ток радиочастоты, протекающий по катушке, может достигать большой величины и вызвать её значительный нагрев.

Приближенно можно считать, что действующее на LC - элементах напряжения и токи в 3 - 5 раз больше номинальных значений напряжения и тока в нагрузке R_н.

Действующее значение тока в нагрузке:

А.

Действующее значение напряжения на нагрузке:

В.

Исходя из выше сказанного действующие напряжения и тока на LC - элементах не превосходят:

А,

В,

В.

1. Уточним расчетные значения индуктивностей с учетом размагничивающего влияния близко расположенных проводников, деталей конструкции, каркаса и стенок блока:

мкГн,

нГн,

нГн.

2. Выберем диаметр провода катушки исходя из соображений ее допустимого перегрева.

Для цилиндрической катушки с естественным (конвекционным) охлаждением:

,

где = 40 К - разность температур провода и окружающей среды.

Примем d = 0,9 мм

3. Шаг намотки:

мм.

4. Число витков спирали катушки:

,

где D - диаметр намотки катушки, см;

F - коэффициент формы катушки, зависящий от отношения длины намотки катушки l к ее диаметру D. Для катушек диаметром до 5 см обычно берут = 0,5 - 0,8. Примем = 0,5 Тогда из графика для коэффициента формы катушки (рис.9) F = 13.10^-3.

Рис.9 График зависимости коэффициента формы катушки

Поскольку величины D, , выбираются произвольно, необходимо проверить правильность выбора - должно выполнятся равенство . При совпадении результатов с точностью + (5 - 7)% расчет можно считать законченным.

Для L: D = 2,3 мм, l = 1,15 мм, N = 1 виток;

Для L₂: D = 3 мм, l = 2,6 мм, N = 1 виток;

Для L₄: D = 2,4 мм, l = 1,2 мм, N = 1 виток.

3. Расчет ГУН

Зададимся величиной

, , В.

Из выражения для напряжения смещения в установившемся режиме

найдем значения R₁ и R₂.

кОм.

Следует убедиться в том, что невозможен режим прерывистой генерации:

.

2,64 10^-6 < 3,19 10^-5.

3.5 Расчет частотного модулятора

МГц, МГц - диапазон изменения частоты ГУНа;

МГц - средняя частота автогенератора;

кГц - ширина спектра радиочастот передаваемого сигнала;

Гц, индекс модуляции , девиация частоты на выходе передатчика Гц.

Гц - девиация частоты на выходе автогенератора.

3.5.1 Расчет частотного модулятора по сигналу