Оконечный каскад однополосного связного передатчика
СОДЕРЖАНИЕ: Расчет оконечного каскада передатчика и цепи согласования с антенной. Составление структурной схемы РПУ. Выбор структурной схемы передатчика и транзистора для выходной ступени передатчика. Расчет коллекторной и базовой цепи, антенны, параметров катушек.Уральский Государственный Технический Университет
Радиотехнический факультет
Кафедра Радиопередающих устройств
Устройства формирования и генерирования сигналов
Оконечный каскад однополосного связного передатчика
Екатеринбург 2004
Задание
Составить структурную схему однополосного связного передатчика, рассчитать режим оконечной ступени со следующими параметрами:
· Диапазон рабочих частот 1,8-3,0 МГц;
· Мощность 6,0 Вт;
· Антенна провод длиной 20 м;
· Подавление внеполосных излучений 40 дБ;
· Питание от аккумуляторов устройство 12 В.
Рассчитать согласующее устройство оконечной ступени и пояснить назначение всех элементов схемы.
Содержание
Введение. 4
Расчетная часть. 5
1.1 Выбор и обоснование структурной схемы передатчика. 5
1.2 Выбор транзистора для выходной ступени передатчика. 5
2. Расчет режима оконечной ступени. 8
2.1 Расчет коллекторной цепи. 8
2.2 Расчет базовой цепи. 10
1.3 Расчет антенны.. 13
1.4 Расчет согласующей цепи оконечной ступени с антенной. 13
1.5 Конструктивный расчет параметров катушек. 14
Назначение элементов схемы.. 19
Заключение. 21
Введение
Радиопередающее устройство (РПУ) – необходимый элемент любой системы передачи информации по радио – будь то система радиосвязи, навигационная или телеметрическая системы. Параметры радиопередатчиков разнообразны и определяются конкретными техническими требованиями к системе передачи данных. РПУ представляет собой достаточно сложную систему, в состав которой входит высокочастотный тракт, модулятор для управления колебаниями высокой частоты в соответствии с передаваемой информацией, источники питания, устройства охлаждения и защиты. Связные коротковолновые (f=1,5-30 МГц) передатчики работают в режиме однополосной модуляции и используются для звуковой связи.
Расчетная часть
1.1 Выбор и обоснование структурной схемы передатчика
УНЧ – усилитель низкой частоты;
ОМ – однополосный модулятор (в который входит амплитудный модулятор и фильтр, выделяющий одну из боковых);
ПЧ – преобразователь частоты однополосно-модулированных колебаний;
Ф – фильтр для подавления побочных продуктов при преобразовании частоты;
Синт – источник необходимых поднесущих колебаний;
СЦ – согласующая цепь.
Сигнал с микрофона через предварительный усилитель низкой частоты попадает в однополосный модулятор, где сигнал модулирует некоторую промежуточную частоту (например, f1=128 кГц). Затем однополосный модулированный сигнал подается на преобразователь частоты и переносится на частоту f2, которую можно менять в некотором диапазоне. Затем однополосно-модулированный сигнал подается на оконечный усилитель и через согласующую цепь на антенну.
1.2 Выбор транзистора для выходной ступени передатчика
Мощность в фидере связного КВ передатчика, работающего в диапазоне 1,8-3,0 МГц равна 6,0 Вт. Т.к. между фидерным разъемом коллекторной цепью транзистора стоит цепь связи, на сопротивлениях потерь элементов цепи связи бесполезно теряется часть колебательной мощности, генерируемой транзистором. В зависимости от схемы цепи согласования, мощности и рабочей частоты передатчика величина КПД цепи связи hЦС = 0,7…0,9. Примем величину hЦС = 0,7. Мощность, на которую следует рассчитывать ГВВ, равна: Р1 = РФ /hЦС = 6 / 0,7 = 8,57 Вт.
Справочная величина мощности, отдаваемой транзистором, должна быть не менее 12 Вт.
В однополосных связных передатчиках используются биполярные транзисторы коротковолнового диапазона (1,5-30 МГц) с линейными проходными характеристиками. По диапазону частот и по заданной мощности можно выделить следующие транзисторы 2T951Б, 2Т955А, 2Т921А. 2Т951Б, 2Т955А.
При одинаковой выходной мощности ГВВ на этих приборах будут иметь разный КПД и коэффициент усиления по мощности. Из группы транзисторов нужно выбрать тот, который обеспечивает наилучшие электрические характеристики усилителя мощности.
Коэффициент полезного действия каскада связан с величиной сопротивления насыщения транзистора – rНАС. Чем меньше его величина, тем меньше остаточное напряжение в граничном режиме и выше КПД генератора.
Коэффициент усиления по мощности КР зависит от ряда параметров транзистора – коэффициента передачи тока базы bО , частоты единичного усиления
fT и величины индуктивности эмиттерного вывода LЭ. При прочих равных условиях КР будет тем больше, чем выше значение bО, fT и меньше LЭ .
Из приведенных транзисторов минимальный rНАС у транзистора 2Т951Б.
rНАС =2,4 Ом;
rэ =0 Ом;
rб =3 Ом;
0 =32;
fт =194 МГц;
Ск =65 пФ;
Сэ =600 пФ;
Lэ =3,8 нГн;
Uкэ.доп =60 В;
Uбэ.доп =4 В;
Iк0 =3 А;
Eотс =0,7В;
Диапазон рабочих частот – 1.5..30МГц;
PН =20 Вт;
Режим работы – линейный, -30дБ.
2. Расчет режима оконечной ступени
2.1 Расчет коллекторной цепи
Определим коэффициент использования выходного напряжения (Uвых ).
Возьмем угол отсечки (q) равным 900 , что обеспечит лучшую линейность амплитудных характеристик усилителя, тогда a1 (q) = 0,5; при Ек =12В, гр получается комплексным, чтобы этого избежать увеличим Ек .
При Ек =28В гр получается равным 0,881, что обеспечивает приемлемый КПД.
Определим амплитуду напряжения между коллектором и эмиттером в граничном режиме:
Uкгр = Ек ·xгр ;
Uкгр = 28В·0,881 = 24,664 В.
Найдем первую гармонику тока коллектора:
Определим постоянную составляющую коллекторного тока:
Определим подводимую мощность P0 .
P0 = Eк ·Iк0 ,
P0 = 28·0,443 » 12,417 Вт Pдоп = 1/2Uкэдоп ·Iк0доп = 0,5*36В*8А = 144 Вт.
Определим мощность, рассеиваемую в виде тепла:
Pк1 = P0 - P1 ,
Pк1 = 12,417 – 8,57 = 3,845 Вт.
Определим коэффициент полезного действия (h).
Определим сопротивление коллектора (Rк )
2.2 Расчет базовой цепи
Рассчитаем амплитуду тока базы:
где c = 1 + g1 (q) 2pfТ Cк Rк
c = 1 + 0,5·2·3,14·100·106 ·65·10-12 ·35,484 » 2,15
Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов:
Iб0 = I к0 /b 0
Iб0 = 0,934/26 = 0,014А;
Iэ0 = Iк0 + Iб0
Iэ0 = 0,443 + 0,014 = 0,475А.
Максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе, для того чтобы Uбэ мах
было меньше с Uбэ доп
Rд
(сопротивление резистора, включенного по РЧ между базой и эмиттером) должно быть 8 Ом, но Rд
r
=0.034 Ом:
Напряжение смещения на эмиттерном переходе:
Для того чтобы не вводить отдельный источник питания для подачи отрицательного смещения, можно использовать схему с автосмещением. Если взять напряжение смещения по постоянному току 0,7В, то Rсм =2,8 Ом; Ссм =8,8 мкФ (XC см на частоте 1,8 МГц должно быть много меньше Rсм ). Uост =28В24,664В=3,336В = R3 =(Uост /Iк0 ) – Rсм =4,73 Ом.
Rкэ вычисляем зная Iб0 , Eп и Rд . (Еп -Еб )/Rкэ =Iб0 +Еб /Rд Rкэ =Rд (Еп -Еб )/(Iб0 Rд +Еб )= =268,966 Ом.
Рассчитаем элементы схемы:
LвхОЭ = 3,8·10-9 + 3,8·10-9 /2,15+5·10-9 » 10,567 нГн;
Входное сопротивление транзистора (Zвх = rвх + jXвх ):
=0,1; 1 =0,93; 2 =0,68.
Входная мощность:
Коэффициент усиления по мощности транзистора:
kp = P1 /Pвх ; kp 1 = 8,57/0,832=10,306; kp 2 = 8,57/0,924=9,276.
1.3 Расчет антенны
1 =с/f1 =3·108 м/с / 1,8·106 с-1 =166,67 м.
2 =с/f2 =3·108 м/с / 3·106 с-1 =100 м.
1. Из конструктивных соображений выберем для антенны провод сечением 2 мм2 , соответственно радиус провода – 0,798 мм.
2. Длина антенны значительно меньше длины рабочей волны 
, тогда волновое сопротивление антенны рассчитываем по формуле:
Ом
3. Найдем входное сопротивление:
1.4 Расчет согласующей цепи оконечной ступени с антенной
Согласующая цепь должна включать в себя:
· фильтр нижних частот, обеспечивающий затухание 40 дБ на частоте равной 2fн , и 0дБ на частоте fв , тогда будет обеспечено заданное подавление внеполосных излучений на всем рабочем диапазоне. Входное и выходное сопротивления равны Rк =35,48 Ом.
· перестраиваемый трансформатор сопротивлений, обеспечивающий преобразование выходного сопротивления оконечного усилительного каскада к активному сопротивлению антенны.
· перестраиваемое устройство, компенсирующее реактивную составляющую входного сопротивления антенны.
Фильтр нижних частот, удовлетворяющий выше указанным условиям, выбираем при помощи программы RFSim и трансформатор сопротивлений.
Т.к. реактивная составляющая входного сопротивления антенны меньше нуля, то антенну можно представить в виде последовательно соединенных конденсатора и резистора. Для компенсации реактивной составляющей входного сопротивления антенны, последовательно с антенной необходимо поставить катушку индуктивности такого же сопротивления (L=Xc /2f). Соответственно, эта катушка должна быть перестраиваемой в пределах от 292/(23,141,8106 )=2,5810-5 Гн до 89/(23,143106 )=4,7210-6 Гн.
1.5 Конструктивный расчет параметров катушек
Порядок расчета.
1. Задаются отношением длины намотки катушки l к ее диаметру D (для катушек диаметром до 50 мм обычно берут l/D=0.5…0.8, а для больших катушек мощных каскадов l/D=1…2).
2. Диаметр провода катушки выбираем исходя из соображений ее допустимого нагрева:
где d – диаметр провода, [мм];
I – радиочастотный ток, [А];
T – разность температур провода и окружающей среды, [К] (для катушек ГВВ принимают T=40…50 К);
f – частота тока, [МГц].
3. Выбирается шаг намотки (теоретические исследования и практика проектирования рекомендуют g=(1.3…1.5) d).
4. Число витков спирали катушки
,
где Lрасч – расчетное значение индуктивности, [Гн];
D – диаметр катушки, [мм];
F (l/D) – коэффициент формы катушки
Расчет.
Ток протекающий в катушке индуктивности Lбл1
это ток Iб0
=0,014А, ток протекающий в катушке индуктивности Lбл2
это ток Iк0
=0,443А, ток протекающий в катушках индуктивности фильтра, трансформатора сопротивлений и компенсирующей катушки будет не больше 
.
Соответственно, диаметры проводов катушек будут: 7,42 мкм; 0,235 мм 0,26 мм.
Расчет.
Блокировочные.
Катушка Lбл1 =5 мГн; d=0,01 мм; Iб0 =0,014А;
Внешний диаметр – 20,02 мм.
Внутренний диаметр – 20,01 мм.
Шаг между витками – 0,01 мм.
Длина катушки – 3,88 мм.
Длина провода – 24,39 м.
Количество слоев – 1.
Количество витков – 388.
Количество витков в слое – 388.
Количество витков в слое – 87.
Индуктивность – 4,993463 мГн.
Катушка Lбл2 =5 мГн; d=0,25 мм; Iк0 =0,443А;
Внешний диаметр – 23,5 мм
Внутренний диаметр – 21,75 мм
Шаг между витками – 1,75 мм
Длина катушки – 21,89 мм
Длина провода – 41,89 м
Количество слоев – 7
Количество витков – 613
Количество витков в слое – 87
Индуктивность – 5,002767 мГн.
Фильтр.
Катушка L1 =0,491 мкГн; d=0,3 мм; Iб0 =0,491А;
Внешний диаметр – 10,6 мм
Внутренний диаметр – 10,3 мм
Шаг между витками – 0,3 мм
Длина катушки – 1,5 мм
Длина провода – 0,16 м
Количество слоев – 1
Количество витков – 5
Количество витков в слое – 5
Индуктивность – 0,000441 мГн
Катушка L2 =2,29 мкГн; d=0,3 мм; Iб0 =0,491А;
Внешний диаметр – 10,6 мм
Внутренний диаметр – 10,3 мм
Шаг между витками – 0,3 мм
Длина катушки – 4,2 мм
Длина провода – 0,45 м
Количество слоев – 1
Количество витков – 14
Количество витков в слое – 14
Индуктивность – 0,00228 мГн
Катушка L3 =3,48 мкГн; d=0,3 мм; Iб0 =0,491А;
Внешний диаметр – 10,6 мм
Внутренний диаметр – 10,3 мм
Шаг между витками – 0,3 мм
Длина катушки – 5,7 мм
Длина провода – 0,61 м
Количество слоев – 1
Количество витков – 19
Количество витков в слое – 19
Индуктивность – 0,00354 мГн
Катушка L4 =3,73 мкГн; d=0,3 мм; Iб0 =0,491А;
Внешний диаметр – 10,6 мм
Внутренний диаметр – 10,3 мм
Шаг между витками – 0,3 мм
Длина катушки – 6 мм
Длина провода – 0,65 м
Количество слоев – 1
Количество витков – 20
Количество витков в слое – 20
Индуктивность – 0,0038 мГн
Катушка L5 =2,99 мкГн; d=0,3 мм; Iб0 =0,491А;
Внешний диаметр – 10,6 мм
Внутренний диаметр – 10,3 мм
Шаг между витками – 0,3 мм
Длина катушки – 5,1 мм
Длина провода – 0,55 м
Количество слоев – 1
Количество витков – 17
Количество витков в слое – 17
Индуктивность – 0,00303 мГн
Катушка L6 =1,44 мкГн; d=0,3 мм; Iб0 =0,491А;
Внешний диаметр – 10,6 мм
Внутренний диаметр – 10,3 мм
Шаг между витками – 0,3 мм
Длина катушки – 3 мм
Длина провода – 0,32 м
Количество слоев – 1
Количество витков – 10
Количество витков в слое – 10
Индуктивность – 0,00137 мГн
Трансформатор сопротивления(минимальное).
Катушка Lтр =0,935 мкГн; d=0,3 мм; Iб0 =0,491А;
Внешний диаметр – 10,6 мм
Внутренний диаметр – 10,3 мм
Шаг между витками – 0,3 мм
Длина катушки – 2,4 мм
Длина провода – 0,26 м
Количество слоев – 1
Количество витков – 8
Количество витков в слое – 8
Индуктивность – 0,000963 мГн
Компенсирующая катушка индуктивности.
Катушка L6 =4,72 мкГн; d=0,3 мм; Iб0 =0,491А;
Внешний диаметр – 10,6 мм
Внутренний диаметр – 10,3 мм
Шаг между витками – 0,3 мм
Длина катушки – 6,9 мм
Длина провода – 0,74 м
Количество слоев – 1
Количество витков – 23
Количество витков в слое – 23
Индуктивность – 0,00460 мГн
Lбл1, Lдл2 – фильтрует ВЧ составляющую в цепи питания, 2fLдл2 , 2fLдл1 Rкэ ,
Lбл1 = Lбл2 =5мГн,
L1 -L6, С1 -С6 – фильтр нижних частот;
Lтр , Стр –трансформатор сопротивлений;
Lком – компенсирующая катушка индуктивности;
Ср1 , Ср2 – развязывают каскады по постоянному току, 1/(2fCбл1 )Rкэ, Cбл1 =Сбл2 =0,1 мкФ.
Rкэ и Rд – устанавливают напряжение смещения на эмиттерном переходе, Rкэ =269Ом, Rд =8 Ом.
Rсм и Сcм – цепь автосмещения, Rсм =2,8 Ом, Ссм =8,8 мкФ.
L1 , L2 , C1 , C2 – трансформатор сопротивления и фильтр, отфильтровывающий высшие гармоники. С1 =6,479 нФ, С2 =23,92 нФ, L1 =4,83 мкГн, L2 =1,308 мкГн.
VT – транзистор, ответственный за управляемый перенос мощности источника питания в нагрузку.
Заключение
В результате выполнения данного курсового проекта был произведен расчет оконечного каскада передатчика и цепи согласования с антенной удовлетворяющий техническому заданию. Составлена структурная схема РПУ, соответствующая принципиальной схеме. Принципиальная схема приведена в приложении. Проведено пояснение назначения всех элементов схемы. Таким образом, задание и цели курсового проекта можно считать выполненными.