|
|
|
|
Оконечный каскад однополосного связного передатчика
Оконечный каскад однополосного связного передатчика
2 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
ВведениеРадиопередающее 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 часть1.1 Выбор и обоснование структурной схемы передатчикаУНЧ - 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 передатчикаМощность 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 ЦС = 0,7…0,9. Примем величину ЦС = 0,7. Мощность, на которую следует рассчитывать ГВВ, равна: Р1 = РФ/ЦС = 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 - r НАС. 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 О, частоты единичного усиленияf T и величины индуктивности эмиттерного вывода LЭ. При прочих равных условиях КР будет тем больше, чем выше значение О, f T 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 ступени2.1 Расчет коллекторной цепиОпределим коэффициент использования выходного напряжения (Uвых).Возьмем угол отсечки () равным 900, что обеспечит лучшую линейность амплитудных характеристик усилителя, тогда 1() = 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·гр;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 ().Определим сопротивление коллектора (Rк)2.2 Расчет базовой цепиРассчитаем амплитуду тока базы:где = 1 + 1() 2fТCкRк = 1 + 0,5·2·3,14·100·106·65·10-12·35,484 2,15Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов:Iб0 = I к0/ 0Iб0 = 0,934/26 = 0,014А;Iэ0 = Iк0 + Iб0Iэ0 = 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 (XCсм на частоте 1,8 МГц должно быть много меньше Rсм). Uост=28В_24,664В=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)/(Iб0Rд+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; kp1 = 8,57/0,832=10,306; kp2 = 8,57/0,924=9,276.1.3 Расчет антенны?1=с/f1=3·108м/с / 1,8·106с-1=166,67 м.?2=с/f2=3·108м/с / 3·106с-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:Ом3. Найдем входное сопротивление:1.4 Расчет согласующей цепи оконечной ступени с антеннойСогласующая цепь должна включать в себя:· фильтр нижних частот, обеспечивающий затухание 40 дБ на частоте равной 2•fн, 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/2?f). Соответственно, эта катушка должна быть перестраиваемой в пределах от 292/(2•3,14•1,8•106)=2,58•10-5 Гн до 89/(2•3,14•3•106)=4,72•10-6 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, 2?fLдл2, 2?fLдл1>>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/(2?fCбл1)<<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. ЗаключениеВ 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.
|
|
|
|
|