Расчет и конструирование АМ передатчика

Расчет и конструирование АМ передатчика

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра телевизионных устройств (ТУ)

Курсовая работа на тему:

Расчёт и конструирование АМ передатчика

2006

1. Введение

Главной целью данного курсового проекта является разработка АМ передатчика мощностью 30 Вт, с рабочей волной =9 м (f=33.3 МГц). В связи с небольшой выходной мощностью передатчик реализован на транзисторах.

2. Разработка структурной схемы передатчика

Структурная схема АМ передатчика с базовой модуляцией состоит из следующих блоков: автогенератор (АГ) на частоту 16.67 МГц, эмиттерный повторитель (ЭП) для развязки АГ и умножителя частоты сигнала на (У), усилитель мощности колебаний (УМК), модулируемый каскад (МК) и колебательные системы: для согласования У и УМК КС1, УМК и МК - КС2, МК и фидера - выходная колебательная система.

Модуляция осуществляется в оконечном каскаде (ОК). Достоинством базовой модуляции является малые амплитуда напряжения и мощность модулятора, т.к. модуляция достигается путем изменения смещения на базе МК, что приводит к изменению угла отсечки и выходного тока в соответствии с НЧ модулирующим сигналом.

Число каскадов усиления мощности можно примерно определить по формуле N=ln Кs/ln K1=ln 3300/ln 20=3, где Ks=PА(1+m)2/PвыхЭП= 30(1+0.8)2/ /0.03=3300 - суммарный коэффициент усиления по мощности, K1=20 - средний коэффициент усиления по мощности одного каскада с учетом потерь в колебательных системах.

Структурная схема передатчика разработана при использовании [1,2] и приведена на РТФ КП.775277.001 Э1.

Модуляцию смещением будем проводить в оконечном каскаде(ОК) передатчика.

В ТЗ задана мощность передатчика в антенне в режиме несущей PA=1 Вт, рассчитаем максимальную мощность первой гармоники непосредственно на выходе оконечного каскада P1max:

Pmax=PA(1+m)2/(фк)=4.96 Вт. (3.1)

где: ф=0.85 - КПД фидера;

к=0.95 - КПД выходной колебательной системы (ВКС);

m = 1 - максимальный коэффициент модуляции.

Выбор транзистора ОК производим по следующим определяющим факторам:

выходная мощность транзистора Pвых P1max;

частота, на которой модуль коэффициента передачи транзистора по току в схеме с ОЭ равен 1, fт=(35)f=82.5137.5 МГц, где f=27.5 МГц, несущая частота передатчика.

В соответствии с вышеперечисленными требованиями выбираем в качестве активного элемента (АЭ) ОК транзистор КТ940Б с параметрами:

выходная мощность Pвых=5 > 4.95 Вт;

fт=400 МГц;

сопротивление насыщения rнас=20 Ом;

максимальное постоянное напряжение коллектор-эмиттер Uкэимп=36 В;

максимальный постоянный ток коллектора Iкодоп=1 А;

напряжение источника коллекторного питания Е`к=12 В;

средний статический коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ o=40;

ёмкость коллекторного перехода Ск=75 пФ;

ёмкость эмиттерного перехода Сэ=410 пФ;

индуктивности выводов Lб=2.4 нГн, Lэ=1.2 нГн;

сопротивление материала базы rб=1 Ом.

Произведём расчёт коллекторной цепи транзистора. Расчёт будем производить, исходя из максимальной мощности в критическом режиме Pmax.

По заданному в ТЗ источником выступает аккумулятор с напряжением 12 В, соответственно напряжение на коллекторе составит Ек=12 В, и максимальный угол отсечки max=120°, соответствующий коэффициенту модуляции m=0.8.

Рассчитываем амплитуду первой гармоники напряжения Uк1 на коллекторе:

11.34 В. (3.2)

Максимальное напряжение на коллекторе:

Uк.макс=Ек+1.2Uк1кр=24.7 ВUк.доп=36 В. (3.3)

Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

Iк1=2P1max/Uк1кр=0.76 А. (3.4)

Постоянная составляющая коллекторного тока:

0.57 А Iкодоп=20 А. (3.5)

Максимальный коллекторный ток:

Iк.макс=Iко/o()=17.1 Iкодоп=30 А. (3.6)

Максимальная мощность, потребляемая от источника коллекторного питания:

Pоmax=EкIко=194 Вт. (3.7)

КПД коллекторной цепи при номинальной нагрузке:

=P1max/Pоmax=0.62. (3.8)

Максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе транзистора:

Pк.max=Pоmax-P1max=73.7 Вт. (3.9)

Значение Pк.max является исходным параметром для расчёта температуры в структуре транзистора и системы его охлаждения.

Номинальное сопротивление коллекторной нагрузки:

Rэк.ном=Uк1кр/(2P1max)=13.1 Ом. (3.10)

Произведём расчёт входной цепи транзистора.

Предполагается, что между базовым и эмиттерными выводами по РЧ включен резистор Rд, требуемый для устранения перекосов в импульсах коллекторного тока (см.рис.3.1).

Рисунок 3.1 - Включение резистора Rд

Rд=o/(2fтCэ)=45 Ом. (3.11)

На частотах f>3fт/о (33.3 МГц>13.3 МГц) в реальной схеме генератора Rд можно не ставить, однако, в последующих расчётах необходимо оставлять.

Амплитуда тока базы:

=1+1()2fтCкRэк.ном=2.02; (3.12)

3.86 А. (3.13)

Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов:

Iбо=Iко/о=0.154 А; (3.14)

Iэо=Iко+Iбо=7.1 А. (3.15)

Напряжение смещения на эмиттерном переходе:

0.04 Ом; (3.16)

2.37 В.(3.17)

где Еотс - напряжение отсечки, равное для кремниевых транзисторов 0.50.7 В.

Рисунок 3.2 - Эквивалентная схема входного сопротивления транзистора

Определяем значения LвхОЭ, rвхОЭ, RвхОЭ, CвхОЭ в эквивалентной схеме входного сопротивления транзистора (см.рис.3.2), принимая барьерную ёмкость активной части коллекторного перехода Ск.а=0.25Ск:

LвхОЭ=Lб+Lэ/=2.9 нГн; (3.18)

rвхОЭ=[(1+1()2fтСк.аRэк.ном)rб+rэ+1()2fтLэ]=

=1.03 Ом; (3.19)

RвхОЭ=[rб+(1+1()о)rэ]-rвхОЭ+Rд[1-1()]=8.7 Ом; (3.20)

СвхОЭ=о/(2fтRвхОЭ)=4.1 нФ. (3.21)

Резистивная и реактивная составляющие входного сопротивления транзистора:

rвх=rвхОЭ+=1.184 Ом; (3.22)

Xвх=2fLвхОЭ-=-0.532 Ом. (3.23)

Рисунок 3.3 - Эквивалентные входные сопротивление и ёмкость транзистора

Эквивалентные входные сопротивление и ёмкость транзистора (см.рис.3.3):

Rвхэк=rвх+(Xвх/rвх)2=1.424 Ом; (3.24)

Свхэк==1.508 нФ. (3.25)

Рисунок 3.4 - Эквивалентные выходные сопротивление и ёмкость транзистора

Для получения эквивалентной выходной ёмкости транзистора (см.рис.3.4) произведём расчёт ряда вспомогательных параметров:

h=1+40Iэоrб/о=4.15; (3.26)

M=40Iэоrб/h=28; (3.27)

f=f/fт=0.167; (3.28)

==4.8. (3.29)

Эквивалентная выходная ёмкость транзистора:

Свыхэк=Ск(1+0.4M/2)=390 пФ. (3.30)

Формулы (3.27)-(3.31) взяты из [3].

Входная мощность:

Pвх=0.5Iб2rвх=8.81 Вт. (3.31)

Коэффициент усиления по мощности:

Кр=P1ном/Pвх=13.7. (3.32)

Расчёт выходной и входной цепи транзистора (формулы (3.2)-(3.25), (3.31)-(3.32)) произведён согласно [1].

В результате расчёта каскада на максимальную мощность становятся известными следующие параметры: Iк1m=9.156 A, Iкоm=6.93 A, Iбоm=0.154 A, Ебm=2.37 В, Umб==2.54 В.

При базовой модуляции СМХ есть зависимость Iк1=f(Еб) при (Umб, Ебm, Rэк.ном)=const.

Для грубой оценки положения СМХ можно принять ее линейной и построить по двум точкам: точке максимального режима Iк1=Iк1m, Eб=Ебm и точке запирания каскада Iк1=0, Еб=Ебзап, где Ебзап=Еотс-Umб=-1.84 В.

Упрощенная СМХ приведена на рис.3.5.

Рисунок 3.5 - Статическая модуляционная характеристика

Рассчитаем ряд параметров:

Минимальное модулирующее напряжение:

Амплитуда ВЧ составляющей в режиме несущей:

Получили Umin=-1.37 В, Uo=0.5 В. Рассчитаем угол отсечки в режиме несущей: н=arccos((Еотс-Uo)/Umб)=85.5. Рассчитаем ток постоянной составляющей базы в режиме несущей и амплитуду тока НЧ сигнала:

I=Iбоm-Iбон

Получили Iбон=0.067 А, I=0.087 А. Рассчитаем амплитуду напряжения НЧ сигнала на базе U=Eбm-Uo=1.87 В и требуемую мощность модулятора P=IU=0.082 Вт.

Произведём расчёт цепей питания для схемы ОК, приведённой на рис.3.6, для режима несущей по формулам (Есм=3 В):

(3.33)

В результате получим Iдел=0.33 А, R1=6.2 Ом, R2=1.5 Ом.

Мощность, рассеиваемая на резисторах:

Pr1=(Iдел+Iбо)2R1=1 Вт; (3.34)

Pr2=Iдел2R2=0.17 Вт. (3.35)

Рисунок 3.6 - Схема оконечного (модулируемого) каскада

Модуль входного сопротивления транзистора:

|Zвх|==1.3 Ом. (3.36)

Рассчитываем номиналы блокировочных индуктивностей:

Lбл120|Zвх|/(2f)=0.13 нГн; (3.37)

Lбл220Rэкном/(2f)=0.28 нГн. (3.38)

Рассчитываем номинал разделительного конденсатора:

Ср120/(2f|Zвх|)=73 нФ. (3.39)

По методике, изложенной в [3], произведём расчёт ВКС. Т.к. передатчик является неперестраиваемым, то целесообразно использовать в качестве ВКС, назначение которой - фильтрация высших гармоник и согласование транзистора с нагрузкой, простейший П-образный контур (см.рис.3.7).

На частоте сигнала f входное сопротивление П-контура должно быть чисто активным и равным требуемому сопротивлению нагрузки транзистора Rэк. Таким образом, П - контур на частоте сигнала трансформирует активное сопротивление нагрузки Rн в активное входное сопротивление Rэк.

Рисунок 3.7 - Схема П-образного контура

Порядок расчёта П-контура следующий:

Задаемся величиной волнового сопротивления контура в пределах =250500 Ом: =250 Ом.

Определяем индуктивность контура L0:

L0=/(2f)=1.194 мкГн. (3.40)

На частоте сигнала f П-контур сводится к виду, изображённому на рис.3.8, причём L, L0, C0 находятся в соотношении:

2fL=2fL0-1/(2fC0).

Рисунок 3.8 - Схема приведённого П-образного контура

Величиной L необходимо задаться в соответствии с формулой:

L>/(2f)=0.122 мкГн, (3.41)

где Rн=50 Ом - стандартное сопротивление фидера, соединяющего ВКС с антенной. Выбираем L=0.5 мкГн.

Определяем С0:

С0=1/(42f2(L0-L))= 33 пФ. (3.42)

Определяем С1 и С2:

С1==400 пФ; (3.43)

С2==138 пФ. (3.44)

Внесённое в контур сопротивление:

rвн=Rн/(1+(2fRнС2)2)=16.1 Ом. (3.45)

Добротность нагруженного контура:

Qн=/(rо+rвн)=14.6, (3.46)

где ro - собственное сопротивление потерь контурной индуктивности, величина которой точно определяется ниже, на данном этапе принимаем ro=1 Ом.

Коэффициент фильтрации П-контура (только для ОК), принимая n=2, т.к. схема ОК однотактная:

Ф=Qн(n2-1)n=88. (3.47)

Произведём конструктивный расчёт элементов нагрузочной системы (см.рис.3.7). При этом необходимо выбрать номинальные значения стандартных деталей (С0, C1, C2), входящих в контур, и определить конструктивные размеры нестандартных деталей (L0).

Для настройки контура в резонанс и обеспечения оптимальной связи с нагрузкой в состав ёмкостей С0 и С2 целесообразно включить подстроечные конденсаторы (см.рис.3.9).

Рисунок 3.9 - Схема П-образного контура с подстроечными элементами

Расчёт контурной катушки L0 проводится в следующем порядке:

Размеры катушки показаны на рис.3.10.

Задаёмся отношением V=l/D в пределах 0.5V2: V=2.

Задаёмся значением Ks=0.5 Вт/см2 - удельной тепловой нагрузки на 1 см2 сечения катушки.

Определяем площадь продольного сечения катушки S=lD по формуле:

S=P1номк/Ks=12.04 см2. (3.48)

Рисунок 3.10 - Конструкция контурной катушки

Определяем длину l и диаметр D катушки по формулам:

l==4.9 см; (3.49)

D==2.45 см (3.50)

Число витков N катушки:

11. (3.51)

Амплитуда контурного тока:

Iк=Uк1кр2fC1=2.2 А. (3.52)

Диаметр d провода катушки вычисляем по формуле:

d[мм]0.18Iк=0.95 мм. (3.53)

Выбираем d=1 мм.

Собственное сопротивление потерь контурной катушки на рабочей частоте:

ro=0.525D[мм]N10-3/d[мм]=0.81 Ом. (3.54)

Коэффициент полезного действия контура:

к=rвн/(rо+rвн)=0.952. (3.55)

Выбираем напряжение источника смещения Есм=3 В и производим расчёт номиналов элементов схемы на рис.4.1 по формулам:

(4.1)

R2=430 Ом, R1=1.8 кОм (Pr1,2<0.125 Вт); Ср1=10 нФ,

Lбл1=1 мкГн, Lбл2=2.2 мкГн.

Оцениваем величину допустимого сопротивления нагрузки из условия, что нагрузка будет потреблять мощность в 10 раз меньше мощности рассеиваемой кварцевым резонатором:

Rндоп5Umк2/Pкв=214 Ом.(4.26)

Для уменьшения влияния нагрузки и повышения стабильности частоты целесообразно включение на выходе АГ эмиттерного повторителя (ЭП) (см.рис.6.2).

Рисунок 6.2 - Принципиальная схема эмиттерного повторителя на выходе АГ

По справочникам [5,6] выбираем транзистор ЭП - КТ373Б со следующими параметрами: fт=300 МГц, rб=38 Ом, o=250, Iкmax=50 мА, Iкmaxи=200 мА, UкэRmax=25 В, Pкmax=150 мВт.

Рассчитываем ЭП аналогично п.3.3. В результате расчёта получаем следующие параметры: Ек=12 В, Uко=6 В, Rб1=15.5 кОм, Rб2=20 кОм.

В результате проделанной работы получили структурную и принципиальную схемы АМ передатчика, рассчитанного на несущую длину волны =9 м (f=33.33 МГц), мощностью несущей в антенне 30 Вт.

Модуляция производится путем изменения смещения модулируемого оконечного каскада.

Для питания передатчика требуется 3 источника питания: +28 В - для питания УМК и МК, +12 В - для питания ЭП, умножителя У и АГ, +3 В - для подачи начального смещения на базу транзисторов УМК и МК.

Чертёж контурной катушки ВКС приведён на РТФ КП.723500.001.

Использование транзисторов при конструировании передатчика позволит получить оптимальные массо-габаритные характеристики.

Разработанный передатчик можно использовать в качестве связного.