Скачать

Проектирование связного радиопередатчика с частотной модуляцией

Связные РПУ с частотной модуляцией 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_W 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

На варикап VD1 подается модулирующее напряжение U_W, 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 мощный 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.

Основная часть

1. Выбор и обоснование структурной схемы передатчика

Исходя из технического задания, нужно спроектировать схему связного передатчика с ЧМ, работающего в некотором диапазоне частот. При этом данный передатчик должен обеспечивать выполнение всех характеристик, которые от него требуются по ТЗ, а так же быть как можно более простым, малогабаритным и дешевым.

В качестве общей структурной схемы выберем схему с прямым получением ЧМ и с синтезатором частоты.

Рис.4. Структурная схема ЧМ передатчика

Модулирующий сигнал от микрофона усиливается в УНЧ. Далее осуществляется ограничение амплитуды, которое предотвращает увеличение девиации частоты за заданные пределы при ЧМ. ФНЧ, выполненный на интегрирующей RC-цепочке, ограничивает спектр сигнала до 3,5 кГц. Модулирующий сигнал, усиленный и прошедший цепи коррекции поступает на варикап ГУНа, где производится частотная модуляция несущего колебания.

ГУН выполним по схеме Клаппа, его центральная частота управляется с помощью второго варикапа, на который управляющий сигнал подается с цифрового синтезатора частоты, реализованного на микросхеме КФ1015ПЛ3А (8), описание которой приведено в конце данной пояснительной записки.

Работа ГУНа происходит по сигналу опорной частоты – МГц, задаваемой кварцевым генератором. Для шага сетки частот 6,25 кГц (до умножителя частоты) коэффициент деления опорной частоты составляет, при этом пределы коэффициента деления тракта программируемого делителя частоты составляют от  до  Эти коэффициенты задаются посредством контроллера.

Промодулированный сигнал после ГУНа поступает на умножитель частоты (умножение в два раза), который переводит его в рабочий диапазон и, кроме этого, производит усиление. Далее сигнал усиливается в предварительных и предоконечном усилителях до уровня, необходимого для работы оконечного каскада. Оконечный каскад реализован в виде четырех идентичных модулей, выполненных по двухтактной схеме, причем схемы деления и сложения мощности от отдельных блоков, а также трансформации сопротивлений выполнены на отрезках длинных линий.

На выходе передатчика стоит ФНЧ, который подавляет уровень внеполосного излучения до заданного. Согласно ГОСТу этот уровень составляет -60 дБ для данной рабочей полосы и излучаемой мощности. Сигнал с ФНЧ поступает на фидерную 50-омную линию и далее в антенну.

Начнем расчет оконечного каскада с выбора рабочего транзистора.

2. Расчет оконечного каскада

2.1 Выбор транзистора

Оконечный каскад построен по модульному принципу со сложением мощностей от отдельных модулей. Каждый модуль представляет собой двухтактную схему. Количество модулей выбрано исходя из того, что, во-первых, оно должно быть четным – для удобства реализации схемы сложения и деления мощностей; во-вторых, должны существовать транзисторы, реализующие мощность отдельного модуля. Количество модулей должно быть минимальным.

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.

Коэффициент полезного действия каскада связан с величиной сопротивления насыщения транзистора - r_насВЧ. Чем меньше его величина, тем меньше остаточное напряжение в граничном режиме и выше КПД генератора.

Коэффициент усиления по мощности К_Р зависит от ряда параметров транзистора: коэффициента передачи тока базы – b₀, частоты единичного усиления f_т и величины индуктивности эмиттерного вывода L_Э. При прочих равных условиях К_Р будет тем больше, чем выше значение b₀, f_T и меньше L_Э.

Исходя из этих условий, выбираем транзистор 2Т971А, имеющий следующие параметры:

Параметры идеализированных статических характеристик

Сопротивление насыщения транзистора на высокой частоте r_{нас ВЧ}=0,15 Ом

Коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ на низкой частоте (f→0) β_о=8

Сопротивление материала базы 0,1 Ом

Высокочастотные параметры

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

Барьерная емкость коллекторного перехода С_к = 200 пФ

Индуктивность вывода эмиттера 0,18 нГн

Индуктивность вывода базы 0,56 нГн

Индуктивность вывода коллектора 0,1 нГн

Допустимые параметры

Предельное напряжение на коллекторе U_{кэ доп} = 50 В

Обратное напряжение на эмиттерном переходе U_{бэ доп} = 4 В

Постоянная составляющая коллекторного тока I_{ко. доп} = 17А

Максимально допустимое значение коллекторного тока I_{к. макс. доп}=30А

Диапазон рабочих частот 50 –200 МГц

Тепловые параметры

Максимально допустимая температура переходов транзистора t_п.доп=160 ºС

Тепловое сопротивление переход – корпус R_пк=0,6 ºС/Вт

Энергетические параметры

P_н = 150 Вт

Р_вх=50 Вт

Е_к=24 В

h=55–84%

К_р=3–9

Режим работы – класс В.

Оценим мощность Р₁, которую должен отдавать один транзистор, исходя из следующих параметров:

КПД выходного трансформатора –

КПД фильтрующей системы –

КПД устройства сложения мощностей –

количество модулей в схеме сложения – М = 4

количество транзисторов в модуле – m = 2

Вт – мощность модуля,

Вт – мощность одного транзистора в модуле.

2.2 Расчет коллекторной цепи выходного каскада

Расчет коллекторной цепи проводится по методике, изложенной в (1),  для одного из транзисторов двухтактной схемы, работающего в критическом режиме с углом отсечки – Q=90° (класс В). При данном угле отсечки отсутствуют нечетные гармоники тока коллектора 3, 5 и высшего порядков, а четные гармоники компенсируются при сложении колебаний от двух плеч двухтактной схемы. Исходные данные для расчета следующие:

Вт – колебательная мощность транзистора,

В – напряжение питания коллектора,

 – коэффициенты Берга при Q=90°,

r_{нас ВЧ}=0,15 Ом  – сопротивление насыщения транзистора,

I_{ко. макс. доп} = 17А – предельный постоянный ток коллектора.

1. Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе в критическом режиме

В

2. Максимальное напряжение на коллекторе при заданном Ек

В

3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока

А

4. Постоянная составляющая коллекторного тока и КПД

А;

5. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора

Вт

6. Сопротивление коллекторной нагрузки (для одного транзистора)

Ом

7. Блокировочная емкость

Поскольку оконечный каскад должен работать на 50-омный фидер, то сопротивление коллектора требует трансформации. Стандартный ряд трансформации сопротивлений 1/9;1/4;4/9. Для данной схемы этот коэффициент составит:

,

получили стандартное отношение N_TR= 1/9, тогда можно применить стандартную схему согласования активного элемента с нагрузкой с помощью ТДЛ.

Рис.5. ТДЛ с  коэффициентом трансформации 1:3 по напряжению.

Здесь W = 16,5Ом. В дальнейшем проведем преобразование этой схемы к схеме ТДЛ для двухтактного каскада (введем симметрирующую линию).

Расчет конструктивных особенностей ТДЛ будет приведен ниже. Принципиальная схема представлена в Приложении В.

Перейдем к расчету входной цепи оконечного каскада.

2.3 Расчет входной цепи оконечного каскада

Расчет входной цепи проведем по методике, изложенной в (1). В широкодиапазонных двухтактных генераторах при работе транзисторов с углом отсечки θ=90º (класс В) важно, чтобы в импульсах ток перекосов не было так, как при этом отсутствуют нечетные гармоники (3ω, 5ω,…) устранение перекосов в импульсах достигается включением шунтирующего добавочного сопротивления R_доп между выводами базы и эмиттера транзистора. Сопротивление R_доп выбирают так, чтобы выровнять постоянные времени эмиттерного перехода в закрытом и открытом состояниях.

Для расчета входной цепи потребуются следующие параметры транзистора 2Т971А:

1. Амплитуда тока базы

А,

где

2. Добавочное сопротивление и сопротивление ОС

3. Максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе

В

4. Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов

5. Напряжение смещения на эмиттерном переходе

6. Значения , ,,

рис.6. Схема замещения входной цепи

7. Резистивная и реактивная составляющие входного сопротивления транзистора (Zвх=Rвх + jXвх)

8. Входная мощность

9. Коэффициент усиления по мощности

2.4 Расчет согласующего устройства входной цепи

Расчет входной цепи в предыдущем пункте показал, что входное сопротивление транзистора отличается от сопротивления коллекторной нагрузки. А поскольку на входе оконечного каскада используется аналогичная схема трансформации сопротивлений на длинных линиях (для распределения мощности по модулям), то необходимо включить во входную цепь согласующее устройство, которое бы преобразовало входное сопротивление транзистора () до значения сопротивления коллекторной нагрузки. Для этих целей подойдет узкополосная Г-образная согласующая схема. Рассчитаем ее элементы:

 – требуемая добротность схемы;

 – элементы схемы согласования;

После данного согласования на входе двухтактного усилителя можно поставить ТДЛ, аналогичный выходному (см. рис. 7), но являющийся его зеркальным отображением (можно без симметрирующей линии).

Полная принципиальная схема оконечного каскада представлена в Приложении В.

2.5 Конструктивный расчет ТДЛ

Трансформатор на выходе оконечного каскада (см. рис.7)   предназначен для согласования низкоомного выходного сопротивления оконечного каскада (5,46 Ом) со стандартным волновым сопротивлением 50 Ом. Для решения этой задачи подойдет схема с коэффициентом трансформации по сопротивлению 1/9. Она имеет следующие параметры:

Рис.7. ТДЛ для двухтактного каскада

 – волновое сопротивление симметрирующей линии,

волновое сопротивление линий 2,3,6 (см. рис.7):

волновое сопротивление линий 4,5 (см. рис.7):

 – сопротивление нагрузки,

 – мощность в нагрузке (от двухтактной схемы).

Симметрирующую линию выполним на отдельном ферритовом кольце, а основные линии на одном кольце и с одинаковым количеством витков.

1. Амплитуда напряжения и тока в нагрузке, напряжение генератора

2. Напряжение, продольное напряжение  и ток в линиях (см. рис.7.)

 – на всех линиях;

 – ток во всех линиях;

– напряжения на линиях.

3. Требуемая индуктивность линий

– для всех линий

где a₁=0,1 – коэффициент, учитывающий неравномерность АЧХ ТДЛ (взят из табл. 5.1 (2) для фильтра первого порядка исходя из допустимой нерав6омерности АЧХ на f_н ТДЛ)

4. Выбор кабеля (табл. 3.3 в (1))

Марку кабеля выберем исходя из требуемого волнового сопротивления линий, которое составляет 16,5 Ом и 8,25 Ом, с возможным отклонением не более чем на 10–20% в обе стороны. Выбираем полосковый кабель РП18-5-11 с волновым сопротивлением  и полосковый кабель РП9-5-11 с волновым сопротивлением .