Министерство образованияРоссийской Федерации
УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ВЧСРТ
Проектирование связного радиопередатчика с частотноймодуляцией
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
200700 000000 006 ПЗ
Подпись Дата Ф.И.О.
Руководитель_________________________
Студент _
Группа Р-485
Номер зачетной книжки 09712506
Екатеринбург, 2005г.
ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Спроектировать связной радиопередатчик счастотной модуляцией (№13).
Характеристики передатчика:
1. Р1макс = 500 Вт
2. f = 150 ¸ 160 МГц
3. WФ = 50 Ом
4. Шаг сетки частот 12,5 кГц
5. Питание сетевое – 220 В, 50 Гц
Содержание
Задание на проектирование
Содержание
Перечень условных обозначений и символов
Введение
Основная часть
1. Выбор и обоснование структурной схемы передатчика
2. Расчет оконечного каскада
2.1 Выбор транзистора
2.2 Расчет коллекторной цепи выходного каскада
2.3 Расчет входной цепи оконечного каскада
2.4 Расчет согласующего устройства входной цепи
2.5 Конструктивный расчет ТДЛ
2.6 Расчет схемы сложения мощностей
3. Расчет фильтра гармоник
4. Расчет ГУНа
4.1 Выбор основных параметров и активного элемента
4.2 Расчет автогенератора
4.3 Расчет элементов колебательного контура
4.4 Расчет цепи автосмещения
4.5 Расчет частотного модулятора
5. Описание синтезатора частоты
Заключение
Приложение А.Полная электрическая схема
Приложение В.принципиальная схема оконечного каскада и цепи связи
Приложение С.Конструкция усилительного модуля ОК
Библиографический список
Перечень условных обозначений,символов, единиц и терминов
АМ – амплитудная модуляция
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика
РПУ – радиопередающее устройство
Rн –сопротивление нагрузки
ЕК – напряжение источника питания
дБ – децибел
ТЗ – техническое задание
ОК – оконечный каскад
ТДЛ – трансформаторы на длинных линиях
ЦС – цепь связи с фидером
ЧМ – частотная модуляция
Введение
Связные РПУ с частотной модуляцией проектируются для работы на однойфиксированной частоте или в диапазоне частот. В первом случае рабочая частота стабилизируетсякварцевым резонатором, а для генерации ЧМ колебаний могут быть использованы какпрямой метод управления частотой, так и косвенный. Структурная схемапередатчика с использованием прямого метода ЧМ изображена на рис.1.
/>Рис.1.Структурная схема передатчика с прямой ЧМ
Модулирующее напряжение UW подается на варикап, с помощью которого модулируется почастоте кварцевый автогенератор (КГ). Кварцевый генератор работает на частотах10–15 МГц, затем его частота умножается в n раз до рабочего значения, сигнал подается на усилительмощности (УМ) и через цепь связи в антенну.
Косвенный метод ЧМ основан на преобразовании фазовой модуляции (ФМ) вчастотную при помощи введения в схему интегрирующего звена, т. е. фильтранизких частот (ФНЧ). Структурная схема передатчика с использованием косвенногометода получения ЧМ изображена на рис.2.
/>
Рис.2. Структурная схема передатчика с использованием косвенного методаЧМ
В качестве возбудителя диапазонного передатчика с ЧМ используетсясинтезатор сетки дискретных частот, ведомый генератор которого управляетсядвумя варикапами (рис.3).
/>
Рис.3. Структурная схема ЧМ передатчика с синтезатором частоты
На варикап VD1 подаетсямодулирующее напряжение UW, на варикап VD2 –управляющее напряжение системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).Разделение функций управления объясняется тем, что девиация частоты подвлиянием модулирующего сигнала относительно невелика (3–5 кГц) в сравнении сдиапазоном перестройки ведомого генератора (ГУН) управляющим сигналом с выходасистемы ФАПЧ. Поэтому варикап VD1связан с колебательным контуром ГУНа значительно слабее, чем VD2. Шаг сетки частот на выходепередатчика в зависимости от рабочего диапазона может быть 5; 10; 12,5; 25 кГц.
Для повышения устойчивости необходимо, чтобы мощный оконечный усилителькак можно меньше влиял на работу ГУНа, поэтому производят их развязку почастоте введением в структуру передатчика умножителя частоты. В таком случаешаг сетки синтезатора уменьшается в n раз, где n — коэффициентумножения частоты умножителя.
В данном курсовом проекте проведен анализ диапазонного передатчика ЧМ. Впояснительной записке представлены электрические расчеты оконечного каскада,цепи связи с фидером, автогенератора и частотного модулятора, приведеныконструктивные расчеты оконечного каскада и цепи связи с фидером. Кпояснительной записке прилагаются чертежи с изображениями полной электрическойсхемы и конструкцией оконечного каскада передатчика.
Основная часть
1. Выбор и обоснование структурнойсхемы передатчика
Исходя из технического задания, нужно спроектировать схему связногопередатчика с ЧМ, работающего в некотором диапазоне частот. При этом данныйпередатчик должен обеспечивать выполнение всех характеристик, которые от неготребуются по ТЗ, а так же быть как можно более простым, малогабаритным идешевым./> />
В качестве общей структурнойсхемы выберем схему с прямым получением ЧМ и с синтезатором частоты.
Рис.4. Структурная схема ЧМ передатчика
Модулирующий сигнал от микрофона усиливается в УНЧ. Далее осуществляетсяограничение амплитуды, которое предотвращает увеличение девиации частоты зазаданные пределы при ЧМ. ФНЧ, выполненный на интегрирующей RC-цепочке, ограничиваетспектр сигнала до 3,5 кГц. Модулирующий сигнал, усиленный и прошедший цепикоррекции поступает на варикап ГУНа, где производится частотная модуляциянесущего колебания.
ГУН выполним по схеме Клаппа, его центральная частота управляется спомощью второго варикапа, на который управляющий сигнал подается с цифровогосинтезатора частоты, реализованного на микросхеме КФ1015ПЛ3А [8], описаниекоторой приведено в конце данной пояснительной записки.
Работа ГУНа происходит по сигналу опорной частоты – />МГц, задаваемой кварцевымгенератором. Для шага сетки частот 6,25 кГц (до умножителя частоты) коэффициентделения опорной частоты составляет/>, приэтом пределы коэффициента деления тракта программируемого делителя частотысоставляют от /> до /> Эти коэффициенты задаютсяпосредством контроллера.
Промодулированный сигнал после ГУНа поступает на умножитель частоты(умножение в два раза), который переводит его в рабочий диапазон и, кромеэтого, производит усиление. Далее сигнал усиливается в предварительных ипредоконечном усилителях до уровня, необходимого для работы оконечного каскада.Оконечный каскад реализован в виде четырех идентичных модулей, выполненных подвухтактной схеме, причем схемы деления и сложения мощности от отдельныхблоков, а также трансформации сопротивлений выполнены на отрезках длинныхлиний.
На выходе передатчика стоит ФНЧ, который подавляет уровень внеполосногоизлучения до заданного. Согласно ГОСТу этот уровень составляет -60 дБ дляданной рабочей полосы и излучаемой мощности. Сигнал с ФНЧ поступает на фидерную50-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 мощностейот отдельных модулей. Каждый модуль представляет собой двухтактную схему.Количество модулей выбрано исходя из того, что, во-первых, оно должно бытьчетным – 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 определенномдиапазоне частот можно подобрать целый ряд транзисторов. Из группы транзисторовнужно выбрать тот, который обеспечивает наилучшие электрические характеристикиусилителя мощности.
Коэффициент полезного действия каскада связан с величиной сопротивлениянасыщения транзистора — rнасВЧ. Чем меньше его величина, тем меньшеостаточное напряжение в граничном режиме и выше КПД генератора.
Коэффициент усиления по мощности КР зависит от ряда параметровтранзистора: коэффициента передачи тока базы – b0, частоты единичного усиления fт ивеличины индуктивности эмиттерного вывода LЭ. При прочих равныхусловиях КР будет тем больше, чем выше значение b0, fT и меньше LЭ.
Исходя из этих условий, выбираем транзистор 2Т971А, имеющий следующиепараметры:
Параметры идеализированных статических характеристик
Сопротивление насыщения транзистора на высокой частоте rнас ВЧ=0,15Ом
Коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ на низкой частоте (f→0)βо=8
Сопротивление материала базы 0,1 Ом
Высокочастотные параметры
Граничная частота усиления по току в схеме с ОЭ fт =570МГц
Барьерная емкость коллекторного перехода Ск = 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 Uкэ доп = 50 В
Обратное напряжение на эмиттерном переходе Uбэ доп = 4 В
Постоянная составляющая коллекторного тока Iко. доп = 17А
Максимально допустимое значение коллекторного тока Iк. макс. доп=30А
Диапазон рабочих частот 50 –200 МГц
Тепловые параметры
Максимально допустимая температура переходов транзистора tп.доп=160ºС
Тепловое сопротивление переход – корпус Rпк=0,6 ºС/Вт
Энергетические параметры
Pн = 150 Вт
Рвх=50 Вт
Ек=24 В
h=55–84%
Кр=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 цепивыходного каскада
Расчет коллекторной цепи проводится по методике, изложенной в [1], дляодного из транзисторов двухтактной схемы, работающего в критическом режиме суглом отсечки – Q=90° (класс В). При данном угле отсечкиотсутствуют нечетные гармоники тока коллектора 3, 5 и высшего порядков, ачетные гармоники компенсируются при сложении колебаний от двух плеч двухтактнойсхемы. Исходные данные для расчета следующие:
/>Вт – колебательная мощность транзистора,
/>В – напряжение питания коллектора,
/> – коэффициенты Берга при Q=90°,
rнас ВЧ=0,15 Ом – сопротивление насыщения транзистора,
Iко. макс. доп = 17А – предельный постоянный ток коллектора.
1. Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе в критическомрежиме
/>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, тосопротивление коллектора требует трансформации. Стандартный ряд трансформациисопротивлений 1/9;1/4;4/9. Для данной схемы этот коэффициент составит:
/>, /> />
получилистандартное отношение NTR = 1/9, тогда можно применить стандартнуюсхему согласования активного элемента с нагрузкой с помощью ТДЛ.
Рис.5. ТДЛ с коэффициентом трансформации 1:3 по напряжению.
Здесь W = 16,5Ом. В дальнейшем проведемпреобразование этой схемы к схеме ТДЛ для двухтактного каскада (введемсимметрирующую 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 оконечногокаскада
Расчет входной цепи проведем по методике, изложенной в [1]. Вширокодиапазонных двухтактных генераторах при работе транзисторов с угломотсечки θ=90º (класс В) важно, чтобы в импульсах ток перекосов небыло так, как при этом отсутствуют нечетные гармоники (3ω, 5ω,…)устранение перекосов в импульсах достигается включением шунтирующегодобавочного сопротивления Rдоп между выводами базы и эмиттератранзистора. Сопротивление Rдоп выбирают так, чтобы выровнятьпостоянные времени эмиттерного перехода в закрытом и открытом состояниях.
Для расчета входной цепи потребуются следующие параметры транзистора2Т971А:
/>
1. Амплитуда токабазы
/>А,
где />
2. Добавочноесопротивление и сопротивление ОС
/>
/>
3. Максимальноеобратное 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 сопротивлениятранзистора (Zвх=Rвх + jXвх)
/>
8. Входная мощность
/>
9. Коэффициент усиления по мощности
/>
2.4 Расчет согласующего устройствавходной цепи
Расчет входной цепи в предыдущем пункте показал, что входноесопротивление транзистора отличается от сопротивления коллекторной нагрузки. Апоскольку на входе оконечного каскада используется аналогичная схематрансформации сопротивлений на длинных линиях (для распределения мощности помодулям), то необходимо включить во входную цепь согласующее устройство,которое бы преобразовало входное сопротивление транзистора (/>) до значения сопротивленияколлекторной нагрузки/>. Для этих целейподойдет узкополосная Г-образная согласующая схема. Рассчитаем ее элементы:
/> – требуемая добротность схемы;
/>
/> – элементы схемы согласования;
/>
/>
После данного согласования на входе двухтактного усилителя можнопоставить ТДЛ, аналогичный выходному (см. рис. 7), но являющийся его зеркальнымотображением (можно без симметрирующей линии).
Полная принципиальная схема оконечного каскада представлена в ПриложенииВ.
2.5 Конструктивный расчет ТДЛ
Трансформатор на выходе оконечного каскада (см. рис.7) предназначен длясогласования низкоомного выходного сопротивления оконечного каскада (5,46 Ом)со стандартным волновым сопротивлением 50 Ом. Для решения этой задачи подойдетсхема с коэффициентом трансформации по сопротивлению 1/9. Она имеет следующиепараметры:/> />
Рис.7. ТДЛ для двухтактногокаскада
/> – волновое сопротивление симметрирующей линии,
волновое сопротивление линий 2,3,6 (см.рис.7):
/>волновое сопротивлениелиний 4,5 (см. рис.7):
/>
/> – сопротивление нагрузки,
/> – мощность в нагрузке (от двухтактной схемы).
Симметрирующую линию выполним на отдельном ферритовом кольце, а основныелинии 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] дляфильтра первого порядка исходя из допустимой нерав6омерности АЧХ на fн 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 на10–20% в обе стороны. Выбираем полосковый кабель РП18-5-11 с волновымсопротивлением /> и полосковыйкабель РП9-5-11 с волновым сопротивлением />.