Передатчик низовой радиосвязи

 

Исходные данные для расчета:

LБ=2.9 нГн;

LЭ=1.7 нГн;

СКА=(0.2...0.3)СК=3 пФ.

LВХОЭ=LБ + LЭ/c = 2.9 + 1.7/1.1 = 4.2 нГн.

rВХОЭ = [1+0.5·2·p·300·106·1.7·10-9]/1.29 = 4.5 Ом.

.

RВХОЭ=[-4.5 + 212·0.5] / 1.1 = 23.9 Ом.

СВХОЭ = b0/(2·p·fT·RВХОЭ) = 20/(2·3.14·300·106·23.9) = 0.148 пФ.

6. Резистивная  и реактивная составляющие входного  сопротивления транзистора ZВХ = rВХ + jХВХ.

 Ом.

7. Расчет  входной мощности.

PВХ = 0.5·IБ2·rВХ = 0.5·0.262·6.6 = 0,22 Вт.

8. Коэффициент  усиления транзистора по мощности.

КР = Р1/РВХ = 0.7/0.022 = 3,1.

 

 

 

3. Расчет цепей питания

 

В мощных оконечных каскадах, где транзисторы обычно работают с отсечкой тока, на эмиттерный переход подают запирающее смещение, которое обычно обеспечивается на сопротивлении автосмещения в цепи базы транзистора (рис. 3).

Автосмещение в цепи базы транзистора

 

 

Рис.3 Автосмещение в цепи базы транзистора

 

 

При это обеспечивается равенство: ЕБ = R2·IБО.

Обычно дроссель LБЛ исключают, допуская некоторое шунтирование транзистора по входу сопротивлением автосмещения. В этом случае сопротивление R2 по радиочастоте может выполнять роль добавочного RД.

Однако, выше уже отмечалось, что на частотах f > 3·fT/b0, то есть f = 3·300/20 = 45 МГц <250 МГц, в реальной схеме генератора RД можно не ставить.

Транзисторы диапазона СВЧ обычно работают с нулевым смещением на эмиттерном переходе, поскольку введение отпирающего смещения вызывает опасность самовозбуждения, а запирающего - снижает усиление транзистора. Роль блокировочных дросселей выполняют индуктивности выводов транзистора, индуктивность которых составляет 20...30 нГн.

Блокировочные емкости СБЛ в цепях питания транзистора следует выбирать из условия

.

Исходя из этого выбираем СБЛ равными 0.1 мкФ.

 

 

4. Расчет трансформирующей цепи

 

Узкодиапазонные трансформирующие цепи с коэффициентом перекрытия по частоте Kf<1.1...1.2, в том числе и Kf= 1 выполняют на основе согласующих цепочек.

Исходные данные для расчета ФНЧ - трансформатора:

рабочая частота - 250 МГц;

- RВХНОМ = RЭК = 40 Ом;

- RH = 75 Ом;

- КБФ=0.71.

 

1. Определяем параметр r

r = RН / RВХНОМ = 75/40 = 1,87.

2. Коэффициент  перекрытия по частоте Kf = 1.

3. Определяем  параметр d = (1-KБФ)2 / (1+КБФ)2.

d = (1-0.71)2 / (1+0.71)2 = 0.029.

4. Число реактивных  элементов при максимально гладкой  АЧХ:

Принимаем Kf = 1.1, тогда имеем

Округляя полученное значение, получаем m=2.

5. В соответствии  с полученным после округления  m=2 уточняем d.

Исходя из этого, получаем

Da = 10·lg (1/(1-d))=0.005 дБ.

6. Коэффициенты  а1 и а2 при m=2 принимают следующие значения

;

а2 = r·а1.

m = 1 - 1 / Kf 2 = 0.174;  n = 1+ 1 / Kf 2 = 1.83.

а2 = 0.56·1.87 = 0,93.

 

 

 

7. Определим  LC - элементы при RВХНОМ<RН

L1= а1·RННОМ/2p·fB = 0.56·75 / 2·3,14·250·106 = 0.02 мкГн.

С1= а2 /2p·fBRННОМ = 0,93/ 2·3,14·250·106·75 = 7,9 пФ.

 

С учетом полученных сведений построим электрическую принципиальную схему трансформирующего ФНЧ (Рис. 4).

 

 

 

Рис. 4 Электрическая принципиальная схема трансформирующего ФНЧ

 

 

2. Расчет автогенератора

 

1. Выбор и расчет параметров схемы

 

Для проектируемого передатчика выбираем схему гармоникового АГ с кварцевой стабилизацией частоты и резонатором между коллектором и базой (рис. 5).

 

 

 

Рис.5 Гармониковый автогенератор с резонатором между коллектором и базой

 

 

Автогенератор должен обеспечить мощность в нагрузке РН=0.6 мВт на рабочей частоте fр=125 МГц.

- R1 = 50 Ом;

- C0 = 5 пФ;

- QКР = w1L1/R1 = 105.

Допустимая мощность рассеяния на кварцевом резонаторе:

РКР.ДОП = 2 мВт.

Выбираем а=РН/РКР=0.6, где РКР - мощность рассеиваемая на кварцевом резонаторе.

t0=w1·C0·R1=2·p·125·106·5·10-12·50=0.18.

 

Определим мощность рассеиваемую на резонаторе

РКР=РН / а=0.6 / 0.6=1 мВт.

Видим что РКР<РКР ДОП.

Выбираем транзистор типа ГТ311Е со следующими параметрами:

fГР = 150 МГц;

IКMAX =50 мА;

РКMAX = 150 мВт;

ЕКЭMAX = 12 B;

EОТС = 0.3 В.

Выбираем ЕКЭ<(0.4...0.5)ЕКЭMAX = 5 В и амплитуду импульсов тока коллектора iКМ<0.5·IКMAX = 10 мА.

Определяем St = Sg1(q), где S - локальная крутизна статистической характеристики транзистора при iK=0.5iKM.

Получим S=0.127 А/В.

Выберем g(q)=0.2, то есть q=60°. Следовательно S1 = 0.0254 A/B.

Нормированная по fS частота колебаний

WS=125/150=0.8.

 

 

 

Определим сопротивления Х1 и Х2 по формулам

 

   

 

Индуктивность L2 и емкость С3 определяем из условия

1+w12·L2·C3<n2·(n-2)2, где n и (n-2) - номера выбранной для возбуждения и ближайшей низшей нечетной гармоники.

Принимая w12·L2·C3=2, из выражения

находим

При известном С3 определяем значение L2

Относительная разница между частотами f и f1

 

 

Для более точной настройки КГ необходимо одну из емкостей (С2 или С3) выполнить полупеременной (±30%).

 

 

 

2. Расчет режима работы транзистора

 

1. IK0=a0(q)·iKM=0.218·10·10-3=2.2 мА.

2. IK1=a1(q)·iKM=0.391·10·10-3=3.9 мА.

3. Амплитуда  напряжения на базе определяется  как

4. Амплитуда  напряжения на коллекторе

где

5. Мощность, подведенная к коллекторной цепи

Р0=IK0·EКЭ=2.18·10-3·5=11 мВт.

6. Мощность, рассеиваемая на коллекторе

РК=Р0-Р1=11·10-3-1.1·10-3=9.9 мВт.

7. Постоянная  составляющая тока базы

IБ0=IK0/b0=2.2·10-3/0.05 = 44 мА.

8. Напряжение  смещения на базе

9. Принимаем  RЭ=[100...500] Ом, RЭ=300 Ом.

10. Сопротивление  R4 определим из соотношения

R4=(10...20)Х2 = (367...734) Ом.

R4=500 Ом.

11. Напряжение  источника питания

ЕП=ЕКЭ+(IКО+IБО)RЭ

ЕП  = 5+(2.2·10-3+0.044·10-3 )·300 = 5.7 В.

12. Напряжение  в точке соединения R2, R3, R4

ЕД=ЕБ0+(IK0+IБ0)RЭ=0.91 В.

13. Принимая  ток через делитель равным 5·IБ0, получаем

IД=0.22 мА.

14. Находим  значения сопротивлений резисторов

R3=(ЕК-ЕД)/IД=21.8 кОм=22 кОм.

R2=ЕД/(IД-IБ0)=5.08 кОм=5.1 кОм.

 

3. Расчет частотного модулятора

 

Выбираем ЧМ-модулятор, модуляция в котором осуществляется с помощью варикапа  (рис. 6).

 

 

 

 

Рис. 6 Частотный модулятор на варикапе

 

Согласно ТЗ, рабочая частота fРАБ=125 МГц , девиация частоты Df=5 кГц , выходная амплитуда напряжения ВЧ-колебаний на контуре Uw=5.5 B. Емкость контура автогенератора С=39 пФ, добротность контура Q=180.

Глубина допустимой паразитной АМ меньше 1%, коэффициент нелинейных искажений меньше 10%.

Напряжение источника питания 12 В.

1. Выбираем варикап КВ102 со следующими параметрами:

СН=22...32 пФ; n=1/2; CMAX/CМПН=3; jK=0.8 B; добротность QB>200, допустимое напряжение смещения ЕСМAX=45 B.

Относительная девиация частоты Df/f0 = 5/125=0,04.

2. Необходимое изменение емкости контура для получения заданной девиации частоты

DC=2·Df·C/f0=2·5·103·39·10-12/125·106=0,31 пФ.

3. Выбираем напряжение смещения на варикапе ЕСМ=6В, при этом емкость варикапа С0=25 пФ.
4. Сопротивление делителя напряжения при токе делителя

                  IДЕЛ=(100...1000)IОБР=1 мА.

R1+R2=E/IДЕЛ=12/1·10-3=12 кОм.

Выбираем R1=R2=6 кОм.

5. Для  ослабления факторов, дестабилизирующих  частоту генерации, выбираем наименьший  коэффициент включения варикапа  в контур:

р2С0/C=10-2, отсюда р=0.124.

6. Постоянная  составляющая емкости, вносимой  варикапом

С=рС0=0.124·25 пФ=3.1 пФ.

7. Необходимое  изменение емкости варикапа в  процессе модуляции

DC'=DC/p2=0.01/(0.124)2=0.65 пФ.

8. Емкость  конденсатора связи

Ссв=С0р/(1-p)=3.54 пФ.

9. Амплитуда  модулирующего напряжения на  варикапе при крутизне характеристики  варикапа в выбранном режиме

S=DC'/DU=при ЕСМ=6В=6 пФ/B.

UWB=DC'/S=0.65/6=0.108 B.

10. Амплитуда напряжения высокой частоты на варикапе

UwB=p2Uw=0.1242·5.5=8.4 мВ.

11. Проверка  режима работы варикапа

UwB+UWB=(0.0084+0.108)<6 B.

12. Коэффициент паразитной амплитудной модуляции mAM

13. Нормированная амплитуда модулирующего сигнала

14. Коэффициент  нелинейных искажений

где

М2=5.59·10-3;

М3=3.53·10-5;

М4=9.41·10-7;

kW=5.59·10-3=0.6%<<10%.

 

 

 

Заключение

 

В результате проделанной работы был спроектирован УКВ-ЧМ передатчик низовой радиосвязи. Все требования технического задания обеспечены. Структурная и электрическая принципиальная схемы представлены в приложении.

Схемное решение передатчика может быть усовершенствована путем замены функциональных узлов микросхемами и внедрением новых высокочастотных транзисторов с большими КР и КПД.

 

 

Список литературы

 

1. Скупой В.Ф. “Методические указания к курсовому проекту по радиопередающим устройствам. Часть 1. Выбор, обоснование и расчет структурных схем РПУ”. – Таганрог: ТРТИ 1985. – 19 с.
1. Скупой В.Ф. “Методические указания к курсовому проекту по радиопередающим устройствам. Часть 2. Проектирование принципиальных схем передатчиков с частотной модуляцией”. – Таганрог: ТРТИ 1986. – 12 с.
2. Скупой В.Ф. “Методические указания к курсовому проекту по радиопередающим устройствам. Расчет кварцевых ЧМ – автогенераторов”. – Таганрог: ТРТИ 1989. – 18 с.

 

 

Приложения