Проектирование оконечного каскада связного передатчика с частотной модуляцией

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Радиосвязь является наиболее распространенным способом передачи информации на расстояние. Радиосвязь представляет собой распространяющееся в пространстве электромагнитное колебание, несущее в себе информацию. Если информация заключается в амплитуде электромагнитного колебания - то говорят об амплитудной модуляции (или АМ), если же в частоте или фазе – то о частотной (ЧМ) или фазовой (ФМ) модуляции. Также для излучения (приёма) этого электромагнитного колебания в открытое пространство (из открытого пространства) необходимо такое устройство как радиопередатчик (радиоприёмник). В наше время широко используются радиостанции, т.е. устройства, сочетающие в себе и радиоприёмник и радиопередатчик и способные работать как на приём, так и на передачу в широком диапазоне частот.

Целью данного курсового проекта  является проектирование  оконечного каскада связного передатчика с частотной модуляцией. Передатчики такого типа проектируются для работы на одной фиксированной частоте или в диапазоне частот. В первом случае, рабочая частота стабилизируется кварцевым резонатором, и для генерации ЧМ колебаний могут быть использованы как прямой метод управления частотой, так и косвенный. В качестве возбудителя диапазонного передатчика с ЧМ используется синтезатор сетки дискретных частот, ведомый генератор которого управляется двумя варикапами.

Для достижения поставленной цели нужно  выполнить ряд задач:

• выбрать, описать и обосновать структурную схему;
• выбрать усилительный полупроводниковый прибор, произвести расчеты;
• произвести расчет цепи согласования;
• произвести расчет выходного фильтра.

 

 

1 Выбор, описание и обоснование структурной схемы

Существует несколько  способов получения частотной (ЧМ) модуляции.

Угловая модуляция может  быть получена прямым способом, когда  модулируется непосредственно частота  автогенератора передатчика, или косвенным, когда в промежуточном каскаде  передатчика производится фазовая  модуляция. Структурные схемы передатчиков с этими способами модуляции  приведены на рис. 1.1 и 1.2.

Рис. 1.1 Структурная схема передатчика с прямой ЧМ.

 

Рис. 1.2 Структурная схема передатчика с косвенной ЧМ

 

Другими словами, прямую частотную модуляцию осуществляют: в полупроводниковых генераторах путём изменения параметров колебательного контура с помощью варикапов, варикондов, реактивного транзистора, нелинейной индуктивности, железо-иттриевого граната (на частотах от нескольких сот мегагерц до десятков гигагерц); в диодных генераторах (на туннельном диоде, ЛПД, диоде Ганна) путём изменения напряжения смещения на диоде; в транзисторных RC–генераторах путём изменения режима работы транзистора (тока коллектора, напряжения смещения на переходе эмиттер-база).

В системах косвенного получения частотной модуляции используются фазовые модуляторы (ФМ). Известны четыре наиболее распространённые структурные схемы передатчиков с ФМ: с ФМ на выходе передатчика; с ФМ в предоконечных каскадах с последующим усилением мощности сигнала ФМК; с ФМ в начальных каскадах с последующим умножением частоты и усилением мощности сигнала ФМК; с ФМ на поднесущей частоте с последующим транспонированием и усилением ФМ сигнала.

Тот и другой способы получения  ЧМ имеют свои недостатки и достоинства. Достоинство прямого метода –  возможность получения глубокой и достаточно линейной частотной  модуляции, недостаток – трудность  обеспечения стабильности средней  частоты колебания с ЧМ. Достоинство  косвенного способа – высокая  стабильность средней частоты, недостатки – неглубокая модуляция, трудность  передачи низких модулирующих частот.

Возможность получения глубокой и линейной ЧМ делает предпочтительным прямой способ в радиовещательных и  связных передатчиках. При этом для повышения стабильности средней частоты используют систему автоматической подстройки частоты (АПЧ) по высокостабильному кварцевому эталону. Структурная схема такого передатчика приведена на рис. 1.3.

Рис 1.3 Структурная схема ЧМ передатчика с синтезатором частоты

Для построения нашего связного передатчика  воспользуемся подобной схемой, но уточним состав и количество входящих в неё блоков.

Мощный

каскад

Структурная схема нашего связного ЧМ передатчика вместе с блоками в своём составе дополнительно содержит:

• Микрофон, который обеспечивает преобразование речевого сообщения в амплитудно-модулированный входной сигнал передатчика;
• Усилитель звуковой частоты, который обеспечивает усиление амплитуды сигнала поступающего с микрофона на управляющий варикап;
• Буферный каскад, необходимый для защиты ГУН, генератора сетки эталонных частот и системы ФАПЧ от влияния на них последующих каскадов;
• Умножитель частоты с коэффициентом умножения частоты n = 2, необходимый для обеспечения требуемой девиации частоты на выходе связного ЧМ передатчика;
• Три блока (каскада) усилителей мощности с коэффициентами усиления по мощности Kp = 10, 12, 5 соответственно, причем мощный оконечный каскад с коэффициентом усиления по мощности равным  5,119;
• Цепь согласования, обеспечивающую согласование выходного сопротивления оконечного каскада передатчика с входным сопротивлением фидера 75 Ом в заданном диапазоне частот;
• Фильтр нижних частот, обеспечивающий ослабление высших гармоник на 40 дБ вне рабочего диапазона частот передатчика в соответствии с техническим заданием.

 

 

 

 

Рис 1.4 Структурная схема ЧМ передатчика с синтезатором частоты

Поскольку в  данной курсовой работе необходимо спроектировать только оконечный мощный каскад связного передатчика с ЧМ, то для конкретизации, входящие в его состав блоки обведены линией, и именно о них далее пойдёт речь.

 

2. Электрический расчёт

2.1 Выбор усилительного полупроводникового прибора

Поскольку наш связной  передатчик имеет диапазон рабочих  частот от 42 до 48 МГц, и небольшую  мощность порядка 6 Вт то выбор остановим  на биполярном транзисторе.

Наиболее подходящий транзистор для нашего связного передатчика 2Т951А, потому что имеет достаточно большое r_нас = 1,4 а также подходит по мощности (с запасом), по диапазону рабочих частот, и по рекомендуемому режиму работы.

Выбранный транзистор имеет  следующие параметры:

Таблица 2.1 Параметры выбранного транзистора 2Т951А

Параметр	Пояснение	Значение
rб	Сопротивление материала базы	0,5, Ом
rэ	Стабилизирующее сопротивление в цепи эмиттера	0,2, Ом
Rуе	Сопротивление утечки эмиттерного перехода	>0,1, кОм
h21э0	Коэффициент передачи по току в схеме с общим  эмиттером ОЭ на постоянном токе	15…100
fт	Граничная частота передачи по току в схеме  с ОЭ	150…420, МГц
Ск	Барьерная ёмкость коллекторного перехода при соответствующем напряжении Ек	60…70, пФ при Ек=28, В
Сэ	Барьерная ёмкость эмиттерного перехода при  соответствующем напряжении Еэ	600, пФ при Еэ=0, В
tк	Постоянная времени коллекторного перехода	<20 пс при Ек=10, В
Lэ	Индуктивность вывода эмиттера транзистора	2,8…3,8, нГн
Lб	Индуктивность вывода базы транзистора	2,1…3,2, нГн
Lк	Индуктивность вывода коллектора транзистора	1,3…3,2, нГн
Eкэ доп	Предельное  напряжение на коллекторе	65, В при Екб имп
Eкэ имп	Предельное  значение импульсного напряжения на коллекторе	60, В
Eк доп	Допустимое  значение питающего напряжения на коллекторе	28, В
Eбэ доп	Допустимое  значение обратного напряжения на эмиттерном переходе	4, В
Iк0 доп	Допустимое  значение постоянной составляющей коллекторного  тока	5, А
Iб0 доп	Допустимое  значение постоянной составляющей базового тока	1,0, А
tп доп	Допустимая  температура переходов транзистора	200, °C
Rпк	Тепловое  сопротивление переход (кристалл) - корпус	2,83, °С/Вт
f¢	Экспериментальное значение верхней частоты диапазона	80, Мгц
Кp	Коэффициент усиления по мощности	8,3…25
h	Коэффициент полезного действия	60…80, %
Е¢к	Напряжение  коллекторного питания при эксперименте	28, В

 

Перечисленные в этой таблице параметры, используются при расчёте коллекторной и базовой цепей транзистора.

Расчёт коллекторной цепи можно  проводить независимо от схемы включения  транзистора, а входной - раздельно для схем с ОЭ или с ОБ. В нашем случае, для оконечного каскада выбрана однотактная схема ГВВ, а схема включения транзистора – схема с ОЭ.

2.2 Расчёт коллекторной цепи

Расчёт будем вести исходя из номинальной мощности Р_1ном при работе транзистора в граничном режиме, поскольку граничный режим можно считать оптимальным на низких и средних частотах (максимальный КПД достигается только в граничном режиме), а также учитывая, что транзистор будет работать в линейном режиме с углом отсечки q = 90° (выбираем такой режим), а схема оконечного каскада передатчика будет строиться по однотактной схеме ГВВ. Отметим также, что расчёт необходимо вести по наихудшему случаю, т.е. подставлять в расчётные соотношения значения входящих в них величин (см. таблицу 2.1) при которых обеспечиваются наихудшие условия.

1. Величина амплитуды первой гармоники напряжения на коллекторе U_к1 определяется формулой:

  (2.2.1)

где Е_к – напряжение питания, r_нас – сопротивление насыщения, a₁(q) – коэффициент разложения косинусоидального импульса, угол отсечки                             q = 90° , Р₁ – номинальная мощность каскада.

Для расчёта подставим  Е_к, уменьшенное относительно напряжения источника питания Е_п на 5В, что может быть связано с потерями по постоянному току в блокировочном дросселе, а выходную колебательную мощность передатчика с запасом, т.е.

Р_{1 ном}.= Р₁ × 1,25 = 6 ×1,25 = 7,5 Вт

Подставляя численные  значения в (2.2.1), получаем:

При этом коэффициент использования  напряжения питания составляет:

2. Максимальное напряжение на коллекторе не должно превышать допустимого (U_кэ.доп. = 60 В):

 (2.2.2)

3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока определяется выражением:

 (2.2.3)                 

 

4. Величина постоянной составляющей коллекторного тока не должна превышать  допустимой (I_{К 0 ДОП} = 5,0 А):

 (2.2.4)

коэффициент разложения косинусоидального импульса для постоянной составляющей a₀(q) равен 0,319:

5. Максимальное значение коллекторного  тока составляет:

 (2.2.5)

6. Величина максимальной потребляемой мощности от источника питания равна:

 (2.2.6)

7. КПД коллекторной цепи при номинальной нагрузке составляет:

 (2.2.7)

8. Максимальная рассеиваемая на коллекторе мощность на коллекторе транзистора приближённо рассчитывается так:

 (2.2.8)

где _. – коэффициент рассогласования входного сопротивления нагрузки, который в оконечном каскаде не должен быть ниже 0,5.

9. Номинальное сопротивление коллекторной нагрузки определяется выражением:

 (2.2.9)              

Нагрузкой нашего связного передатчика  является фидер с входным сопротивлением 75 Ом, поэтому после трансформации  сопротивления с коэффициентом  ¼, т.е. из большего в меньшее получаем, что R_кэ = 75/4 = 18,75 Ом. Поскольку полученное значение этого сопротивления очень близко к рассчитанному значению этого же сопротивления по формуле (2.2.9), то нет смысла проводить коррекцию проведённых ранее расчётов коллекторной цепи.

2.3 Расчет базовой цепи

Для транзисторов УВЧ и  СВЧ существенную роль играют LC – элементы, образующиеся между кристаллом и корпусом транзистора. При расчёте входной цепи транзистора с ОЭ предполагается, что между базовым и эмиттерным выводами транзистора по радиочастоте включен резистор R_доп и R_бк (см. рис. 2.3.1), сопротивление которого составляет:

 

Рис. 2.3.1

 

R_доп

R_бк

 (2.3.1)

 (2.3.2)

Подставляя  численные значения в (2.3.1) и (2.3.2) получаем:

Амплитуда тока базы определяется соотношением:

 (2.3.3)

где коэффициент c равен:

 (2.3.4)

Подставляя численные значения в (2.3.3) и (2.3.4) получаем:

 

 

 

 

1. Напряжение смещения на эмиттерном переходе при q = 90° находится как:

  (2.3.5)             

Где Е_отс = 0,7 В (для кремниевого транзистора).

2. Значение максимального обратного напряжения на эмиттерном переходе определяется формулой:

  (2.3.6)      

По результатам видно, что полученное значение не превышает допустимое значение (U_{бэ доп} = 4 В).

3. Рассчитаем параметры эквивалентной схемы входного сопротивления транзистора при включении с общим эмиттером:

 (2.3.7)

При расчёте входной индуктивности  необходимо добавить к L_э ещё                     3 нГн с учётом погонной индуктивности соединительного проводника с кристаллом, тогда получим: