Проектирование оконечного каскада связного передатчика с частотной модуляцией

4. Расчёт выходного фильтра

4.1 Электрический расчёт

Высшие гармоники тока или напряжения, образованные в результате работы транзисторов в нелинейном режиме, должны быть ослаблены  в нагрузке передатчика (в нашем  случае в фидере) до уровня, определяемого  международными нормами. Как правило, это обеспечивается выходной колебательной  системой ВКС, или попросту говоря, выходным фильтром, установленным после  оконечного каскада передатчика.

Заданную фильтрацию гармоник, в  первую очередь наиболее интенсивных  – второй и третьей, выходной фильтр должен обеспечить в рабочем диапазоне  частот передатчика при заданном уровне колебательной мощности и  высоком КПД. В этом и состоит  основное отличие выходного фильтра  от резонансных контуров, межкаскадных цепей связи и т.д.

Нагрузка выходного фильтра  на основной частоте f должна быть близкой к номинальной (в нашем случае это 75 Ом), поэтому перед фидером и выходным фильтром стоит СЦ в виде ТДЛ, которая и трансформирует входное сопротивление фидера в выходное сопротивление оконечного мощного усилительного каскада.

В качестве ВФС нашего связного передатчика  будет использоваться широкодиапазонный  неперестраиваемый Чебышевский фильтр нижних частот с параллельным конденсатором С₁ (см. рис. 4.1.1). Зададимся неравномерностью АЧХ Dа = 0,0436, уровнем подавления высших гармоник а_ф = 35 дБ (35дБ, а не 40 потому, что вторая (самая сильная из высших) гармоника уже ослаблена в два раза по абсолютной величине, что соответствует ослаблению »6 дБ), частотным диапазоном 42…48 МГц и, предварительно рассчитав нормированную частоту в полосе задержания W_зп, при которой необходимо обеспечить заданное затухание а_ф = 35дБ по формуле:

 (4.1.1)

Определяем с помощью соответствующих графиков порядок нашего выходного Чебышевского фильтра нижних частот, который получается шестым, а также нормированные номиналы входящих в фильтр элементов:

С₁ = 0,8989; L₂ = 1,478; С₃ = 1,721; L₄ = 1,721; С₅ = 1,478; L₆ = 0,8989 (4.1.2)

В том же источнике определяются коэффициенты нормирования для ёмкостей и индуктивностей, входящих в выходной фильтр по формулам:

 (4.1.3)

 (4.1.4)

Домножая нормированные номиналы (4.1.2) на соответствующие коэффициенты нормирования (4.1.3) или (4.1.4) получаем расчётные значения номиналов для элементов входящих в наш выходной фильтр, а именно:

С₁ = 39,74 пФ; L₂ = 0,44 мкГн; С₃ = 76,35 пФ; L₄ = 0,513 мкГн; С₅ = 65,34 пФ; L₆ = 0,2679 мкГн (4.1.5)

С₁

L₂

C₃

L₄

C₅

L₆

Рис. 4.1.1 Выходной фильтр Чебышева 6-го порядка

4.2 Конструктивный расчёт

Главной задачей данного конструктивного  расчёта является расчёт геометрии  катушек индуктивности входящих в состав выходного фильтра. Это  необходимо для выполнения помимо требований к заданной индуктивности, высокой  добротности, определённой стабильности, также и требований к электрической  прочности, допустимого нагрева, механической прочности и т.д.

Уточним расчётное значение индуктивности  катушек с учётом влияния экрана катушки: экран уменьшает индуктивность  катушки в соответствии с законом  Лоренца. Если диаметр экрана, по крайней  мере, вдвое больше диаметра катушки (допустим что в нашем случае это  так ), то его влияние не велико и следует принять расчётное значение индуктивности катушек L_расч » (1,1…1,2) L, т.е. получим:

L₂ = 0,528 мкГн; L₄ = 0,6156 мкГн; L₆ = 0,32148 мкГн (4.2.1)

Зададимся соотношением длины намотки  катушки l к её диаметру D, а именно l/D=0,6, поскольку наши катушки, очевидно, будут диаметром меньше 50 мм.

Диаметр провода катушек выберем  исходя из соображений её допустимого  нагрева.

 (4.2.2)

В этой формуле d – диаметр провода, мм I – радиочастотный ток, А (действующее значение, т.е. амплитудное значение тока делённое на ); f – частота радиочастотного тока, МГц; DT – разность температур провода и окружающей среды (возьмём DT =30 °С (°К)), К. Подставив в (4.2.2) численные значения, с учётом рассчитанного по (4.1.3) амплитудного значения радиочастотного тока нагрузки имеем:

 (4.2.3)

Из стандартного ряда диаметров  провода выбираем самое близкое  значение к расчётному, а именно, d = 0,49 мм. Поскольку диаметр провода меньше 1мм, то для жёсткости и механической прочности катушки необходимо наматывать на керамический сердечник.

Число витков спирали катушек рассчитывается по формуле (4.2.4), где F(l/D) коэффициент формы катушки, (при выбранном для катушек отношении l/D =0,6 - ® по графику F(l/D) = 0,01), L_расч – расчётное значение индуктивности в мкГн.

 (4.2.4)

Подставив в (4.2.4) численные значения имеем:

; ;   

Зададимся диаметром 2-ой и 4-ой катушек (см. рис. 4.1.1 и рис 4.2.1)        D = 20 мм, а диаметром 6-ой катушки D = 15 мм тогда зная число витков в катушках и заранее заданное l/D =0,6 можем рассчитать длину катушек l_к и, соответственно, шаги намоток g по формулам:

 (4.2.6)

Подставляя численные значения в (4.2.6) имеем:

     

d

g

l

D

Рис. 4.2.1 Вид катушки индуктивности с сердечником

Теперь можно определить длину  провода в катушках по формуле (4.2.8), в которой длину хвоста возьмём 2 см:

 (4.2.8)

Подставив численные  значения в (4.2.8) имеем:

   

 

Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы были выполнены все поставленные задачи:

• была выбрана и описана структурная схема;
• был выбран усилительный полупроводниковый прибор – биполярный транзистор 2Т951А, и произведены расчеты;
• произведен расчет цепи согласования;
• произведен расчет выходного фильтра.

В нашем оконечном мощном каскаде  связного передатчика с ЧМ, в результате расчётов были получены следующие значения номиналов:

Резисторы:

R₁ = 61,17 Ом; R₂ =2,34 Ом; R_доп = 9,478 Ом

Конденсаторы:

С_бл = 73,56 пФ; С_бл1 = 39,187 нФ; С_бл2 = 195,95 пФ; С₁ = 39,74 пФ; С₃ = 76,35 пФ; С₅ = 65,34 пФ;

Катушки индуктивности:

L_бл = 14,657 мкГн; L₂ = 0,44 мкГн; L₄ = 0,513 мкГн; L₆ = 0,2679 мкГн;

Достигнута цель курсового проекта - был спроектирован оконечный мощный каскад связного передатчика с ЧМ, который полностью удовлетворяет исходным данным, описанным в задании на проектирование.

Поскольку для  проектирования даже такой малой  части устройства, как всего лишь выходной каскад, требуется детальная  проработка учебной и методической литературы, то выполнение данной работы позволило подробней изучить  материал курса радиопередающих  устройств, а значит, внесло свой вклад  в процесс обучения и в будущем, полученный ценный практический опыт обязательно пригодится в будущей  инженерной деятельности.

  
Список использованных источников

1. Аксёнов А.И., Нефёдов А.В. «Элементы  схем бытовой радиоаппаратуры. Конденсаторы. Резисторы»: Справочник. – М.: Радио  и связь. 1995. – 272 с.: ил. – (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1203). ISBN 5-256-01181-2.
2. Проектирование радиопередатчиков: Учебное пособие для вузов/ В. В. Шахгильдян, М..С. Шумилин, В.Б. Козырев и др.Ж Под ред. В. В. Шахгильдяна. – 4-е изд., перераб. И доп. – М.: Радио и связь, 2000 – 656 с. ил. ISBN 5-256-01378-5.
3. Радиопередающие устройства: Методические указания по курсовому проектированию. Л. И. Булатов, Б. В. Гусев, Ф. В. Харитонов. Екатеринбург; УПИ, 1992.
4. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / Л. А. Белов, М. В. Благовещенский, В.М. Богачёв и др.; Под ред. М. В. Благовещенского, Г. М. Уткина. - М.: Радио и связь, 1982. – 408с., ил.
5. Ханзел Г. Е. Справочник по расчёту фильтров. США, 1969: Пер. с англ. под ред. Знаменского М.: Сов. Радио, 1974.
6. Шумилин М. С., Козырев В. Б., Власов В. А. Проектирование транзисторных каскадов передатчиков: Учебное пособие для техникумов. М.: Радио и связь, 1987.
7. http://extusur.net/content/2_radiosviaz/7.3.html
8. http://vkpolitehnik.ru/index/0-216
9. http://www.kazedu.kz/referat/159504
10. http://www.femto.com.ua/articles/part_2/3259.html