Проектирование передатчика с частотной модуляцией

Министерство  образования и науки РФ

ФГАОУ ВПО  «Уральский Федеральный Университет - УрФУ

имени первого  Президента России Б.Н. Ельцина»

 

Кафедра высокочастотных средств связи и радиотелеметрии

 

 

Оценка  работы __________________

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

Проектирование передатчика

с частотной модуляцией

 

 

 

 

 

Подпись  Дата    Ф.И.О. 

Преподаватель ____________________________________________Булатов Л.И.

 

Студент  _____________________________________________Мордашкин А. Б.

 
Группа Р-48072

 

 

 

 

Екатеринбург

2012

 

Оглавление

1. Задание на курсовое проектирование 3

2. Выбор транзистора 4

3. Расчет коллекторной цепи 5

4. Расчет базовой цепи 6

5. Расчет антенны 9

6. Расчет согласующего устройства 11

7. Конструкторский расчет элементов 14

8. Назначение элементов принципиальной схемы 16

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 18

Список литературы 19

 

 

1. Задание на курсовое проектирование

 

Передатчик с частотной  модуляцией

Мощность  в фидере – 1 Вт

Рабочая частота  – 27.2 МГц

Антенна –  штырь 1.5 м

Подавление  гармоник – 30 дБ

Питание от аккумулятора – 12 В

Рассчитать  режим оконечной ступени и  устройства согласования

В пояснительной  записке объяснить назначение всех элементов принципиальной схемы

 

2. Структурная схема

        Умножитель

 

 

 

УНЧ - усилитель  низкой частоты;

УЧ    - управитель частоты;

АГ    - автогенератор (кварцевый);

УК      - усилительный каскад;

Умножитель - удвоитель частоты;

ОУ  - оконечный  усилитель;

СЦ  - согласующая  цепь.

3. Выбор транзистора

 

Основными параметрами  для выбора транзистора является полоса рабочих частот (f=27.2 МГц) и выходная мощность (p₁=Pф/0.7= 1.43 Вт). Частотным и мощностным параметрам удовлетворяет транзистор 2Т920Б

Тип транзистора

Параметры идеализированных статических характеристик

Высокочастотные параметры

Допустимые параметры

Энергетический параметры

Rнас, Ом

β0

Fт, МГц

Ск, пФ

Сз, пФ

Tк, пс

Lз, нГн

Uкэ доп, В

Uбэ доп, В

Ik0 доп, А

Рабочие частоты, МГц

Рн, Вт

Режим работы

2Т920Б

1.0

32

693

17

90

10

1.2

36

4

1

50..200

7

Класс В

 

Выбранный транзистор удовлетворяет вышеуказанным  требованиям, т.к. при недоиспользовании транзисторов по мощности их можно использовать на частотах более низких, чем указанных в спецификации.

Также он обладает следующими особенностями: запас  по мощности более чем в 3 раза, запас  по току более чем в 2 раза, а также  низкое сопротивление насыщения.

 

4. Расчет коллекторной цепи

Для наибольшего  КПД будем рассчитывать каскад на граничный режим. Примем угол отсечки Θ=90°.

1. Крутизна граничной характеристики

 

2. Коэффициент использования коллекторного напряжения в граничном режиме: 
   .
3. Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе в граничном  режиме: 
   .
4. Максимальное напряжение на коллекторе: 
   .
5. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока: 
   .
6. Постоянная составляющая коллекторного тока: 
   .
7. Максимальная величина коллекторного тока: 
   .
8. Мощность, потребляемая от источника коллекторного питания: 
   .
9. Коэффициент полезного действия коллекторной цепи: 
   .
10. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора: 
    .
11. Сопротивление коллекторной нагрузки: 
    .

5. Расчет базовой цепи

Приведенная ниже методика расчета  справедлива на частотах до (0,5…0,8)f_T. Так как у транзистора КТ920Б частота единичного усиления f_T=693МГц, следовательно эта методика может использоваться для расчета входной цепи оконечного каскада.

Для устранения перекосов в импульсах  i_к(ωt) нужно включать шунтирующее добавочное сопротивление R_доп между выводами базы и эмиттера транзистора

Сопротивление R_доп выравнивает постоянные времени эмиттерного перехода в закрытом и в открытом состоянии. Одновременно сопротивление R_доп снижает максимальное обратное напряжение на закрытом эмиттерном переходе.

При включении транзистора с  ОЭ целесообразно между коллекторным и базовым выводами транзистора  включать сопротивление R_ОС

В результате включения R_ОС создается дополнительная отрицательная обратная связь на низких и средних частотах, такая же по величине, как на высоких частотах через емкость C_К. В результате на всех частотах модуль коэффициента усиления по току транзистора β(ω) снижается в χ раз.

.

При работе транзистора на частотах ω>3ωT/β₀ в реальной схеме генератора можно не ставить сопротивления R_доп  и R_ОС. Однако в последующих расчетных формулах сопротивление R_доп необходимо оставлять.

1. Амплитуда тока базы 
   .
2. Максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе 
   
3. Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов 
    
   
4. Напряжение смещения на эмиттерном переходе 
   

5. Значения L_ВХОЭ, r_ВХОЭ, R_ВХОЭ, C_ВХОЭ в эквивалентной схеме входного сопротивления транзистора

6. Резистивная и реактивная составляющие входного сопротивления транзистора (Z_ВХ=R_ВХ+iX_ВХ) 
    
   
7. Входная мощность 
   
8. Коэффициент усиления по мощности 
   

 
 

 

6. Расчет антенны

Для расчета параметров антенны  была использована программа MMANA-GAL. Антенна расположена на высоте 1м от земли. Выполнена в виде железного стержня. Модель учитывает корпус прибора. Длина антенны 1.5 метра, диаметр 1.6 см.

Z_A=R_A+jX_A=8.47-388 Ом

 

7. Расчет согласующего устройства

В данном радиопередатчике в качестве согласующего устройства используется контур, к  которому коллектор подключен частично.

Исходные  данные:

Примем, что характеристическое сопротивление  контура ρ=150 Ом, а добротность  ненагруженного контура Q_xx=150. КПД согласующего устройства будет составлять , при большем КПД не достигается нужнее ослабление высших гармоник. Следует отметить что в антенну будет передаваться лишь p_н=0,5 Вт.

 

 

Построим АЧХ в программе  RFSim99

 

8. Расчет трансформатора

 

Трансформатор Т3 выполнен следующим  образом:

На ферритовое кольцо наматывается 2 провода одинаковой длины, затем конец первого и начало второго соединяют. В результате получается следующая схема:

Результатом работы такого трансформатора будет преобразование сопротивления 1 к 4.

Рассчитаем индуктивности L1 и L2.

_{Основным критерием  в выборе феррита  является диапазон допустимых частот. В соответствии с нашей частотой (27.2МГц) выберем феррит ВЧ50-2 с магнитной проницаемостью 50.}

_{Размеры феррита  выбираем из конструкторских  соображений.}

_{Используем Coil32 для расчета количества витков и размеров кольца.}

_{Подгоняем размеры  так, чтобы число  витков было целое.}

_{В результате получили кольцо: 21х13х6  с 12 витками.}

_{Проверим, можно ли намотать столько витков.}

pD2 = 3,14*1,3 = 4,08 см,

Nb = 10*0,2 = 2 см, где b – толщина провода. 2 < 4,08 следовательно все витки помещаются на феррит.

9. Конструкторский расчет элементов

Через индуктивности  L4 и L5 течет один и тот же контурный ток. Рассчитаем действующее значение этого тока по приведенным ниже формулам:

Рассчитаем  диаметр провода для катушки:

Коэффициент 1.8 означает бескаркасную катушку или  катушку на гребенчатом каркасе, f – частота в мегагерцах, ΔT разность температур провода и окружающей среды.

Катушки L4 и L5 рассчитаем в программе RFSim99

L4:

L5:

Емкости C14 и C15 необходимо выполнить с подстроечными емкостями, для более точной настройки контура в резонанс и согласования антенны с коллекторной цепью.

Каждую емкость (C14 и С15) возможно конструктивно выполнить в виде двух параллельно соединенных конденсаторов: одного постоянной емкости из ряда Е3 22пФ и 100пФ соответственно и подстроечного конденсатора типа КТ4-21. 

10. Назначение элементов принципиальной схемы

М – микрофон;

DA1 – операционный усилитель, используется как УНЧ;

R17, R18 – делитель напряжения, определяющий коэффициент усиления ОУ

C15, C8, C1 – заземление ВЧ;

C12 – блокировочная емкость, не дает постоянной составляющей попасть в микрофон;

C7 – разделительная емкость между каскадом УНЧ и управителем частоты;

L1 – подстроечная индуктивность(точная подстройка генератора)

ZQ1 – кварцевый резонатор, используется для повышения стабильности частоты генератора(стоит на месте индуктивности в емкостной трехточке)

С1 – убирает ВЧ составляющую с варикапа;

VD1 – варикап, используется для частотной модуляции;

R5, R6 -  сопротивления,  определяющие смещение Eвмол;

R15, R14, R11, R10 – сопротивления устанавливающие режим работы ОУ;

VT2, VT3 – активные элементы (транзисторы) двухкаскадного усилителя низкой частоты;

R4,R2 – устанавливают режим работы транзистора VT1 (открывают транзистор);

C3 – заземление эмиттера VT2 по переменному току;

R1,R3 – определяют напряжения питания транзисторов VT1 и VT2 соответственно;

С2 – развязывающая емкость, стабилизирует напряжения питания микрофона и транзисторов VT1 и VT2.

R5 – устанавливает напряжение питания для УНЧ.

С7 – развязывающая емкость, стабилизирует напряжение питания АГ и УВЧ;

R7 – подает напряжение смещения на VT3 (открывает транзистор);

L2 – блокировочная индуктивность, через нее подается напряжение питания на VT3;

VT3 – активные элемент (транзистор), автогенератора;

С6 – блокировочная емкость;

С4 – блокировочная емкость;

Др1 – блокировочная индуктивность, исключает попадание ВЧ колебаний в УНЧ;

R6 – сопротивление, уменьшающее эквивалентное сопротивление дросселя (Др1) по переменному току, устраняет паразитную модуляцию от дросселя;

VD1, VD2 – варикапы, являются управляющим элементом для изменения частоты АГ;

L1, C5, VD1, VD2 – колебательный контур, играет роль индуктивности в емкостной трехточке;

С8 – емкость  между базой и эмиттером в емкостной трехточке;

С9 – емкость между эмиттером и коллектором в емкостной трехточке;

R8 – блокировочное сопротивление, заземляет эмиттер по постоянному току;

С10 – блокировочный  конденсатор;

L3, С11 – нагрузка АГ, контур настраивается в последовательный резонанс. Через контур заземляется коллектор по переменному току;

C15 – емкость, совместно с C11 образует делитель напряжения, с нее снимается ЧМ-сигнал для УВЧ.

VT4 –активный элемент (транзистор) УВЧ;

Др2 – индуктивность, заземляет базу VT4 по постоянному току;

R9 – устанавливает режим питания VT4;

C13 – блокировочная емкость, заземляет ветвь контура (L4, L5, C14, C15) по переменному току;

L4, L5 – индуктивности обеспечивающие частичное подключение коллектора УВЧ к согласующему устройству (колебательному контуру);