Разработка передатчика низовой радиосвязи

 

Пояснительная записка: 67 стр., рис. 16, табл. 2, ист. 7.

Объект  разработки – передатчик низовой  радиосвязи.

Целью курсовой работы является разработка варианта структурной схемы передатчика низовой радиосвязи и электрических принципиальных его отдельных узлов, параметры и характеристики которых соответствовали бы техническому заданию.

Использованы  инженерные методы проектирования радиопередающих устройств и стандартные пакеты Mathcad, Word и sPlan.

В результате проведенной работы была разработана  структурная схема радиопередатчика, а также произведен полный электрический расчет выходного каскада, согласующей цепи, предоконечного каскада (умножителя частоты), генератора управляемого напряжением, опорного генератора и штыревой антенны.

УКВ, ГРАНИЧНЫЙ  РЕЖИМ, ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ, СВЧ, АВТОГЕНЕРАТОР, ЦЕПЬ СОГЛАСОВАНИЯ, УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, ФИДЕР, ТИПОВОЙ РЕЖИМ, ДЕВИАЦИЯ ЧАСТОТЫ, КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР.

 

Перечень условных обозначений

 

ПНРС – передатчик низовой радиосвязи;

ЧМ – частотная модуляция;

ФМ – фазовая модуляция;

ФАПЧ – фазовая автоподстройка частоты;

КПД – коэффициент полезного действия;

СВЧ – сверхвысокая частота;

АФУ – антенно-фидерное устройство;

УМ – усилитель мощности;

УЧ – умножитель частоты;

ГУН – генератор управляемый напряжением;

ЦС – цепь согласования;

ЭГ – эквивалентный генератор;

КВ – короткие волны;

УКВ – ультракороткие волны;

РТС – радиотехнические средства;

БП – блок питания;

ГВВ – генератор с внешним возбуждением;

УНЧ – усилитель низкой частоты.

 

 

Содержание

 

Вступление

1. Выбор структурой схемы

1.1 Основные характеристики передатчиков

1.2 Структурная схема передатчика

2. Расчет усилителя мощности

2.1 Схема усилителя мощности

2.2 Расчет режима работы и  энергетический расчет

2.3 Расчет цепи питания усилителя  мощности

2.4 Расчет цепи смещения усилителя  мощности

3. Расчет выходной нагрузочной  системы усилителя мощности

3.1 Электрический расчет нагрузочной  системы

3.2 Конструктивный расчет элементов  нагрузочной системы

3.3 Расчет штыревой антенны

4. Расчет умножителя частоты

4.1 Электрическая принципиальная  схема умножителя частоты с  общей базой

4.2 Электрический расчет активного  элемента умножителя частоты

4.3 Расчет пассивных элементов  схемы

5. Расчет согласующей цепи между  оконечным и предоконечным каскадами

6. Расчет ГУН

6.1 Выбор основных параметров  и активного элемента

6.2 Расчет автогенератора

6.3 Расчет элементов колебательного  контура

6.4 Расчет цепи автосмещения

6.5 Выбор значений блокировочных  элементов

6.6 Расчет частотного модулятора

7. Расчет кварцевого автогенератора

7.1 Схема автогенератора

7.2 Расчет параметров колебательной  системы

7.3 Режимные параметры активного  элемента

7.4 Расчет по постоянному току

Вывод

Список литературы

 

Вступление

 

Техника радиопередающих устройств развивается  непрерывно и интенсивно. Это обусловлено  определяющей ролью передатчиков внедряются новые и новые идеи благодаря  которым снижается энергопотребление  устройств, повышается качество их работы, надежность, с использованием чип-технологий уменьшаются размеры и стоимость радиосистем передачи и извлечения информации, радиоуправления и т.д.

Практически все население Земли обслуживается  радиопередатчиками звукового и  телевизионного вещания. Это передатчики с мощностью от милливатт до сотен киловатт и единиц мегаватт. В передатчиках изображения используют амплитудную, а в передатчиках звукового сопровождения – частотную и фазовую модуляцию.

По существу 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. 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.

Радиосвязь имеет огромное значение для современного человека и используется им почти во всех сферах его деятельности, поэтому, очень нужны специалисты  по электронике и радиосвязи. Для  того чтобы стать таким специалистом, необходимо для начала, приложив не мало усилий получить хорошее техническое  образование. А затем необходимо саморазвиваться и повышать свой профессионализм, проектируя все более и более совершенные, «шагающие в ногу со временем» радиоустройства.

В данном случае необходимо выбрать  структурную схему и спроектировать оконечный и предоконечный каскад передатчика низовой радиосвязи (НРС) с частотной модуляцией, а также ГУН и кварцевый автогенератор, чему и посвящена данная работа.

Передатчики НРС применяются в  диапазонах КВ и УКВ для передачи сообщений на небольшие расстояния. Передатчики такого типа проектируются  для работы на одной фиксированной  частоте или в диапазоне частот. В первом случае, рабочая частота  может стабилизироваться кварцевым  резонатором, а 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 или кварцевый автогенератор, ведомый генератор которого управляется двумя варикапами. Питание маломощных транспортируемых передатчиков, как правило, осуществляют от аккумуляторов напряжением 12-27 В.

 

 

1. Выбор структурой схемы

 

Основные требования к передатчику  определяются из соображений обеспечения  нужного качества функционирования системы, в состав которой входит передатчик.

Радио является основным средством  связи с подвижными объектами  или между ними. На морских и  речных судах используется радиосвязь в диапазонах гектометровых, декаметровых и метровых волн. В первом случае допускается только телеграфная  работа, во втором – телеграфная и телефонная методом однополосной модуляции, в последнем – телефонная методом частотной модуляции. Мощности корабельных передатчиков 10... 300 Вт.

В гражданской авиации используется связь в гектометровом диапазоне  волн при мощности передатчиков 50... 400 Вт и однополосной модуляции и в метровом диапазоне при мощности 5... 20 Вт и амплитудной модуляции.

Широко используют радиосвязь в  народном хозяйстве. В сельском и  лесном хозяйстве, геологоразведочных партиях применяют декаметровые (коротковолновые) передатчики с однополосной и модуляцией мощностью 0,5... 300 Вт; на автомобильном транспорте и крупных стройках, в карьерах по разработке полезных ископаемых и др. – передатчики диапазона метровых и декаметровых волн с частотной модуляцией мощностью 0,1... 20 Вт.

Выбор типа модуляции, которую лучше  использовать при расчете передатчика  основывается на свойствах самой  модуляции.

Например, амплитудная модуляция  требует повышенной мощности модулятора, так как модуляция происходит в одном из оконечных каскадов устройства. Для 100%-ной модуляции (m=1) и мощности несущей 1 кВт полная мощность модулированных колебаний составляет 1,5 кВт. Отметим, что при m=1 мощность, заключенная в обеих боковых полосах, составляет половину мощности несущей. Аналогично при m = 0,5 мощность в обеих боковых полосах составляет 1/8 мощности несущей. Указанное выше имеет место лишь для синусоидальной формы AM. Амплитудная модуляция может быть использована в передаче импульсных значений. При обычной модуляции с двумя боковыми полосами, используемой в радиовещании, информация передается исключительно в боковых полосах. Для того чтобы получить, например, хорошее качество звука, необходимо работать в полосе частот шириной 2М, где М – ширина полосы высококачественного воспроизведения звука (20–20000 Гц). Это означает, что стандартное АМ-радиовещание, к примеру, с частотами до 20 кГц должно иметь ширину полосы ±20 кГц (всего 40 кГц), учитывая верхнюю и нижнюю боковые полосы. Однако на практике ширина полосы частот по правилам ограничивается величиной 10 кГц (±5 кГц), которая предусматривает для радиопередачи звука ширину полосы всего лишь 5 кГц, что далеко от условий высококачественного воспроизведения. Радиовещание с частотной модуляцией имеет более широкую полосу частот.

В большинстве передатчиков большой  мощности модуляция осуществляется в последнем каскаде системы  для того, чтобы избежать необходимости  усиливать модулированный сигнал. Усиление несущей и модулирующего сигнала  происходит раздельно. Степень модуляции  контролируется изменением амплитуды  модуляции и поддержанием постоянной амплитуды несущей.

В методе частотной модуляции (ЧМ) амплитуда модулирующего сигнала  управляет мгновенной частотой несущей. Идеальная ЧМ не вносит изменений  в амплитуду несущей.

Частотно-модулированная связь гораздо  менее чувствительна к помехам. Шумы, попадающие в ЧМ-сигнал, будь то атмосферные возмущения (статические), тепловые шумы в лампах и сопротивлениях или любые другие шумы, имеют меньшую возможность влиять на прием, чем в случае AM. Основной причиной этого является попросту тот факт, что большинство шумов амплитудно модулируют несущую. Восстановление информационного сигнала из ЧМ-волны связано лишь с частотным детектированием, при котором выходной сигнал зависит лишь от изменений частоты ЧМ-сигнала, а не от его амплитуды. Большинство приемников содержит усилитель-ограничитель, который поддерживает постоянную амплитуду ЧМ-колебаний, устраняя тем самым любой АМ-сигнал.

Другим типом угловой модуляции является фазовая модуляция. Эта модуляция очень похожа на ЧМ. При фазовой модуляции мгновенная фаза несущей изменяется пропорционально мгновенной амплитуде модулирующего сигнала. Это приводит к изменению фазы несущей частоты.

Ширина полосы частот ЧМ существенно  шире, а несущая частота значительно  выше (10 МГц и более). Более широкая  полоса частот приводит к более верному  воспроизведению входных звуковых сигналов. Так что экономически и  физически более оправданно применение передатчиков с ЧМ для оборудования наземной радиосвязи.

 

1.1 Основные характеристики  передатчиков

 

Современный передатчик является сложным  устройством, и его свойства характеризуются  многими техническими параметрами. Основные из них: предназначение (для  использования в той или иной системе связи, локации, вещания, навигации  или др.); выходная мощность Р_вых, т.е. мощность основного излучения в пределах необходимой полосы радиочастот, предназначенной для передачи сигнала; номинальное значение радиочастоты f_н или диапазон частот f_н1 … f_н2; тип модуляции; условия эксплуатации передатчика (стационарный или на борту подвижного объекта, с обслуживающим персоналом или необслуживаемый); температура и давление воздуха в месте установки передатчика и др.

Таким образом, перечисленные выше параметры определяют возможность нормальной работы.

Если устройство работает в пределах допустимого абсолютного отклонения частоты, то данный передатчик не будет  создавать недопустимо больших помех как соседним по частоте каналам связи или т.п., так и каналам на частотах, близких к гармоникам или другим частотным составляющим неосновного излучения, появляющимся в результате нелинейных процессов в каскадах передатчика.

Группа параметров определяет качество передачи информации – параметры качества. Для радиотелефонной связи или радиовещания, например, показателями качества являются:

• полоса модулирующих звуковых частот и допустимая степень неравномерности модуляции в этой полосе (неравномерность амплитудно-частотной характеристики); глубина модуляции и допустимый при этом уровень нелинейных искажений (коэффициент гармоник);
• уровень паразитной модуляции (уровень шумов, фона).
• коэффициент полезного действия (КПД). Промышленным (полным) КПД передатчика h_пром называют отношение выходной мощности передатчика Р_вых к мощности, потребляемой передатчиком от электросети Р_сети или другого источника электропитания: h_пром = Р_вых / Р_сети. Промышленный КПД характеризует эффективность преобразования мощности источника питания в мощность колебаний радиочастоты: чем выше КПД, тем лучше, эффективнее передатчик как преобразователь мощности.
• мощность потерь Р_пот, не преобразовавшаяся в полезную, обращается в тепло и вызывает нагрев ламп, транзисторов, катушек индуктивности, конденсаторов, резисторов, трансформаторов и других деталей передатчика: Р_пот = Р_сети – Р_вых. Для защиты элементов передатчика от перегрева приходится создавать систему охлаждения. За счет системы охлаждения увеличивается стоимость, габаритные размеры и масса передатчика, снижается его надежность. Для работы вентиляторов системы охлаждения расходуется дополнительная электроэнергия, т.е. увеличивается Р_сети и снижается h_пром.

Отсюда видно, как важно при  проектировании, настройке и эксплуатации каждого передатчика постоянно  заботиться о повышении его КПД, который определяется КПД каждого каскада, узла передатчика, прежде всего – самых мощных.

• удобство эксплуатации (эксплуатационная технологичность), т.е. степень приспособленности к проведению мероприятий по подготовке к работе, контролю технического состояния, техническому обслуживанию и ремонту; возможность дистанционного или автоматического управления; надежность, т.е. свойство передатчика сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования совокупность затрат на эксплуатацию, включая затраты на электроэнергию, техническое обслуживание и ремонт.