Разработка передатчика низовой радиосвязи

В усилителях мощности на транзисторах широкое применение получил П – образный контур, схема которого изображена на рисунке 9.

 

Рисунок 9. – П-образный контур.

 

На частоте  сигнала f входное сопротивление П – контура должно быть чисто активным и равным требуемому критическому сопротивлению нагрузки транзистора R_к. таким образом П – контур на частоте сигнала f трансформирует активное сопротивление нагрузки R_н в активное входное сопротивление R_к.

 

3.1 Электрический расчет нагрузочной системы

 

Зададимся величиной волнового сопротивления контура:

 

с = 2 ∙  р ∙ f ∙ L₀ = 250 – 500 Ом (3.1)

с = 300 Ом.

 

Определяем  индуктивность контура L₀:

 

L₀ = с / 2 ∙ р ∙ f = 300 / 2 ∙ р ∙ 27 ∙10⁶ = 1,77 мкГн. (3.2)

 

На частоте  сигнала f П – контур сводится к виду, изображенному на рисунке 10, причём L, L₀, C₀ находятся в соотношении:

 

2 ∙ р ∙ f ∙ L = 2 ∙ р ∙ f ∙ L₀ – 1 / 2 ∙ р ∙ f ∙ C₀. (3.3)

 

Рисунок 10. – П контур на частоте сигнала f

 

Величиной L необходимо задаться в соответствии с формулой:

 

L > = = 102,1∙ 10^-9 ≈ 120 нГн. (3.4)

 

Определяем  С₀

 

С₀= = 21,1 пФ (3.5)

С₀ ≈ 22 пФ.

 

Определяем  емкости С1 и С2:

 

С₁ = = (3.6)

= =

= 1,1 нФ.

С₂ = =

= =

= 331 пФ  ≈ 0,33 нФ. (3.7)

 

Рассчитываем  внесенное в контур сопротивление:

 

r_вн = = = 4,03 Ом. (3.8)

 

Определим добротность нагруженного контура:

 

Q_н = с / (r₀ +r_вн), (3.9)

 

где r₀ – собственное сопротивление потерь контурной индуктивности L₀. Эта величина точно определяется при конструктивном расчете контурной катушки индуктивности, а на данном этапе можно принять r₀ = (1…2) Ом = 1 Ом.

 

Q_н = с / (r₀ +r_вн) = 300 / (1 + 4,03) = 59,6. (3.10)

 

Найдем  коэффициент фильтрации П – контура:

 

ф = Q_н ∙(n² –1) ∙ n = 59.6 ∙ (2² – 1) ∙2 = 357,6 (3.11)

 

где n =2 для однотактной схемы усилителя.

Определим к.п.д. (ориентировочный) нагрузочной  системы:

 

з_к = r_вн / (r_вн + r₀) = 4,03 / (1 + 4,03) = 0.801 (3.12)

3.2 Конструктивный расчет элементов нагрузочной системы

 

В процессе конструктивного расчета нагрузочной  системы необходимо выбрать номинальные значения стандартных деталей (С₀, С₁, С₂), входящих в контур, и определить конструктивные размеры контурной катушки L₀.

При выборе номинального значения конденсатора С₁ необходимо учитывать, что параллельно ему подключена выходная емкость транзистора усилителя мощности.

Для настройки  контура в резонанс и обеспечения  оптимальной связи с нагрузкой в состав емкостей С₀ и С₂ целесообразно включить подстроечные конденсаторы. При включении в цепь подстроечных конденсаторов схема контура примет вид изображенный на рисунке 11.

 

 

Рисунок 11. – Принципиальная схема согласующего устройства

 

Номинальные значения элементов входящих в контур: С₀ = 22 пФ; С₂=330 пФ.

В качестве С_2.2 применим подстроечный конденсатор КТ4-21-250В-4/20пФ, в качестве С_0.0 – КТ4-21-250В-2/10пФ.

Учитывая, что выходная емкость транзистора  С_к = 180 пФ емкость С₁ определится так С₁ = 1100 – 180 = 920 пФ, номинальное значение равно 910 пФ.

Произведем  расчет контурной катушки:

Зададим отношение длины намотки катушки  (l) к диаметру намотки (D)

 

v = l / D = (0,5…2) = 1,25. (3.13)

 

Определим площадь продольного сечения  катушки S = l ∙ D по формуле:

 

S = P₁ ∙ з_к / K_s = 32 ∙ 0,8 / 0,5 = 51,2 см², (3.14)

 

где K_s = (0,1 – 1) – удельная тепловая нагрузка на 1 см² сечения катушки, [Вт/см²].

Определим длину l и диаметр D катушки:

 

 см; (3.15)

= 6,4 см. (3.16)

 

Рассчитаем  число витков контурной катушки:

 

= 5,63 ≈ 6 (3.17)

 

где L₀ – индуктивность катушки в мкГн.

Определим диаметр провода катушки d (мм):

 

I_к = U_k1 ∙2 ∙ р ∙ f ∙ C1 = 16 ∙2 ∙ р ∙27 ∙ 10⁶ ∙ 920 ∙ 10^-12 = 2,5A; (3.18)

d ≥ 0,18 ∙ I_к ∙ = 0,18 ∙ 1,2 ∙ = 1,026 мм ≈ 1,5 мм, (3.19)

 

где U_k1 – амплитуда импульсов коллекторного напряжения; I_к – амплитуда контурного тока в амперах, f – рабочая частота в МГц.

Найдем  собственное сопротивление потерь контурной катушки на рабочей  частоте:

 

r₀ = 0,698 Ом, (3.20)

 

где f – рабочая частота, МГц; d – диаметр провода, мм; D – диаметр катушки.

Определим к.п.д. контура:

 

з_к = r_вн / (r₀ + r_вн) = 4,03*100 / (0,698 + 4,03) = 85,2% (3.21)

 

3.3 Расчет штыревой антенны

 

Из конструктивных соображений выбираем радиус штыря:

 

r = 5∙10^-3 (м) (3.22)

 

Находим волновое сопротивление антенны:

 

 (3.23)

где: - длинна штыря,

тогда:

 

Входное сопротивление антенны:

 

 (3.24) и (3.25)

 

Согласование  штыревой антенны с коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом можно произвести при помощи четвертьволнового трансформатора.

 

 

4. Расчет умножителя  частоты

 

Расчет  умножителя частоты на заданную мощность в нагрузке произведем по методике, изложенной в [3].

 

4.1 Электрическая принципиальная  схема умножителя частоты с

общей базой

передатчик радиосвязь каскад антенна

Электрическая принципиальная схема умножителя частоты  с общей базой изображена на рисунке 12.

Здесь C₁, C₂, L₃ и C_1.1, C_2.2, L_3.3 являются элементами цепей согласования предыдущего и последующего каскадов.

 

Рисунок 12. – Электрическая принципиальная схема умножителя

частоты с общей базой

 

4.2 Электрический расчет активного элемента умножителя

частоты

 

Мощность, которую должен развивать умножитель частоты, определяем по формуле (4.1):

 

 (4.1)

 

где: Р_вхУМ – мощность, необходимая для раскачки оконечного усилителя мощности;

КПД –  коэффициент полезного действия цепи согласования между умножителем частоты и усилителем мощности.

Такую мощность можно получить от удвоителя  частоты, выполненного на том же транзисторе  что и выходной каскад КТ903Б. Для получения мощности, близкой к максимальной, принимаем угол И отсечки равным 60°.

Найдем  сопротивление потерь коллектора в  параллельном эквиваленте:

 

 (4.2)

 

Коэффициент использования коллекторного напряжения в граничном режиме определяем по формуле (4.3):

 

 (4.3)

 

где: S_гр =0,4 – крутизна линии граничного режима;

б₂(И) =0,276 – коэффициенты разложения для косинусоидального импульса.

Амплитуды напряжения и тока 2-й гармоники, приведенной к ЭГ, рассчитываем по формулам (4,4) и (4,5):

 

 

 (4.4)

 (4.5)

 

Полезную  нагрузку определим по формуле (4.6):

 

 (4.6)

 

Убедимся  в правильности расчетов:

Амплитуду 2-й гармоники, высоту импульса тока ЭГ, постоянную составляющую коллекторного тока определяем по выражениям (4.7), (4.8) и (4.9):

 

 (4.7)

 (4.8)

 (4.9)

 

где: б₀(И) =0,218 – коэффициенты разложения для косинусоидального импульса.

Для получения ожидаемых мощностей  и коэффициента усиления по мощности необходимо чтобы выполнялось условие: где: І_кр – значение тока коллектора при достижении, которого частота f_гр падает на 3 дБ по отношению к ее максимальному значению при заданном напряжении коллектор-эмиттер (для КТ903Б І_кр = 3А).

Амплитуда тока возбуждения и коэффициент  передачи по току рассчитываем по формулам (4.10) и (4.11):

 

 (4.10)

 (4.11)

 

Пиковое обратное напряжение на эмиттере находим  из выражения (4.12):

 

 (4.12)

 

где: С_э =10^-9 Ф– барьерная емкость эмиттерного перехода;

г₂ =0,138– коэффициент разложения косинусоидального импульса;

U^׳ =0,6 В – напряжение сдвига аппроксимированной статической

характеристики  КТ903Б.

Крутизну  по переходу находим по формуле (4.13):

 

 (4.13)

 

где: t_п =273+115 = 388 ⁰ К– температура перехода в Кельвинах.

Сопротивление рекомбинации r найдем из выражения:

 

 (4.14)

 

Тогда крутизна статической характеристики:

 

 (4.15)

 

Напряжение  смещения, необходимое для создания заданного угла отсечки находим  из выражения (4,16):

 

(4.16)

 

где: г₀ = 0,109– коэффициент разложения косинусоидального импульса.

Так как напряжение смещения получается отрицательным, то его можно реализовать  с помощью резистора автосмещения в цепи эмиттера, сопротивление которого определим по формуле (4.17):

 

 (4.17)

 

Активную  и реактивную составляющие входного сопротивления транзистора определяем по формулам (4.18) и (4.19):

 

 (4.18)

 

 (4.19)

 

Мощность  источника питания, КПД коллектора находим по формулам (4.20) и (4.21):

 

 (4.20)

 (4.21)

 

Коэффициент передачи по мощности и мощность рассеивания  определяем по формулам (4.22) и (4.23):

 

 (4.22)

 (4.23)

 

Активную  и реактивную составляющие сопротивления  нагрузки, приведенные к внешнему выводу коллектора в параллельном эквиваленте, находим по выражениям (4.24) и (4.25):

 

 (4.24)

 

 (4.25)

 

Сопротивление X_н в данном случае имеет положительный знак. Его удобно реализовать в виде катушки индуктивности, включенной вместо обычного дросселя в коллекторную цепь транзистора.

 

4.3 Расчет пассивных элементов схемы

 

Индуктивности катушек L_бл1 и L_бл2 рассчитаем по формуле (4.26):

 

  (4.26)

 

Примем L_бл1 и L_бл2 = 200 нГн

Емкость конденсатора С_бл рассчитаем по формуле (4.27):

 

 (4.27)

 

В качестве блокировочной емкости С_бл выберем конденсатор номиналом 0,2 нФ.

 

 

5. Расчет согласующей цепи между  оконечным и предоконечным

каскадами

 

Для обеспечения трансформации входного сопротивления оконечного каскада  в оптимальное сопротивление  нагрузки предоконечного каскада и  возбуждения оконечного каскада  гармоническим током применим цепь согласования, изображенную на рисунке 13

 

Рисунок 13. – Цепь согласования между оконечным и предоконечным

каскадами передатчика

 

Условие реализации цепи согласования определяется согласно [1] по (5.1),

где R₁ = R_нУЧ (умножителя частоты), R₂ = R_вх (выходного каскада):

 

 (5.1)

 

Принимаем параметр q равным 1,4.

Реактивные  составляющие сопротивления элементов  цепи согласования определяем по формулам (5.2 – 5.4):

 

 (5.2)

 (5.3)

 

 (5.4)

 

Номиналы  элементов цепи согласования находим  по (5.5 – 5.7):

 

 (5.5)

 (5.6)

 (5.7)

 

В качестве С1 и С2 применим конденсаторы из стандартного ряда с номиналами:

С1 = 0,47 нФ,

С2 = 0,1 нФ,

Выбираем  L1 = 0,2 мкГн

 

 

6. Расчет ГУН

 

6.1 Выбор основных параметров  и активного элемента

 

ГУН имеет две регулировки частоты: регулировка частоты системой ЧАП  и модуляция частоты сигналом. Регулировки производятся с помощью  двух варикапов.

Центральная частота на которой работает ГУН 3,375 МГц, после него идет усилитель предварительный или буферный каскад. Мощность, которую должен развивать ГУН в нагрузке примем равной 50 мВт.

 

Рис. 14. − Схема ГУН с частотным модулятором

 

На рисунке 14 представлена принципиальная схема  ГУНа, расчет которой приведен ниже.

Для расчета  автогенератора выберем транзистор ГТ311 с параметрами приведенными в таблице 2.

 

Таблица 2. – Параметры транзистора ГТ311

Предельные эксплуатационные данные
Максимальное напряжение на коллекторе, В	12
Максимальное напряжение эмиттер-база, В	2
Максимальный ток коллектора, А	0,05
Максимальная температура корпуса, Со	70
Максимальная рассеиваемая мощность, Вт	0,15
Электрические параметры и параметры  эквивалентной схемы
Крутизна линии граничного режима, См	0,4
Частота, МГц	300,1000
Пороговое напряжение, В	0,3
Емкость коллектора, пФ	2
Емкость эмиттера, пФ	4
Распределенное сопротивление базы, Ом	60
Индуктивность выводов базы, нГн	10
Индуктивность выводов коллектора, нГн	10
Индуктивность выводов эмиттера, нГн	10