187-2015 РПДУ

Следует отметить, что составленная таким образом структурная схема разрабатываемого устройства является предварительной и в дальнейшем должна уточняться.

Далее проводится выбор и обоснование принципиальных схем всех функциональных узлов, полученного устройства, схемы, а также используемой элементной базы.

При выборе схемных решений отдельных узлов и усилительных каскадов следует обращать внимание не только на энергетические показатели (мощность в нагрузке и КПД), но и на качественные показатели (линейность модуляционной характеристики), технологичность (число регулировочных элементов), эксплуатационную надёжность, простоту обслуживания и тип используемого источника питания.

Эти задачи часто являются противоречивыми. Прежде всего это касается обеспечения высокого КПД передатчика с угловой модуляцией эта проблема решается просто, так как требования к нелинейным искажениям в этом случае невысокие, а усиление сигнала с постоянной амплитудой позволяет использовать энергетически выгодные режимы работы АЭ.

При использовании радиосигнала с изменяющейся амплитудой, например при ОМ требуется обеспечить малые нелинейные искажения. Эта требования необходимо обеспечить, прежде всего, в однополосном возбудителе. Так для обеспечения малых нелинейных искажений (ниже —40 дБ при измерении двух тоновым методом) формирование радиосигнала осуществляется на малом уровне мощности (до единиц милливатт).

Кроме этого, в случае использования фильтрового метода, более высокие требования по допустимым нелинейным искажениям предъявляются к первой ступени формирования сигнала, поэтому в ней необходимо использовать либо активные аналоговые перемножители, либо диодные перемножители.

19

К этой ступени предъявляются также и высокие требования к избирательности полосовых фильтров, поскольку частотный интервал между выделяемой и подавляемой полосами частот составляет менее 0,1 %.

Низкий уровень нелинейных искажений может быть достигнуг при формировании ОМ сигнала цифровыми методами [5, 6, 10,14].

При использовании цифрового метода формирования ОМ сигнала требуемый уровень подавления неиспользуемой боковой полосы достигается при применении фазофильтрового метода подавления побочных колебаний, что обусловлено спецификой спектра этого сигнала[5,6,12].

Необходимо обратить внимание и на радиочастотный тракт разрабатываемого устройства. Поэтому для усилителя мощности необходимо обосновать целесообразность применения двухтактной или однотактной схем, выбрать общий электрод АЭ, а также используемую элементную базу, прежде всего, в выходных каскадах: биполярных, полевых, балансных транзисторов и МОЗБЕТ-транзисторов, а также специальных приборов СВЧ [18].

Для обеспечения заданного уровня подавления побочных колебаний выбирается тип колебательной системы выходного фильтра, каждой избирательной ступени устройства и метод их настройки: изменением параметров катушки индуктивности или конденсатора.

При выборе метода построения схем частотных модуляторов в РПДУ подвижной связи часто предпочтение отдается прямому методу с непосредственной модуляцией кварцевого автогенератора.

В этом случае для получения наибольшей девиации частоты целесообразно выбрать схему с резонатором в контуре и заземленным коллектором. Но даже при использовании относительно низкодобротного пьезорезонатора АТ среза девиация частоты составляет 1...2 кГц [5,15]. Возможно также использование и устройств на ПАВ - элементах [15,16].

20

Типовые схемы фазовых модуляторов чаще всего выполняются в виде усилителей с резонансными контурами или мостового типа. При этом некоторое преимущество имеет мостовая схема, поскольку в ней фазовая модуляция осуществляется с малым уровнем паразитной амплитудной модуляции [5,19].

В формирователях радиосигналов с угловой модуляцией важно правильно выбрать тип управляющего элемента. В радиовещательных РПДУ и подвижной связи в качестве управляющего элемента часто выбирают варактор, работающий в барьерном режиме (варикап, варикапную сборку).

С учётом всестороннего обоснования схемных решений всех функциональных узлов и элементной базы по техническим и экономическим характеристикам составляется подробная структурная схема РИДУ.

3.3.Расчёт структурной схемы

Впроцессе расчёта структурной схемы на основе априорных данных, полученных из предыдущих опытно­ конструкторских разработок или взятых из литературы (справочников), определяются основные технические параметры узлов проектируемого устройства, чтобы простым путём получить первое цельное представление о проектируемом устройстве. При этом определяются возможные значения коэффициента усиления (передачи) различных ступеней и каскадов усиления, коэффициенты полезного действия согласующих цепей и схем сложения мощности, полосы пропускания согласующих и фильтрующих цепей, уровни полезного сигнала, гармонических и комбинационных составляющих в различных точках схемы.

Вчастности при расчёте структурной схемы РПДУ с угловой модуляцией определяются [ 6, 9, 11]:

21

-общий коэффициент умножения умножителей частоты (если они выбраны) и отдельных каскадов умножения частоты;

-число каскадов РЧ и уровень колебательной мощности оконечного каскада;

-общий коэффициент усиления тракта РЧ;

-уточняется тип выбранного транзистора оконечного каскада УМ;

-коэффициент фильтрации выходной колебательной системы (фильтра гармоник).

Для расчёта структурной схемы необходимы технические данные на элементную базу, которыми необходимо предварительно задаваться. Эти данные берутся либо из предварительных экспериментов или справочной литературы. Обычно при расчете используются следующие параметры: значения коэффициентов усиления транзисторов, используемых в различных каскадах усиления, их КПД и граничные частоты, КПД согласующих цепей и схем сложения мощности, добротности колебательных контуров и согласующих цепей. На литературный источник, из которого взяты справочные данные, необходимо сделать ссылку в тексте РПЗ.

В процессе выполнения расчётов определяются значения коэффициентов усиления (передачи) каскадов, КПД согласующих цепей или затухание, а также полосы пропускания и другое.

Расчёт структурной схемы РПДУ с однополосной модуляцией имеет некоторые особенности. Поскольку для ОМ сигнала требуется высокая линейность тракта усиления РЧ, то необходимо, прежде всего, распределить нелинейные искажения по каскадам УМ. Исходный уровень искажений задаётся на выходе первой ступени формирователя ОМ сигнала, определяемый методом получения сигнала и используемой элементной базой. При этом уровень искажений на выходе формирователя ОМ сигнала должен быть на 10...-15 дБ ниже уровня на выходе РПДУ. Далее нелинейные

22

искажения распределяются по каскадам тракта РЧ по методике, изложенной в [6,9,11].

Необходимо обратить особое внимание на тип выбранного транзистора оконечного каскада, поскольку для усиления ОМ сигнала в классических схемах используются специальные транзисторы с нормируемым уровнем нелинейных искажений.

На основе проведённого расчёта составляется подробная структурная схема разрабатываемого устройства. В тексте РГ13 необходимо привести краткие сведения о назначении её каждой ступени, схемные особенности, тип выбранных АЭ.

По завершении расчётов необходимо дать оценку полученных результатов и сравнить с данными технического задания на проектирование. При их существенном отличии необходимо внести вы и проделать расчет повторно.

4. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ

4.1. Общий подход к расчету электрических принципиальных схем

В процессе проектирования выполняется также и электрический расчёт каскадов РПДУ.

Целью электрического расчёта является определение амплитуд токов и напряжений, действующих во всех цепях функционального узла, уровней мощностей, генерируемых, трансформируемых и потребляемых в этих цепях, а также значений параметров радиосигнала на выходе функционального узла и элементов принципиальной схемы.

Расчёт производится по выбранной заранее методике[20, 21] либо традиционным способом по формулам [6, 9, 11, 20], либо на ЭВМ с использованием специализированных или универсальных программ расчёта входящих в различные САПР [6, 22]. Результаты расчетов не

23

должны восприниматься формально, поскольку каждая цифра имеет физический смысл и должна быть технически обоснована.

Исходными величинами для электрического расчёта являются данные задания на проектирование и результаты расчёта структурной схемы. Однако в начале расчёта необходимо сделать уточнения и дополнения. Так, при расчёте каскада УМ необходимо уточнить его полную принципиальную схему, тип выбранного транзистора и его электрической модели, определить требуемое число параметров этой модели и их значения. После этого необходимо задать напряжённость режима работы транзистора и выбрать угол отсечки.

Методика электрического расчёта каскада УМ и критерии для выбора мощного транзистора изложены в [20, 21], а необходимые расчетные соотношения приведены [6, 8, 9, 11,20].

При расчёте согласующих цепей необходимо обратить внимание на физическую реализуемость параметров их элементов, полученный и выбранный заранее КПД, достигнутый уровень ослабления побочных колебаний и его соответствие требованиям ГОСТ.

При расчёте выходных каскадов УМ необходимо обеспечить и тепловой режим работы АЭ, обосновать метод охлаждения, а также указать меры защиты транзистора от возможных перегрузок по току, напряжению, рассеиваемой мощности, от рассогласования с антенной и воздействия внешней помехи (естественной, промышленной или преднамеренной).

Аналогичным образом осуществляется электрический расчет формирователей радиосигналов с различными видами модуляции [6, 8, 9, 20]. По результатам проведенного расчета определяются основные технические характеристики формирователей, строятся модуляционные характеристики [4-

6].

24

Так для формирователя ЧМ определяются девиация частоты, коэффициент нелинейных искажений, сдвиг средней частоты, а также строятся следующие зависимости:

статическая модуляционная характеристика, представляющая приращение средней частоты Af=T-f0 от медленно меняющегося управляющего напряжения Е на управляющем элементе Л£=ф(Е);

-динамическая модуляционная характеристика, т.е. зависимость девиации частоты от амплитуды управляющего напряжения Affl= 'P(UF) при F = const;

-частотная модуляционная характеристика зависимость

девиации частоты от частоты управляющего сигнала Afa= y(F) при UF = const.

Аналогичные характеристики определяются и строятся для других видов модуляции.

Если в ступени, подлежащей расчёту, необходимо применить унифицированный функциональный узел или микросхему, то расчёт сводится к проверке пригодности конкретного типа узла или микросхемы и определению необходимых внешних элементов, цепей связи, реализующих выбранный режим работы.

Выполняя курсовой проект, студент должен ознакомиться с перечнем стандартных программ, используемых для машинного проектирования и входящих в различные универсальные САПР [6,8,23], а также со специализированными программами, используемыми при изучении дисциплин учебного плана специальностей «Радиоэлектронные системы и комплексы», «Радиотехника».Опираясь на знания, полученные при изучении этих дисциплин, выполнить электрический расчет одного каскада РПДУ с применением ЭВМ.

Можно также, опираясь на знания, полученные при изучении предшествующих дисциплин, разработать специализированную программу расчета каскадов РПДУ.

25

4.2. Электрический расчет усилителя мощности

Усилитель мощности радиопередающего устройства должен обеспечить: заданную колебательную мощность, высокий КГЩ, фильтрацию побочных гармоник, высокую линейность модуляционных характеристик (для передатчика с изменяющейся амплитудой: ОМ, квадратурно-амплитудная модуляция и др.).

Независимо от схемы усилителя, целесообразно придерживаться следующей последовательности выполнения расчетов: выбор типа транзистора, выбор угла отсечки, выбор электрической модели транзистора и определение эквивалентных параметров этой модели, расчет оптимального режима работы активного элемента, расчет согласующих цепей, расчет вспомогательных цепей.

Выбор типа транзистора осуществляется по верхней частоте рабочего диапазона передатчика и мощности в нагрузке. При этом мощные транзисторы целесообразно использовать по мощности не менее, чем на 40-50 % от максимального значения. Для схемы с ОЭ нижняя рабочая частоте усилителя должна составлять не менее 20-30 % от граничной частоты транзистора 1т, а его верхняя рабочая частота приблизительно равнялась оптимальной рабочей частоте Г, определенной экспериментально [6, 9, 11, 20]. Тип транзистора для каждого конкретного случая выбирается с использованием [6, 9, 23].

Угол отсечки в оконечных каскадах выбирается из условия получения максимальных энергетических показателей. Оптимальным для этого случая является угол отсечки 70-90°. В маломощных каскадах необходимо обеспечить режим работы без отсечки для обеспечения минимума побочных гармоник.

При	определении	энергетических	характеристик
усилителя	используется	аппроксимированная	зарядовая,

модель транзистора [6, 9, 20].

С использованием выбранной модели транзистора определяются её эквивалентные параметры, которые затем

26

используются для определения оптимальных энергетических режимов.

Расчет оптимальных амплитуд токов и напряжений, действующих на электродах активного элемента, начинается с выбора режима работы по напряженности.

Воконечных каскадах радиопередающих устройств с ЧМ

иФМ применяются критический, ключевой и перенапряженный режимы. Обоснование целесообразности их использованию в конкретных случаях приведено в [4, 5, 9, 11].

Впромежуточных каскадах передатчиков данного типа целесообразно использовать недонапряженный режим [4, 5].

Воконечных и предварительных каскадах усиления радиопередающих устройств с ОМ оптимальным является недонапряженный режим [4, 5, 9, 11,20].

Расчет оптимального режима усилительного каскада, выполненного на биполярном транзисторе, может проводиться

сиспользованием следующих методик:

-без учета инерционности транзистора [4, 8];

-с учетом его инерционных свойств только во входной цепи [6, 9, 20];

-инерционные свойства транзистора учитываются во входной и выходной цепях [24].

Расчет согласующих цепей выполняется в такой последовательности. Вначале рассчитываются цепи согласования оконечного, затем предоконечного и т.д. каскадов.

Вкаждом каскаде определяются параметры выходной согласующей цепи, после этого входной.

Методика расчета УМ на полевых транзисторах приведена в [6, 8,9].

Методика расчета и расчетные соотношения для определения параметров согласующих цепей (П- контура и других )и методика изложены в [4, 6, 8, 9,20].

Расчет режимов работы усилителя можно выполнить и с помощью ЭВМ. Для этой цели используются как стандартные программы, так и специально разработанные [8].

27

Расчет усилителя мощности в ключевом режиме приведен в [6,8,10].

Проектирование вспомогательных цепей сводится к выбору схем питания и расчету параметров этих схем. Для питания цепи коллектора можно применить как последовательную, так и параллельную схему питания [20, 22], причем в транзисторных схемах преимущество имеет параллельная схема питания. В [20, 22] приведены также и расчетные соотношения, с помощью которых определяются параметры блокировочных индуктивностей и конденсаторов.

Варианты схем подачи смещения на управляющий электрод транзистора как мощных, так и маломощных каскадов усиления приведены в [20, 22]. Там же даны обоснования по применению этих схем и приведены необходимые сведения по их расчету.

4.3.Электрический расчет умножителя частоты

Врадиопередающих устройствах умножение частоты осуществляется с применением транзисторов, варакторов, а также на основе фазовой автоподстройки частоты.

Транзисторные умножители частоты (ТУЧ) выполняются

всовременной аппаратуре в основном , начиная с входных частот от сотен мегагерц до выходных частот ,включая СВЧ и выше [19]. Каскады ТУЧ работают как при малых выходных уровнях сигнала (единицы десятки милливатт) так и при высоких уровнях выходной мощности (единицы, десятки ватт). Для обеспечения эффективной работы кратность умножения одного каскада выбирается равной 2 или 3.

Варакторные умножители частоты (ВУЧ) применяются на частотах выше 0,5-1 ГГц. Основными схемами ВУЧ являются последовательная и параллельная схемы [19, 25]. Выходная мощность ВУЧ составляет единицы милливатт (в барьерном режиме) до десятков ватт (в режиме открывания). Кратность умножения на каскад составляет 2-4 (в барьерном режиме) до 5-7 (в режиме открывания).

28