Министерство образования Российской Федерации

Омский государственный технический университет

Кафедра РТУ и СД

Курсовой проект

На тему:

Расчет, конструирование и проектирование радиопередающего устройства

Руководитель проекта:

Ельцов А..К.

Разработали:

студенты группы РИ-419

Куприн В. И.,

Глазков А.. В.

Омск 2002 г.

Аннотация

В данном курсовом проекте рассматривается задача проектирования коротковолнового радиопередающего устройства с амплитудной модуляцией. При проектировании решаются задачи, которые заключаются в составлении структурной схемы, расчёта усилителя мощности, кварцевого автогенератора и цепи согласования активного элемента с нагрузкой. Предварительный, промежуточный и оконечный усилитель мощности рассчитаны по постоянному и переменному току. На следующем этапе проектирования выбраны стандартные комплектующие изделия - конденсаторы и резисторы, рассчитаны катушки индуктивности, а также составлена схема электрическая принципиальная проектируемого радиопередатчика.

Введение

Радиопередающими называют устройства, предназначенные для выполнения двух основных функций - генерации электромагнитных колебаний высокой или сверхвысокой частоты и их модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Радиопередающие устройства входят в состав радиокомплексов, содержащих, кроме того, антенны, радиоприемные и различные вспомогательные устройства.

Одной из основных тенденций развития техники радиопередающих устройств является стремление выполнить радиопередатчик по возможности полностью на полупроводниковых приборах и интегральных схемах. Если требуемая выходная мощность не может быть обеспечена существующими генераторными полупроводниковыми приборами, то выходные каскады передатчика выполняют на вакуумных приборах: радиолампах, клистронах, лампах бегущей волны и т. д.

Разработка радиопередающего устройства представляет собой решение комплекса схемотехнических и конструктивных вопросов. От того, насколько рационально выбрана схема и правильно рассчитан режим работы её элементов, во многом зависит конструкция усилителя, его технологичность, стабильность во времени.

Радиопередатчики классифицируют по назначению, условиям эксплуатации, выходной мощности, частоте, виду модуляции и т. д. По выходной мощности радиопередатчики на полупроводниковых приборах могут быть разделены на маломощные, средней мощности и мощные; по частоте - на высокочастотные и сверхвысокочастотные.

Освоение УКВ диапазона для целей радиосвязи и радиовещания началось несколько позже, чем диапазона КВ. Это объясняется двумя причинами: трудностями, связанными с усилением колебания ОВЧ и УВЧ, и ограниченной дальностью распространения волн этих диапазонов. Трудности, связанные с усилением сигналов были преодолены созданием металлокерамических генераторных ламп и приборов, работа которых основана на использовании инерционности электронного потока. Относительно небольшой радиус действия передатчиков УКВ диапазона во многих случаях из недостатков превращается в достоинство - появляется возможность многократного использования одних и тех же рабочих частот в различных географически удалённых друг от друга пунктах.

1. Выбор и расчет структурной схемы

Рассмотрим построение и расчет структурной схемы РПДУ, приведенной на рис.1. Данный вариант структурной схемы состоит из:

ЗГ - задающего генератора (автогенератора);

БУ - буферного каскада;

- умножителя частоты;

ПУ - предварительного усилителя мощности; оконечного усилителя мощности;

М - модулирующего устройства;

Отметим, что в более сложных профессиональных РПДУ вместо ЗГ используется возбудитель, в основе которого лежит синтезатор частот, а сама структурная схема имеет несколько иной вид.

Рис. 1.

Задача расчета структурной схемы состоит в том, чтобы определить оптимальное число k каскадов высокой частоты между задающим генератором и оконечным усилителем мощности.

Очевидно, что значение колебательной мощности, требуемой от активного элемента задающего каскада можно вычислить по формуле

;

,

где - колебательная мощность n - го каскада

- коэффициент усиления по мощности n - го каскада.

Завершив решение вопроса по распределению коэффициентов усиления по всем каскадам проектируемого устройства, можно определить мощность требуемую от задающего генератора:

;

где i = n - 1 число каскадов усилителя.

Заданную стабильность рабочей частоты РПДУ можно получить только при использовании в задающем генераторе в качестве колебательной системы высокодобротных элементов, например, кварцевых резонаторов. При этом следует иметь в виду, что мощность задающего генератора не должна превышать 20... 50 мВт, а частота кварцевого резонатора - 10...15 MГц. В этом случае можно получить относительную нестабильность <1...2∙10-5.

Коэффициент умножения частоты в промежуточных каскадах (умножителях частоты) определяются как отношение частот выходного каскада и задающего генератора.

Учитывая, что энергетические показатели умножителей частоты хуже, чем усилителей мощности, то, обычно, применяют умножители на два и на три.

Отметим, что в РПДУ с частотной модуляцией умножение частоты позволяет также повысить девиацию частоты.

2. Расчет усилителя мощности высокой частоты

.1 Расчет УМ по схеме с общим эмиттером

Для расчета необходимы следующие исходные данные:

- выходная мощность передатчика (90 Вт),

- рабочая частота передатчика (103 МГц),

- сопротивление нагрузки (50 Ом).

Электрический расчет режима работы активного элемента проводится отдельно для коллекторной и входной цепей.

Рассмотрим расчет коллекторной цепи каскада:

1. Для получения максимальных усиления по мощности и коэффициента полезного действия , транзистор должен работать в критическом режиме с углом отсечки . Для которого по таблицам или графикам находим величины .

. Найдем выходную мощность усилителя

; ,

где - коэффициент полезного действия выходной колебательной системы.

. Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе:

(напряжение питания должно соответствовать стандартному ряду значений, приведенному в ГОСТ 21128-83 В нашем случае Еп=27 В)

;

=15,78 В.

. Максимальное напряжение на коллекторе не должно превышать допустимого:

;

В

Для нашего транзистора .

При невыполнении этого условия необходимо снизить Еп или рассмотреть замену активного элемента.

. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока

;

А.

. Сопротивление коллекторной нагрузки

;

Ом.

. Постоянная составляющая коллекторного тока

;

А,

где отношение - коэффициент формы выходного тока по 1-й гармонике.

. Максимальный коллекторный ток (высота импульса выходного тока) равен:

;

.

. Мощность, потребляемая от источника питания:

;

Вт.

. Коэффициент полезного действия коллекторной цепи при заданной полезной нагрузке:

;

.

. Рассеиваемая мощность на коллекторе транзистора

;

.

Электрический расчет входной цепи транзистора при расчете входной цепи транзистора, включенного по схеме с ОЭ, предполагает, что между его базовым и эмиттерным выводами включен резистор Rдоп, сопротивление которого ориентировочно можно определить по формуле:

,

где - коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ;

- граничная частота;

Сэ - ёмкость эмиттерного перехода.

.

Далее расчет можно проводить в следующем порядке:

. Амплитудное значение тока базы:

,

где - поправочный коэффициент;

Ск - барьерная емкость коллекторного перехода.

2. Напряжение смещения на эмиттерном переходе:

,

где: Е’б - напряжение отсечки коллекторного тока, равное (по модулю) 0,6 ÷ 0,7 В для кремниевых транзисторов;

В.

. Постоянные составляющие базового и эмиттерных токов:

4. Активная составляющая входного сопротивления транзистора на рабочей частоте:

,

где: находятся по формулам, соответствующих эквивалентной схеме входного сопротивления транзистора (рис.2):

где: Ска = (0,2) Ск =30 пф - барьерная емкость активной части коллекторного перехода;

rб = 0,36 Ом - сопротивление материала базы.

Если rб не дано, то ориентировочно его можно определить по формуле rб =

= 10,8 - постоянная времени коллекторного перехода;

- сопротивление эмиттерного перехода (если не дано, то можно принять = 0)

Отметим, что параметры и используются при определении реактивной составляющей входного сопротивления транзистора.

. Мощность возбуждения на рабочей частоте без учета потерь во входном согласующем контуре:

6. Коэффициент усиления по мощности транзистора на рабочей частоте:

7. Общая мощность, рассеиваемая транзистором:

Значение Ррасс является исходным параметром для расчета теплового режима транзистора и системы его охлаждения.

.2 Расчет цепи согласования активного элемента с нагрузкой

Цепь согласования выполняет две основные задачи. Первая - преобразования сопротивления нагрузки в сопротивление , вторая - фильтрация внешних гармоник.

В узкополосных транзисторных ГВВ, особенно в выходных каскадах радиопередающих устройств, широкое применение получил П - образный контур, схема которого изображена на рис.3.

В силу геометрической симметрии схемы реализация ее возможна при , в том числе при . Очевидно, что при равенстве сопротивлений основным назначением цепи является фильтрация высших гармоник выходного тока АЭ.

В ряде случаев, например, если величина индуктивности L оказывается слишком малой, что затрудняет или делает невозможной ее реализацию, то эквивалентное индуктивное сопротивление реализуется в виде последовательного включения индуктивности L_Э и емкости Сэ. Схема П - образного контура в этом случае представляется в виде цепи, представленной на рис.4.

Ниже приведен порядок расчета согласующей цепи [4], изображенной на рис.4. Отметим, что все расчеты проводят в основных единицах (Ом, Гн, В, А, Ф и т.д.).

. Задаемся величиной волнового сопротивления контура:

(Ом),

где f - частота сигнала.

. Определим индуктивность контура Lэ:

3. На частоте сигнала f рассчитываемая согласующая цепь сводится к виду, изображенному на рис.3, причем элементы L , Lэ,Cэ, находятся в соотношении:

Величиной L необходимо задаться в соответствии с формулой:

4. Определяем величину емкости конденсатора Сэ:

5. Определяем величину емкостей конденсаторов С1 и С2:

С1=1010 пФ,(1000пф-стандартное значение);

пФ.

С2=146 пФ,(150пФ-стандартное значение).

. Внесенное в контур сопротивление будет равно:

rвн=2,323 Ом.

. Добротность нагруженного контура

,

где - собственное сопротивление потерь контурной индуктивности , определенное в процессе ее конструктивного расчета. Для ориентировочных расчетов можно принять (Ом).

8. Особый интерес представляет собой расчет коэффициента фильтрации высших гармоник для выходного каскада.

В частном случае, при можно пользоваться выражением

где: n=2 - однотактная схема.

Далее необходимо полученное значение коэффициента фильтрации сравнить с требуемым значением данного коэффициента Фт, рассчитанным по литературе [2]. Если Ф < Фт следует переходить к двух или трехконтурной схеме согласующей цепи.

. В виду того, что в многокаскадном передатчике все каскады после модулируемого работают в режиме усиления модулированных колебаний, то необходимо проверить нагрузочную систему на обеспечение требуемой полосы пропускания: