IV. Расчет каскадов проектируемого передатчика [2]-[4]

4.1Электрический расчет выходной ступени передатчика

(методика расчета взята из [2])

Исходные данные для расчета:

1. Назначение каскада: усилитель мощности колебаний.

2. Требующаяся от ступени полезная мощность Р₁ ≈ 62,5 Вт.

3. Диапазон рабочих частот ступени: ƒ_раб = 463…467,5 МГц.

4. Схемное построение оконечного каскада: двухтактный.

5. Структура каскада: один генератор.

6. Режим работы оконечного каскада: ключевой с формирующим контуром (режим класса Е).

7. Напряжение питания Е_п = 48 В (выбрано в соответствии с ГОСТом и в соответствии со справочными данными).

8. Тип транзистора: КТ9152АС–сборка.

Изобразим принципиальную схему оконечного каскада (стандартная схема двухтактного генератора в ключевом режиме с формирующим контуром из [2]) – рис.2:

Рис. 2 Принципиальная схема оконечного каскада

4.1.1 Расчет выходной цепи

В расчетные соотношения для коллекторной цепи входят параметры транзисторов (из [15]):

• сопротивление насыщения: r_нас = 4 Ом.

• напряжение коллекторного питания Е_к.п. = 48 В.

• предельно допустимые значения токов и напряжений транзистора: I_{к0 доп} = 4 А, I_{б0 доп} = 1 А.

Кроме того, в формулы входят коэффициенты α, ν и χ. Они характеризуют постоянную составляющую и первую гармонику относительно максимального значения:

α – коэффициенты в импульсах тока коллектора;

ν – коэффициенты в импульсах напряжения на коллекторе при r_нас = 0;

χ - коэффициенты в импульсах напряжения, учитывающих изменение формы напряжения на коллекторе при r_нас > 0.

Для нашего генератора с формирующим контуром значения коэффициентов α, ν и χ зависят главным образом от длительности этапа насыщения τ_нас. Для одновременного достижения близких к наибольшим значениям мощности Р₁, КПД и К_р необходимо выбирать τ_нас ≈ 180⁰. Но дальнейшие расчеты показывают, что необходимо уменьшать τ_нас (расчеты показали, что С_Ф < 0 ). Выберем τ_нас = 120⁰ [2]. На основании таблиц 2.2 и 2.3 из [2]:

α ₀ = χ₀ = 0,2;

α ₁ = χ₁ = 0,275;

ν₀ = 0,7025;

ν_m = 1,96;

χ_m = 0.

Расчет номинального режима работы транзистора в ключевом режиме проводится с учетом рассогласования эквивалентной нагрузки по первой гармонике КБВ_вх < 1, обусловленной как непосредственным отклонением сопротивления нагрузки (антенны), так и неточностью согласования в рабочей полосе частот. При этом необходимо определить максимальные величины тока и напряжения на коллекторе, максимальную потребляемую мощность Р_{0 max}, максимальную и минимальную мощности Р_{н1 max}, Р_н1min нагрузки, максимальную мощность, рассеиваемую на коллекторе Р_{к max}. При расчетах используется ряд дополнительных коэффициентов: р_{н1 max}, р_н1min – относительные значения максимальной и минимальной мощности первой гармоники, Р_н1, р_{0 max,} р_{к max}, р_{нв max} – относительные максимальные значения потребляемой мощности Р₀, рассеиваемой на транзисторе Р_r, и мощности высших гармоник Р_нв, П_{Е max}, П_{I max} - максимальные значения пик-факторов по напряжению и по току.

В соответствии с рисунком 2.22(а) из [2] при 1,01 ≤ 1,6…1,8, найдем:

р_{н1 max} = 1,3;

р_{н1 min} = 0,8;

П_{Е max} = 4,25;

П_{I max} = 3,5;

р_{0 max} = 1,32;

р_{r max} = 1,6.

Зависимости р_{н1 max}, р_н1min определяют изменения выходной мощности при изменении нагрузки в пределах круга КБВ_вх. В современных системах связи используется регулировка мощности. Поскольку наш каскад работает в ключевом режиме, то регулировать мощность с помощью изменения входного напряжения не представляется возможным, поскольку уменьшение этого напряжения может привести к тому, что транзистор не будет заходить в насыщение. Поэтому в нашем случае регулировка мощности может осуществляться только при помощи изменения напряжения коллекторного питания. Для этого в промышленности предусмотрен ряд интегральных микросхем.

Теперь перейдем непосредственно к расчету выходной цепи. Расчет будем вести для одного плеча двухтактного генератора:

1. Ограничения на номинальную мощность следуют при заданном напряжении питания на коллекторе Е_к.п. и сопротивлении насыщения r_нас:

(4.1.1.1)

где величина η задается в пределах 0,85…0,95 (выберем η = 0,85). Отсюда

=

= = 36,6 Вт.

2. Рассчитаем пик-фактор напряжения на коллекторе в номинальном режиме:

(4.1.1.2)

= 2,623.

3. Максимальное напряжение на коллекторе:

Е_{к max} =48 В.

4. Определим электронный КПД, обусловленный потерями на r_нас:

(4.1.1.3)

= 0,85.

5. Определим КПД по первой гармонике:

, (4.1.1.4)

где для генератора с формирующим контуром из [2] k = 1.

= = 0,85.

6. Определим мощность, потребляемую от источника питания в номинальном режиме:

(4.1.1.5)

= 43,1 Вт.

7. Определим постоянную составляющую тока коллектора в номинальном режиме:

(4.1.1.6)

= 0,9 А.

8. Рассчитаем максимальные значения потребляемой мощности и постоянной составляющей тока:

(4.1.1.7)

= = 56,89 Вт.

(4.1.1.8)

= 1,188 А.

9. Мощность потерь на коллекторе транзистора:

Р_r = (1–η_э)*Р_{0 ном} (4.1.1.9)

Р_r = (1–0,85)*43,1 = 6,465 Вт.

10. Максимальное значение мощности потерь на коллекторе транзистора:

(4.1.1.10)

= 10,344 Вт.

11. Номинальное сопротивление нагрузки в коллекторной цепи транзистора:

(4.1.1.11)

= 47 Ом.

12. Для нашего генератора с формирующим Г-образным контуром определим величины его LC – элементов. Предварительно рассчитаем сопротивление нагрузки

(4.1.1.12)

= = 8,36 Ом.

Параметры элементов Г-образного формирующего контура:

(4.1.1.13)

= 6,2 нГн.

С_факт = (4.1.1.14)

С_факт = = 8,29*10^-12 Ф= 8,29 пФ.

где R = R_н.ном^* = 8,36 Ом; коэффициенты l(τ_нас) и с(τ_нас) возьмем из таблицы 2.2 из [2]:

l(τ_нас) = 2,15;

с(τ_нас) = 0,2515.

f₀ примем равной = 465,24 МГц.