ДЕРЖАВНИЙ КОМІТЕТ ЗВ’ЯЗКУ ТА ІНФОРМАТИЗАЦІЇ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ЗВ’ЯЗКУ ім. О.С.ПОПОВА

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Кафедра телебачення та радіомовлення

Проектування

ТРАНЗИСТОРНИХ РАДІОПЕРЕДАВАЧІВ

Методичний посібник до курсового та дипломного

проектування

Одеса 2004

1. ЗАДАЧІ ПРОЕКТУВАННЯ

Курсовий та дипломний проекти представляють собою складний комплекс питань принципового, схемного, розрахункового і конструкційного характера: вибір принципу побудови радіопередавача, схем каскадів, активних елементів, елементів узгоджувальних кіл, способу модуляції або манілуляції, джерела живлення, шляхів забезпечення працездатності при заданих зовнішніх умовах (зміні живлячих напруг, параметрів антенно-фідер-ного тракту, температури зовнішнього середовища, механічних діях,та ін.).

Головною задачею проектування є вибір найбільш ефективних з техніко-економічної точки зору шляхів реалізації технічних вимог на проектуємий пристрій. Перш за все на основі діючих стандартів та інших нормативних документів необхідно скласти технічні вимоги для проектуємого радіопередавача. Звичайно ці вимоги містять дані про призначення і умови експлуатації передавача, його потужності, діапазоні робочих радіочастот, видах модуляції. Обов’язкові вимоги з забезпечення електромагнітної сумісності – допустимі нестабільність частоти і рівні побічних вилучень. Відповідно до призначення передавача і видів модуляції або маніпуляції слід визначити вимоги до показників якості ( наприклад, глибини модуляції та допустимим нелінійним та частотним спотворенням, смузі модулюючих частот), вказати також джерело живлення і його напругу, навантаження для передавача – характер і вхідний опір антенно-фідерного тракту, вимоги до промислового коефіцієнта корисної дії (ККД), та ін.

На основі вивчення загальних рекомендацій з проектування радіо-передавачів визначаються шляхи реалізації кожного із пунктів технічних вимог. Як правило, таких шляхів виявляється декілька: задану потужність можна одержати як від генераторних радіоламп, так і від транзисторів або від електронних приладів НВЧ; заданий вид модуляції – кількома способами, і т.д. Таким чином, необхідно провести техніко-економічне обгрунтування вибору за кожним пунктом технічних вимог найбільш доцільного варіанта рішення. За результатами аналізу складається обгрунтована структурна схема передавача, визначаються конкретні сучасні типи активних приладів для всіх каскадів, вибираються стандартні напруги живлення окремих кіл при мінімальній кількості випрямлячів.

Далі слід розрахувати електричні режими каскадів, елементи узгоджувально-фільтруючих кіл, вибрати за нормалями та стандартами типові деталі та вимірювальні прилади.

В проект, окрім розрахунково-пояснювальної записки, входять принципові електричні схеми, виконані відповідно до вимог ЄСКД.

2. Складання структурної схеми

2.1 Основні характеристики передавача.

Основними електричними характеристиками передавача, які визначають його конструкцію, є потужність, діапазон несучих частот, вид і потрібна якість модудяції, вимоги забезпечення електромагнітної сумісності (ЕМС) – допустимі нестабільність частоти і рівні побічних і позасмугових вилучень. Поряд з цим суттєве значення мають призначення передавача і відповідні цьому умови його майбутньої експлуатації. При курсовому та дипломному проектувннні радіопередавачів можуть бути поставлені задачі проектування передавачів слідуючого призначення:

магістральний радіозв’язок у декаметровому діапазоні хвиль; тропо-сферний, супутниковий, радіорелейний зв’язок в діапазонах УВЧ та НВЧ;

низовий зв’язок у декаметровому діапазоні з односмуговою модуля-цією(ОМ) або у метровому і дециметровому діапазонах з частотною модуляцією (ЧМ);

зв’язок з рухомими об’єктами (морський, авіаційний, автомобільний та залізничний транспорт);

стільниковий і транкінговий зв’язок;

радіомовлення на НЧ, СЧ, ВЧ при амплітудній модуляції (АМ), в діапазоні ДВЧ з ЧМ, телевізійне мовлення (зображення та звукове супровод-ження).

Відповідно до призначення, передавачі можуть експлуатуватися в різних умовах:

на стаціонарному радіопередавальному центрі при постійній присутності кваліфікованого обслуговуючого персоналу;

на стаціонарному центрі при автоматичному або дистанційному керуванні без постійної присутності обслуговуючого персоналу;

на борту рухомого об’єкта при наявності або відсутності радиста-опе-ратора;

у приміщенні диспетчерського пункту промислового об’єкта;

в руках індивідуального користувача сотового, транкінгового або низового зв’язку, та ін.

Переліченим вище можливим місцям розташування передавачів відпо-відають визначені температура повітря (+15...+35⁰С в стаціонарних, - 50... +50⁰С в польових умовах, та ін.), вологість, вібрації та удари і інші зовнішні умови. Максимальна температура навколишнього середовища враховується при розрахунку системи охолодження, мінімальна – при виборі деяких деталей, наприклад, електролітичних конденсаторів або акумуляторів. Вологість та механічні дії визначають вимоги до конструкції обладнання.

Передавачі різного призначення можуть або часто перестроюватися з одної робочої частоти на другу, або тривалий час працювати на одній незмінній частоті. Від призначення передавача залежить час, який відводиться на зміну робочої хвилі. Так, магістральні короткохвильові передавачі перестроюються багато разів за добу, і на перестройку відводиться обмежений час (кілька хвилин). Радіомовні середньохвильові передавчі мають дві робочі частоти: денну та нічну. Довгохвильові та телевізійні мовні передавачі працюють на одній фіксованій частоті. Фіксовані частоти також у передавачів тропосферних, космічних, радіорелейних систем зв’язку.

В багатьох сучасних системах радіозв’язку частота передавача змінюється автоматично і дуже часто відповідно до команд центрального керуючого пристрою.

У широкодіапазонних часто перестроюємих передавчах, передавачах рухомих об’єктів слід при проектуванні передбачати граничну простоту і швидкість перестройки. Для цього можуть використовуватися широкосмугові каскади, смугові фільтри, системи автонастройки.

Дуже важливою є вимога підвищення повного ККД передавача і його окремих каскадів. Річ не тільки в тому, що підвищення ККД суттєво знижує витрати на електроенергію. У бортових та носимих радіостанціях більш важливе менше споживання енергії від джерела з обмеженою енергоємністю, наприклад, акумулятора.При низьких ККД, тобто при великих втратах енергії на тепло, потрібна більш ефективна система охолодження, для чого приходиться ставити більш потужні вентилятори або насоси примусового охолодження,тобто витрачати додаткову енергію на їх роботу. Нарешті, при роботі транзисторів, ламп та інших деталей при температурі, близькій до гранично допустимої, суттєво знижується надійність цих деталей і передавача в цілому.Передавач з низьким ККД, як правило, має великі габарити і масу за рахунок великих радіаторів, великих елементів систем охолодження.

Головним шляхом забезпечення високого ККД є раціональний вибір режиму транзисторів і ламп, використання елементів узгоджувальних кіл з малими втратами, максимальне обмеження використання активних опорів (резисторів) в колах з великими струмами.

2.2. Вибір режимів та схем каскадів.

За теперішнього часу транзистори, що мають ряд переваг порівняно до електронних ламп – великий строк служби, малі габарити та масу, миттєву готовність до роботи – практично витіснили лампи у каскадах передавачів потужністю до 1 кВт діапазонів НЧ, СЧ, ВЧ та ДВЧ. За умов правильної експлуатації їх не доводиться міняти на протязі всього строку експлуатації апаратури.

У передавачах з потужністю приблизно до 1 кВт повна заміна ламп транзисторами спричиняє до зменшення габаритів і маси, тим більш помітному, чим менша їх потужність

Сьогодні існують передавачі значних потужностей (до 10...100 кВт) в діапазоні частот приблизно до 500 МГц, в яких транзистори установлені і у вихідних каскадах. Важливо, що повна транзисторизація визначається не тільки рівнем коливальної потужності, а і її доцільністю, в першу чергу там, де потрібні необслуговуємі передавачі (на космічних кораблях і супутниках, при встановленні в ненаселеній місцевості, і т.п.), або коли час перестройки з одної частоти на другу повинен бути малим. Навпаки, в ТВ і РМ передавачах, що працюють на фіксованій частоті, або перестроюємих з одної частоти на другу відносно рідко, повна транзисторизація економічно виправдана при рівнях потужності не вище 1...10 кВт.

У потужних передавачах з їх блочною(модульною) побудовою габарити та маса визначаються не тільки активними приладами, але і в значній мірі деталями кіл зв’язку і фільтрувальної системи, деталями кіл складання та поділення потужностей та елементами системи охолодження.

Суттєвим недоліком транзисторів є їх висока чутливість до перенавантажень. Транзистори, як правило, не допускають навіть короткочасних перенавантажень за струмами, напругами і розсіюємою на них потужністю. Звідси критичність до неузгодження з навантаженням, до змін режимів роботи і т.п. Транзисторам властива більша схильність до паразитних коливань, в тому числі параметричних автоколивань і, головне, вихід із ладу при їх виникненні, а також із-за наведених ЕРС (атмосферна електрика, наведення від інших передавачів). Це вимагає створення схем захисту транзисторів від перевищення напруг, струмів і температури при роботі у змінних умовах (зміна навантаження, живлення, охолодження і т.п.), і тому додатково підвищується вартість, зменшується надійність усього передавача.

Суттєвий розкид параметрів транзисторів, їх температурна залежність, а також залежність підсилювальних властивостей від частоти та режиму ускладнюють побудову передавачів. Транзистори мають помітно гіршу лінійність амплітудної модуляційної характеристики, їм притаманна більша паразитна фазова модуляція. Нарешті, слід відзначити чутливість транзисторів до проникної радіації.

У потужних каскадах передавачів використовують біполярні і польові транзистори. Біполярні транзистори застосовуються від самих низьких частот до орієнтовно 10 ГГц. За потужносними параметрами на частотах приблизно до 1,5 ГГц до них наблизилися, а за багатьма іншими параметрами і перевищили МДН-польові транзистори, а на частотах вище 5...6 ГГц їх перевищили польові транзистори з бар’єром Шотткі. Останні таку ж величину потужності, як у біполярних транзисторів, забезпечують на частотах приблизно в 3 рази вищих. У транзисторів з бар’єром Шотткі верхня робоча частота досягає 60 ГГц і вище. Польовий транзистор вигідно відрізняється від біполярного перш за все меншим впливом температури на його властивості, що дає змогу включення кількох приладів для паралельної роботи. Вхідний опір польового транзистора у схемі із спільним витоком великий і має ємнісний характер, що дозволяє розглядати його як прилад, аналогічний електронній лампі, що працює без струму сітки.

За теперішнього часу промисловість випускає потужні генераторні транзистори як широкого використання, так і вузькоспеціалізовані. Це в першу чергу визначає діапазон робочих частот, який для перших і головним чином для других жорстко пов’язаний з їх призначенням. Випускаються транзистори, призначені для роботи в радіочастотних каскакдах передавачів, в імпульсних пристроях, стабілізаторах напруги і перемикальних схемах.

Для односмугових передавачів в діапазоні від 1,5 до 80 МГц випускається широкий набір так званих лінійних транзисторів з потужностями до кількох сот ватів, які забезпечують лінійність амплітудної характеристики і паразитну фазову модуляцію, при яких рівень складових третього порядку K_3f при випробуваннях тритоновим сигналом нижче –28...–32 дБ. Широкий розвиток телевізійного мовлення з вихідною потужністю передавачів від одиниць ватів до одиниць кіловатів привів до розробки “лінійних” транзисторів для сумісного підсилення радіосигналів відео- і звукового супроводження в діапазонах 100...200, 170...230, 400...860 МГц з коефіцієнтом комбінаційних складових не більше –53...–60 дБ при підсиленні тритонового випробувального сигналу. Для таких передавачів випускається невеликий ряд так званих надлінійних транзисторів, призначених для роботи в режимі класу А як в широкодіапазонних (від 10 МГц до 1...2 ГГц) каскадах, так і у відносно вузькодіапазонних.

Випускаються УВЧ транзистори, призначені для радіоімпульсного режиму роботи з відносно короткими (τ_і < 5...20 мкс) і відносно довгими (τ_і < 100…200 мкс) тривалістями при скважності імпульсів Q від 5 до 100 і вище. Завдяки зниженню розсіюємої потужності і деякому (близько 1,5 раз) форсуванню за напругами і струмами “імпульсні” транзистори забезпечують в 2 – 3 рази більші потужності. Діапазон частот цих транзисторів обмежений частотами, виділеними для радіолокації. Для деяких із них він складає усього ± 50 МГц при середній частоті 1,5 ГГц.

Останнім часом у зв’язку з інтенсивним розвитком систем зв’язку з рухомими об’єктами, у тому числі стільникових, розробляються спеціальні транзистори для роботи в діапазонах 400, 900, 1800МГц при низьких напругах живлення Е = 5;… 7,5В.

Низькі живлячі напруги транзисторів при великій потужности визначають малі опори навантаження у колекторному колі (одиниці або десятки Ом). За цією причиною дія паразитних ємностей, що шунтують навантаження, суттєво менше, ніж у лампах, що дозволяє в широкому діапазоні частот використовувати нерезонансні схеми з апериодичним навантаженням,виключити перестроюємі вхідні, міжкаскадні і вихідні кола зв’язку,що покращує надійність і конструктивні характеристики передавачав цілому і спрощує його настройку. Окрім того, низькі живлячі напруги підвищують безпеку експлуатації обладнання і можуть привести до зниження габаритів передавача за рахунок виключення високовольтних випрямлячів та громіздких високовольтних блокувальних конденсаторів.

Апериодичне (резистивне) навантаження дозволяє будувати генератори, в яких транзистори працюють в режимах з негармонічними формами напруг.Серед цих режимів особливо цікавий ключовий режим, який відрізняється малою розсіюємою потужністю, меншою критичністю до амплітуди вхідного сигналу і підсилювальними властивостям транзистора.

Енергетичні показники транзисторного передавача визначаються режимами роботи каскадів, у першу чергу, вихідного. Для підвищення коефіцієнта корисної дії (ККД) колекторного кола та коливальної потужності режим транзистора вибирається з відсіканням струму. При цьому виділяються два крайніх режима роботи транзистора – недонапружений та ключовий.

У недонапруженому режимі амплітуда та форма струму визначається струмом збудження і слабо залежить від напруги колекторного живлення та від колекторного навантаження. У такому режимі транзистор близький до генератора струму складної форми, амплітуди якого визначаються током збудження. ККД генератора, що працює у недонапруженому режимі, відносно низький, і не перевищує величини  = 0,6…0,65.

У ключовому режимі транзистор еквівалентний ключу із послідовно підключеним опором r_нас.

Оскільки на етапі насичення транзистор представляє відносно малий опір r_нас  0, амплітуда і форма колекторного струму визначаються напругою колекторного живлення і колекторним навантаженням, і мало залежить від амплітуди струму збудження. Коло збудження визначає тільки моменти замкнення та розімкнення ключа.

Різниця у способі керування током колектора визначає та обмежує області використання одного та другого режимів. Ключовий режим можливо використовувати тільки в генераторах, що процюють із сталою амплітудою радіочастотних коливань, наприклад, при підсиленні ЧМ та ФМ коливань, при телеграфній роботи, а також при колекторній амплітудній модуляції. Навпаки, ключовий режим неможливо використовувати при підсилюванні амплітудномодульованих та односмугових коливань, а також при здійсненні базової або емітерної амплітудної модуляції.

У ключовому режимі забезпечується більш високий ККД колекторного кола, зменшується розсіюєма на колекторі потужність, потрібна менш потужна система охолодження, за рахунок чого можуть зменшитися габарити та маса всього пристрою. В той же час для ключового режиму характерні менші значення коефіцієнта підсилення потужності К_Р і існують обмеження його застосування, обумовлені впливом вихідної ємності С_к. Ці обставини обмежують можливість реалізації ключового режиму областю відносно низьких частот, які не перевищують (0,1…0,2) f_Т транзистора.

Проміжне положення займають критичний та перенапружений режими, які реалізуються при резонансному навантаженні транзистора. При цьому транзистор послідовно знаходиться у стані відсічки, активному та насичення. По мірі нарастання напруженості режиму зрастає ККД генератора, але зменшується коефіцієнт підсилення потужності К_Р та коливальна потужність Р₁ При роботі на високих частотах оптимальні енергетичні показники генератора забезпечуються у критичному режимі.

Каскади передавачів можливо побудувати за схемою з будь-яким заземленим електродом, однак конструкція каскада спрощується, якщо є можливість з’єднати за постійним струмом спільний вивод транзистора (емітер чи базу) із корпусом.

У окремих високочастотних транзисторів для зменшення індуктивності спільного виводу останній з’єднано з корпусом приладу або моє декілька виводів. Така конструкція однозначно визначає схему включення транзистора – із спільним емітером (СЕ), або спільною базою (СБ). Деякі транзистори мають всі виводи, ізольовані від корпусу. При цьому постає питання про доцільність використання схеми з СЕ або СБ.

На низьких та середніх частотах (f  3f_Т /₀) у схемі з СЕ забезпeчується більше значення коефіцієнта підсилення потужності К_Р , ніж у схемі із СБ. Однак із-за негативного зворотного зв’язку за струмом, завдяки якому ()  1, у схемі з СБ забезпечується більша стабільність при роботі у реальних умовах ( при зміні температури, заміні транзисторів і т. п.), менше змінюється підсилення у діапазоні частот.

На високих частотах (f > 3f_Т /₀) різниця у К_Р у схемах із СЕ та СБ зменьшується із-за сильного впливу індуктивності спільного виводу транзистора. У схемі з СЕ індуктивність емітерного виводу викликає негативний зворотній зв’язок і, таким чином, зменшує К_р та підвищує стійкість. Навпаки, у схемі із СБ індуктивність базового виводу створює позитивний зворотній зв’язок і тим підвищує К_Р за рахунок зниження стійкості. При роботі транзисторів на частотах, близьких до f_Т , або перевищуючих її, перевага віддається схемі із СБ..

Підсилювачі потужності радіочастотних коливань за типом навантаження поділяються на два класи: генератори з широкодіапазонним навантаженням та генератори з вузькодіапазонним, зокрема, резонансним навантаженням.

Вузькодіапазонні генератори будують, як правило, однотактними. При цьому транзистори можуть працювати з відсічкою струму, оскільки фільтрація вищих гармонік здійснюється у резонансних міжкаскадних та вихідних колах зв’язку. Однотактні схеми простіші за двотактні, забезпучують більш високу надійність і легко узгоджуються із несиметричними фідерними та з’єднувальними лініями.

У якості резонансних вузькодіапазонних кіл зв’язку можна використовувати прості у конструктивному відношенні резонансні LC узгоджувальні кола, які забезпечують довільні коефіцієнти трансформації. При використанні простих коливальних котурів у якості еквівалентного опору навантаження R_e не завжди вдається отримати потрібну його величину і забезпечити трансформацію R_e в опір навантаження R_н.

Якщо опір навантаження R_н відрізняється від оптимального R_е, то використовують узгоджувальні Г- та П-кола у вигляді ФНЧ, які мають одночасно трансформуючі властивості. Узгоджувальні кола забезпечують трансформацію резистивних опорів на фіксованій частоті, але практично смуга пропускання генератора з такими колами зв’язку може складати (10…20%) f_p. При послідовному з’єднанні кількох Г-кіл реалізується ФНЧ – трансформатор, який забезпечує високу фільтрацію гармонік і довільне узгодження вхідних та вихідних опорів.