Общие сведения о радиопередающих устройствах и функциональная схема передатчика.

Содержание

1.Техническое задание
2. Общие сведения о радиопередающих устройствах и функциональная схема передатчика
3. Анализ функциональной схемы, получение ЧМ колебаний
4. Оконечный каскад: схемное решение и активный элемент
5. Расчет оконечного каскада
6. Каскады предварительного усиления
7. Предварительный усилитель
8. Заключение
9. Приложение 1
10. Приложение 2
11.Приложение 3
12.Приложение 4
13.Приложение 5
14.Приложение 6
15. Список литературы

1.Техническое задание (ТЗ).

Разработать радиопередатчик на частоту 91.5 МГц с выходной мощностью 6кВт. Нагрузка несимметричная, 75 Ом. Частотная модуляция. Передаваемый сигнал лежит в звуковом диапазоне и занимает полосу 50 – 15 000 Гц.

1.1 Расширенное техническое задание.

1. Назначение радиопередающего устройства – радиовещание.

2. Мощность в антенне (нагрузке) P_~= 6кВт.

3. Волновое сопротивление фидера ρ _ф=75 Ом.

4. Коэффициент бегущей волны в фидере КБВ_ф=0.85.

5. Коэффициент полезного действия фидера η _ф=0.9.

6. Диапазон частот модулирующего сигнала ∆ F: 50 – 15 000 Гц.

7. Девиация частоты ЧМ сигнала 50кГц.

8. Подавление внеполосных гармоник – 50дБ.

Общие сведения о радиопередающих устройствах и функциональная схема передатчика.

Радиопередатчик является частью радиопередающей станции. В состав станции, кроме передатчика входят преобразователь информации в электрическую форму (например, микрофон с усилителем), источник питания, антенна и ряд вспомогательных устройств.

Назначение передатчика – преобразование энергии источника питания в энергию электромагнитных колебаний и модуляция этих колебаний передаваемым сигналом.

Требования к передатчику определяются назначением радиосистемы (радиовещание, телеметрия и т. п.) и ее характеристиками – дальность связи, объем передаваемой информации, габаритно-массовые характеристики. За эти требования отвечают следующие параметры: рабочая частота и диапазон рабочих частот, уровень искажений сигнала, выходная мощность, вид модуляции, диапазон рабочих температур, допустимые масса и габариты, а также характеристики механической прочности.

На основе данных представлений можно составить функциональную схему передатчика, приведенную на рис. 2.1.

информа-ционный сигнал

антенна

Фидер

Оконечный каскад

Задающий генератор (авто-генератор)

Формиро-ватель радио-сигнала

Предвари-тельный усилитель

входная согла-сующая цепь

актив-ный элемент

фильтр гармоник

выходная согла-сующая цепь

Источник питания

рис. 2.1.

Расчет оконечного каскада.

После выбора активного элемента мы имеем необходимые исходные данные для расчета режима работы:

Напряжение накала лампы

Напряжение на второй сетке

Напряжение на первой сетке

Максимальная мощность, рассеиваемая анодом

Крутизна анодно-сеточной характеристики (найдена из кусочно-линейно аппроксимированных ВАХ, изображенных на рис. 5.1):

Граничная крутизна анодной характеристики (найдена из кусочно-линейно аппроксимированных ВАХ):

Для расчета так же понадобятся коэффициенты, зависящие от выбранного угла отсечки, их можно определить по графикам Берга, изображенным на рис. 5.2.

Предварительный расчет: угол отсечки 90 градусов.

На рис. 5.1 анодно-сеточная и выходная характеристики, на которые нанесены формы токов и напряжений на сетке и аноде, а также некоторые результаты предварительного расчета.

рис. 5.1.

рис. 5.2.

Коэффициент использования анодного напряжения:

Амплитуда напряжения на анодном контуре:

Остаточное напряжение на аноде лампы:

Амплитуда 1-й гармоники анодного тока:

Амплитуда импульса анодного тока:

Постоянная составляющая анодного тока:

Мощность, потребляемая по анодной цепи:

Мощность, рассеиваемая анодом лампы:

, меньше чем .

Коэффициент полезного действия (электронный):

Сопротивление нагруженного анодного контура, необходимое для реализации рассчитанного режима работы:

1. Требуемая амплитуда напряжения на сетке

Напряжение смещения:

Е_с= -100В.

Максимальное напряжение на сетке:

Высота импульса сеточного тока, определяемая из примерного соотношения:

Косинус угла отсечки сеточного тока:

Первая гармоника сеточного тока:

Постоянная составляющая сеточного тока:

Требуемая мощность возбуждения:

Мощность, теряемая в цепи смещения:

Мощность, рассеиваемая управляющей сеткой:

Входное сопротивление по 1-й гармонике сигнала:

Коэффициент усиления генераторной лампы по мощности:

Предварительный усилитель.

Согласно расчетам пункта 5 для выбранного режима работы с углом отсечки 60 градусов для возбуждения ОК от ПУ требуется получить мощность 93, 6 Вт. Такой предварительный каскад можно выполнить на транзисторе. Количество каскадов заранее определить нельзя, так как сначала нужно рассчитать мощность возбуждения каскада ПУ, чтобы понять, хватает ли 20мВт от ФРС.

С целью повышения кпд для последнего каскада ПУ выбираем граничный режим работы – угол отсечки 90 градусов. Если понадобится предшествующий каскад для возбуждения ПУ, то его работу можно будет уже рассчитывать в линейном режиме (класс А).

Будем строить каскад по схеме с общим эмиттером (с общим истоком еслм будем выбран полевой транзистор). Для проведения расчетов, следует, как и в пункте 5, сначала выбрать активный элемент. Параметрами по прежнему являются рабочая частота 91.5 МГц и мощность 93.6 Вт. Подходящий транзистор – биполярный, 2Т971А, полный список параметров которого указан в Приложении 6.

рис. 7.1.

На рис.7.1. изображена схема ПУ, выполненного по схеме с общим эммитером, где в качестве входных и выходных согласующих цепей выбраны П-контуры, образованные элементами C1, L1, C2 и C3, L2, C4, однако, вид согласующих цепей может быть изменен после расчетов. Под сопротивлением нагрузки следует понимать входное сопротивление следующего каскада, которое было рассчитано в пункте 5 и составляет 1857Ом.

Заданы:

1. Мощность в нагрузке усилителя Р_Н = 93.6 Вm.

2. Рабочая частота 91.5 МГц.

3. За исходное для расчета принято стандартное напряжение источника коллекторного питания Е_п = 28 В.

4. Угол отсечки Θ _В = 90^°.

В УМ используется транзистор 2Т971А, имеющий следующие параметры(прочие параметры приведены в Приложении 6):

h_21э0=β (мин) =2.2,

r_нас= 0.15 Ом

E'_б0= 0.7 В

L_Э=0.18 нГн

f_β=220 МГц

f_Т=400 МГц,

Ск=300 пФ

R_ТПК=0.6 С/Вт,

e_{б доп}= 4 В.

коэф берга

Заключение.

Результирующая схема представлена на рис.7.2 (стр. 25-а).

При проектировании передатчика удалось выполнить техническое задание, передатчик имеет выходную мощность не менее 6кВт.

Рассчитаем значение промышленного кпд, в котором учтем мощность, рассеиваемую ПУ(основной вклад вносит последний каскад ПУ), мощность, требуемую для накала лампы, а также попытаемся оценочно учесть мощность охлаждения. Согласно [2] (гл.8, парагр.8.9) мощность охлаждения Р_охможно оценить как Р_ох = (0.05-0.1)*Р₀. Так, можем рассчитать промышленный кпд:

Для радиовещательных передатчиков нижняя граница промышленного кпд установлена равной 0.6. Таким образом, разработанный передатчик удовлетворяет стандарту по промышленному кпд.

Приложение 1.

Приложение 2.

Приложение 3.

Программа:

R1=2735;

R2=75;

R0=R2/3;

w=2*pi*91.5e6;

A=R1/R0;

B=R2/R0;

Xc1=R1/((A-1)^(1/2))

Xc2=R2/((B-1)^(1/2))

XL=R0*((A-1)^(1/2)+(B-1)^(1/2))

C1=1/(w*Xc1)

C2=1/(w*Xc2)

L=XL/w

w0=1/((((L*C1*C2)/(C1+C2)))^(1/2));

f0=w0/(2*pi)

kpd=1/(1+(XL/(R0*100)))

Результаты вычислений:

C1 = 6.6215e-012

C2 = 3.2798e-011

L = 5.1424e-007

Приложение 4.

Qxx=250; %добротность ненагруженного п-контура (добротность холостого хода)

Q=8; %эквивалентная добротность нагруженного п-контура, нагруженного сопротивлением нагрузки Rn

f0=91.5e6; %резонансная частота которая должна получиться

w=2*pi*f0;

Reqv=2735%сопротивление, которое чувствует активный элемент в расчитанном режиме работы

Rn=75%сопротивление нагрузки (фидер+антенна)

kpd=1-Q/Qxx; %кпд п-контура

N=Reqv/Rn; %коэффициент трансформации сопротивлений

Qkr=(kpd*N-1)^(1/2) %надо проверить, чтобы заданная(предполагаемая) добротность Q была больше чем критическая добротность Qkr

X2=(Reqv-kpd*Rn)/(((N/kpd)*(Q^2+kpd^2+1)-N^2-1)^(1/2)-Q);

X1=(Reqv*X2)/(Q*X2-kpd*Rn);

XL1=(Rn*X2^2*Q)/(kpd*(Rn^2+X2^2));

C1=1/(w*X1)

C2=1/(w*X2)

L1=XL1/w

fexp1=1/(2*pi*((L1*C1*C2)/(C1+C2))^(1/2))

%CpF=(159.2*1000)/(91.5*X2)

%LuHn=0.159*XL1/91.5

%fexp2=1/(2*pi*((LuHn*CpF*CpF*(10^(-18)))/(CpF+CpF))^(1/2))

%X=(Reqv*Rn)^(1/2)

%C=1/(w*X)

%L=X/w

Результаты вычислений:

C1 = 4.6376e-012

C2 = 1.6959e-011

L1 = 7.0250e-007

Приложение 5.

Приложение 6.

2Т971А
Транзисторы 2Т971А кремниевые эпитаксиально-планарные структуры n-p-n генераторные.
Предназначены для применения в усилителях мощности, умножителях частоты и автогенераторах на частотах 50...200 МГц при напряжении питания 28 В.
Выпускаются в металлокерамическом корпусе с полосковыми выводами.
Внутри корпуса имеется согласующее LС-звено.
Тип прибора указывается на корпусе.
Масса транзистора не более 9 г.

Основные технические характеристики транзистора 2Т971А:
• Структура транзистора: n-p-n;
• Рк и max - Максимально допустимая импульсная рассеиваемая мощность коллектора: 200 Вт;
• fт - Частота еденичного усиления 400 МГц

• fгр - Граничная частота коэффициента передачи тока транзистора для схемы с общим эмиттером: не менее 220 МГц;
• Uкэr max - Максимальное напряжение коллектор-эмиттер при заданном токе коллектора и заданном сопротивлении в цепи база-эмиттер: 50 В (0, 01кОм);
• Uэбо max - Максимальное напряжение эмиттер-база при заданном обратном токе эмиттера и разомкнутой цепи коллектора: 4 В;
• Iк max - Максимально допустимый постоянный ток коллектора: 17 А;
• Iкэr - Обратный ток коллектор-эмиттер при заданных обратном напряжении коллектор-эмиттер и сопротивлении в цепи база-эмиттер: не более 60 мА (50В);
• Ск - Емкость коллекторного перехода: не более 330 пФ;
• Ку.р. - Коэффициент усиления мощности: не менее 3 дБ;
• Рвых - Выходная мощность транзистора: не менее 150 Вт на частоте 175 МГц;
• tк - Постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте: не более 40 пс

•r_нас =0.15 Ом

Список литературы.

1. Генераторы с внешним возбуждением и автогенераторы диапазона высоких частот. Дворников А. А., Коптев Г. И., Папина Т. А., / Под ред. Г. М. Уткина – М.: Изд-во МЭИ, 1990 г. – 80 с.

2.Проектирование радиопередатчиков: Учеб. постобие для вузов/ В. В. Шахгильдян, М. С. Шумилин, В. Б. Козырев и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: - Радио и связь, 2003. – 656 с.

3. Радиопередающие устройства. Учебник для вузов/ В. В. Шахгильдян, В. Б. Козырев А. А. Луховкин и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: - Радио и связь, 1990. – 432 с.

4.Журнал «Радио», 1985 г., №5, стр.15

Электронные ресурсы:

5. http: //www.eandc.ru/catalog/detail.php? ID=1917 – сайт компании «электроника и связь» -электронные компоненты

6. http: //www.istok2.com: 9099/data/1507/ - информационно-коммерческий сайт, содержащий справочные данные радиоламп