Передатчик связной МВ диапазона с ОМ

                                                                          Содержание 

1.Введение                                                                                                                                  2

2.Внешнее  проектирование устройства                                                                               2

3.Разработка  и расчёт структурной  схемы передатчика                                                  3

4.Разработка  схем и расчёт  каскадов принципиальной  схемы                                         8

  4.1.Расчёт  выходного ГВВ  передатчика                                                                             8

  4.1.1.Расчёт  входной цепи выходного  каскада                                                                   9

  4.1.2.Расчёт  согласующего четырёхполюсника                                                                 10

  4.1.3. Расчёт номиналов  элементов схемы  ГВВ                                                                12

4.2.Расчёт  автогенератора синтезатора частоты                                                         12

4.3.Расчёт  схемы балансного  модулятора                                                                          17

5.Расчёт  промышленного КПД                                                                                              20

6.Требования  к источнику питания                                                                                       20

7.Заключение                                                                                                                           21

8.Литература                                                                                                                         22

9. Приложение(перечень элементов)                                                                                 23                                     

10.Схема  электрическая принципиальная                                                                          24                         

ВВЕДЕНИЕ 

      Любая система связи включает в себя радиопередающее устройство. Задача радиопередатчика – преобразование энергии постоянного тока источников питания в электромагнитные колебания и управление этими колебаниями.

    В данной работе производится расчет радиопередающего устройства с однополосной  модуляцией. Однополосная модуляция применяется в передатчиках, предназначенных для низовой телефонной радиосвязи, радиовещания на УКВ, звукового сопровождения телевидения, радиорелейной, тропосферной и космической связи.

    Выполнение  технических требований предъявляемых  к современным передатчикам оказывается  сложной задачей, тем более что  некоторые из этих требований взаимно  противоречивы. Для удовлетворения всех требований приходится использовать прием разделения функций между отдельными составными частями устройства так, чтобы каждая часть выполняла в полной мере свою задачу, в соответствии с установленными требованиями, и не мешала бы другим частям устройства столь же точно выполнять их функции.

      Составленная таким образом внешнее  проектирование устройства дает  возможность разработчику выбрать  оптимальную структуру передатчика,  определить количество составных  частей и технические требования  к ним. Проще говоря, внешнее проектирование устройства дает возможность увидеть устройство и принципы работы прибора уже на самом раннем этапе проектирования.  

                           ВНЕШНЕЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВА 

    Требуется  спроектировать бортовой связной передатчик с непрерывным сигналом однополосной модуляцией на транзисторах мощностью 100 Вт, диапазоном несущих частот 4 – 24 МГц и частотой модулирующего сигнала 0.3 – 3.4 кГц.

    Так как передатчик с непрерывным  излучением сигнала, то определим число  и границы поддиапазонов.

    Найдём  коэффициент перекрытия диапазона  рабочих частот диапазона:

    Так как  >1.7…2, то определим количество поддиапазонов:

    где - коэффициент перекрытия одного поддиапазона .

    Найдём  фактический коэффициент перекрытия одного поддиапазона:

    Определим границы поддиапазонов: 

    1-й  поддиапазон:  

    2-й  поддиапазон:

         3-й поддиапазон:

          РАЗРАБОТКА И РАСЧЁТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ПЕРЕДАТЧИКА 

      Связные передатчики коротковолнового диапазона (f = 1,5-30,0 МГц) работают в режиме однополосной модуляции (ОМ). Однополосный сигнал формируется фильтровым методом на относительно низкой частоте (500 кГц ) и переносится с помощью преобразователей частоты в рабочий диапазон. Многократное преобразование сигнала сопровождается появлением большого числа комбинационных составляющих, которые при неудачном выборе частот преобразования могут попасть на вход усилителя мощности и создать помехи вне рабочего диапазона передатчика.

      Структурная схема передатчика с однополосной модуляцией должна строиться так, чтобы снизить вероятность излучения паразитных колебаний и свести к минимуму число перестраиваемых цепей в промежуточных и оконечном каскадах передатчика. 

    Найдём  номинальную мощность активного элемента выходного каскада (ГВВ):

    где:

     - коэффициент производственного  запаса, равный1.2…1.4

     - заданная мощность в нагрузке

     - КПД колебательной системы, равный 0.95…0.98

     -КПД симметрирующего трансформатора  на выходе колебательной системы  при симметричном входе антенны  равный 0.9…0.95

     - КПД согласуещего фильтра  (0.8…0.9) 

    По  полученным данным выберем тип транзистора выходного каскада, ориентируясь на следующие критерии:

                                        и  

    Это транзистор КТ-912А, который имеет  следующие параметры: 

                                                     Таблица № 1 

    Так как полученная мощность превышает 40 Вт, то применим модульное построение ГВВ по схеме сложения мощностей. Пусть будут два модуля, при этом мощность развиваемая на выходе одного активного элемента:

    где - КПД суммирующей системы (0.8…0.9)

     - число модулей 

    Найдём  мощность предвыходного каскада:

    где:

     -коэффициент усиления по мощности  выходного каскада равный 5…8

     - КПД цепей распределения  мощности между выходным и  предвыходным каскадами (0.85…0.95) 

    Так как мощность меньше 40 Вт, то применим один каскад на транзисторе типа КТ-912А с параметрами приведёнными в таблице № 1.

    Полагаем, что на вход тракта промежуточного каскада от схемы формирования однополосного сигнала (СФОС) подаётся колебание мощностью 0.025…0.06 Вт, при этом для определения числа и состава промежуточных каскадов найдём выходную мощность последнего промежуточного каскада:

    где - КПД межкаскадных согласующих цепей (0.88…0.9)

    Далее найдём коэффициент усиления по мощности всего тракта промежуточного усиления:

    где - выходная мощность возбудителя (синтезатора) частот, равная примерно 0.25…0.6 Вт.

    Тогда число промежуточных каскадов равно:

    Видно, что каскад можно реализовать на транзисторе КТ-922А, который имеет следующие параметры:

                                                      Таблица № 2 

         При разработке и расчёте структурной схемы блока СФОС рассматривается фильтровый метод формирования однополосного сигнала с тремя каскадами преобразования спектра исходного сигнала от источника сигнала и подавлением несущей в балансных модуляторах.

      Звуковой  сигнал с микрофона (М) усиливается  усилителем низкой частоты (1) и попадает на балансный модулятор БМ1 (2). На второй вход БМ1 поступает напряжение с частотой f₀. Частота f₀ стабилизирована кварцем и ее значение определяется АЧХ электромеханического фильтра (ЭМФ) и выбором рабочей боковой полосы (верхней или нижней). На выходе первого балансного модулятора получается двухполосный сигнал с ослабленной несущей. Степень подавления несущей частоты на выходе передатчика (в антенне) определяется балансным модулятором и ЭМФ, а нежелательной боковой полосы - только параметрами ЭМФ. Последующие каскады не могут изменить степень подавления этих составляющих однополосного сигнала.

      С выхода ЭМФ однополосный сигнал поступает  на второй балансный модулятор (4). На другом его входе - сигнал вспомогательной частоты f₁. Частота f₁ выбирается выше верхней рабочей частоты передатчика - f_B. При таком выборе комбинационная частота на выходе БМ2 f₁ + f₀ также будет выше верхней частоты рабочего диапазона передатчика. Следовательно, колебания вспомогательного генератора f₁ и продукты преобразования первого порядка с частотами f₁ + f₀ , если они попадут на вход усилителя мощности, не создадут помех в рабочем диапазоне проектируемого передатчика.

      Относительная расстройка между комбинационными  частотами на выходе БМ2 , как правило, не велика, поэтому селекция нужной комбинационной частоты должна осуществляться пьезокерамическим фильтром (ПФ) или  фильтром на поверхностных акустических волнах (5). Полоса пропускания этого фильтра должна быть не меньше полосы прозрачности ЭМФ.

      Однополосный  сигнал с выхода ПФ в балансном  модуляторе БМ3 (6) смешивается с частотой f₂. Источником этих колебаний служит синтезатор сетки дискретных частот, генерирующий сетку с заданным шагом Df. Частота f₂ выбирается выше f₁, то есть выше рабочего диапазона. Частоты рабочего диапазона от f_Н до f_B получаются на выходе БМ3. Они равны разности частот f₂ и промежуточной частоты на выходе полосового фильтра(5) f = f₂ - f₁ - f₀.

      Эти частоты выделяются фильтром нижних частот (7), частота среза которого равна верхней частоте рабочего диапазона f_B.

      Однополосный  сигнал формируется на малом уровне мощности. До заданного уровня на выходе передатчика он доводится линейным усилителем мощности. Усилитель (8) состоит из предварительного и оконечного усилителей.

      Цепи  связи промежуточных каскадов делают широкополосными, перекрывающими весь диапазон передатчика. Здесь не ставится задача фильтрации высших гармоник, решается только проблема согласования входного сопротивления следующего каскада с выходным предыдущего. Широкое применение находят трансформаторы на длинных линиях и цепи, обеспечивающие постоянное входное сопротивление усилительного каскада.

      Цепь  связи (9) с антенной включает в себя переключающиеся в зависимости от частотного поддиапазона фильтры гармоник.

      Для преобразования звуковых колебаний (речи) используется микрофон BF1, который может быть как динамическим, так и конденсаторным. Последний обладает высокой чувствительностью (по сравнению с динамическим) и имеет встроенный предварительный усилитель на полевом транзисторе, поэтому стоит выбрать данный тип микрофона (МК) для проектируемого передатчика. Чтобы обеспечить усиление речевого сообщения, необходимо подать питающее напряжение на МК. Это обеспечивается резистором R2.

      Сигнал, идущий с МК, имеет небольшую амплитуду, поэтому необходим УНЧ, который  обеспечит нужное усиление низкочастотного (НЧ) сигнала до уровня, обеспечивающего нормальную работу БМ. Для этой цели используется каскад УНЧ на интегральной микросхеме (ИМС) DA1 К538УН3Б. Микросхема представляет собой малошумящий широкополосный усилитель с рабочей частотой до 3МГц, оптимизированный для работы с низкоомными источниками сигналов, предназначен для применения в качестве предварительного усилителя и в качестве усилителя низкоомных датчиков. Напряжение питания: U_п=6В±10%. Данный тип ОУ выбран из тех соображений, что он может работать при низковольтном однополярном питании и имеет низкую потребляемую мощность.

      Усиленный НЧ сигнал с УНЧ подаётся на БМ1 – с него на DA2, ИМС К174ПС4. Микросхема представляет собой двойной балансный смеситель, предназначена для использования в качестве смесителя частоты в диапазоне частот до 1000 МГц, модулятора, усилителя. Отличается отсутствием или ослаблением в спектре выходного сигнала составляющих с частотами сигнала и гетеродина и хорошей развязкой между цепью гетеродина и входом. Просачивание напряжение гетеродина на вход составляет 40..50 дБ. Так как в проектируемом передатчике используется три БМ, то для унификации принципиальной схемы целесообразно применить БМ одного типа.

      В качестве электромеханического фильтра  используем ЭМФ 500-9Д-ЗВ - электромеханический  фильтр настроенный на частоту 500 кГц, девятидисковый, пропускающий полосу частот 3 кГц, расположенную выше частоты 500 кГц. Выбор элемента определяет промежуточную частоту 500 кГц.

      Пройдя  ЭМФ, промодулированный сигнал поступает  на второй БМ – с него на DA3, где происходят те же преобразования, что и в первом БМ..

      С выхода БМ2 (DA3) высокочастотный (ВЧ) сигнал подаётся на ПФ, который обеспечивает селекцию комбинационной частоты, полоса фильтра приблизительно равна полосе пропускания ЭМФ.

      Отфильтрованный сигнал с ПФ поступает на БМ3 с него на DA4, где также происходит модуляция входного сигнала, осуществляемая напряжением генератора от СЧ, подающегося через разделительный конденсатор. Промодулированный сигнал подаётся на ФНЧ, выполненный как фильтр Чебышева 5-го порядка (Т05-08). В результате на выходе фильтра получается однополосный сигнал. С выхода ФНЧ ОП сигнал усиливается в линейном режиме предварительном многокаскадном усилителе мощности (УМ). Данный каскад работает в линейном режиме.

      После предварительного усиления сигнал через  разделительный конденсатор поступает на оконечнй каскад (ОК) и подводится мощность к базам транзисторов. Сигнал подаётся на модуль усилителя, выполненного по двухтактной схеме. Каскад выполнен на транзисторах VT1- VT2, резисторах R1-R4 и разделительных конденсаторах С1- С2. Сопротивлениями R1-R4 создаётся постоянное смещение на базах транзисторов. Далее следуют . Транзисторные каскады питаются напряжением, подведенным к коллекторам транзисторов через симметрирующие линии, выполняющие также функцию подавления четных гармоник. Конденсатор С3 является блокировочным по питанию.

      Для обеспечения подавления высших гармоник сигнала после ОК ставятся три  фильтра гармоник, которые коммутируются  тремя коаксиальными реле в соответствии с одним из трёх выбранным поддиапозоном. Фильтры построены на основе ФНЧ 5-го порядка. 1-й фильтр обеспечивает полосу прозрачности в диапозоне 4…7.2 МГц, 2-й –  7.2…12.96 МГц, 3-й – 12.96…23.3 МГц. Такое разделение всего диапозона частот необходимо для лучшего подавления высших гармоник, поступающих в фидер.

                                       Рис.1. Структурная схема передатчика. 
 

       РАЗРАБОТКА СХЕМ И РАСЧЁТ КАСКАДОВ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ 

                             РАСЧЁТ ВЫХОДНОГО ГВВ ПЕРЕДАТЧИКА 

    ГВВ  построен по схеме сложения мощностей, и рассчитываемый каскад является одним  из аналогичных модулей схемы. Схема  этого модуля приведена на рисунке №2.

                                           Рис.2. Схема модуля ГВВ. 

    Выберем критический режим работы ГВВ в классе В с углом отсечки θ = 90˚. Найдём соответствующие ему значения коэффициентов Берга в таблице №3: 
 

    Определим амплитуду первой гармоники коллекторного  напряжения в граничном режиме:

    Напряжение  коллекторного питания:

    так, чтобы :

    Амплитуда первой гармоники коллекторного  тока:

    Постоянный  ток коллектора:

    Постоянный  ток базы:

    Максимальный  ток коллектора:

    Эти токи меньше допустимых.

    Потребляемая  от источника питания мощность:

    Мощность  рассеяния на коллекторе:

    КПД коллекторной цепи:

    Сопротивление коллекторной нагрузки:

                       РАСЧЁТ ВХОДНОЙ ЦЕПИ ВЫХОДНОГО КАСКАДА 

    Постоянная  времени открытого эмиттерного  перехода:

    Эквивалентная постоянная времени:

    Амплитуда входного тока каскада:

    Так как , то дополнительное сопротивление R1 не используется.

    Ёмкость входной цепи:

    Максимальная  величина обратного напряжения на эмиттерном переходе:

    Напряжение  смещения на эмиттерном переходе:

    Входное сопротивление транзистора:

    Мощность  возбуждения:

    Коэффициент усиления по мощности:

                    РАСЧЁТ СОГЛАСУЮЩЕГО ЧЕТЫРЁХПОЛЮСНИКА 

    Полагаем, что нагрузкой передатчика является коаксиальный кабель с волновым сопротивлением ρ. Пусть это будет коаксиальный кабель марки РК – 75 с волновым сопротивлением 75 Ом. Тогда нагрузкой для одного модуля ГВВ будет сопротивление:

    Необходимая добротность контура:

    где Ф₂ – коэффициент фильтрации по второй гармонике, выбираемой в пределах 100…1000; (возьмём 600).

    Определим среднее сопротивление R_СР:

    Найдём  сопротивление Х₂ :