Радиопередатчик кв диапазона
Введение
За последнее время
существенно повысился
Большое значение имеют средства передачи и приема информации. Сегодня существуют различные информационные системы связи: радиорелейная, оптическая, мобильная, спутниковая и другие.
Особое место в электронной технике занимают радиопередающие устройства. Радиопередающим называется устройство, предназначенное для выполнения двух основных функций – генерации электромагнитных колебаний и их модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Их история начинается с 1887 года, немецкий физик Генрих Рудольф Герц изобрёл и построил радиопередатчик и радиоприёмник, провёл опыты по передаче и приёму радиоволн, чем доказал существование электромагнитных волн, исследовал основные свойства электромагнитных волн. Первые радиопередатчики искрового принципа действия на основе катушки Румкорфа были очень просты по конструкции — излучателем радиоволн служил искровой разряд, а модулятором являлся телеграфный ключ. С помощью такого радиопередатчика информация передавалась в кодированной дискретной форме — например азбукой Морзе или иным условным сводом сигналов. Следующим этапом было использование в передатчике электромашинного генератора переменного тока. Такой генератор позволял получить достаточно стабильные колебания определенной частоты, которую можно изменять, регулируя частоту вращения ротора генератора. Сигнал такого генератора можно модулировать по амплитуде, что позволяет передавать по радио звуковой сигнал . До 1950-х годов электромашинные передатчики использовались в радиовещании и радиосвязи. Так, в 1925 г. на Октябрьской радиостанции в Ленинграде были установлены два генератора мощностью 50 и 150 кВт конструкции В. П. Вологдина. Как исторический памятник в Швеции сохраняется в рабочем состоянии радиостанция Гриметон (открыта в 1925 г.) с генератором Александерсена мощностью 200 кВт. Изобретение в 1913 году Мейснером (Германия) электронного генератора и дальнейшее развитие электронных вакуумных ламп позволило усовершенствовать устройство радиопередатчика и устранить недостатки искровых и электромашинных систем, а структурная схема радиопередатчика стала в общих чертах неизменной вплоть до настоящего времени. Дальнейшие изобретения в области связи и радиотехники — твердотельные аналоги электронных ламп (транзисторы), кварцевые резонаторы, новые виды модуляции и методы стабилизации частоты — сопровождались только количественными изменениями параметров радиопередатчиков: уменьшением размеров и потребляемой мощности, повышением стабильности и КПД, расширением частотного диапазона и т. д. Важно знать общие принципы построения таких узлов радиопередающих устройств как формирователи и преобразователи измерительных сигналов, модуляторы, демодуляторы и др., иметь основные навыки их проектирования, расчета и моделирования.
В настоящее время очень часто используется вместе с радиоприёмником и питающим устройством, вместе весь этот комплекс называется радиостанцией. Самостоятельно радиопередатчики используются в тех областях, где не нужен приём информации в месте её передачи — сигналы точного времени, разнообразные навигационные радиомаяки для определения местоположения объектов, многопозиционная радиолокация, радиовещание, дистанционное управление, телеметрия и т. Д
1 Структурная схема радиопередатчика
Наш проектируемый передатчик может быть использован в радиовещательном диапазоне, персональной связи. Это обстоятельство доказывает неоспоримость актуальности разработки данной схемы передающего устройства.
Рисунок 1- Обобщенная структурная схема длинно- и средневолновых радиопередатчиков.
Радиопередатчик состоит из двух полукомплектов, мощности которых суммируются с помощью мостового устройства. В предварительных ВЧ широкополосных каскадах, не требующих перестройки при изменении частоты возбудителя, обычно применяют мощные транзисторы. В выходном ВЧ усилителе мощности используется несколько мощных генераторных ламп, суммируемых по параллельной или двухтактной схеме. В выходном каскаде и согласующем устройстве с антенной при изменении частоты возбудителя осуществляется автоматическая настройка контуров.
Блок питания, выполняемый на тиристорах, обеспечивает требуемыми напряжениями все ламповые и транзисторные каскады. При этом для анодов мощных генераторных ламп требуются напряжения более 10 кВ. В этой связи особое внимание уделяют безопасности обслуживающего персонала путем применения нескольких дублирующих друг друга устройств блокировки и электронной защиты, исключающих проникновение в зоны повышенной опасности без предварительного отключения высокого напряжения.
В радиопередатчике с помощью специальных датчиков осуществляется автоматический контроль нормальной работы всех его каскадов и звеньев и немедленной сигнализации в случае нарушения штатного режима. В возбудителе применяется синтезатор, создающий сетку частот с требуемым шагом. Нестабильность частоты, обеспечиваемая возбудителем, не превышает 10 Гц, а в синхронном режиме работы — 0,01 Гц. (Синхронным называется режим, при котором все радиостанции передают одно и то же сообщение на одной и той же несущей частоте, стабилизация которой осуществляется по принимаемому сигналу «единого времени»).
Амплитудная модуляция осуществляется одновременно в нескольких каскадах: в выходном и предварительных ВЧ усилителях мощности. Модулятор обеспечивает полосу частот от 50 до 10 000 Гц и весьма малый коэффициент нелинейных искажений!
Радиопередатчик в конструктивном отношении выполняют в виде нескольких стоек стандартного размера со съемными блоками, на переднюю панель которых выносят органы управления и контроля. В каждом из стоек размещается устройство принудительного воздушного или жидкостного охлаждения.
1.1 Выбор амплитудной модуляции
Радиопередатчик должен обеспечивать:
― генерирование высокочастотных колебаний с заданной частотой и ее стабильностью;
― получение требуемого уровня мощности;
― изменение одного или нескольких параметров высокочастотных колебаний по закону передаваемого сигнала, т. е. обеспечивать заданную модуляцию.
Модуляция в АМ радиопередатчике определяется в зависимости от способа получения АМ колебаний. В случае модуляции смещением (изменение напряжения смещения на базе в транзисторах и сетке в лампах) она осуществляется в одном из промежуточных усилителей. При этом последующие каскады работают в режиме усиления модулированных колебаний (УМК).
1.2 Расчет структурной схемы радиопередатчика
Рассчитаем структурную схему радиопередатчика.
Заданными параметрами являются: мощность в антенне РА или на входе фидера
РФ глубина модуляции М, частота передатчика f или диапазон частот f 1-f 2,
K , нестабильность частоты и диапазон модулирующих частот F 1-F 2.
1. Выбираем частоту задающего генератора f ЗГ=125 кГц
2. Рассчитаем мощности
каскадов: Р=
где: Ра – мощность в антенне, кВт;
Кр- коэффициент усиления по мощности оконечного каскада.
Исходя из формулы 1.2 рассчитаем Р
Р1 = кВт
Р2 =
Р3 =
Р4 =
Исходя из полученных после
расчёта данных, построим общую
структурную схему данного
Рисунок 2 – Структурная схема телевизионного радиопередатчика, полученная после выполнения расчет
2 Обеспечение заданной выходной мощности
Заданная полезная (номинальная) мощность в работе— одно из основных требований к передатчику. Ее обеспечивает выходной (оконечный) каскад передатчика. Выбор активного элемента (АЭ), особенно транзисторов, для получения заданной мощности передатчика — сложная задача, так как транзисторы имеют небольшую допустимую мощность, таблица 1.1, и их параметры сильно зависят от частоты. В связи с тем, что мощность передатчика составляет 500кВт, в оконечном каскаде передатчика будем использовать 6 генераторных ламп ГУ-88А , включенных по двухтактной схеме.
Максимальная мощность одного транзистора в диапазоне длинных, средних и коротких волн достигает 250 Вт, метров
Таблица 1.1-Полезная мощность в зависимости от частоты диапазонах —
Диапазон волн, м |
Мощность передатчика, кВт | |||
0,1…0,3 |
0,3…1 |
1…5 |
5…20 | |
100…10000 10…100 1…10 |
0,65…0,7 0,6…0,65 0,55…0,6 |
0,7…0,75 0,65…0,7 0,6…0,65 |
0,75…0,8 0,7…0,75 0,75…0,8 |
0,8…0,85 0,75…0,8 0,8…0,85 |
десятки ватт; по мере дальнейшего уменьшения длины волны мощность быстро уменьшается. Следовательно, получить заданную мощность передатчика с помощью транзисторов теми же приемами, что и с помощью радиоламп, можно только при небольших мощностях. Здесь уместно отметить, что из-за большого разброса параметров транзисторы при их параллельном или последовательном включении в одном каскаде обеспечивают получение заметно меньшей полезной мощности, чем сумма номинальных мощностей использованных транзисторов.
3 Определение числа и видов предварительных каскадов
Структурная схема радиопередатчика разрабатывается в соответствии с техническим заданием. При курсовом проектировании техническое задание однозначно включает:
― мощность радиопередатчика А Р в антенне или на входе фидера ФР , определяющая дальность действия радиосвязи;
― рабочая частота f или диапазон рабочих частот 2 1... f f ;
― нестабильность частоты
― полоса модулирующих частот 2 1...F F ;
― вид и уровень модуляции.
При АМ глубина модуляции определяется коэффициентом модуляции М. Для эффективной передачи информации этот коэффициент задается обычно максимальным, равным 1.
В предыдущих подразделах получены общие принципы построения проектируемого передатчика: выбран способ формирования заданного вида модуляции; определен принцип построения выходного каскада и тип применяемых в нем транзисторов; выяснено, что передатчик должен быть многокаскадным; решен вопрос о возможности применения типового возбудителя или необходимости разработки автогенератора: определено число умножения частоты n.
Расчет структурной схемы
проводится без детального расчета
режима каждого каскада на основе
справочных и экспериментальных
данных о транзисторах [2, 12, 13,
приложение 5]. Эти данные позволяют
подобрать несколько типов
Расчет структурной схемы радиопередатчика включает в себя следующие основные этапы .
1. Оценку целесообразности применения одного из известных вариантов структурных схем. Выбор вариантов схемы.
2. Распределение частот колебаний во всех каскадах передатчика.
3. Определение уровней
колебательной мощности по
4. Выбор активных элементов
и номинальных питающих
5. Оптимизация структурной
схемы передатчика на основе
реализуемых в предлагаемой
Частоту задающего генератора
с параметрической
Мощность автогенератора
принимают равной единицам милливатт,
в противном случае стабильность
частоты АГ ухудшается. Умножители
частоты в современных АМ
передатчиках, кроме основного
назначения, позволяют уменьшить
влияние последующих каскадов
на режим работы и частоту
АГ, а также повысить устойчивость
работы высокочастотной части
Преобразование частоты
широко применяется в канале
изображения телевизионных передатчиков.
Промежуточная частота на каждый
формируемый высокочастотный
Расчет структурной схемы начинается с выходного каскада. Колебательная мощность, отдаваемая АЭ выходного усилителя в максимальном режиме при амплитудной модуляции
где А Р — колебательная мощность в антенне в несущем режиме;
ПК η — КПД промежуточного контура;
АК η — КПД антенного контра;
М η — КПД моста сложения мощности;
N — число АЭ в выходном усилителе.
АК η ориентировочно принимают равным
Ф В η из таблицы 1.1.
Когда задана мощность на выходе антенного фидера Ф Р , то АК η следует исключить или принять равным единице.
В передатчике с частотной или фазовой модуляцией мощность, отдаваемая АЭ выходного усилителя, определяется как
При работе на фидер:
Коэффициент усиления по мощности на заданной (рабочей) частоте f можно оценить по формуле [17]:
При более точном определении Р К можно воспользоваться экспериментальными данными транзисторов, изложенными в работе [2, приложение Д.]. Вычисленный таким образом ориентировочный коэффициент усиления транзистора по мощности используют для определения мощности предшествующего каскада η КПД цепи согласования для промежуточных каскадов можно принять равным 0,7 [17].
Аналогичную процедуру выбора транзисторов и оценки Р К проводят для всех предшествующих каскадов вплоть до автогенератора. Умножители частоты выполняются на лампах, транзисторах и полупроводниковых диодах. В данном пособии ограничимся умножителями на транзисторах, так как ламповые умножителя в настоящее время не используются, а диодные, как правило, используются в дециметровом и сантиметровом диапазоне волн. Такие передатчики здесь не рассматриваются.
Согласно данным работы [2] принимаем коэффициент усиления умножителя в «n» раз меньше коэффициента усиления усилителя. n — кратность умножения. КПД умножителя 0,5…0,55, а полезная мощность n Р снижается в n раз по сравнению с 1 Р .
В радиопередатчиках с
преобразованием частоты
затухания:
У диодных балансных преобразователей 10 ≈ ЗТ К . У транзисторных и ламповых преобразователей можно получить 1 ≈ ЗТ К . Следует иметь в виду, что режим АЭ в преобразователях частоты является тяжелым из-за большой рассеиваемой в нем мощности. Поэтому при выборе АЭ преобразователя его номинальная мощность должна превышать выходную мощность сигнала примерно в 10 раз, а уровень выходной мощности сигнала принимают равным десяткам и сотням милливатт. Мощность колебаний гетеродина выбирается в 2-3 раза больше мощности колебаний промежуточной частоты.
Буферный режим транзисторного усилителя создать невозможно. Поэтому для ослабления влияния на задающий генератор следующего за ним буферного каскада уменьшают его связь с автогенератором и последующим каскадом таким образом, что можно принять коэффициент усиления буферного усилителя равным 1 [10].
Выходная мощность транзисторных автогенераторов не должна превышать 10…20 мВт, а кварцевых автогенераторов и того меньше — 1…2 мВт. При мостовом сложении мощностей нескольких АЭ в выходном или предвыходном каскадах КПД моста, как было указано выше, можно принять 0,9…0,95.
Транзистор выбирается исходя из мощности и частоты колебаний на выходе генераторного каскада.
В передатчиках следует использовать только стандартные напряжения при питании его от электросети через выпрямители, а также типовые гальванические батареи и аккумуляторы в зависимости от условий эксплуатации [2]. Особенно важно правильно подобрать напряжение питания для выходного каскада, определяющего КПД всего передатчика. Если Ек выбрать равным наибольшему предельно допустимому для данного типа транзистора, то следует ожидать существенного снижения его надежности из-за опасности пробоя. Если же значительно недоиспользовать транзистор по К Е,то снизится КПД коллекторной цепи, потребуется более интенсивное охлаждение и, опять-таки, можно ожидать снижения надежности из-за опасности перегрева транзистора. Последняя ситуация встречается в передатчиках, устанавливаемых на подвижных объектах с низким напряжением бортовой сети. Так, у мотоциклов напряжение аккумулятора около 6 В. В подобных случаях целесообразно питать коллекторную цепь наиболее мощных каскадов передатчика повышенным напряжением через полупроводниковый преобразователь напряжения. Такие преобразователи хорошо отработаны, относительно недороги, имеют приемлемые габаритные размеры и массу, весьма надежны. Коэффициент полезного действия преобразователя достаточно большой, так что КПД передатчика с преобразователем при оптимальном Ек выходного и других значительных по мощности каскадов обычно оказывается выше, чем при питании непосредственно от источника с низким напряжением.
Промежуточные каскады проектируются либо с расчетом на такое же напряжение питания, как и в выходном каскаде, либо на меньшее, которое придется получать от другого источника (выпрямителя). Если напряжения отличаются вдвое, можно использовать один выпрямитель с отводом от средней точки.
Задающий генератор и буферный каскад обычно питаются от отдельного стабилизированного выпрямителя.
Следует иметь в виду,
что в дальнейшем, после выполнения
энергетического и
4 Согласование выходных каскадов с антенным устройством
В цепях
для предотвращения потерь
Расчет элементов
согласующей цепи ведется
При расчете
согласующей цепи по заданному
коэффициенту трансформации
При работе
передатчика с АМ схема
Рисунок 3- Схема согласующей цепи для АМ.
Производим расчёт элементов схемы :
1=
Где f- средняя частота диапазона.
X1==7475 Ом
Q = (1.4)
Q =
X2 =
X2 = Ом
С2 =
C2 =
XL = (1.7)
XL =
L =
L = .
Исходя из полученных расчетных соотношений примем С1 = 20пФ, L= 1824 мкГн, С2 = 0.13 мкФ. Такие элементы конструктивно выполнимы и соответствуют номинальным рядам радиоэлементов выпускаемых промышленностью.
5 Расчета лампового ВЧ генератора
Исходные данные для расчета.
Рабочая частота 525-1605 кГц, выходная мощность P1 = 280 кВт.
Выбор типа электровакуумного прибора.
Исходя из заданной мощности и частоты сигнала, выбираем тип генераторной лампы. Останавливаемся на генераторном триоде типа ГУ-88А, имеющем следующие предельно допустимые параметры:
Еа.доп= 10 кВ; fmах = 30 МГц.
Выбираем угол отсечки θ = 90°, для которого (θ) = 0,318, (θ) = 0,5, g1(θ) = 1,57
По характеристикам прибора определяем: крутизну линии граничного режима =
37 мА/В;
крутизну анодно-сеточной характеристики S=680 мА/В;
напряжение отсечки = -110 В.Выбираем граничный режим работы. Принимаем = 12 кВ
Расчет анодной цепи генератора.
- Коэффициент использования анодного напряжения, определяемый согласно (6.39):
=0.5 / 0.5 = 0.5 + 0.5 = 0.84
- Амплитуда напряжения на анодном контуре:
= = 0.84*12000 = 10080 В.
- Остаточное напряжение на аноде лампы:
= Еа- = 12000 - 10080 = 1920 В.
- Амплитуда 1-й гармоники анодного тока:
= 2 = 2*280 *103/10080 = 55.5 А.
- Амплитуда импульса анодного тока:
= 55.5/0.5 = 111 А.
- Постоянная составляющая анодного тока:
= = 0,318*111 = 35 А.
- Мощность, потребляемая по анодной цепи:
= = 35 * 12000 = 420 кВт.
- Мощность, рассеиваемая анодом лампы:
= - = 420 - 280 = 140 кВт <
- Коэффициент полезного действия:
= 0,5 = 0,5*0,84*1,57 = 65.9%.
- Сопротивление нагруженного анодного контура, необходи-
мое для реализации рассчитанного режима работы:
= = 10080/55.5 = 181.6 Ом.
Расчет цепи управляющей сетки
- Требуемая амплитуда напряжения:
= = 55.5*103/(0,5*680) = 163 В.
- Напряжение смещения:
= = 117 В, -117 В.
- Максимальное напряжение на сетке:
=163-117 =46 В
- Высота импульса сеточного тока, определяемая по характеристикам (при и ) или из примерного соотношения:
= = 0.2*111 = 22.2 А
- Косинус угла отсечки сеточного тока:
= = 117/163=0.717; = 44°; () = 0,162; () = 0,304.
- Первая гармоника сеточного тока:
= () = 0,304*22.2 = 6.7 А
- Постоянная составляющая сеточного тока:
= () = 0.162*22.2 = 3.59 А
- Требуемая мощность возбуждения:
= 0,5 = 0,5*163*6.7= 546 Вт
- Мощность, теряемая в цепи смещения:
= = 117*3.59= 420 Вт
- Мощность, рассеиваемая управляющей сеткой:
==546-420=126 Вт
- Входное сопротивление по 1-й гармонике сигнала:
==163/6.7=24.3
- Коэффициент усиления генераторной лампы по мощности:
== 280000/546=512.8
Расчет завершен.
Исходя их данных расчета
6 Описание выбранных схем предварительных каскадов
Каскады передатчика, расположенные между возбудителями и выходным усилите лем мощности, называются промежуточными. В их состав входят усилители, умножители и реже делители частоты. При составлении схем усилителей необходимо руководствоваться следующим: 1) применять согласующие цепи, которые позволяют получить в заданном диапазоне частот входное и выходное сопротивление стандартной величины 50 Ом; 2) обеспечивать широкополосное согласование в первую очередь со стороны входа, так как ширина полосы пропускания зависит главным образом от входных цепей; 3) если у выбранного транзистора все электроды изолированы от корпуса или с ним соединён эмиттер, то применяется схема ОЭ. Если с корпусом транзистора соединяется вывод коллектора, то целесообразно использовать схему ОБ. Длина провода, заземляющего электрод, должна быть минимальной. Большое значение имеет правильный выбор элементов развязки, антипаразитных цепей и исходной рабочей точки. Общая величина активного сопротивления, включённого в базовую цепь, не должна превышать предельно допустимого значения, указанного в справочниках.
Схема – двухтактная пара с ТДЛ
Двухтактная схема ШПУ представлена на рисунке. Схема содержит два трансформатора ТДЛ (Тр1, Тр4), включенных последовательно в линии передач, и два автотрансформатора ТДЛ (Тр2, ТрЗ), включенных параллельно к линиям. Коэффициенты трансформации сопротивлении: в трансформаторах—1 : 1, в автотрансформаторах— 4:1. Волновые сопротивления автотрансформаторов Тр2, ТрЗ обозначены символами р2, pi соответственно. Входное сопротивление каждого транзистора должно быть близким к величине р2, а выходное к р5. Так как в двухтактной схеме транзисторы соединяются последовательно по первой гармонике, то результирующее входное сопротивление двух транзисто-ров равно 2р2, а выходное 2о(. Выясним назначение трансформаторов.