Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Расчет структурной схемы устройства

Содержание:

Введение………………………………………………………………………….3

Расчет структурной схемы устройства…………………………………………6

Расчет принципиальной схемы………………………………………………….7

Расчет автогенератора……………………………………………………………7

Расчет умножителей частоты……………………………………………………10

Расчет усилителя мощности……………………………………………………..13

Заключение……………………………………………………………………….17

Список литературы………………………………………………………………18

1 Введение:

Классификация радиосистем передачи (РСП)

Существует множество различных классификаций РСП в зависимости от признаков, положенных в их основу. Ниже приведена классификация РСП по наиболее важным признакам:

по принадлежности к различным службам:

РСП фиксированной службы (радиосвязь между фиксированными пунктами);

РСП радиовещательной службы (передача сигналов для непосредственного приёма населением);

РСП подвижной службы (радиосвязь между движущимися друг относительно друга объектами);

по назначению:

международные;

магистральные;

внутризоновые;

местные;

военные;

технологические

космические

по диапазону используемых радиочастот:

Очень низкие частоты 3…30 кГц

Низкие частоты 30…300 кГц

Средние частоты 300…3000 кГц

Высокие частоты 3…30 МГц

Очень высокие частоты 30…300 МГц

Ультравысокие частоты 300…3000 МГц

Сверхвысокие частоты 3…30 ГГц

Крайне высокие частоты 30…300 ГГц

Гипервысокие частоты 300…3000ГГц

Кроме приведённых диапазонов при построении оптических систем передачи с открытым трактом используется диапазон частот 10¹³…10¹⁵ Гц.

по виду передаваемых сигналов:

РСП аналоговых сигналов (телефонных, радиовещательных, фототелеграфных, телевизионных, сигналов телеметрии и телеуправления);

РСП цифровых сигналов (телеграфных, исходной информации или результатов её обработки на ЭВМ);

комбинированные РСП;

по способу разделения каналов:

РСП с частотным разделением каналов;

РСП с временным разделением каналов;

РСП с фазовым разделением каналов;

РСП с комбинированным разделением каналов;

специальные РСП с разделением канальных сигналов по форме (например, асинхронно-адресные системы с кодово-адресным разделением сигналов);

по виду линейного сигнала:

аналоговые;

цифровые;

смешанные (гибридные);

по виду модуляции несущей:

аналоговые РСП:

цифровые РСП:

по пропускной способности:

РСП с малой пропускной способностью;

РСП со средней пропускной способностью;

РСП с высокой пропускной способностью;

по характеру используемого физического процесса в тракте распространения радиоволн:

радиорелейные системы передачи прямой видимости РРСП (распространение радиоволн в тропосфере в пределах прямой видимости);

тропосферные радиорелейные системы передачи ТРСП (дальнее тропосферное распространение радиоволн за счёт их рассеяния и отражения в нижней области тропосферы при взаимном расположении радиорелейных станций за пределами прямой видимости);

спутниковые системы передачи ССП (прямолинейное распространение радиоволн с ретрансляцией их бортовым ретранслятором ИСЗ, находящимся в пределах радиовидимости земных станций, между которыми осуществляется радиосвязь);

ионосферные системы передачи на декаметровых волнах (дальнее распространение декаметровых волн за счёт отражения от слоёв ионосферы);

космические системы передачи (прямолинейное распространение радиоволн в космическом пространстве и атмосфере Земли);

ионосферные системы передачи на метровых волнах (дальнее распространение метровых волн благодаря рассеянию их на неоднородностях ионосферы) и др.

История развития радиорелейной связи

Изучение распространения ультракоротких (метровых) радиоволн в СССР началось в 1926 г. под руководством академика Б. А. Введенского, а первые линии связи на метровых волнах появились в 1932 … 1934 гг. В 1946 г. в Киргизии была организована радиорелейная линия протяжённостью 250 км.

Развитие многоканальной радиорелейной связи относится к началу 40-х годов, когда появились первые 12-канальные радиолинии, использующие тот же, что и для кабельных линий, способ частотного разделения каналов и ту же каналообразующую аппаратуру, а также частотную модуляцию сигнала.

Освоение природных богатств Дальнего Востока и Сибири потребовало резкого увеличения протяжённости ретрансляционных участков РРЛ для обеспечения связью труднодоступных и отдалённых районов страны. Для создания линий связи, удовлетворяющих этим требованиям, был использован открытый в начале 50-х годов эффект дальнего тропосферного распространения ДТР дециметровых и сантиметровых волн. Используя ДТР, удалось создать новый тип тропосферных радиорелейных систем передачи ТРСП с расстояниями между соседними станциями 150 … 300, а в отдельных случаях и 600 … 800 км

Развитие космической техники, пионерами создания которой являлись такие советские учёные, как академики С. П. Королёв М. В. Келдыш, позволило создать спутниковые системы передачи ССП. В 1965 г. вступила в строй первая советская спутниковая система, использующая ИСЗ «Молния-1» и предназначенная для передачи многоканальной телефонии и телевидения

Построение системы передачи зависит от многих факторов, таких как вид сообщения, критерии качества передачи сигнала, стоимости и т. д. Обычно при проектировании систем передачи информации предполагается заданным вид сообщения, а также корреспондирующие пункты. Уже на первом этапе проектирования должен быть сделан выбор наиболее подходящей системы, удовлетворяющей требованиям к пропускной способности, качеству передачи и дальности связи и учитывающей соображения социально-экономического характера.

2 Расчет структурной схемы устройства

Исходные данные: рабочая частота fр=2.0 ГГц, выходная мощность Рвых.=1.25 Вт, КСВН нагрузки - 1.2, вид модуляции – КАМ-16, нестабильность колебаний – 10^-6, число телефонных каналов – 300, параметры выходного тракта R_н = 50 Ом

Расчёт структурной схемы каскадного передатчика начнём с выходного каскада.

Выходная мощность, которую должен обеспечить выходной каскад:

Р_вых.к= Р_вых.а∙а₁/(η_ф∙(1-1/(КСВН)²)) (2.1)

где а₁=0.6 дБ – затухание, вносимое циркулятором; η_ф=0.9 – КПД антенно-фидерного тракта.

Р_вых.к=5.2 Вт

По величине Рвых.к из справочной литературы в качестве оконечного усилителя возьмём ЛБВ VAS-899YX1, имеющей паспортные данные: средняя выходная мощность Р_выхср=15 Вт, коэффициент усиления К_лбв=36 дБ, напряжение U_а1=7,0 кВ, U₀= U_а2=2.0 кВ, I_а1=20 мА, U_к=4.5 кВ, I₀=100 мА, U_у.э=-60 В, U_у.э0=-750 В.

КАМ-16 модуляцию будем осуществлять с помощью модулятора ADL5375 с параметрами: U_пит=5В. Напряжение внешнего генератора 0.5В со смещением в 0.7В,

Мощность внешнего генератора 20мВт, выходная мощность 0.01Вт.

Источником несущего сигнала является кварцевый автогенератор с частотой 125МГц,

Частота с которого умножается в 16 раз с помощью двух варакторных умножителей на 4.

Структурная схема формирователя радиосигнала цифровой РРЛ

Рис 2.1

3 Расчет принципиальной схемы

3.1 Расчет автогенератора

Исходные данные: f_p = 125 МГц, относительная нестабильность 10^-7 , выходная мощность 14.5мВт, выходное напряжение: амплитуда 0.5В со смещением 0.7В

Рис 3.1.1

Автогенератор представляет собой емкостную трёхточку, которая образована транзистором VT1, кварцевым резонатором ZQ1, выполняющим роль индуктивности, и конденсаторами С2 и С3. Резисторы R1, R2, R3 обеспечивают внешнее и автоматическое смещение для транзистора. Конденсатор С1 служит для блокировки резистора R3 на рабочей частоте, что исключает отрицательную обратную связь. Дроссель L к включен для того, чтобы не зашунтировать трёхточку через источник питания Eк. Резисторы R4 и R5 являются простейшим делителем напряжения. Нестабильность кварца 10^-7.

Расчёт по постоянному току.

Выберем транзистор КТ325, h22=1мкСм β=70.

Задаём постоянную составляющую коллекторного тока I_К0,напряжение между коллектором и эмиттером Е_КЭ и напряжение на эмиттере Е_Э.

I_К0 = 10 mA, Е_КЭ = 2 B и Е_Э = 1 B. (3.1.1)

Рассчитываем сопротивление автосмещения в эмиттерной цепи

R₃ =Е_Э / I_К0 = 1/ 10 ∙ 10^-3 = 100 Ом (3.1.2)

Рассчитываем напряжение источника питания

E_K = Е_КЭ + Е_Э = 2 + 1 = 3 B. (3.1.3)

Определяем ток базы

I_Б0 = I_К0 /β₀ =10 ∙ 10^–3 / 70 = 143 мкА. (3.1.4)

где β₀ – коэффициент передачи тока транзистора.

Задаём ток делителя напряжения цепи фиксированного смещения

I_ДЕЛ = (10…20) ∙ I_Б0 = 10 ∙ 143 ∙10^-6 = 1.43 мА. (3.1.5)

Определяем сопротивление делителя напряжения

R_ДЕЛ = R₁ + R₂ =E_K / I_ДЕЛ = 3 / 1.43 ∙ 10^-3 = 2.1 кОм. (3.1.6)

Определим напряжение смещения на базе транзистора

Е_Б = Е_Э +0.7 = 1 + 0.7 = 1.7 В. (3.1.7)

Найдем значения сопротивлений R₁ и R₂

R₁ = Е_Б / I_ДЕЛ = 1.7 / 1.43 ∙ 10^-3 = 1.2 кОм (3.1.8)

R₂ = R_ДЕЛ – R₂ = 2.1 – 1.2 = 0.9 кОм. (3.1.9)

Расчёт по переменному току.

Определяем крутизну транзистора:

S =

(3.1.10)

где - высокочастотное сопротивление базы, - сопротивление эмиттерного перехода.

= τ_К / С_К = 550 ∙ 10^-12 / 1 ∙ 10^-12 = 550 Ом, (3.1.11)

где τ_К – постоянная времени цепи обратной связи, С_К – ёмкость коллекторного перехода

= 26 / I_К0= 26 / 10 = 2.6 Ом. (3.1.12)

S = 70 / ( 550 + 70 ∙ 2.6) = 95.2 мА/В. (3.1.13)

Зададим коэффициент регенерации G_P = (3…7) = 5 и определим управляющее сопротивление

R_У = G_P / S = 5 / 95.2 ∙ 10^-3 = 52.5 Ом. (3.1.14)

Зададим коэффициент обратной связи автогенератора К^’_ОС = С₃ / С₂ = 1 и вычислим реактивное сопротивление емкости С₃

X₃ =

== 36.6 Ом, (3.1.15)

где r_кв - сопротивление кварцевого резонатора, которое находится по формуле

r_кв = 1 / ω ∙ C_k ∙ Q_k = 1 / 2 ∙ π ∙ 125 ∙ 10⁶ ∙ 1 ∙ 10^-15 ∙ 2 ∙ 10⁸ = 25.5 Ом. (3.1.16)

C_k - емкость кварцевого резонатора, Q_k – добротность кварцевого резонатора.

Найдем емкость конденсаторов С₂ и С₃

С₂ = С₃ = 1 / ω_кв ∙ X₃ = 1 / 2 ∙ π ∙ 125 ∙ 10⁶ ∙ 36.6 = 34.8 пФ. (3.1.17)

Вычислим ёмкость блокировочного конденсатора

С₁ = (10…20)

= 10 / 2 ∙ π ∙ 125 ∙ 10⁶ ∙ 2.6 = 4.9 нФ, (3.1.18)

Рассчитаем индуктивность блокировочного дросселя

L_k = (20…30)

= 30 ∙ 36.6 / 2 ∙ π ∙ 125 ∙ 10⁶ = 1 мкГн. (3.1.19)

Энергетический расчёт автогенератора.

Определим коэффициент Берга γ₁ = 1 / G_p и через него коэффициенты α₀ и α₁.

γ₁ = 1 / G_p = 1 / 5 = 0.2; θ = 60˚ (3.1.20)

γ₀ = 0.11; α₀ = 0.21; α₁= 0.4.

Вычисляем амплитуду импульса коллекторного тока

I_mk = I_k0 / α₀(θ) = 10 ∙ 10^-3 / 0.21 = 47.6 mA. (3.1.21)

Проверяем условие I_mk < I_{mk доп}, 47.6 mA < 100 mA.

Определяем амплитуду первой гармоники коллекторного тока

I_k1 =α₁(θ) ∙ I_mk = 0.4 ∙ 47.6 ∙ 10^-3 = 19.04 mA. (3.1.22)

Рассчитываем амплитуду напряжения на базе транзистора

U_mБ = I_k1 ∙ R_y= 19.05 ∙ 10^-3 ∙ 52.5 = 1 B. (3.1.23)

Вычисляем модуль коэффициента обратной связи

= = 0.5. (3.1.24)

Находим амплитуду напряжения на коллекторе

U_mk =

= 1 / 0.5 = 2 B. (3.1.25)

Определяем мощность, потребляемую от источника коллекторной цепью

P₀ = I_k0 ∙ E_КЭ = 10 ∙ 10^-3 ∙ 2 = 20 мВт (3.1.26)

Проверяем условие P₀ < P_{0 доп}, где P_{0 доп} – допустимая мощность рассеиваемая транзистором, 20 мВт < 150 мВт.

Расчет делителя напряжения

Необходимое напряжение на выходе 0.5В

Выходное сопротивление автогенератора

R_вых=1/h₂₂=1/1∙10^-6=1.1кОм (3.1.27)

Найдем значение R₅

R₅= R_вых∙0.5В/ U_mk=1.1∙10³∙0.5/2=275 Ом (3.1.28)

Вычислим значение R₄

R₄= R_вых - R₅=1100 – 275=825 Ом (3.1.29)

3.2 Расчет умножителей частоты

Рис 3.2.1

Расчет 1го умножителя

f=125МГц, f_n=500МГц, n=4, в умножителе использован варактор модели 2A602A с параметрами C_б=6.5пФ при U_спр=6В, f_гр =15ГГц, U_доп=60В, P_доп=2.5Вт, τ_β=100нс, t_в=5нс, φ_k=0.7.

Примем потери мощности на полосковых фильтрах равными 20%

Задаем мощность на n гармонике P_n=0.08Вт

Найдем максимальную барьерную ёмкость

C=Сб∙( (φ_k + U_спр)/ U_доп)^υ / (1-υ) = 4.67пФ (3.2.1)

Т.к. кратность умножения равно 4, то для максимального кпд выбираем режим слабого открытия p-n перехода

k=n-1=3 (3.2.2)

θ=πk/n=135^◦ (3.2.3)

γ_n(θ)=2sin θ /(π (n²-1))= 0.03 (3.2.4)

Сопротивление варактора по n гармонике

R_n= γ_n(θ)/ωCsinθ = 11.56 Ом (3.2.5)

Полная действительная часть сопротивления по n гармонике

R_nΣ=R_n-R_s= 10.56 Ом (3.2.6)

Ток n гармоники

I_n=(2P_n/ R_nΣ)^1/2= 0.12А (3.2.7)

Заряд по n гармонике

nQ_n=I_n/ω=0.156 нКл (3.2.8)

Заряд 1ой гармоники

Q₁=nQ_n/sin θ = 0.221 нКл (3.2.9)

Ток первой гармоники

I₁= ωQ₁= 0.17А (3.2.10)

Сопротивление варактора по 1ой гармонике

R₁= γ_n(θ)sin θ/(ωC)= 5.78 Ом (3.2.11)

Полная действительная часть сопротивления по 1 гармонике

R_1Σ=R₁+R_s= 6.78 Ом (3.2.12)

Мощность 1 гармоники

P₁=0.5I₁² R_1Σ = 0.102 Вт (3.2.13)

Мощность постоянного тока

P₀= γ₀(θ) γ₀(θ-π)Q₁²/( τ_β C)= 0.003Вт (3.2.14)

Мощность рассеиваемая на варакторе

P_рас=P₁ – P_n – P₀= 0.018 Вт (3.2.15)

Проверяем что бы выполнялось P_рас < P_доп

0.018Вт<2.5Вт

Сопротивление смещения

R_см= τ_β γ₀(θ)/(C γ₀(θ-π))= 334.7 кОм (3.2.16)

Емкость варактора по 1 гармонике

C₁=C/ γ₁(θ)= 5.13пФ (3.2.17)

Емкость варактора по n гармонике

C_n=nC= 18.6пФ (3.2.18)

Расчет 2го умножителя

f=500МГц, f_n=2000МГц, n=4, в умножителе использован варактор модели 2A602A с параметрами C_б=6.5пФ при U_спр=6В, f_гр =15ГГц, U_доп=60В, P_доп=2.5Вт, τ_β=100нс, t_в=5нс, φ_k=0.7.

Примем потери мощности на полосковых фильтрах равными 20%

Задаем мощность на n гармонике P_n=0.08Вт

Найдем максимальную барьерную ёмкость

C=Сб∙( (φ_k + U_спр)/ U_доп)^υ / (1-υ) = 4.67пФ (3.2.19)

Т.к. кратность умножения равно 4, то для максимального кпд выбираем режим слабого открытия p-n перехода

k=n-1=3 (3.2.20)

θ=πk/n=135^◦ (3.2.21)

γ_n(θ)=2sin θ /(π (n²-1))= 0.03 (3.2.22)

Сопротивление варактора по n гармонике

R_n= γ_n(θ)/ωCsinθ = 2.89 Ом (3.2.23)

Полная действительная часть сопротивления по n гармонике

R_nΣ=R_n-R_s= 1.89 Ом (3.2.23)

Ток n гармоники

I_n=(2P_n/ R_nΣ)^1/2= 0.16А (3.2.24)

Заряд по n гармонике

nQ_n=I_n/ω= 51.7 пКл (3.2.25)

Заряд 1ой гармоники

Q₁=nQ_n/sin θ = 73.1 пКл (3.2.26)

Ток первой гармоники

I₁= ωQ₁= 0.23А (3.2.27)

Сопротивление варактора по 1ой гармонике

R₁= γ_n(θ)sin θ/(ωC)= 1.45 Ом (3.2.28)

Полная действительная часть сопротивления по 1 гармонике

R_1Σ=R₁+R_s= 2.44 Ом (3.2.29)

Мощность 1 гармоники

P₁=0.5I₁² R_1Σ = 0.064 Вт (3.2.30)

Мощность постоянного тока

P₀= γ₀(θ) γ₀(θ-π)Q₁²/( τ_β C)= 0.0004 Вт (3.2.31)

Мощность рассеиваемая на варакторе

P_рас=P₁ – P_n – P₀= 0.039 Вт (3.2.32)

Проверяем что бы выполнялось P_рас < P_доп

0.039 Вт<2.5Вт

Сопротивление смещения

R_см= τ_β γ₀(θ)/(C γ₀(θ-π))= 334.7 кОм (3.2.33)

Емкость варактора по 1 гармонике

C1=C/ γ₁(θ)= 5.13пФ (3.2.34)

Емкость варактора по n гармонике

C_n=nC= 18.6пФ (3.2.35)

3.3 Расчет усилителя мощности

Исходные данные: выходная мощность P_вых=5.2 Вт, рабочая частота f_р=2 ГГц, количество телефонных каналов N_k=300, коэффициент нелинейных искажений не более 0.1 %.

1.Исходя из справочных данных, находим, что заданная выходная мощность может быть обеспечена лампой бегущей волны типа VAS-899YX1, имеющей паспортные данные: средняя выходная мощность Р_выхср=15 Вт, коэффициент усиления К_лбв=36 дБ, напряжение U_а1=7,0 кВ, U₀= U_а2=2.0 кВ, I_а1=20 мА, U_к=4.5 кВ, I₀=100 мА, U_у.э=-60 В, U_у.э0=-750 В.

Рис 3.3.1

Микропервеанс электронного пучка по напряжению на спирали:

p=I₀U_o^-3/2·10⁶=0.1·10⁶· (4.0·10³)^-3/2=0.4 A/B^3/2 (3.3.1)

Задавшись соотношением b’/a=0.5, по графику 1 находим β_pa=1.65.

Радиус спирали электронного потока a:

a=3.14·10^-4λ β_paU₀^1/2=3.14·10^-4·5.77·1.65·(4.0·10³)^1/2=0.190 см (3.3.2)

b’=0.5·a=0.5·0.190=0.095 см (3.3.3)

.Коэффициент замедления r_з;

r_з=С_с/v₀=505/ U₀^1/2=505/(2.0·10³)^1/2=8 (3.3.4)

По графику 2 для b’/a=0.5 и β_pa=1.65 находим величину v₀/С_с=8.5.

Волновое сопротивление Z₀:

Z₀=8.5·С_с/v₀=8.5·8=68 Ом (3.3.5)

Параметр усиления C:

C=(I₀·Z₀/(4U₀))^1/3==(0.1·68/(4·4.0·10³))^1/3=0.075 (3.3.6)

По графику 3 определяем 4Q=7.5, откуда параметр пространственного заряда q=4QC=0.56.

Плотность тока i₀:

i₀=I₀/(π(b’)² )=0.1/(3.14·0.095²)=3.5 A/см² (3.3.7)

Коэффициент продольного расталкивания для электронного потока бесконечного сечения a_p:

a_p=1.83·10¹⁰·i₀^1/2/(2πf_ср.рU₀^1/4)= =1.83·10¹⁰·7.53^1/2/(2·3.14·5.2·10⁹·(2.0·10³)^1/4)=0.13 (3.3.8)

Коэффициент F_0med, учитывающий конечность сечения электронного потока, и коэффициент H:

F_0med=4QC³/a_p²=7.5·0.075³/0.13²=0.19 (3.3.9)

H= - (4QC)³/(1- F_0med)²= - (7.5·0.075)³/(1-0.19)²= -0.27 (3.3.10)

График 3.3.1

График 3.3.2

График 3.3.3

График 3.3.4

Из графика 4 для H= -0.27 находим Z₁= -0.5, α_h=0.75.

Параметр нарастающей волны x:

x= - (1- F_0med)· Z₁·α_h/(4QC)= - (1-0.19)· (-0.5)·0.75/(7.5·0.075)=0.54 (3.3.11)

Определяем b и y:

x=((-2y-4y²q)^1/2 - (q+y)²)^1/2 → y=-0.4 (3.3.12)

y= -0.5(1+0.25q) – (0.42+0.0175q)b → b=-0.5 (3.3.13)

Параметр начальных потерь A:

A= -10lg(e₁²+g₁²) (3.3.14)

Где

e₁=1+2·(y·(b+y)²-x²·(2b+3y))==1+2·((-0.4)·(-0.5-0.4)²-0.54²·(2·(-0.5)+3·(-0.4)))=1.635

g₁=2x·((b+y)·(b+3y)-x²)= 2·0.54·((-0.5-0.4)·(-0.5-3·(-0.4))-0.54²)== -0.995

A= -4.23 дБ (0.38)

Параметр А_п, учитывающий влияние поглотителя на величину коэффициента усиления, примем равным 0.5 (-6 дБ).

По заданному коэффициенту усиления в линейном режиме К_лU=32 (15 дБ) определим ξ, откуда найдём нормированную длину лампы N:

К_лU=АА_пе^ξx/((x²+y²)X₁)^1/2 (3.3.15)

где

X₁=x²+(b+y)²=0.54²+(-0.5-0.4)²=1.1 (3.3.16)

32=0.38·0.5·е^ξ·^0.554/((0.54²+(-0.4)²)·1.1)^1/2 → ξ=8.85,