Разработка передатчика низовой радиосвязи
Пояснительная записка: 67 стр., рис. 16, табл. 2, ист. 7.
Объект разработки – передатчик низовой радиосвязи.
Целью курсовой работы является разработка варианта структурной схемы передатчика низовой радиосвязи и электрических принципиальных его отдельных узлов, параметры и характеристики которых соответствовали бы техническому заданию.
Использованы инженерные методы проектирования радиопередающих устройств и стандартные пакеты Mathcad, Word и sPlan.
В результате проведенной работы была разработана структурная схема радиопередатчика, а также произведен полный электрический расчет выходного каскада, согласующей цепи, предоконечного каскада (умножителя частоты), генератора управляемого напряжением, опорного генератора и штыревой антенны.
УКВ, ГРАНИЧНЫЙ РЕЖИМ, ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ, СВЧ, АВТОГЕНЕРАТОР, ЦЕПЬ СОГЛАСОВАНИЯ, УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, ФИДЕР, ТИПОВОЙ РЕЖИМ, ДЕВИАЦИЯ ЧАСТОТЫ, КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР.
Перечень условных обозначений
ПНРС – передатчик низовой радиосвязи;
ЧМ – частотная модуляция;
ФМ – фазовая модуляция;
ФАПЧ – фазовая автоподстройка частоты;
КПД – коэффициент полезного действия;
СВЧ – сверхвысокая частота;
АФУ – антенно-фидерное устройство;
УМ – усилитель мощности;
УЧ – умножитель частоты;
ГУН – генератор управляемый напряжением;
ЦС – цепь согласования;
ЭГ – эквивалентный генератор;
КВ – короткие волны;
УКВ – ультракороткие волны;
РТС – радиотехнические средства;
БП – блок питания;
ГВВ – генератор с внешним возбуждением;
УНЧ – усилитель низкой частоты.
Содержание
Вступление
1. Выбор структурой схемы
1.1 Основные характеристики
1.2 Структурная схема передатчика
2. Расчет усилителя мощности
2.1 Схема усилителя мощности
2.2 Расчет режима работы и энергетический расчет
2.3 Расчет цепи питания усилителя мощности
2.4 Расчет цепи смещения
3. Расчет выходной нагрузочной системы усилителя мощности
3.1 Электрический расчет
3.2 Конструктивный расчет
3.3 Расчет штыревой антенны
4. Расчет умножителя частоты
4.1 Электрическая принципиальная схема умножителя частоты с общей базой
4.2 Электрический расчет
4.3 Расчет пассивных элементов схемы
5. Расчет согласующей цепи между
оконечным и предоконечным
6. Расчет ГУН
6.1 Выбор основных параметров и активного элемента
6.2 Расчет автогенератора
6.3 Расчет элементов
6.4 Расчет цепи автосмещения
6.5 Выбор значений блокировочных элементов
6.6 Расчет частотного модулятора
7. Расчет кварцевого
7.1 Схема автогенератора
7.2 Расчет параметров
7.3 Режимные параметры активного элемента
7.4 Расчет по постоянному току
Вывод
Список литературы
Вступление
Техника
радиопередающих устройств
Практически
все население Земли
По существу радиосвязь представляет собой распространяющееся в пространстве электромагнитное колебание, несущее в себе информацию. Если информация заключается в амплитуде электромагнитного колебания – то говорят об амплитудной модуляции (или АМ), если же в частоте или фазе – то о частотной (ЧМ) или фазовой (ФМ) модуляции. В наше время широко используются радиостанции, т.е. устройства, сочетающие в себе и радиоприёмник и радиопередатчик и способные работать как на приём, так и на передачу в широком диапазоне частот.
Радиосвязь имеет огромное значение
для современного человека и используется
им почти во всех сферах его деятельности,
поэтому, очень нужны специалисты
по электронике и радиосвязи. Для
того чтобы стать таким
В данном случае необходимо выбрать
структурную схему и
Передатчики НРС применяются в
диапазонах КВ и УКВ для передачи
сообщений на небольшие расстояния.
Передатчики такого типа проектируются
для работы на одной фиксированной
частоте или в диапазоне
1. Выбор структурой схемы
Основные требования к передатчику определяются из соображений обеспечения нужного качества функционирования системы, в состав которой входит передатчик.
Радио является основным средством связи с подвижными объектами или между ними. На морских и речных судах используется радиосвязь в диапазонах гектометровых, декаметровых и метровых волн. В первом случае допускается только телеграфная работа, во втором – телеграфная и телефонная методом однополосной модуляции, в последнем – телефонная методом частотной модуляции. Мощности корабельных передатчиков 10... 300 Вт.
В гражданской авиации
Широко используют радиосвязь в народном хозяйстве. В сельском и лесном хозяйстве, геологоразведочных партиях применяют декаметровые (коротковолновые) передатчики с однополосной и модуляцией мощностью 0,5... 300 Вт; на автомобильном транспорте и крупных стройках, в карьерах по разработке полезных ископаемых и др. – передатчики диапазона метровых и декаметровых волн с частотной модуляцией мощностью 0,1... 20 Вт.
Выбор типа модуляции, которую лучше использовать при расчете передатчика основывается на свойствах самой модуляции.
Например, амплитудная модуляция требует повышенной мощности модулятора, так как модуляция происходит в одном из оконечных каскадов устройства. Для 100%-ной модуляции (m=1) и мощности несущей 1 кВт полная мощность модулированных колебаний составляет 1,5 кВт. Отметим, что при m=1 мощность, заключенная в обеих боковых полосах, составляет половину мощности несущей. Аналогично при m = 0,5 мощность в обеих боковых полосах составляет 1/8 мощности несущей. Указанное выше имеет место лишь для синусоидальной формы AM. Амплитудная модуляция может быть использована в передаче импульсных значений. При обычной модуляции с двумя боковыми полосами, используемой в радиовещании, информация передается исключительно в боковых полосах. Для того чтобы получить, например, хорошее качество звука, необходимо работать в полосе частот шириной 2М, где М – ширина полосы высококачественного воспроизведения звука (20–20000 Гц). Это означает, что стандартное АМ-радиовещание, к примеру, с частотами до 20 кГц должно иметь ширину полосы ±20 кГц (всего 40 кГц), учитывая верхнюю и нижнюю боковые полосы. Однако на практике ширина полосы частот по правилам ограничивается величиной 10 кГц (±5 кГц), которая предусматривает для радиопередачи звука ширину полосы всего лишь 5 кГц, что далеко от условий высококачественного воспроизведения. Радиовещание с частотной модуляцией имеет более широкую полосу частот.
В большинстве передатчиков большой
мощности модуляция осуществляется
в последнем каскаде системы
для того, чтобы избежать необходимости
усиливать модулированный сигнал. Усиление
несущей и модулирующего
В методе частотной модуляции (ЧМ)
амплитуда модулирующего
Частотно-модулированная связь гораздо менее чувствительна к помехам. Шумы, попадающие в ЧМ-сигнал, будь то атмосферные возмущения (статические), тепловые шумы в лампах и сопротивлениях или любые другие шумы, имеют меньшую возможность влиять на прием, чем в случае AM. Основной причиной этого является попросту тот факт, что большинство шумов амплитудно модулируют несущую. Восстановление информационного сигнала из ЧМ-волны связано лишь с частотным детектированием, при котором выходной сигнал зависит лишь от изменений частоты ЧМ-сигнала, а не от его амплитуды. Большинство приемников содержит усилитель-ограничитель, который поддерживает постоянную амплитуду ЧМ-колебаний, устраняя тем самым любой АМ-сигнал.
Другим типом угловой модуляции является фазовая модуляция. Эта модуляция очень похожа на ЧМ. При фазовой модуляции мгновенная фаза несущей изменяется пропорционально мгновенной амплитуде модулирующего сигнала. Это приводит к изменению фазы несущей частоты.
Ширина полосы частот ЧМ существенно
шире, а несущая частота значительно
выше (10 МГц и более). Более широкая
полоса частот приводит к более верному
воспроизведению входных
1.1 Основные характеристики передатчиков
Современный передатчик является сложным устройством, и его свойства характеризуются многими техническими параметрами. Основные из них: предназначение (для использования в той или иной системе связи, локации, вещания, навигации или др.); выходная мощность Рвых, т.е. мощность основного излучения в пределах необходимой полосы радиочастот, предназначенной для передачи сигнала; номинальное значение радиочастоты fн или диапазон частот fн1 … fн2; тип модуляции; условия эксплуатации передатчика (стационарный или на борту подвижного объекта, с обслуживающим персоналом или необслуживаемый); температура и давление воздуха в месте установки передатчика и др.
Таким образом, перечисленные выше параметры определяют возможность нормальной работы.
Если устройство работает в пределах
допустимого абсолютного
Группа параметров определяет качество передачи информации – параметры качества. Для радиотелефонной связи или радиовещания, например, показателями качества являются:
- полоса модулирующих звуковых частот и допустимая степень неравномерности модуляции в этой полосе (неравномерность амплитудно-частотной характеристики); глубина модуляции и допустимый при этом уровень нелинейных искажений (коэффициент гармоник);
- уровень паразитной модуляции (уровень шумов, фона).
- коэффициент полезного действия (КПД). Промышленным (полным) КПД передатчика hпром называют отношение выходной мощности передатчика Рвых к мощности, потребляемой передатчиком от электросети Рсети или другого источника электропитания: hпром = Рвых / Рсети. Промышленный КПД характеризует эффективность преобразования мощности источника питания в мощность колебаний радиочастоты: чем выше КПД, тем лучше, эффективнее передатчик как преобразователь мощности.
- мощность потерь Рпот, не преобразовавшаяся в полезную, обращается в тепло и вызывает нагрев ламп, транзисторов, катушек индуктивности, конденсаторов, резисторов, трансформаторов и других деталей передатчика: Рпот = Рсети – Рвых. Для защиты элементов передатчика от перегрева приходится создавать систему охлаждения. За счет системы охлаждения увеличивается стоимость, габаритные размеры и масса передатчика, снижается его надежность. Для работы вентиляторов системы охлаждения расходуется дополнительная электроэнергия, т.е. увеличивается Рсети и снижается hпром.
Отсюда видно, как важно при проектировании, настройке и эксплуатации каждого передатчика постоянно заботиться о повышении его КПД, который определяется КПД каждого каскада, узла передатчика, прежде всего – самых мощных.
- удобство эксплуатации (эксплуатационная технологичность), т.е. степень приспособленности к проведению мероприятий по подготовке к работе, контролю технического состояния, техническому обслуживанию и ремонту; возможность дистанционного или автоматического управления; надежность, т.е. свойство передатчика сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования совокупность затрат на эксплуатацию, включая затраты на электроэнергию, техническое обслуживание и ремонт.
Многие из показателей передатчика являются взаимно противоречивыми. Так, стремление получить от электронного или полупроводникового прибора большую мощность с высоким КПД приводит к необходимости использовать режимы работы со сложной формой тока и напряжения. В спектре таких токов и напряжений, кроме рабочих составляющих, содержатся многочисленные нерабочие – гармоники. Следовательно, применив такой выгодный с точки зрения мощности и КПД режим, приходится принимать меры для подавления нерабочих составляющих спектра, например, ставить многокаскадные фильтры; стоимость, габаритные размеры, масса каскада возрастут, а потери энергии в деталях фильтра уменьшат выигрыш КПД.
Стремление получить от электронного или полупроводникового прибора большую мощность и высокий КПД часто находится в противоречии с заданными требованиями на малые нелинейные искажения при амплитудной модуляции.
Требование высокой стабильности частоты (малого fнест или e), не удается или экономически невыгодно непосредственно реализовать в генераторе большой мощности.
Для преодоления подобного рода
противоречий необходимо, прежде всего,
предъявлять к передатчику
Основным путем преодоления
противоречий, содержащихся в технических
требованиях к современному передатчику,
является путь разделения функций между
несколькими каскадами
1.2 Структурная схема передатчика
Только передатчики простейших РТС строят как однокаскадные, в виде мощного автогенератора, работающего непосредственно на антенно-волноводную (антенно-фидерную) систему. Такими являются передатчики метеонавигационных самолетных и навигационных судовых радиолокаторов (рисунок 1).
Рисунок 1. – Функциональная структурная схема однокаскадного
передатчика:
АГ - генератор электрических колебаний радиочастоты,
М – модуляционное устройство,
В – устройство питания,
0 – система охлаждения,
Ау – автоматическое управление
Большинство современных передатчиков, строятся по многокаскадной схеме. Структурная схема такого радиопередатчика показана на рисунке 2.
Рисунок 2. – Структурная схема многокаскадного передатчика
Источником колебаний
Число усилителей мощности радиочастоты (УМ) определяется требуемым коэффициентом усиления, усилительной способностью и выходной мощностью каждой ступени. В качестве активного усилительного элемента УМ используют электронные лампы и полупроводниковые приборы (транзисторы, тиристоры), пролетные многорезонаторные клистроны, амплитроны, лампы бегущей волны и др.
Применение многокаскадной структурной схемы – основной путь получения высокой стабильности частоты мощного передатчика. Поскольку основные каскады, включая самые мощные, являются усилителями, энергетические и многие качественные показатели передатчика (полезная мощность, промышленный КПД и т.д.) определяются параметрами каскадов усиления.
Последний, самый мощный, каскад усиления УМn определяет выходную полезную мощность, а следовательно, и промышленный КПД передатчика. Этот каскад называют выходным или оконечным; УМ2, УМ3 и т.д. считают промежуточными (предварительными), а УМn-1 – предоконечным каскадом усиления.
Для получения высокого КПД большинство ГВВ работают со сложной периодической формой тока в выходной цепи, отличающейся от гармонической. Следовательно, спектр тока выходной цепи содержит как основную составляющую рабочей частоты fн, так и гармонические составляющие частоты 2fн, 3fн, 4fн, кроме этих составляющих в составе спектра тока могут быть и всевозможные комбинационные составляющие. Для того чтобы гармоники рабочей частоты и иные побочные составляющие не попали в антенну и не мешали работе других радиолиний (чтобы уровень этих составляющих не превышал допустимого), на выходе передатчика устанавливают выходную фильтрующую (колебательную) систему (ФС), т.е. фильтр, пропускающий рабочие и ослабляющий неосновные составляющие спектра выходного тока электронного или полупроводникового прибора.
Необходимость в сложной, громоздкой и дорогой многоконтурной системе на выходе передатчика обусловлена использованием негармонической формы тока для получения высокого КПД.
В передатчиках СВЧ и более ВЧ
диапазонов для обеспечения заданной
(допустимой) нестабильности частоты
можно применять автогенератор,
работающий на частоте, в несколько
раз меньшей номинальной
Передаваемое сообщение, например сигнал звуковой частоты W, усиливается в модуляционном устройстве, которое также имеет несколько каскадов усиления. Сигнал с последнего каскада модуляционного устройства подается на один из каскадов радиочастоты (указано штриховой), где происходит модуляция (амплитудная, частотная, импульсная, однополосная или др.). Последний каскад называют модулятором, а предшествующий – подмодулятором.
Кроме того, в состав мощного передатчика входит несколько выпрямителей, образующих систему питания, система охлаждения, система управления, блокировки и сигнализации, обеспечивающая установленный порядок включения и выключения передатчика, безопасность обращения с ним для обслуживающего персонала и сигнализирующая о неисправном состоянии передатчика.
Угловая модуляция может быть получена
прямым способом, когда модулируется
непосредственно частота
Рисунок 3. – Структурная схема передатчика с прямой ЧМ
Рисунок 4. – Структурная схема передатчика с косвенной ЧМ
Другими словами, прямую частотную модуляцию осуществляют: в полупроводниковых генераторах путем изменения параметров колебательного контура с помощью варикапов, варикондов, реактивного транзистора, нелинейной индуктивности (на частотах от нескольких мегагерц до десятков гигагерц); в диодных генераторах (на туннельном диоде, диоде Ганна) путём изменения напряжения смещения на диоде; в транзисторных RC-генераторах путём изменения режима работы транзистора (тока коллектора, напряжения смещения на переходе эмиттер-база).
В системах косвенного получения частотной модуляции используются фазовые модуляторы (ФМ).
Известны четыре наиболее распространённые структурные схемы передатчиков с ФМ:
- с ФМ на выходе передатчика;
- с ФМ в предоконечных каскадах с последующим усилением мощности сигнала ФМК;
- с ФМ в начальных каскадах с последующим умножением частоты и усилением мощности сигнала ФМК;
- с ФМ на поднесущей частоте с последующим транспонированием и усилением ФМ сигнала.
Те и другие способы получения ЧМ имеют свои недостатки и достоинства. Достоинство прямого метода – возможность получения глубокой и достаточно линейной частотной модуляции, недостаток – трудность обеспечения стабильности средней частоты колебания с ЧМ. Достоинство косвенного способа – высокая стабильность средней частоты, недостатки – неглубокая модуляция, трудность передачи низких модулирующих частот.
Возможность получения глубокой и линейной ЧМ делает предпочтительным прямой способ в радиовещательных передатчиках и передатчиках НРС. При этом для повышения стабильности средней частоты используют систему автоматической подстройки частоты (АПЧ) по высокостабильному кварцевому эталону. Структурная схема такого передатчика приведена на рисунке 5.
Рисунок 5. − Структурная схема ЧМ передатчика с эталонным
генератором
Для построения передатчика НРС (согласно техническому заданию) воспользуемся подобной схемой, но уточним состав и количество входящих в неё блоков.
Так как обычно в передатчиках НРС возбудитель не предусматривают, то НЧ сигнал подается сразу на ГУН. Но для увеличения стабильности по частоте в качестве эталонного генератора в передатчике с ЧМ можно использовать кварцевый автогенератор. На варикап VD1 подается модулирующее напряжение UW, на варикап VD2 – управляющее напряжение системы фазовой автоподстройки частоты. Разделение функций управления объясняется тем, что девиация частоты под влиянием модулирующего сигнала относительно невелика в сравнении с диапазоном подстройки ведомого генератора.
Умножители частоты включают в
структуру передатчика для
В нашем случае, источником сигнала UW является микрофон с последующим усилителем звуковой частоты (УЗЧ) Управление ГУН в этом случае также производится через два варикапа, на один из которых подаётся модулирующее напряжение UW с выхода УЗЧ, а на другой варикап – управляющее напряжение системы ФАПЧ. Девиация частоты под действием модулирующего сигнала на выходе передатчика равна 20 кГц. Индекс модуляции:
(1.1)
где Df – девиация частоты на выходе ГУН (или передатчика, в зависимости от того хотим ли мы получить индекс модуляции на входе или на выходе передатчика соответственно), а Fв – верхняя частота спектра речевого сигнала т.е. Fв = 3,4 кГц.
На выходе ГУН, как было сказано выше, сигнал имеет небольшую девиацию частоты » 3 кГц и соответственно небольшой коэффициент модуляции:
(1.2)
а по техническому заданию передатчик должен обеспечить девиацию частоты как минимум Df = 20 кГц.
Поделив полученный индекс модуляции на выходе передатчика на индекс модуляции на входе передатчика (выходе ГУН) можно определить во сколько раз необходимо произвести умножение частоты сигнала на входе передатчика для получения требуемой девиации частоты в 20 кГц сигнала на выходе передатчика:
(1.3)
С учетом того, что необходимо минимизировать число каскадов, а стандартный максимальный коэффициент умножения частоты одного каскада n = 4, то в нашем случае, число каскадов умножителей частоты получается k = 3, а коэффициент умножения частоты каждого каскада n = 2. При этом девиация частоты на выходе передатчика получится Df = 3400 × 2× 2× 2 » 27,2 кГц. Мощность на выходе ГУН порядка 50 мВт. Выходная колебательная мощность нашего ЧМ передатчика по техническому заданию должна быть 10 Вт, следовательно, входной сигнал передатчика необходимо по мощности усилить в 200 раз. Оконечный же мощный каскад передатчика в соответствии с расчётами, (раздел 2. РАСЧЁТ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА) может обеспечить коэффициент усиления по мощности порядка Кр » 32. Умножив на КПД согласующей цепи (примерно 0,8) получим Крпол » 25. Значит, необходимо обеспечить коэффициент усиления по мощности как минимум ещё в 8 раз, перед оконечным каскадом будут стоять еще 3 умножителя напряжения с коэффициентами усиления по мощности (с учетом потерь в согласующих цепях) порядка Кр » 2. После выше изложенных рассуждений, проводимых с целью обозначить необходимые составные части и объяснить назначение этих частей в структурной схеме, предлагается структурная схема передатчика НРС с ЧМ, вид которой показан на рисунке 6:
Рисунок 6. − Структурная схема проектируемого ЧМ передатчика
Таким образом, структурная схема нашего ЧМ передатчика вместе с блоками уже имеющимися в схеме на рисунке 5 в своём составе дополнительно содержит:
- Микрофон, который обеспечивает преобразование речевого сообщения в электрический входной сигнал передатчика;
- Усилитель звуковой частоты, который обеспечивает усиление амплитуды сигнала поступающего с микрофона на управляющий варикап;
- Буферный каскад, необходимый для защиты ГУН, генератора частоты и системы ФАПЧ от влияния на них последующих каскадов;
- 3 умножителя частоты с коэффициентами умножения частоты n = 2, необходимые для обеспечения требуемой девиации частоты на выходе передатчика;
- усилитель мощности;
- цепь согласования, обеспечивающую согласование выходного сопротивления оконечного каскада передатчика с входным сопротивлением фидера 75 Ом на заданной частоте.