Разработка судового передатчика

КАМЧАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Мореходный факультет Кафедра радиооборудования судов

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«Формирование и передача сигналов»

Курсанту___________________________________                  _

Срок сдачи законченного проекта «    »______________________

1.  Назначение передатчика________________________________

2.  Диапазон частот, МГц___________________________________

3.  Мощность,'кВт____________________________________

4.  Классы излучения_______________________________________

5.  Тип и параметры антенны_______________________________

6.  Первичный источник питания____________________________

7.  Дополнительные требования_____________________________

Дата выдачи задания «    »__________________

РУКОВОДИТЕЛЬ

Задание принял к исполнению______________________________

 

 

Дополнительные параметры:

 

1)Судовой передатчик

 

2)Диапазон частот-12-14 MHz

 

3)Выходная мощность-1кВт

 

4) Класс излучения  – F3Е /G3E

 

5)мощность побочных  излучений- ≤ 20 мВт

 

6) Антенно–фидерное устройство -  вертикальный штырь 11 метров, сопротивление кабеля – 50 Ом.

 

7) Питание 220 в

 

8) Девиация частоты  модулированного сигнала ∆f=5кГц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

            Введение……………………………………………………………….4

1. Построение и расчет структурной схемы передатчика……………. 5
2. Разработка принципиальной схемы передатчика……………...…….9

     2.1 Расчёт коллекторной цепи,,,……………………………….……. 12

     2.2 Расчет входной  цепи…………………………….....……..………13

     2.3 Расчет предварительного  каскада усилителя мощности……….15  

     2.4  Расчет широкополосного  трансформатора ……..…………...…19

     2.5  Расчет радиатора  выходного каскада…………………………...22

     3.  Заключение………………………………………..…………………..24

Литература……….……………………………………………..……..25

     Приложения …………………………………….…………………….26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

        Курсовое проектирование является одним из важных направлений при  подготовке студентов к самостоятельной инженерной деятельности. В процессе курсового проектирования студенты имеют возможность наиболее полно проявить свои индивидуальные способности и творчески применить полученные теоретические знания для решения конкретных инженерных задач. Основная задача курсового проектирования  - закрепить полученные знания, содействовать сознательному их усвоению и осмысленному применению при решении поставленных задач. В данном курсовом проекте разрабатывается судовой передатчик КВ диапазона средней мощности с частотной (ЧМ) или фазовой (ФМ) модуляцией, который служит  для передачи одного канала телефонии.

 

 

1. Построение и расчет структурной схемы передатчика.

 

    В настоящее  время на всех судах находя находящихся в районах плавания А2...А4, обязательно должно быть установлено радиопередающее устройство, работающее в ПВ/КВ диапазоне и осуществляющее передачу ТЛФ, ЦИВ и УБПЧ. Судовые передатчики такого типа должны отвечать жестким требованиям по надежности в работе и простоте управления, малому времени перестройки с одной частоты на другую,  высокой стабильности частоты передатчика. Современные тенденции в области проектирования такой аппаратуры сводятся к следующему:

- применение транзисторов  в мощных выходных каскадах;

- модульное построение  схем  и суммирование мощностей отдельных модулей с помощью мостовых устройств;

- применение высокостабильных синтезаторов дискретной сетки частот на основе системы фазовой автоподстройки частоты;

- широкое использование  интегральных схем в предварительных  и маломощных каскадах, а также  микропроцессоров в схемах контроля, защиты и управления.

   Исходя из модульности построения устройства, заданные классы излучения F3E будем формировать с использованием унифицированного возбудителя серии Р-788, соответствующего частотного диапазона и исполнения. Возбудитель имеет шаг сетки 10 Гц при времени перестройки не более 10 мс, обеспечивая относительное отклонение частоты настройки за год не более . Уровень высокочастотного сигнала на выходе возбудителя не менее 3 В, что соответствует выходной мощности 0,18 Вт на нагрузке 50 Ом.

   Т.к. возбудитель Р-788  не обеспечивает формирование излучения с классом  G3E, то  будем использовать косвенный метод получения колебаний данного класса, который заключается в преобразовании частотной модуляции в фазовую.

    Рассчитаем коэффициент усиления по мощности проектируемого передатчика:

(с запасом, не менее 20%)

   Рассчитаем требуемый  уровень побочных излучений:

дБ

   Определяем коэффициент перекрытия по частоте:

Исходя из того, что  коэффициент перекрытия по частоте  достаточно мал, можно применить резонансный усилитель мощности, что приведет к повышению кпд и коэффициента усиления. Перспективным является транзисторный передатчик декаметрового диапазона, УМ которого построен по модульной схеме. Такой УМ обладает высокой надежностью и оперативностью в управлении. Поэтому при разработке схемы передатчика на транзисторах следует стремиться к обеспечению высокой надежности, выбирая транзисторы с большим запасом по мощности и другим предельным параметрам .

     Для получения заданной выходной мощности необходимо использовать несколько двухтактных унифицированных усилительных ячеек (УЯ), объединяемых в усилительные модули. Пример структурной схемы выходных каскадов транзисторного передатчика приведен на рис. 1.

 

 

Рис. 1. Структурная схема блочно-модульной конструкции УМ

     Восемь унифицированных двухтактных УЯ объединены в два модуля М2 и МЗ. В предварительных УМ используются также унифицированные двухтактные ячейки.

Для разделения мощности в цепях возбуждения и суммирования мощности на выходе используются унифицированные 3-х децибельные направленные ответвители (НО) в виде мостовых схем, обеспечивающих развязку отдельных ячеек УМ.

Каждый из модулей  выполняется в виде отдельной  конструкции. В состав модулей могут включаться различные дополнительные устройства: схемы защиты транзисторов от перегрузок; устройства автоматической регулировки возбуждения в виде аттенюаторов, повышающих линейность усиления; вторичные источники электропитания; элементы контроля режима и работоспособности транзисторов. Такие схемы позволяют относительно просто увеличивать мощность выходного УМ. В стойку УМ включается дополнительный резервный модуль, используемый для оперативной замены одного из вышедших из строя основных модулей.

 

Расчет числа каскадов УМ.

 

Мощность, которую должен обеспечивать выходной УМ:

Вт,

где: =0,94 кпд направленного ответвителя;

     =0,85 кпд промежуточного контура.

 

Число ячеек:

Для получения заданной выходной мощности необходимо 4 ячейки.

После этого необходимо уточнить мощности, получаемые от одного транзистора:

Вт,

   от одной ячейки:

  Вт,

   от одного модуля:

 Выходной каскад  состоит из одного модуля.

Мощность предварительного УМ определяется из соотношения:

Вт

       Коэффициент  усиления по мощности буферных каскадов, включая предварительный УМ:

Такое усиление обеспечат двухтактный предварительный УМ и два каскада в схеме с общим эмиттером.

 

Выбор источника электропитания.

    По техническому  заданию первичным источником электропитания является сеть переменного тока с частотой 50Гц и напряжением 220В. Вторичные источники представляют собой выпрямительные устройства, количество которых зависит от числа независимых цепей электропитания. При проектировании вторичных источников электропитания следует стремиться к уменьшению числа выпрямителей, чему способствует выбор минимального числа типов электронных приборов тракта усиления. Мощность источников электропитания ориентировочно выбирается по режиму максимальной мощности и определяется равенством:

Вт

где η  - значение промышленного к.п.д. передатчика:

в случае использования  резонансных УМ η = 0,3...0,4;

при использовании УРУ η = 0,1...0,2;

в транзисторных схемах η = 0,4...0,5.

Величина тока, потребляемая от каждого выпрямителя, определяется путем суммирования токов, потребляемых отдельными каскадами и цепями.

       Передатчик построен полностью на транзисторах и микросхемах и состоит из;

- возбудителя, обеспечивающего  весь диапазон рабочих частот и все классы излучения;

- тракта усиления;

- блока фильтров, обеспечивающего высокую фильтрацию сигнала в полосах частот, отведенных морской подвижной службе;

-согласующих устройств,  обеспечивающих согласование параметров  антенн с волновым сопротивлением кабеля;

-блока электропитания  тракта стабилизированным напряжением;

-системы вентиляции, обеспечивающей охлаждение мощных  транзисторов и балластных резисторов;

- коммутатора оконечной аппаратуры;

-системы автоматизированного  управления, контроля и сигнализации с пульта местного (ПМУ) и дистанционного (ПДУ) управления, а также от ЭВМ судового комплекса связи.

 

 

 

 

 

 

 

          2. Разработка принципиальной схемы передатчика.

 

           Выходной УМ проектируемого транзисторного передатчика декаметрового диапазона,  строится по модульной схеме, общее количество модулей – два, один из которых резервный. Каждый модуль содержит четыре  двухтактные ячейки, их мощности в нагрузке складываются. Один из вариантов схемной реализации двухтактной усилительной ячейки применяемой в передатчике «Рейд» показан на рис.2.  В данной  схеме выходной каскад работает в режиме класса В, питание осуществляется по последовательной схеме, трансформатор Тр2 осуществляет согласование сопротивления нагрузки и выходного сопротивления двухтактной схемы.

 

Рис. 2 Схема двухтактного каскада усилителя мощности

            Мощности отдельных ячеек модуля складываются при помощи мостовой схемы сложения. На рис. 3 изображена схема сложения мощностей трех ячеек. Балластные сопротивления r_бал предназначены для симметрирования моста в случае выхода из строя одной или нескольких ячеек. При этом на r_бал появляются потери колебательной мощности. При полной симметрии и исправности схемы колебательная мощность на балластных сопротивлениях не выделяется. Сопротивление нагрузки всей схемы R 'н равно:

R 'н =nR_м= r_бал,

где R_M - сопротивление нагрузки одного модуля, а n- число модулей.

Рис. 3. Схема сложения мощностей трех УМ

 

УМ, построенный по модульной  схеме, отличается высокой надежностью, так как выход из строя одного или нескольких УМ модуля, одного или нескольких модулей приводит только к уменьшению излучаемой мощности.

         Для выбора полупроводникового прибора воспользуемся данными таблицы П.4.1 Приложения Г, Методических указаний. В качестве активного элемента оконечного каскада усилителя мощности выберем транзистор 2Т980А , габаритный чертеж которого приведен на рис. 4. а параметры в Таблице 1.

 

Рис. 4. Транзистор 2Т980А. Габаритный чертеж.

                                  Таблица 1. Транзистор 2Т980А. Параметры.

Параметр	Пояснение	Значение
rб	Сопротивление материала  базы	0,4  Ом
rэ	Стабилизирующее сопротивление  в цепи эмиттера	0,1 Ом
h21э0	Коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером  ОЭ на постоянном токе	50
fт	Граничная частота передачи по току в схеме с ОЭ	270 МГц
Ск	Барьерная ёмкость коллекторного  перехода при соответствующем напряжении Ек	300…460 пФ при Ек=50 В
Сэ	Барьерная ёмкость эмиттерного  перехода при соответствующем напряжении Еэ	1500 пФ при Еэ=0В
Lэ	Индуктивность вывода эмиттера транзистора	1,6 нГн
Lб	Индуктивность вывода базы транзистора	1,9  нГн
Lк	Индуктивность вывода коллектора транзистора	2,8 нГн
Eкэ доп	Предельное напряжение на коллекторе	100 В при Екб имп
Eк доп	Допустимое значение питающего напряжения на коллекторе	50 В
Eбэ доп	Допустимое значение обратного напряжения на эмиттерном переходе	4 В
Iк0 доп	Допустимое значение постоянной составляющей коллекторного  тока (имп)	15(25) А
Iб0 доп	Допустимое значение постоянной составляющей базового тока	5 А
tп доп	Допустимая температура  переходов транзистора	200, °C
Rпк	Тепловое сопротивление  переход (кристалл) - корпус	0,57 °С/Вт

 

Перечисленные в этой таблице параметры, используются при  расчёте коллекторной и базовой  цепей транзистора.

Расчёт коллекторной цепи можно проводить независимо от схемы включения транзистора, а входной - раздельно для схем с ОЭ или с ОБ. В нашем случае, для оконечного каскада выбрана двухтактная схема ГВВ, а схема включения транзистора – схема с ОЭ.

1. Расчёт коллекторной цепи

Для современных мощных биполярных транзисторов, как правило, оговаривается номинальное напряжение коллекторного питания Ек. В нашем  случае по техническому заданию питание  передатчика осуществляется от сети 220 В 50 Гц, т.е. нет ограничений по питающему напряжению. Выберем напряжение питания из стандартного ряда, принимая его равным 48 В.

Далее расчет надо вести  так, чтобы при эквивалентном  номинальном нагрузочном сопротивлении  обеспечивался критический режим. Тогда при уменьшении нагрузочного сопротивления транзистор будет переходить в недонапряженный режим, а при увеличении – в перенапряженный. При этом мощность в нагрузке изменяется незначительно,  а кпд остается близким к максимально возможному. В расчете необходимо учесть, что выходной каскад построен по двухтактной схеме.

Исходные данные:

Мощность в нагрузочной цепи: Вт.

Угол отсечки тока коллектора: .

Напряжение питания коллектора: В.

   1. Амплитуда первой гармоники  напряжения на коллекторе:

В

2. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока определяется выражением:

   А

3.Постоянная составляющая коллекторного тока:

А

4.Величина импульса  коллекторного тока:

А

5.Подводимая к коллектору мощность:

Вт

6.Мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора:

                              Вт

7.К.П.Д. коллекторной цепи:

8.Сопротивление нагрузки:

Ом

По результатам расчета  видно, что режим работы транзистора находится в границах допустимых значений.

 

2. Расчет входной цепи, рис.5

  

                                            

 

                             Рис. 5.   Эквивалентная схема входной цепи

 

Входное сопротивление транзистора  на частотах выше

МГц равно:

 Ом

Приведенное внутреннее  сопротивление:

Нагрузочный коэффициент:

Резистивная и индуктивная  составляющие входного сопротивления  транзистора:

;

нГн;  где  =50нГн – индуктивность        

                                                                 монтажа.

Добротность входной  цепи транзистора на верхней рабочей  частоте:

Добротность выше единицы, значит надо включать добавочный резистор:

Ом

Среднее значение крутизны транзистора по переходу:

 А/В

Среднее значение диффузионной емкости открытого эмиттерного  перехода:

Ф

Первая гармоника генератора тока в эквивалентной схеме транзистора:

Амплитуда напряжения на эмиттерном переходе:

В

Эквивалентная емкость  входной цепи транзистора с учетом коррекции:

пФ

Емкость корректирующего  конденсатора:

пФ

Элементы цепи балластной нагрузки:

Ом

нГ

пФ

Входное сопротивление одного плеча двухтактного усилителя:

Амплитуда напряжения на входе корректирующей цепи одного плеча  усилителя:

В

Входная мощность одного плеча усилителя:

Вт

Коэффициент усиления каскада по мощности:

 

2.3. Расчет предварительного каскада усилителя мощности.

Предварительный каскад усилителя мощности выполним так же двухтактным, по схеме с общим эмиттером. В качестве активного элемента предварительного каскада выберем транзистор 2Т903А , габаритный чертеж которого приведен на рис. 6. а параметры в Таблице 2.

 

Рис. 6. Транзистор 2Т903А. Габаритный чертеж

 

                                  Таблица 2. Транзистор 2Т903А. Параметры.

Параметр	Пояснение	Значение
rб	Сопротивление материала  базы	2 Ом
rнас	Ссопротивление в насыщенном состоянии	2,1Ом
h21э0	Коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером  ОЭ на постоянном токе	50
fт	Граничная частота передачи по току в схеме с ОЭ	150 МГц
Ск	Барьерная ёмкость коллекторного перехода при соответствующем напряжении Ек	180 пФ при Ек=60 В
Сэ	Барьерная ёмкость эмиттерного  перехода при соответствующем напряжении Еэ	400 пФ при Еэ=0В
Lэ	Индуктивность вывода эмиттера транзистора	10 нГн
Lб	Индуктивность вывода базы транзистора	10  нГн
Lк	Индуктивность вывода коллектора транзистора	10 нГн
Eкэ доп	Предельное напряжение на коллекторе (имп)	60(80) В
Eк доп	Допустимое значение питающего напряжения на коллекторе	50 В
Eбэ доп	Допустимое значение обратного напряжения на эмиттерном переходе	4 В
Iк0 доп	Допустимое значение постоянной составляющей коллекторного  тока (имп)	3(10) А
Iб0 доп	Допустимое значение постоянной составляющей базового тока
tп доп	Допустимая температура  переходов транзистора	115, °C
Rпк	Тепловое сопротивление  переход (кристалл) - корпус	3,33 °С/Вт

 

Расчет одного плеча предварительного каскада ведется по методике аналогичной методике расчета усилительной ячейки. Исходные данные для расчета:

Мощность в нагрузочной  цепи: Вт.

Угол отсечки тока коллектора: .

Напряжение питания  коллектора: В.

   1. Амплитуда первой  гармоники напряжения на коллекторе:

В

2. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока определяется выражением:

   А

3.Постоянная составляющая  коллекторного тока:

А

4.Величина импульса  коллекторного тока:

А

5.Подводимая к коллектору  мощность:

Вт

6.Мощность рассеиваемая  на коллекторе транзистора:

                              Вт

7.К.П.Д. коллекторной  цепи:

8.Сопротивление нагрузки:

Ом

По результатам расчета видно, что режим работы транзистора находится в границах допустимых значений.

             Расчет входной цепи предварительного усилителя мощности ведется по рис.5.

Входное сопротивление  транзистора  на частотах выше

МГц равно:

 Ом

Приведенное внутреннее  сопротивление:

Нагрузочный коэффициент:

Резистивная и индуктивная  составляющие входного сопротивления  транзистора:

;

нГн;  где  =50нГн – индуктивность        

                                                                 монтажа.

Добротность входной  цепи транзистора на верхней рабочей  частоте:

Добротность выше единицы, значит надо включать добавочный резистор:

Ом

Ом

Среднее значение крутизны транзистора по переходу:

 А/В

Среднее значение диффузионной емкости открытого эмиттерного  перехода:

Ф

Первая гармоника генератора тока в эквивалентной схеме транзистора:

Амплитуда напряжения на эмиттерном переходе:

В

Эквивалентная емкость  входной цепи транзистора с учетом коррекции:

пФ

Емкость корректирующего  конденсатора:

пФ

Элементы цепи балластной нагрузки:

Ом

нГ

пФ

Входное сопротивление  одного плеча двухтактного усилителя:

Амплитуда напряжения на входе корректирующей цепи одного плеча усилителя:

В

Входная мощность одного плеча усилителя:

Вт

Коэффициент усиления каскада  по мощности:

 

4.     Расчет широкополосного трансформатора (ШПТ)

    В нашем  случае ШПТ используется для согласования выхода усилительной ячейки с несимметричным антенным фидером, имеющим волновое  сопротивление 50 Ом.

На рис. 7 изображены ШПТ с общим магнитопроводом и его эквивалентная схема, обеспечивающие коэффициент трансформации:               

n = U_вых/U_вх≈W₂/W₁

где U_вых, U_вх - выходное и входное напряжения; W_2l Wi - число витков вторичной и первичной обмоток.

                        

На рис. 7 обозначены:

r₁, r₂, r_c - эквивалентные сопротивления потерь в обмотках и сердечнике;

С₁, С₂ - эквивалентные собственные емкости обмоток;

L₁, L_s1 и L_s2 - индуктивности первичной обмотки и рассеяния обмоток;

ИТ - идеальный трансформатор (1 : п) без потерь и паразитных параметров.

Исходные данные для  расчета ШПТ:

- диапазон рабочих  частот: ;

-   мощность в  нагрузке : Вт;

-  к. п. д. трансформатора η_тр = P₁/(P₁+P_mр) = 0,9;

- согласуемые сопротивления: Ом

                                                     Ом;

- коэффициент бегущей  волны фидера К_БВ ≥ 0,7;

- допустимые искажения  на нижней и верхней рабочих  частотах М_ндоп ≈М_вдоп ≤ЗдБ.

В процессе расчета определяются:

коэффициент трансформации на средней частоте:

При М_н≤ЗдБ         Гн

при М_в≤ЗдБ         

 - собственные емкости обмоток:

Ф

Экстремальные значения сопротивления нагрузки при к_бв<1:

 Ом ,

R_нмакс = R_H /к_бв

Изменение R_H приводит к изменению U_вх, U_вых,, I_вх, I_вых, что требует выбора сечения провода обмоток и сечения ферритового сердечника с запасом по максимальным значениям тока и напряжения.

 

Выбираем сердечник К20х10х4 из материала 100ВЧ, для которого:

 

, (Гс/Э) - магнитная проницаемость;

(Гс) - магнитная индукция;

Q=50 добротность на частоте измерения fизм.

Удельные тепловые потери в феррите составляют:

Вт/см³

Рабочее значение В~_раб на нижней частоте:

Гс

на верхней частоте:

Гс.

Число витков первичной  обмотки ШПТ:

 Витков

Число витков вторичной  обмотки:

Необходимое сечение  ферритового сердечника: 

  см² 

Сечение одного тора:

см²

Тепловые потери мощности во всем объеме V (см³) ферритового сердечника:

Вт.

Необходимый периметр проводника однослойных обмоток:

мм

где    I_Д - максимальное действующее значение тока в соответствующей обмотке с учетом возможного к_бв < 1,

Δt°C ~ перегрев провода обмотки по отношению к температуре окружающей среды (допустимо Δt ≈ (40...50)°С).

К. п. д. трансформатора

где Р_Пр - потери в проводе обмоток, Р_Пр < Р_фпот < р₁

Затем выбирается провод сечением, удовлетворяющим рассчитанному периметру П и условию, что на внутренней окружности тора 2nd помещаются в один слой витки .

    2.4  Расчет радиатора выходного каскада.

      Одним из важнейших условий надежной работы транзисторных УМ передатчиков является эффективное их охлаждение. Для этого в судовых передатчиках мощные транзисторы монтируются на металлических радиаторах и обеспечивается принудительное воздушное охлаждение.

Наиболее эффективными и простыми в изготовлении являются радиаторы ребристой конструкции (рис. 5.2). Для расчета необходимо знать:

С/Вт

С/Вт

Рис. 8. Зависимость теплового сопротивления радиатор – среда

 

Определим величину - теплового сопротивления радиатор - окружающая среда:

⁰С/Вт