Радиопередатчик, применяемый в гражданской авиации, как бортовая радиостанция самолётов и вертолётов для связи с наземными авиационными службами

Исходные данные.

1) Диапазон рабочих частот:

f мин=118.000 МГц

f макс=136.975 МГц.

2) Относительная нестабильность рабочей частоты:

.

3) Мощность в нагрузке при отсутствии модуляции:

Вт.

4) Вид модуляции: амплитудная с коэффициентом модуляции m=1.

5) Количество бесподстроечных радиоканалов N=760.

6) Разнос частот между соседними радиоканалами кГц.

7) Место установки передатчика: самолёт/вертолёт.

8) Аналог радиостанции: БАКЛАН-5.

9) Уровень побочных излучений передатчиков L, не более – 60 дБ.

10) Полоса частот модулирующего сигнала F=300-3400 Гц.

11) Сопротивление нагрузки выходного каскада передатчика 50 Ом.

НГТУ 010358505

2

Изм

Лист

№ Докум

Подп

Дата

Введение.

Радиосвязное оборудование в зависимости от его состава и ОУЭ сертифицируемого самолета должно обеспечивать выполнение следующих функций:

- двустороннюю связь в пределах прямой радиовидимости с диспетчерской службой каждого аэродрома, на котором совершается взлет или посадка и в диспетчерской зоне которого находится самолет;

- двустороннюю связь в любой момент полета, по крайней мере, с одной наземной авиационной радиостанцией;

- прием в любой момент полета метеорологических сводок или специальных извещений, передаваемых метеослужбами или диспетчерскими службами аэродромов по трассе полета;

- оперативную связь в любой момент полета между всеми членами экипажа;

- оповещение пассажиров в полете;

- обеспечение речевой информации об особой ситуации при установке на самолете аппаратуры речевой информации;

- обеспечение связи после посадки самолета вне аэродрома или подачу сигнала для привода поисково-спасательных средств.

В данной курсовой работе рассматривается радиопередатчик, применяемый в гражданской авиации, как бортовая радиостанция самолётов и вертолётов для связи с наземными авиационными службами. В нём применяется амплитудная модуляция. Предусмотрена организация беспоисковой и бесподстроечной радиотелефонной связи по группе каналов из множества каналов.

НГТУ 010358505

3

Изм

Лист

№ Докум

Подп

Дата

Разработка структурной схемы радиопередатчика.

Требования, предъявляемые к передатчику, можно обеспечить при разных вариантах построения схемы. Не проводя полного электрического расчёта, можно, пользуясь оценочными сведениями и формулами, сопоставить  структурные схемы этих вариантов и выбрать лучший из них.

Для реализации указанных характеристик передатчик можно построить по схеме с синтезатором частот для обеспечения нужной полосы частот.

Построение структурной схемы начнём с выходного каскада.

Выходной каскад выполняем по схеме «общий эмиттер».

Мощность в пиковом режиме должна быть равна

Принимаем КПД выходной цепи 90% ([1] с.296), тогда мощность, отдаваемая транзистором равна 22 Вт.

Данную мощность на максимальной частоте рабочего диапазона (136.975 МГц) обеспечивают транзисторы КТ909Г и КТ934В. Но КТ909Г будет сильно недоиспользован по мощности. Мощные СВЧ транзисторы в усилительном режиме целесообразно использовать по мощности не менее чем на 40—50% от максимального значения. В противном случае усиление транзистора или его КПД существенно падает ([1] с.47). Поэтому выберем КТ934В. Мы выбрали максимальную частоту, поскольку данный режим работы является наиболее сложным для транзистора.

Усиление транзистора на максимальной частоте рабочего диапазона оценим по формуле:

Поскольку в справочных данных нет, то определим его следующим способом:

Поскольку это значение верно для f=400МГц, то пересчитаем его на рабочую частоту:

КПД межкаскадной связи в усилителях СВЧ удаётся получить 0.6 – 0.85 ([1] с.297). Принимаем . Транзистор предконечного каскада в максимальном режиме должен развить мощность:

НГТУ 010358505

4

Изм

Лист

№ Докум

Подп

Дата

Такую мощность могут обеспечить КТ919Б, КТ920А, КТ925А, КТ929А. Учтём, однако, что мощные транзисторы СВЧ не рекомендуется применять на частотах ниже (0,2 -- 0,3)fгр. Это связано со снижением их надёжности на более низких частотах и повышении вероятности самовозбуждения. Исходя из этого, для предконечного каскада берём транзистор КТ920А, кроме всего прочего он обладает достаточно большим коэффициентом усиления:

При КПД цепи межкаскадной связи 0,6 – 0,7 для возбуждения предконечного каскада потребуется мощность:

Такую мощность обеспечивают ГТ612А, КТ607А-4, КТ607Б-4. Из принципов, которыми руководствовались выше, выбираем КТ607А-4.

КПД межкаскадной связи оставляем прежним 0,7.

Такую мощность может обеспечить синтезатор частот.

Подходящего под заданный диапазон частот стандартного синтезатора не нашлось, но существует близкий к нему по значению ГК-17-03-11 с рабочим диапазоном 100 – 132 МГц ([2] с.282). Необходимый нам синтезатор можно получить путём изменения опорных частот. Обобщённая схема цифрового синтезатора частот представлена на рис.1.

Рис.1. Обобщённая схема цифрового синтезатора частот

ПГ – перестраиваемый автогенератор;

ДПКД – делитель частоты с переменным коэффициентом деления;

ИФД – импульсно-фазовый дискриминатор;

НГТУ 010358505

5

Изм

Лист

№ Докум

Подп

Дата

ДЧ – делитель частоты;

ФНЧ – узкополосный фильтр нижних частот;

ЭГ - эталонный генератор;

В выходной каскад вводим модулирующее напряжение. Модулятор предназначен для обеспечения необходимой величины модулирующего напряжения при малых нелинейных искажениях [4].

Схема передатчика на рис.2.

Рис.2. Схема передатчика.

НГТУ 010358505

6

Изм

Лист

№ Докум

Подп

Дата

Расчёт электрической схемы выходного каскада.

Методика расчёта взята из [1].

Усилительный каскад строим по схеме «общий эмиттер» поскольку она обеспечивает большее усиление по мощности, чем другие способы построения.

Рис.3. Принципиальная схема усилительного каскада.

Данные для расчёта:

-- мощность, отдаваемая в антенну.

-- КПД согласующей цепи

-- мощность на выходе усилительного каскада

-- расчётная частота

Параметры активного элемента:

Транзистор КТ934В

-- выходная мощность

-- граничная частота

-- сопротивление базы

-- сопротивление эмиттера

-- ёмкость эмиттера

-- ёмкость коллектора

-- коэффициент передачи тока по схеме ОЭ

-- индуктивность вывода эмиттера

-- индуктивность вывода базы

-- индуктивность вывода коллектора

-- температура перехода

-- максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер

НГТУ 010358505

7

Изм

Лист

№ Докум

Подп

Дата

-- максимально допустимое напряжение база-эмиттер

-- тепловое сопротивление переход-корпус

-- круговая граничная частота

Приступаем к расчёту.

Поскольку требуемая мощность близка к той, которую может отдать транзистор, то выбираем стандартное для этого транзистора напряжение питания, оно составляет 28 В.

1.  Определим коэффициент использования коллекторного напряжения:

,

где - мощность, развиваемая эквивалентным генератором тока, выбирается на 25% меньше  (Уткин с.49)

 - граничная крутизна определяется по формуле.

2.  Амплитуда напряжения эквивалентного генератора:

3.  Амплитуда тока первой гармоники эквивалентного генератора:

4.  Убедимся, что пиковое напряжение на коллекторе не превышает допустимого значения:

5.  Найдём сопротивление нагрузки эквивалентного генератора:

НГТУ 010358505

8

Изм

Лист

№ Докум

Подп

Дата

6.  Определим крутизну по переходу:

7.  Сопротивление рекомбинации:

8.  Крутизну статической характеристики коллекторного тока определим так:

Определим коэффициенты A и B необходимые для нахождения коэффициента разложения для первой гармоники тока эквивалентного генератора.

9.  Коэффициент A:

10. Коэффициент B:

11. Рассчитаем коэффициент разложения:

- напряжение смещения, которое в мощных каскадах можно принимать равным нулю.

- напряжение сдвига статической характеристики для кремниевых транзисторов можно принимать равным 0,6—0,9В. Мы приняли равным 0,9В.

12. Находим пиковое обратное напряжение на эмиттере:

Мы убедились что не превышает .

\Проведённый гармонический анализ позволяет перейти к эквивалентной схеме усилителя построенного по схеме с «общим эмиттером» (рис.4) для токов и напряжений первой гармоники.

НГТУ 010358505

9

Изм

Лист

№ Докум

Подп

Дата

Рис.4. Эквивалентная схема усилителя по схеме с ОЭ. 

При этом эквивалентный генератор тока представляется генератором тока первой гармоники , а эмиттерный переход усреднённой за период колебания высокой частоты ёмкостью, которая находится по формуле:

Ф.

Далее рассчитываем комплексные амплитуды токов и напряжений на элементах эквивалентной схемы транзистора.

с

А

-- рабочая частота

-- граничная частота

А

-- ток первой гармоники эмиттера

В

-- напряжение на эмиттере

В

 В

А

НГТУ 010358505

10

Изм

Лист

№ Докум

Подп

Дата

-- активная составляющая ёмкости коллектора, она выбирается в 2 — 4 раза меньше ёмкости коллектора Ф [1].

А

В

В

А

 находим из соотношения  и Ф [1].

А, где 

Ом

 А

В

Найдём амплитуду напряжения на нагрузке Uк для схемы «общий эмиттер»:

В

Определим входное сопротивление транзистора первой гармонике тока :

Ом

Мощность возбуждения находим из соотношения:

Вт, для схемы «общий эмиттер» .

Мощность, отдаваемая в нагрузку:

Вт

Поскольку получившееся значение отличается от искомого меньше чем на 10%, то мы можем продолжить расчёт.

Постоянная составляющая коллекторного тока при :

А

НГТУ 010358505

11

Изм

Лист

№ Докум

Подп

Дата

Мощность, потребляемая от источника питания:

Вт

Коэффициент полезного действия:

Коэффициент усиления по мощности:

Мощность, рассеиваемая транзистором:

Вт

Допустимая мощность рассеяния при данной температуре корпуса 30 Вт (по справочным данным), следовательно, температурный режим транзистора находится в норме и, несмотря на то, что транзистор работает в наиболее сложном для себя режиме, установки радиатора не потребуется.

Сопротивление нагрузки на внешних выводах транзистора:

Ом

На этом расчёт выходного каскада можно завершить.

Входное сопротивление Ом.

Выходное сопротивление Ом.

Входная мощность Вт

Выходная мощность Вт

НГТУ 010358505

12

Изм

Лист

№ Докум

Подп

Дата

Расчёт согласующих цепей.

Методика расчёта взята в [2].

Выходная цепь согласования.

В качестве согласующей цепи выберем П - цепочку поскольку она обладает хорошими фильтрующими свойствами, что ни мало важно при согласовании с антенной.

Выходное сопротивление транзистора обозначим как , а сопротивление антенны , в результате мы получаем схему рис.4.

Рис.5. Согласующая П – цепь.

Сопротивление  можно представить в виде последовательного соединения активного сопротивления и конденсатора (Рис.6.).

Рис.6. Согласующая цепь для нашего случая.

Согласуем вначале активные составляющие сопротивлений  и . Поскольку нам надо будет учесть реактивную составляющую сопротивления , то необходимо перейти к параллельному эквиваленту (Рис.7.).

Рис.7. Согласующая цепь с пересчитанным сопротивлением .

См

Ом

НГТУ 010358505

13

Изм

Лист

№ Докум

Подп

Дата

Ом

Ом

-- в схему не вводим, оно необходимо только для расчёта.

Ом

Ом

Ом

Пересчитаем  с учётом влияния на него :

Ом

Параметры элементов:

Гн

Ф

Ф

Найдём КПД согласующей цепи, для этого зададимся добротностью катушки , реализовать её не составит труда:

, т.е. КПД=97.599%

Определим нагруженную добротность:

 приняли равной добротности катушки, поскольку потери в конденсаторах малы и особого влияния на добротность не имеют.

Определим коэффициент фильтрации для второй гармоники:

По заданию нам требуется, чтобы уровень побочных излучений не превышал 60 дБ (1000 раз), одна согласующая цепь не может обеспечить данный уровень фильтрации и соответственно необходимо добавление, по крайней мере, ещё одной цепи.

НГТУ 010358505

14

Изм

Лист

№ Докум

Подп

Дата

Добавим следующую цепь. Поскольку предыдущую цепь согласовали на нагрузку в 50 Ом, это и будет входное сопротивление второй согласующей цепи . На выходе оставляем сопротивление антенны Ом.

Рис.8. Вторая согласующая П – цепь.

Методика расчёта та же, что и в предыдущей цепи, но поскольку входное и выходное сопротивления не имеют мнимых частей, то пересчёта параметров не потребуется.

Ом

Ом

Ом

Ом

Найдём значения элементов:

Гн

Ф

Ф

Находим КПД согласующей цепи:

Определим нагруженную добротность:

Коэффициент фильтрации для второй гармоники:

Найдём суммарный коэффициент фильтрации:

НГТУ 010358505

15

Изм

Лист

№ Докум

Подп

Дата

Как видно и вторая цепь не обеспечила нужной нам фильтрации, поэтому мы вводим ещё одну цепь. Рассчитывать её не имеет смысла, поскольку исходные данные те же что и во второй согласующей цепи и результаты будут такими же.

Три согласующих П – цепи спокойно перекрывают заданную величину в 60 дБ, у нас получилось 65.8 дБ. В результате получили схему рис.9.

Рис.9. Выходная согласующая цепь.

Входная цепь согласования.

Для согласования применим Г – цепь.

Входное сопротивление выходного каскада обозначим как , а выходное сопротивление предвыходного каскада, как и примем его равным 50 Ом. Условие реализуемости Г- цепи: , т.е. 50 > 2.722 Ом. Схема согласующей цепи представлена на рис.10.

Рис.10. Согласующая Г – цепь.

Представим сопротивление  в виде последовательного соединения сопротивления и индуктивности.

Рис.11. Согласующая Г - цепь для нашего случая.

НГТУ 010358505

16

Изм

Лист

№ Докум

Подп

Дата

Ом

Ом

Найдём параметры элементов Г- цепи:

Гн

Ф

Учтём реактивность .

Гн

Гн

НГТУ 010358505

17

Изм

Лист

№ Докум

Подп

Дата

Расчёт катушки.

Определим параметры катушки в первой П – цепочке выходной согласующей цепи.

Мы будем рассчитывать цилиндрическую однослойную бескаркасную катушку с естественным охлаждением.

Для расчёта катушки нам понадобятся некоторые из ранее найденных параметров, такие как:

-- ток коллектора А

-- индуктивность катушки Гн

-- сопротивление катушки Ом

-- нагруженная добротность  

Определим ток идущий через катушку. Поскольку для тока коллектора наша согласующая цепь является параллельным колебательным контуром, то ток, протекающий через катушку, находим так:

А

Находим действующее значение тока катушки, для этого находим модуль от и делим на , т.е. получаем следующее:

А

Найдём диаметр провода:

м

 -- обычно принимается около .

Зададимся соотношением , где -- длина намотки катушки, а -- диаметр катушки.

Диаметр катушки примем равным 10 мм, тогда длина намотки катушки будет равна:

м

Чтобы достичь наименьшего активного сопротивления катушки, шаг намотки выбирают равным 2.5 диаметра провода:

м

Рассчитаем число витков катушки:

-- это коэффициент формы катушки и берётся из графика.

Должно выполнятся соотношение . У нас м, т.е. условие выполняется.

НГТУ 010358505

18

Изм

Лист

№ Докум

Подп

Дата

На электрическую прочность катушки, для этого нам понадобится знать напряжение на катушке В.

Напряжение между соседними витками находим так:

В

Напряжённость поля между витками должна быть меньше 500 – 700 В/мм:

В/мм, как видно условие выполняется.

Собственная ёмкость катушки:

Ф, где -- коэффициент который зависит от отношения (у нас он равен 2.25),а -- коэффициент зависящий от отношения  (у нас 2), и оба находятся из графиков.

Из-за того, что катушка бескаркасная её реальная ёмкость будет меньше примерно на 20%, т.е. равна Ф.

Чтобы катушку можно было считать элементом с сосредоточенными параметрами, необходимо чтобы длина провода катушки была меньше 0.3 длины волны на рабочей частоте.

м

мм

Длина провода:

м

Условие выполняется.

Методика расчёта взята [3].

НГТУ 010358505

19

Изм

Лист

№ Докум

Подп

Дата