Проектирование связного передатчика коммерческой связи (выходная мощность – 10 Вт, диапазон частот – 50-75 Мгц)

Введение

Радиопередающие устройства представляют сложную систему, в состав которой входят высокочастотный тракт, модулятор для управления колебаниями высокой частоты в соответствии с передаваемой информацией, источник питания, устройство управления и защиты.

Применение транзисторов в радиопередатчиках началось после появления многоэмиттерных транзисторов (1964-1965гг), позволивших получать на радиочастотах “ большие “ (десятки ватт ) мощности .

В наибольшей степени транзисторизация затронула передатчики коммерческой телефонной связи. Такие передатчики входят в состав подвижных и стационарных радиостанций, используемых наземными службами различных ведомств и отраслей народного хозяйства: связи, лесной промышленности и сельского хозяйства, службами геологической разведки, охраны общественного порядка и пожарная охрана, железнодорожного и автомобильного транспорта, металлургических комбинатов, угольных и рудных разрезов.

В отечественной практике существует две разновидности низовых радиостанций (радиостанции коммерческой связи) – коротковолновые с однополосной модуляцией и ультракоротковолновые с угловой модуляцией.

Достоинства передатчиков с угловой модуляцией – возможность получения малых нелинейных искажений и высокой помехоустойчивости .При одинаковых мощности передатчика ,необходимой для получения заданной помехоустойчивости , частотная модуляция оказывается в два раза выгоднее амплитудной, а фазовая  - в два раза частотной.

1.Выбор, обоснование технических требований и структурной схемы.

Проектирование передатчика начинается с выбора структурной схемы. При этом исходят из назначения передатчика , условий его работы и заданных параметров :

выходной мощности Рвых                                                                 10 Вт;

диапазон частот                                                  50 – 75 Мгц;

стабильности частоты                                        10

вид модуляции                                                    ФМ

Сначала необходимо определить способ получения фазовой модуляции.

Проведём предварительный расчет .

1.1. Найдем индекс фазовой модуляции, исходя из заданной девиации частоты f=100 кГц и частоты модулирующих колебании F=(300-3400)Гц.

Ф=Dwд/W ;

Ф=Dfд/FW .

F  берем как высшее значение диапазона модулирующих частот 3.4 кГц,

Ф=100/3.4=28.7.

Видно, что получить такой большой индекс фазовой модуляции, не используя умножение частоты, невозможно.

При использовании в качестве фазового модулятора управляемого фазовращателя, который представляет собой колебательный контур с нелинейной емкостью, управляемой источником модулирующих колебаний, при соответствующей настройке, можно обеспечить индекс фазовой модуляции до 60^o  при нелинейных искажениях, не превышающих 1% и практически отсутствующей амплитудной модуляцией. (1 радиан = 57^o). Следовательно, для обеспечения заданной девиации возьмем коэффициент умножения частоты – 27=3×3×3 . Будем использовать утроителя частоты. Средняя частота возбудителя 62/27=2,3МГц. Частота его должна изменяться в пределах: 1,85-2,88 МГц.

Исходя из заданной нестабильности частоты, возбудитель должен  быть   кварцевым.  Мощность возбудителя обычно не велика       10-20мВТ, а при использовании кварцевого АГ – до 5 мВт.

Общий коэффициент усиления передатчика по мощности, возьмем КПД согласующей цепи и антенны 0,75, тогда :

Рвых=15 Вт,

Кр=Рвых/Рвозб=15/0,01=1,5×10³.

Мощные ВЧ транзисторы, как правило, имеют небольшой коэффициент усиления по мощности. Если Кр=750. Кр утроителей обычно невелик = 2- 4 . Возьмем 3. Учтем что транзистор ФМ. Видно, что дополнительных каскадов для усиления не понадобится.

Для усиления модулирующего колебания необходим УНЧ. Полоса НЧ сигнала должна быть ограничена до 3.4 кГц.

Из вышесказанного , структурная схема передатчика должна выглядеть так (смотри приложение).

2.Электрический расчет принципиальной схемы.

2.1 Расчет усилителя мощности.

В оконечном и предоконечных каскадах при уровне мощности от 2..5 Вт и выше используют генераторы, которые работают с отсечкой тока, в режиме Б.

Фильтрация высших гармоник в межкаскадных и выходных цепях связи. Чаще УМ выполняются однотактными. Применение двухтактных генераторов неоправдано, поскольку при резонансной нагрузке трудно обеспечить симетрию работы плеч.

Мощность передатчика 10Вт. Коэффициент полезного действия антенны и согласующего устройства возьмем равным h=0,75.Для расчета усилителя мощности возьмем сопротивление нагрузки, равное 50 Ом. Исходя из этого получаем, что выходная мощность

Рвых=Рвых2×h=15 Вт.

Используя данные: диапазон частот fн..fв=50..75 МГц и выходную мощность, выбираем транзистор КТ909Б n-p-n структуры. Транзистор включен по схеме с ОЭ.

Параметры транзистора КТ909Б:

Uкдоп=50В;                 ft=350 МГц ;             Ск<30пФ ;

Uбэдоп=3,5В;                rнас=0,8 Ом ;           Сэ=300пФ;

Iкодоп=2А ;                  rб’=1Ом                      tСкаrб<20нС;

Iкмакдоп=4А ;              rэ=0.04 Ом ;              Lэ=0.2нГн ;

Iбодоп=1А;                   Rэу>0.5кОм;             Lб=2нГн;

tдоп,oC=120;                 E’,В=0.7                     Lк=2нГн

Rнк,оС/Вт=3.8              bо=50

Выбираем q=90^o . Коэффициенты  aо(q)=0.32, a1(q)=0.5; g1(q)=0.5; g(p-q)=0.32.

2.1.1 Расчет коллекторной цепи транзистора.

1.Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе Uк1 в граничном режиме:

  (2.1)

2.Максимальное напряжение на коллекторе Uк мак или напряжение коллекторного питания:

Ек=Uк доп-Uк1кр ,(2.2)

Ек=50-24=26 В

Напряжение питания возьмем ближайшее к Ек расчитаному, т.е. Ек=24 В.

Сделаем пересчет значений Uк1кр и Uкмак, по формулам:

   (2.3)

Uкмак=Ек+U’к1кр<Uкдоп,    (2.4)

Uкмак=24+21,52=45,52<Uкдоп=50 В

3.Найдем амплитуду первой гармоники коллекторного тока.

Iк1=2Р1/Uк1кр, (2.5)

Iк1=2×15/21.52=1,394 А

4.Определим постоянную составляющую коллекторного тока:

Iко=aо(q)/a1(q),    Iк1<Iкдоп  при q=180^о,   (2.6)

Iко=0.32/0.5*1.39=0.89<Iко доп=2 А.

5.Максимальный коллекторный ток:

Iкмак=Iко/a1(q)<Iкмак доп, при q=180^о (2.7)

Iкмак=0,89/0,32=2,79<Iкмакдоп=4 А

6.Мощность, потребляемая от источника питания:

Ро=ЕкIо , (2.8)

Ро=0.89×24=21.4 Вт .

7.КПД коллекторной цепи:

h=Р1/Ро , (2.8)  .

h=15/21.4=0.7 Вт .

8.Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

Ррасс=Ро-Р1=6.4 Вт.(2.10)

Ррасс в дальнейшем необходима для расчета радиатора.

9.Номинальное сопротивление коллекторной нагрузки:

      (2.11)

Rэк=21,5/1,394=15,4 Ом

2.1.2 Расчет входной цепи транзистора,

 включенного по схеме с ОЭ

10.Расчитываем сопротивление Rэ, которое снижает максимальное обратное напряжение на закрытом эмиттерном переходе (при возбуждении от источника с большим внутренним сопротивлением).

Rдоп=bо/(2×p×ft×Сэ) (Rэу-¥)   (2.12)

Rдоп=50/(2×p×500×10⁶×300×10^-9)=53 Ом

11.Амплитуда тока базы

      (2.13)

c=1+g1(q)×2p×f_t×Ск×Rэк       (2.14)

c=1+0,5×2×2p×500×50×53×10^-6 =4,31

12.Постаянная составляющая базового тока

Iбо=Iко/bо<Iбодоп , (2.15)

Iбо=0,89/50=17,8мА

13.Постоянная составляющая эмиттерного тока

Iэо=Iко+Iбо , (2.16)

Iэо=0,89+0,0178=0,909

14.Напряжение смещения на эмиттерном переходе

(2.17)

Еб=-3,23В

15.Находим Lвх оэ, rвх оэ, Rвх оэ, Свх оэ

Lвхоэ=2×10^-9+0,2×10^-9/4,31=2,046×10^-9     Гн

     (2.18)

r_вхоэ=0.4586 Ом.

      (2.19)

 (2.20)

16.Резистивная и реактивная составляющие входного сопротивления транзистора:

Zвх=Rвх+jXвх,

(2.21)

  (2.22)

Xвх=-0,229 Ом

17.Входная мощность

Рвх=0,5×I_б²×Rвх,

Рвх=0,5×1,49²×0,624=690 мВт

18.Коэффициент усиления по мощности:

Кр=Р1/Рвх, (2,23)

Кр=210,65 раз.

2.1.3 Расчет цепи питания и смещения.

Цепь смещения.

Можно обеспечить смещение между базовым и эмиттерным выводами транзистора, чтобы при отсутствии ВЧ возбуждения он был закрыт и постоянные составляющие токов были равны нулю