Расчет и конструирование радиопередатчика

В этом случае имеет место относительный диапазон перестройки частоты, который не превышает df/f = 10-3. В нашем случае имеем df/f = 3.5/80000 4*10-5 – ОК! Тот самый случай, который и рассмотрим ниже более детально!Косвенный метод использует преобразование ФМ в ЧМ, как показано на рисунке 15.Рис. 15. Косвенный метод ЧМ. Здесь понадобится рассматривать фазовый модулятор, что в планы данной работы не водит. Два последних метода ЧМ в данной работе рассматривать не будем, как редко применяемые. Некоторые варианты частотных модуляторов на кварцевых генераторах приведены на рисунках 16, 17.Рис. 16. Воздействие входного модулирующего сигнала непосредственно на варикап и кварц.Рис. 17. Схема с разделением варикапа и кварца дросселем L1Рекомендованная схема кварцевого генератора, рассмотренного выше, приведена еще раз для памяти на рисунке 18 и в этом разделе. Рис. 18. Рекомендованный КГ, рассмотренный выше. Не меняя рекомендованную структуру кварцевого автогенератора, будем вводить модулирующий сигнал на базу генерирующего транзистора, параллельно с цепью смещения R1, R2, Lб.Проектирование частотного модулятора [1]:Принимаем прямой метод формирования ЧМ – сигнала, но без петли АПЧ, так как опорный генератор, рассмотренный выше, имеет кварцевую стабилизацию. Такой метод вполне приемлем при малых значениях относительно перестройки частоты на уровне df/f4*10-4, что имеет место в данном случае.В качестве управляющего элемента используем варикап, изменяющий свою емкость под действием приложенного напряжения. Принимаем следующую зависимость емкости варикапа от управляющего напряжения:Здесь: Свн – номинальная емкость варикапа; - нормированное мгновенное напряжение на варикапе;Евн – постоянное внешнее напряжение смещения на варикапе;к = 0.7 вольта – контактная разность потенциалов, запирающая управляемый переход варикапа; = (0.5 – 2) – показатель степени, характеризующий управляющие свойства варикапа. Основные параметры варикапов, показанных в таблице ниже, следующие:Максимальная емкость Свmax;Минимальная емкость Свmin;Максимальное обратное напряжение;Добротность Qв = 2fвСвrв. На рабочей частоте добротность Qвн =Qвfв/fМаксимальная девиация частоты, получаемая с помощью варикапов – 10-2, что намного, на полтора порядка превышает эту величину для рассматриваемой здесь задачи – 4*10-4. То есть, влияние варикапа на частоту автогенератора в данной задаче намного меньше, чем в стандартных решениях, что облегчает решение, и повышает стабильность частоты за счет снижения внешнего влияния. Напряжение на варикапе есть сумма смещения, модулирующего и высокочастотного:Существует бесчисленное множество схем подключения варикапа к контуру автогенератора. Мы будем подключать варикап параллельно конденсатору С2 на схеме рекомендованного КГ, показанного выше на рисунке ???. Обобщенная эквивалентная схема колебательного контура, включающего и варикап, приведена на рисунке 19.Рис. 19. Обобщенная эквивалентная схема подключения варикапа к автогенератору. Здесь Скб, кэ, эб – межэлектродные емкости транзистора.Коэффициент управления емкостью контура:Здесь: Рв – коэффициент включения варикапа;Рс – коэффициент схемы. Емкость делителя с подключенным варикапом:Емкость контура без модуляции:Именно такая схема рекомендуется при малых расстройках несущей частоты [???], когда Ру <<(0.05 – 0.1), как в нашем случае. Расчет возбудителя при частотной модуляции:Исходные данные:Частота передатчика – 80 МГц;Частота автогенератора – 8.88 МГц;Девиация частоты – 3500 Гц;Полоса частот модуляции: (300 – 3300) Гц;Нестабильность частоты 10-5.Выбираем тип варикапа - КВ109ГОпределяем основные параметры варикапа:Емкость – (8 – 17) пФ;Добротность – 160;Задаемся полным постоянным напряжением на варикапе Евн = 4 в;Выбираем рабочую точку, используя типовую вольт – фарадную характеристику варикапа, аналог которой приведен на рисунке 20.Свх = 0.5*(8 +17) = 22.5 пФВычисляем квазипиковую амплитуду модулирующего напряжения:Здесь: k = (0.01-0.02) – допустимый коэффициент гармоник;Хmax – относительная квазипиковая амплитуда. f/f = 3500/8.88*106 = 4*10-4fN = f/N, где N – коэффициент умножения.Показатель степени примем на минимальном значении = 0.5.Тогда: Xmax = ((7-2*0.5)/3)*(4*0.02 4*10-4) 0.16.Umax = 0.16*4.7 = 0.752 ВРис. 20. Аналог управляющей характеристики выбранного варикапа. Значение =0.5, Eвн 0.2 eобрmax.Рассчитываем коэффициент управления:Py = 2*3.5/(0.5*0.16) = 0.3Находим значения емкостей Cк (2 – 5) (здесь емкость – в пФ, длина волны - в метрах):Ck = 3.5*3.75 = 13.125Принимаем Рс = 0.12Принимаем CкСкн = 13.1 пФОпределяем коэффициент включения:Pв = sqrt(0.3*13.1/22.5)/0.12 = 0.45Принимаем значение емкости связи:Ссв= 0.45*22.5/(1-0.45) = 18.4 пФЕмкость делителя:СDв= 13.1*(1 – 0.12)/0.12 = 96 пФДопустимое значение амплитуды ВЧ напряжения на варикапе:Uf = 4 – 0.752 = 3.248 ВГде: Umax – максимальная амплитуда модулирующего напряжения.Напряжение на выходе автогенератора равно напряжению на делителе. Принимаем:Uкб= 3.248/0.45 = 7.27 В Определяем сопротивление нагрузки транзистора:Задаем величину нагруженной добротности, и вычисляем коэффициент включения транзистора Ртр и волновое сопротивление :Pтр= 13.1/96 = 0.14 = 1/(2*3.14*8.8*106*13.1*10-12) = 106*0.0013 = 1300 Ом Выбираем значение нагруженной добротности:Qнагр = 0.45*100 = 45Здесь: Qхх = (75 – 150) – собственная добротность контура, которая включением варикапа уменьшается до величины:Добротность варикапа на несущей частоте и с учетом девиации практически совпадают, в силу весьма малой величины последней, то есть QвнQвf.Находим мощность, развиваемая автогенератором на нагрузке:P1 = 0.5*7.252/(0.14*0.14*1300*45) = 0.022! = 22 мВт.СТРУКТУРНАЯ СХЕМА КВ ЧМ РАДИОПЕРЕДАТЧИКАРезультаты, полученные в ходе выполнения курсовой работы, позволяют приступить к составлению структурной схемы заданного радиопередатчика, которая представлена в Приложении 1. Модулятор М, на который приходит звуковой сигнал от внешнего источника, включает в себя варикап с цепями питания и согласования, который подключается к кварцевому генератору КГ для осуществления частотной модуляции несущей частоты. Кварцевый генератор КГ создает опорную частоты, подлежащую частотной модуляции, умножению до требуемой величины, усиления и излучению в пространство к получателю информации. Для повышения стабильности частота генерации выбрана в пределах ниже 10 МГц, что требует последующего частотного преобразования для получения заданного значения несущей частоты. Достижение необходимой частоты производится путем последовательного умножения частоты КГ на 3 в двух умножителя, дающих на выходе заданное значение 80 МГц, требуемое по заданию. Полученная таким образом несущая частота, промодулированная входным звуковым сигналом, подается на предварительный усилитель ПУ, а затем на выходной усилитель ВУ, обеспечивающий заданное значение мощности в антенне. Подавление паразитных гармоник излучаемого сигнала производится нагрузочной системой НС, представляющей собой пассивный резонансный контур, который пропускает в антенну лишь заданную несущую частоту с определенной полосой девиации. Все каскады радиопередатчика питаются от одного источника питания ИП, создающего постоянное напряжение величиной 12.6 вольта. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА КВ ЧМ РАДИОПЕРЕДАТЧИКАВ Приложении 2 приведена принципиальная схема разработанного передатчика. Речевой сигнал поступает на устройство через конденсатор C1, на варикап D1 через фильтр C1, C2, R1, R2, который одновременно с резистором R3 образует делитель напряжения питания, определяющий необходимое смещение на варикапе и на базе транзистора Q1. Кварцевый резонатор X1 определяет частоту 8.88 МГц колебаний кварцевого автогенератора (КГ). Дроссель L2 служит для развязки выхода генератора и питающей цепи. Конденсатор C3 уменьшает связь отдельных каскадов друг с другом по питанию. На транзисторах Q2, Q3 собраны два аналогичных, включенных последовательно, умножителя частоты, которые вместе умножают частоту КГ в 9 раз, и доводят ее до требуемой величины 80 МГц. Каждый умножитель представляет собой амплитудный ограничитель, расширяющий спектр проходящего модулированного сигнала, и резонансную нагрузку, выделяющую необходимую гармонику. На транзисторе Q4 собран предварительный широкополосный усилитель, нагруженный по коллекторной цепи на первичную обмотку L13 разделительного трансформатора – фазовращателя, управляющего работой выходного каскада передатчика.Двухтактный выходной каскад содержит два активных элемента Q5, Q6 которые по очереди управляются противофазными сигналами с двух выходных обмоток L14, L15 разделительного трансформатора. В результате, выходные сигналы плеч Q5, Q6 складываются на обмотке выходного трансформатора X2 и через резонансную нагрузочную систему L19 – (C21 – C25) поступает в антенну. Все каскады питаются от одного источника 12.6 вольт через разрязывающие дроссели L2, L4, L7, L12, L18. Спецификация элементов к схеме приведена в Приложении 3. ЗАКЛЮЧЕНИЕВ выполненной квалификационной работе рассмотрена классическая структура коротковолнового радиопередатчика с частотной модуляции, осуществляемой прямым методом воздействия на стабилизированный генератор. В работе рассмотрены все каскады, входящие в состав заданного устройства. Сделаны численные оценки основных параметров каскадов, что развило навыки вычислительной работы и сопоставление получаемых результатов с общефизическим представлением. В итоге –получены знания, которые могут лечь в основу выпускной квалификационной работы, и будут востребованы в будущей профессиональной деятельности. В хоре выполнения работы автором были предприняты следующие действия для решения поставленной проблемы:выполнен анализ структурной схемы устройства;выполнен расчет режимов работы каскадов передатчика с пониманием физики происходящих процессов;сделаны оценки конструкционного решения одного из элементов устройства;обоснован выбор схемы оконечного каскада;разработана схемотехника, составлен проект спецификации элементов. Выполненное комплексное исследование кроме решения учебных задач закладывает фундамент базовых для будущей профессиональной деятельности. ЛИТЕРАТУРАБордус А. Д.Учебно-исследовательская работа студентов : учебно-методическое пособие для студентов направления подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (уровень бакалавриата), профиль «Системы радиосвязи и радиодоступа», обучающихся с применением дистанционных образовательных технологий /Томск : ФДО, ТУСУР, 2018. – 165 с. ОС ТУСУР 01-2013 (СТО 02069326.1.01-2013) Работы студенческие по направлениям подготовки и специальностям технического профиля Образовательный стандарт ВУЗ'а/ Томск, 2013Шахгильдян В.В., Козырев В.Б. и др. Радиопередающие устройства. Учебник для вузов. Под ред. В.В. Шахгильдяна. - М.: Радио и связь, 2003. Проектирование телевизионных передатчиков/ Методические Указания СПбГУТ:. СПб, 2003 Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. М.: Связь 1977Кочержевский Г.Н. и др. Антенно – фидерные устройства. М.: Радио и Связь. 1989 г. Шумилин М.С. Радиопередающие устройства. М.: Высшая школа. 1981 г. Шахгильдян В.В., Шумилин М.С., Козырев В.Б. и др. Проектирование радиопередатчиков. Учебное пособие для вузов / - М.: Радио и связь, 2000.ШумилинМ.С., Козырев В.Б., Власов В.А. Проектированиетранзисторных каскадов передатчиков. Уч. Пособие для техникумов. М. Радио и связь. 1987.- 320 с.Дегтярь Г. А. Устройства генерирования и формирования сигналов : учебник / Г. А. Дегтярь. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2005. – Ч. 1. – 480 с. Бордус А. Д. Устройства генерирования и формирования сигналов : учеб. пособие / А. Д. Бордус. – Томск : ФДО, ТУСУР, 2018. – 261 с. Карякин В. Л. Устройства генерирования и формирования сигналов в системах подвижной радиосвязи : учебник для вузов / В. Л. Карякин. – М. : Радио и связь, 2007. – 336 с.ПетуховВ.М. Полевые и высокочастотные биполярные транзисторы средней и большой мощности и их зарубежные аналоги – Справочник Т.3Петухов В.М.Биполярные транзисторы средней и большой мощности сверхвысокочастотные и их зарубежные аналоги – Справочник Т.4 – М: КубК-а 1996 г. Конденсаторы: справочник под ред. И.И. Четверткова и М.Н. Дьяконова. М: "Радио и связь" 1993 г.Резисторы: справочник под ред. И.И. Четверткова. М: "Радио и связь"