Передатчик с частотной модуляцией

Мощность выходного сигнала.

 

Чем мощнее передатчик –  тем дальше он может передать сигнал, тем легче этот сигнал будет принять. Но следует обратить внимание на чувствительность прибора. Если в описании прибора указан радиус действия 3 километра, то этот параметр указывается без учета различных помеховых сред. Поэтому мощность передатчиков чаще завышена.

Мощность выходного НЧ-сигнала  приемника.

 

Мощность сигнала, которую  отдает на выход приемник. Ее необходимо знать, чтобы правильно подобрать  усилитель мощности для дальнейшего усиления. [3]

 

2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

2.1 Состав схемы

1) Усилитель мощности

Рис.5 – Схема усилителя мощности

2) Умножитель частоты

Рис.6 – Схема умножителя частоты

 

 

 

3) Частотный модулятор

Рис.7 – Схема частотного модулятора

4) Автогенератор на биполярном  транзисторе

Рис.8 – Схема автогенератора на биполярном транзисторе

 

 

 

5) Фильтр низких частот

Рис.9 – Схема фильтра  низких частот

2.2 Принцип работы

Низкочастотный информационный сигнал поступает от источника сигнала (И) на частотный модулятор (ЧМ), к  которому также подводится высокочастотное  напряжение от автогенератора (АГ). Схемотехнически, модулятор и АГ реализуются в  одном каскаде. Далее, ЧМ-сигнал проходит через СЦ1, выполняющую роль фильтра и трансформатора сопротивления следующего каскада в оптимальное, и поступает на вход первого умножителя частоты (УЧ1). Затем, снова через ЦС (ЦС2) - на вход второго УЧ (УЧ2). После этого сигнал проходит через ЦС3 — цепь связи с усилителем мощности (УМ). В диапазоне высоких частот обычно используют транзисторный усилитель мощности по схеме с общим эмиттером, т.к. это обеспечивает наилучшую устойчивость работы. В УМ колебание усиливается и через ЦС4 подается на ФНЧ. Главная задача фильтра нижних частот (ФНЧ) – ослабление излучения высших гармоник до допустимого уровня и согласование с антенной, при этом фильтр должен обеспечивать минимальный уровень искажений в полосе пропускания (в рабочем диапазоне частот передатчика). С ФНЧ сигнал поступает в антенну (А), через которую излучается в пространство.

 

3 РАСЧЕТ СХЕМЫ ЧМ-ПЕРЕДАТЧИКА

3.1 Расчет усилителя мощности

КПД цепи связи УМ с антенной приблизительно равен  . Тогда, для развития мощности в антенне , на выходе усилителя должно развиваться:

Допустимая мощность, рассеиваемая коллектором транзистора для  этого каскада, должна быть (с учетом, что КПД каскада  )

Граничная частота транзистора

, где 

В качестве активного элемента в усилителе мощности будет использоваться биполярный транзистор КТ962В, предназначенный  для применения в усилителях мощности, умножителях частоты и автогенераторах  на частотах 400...1000 МГц, т.к. он обеспечивает требуемую выходную мощность и может  работать на требуемой частоте. Параметры  транзистора: f_гр =1000 МГц, С_э =110 пФ, С_к =50 пФ, максимальное постоянное напряжение коллектор-эмиттер – 50 В, максимальная рассеиваемая мощность коллектора – 66 Вт, диапазон рабочих температур -60…+100 ˚С.

Расчет режима работы и  энергетический расчет

1. Выбираем амплитуду  импульсов коллекторного тока  i_{k max} из условия: i_{k max} ≤ (0.8 … 0.9) ∙ i_{k доп}, где i_{k доп} – допустимая амплитуда импульсов коллекторного тока (справ.); i_{k max} = 0.8 ∙ 4 = 3,2 А.

2. Выбираем напряжение  источника питания из условия:

Е_к ≤ U_{к доп} /2,

где U_{к доп} – допустимая амплитуда напряжения на коллекторе (справ.);

Е_к ≤ 50 / 2 = 25,           выбираем   Е_к = 20 В.

3. Найдем амплитуду импульсов  первой гармоники коллекторного  напряжения

4. Максимальное значение  коллекторного напряжения:

(условие выполняется),

где α₁(θ)=0,52 – коэффициент Берга, θ = 100˚.

5. Амплитуда первой гармоники  тока:

6. Рассчитаем постоянный  ток, потребляемый коллекторной  цепью транзистора:

где α₀(θ)=0,35 – коэффициент Берга, θ = 100˚.

7. Найдем мощность первой  гармоники:

P_k1 = I_k1 ∙ U_k1 / 2 = 3,22 ∙ 19,38 / 2 = 31,2 Вт.

8. Определим мощность, потребляемую  от источника питания:

P_k0 = I_k0 ∙ E_к = 2,17 ∙ 20 = 43,4 Вт.

9. Рассчитаем мощность, рассеиваемую  на активном элементе:

P_рас = P_k0 – P_k1 = 43,4 – 31,2 = 12,2 Вт.

10. Найдем к.п.д. усилителя:

η = P_k1 / P_k0 = 31,2 / 43,4 = 0.72,  т.е 72%.

11. Рассчитаем выходное  сопротивление транзистора:

R_k = U_k1 / I_k1 = 19,38 / 3,22= 6 Ом.

12. Постоянная составляющая  базового тока:

13. Определим безразмерные  коэффициенты:

14. Амплитуда тока базы:

15. Рассчитаем сопротивление  коррекции в цепи базы:

16. Максимальное значение  напряжения база-эмиттер:

(выполняется)

17. Напряжение смещения  база-эмиттер:

18. Делитель напряжения, задающий  смещение базы на резисторах R1, R2 рассчитывается из соотношения:

Обычно сопротивление  автосмещения задают намного больше, чем входное сопротивление транзистора. Пусть R_асм=200Ом, тогда R₁=716Ом, а R₂=277Ом

19. Найдем входное сопротивление  транзистора:

где L_э=1,43нГн– индуктивность эмиттерного вывода транзистора (справ.).

20. Рассчитаем входную  мощность, требуемую для обеспечения  заданной выходной мощности:

21. Найдем коэффициент  передачи по мощности усилителя:

K_p = P_К1/ P_вх = 31,25 / 2,23 = 14

22. Рассчитаем 

3.2 Расчет умножителя частоты (УЧ₂)

Второй умножитель частоты (УЧ₂) проектируется на коэффициенте умножения равный двум. Следовательно, оптимальный угол отсечки коллекторного тока равен:

Исходя из этого коэффициенты Берга равны:

Мощность второй гармоники  тока на выходе с учетом КПД цепи согласования равна:

Метод расчета умножителя частоты совпадает с методом  расчета усилителя мощности, который  приведен выше.

Транзистор для данного  умножителя частоты выберем –  КТ919Б, который предназначен для  применения в усилителях мощности, умножителях частоты и автогенераторах. Его основные параметры приведены в табл. 1.

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1. Параметры транзистора КТ919Б.

Расчет режима работы и  энергетический расчет

1. i_{k max} = 0.8 ∙ 0,7 = 0,56 А.

2. Е_к ≤ 45 / 2 = 22,5,           выбираем   Е_к = 20 В.

3.

4. (условие выполняется),

5.

6.

7. P_k0 = I_k0 ∙ E_к = 0,21 ∙ 20 = 4,2 Вт.

9. P_рас = P_k0 – P_k2 = 4,2 – 2,48 = 1,72 Вт.

10. η = P_k2 / P_k0 = 2,48 / 4,2 = 0.59,  т.е 59%.

11. R_k = U_k2 / I_k2 = 18,9 / 0,26= 72,7 Ом.

12.

13.

14.

15.

16. (выполняется)

17.

18.

19.             20.

21. K_p = P_К2/ P_вх = 2,48 / 0,07=35

22.     

3.3 Расчет умножителя частоты  (УЧ1)

Первый умножитель частоты (УЧ₁) проектируется на коэффициенте умножения равный трем. Следовательно, оптимальный угол отсечки коллекторного тока равен:

Исходя из этого коэффициенты Берга равны:

Мощность третей гармоники  тока на выходе с учетом КПД цепи согласования равна:

Причем рабочая частота  первого умножителя будет определяться:

Метод расчета умножителя частоты совпадает с методом  расчета усилителя мощности и  умножителя частоты (УЧ₂), который приведены выше.

Транзистор для данного  умножителя частоты выберем –  КТ399А, который предназначен для  работы во входных и последующих  каскадах усилителей высокой и сверхвысокой частоты. Его основные параметры  приведены в табл. 3.

 

 

Таблица 3. Параметры транзистора  КТ399.

Расчет режима работы и  энергетический расчет

1. i_{k max} = 0.8 ∙ 0,040 = 0,032 А.

2. Е_к ≤ 15 / 2 = 7,5,           выбираем   Е_к = 7 В.

3.

4. (условие выполняется),

5.

6.

7. P_k0 = I_k0 ∙ E_к = 0,017 ∙ 7 = 0,119 Вт.

8. P_рас = P_k0 – P_k2 = 0,119 – 0,074 = 0,45 Вт.

9. η = P_k2 / P_k0 = 0,074 / 0,119 = 0.62,  т.е 62%.

10. R_k = U_k3 / I_k3 = 6,9 / 0,021= 329 Ом.

11.

12.

13.

 14.

15.

 16.

 17. 

18.

19.

20. K_p = P_К3/ P_вх = 0,074/ 0,0043=17,2

21.     

3.4 Расчет частотного модулятора

Схема частотного модулятор включает в себя автогенератор, который выполнен на биполярном транзисторе по схеме Клаппа. Варикап связан а автогенератором с помощью емкости Ссв. Постоянное смещение на варикап поступает от источника питания Епит через делитель R1R2, модулирующее напряжение – через разделительную емкость Ср1.

Расчет схемы частотного модулятора целесообразно проводить  в такой последовательности. Прежде всего нужно рассчитать схему автогенератора, далее выбрать варикап и рассчитать его режим. На заключительном этапе оценивается емкость связи варикапа с резонатором и рассчитывается делитель напряжения R1R2.

3.4.1 Расчет  задающего автогенератора

Мощность автогенератора с учетом КПД цепи согласования равна:

Причем рабочая частота  автогенератора будет определяться:

Выбираем транзистор малой  мощности КТ324 с граничной частотой  f_t = 800 МГц. Его паспортные данные: С_К = 2,5 пФ; С_Э = 2.5 пФ; τ_ос = 180 пс; u_oтс =0,8 В; u_{к доп} = 10 В; i_{к доп} = 20 мА; u_{б доп} = 4 В; Р_доп= 15 мВт; S_гр = 10 мА/В. Активная часть коллекторной емкости С_ка = С_к/2 = 1.25 пФ   и сопротивление потерь в базе   r_б = τ_OС/С_ка = 156 Ом.

Расчет электрического режима.

Выбираем i_{к max} = 0,8·i_{k доп} = 16 мА; U_K0 = 0,4·u_{к доп} = 4,5 В; К_ос = 1; Θ = 60°, тогда α₀ = 0,218; α₁ = 0,391; γ₀ = 0,109;   cosΘ = 0,5.

Рассчитаем основные параметры  генератора:

2. мА;
3. мА;
4. B;
5. B;
6. Ом;
7. мВт;
8. мВт;
9. ;
10. ;
11. В;
12. B;
13. ;
14. ;
15. .

Расчет  резонатора

На частоте 210 МГц оптимальным  значением индуктивности контура  L=2.5 нГн с добротностью Q_L=125. Вычисляем параметры элементов резонаторы: