Расчет модулятора

К курсовой работе по дисциплине

«Устройства генерирования и формирования сигналов»

На тему «Проектирование радиопередающего устройства УКВ диапазона»

Автор работы Вайцекаускас М.Э.

Обозначение работы: КР-210402-416-16-09

Специальность «Средства связи с подвижными объектами»

Руководитель работы ____________________Ельцов А.К.

Проект защищён с оценкой __________________

Омск 2009

ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет»

Кафедра ______Средства связи и информационная безопасность_______________________

Специальность Средства связи с подвижными объектами________________

на курсовое проектирование

по дисциплине Устройства генерирования и формирования сигналов

Студент Вайцекаускас Максим Эдуардович группа РП-416

_{(Ф.И.О. полностью)}

1. Тема проекта Проектирование радиопередающего устройства УКВ диапазона

2. Срок сдачи студентом законченного проекта____________________________________

3. Исходные данные Мощность - 5 Вт; рабочая частота – 118 - 136 МГц; система модуляции – АМ; сопротивление нагрузки – 50 Ом; напряжение питания – 27В _________

4. Содержание проекта (работы): _________________________________________________

4.1. Разделы пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов)_______

Введение; Анализ состояния вопроса; Составление и расчет структурной схемы; Расчет опорного генератора; Расчет усилителя мощности; Расчет цепи согласования; Расчет модулирующего каскада; Краткая рекомендация по конструкции; Заключение; Литература

_____________________________________________________________________________

4.2. Перечень графического материала (с указанием обязательных чертежей)___________

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

5. Основная рекомендуемая литература_ 1) Устройства генерирования формирования сигналов: Методические указания к курсовому проектированию / Ельцов А.К. – Омск: Издательство ОмГТУ. – 2009;

2) Проектирование радиопередатчиков: Учебн. пособие для вузов / Под редакцией В.В. Шахгильдяна. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 2000;

3) Радиопередающие устройства: Учебник для вузов/ Под ред. В. В. Шахгильдяна. – М.: Радио и связь. _ ________________________________________________________________

6. Дата выдачи задания_________________________________________________________

Руководитель__________________________________________________________________

_{(подпись, дата)}

Студент______________________________________________________________________

_{(подпись, дата)}

Содержание

Введение ………..………………………………………………….……….……. 5

1. Анализ состояния вопроса…………………………………………………….6

2. Составление и расчет структурной схемы ………………….…...…….…… 8

3. Расчет опорного генератора …………………….…………….……….……. 9

4. Расчет усилителя мощности…………………………………………………13

5. Расчет цепи согласования……………………………………………………19

6. Расчет модулирующего каскада…………………………………………….21

7. Краткая рекомендация по конструкции…...………………………………..25

Заключение ……………………………………………………………..………..26

Литература…………………………………………………………….…………27

Введение

В настоящее время практически любая система связи содержит в себе радиопередающее устройство (РПДУ), задача которого – передача информационного сообщения электромагнитными волнами. В частности, с помощью данного устройства осуществляется односторонняя или двухсторонняя связь абонентов, что просто необходимо для обеспечения безопасности всех видов транспорта, обеспечения высокого уровня обороноспособности страны.

На сегодняшний день передатчики имеют монопольную значимость для связи воздушного транспорта с наземными диспетчерами. Именно благодаря возможности ведения дальней и ближней связи с гражданской авиацией обеспечивается безопасность и сохранение порядка движения на воздушных трассах и в зонах аэродрома.

Связь по каналам авиационной воздушной сети осуществляется с помощью КВ и УКВ радиостанций, которые работают в телефонном режиме А3. Преимуществом данной речевой связи является непосредственное, без промежуточных преобразований, общение диспетчера и пилота. Но, несмотря на широкое распространение, она имеет и недостатки: недостаточная разборчивость речи, малая информативность, малая пропускная способность канала, отсутствие автоматической регистрации сообщений. Для увеличения пропускной способности радиоканала переходят на дециметровый диапазон 220…400 МГц, используют передачу дискретной информации и широкополосные системы. Несмотря на преимущества частотной модуляции, в системах радиосвязи авиации используется амплитудная модуляция. Это объясняется тем, что для тех отношений сигнал/шум, при которых работают системы связи по линии «Земля – Борт», ЧМ, по сравнению с АМ, особых преимуществ не имеет.

Процесс оперативных переговоров по линии «Земля – Борт» ведется на одной частоте для всех воздушных судов зоны, в результате чего большинство опытных пилотов слушают переговоры диспетчера с другими воздушными судами и, благодаря этому, «мысленно» представляют картину движения судов в зоне.

На дальних трассах (протяженностью более 5000 км.) для связи с экипажами применяют радиостанции КВ диапазона, например, такие бортовые радиостанции как: «Микрон» и «Ядро». Для ближних связей используют УКВ средства связи, например, такие бортовые радиостанции как: «Ландыш – 20», «Баклан», Р-802Г, а также «Полет-2» и «Полет-2М» (описание приведено в приложении).

В данном курсовом проекте спроектирован передатчик УКВ диапазона с амплитудной модуляцией.

1 Анализ состояния вопроса

Рассмотрим ближайшие прототипы проектируемого передатчика. Прототипы выберем исходя из соображений схожести их технических характеристик с требуемыми параметрами проектируемого передатчика. При первом рассмотрении требуемых параметров, а именно: диапазон частот 118-136МГц, питающее напряжение 24В, можно сделать вывод, что рассчитываемый передатчик будет входить в состав бортовой радиостанции воздушных судов для ведения ближней связи между экипажем воздушного судна и диспетчером. Наиболее близкими к требуемому передатчику являются радиостанции УКВ диапазона «Баклан» и «Ландыш». Кратко ознакомимся с каждой из них.

Радиостанция «Баклан»

Данная УКВ радиостанция разработана для ведения симплексной радиосвязи экипажами воздушных судов между собой и с диспетчерами службы УВД. Радиостанция выпускается в двух вариантах: с выходной мощностью 5 Вт («Баклан-5») и 16 Вт («Баклан»). Особенностью является наличие синтезатора дискретной сетки, построенного по принципу анализа с использованием делителя с переменным коэффициентом деления и системы ФАПЧ по опорному генератору с одним кварцевым резонатором. Передача осуществляется АМ в режиме А3. Остальные параметры передатчика представлены в таблице 1.

Передающий тракт выполнен по схеме широкополосного усилителя. Передатчик состоит из четырех каскадов усиления, в трех последних применена амплитудная коллекторная модуляция. Согласование входных и выходных сопротивлений транзисторов в каскадах передатчика производится с помощью широкополосных реактивных четырехполюсников – трансформаторов сопротивлений. Получение АМ осуществляется при помощи управляемых транзисторов. Управляя проводимостью этих транзисторов с помощью напряжения звуковой частоты, удается изменять выходное коллекторное напряжение по закону звуковой модулирующей частоты.

Радиостанция «Ландыш»

УКВ приемопередающая радиостанция «Ландыш» предназначена для ведения двухсторонней радиосвязи по линии «земля – борт». Радиостанция выпускается в двух вариантах: с выходной мощностью передатчика 5 Вт («Ландыш-5») и с выходной мощностью 20Вт («Ландыш»). Параметры передатчика представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Сводная таблица параметров

Наименование	Единица измерения	«Баклан – 5»	«Ландыш – 5»	Проектируемый передатчик
Диапазон частот	МГц	118…135, 975	118…135, 975	118…135, 975
Относительная нестабильность частоты	-
Разнос частот между соседними каналами	КГц
Выходная мощность передатчика	Вт
Коэффициент глубины модуляции	%	85…100	70…100	85…100
Напряжение самопрослушивания	В	3, 5…8, 5	3, 4…8, 5
Коэффициент нелинейных искажений	%	10	10
Мощность паразитных излучений	мкВт	25	25
Мощность, потребляемая от бортсети	Вт
Диапазон рабочих температур	º С	-54+55	-40+50
Масса ПДУ	кг.	0, 55	0, 58

При передаче используется АМ в режиме А3. Дискретная сетка частот образуется по принципу прямого синтеза частот без применения системы автоподстройки частоты. Формирование частоты происходит при наборе на пульте дистанционного управления определенной комбинации из управляющих проводов. При каждой новой комбинации происходит перестройка необходимых кварцевых резонаторов, смесителя гетеродина и УВЧ гетеродина. УВЧ передатчика состоит из 3 широкополосных каскадов усиления с равными коэффициентами усиления. Амплитудная модуляция осуществляется в предоконечном усилителе мощности и выходном каскаде передатчика.

Вывод: В качестве прототипа остановимся на передающей части радиостанции «Баклан», т.к. она имеет ряд преимуществ по сравнению с радиостанцией «Ландыш», а именно: меньшая мощность потребления от бортсети, т.к. выполнена полностью на полупроводниковых приборах; меньшую нестабильность частоты; больший средний коэффициент модуляции, а значит и более лучший КПД. Также стоит отметить, что «Баклан» выполнен на более современной элементной базе, а точнее на полупроводниковой технике с использованием интегральных схем (автоматическая регулировка глубины модуляции) и цифровой логики (высокочастотный делитель и ДКПД). Переход на современную элементную базу позволит уменьшит массу и габариты основных узлов передатчика, снизить энергопотребление и, соответственно, повысить КПД.

2 Составление и расчет структурной схемы

Основным вопросом при составлении структурной схемы передатчика является вопрос выбора оптимального количества каскадов между задающим генератором и оконечным усилителем мощности. Следует также принять во внимание, что обеспечение относительно высокой стабильности кварцевых резонаторов (порядка ) требует, чтобы частоты, генерируемые в кварце, составляли не более 10…15МГц. Следовательно, в нашей структурной схеме обязательным каскадом является каскад умножения частоты. Отметим, что при проектировании умножителя частоты ограничиваются коэффициентом умножения два - три, т.к. при увеличении коэффициента умножения ухудшаются его энергетические показатели. Применительно к проектируемому передатчику, имеющему верхнюю частоту рабочего диапазона, равную 136МГц, можно рассчитать необходимый коэффициент умножения частоты. Частота кварцевого резонатора в составе опорного генератора радиостанций «Баклан» и «Баклан-5» составляет 6, 4МГц, следовательно, коэффициент умножения по частоте составит . Мощность задающих генераторов не должна превышать 20…50мВт, а требуемая мощность в нагрузке составляет 5 Вт, следовательно, общий коэффициент умножения по мощности каскадов передатчика должен быть равен .

Данный коэффициент умножения по мощности реализуется в буферном усилителе непосредственно после каскада задающего генератора и оконечном усилителе мощности. Так как по техническому заданию требуется выполнить коллекторную модуляцию, осуществим ее в оконечном усилителе мощности. Естественно, необходимыми каскадами передатчика будут модулятор, назначение которого состоит в формировании модулирующего колебания в соответствии с передаваемым сигналом, и источника питания, питающего все каскады передатчика стабильным напряжением. Таким образом, построенная структурная схема примет следующий вид (рисунок 1).

Рисунок 1 - Обобщенная структурная схема передатчика.

В схеме на рисунке 1 приняты следующие сокращения:

ЗГ – задающий генератор; БУ – буферный усилитель; УЧ – умножитель частоты; УМ – усилитель мощности; ИП – источник питания; М – модулятор.

В данной структурной схеме не отражены цепи согласования каскадов между собой, но наличие их, разумеется, обязательное. Они обеспечивают согласование каскада с нагрузкой, будь то антенна или другой каскад. Их расчет будет относиться к тому или иному каскаду, согласование между которыми будет обеспечивать данная цепь согласования (ЦС).

3 Расчет опорного генератора

В качестве опорного генератора возьмем типовую схему кварцевого автогенератора изображенную на рис.2.

Рисунок 2 - Типовая схема кварцевого автогенератора.

Это осцилляторная схема, построенная по схеме емкостной трехточки, в которой кварцевый резонатор включен между коллектором и базой транзистора. Эта схема выделяется из осцилляторных схем следующими преимуществами:

1) Схема имеет меньшую склонность к паразитной генерации на частотах выше рабочей;

2) Схема может быть построена без катушек индуктивности, что особенно важно при микросхемном исполнении;

3) Частоту автогенератора можно менять в достаточно широком диапазоне путем смены только кварцевого резонатора.

Выбор транзистора произведем исходя из условия

и из оптимальных значений:

; .

Этим условиям удовлетворяет транзистор КТ373Б со следующими параметрами:

, , ,

, , ,

, .

Выберем кварцевый резонатор РК415-6БП-6400К со следующими параметрами:

Частота, кГц 6400

Гармонический обертон основная частота

Точность настройки при Т=25±5°С, (1*10-6), ppm ±15

Интервал рабочих температур, °С -40..+70

Уход частоты в интервале рабочих температур, (1*10-6), ppm ±30; ±10

Динамическое сопротивление, Ом 60

Емкость нагрузки, пФ 18

Старение за год, (1*10-6), ppm ±3

3.1 Расчет по постоянному току

1) Зададим: , , ,

откуда , . Мощность рассеяния

2) Определяем ток базы .

3) Задаем ток делителя ,

откуда определяем .

4) Определяем ,

откуда находим

, мощность рассеяния 9, 1мВт , мощность рассеяния 13мВт

3.2 Расчет по переменному току

1) Управляющее сопротивление

, - реактивные сопротивления соответствующих емкостных элементов колебательной системы.

2) Определим крутизну транзистора

.

3)Задаем коэффициент коэффициент разложения первой гармоники косинусоидального импульса и коэффициент обратной связи

4) находим реактивное сопротивление по формуле

,

,

.

5) Емкость блокировочного конденсатора определим из условия:

.

6) Дроссель рассчитываем по формуле:

.

7) Дроссель необходим, если не выполняется условие:

.

Т.к. это условие выполняется (), то не нужен.

8) Емкость С4 рассчитаем из условия:

, примем , равное 500Ом;

.

3.3 Энергетический расчет автогенератора

1) Возьмем угол отсечки , тогда , ;

2) Вычислим амплитуду импульса коллекторного тока:

.

3) Определим амплитуду первой гармоники коллекторного тока:

.

4) Рассчитаем амплитуду напряжения на базе:

.

5) Вычислим модуль коэффициента обратной связи:

.

6) Находим амплитуду напряжения на коллекторе:

.

7) Определяем мощность, потребляемую от источника коллекторной цепью:

.

8) Мощность, рассеиваемая кварцевым резонатором:

.

9) Мощность, рассеиваемая транзистором:

.

10) Оцениваем величину допустимого сопротивления нагрузки:

,

из условия, что будет потреблять мощность .

11) Для того чтобы частота КГ была равна частоте последовательного резонанса резонатора, необходимо последовательно с резонатором включить катушку индуктивности. Обычно катушка индуктивности выполняется подстраиваемой, поэтому одновременно служит корректором частоты (рис.3).

Рисунок 3 – Схема корректора частоты КГ

Определим номинальные значения элементов корректирующей цепи:

а) сопротивление резистора при :

б) величину корректирующей индуктивности

4 Расчет оконечного усилителя мощности (УМ)

Принципиальная схема усилителя мощности с коллекторной модуляцией изображена на рисунке 4. Усилитель мощности выполним на биполярном транзисторе 2Т930Б, имеющего параметры, представленные в таблице 2.

Рисунок 4 - УМ с коллекторной модуляцией

Таблица 2. Параметры транзистора 2Т930Б

Параметр	Значение
, Ом	0, 25 (0, 5)
, Ом
, Ом	0, 05
, МГц	600…1000
, пФ	130…170
, нФ	1, 8…2, 1
, нГн	0, 24…0, 43
, нГн	1, 6…2, 03
, В
, А
Диапазон рабочих частот, МГц	100…400
, Вт

4.1 Энергетический расчет цепи коллектора

1. Для получения максимальных усиления по мощности и коэффициента полезного действия , транзистор будет работать в критическом режиме с углом отсечки , при этом .

2. Найдем выходную мощность усилителя:

,

где - коэффициент полезного действия выходной колебательной системы.

= .

3. Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе:

.

4. Максимальное напряжение на коллекторе не должно превышать допустимого:

,

, условие выполняется.

5. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

.

6. Сопротивление коллекторной нагрузки (входное сопротивление ЦС):

.

7. Постоянная составляющая коллекторного тока:

.

8. Максимальный коллекторный ток (высота импульса выходного тока) равен:

.

Проверим выполнение соотношения

:

, выполняется.

9. Мощность, потребляемая от источника питания:

.

10. Коэффициент полезного действия коллекторной цепи при заданной полезной нагрузке:

.

11. Рассеиваемая мощность на коллекторе транзистора:

.

4.2 Энергетический расчет цепи базы

12. Угол дрейфа на рабочей частоте:

.

13. Угол отсечки импульсов эмиттерного тока:

(1, 49 рад);

;

;

;

14. Модуль коэффициента усиления по току:

.

15. Импульсные токи эмиттера:

.

16. Амплитуда напряжения возбуждения на рабочей частоте:

;

, где

, , ,

Найдем ток эмиттера:

, определим:

; ;

; ;

;

;

;

17. Постоянная составляющая тока базы:

.

18. Напряжение смещения на базе:

.

19. Угол отсечки импульсного тока базы:

, .

20. Активная составляющая входного сопротивления транзистора на рабочей частоте:

;

;

;

.

21. Мощность возбуждения на рабочей частоте без учета потерь во входном согласующем контуре:

.

22. Коэффициент усиления по мощности:

.

23. Общая мощность, рассеиваемая транзистором:

.

24. Рассчитаем емкость :

, примем

4.3 Режим молчания

1. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

.

2. Постоянная составляющая тока коллектора:

.

3. Напряжение на коллекторе транзистора:

.

4. Мощность, потребляемая генератором:

.

5. Мощность первой гармоники:

.

6. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

.

7. Средняя мощность за период модуляции:

;

.

8. Средняя мощность, рассеиваемая на коллекторе транзисторе:

.

9. Определяем мощность модулятора:

.

10. Определяем индуктивность дросселя :

.

11. Определяем индуктивность дросселя :

, .

12. Определяем сопротивление дополнительного резистора :

, , мощность рассеяния 1, 09Вт

13. Определяем емкость блокировочного конденсатора :

, .

14. Определяем емкость блокировочного конденсатора :

, .

5. Расчет цепи согласования (ЦС)

Рисунок 5 - Типовая схема П – образного контура.

В случаях, когда требуемая индуктивность слишком мала, что ведет к проблеме ее реализации, ее индуктивное сопротивление получают путем последовательного включения индуктивности и емкости (рисунок 5).

=52, 36Ом; ; =75Ом;

Рисунок 6

Порядок расчета П – контура:

1. Задаемся величиной волнового сопротивления контура в пределах 250 – 500 Ом: =500Ом.

2. Определяем индуктивность контура :

= = .

3. На частоте сигнала П – образный контур сводится к виду, изображенному на рисунке 4. При этом , , находятся в соотношении:

, а индуктивность ; , .

4. Вычислим емкость :

, =3пФ.

5. Определим емкости и :

;
,

;

,

.

6. Внесенное в контур сопротивление определяется выражением:

;

.

7. Добротность нагруженного контура будет равна , где - собственное сопротивление потерь контурной индуктивности , ориентировочно его принимают 1…2 Ом, примем 1, 14 Ом, тогда .

8. Определим коэффициент фильтрации П – образного контура:

, где =2 для однотактной схемы, для двухтактной: .

9. Проверим нагрузочную систему на обеспечение требуемой полосы пропускания , где при АМ модуляции определяется как двойная верхняя частота модулирующего колебания:

, - выполняется.

Расчет модулятора

Начальные данные: мощность модулятора

1. Рассчитаем сопротивление нагрузки, на которое нагружен трансформатор Т1 (рисунок 4). На низкой частоте модулирующего колебания сопротивление дросселя Др2 очень мало, а конденсатора и цепи согласования велико, поэтому сопротивлением нагрузки будет служит выходное сопротивление транзистора VT1.

На низкой частоте выходное сопротивление приближенно вычислим как:

, где

- напряжение Эрли, для n-p-n транзисторов составляет (80…200)В.

;

1. Из соображений согласования по мощности индуктивное сопротивление вторичной обмотки трансформатора Т1 выберем равное выходному сопротивлению транзистора.

;

1. Рассчитаем индуктивность катушки на нижней модулирующей частоте:

;

1. Определим ток и напряжение в катушке :

1. Зададимся коэффициентом трансформации сопротивления, равным единице, и рассчитаем вторичную обмотку:

Ом;

1. Зададимся коэффициентом полезного действия трансформатора , равным 0, 8 и определим мощность во вторичной обмотке:

;

1. Определим ток и напряжение в катушке :

; ;

Трансформатор исполним намоткой катушек на торроидальный броневой сердечник. В качестве сердечника выберем кольцевой сердечник из марганец – цинкового феррита М2000НМ. Данная марка феррита используется на частотах до нескольких сотен КГц как в слабых, так и в сильных полях. Выберем типоразмер К20х12х6. Определим количество витков по приближенной эмпирической формуле:

, где

- индуктивность катушки, мГн; - средняя длина магнитного пути, см; - начальная магнитная проницаемость материала феррита; - площадь сечения сердечника, см².

;

Длина сердечника по внутреннему диаметру будет равна:

;

В качестве провода для намотки выберем обмоточный медный провод марки ПЭВ-1 сечением 0, 1мм² и, соответственно, диаметром 0, 35мм, тогда на внутреннем диаметре в один слой уместятся витков, то есть витки обеих катушек уложатся в три слоя. Активное сопротивление обмоток будет равно:

, где

- сопротивление меди, - длина провода обмотки, - площадь поперечного сечения провода. Длину провода распишем через количество витков и длину одного витка, которая равна периметру сечения кольца:

;

Так как активное сопротивление обмоток мало, то добавим в схему токоограничительный эмиттерный резистор и шунтируем это конденсатором для получения большего коэффициента усиления. В качестве транзистора VT2 возьмем транзистор КТ817Б. Его входные и выходные ВАХ, а также зависимость коэффициента усиления по постоянному току от тока эмиттера представлены на рисунке 7. Рассчитаем транзистор по постоянному и переменному токам.

1. Примем ток покоя равным ;

2. Тогда максимальный ток коллектора:

;

3. Минимальный ток коллектора:

;

Нагрузочная прямая для установленной рабочей точки изображена на рисунке 7.

4. В режиме покоя на резисторе падение напряжения:

;

5. Тогда значение :

;

Рисунок 7 - Входные и выходные ВАХ, зависимость

Рисунок 8 - Нагрузочная прямая.

6. Мощность, выделяемая на транзисторе:

;

7. Мощность, выделяемая на :

;

8. Емкость конденсатора определяется исходя из условия, что на нижней частоте его сопротивление будет много меньше сопротивления , тогда:

, примем =470мкФ.

9. Ток базы транзистора:

;

10. Значение резистора :

;

11. Мощность, выделяющаяся на резисторе :

;

12. Конденсатор рассчитаем из условия, чтобы его сопротивление было много меньше сопротивления обмотки:

, примем ;