Амплитудно–модулированный передатчик ближней связи

Амплитудно–модулированный передатчик ближней связи

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТРТУ

Кафедра А и РПУ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

на тему

«Амплитудно-модулированный передатчик ближней связи»

по курсу

Методы и устройства формирования сигналов

Выполнил: студент гр. Р-48

Небавский Е.Е.

Проверил: Алексеев Ю.И

Таганрог 2002

Содержание

Введение

. Анализ технического задания и выбор структурной схемы

. Расчет задающего генератора

.1 Выбор конструкции и эквивалентной схемы

.2 Расчет электронного режима

.3 Расчет колебательной системы

. Расчет усилителя

. Расчет модулятора

Список литературы

Введение

Радиотехнические системы СВЧ диапазона имеют широкую область применения. В состав большинства из них входят радиопередатчики - устройства, в значительной степени определяющие надежность и долговечность всей системы в целом [5].

Проблема создания многофункциональной, высоконадежной, экономичной и малогабаритной аппаратуры решается путем миниатюризации применяемых активных приборов и колебательных систем на основе использования полупроводниковых приборов и интегральных схем. Раньше прогресс в указанном направлении целиком и полностью определялся уровнем развития технологии изготовления транзисторов. Однако появившиеся в конце 60-х годов ХХ столетия полупроводниковые генераторные диоды СВЧ составили серьезную конкуренцию транзисторам, и в настоящее время, благодаря успехам современной технологии, значительно превзошли их по ряду важнейших показателей [1, 5].

По сравнению с транзисторами генераторные диоды СВЧ обладают существенными преимуществами по максимальной частоте генерации, выходной мощности на частотах выше 5 ГГц, надежности, технологичности и массогабаритным характеристикам. Эти приборы выделены в отдельный класс электронных приборов - полупроводниковые генераторные диоды СВЧ или диоды с отрицательным сопротивлением, к которым относятся лавинно - пролетные диоды (ЛПД), диоды с междолинным переносом электронов (МПД), называемые диодами Ганна, лавинно - ключевые диоды (ЛКД), инжекционно - пролетные диоды (ИПД).

В данном курсовом проекте будет рассмотрено проектирование СВЧ - передатчика с частотной модуляцией. Необходимо будет рассчитать задающий генератор на диоде Ганна и выходной усилитель на лавинно-пролетном диоде.

1. Анализ технического задания и выбор структурной схемы

амплитудный модулированный передатчик усилитель

Анализируя техническое задание и учитывая рабочую частоту 15 ГГц, выберем в качестве задающего генератора диодный генератор. Так как диоды СВЧ превосходят транзисторы по ряду важнейших показателей. В качестве диода СВЧ выберем диод Ганна [2].

Сигнал с выхода генератора подается на модулятор. Модулятор собран на волноводном Е-тройнике, в боковом плече которого находятся переключающий диод и короткозамыкающий поршень.

Генератор не дает нам требуемой выходной мощности. Поэтому на выходе необходимо поставить усилитель.

В зависимости от способа включения источника входного сигнала и нагрузки различают проходные и отражательные диодные усилители [1].

В проходных усилителях для связи резонатора с источником сигнала и нагрузкой используются два отдельных элемента связи; при этом резонатор с диодом включается по схеме четырехполюсника. В отражательных усилителях для связи резонатора с источником сигнала и нагрузкой используется ферритовый циркулятор, при этом резонатор включается по схеме двухполюсника.

Наибольшее практическое применение находят отражательные усилители, так как они существенно превосходят проходные усилители по выходной мощности, полосе пропускания, коэффициенту шума и чувствительности к изменению параметров нагрузки.

Выберем усилитель отражательного типа с ферритовым циркулятором.

Анализируя выше сказанное, получим следующую структурную схему - модулированного СВЧ передатчика.

Рис. 1. Структурная схема амплитудно- модулированного СВЧ передатчика ближней связи.

2. Расчет задающего генератора

.1 Выбор конструкции и эквивалентной схемы

Конструкции генераторов на диодах Ганна (ДГ) подобны конструкциям генераторам на других активных элементах и включают в себя резонансную колебательную систему, элементы связи с нагрузкой, элементы связи ДГ с колебательной системой и подачи питания на диод [2].

Колебательные системы генераторов могут быть образованы отрезками волноводных, коаксиальных или полосковых линий, а также элементами с сосредоточенными параметрами.

Волноводная конструкция характеризуется наименьшими потерями и соответственно, наибольшей добротностью, сравнительно узким диапазоном механической и электрической перестройки по частоте, удобна при построении многодиодных генераторов. Связи с нагрузкой осуществляется через накладываемые или встроенные индуктивные или емкостные диафрагмы. Возможно использование волноводов прямоугольного и эллиптического сечения. Для уменьшения размеров иногда волновод заполняют диэлектриком.

Коаксиальная конструкция характеризуется простотой, большим диапазоном механической и электрической перестройки. Генераторный диод устанавливается обычно в разрыв центрального проводника коаксиала. Может быть использована любая (кондуктивная, индуктивная, емкостная, дифракционная) связь с нагрузкой.

Достоинствами микрополосковых конструкций генераторов являются малые габариты и масса, дешевизна и технологичность. Эти конструкции удобны при использовании бескорпусных диодов. Добротность микропоплосковых резонаторов сравнительно мала. При низкой добротности ухудшаются шумовые параметры генератора. Микрополосковые конструкции обычно используются на частотах не выше 20 ГГц. Более технологичны несимметричные полосковые линии.

Выберем волноводную конструкцию генератора.

Эквивалентная схема генератора при использовании короткозамкнутого отрезка линии показана на рис.2, где Yo - проводимость нагрузки, трансформированная к зажимам ДГ, l - длинна короткозамкнутой линии, rк - сопротивление потерь (в дальнейшем его не учитываем),  - ёмкость и индуктивность корпуса диода,  - активная и реактивная электронные проводимости кристалла [2].

Рис. 2. Эквивалентная схема генератора.

Реактивная проводимость кристалла может носить как индуктивный, так и емкостный характер. В работе будет использована емкостная проводимость кристалла. На рис.3. Приведена эквивалентная схема генератора с емкостной проводимостью кристалла, где Вк - реактивная проводимость отрезка линии, Скр - эквивалентная емкость, учитывающая реактивную проводимость кристалла,  - суммарная активная проводимость нагрузки и потерь резонатора, трансформированная к зажимам ДГ.

Рис. 3. Эквивалентная схема генератора с емкостной проводимостью кристалла

.2 Расчет электронного режима

В соответствии с рабочей частотой f = 15 ГГц, выберем диод типа 3А723А, параметры которого приведены в табл. 1.

Таблица 1

Выберем В,  Ом, В, А

Определим КПД контура, положив добротность нагруженного контура , добротность ненагруженного контура .

где  - коэффициенты нелинейности. Примем , , .

Суммарная активная проводимость, трансформированная к зажимам ДГ

Воспользуемся аппроксимацией активной проводимости ДГ полиномом шестой степени

 - максимальная величина проводимости. Ее можно найти по формуле

Для эквивалентной схемы на рис.3 нелинейное дифференциальное уравнение относительно напряжения  на кристалле (проводимости ) имеет вид

где   

 ¾ коэффициент регенерации

Решение этого уравнения дает амплитуду напряжения на проводимости

, В

где

Мощность потребляемая от источника питания Вт

Колебательная мощность генератора

 мВт

Электронный КПД генератора

Мощность, рассеиваемая ДГ Вт

Фактическая мощность  мВт

.3 Расчет колебательной системы

Для резонатора используем короткозамкнутый отрезок прямоугольного волновода сечением 23х10 мм2. Волноводная конструкция характеризуется наименьшими потерями и соответственно, наибольшей добротностью. Диод включен в центре волновода. Наполнение воздушное (, ). Определим параметры колебательной системы [2].

Длина волны в свободном пространстве:

 см.

Критическая длина волны:

 см.

Длина волны в волноводе:

 см.

Волновое сопротивление волновода:

 Ом.

Для определения длины резонатора зададимся следующими параметрами ДГ:

индуктивность корпуса диода нГн,

емкость корпуса диода  пФ,

емкость кристалла пФ,

Длина резонатора (п = 1):

 см

3. Расчет усилителя

Усилитель выбираем отражательного типа [1] на лавинно - пролетном диоде. Возьмем ЛПД типа АА730Г, его параметры приведены в табл.2.

Таблица 2

Определим необходимое число диодов ():

.

Следовательно нужно использовать 2 диода. Мощность одного диода:

 Вт.

Определим параметры А и .

Малосигнальное сопротивление p-n перехода

.

Реактивное сопротивление p-n перехода

.

Определим сопротивление p-n перехода в рабочем режиме[2]

,

, Ом.

ПС - полупроводниковая структура;

 - индуктивность вывода;

 - емкость керамической втулки между электродами;

 - индуктивность, обусловленная точками СВЧ, растекающимися по поверхности шляпки корпуса от контакта ее с резонатором.

Для приведенной эквивалентной схемы полное сопротивление диода определяется соотношениями:

,

,

где  - активное сопротивление полупроводниковой структуры, Rs - сопротивление потерь;

 - реактивное сопротивление полупроводниковой структуры,

,

.

Модуль сопротивления диода равен

 Ом.

Рассчитаем сопротивление внешней цепи (сопротивление резонатора, приведенное к зажимам диода) из выражения для резонансного коэффициента усиления.

Расчетная мощность на выходе генератора , считаем, что за счет увеличения потерь при подключении управляющего диода, не идеальности согласования, затухания, потерь в циркуляторе и вентиле мощность уменьшится приблизительно в 2 раза.

Примем , для его обеспечения определим RP:

 Ом.

Реактивная часть сопротивления резонатора должна быть равна Ом для выполнения баланса фаз.

Для получения необходимого RP высота волновода должна быть равной

 мм

Волновое сопротивление и высота четвертьволнового трансформатора

 Ом    мм.

4. Расчет модулятора

В качестве переключающего диода возьмем диод КА601, его параметры приведены в табл.

Импульсный модулятор представляет собой короткозамкнутый шлейф с установленным в нем переключающим диодом. Принцип действия модулятора основан на резком изменении сопротивления диода при переключении напряжения смещения на нем.

Выбираем длину шлейфа  см и расстояние от входа шлейфа до плоскости включения диода  см.

Наибольший переключающий эффект может быть получен при переключении схемы из состояния последовательного резонанса к параллельному. Последовательный резонанс осуществляется при закрытом диоде: . При этом полное сопротивление диода  и составляет  Ом. Для обеспечения последовательного резонанса обратное смещение подбирают таким образом, чтобы

 пФ.

Напряжение обратного смещения для найденного значения емкости

 В

При переключении диода в открытое состояние полное сопротивление диода становится равным

 Ом

где    Ом

 Ом.

Полной настройки на параллельный резонанс не происходит, однако сопротивление диода резко возрастает. Учитывая, что  принимаем входное сопротивление шлейфа .

Коэффициенты прохождения мощности

Глубина модуляции

 дБ.

Для увеличения глубины модуляции необходимо использовать трансформатор сопротивлений. При включении переключающего диода в отрезок волновода с волновым сопротивлением , коэффициент прохождения мощности

Тогда глубина модуляции m=3 дБ.

Постоянное смещение на диоде выбирается из условия допустимой мощности, рассеиваемой диодом, таким образом, чтобы обеспечить прямое сопротивление

 Ом:  В.

Амплитуда модулирующих импульсов

 В.

Список литературы

1.   Давыдова Н.С., Данюшевский Ю.З. Диодные генераторы и усилители СВЧ. - М.: Радио и связь, 1986. - 184 с.

2.       Алексеев Ю.И. и др. Методические указания по выполнению курсового проекта по курсу «Радиопередающие устройства». Ч.2. Проектирование генераторов на диодах Ганна. - Таганрог: ТРТИ, 1985. - 53с.

.        Проектирование радиопередатчиков: Учебное пособие для вузов; под ред. В.В. Шахгильдяна. - 4-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 2000. - 656с.

.        Проектирование радиопередающих устройств СВЧ: Учебное пособие для вузов; под ред. Г.М. Уткина. - М.: Советское радио, 1979. - 320с.

.        Коган В.И. СВЧ полупроводниковые радиопередатчики. - М.: Радио и связь, 1981. - 400с.