Разработка конструкции передатчика частотно-модулированных колебаний

Техническое задание

1. Разработать конструкцию передающего устройства со следующими характеристиками:

Рабочая частота: 66.5 МГц

Допустимая нестабильность частоты: 30 Гц

Вид передаваемой информации: аналоговый

Полоса передаваемых частот: 40…15000 Гц

Допустимый уровень нелинейных искажений: 1%

Вид модуляции: ЧМ

Максимальная девиация частоты: ±50 кГц

Уровень побочных излучений: - 41 дБ

Выходная мощность: 1 Вт

Тип аппаратуры: группа 1 по ГОСТ 16019-78

Содержание

Введение

. Выбор структурной схемы устройства. Синтез функциональной схемы

. Выбор функциональных блоков

. Расчетная часть

.1 Расчет автогенератора и модулятора

.2 Расчет усилителя мощности

Заключение

Список используемой литературы

Приложение

Введение

Радиопередающими называют устройства, предназначенные для выполнения двух основных функций - генерации электромагнитных колебаний высокой или сверхвысокой частоты и их модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Радиопередающие устройства входят в состав радиокомплексов, содержащих, кроме того, антенны, радиоприемные и различные вспомогательные устройства.

Радиопередатчики классифицируют по назначению, условиям эксплуатации, выходной мощности, частоте, виду модуляции и т.д. По выходной мощности передатчики могут быть разделены на маломощные (выходная мощность - десятки милливатт), средней мощности (сотни милливатт - десятки ватт) и мощные (сотни ватт - единицы киловатт); по частоте - на высокочастотные (частота менее 300 МГц) и сверхвысокочастотные(частота более 300 МГц).

В связи с быстрым ростом сети радиопередающих станций, резким ужесточением требований электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронных устройств, повышением требований к качеству и надежности их работы особое внимание необходимо уделить использованию новейших достижений отечественной и зарубежной техники в области радиопередатчиков.

1. Выбор структурной схемы устройства. Синтез функциональной схемы

Передатчик частотно-модулированных колебаний можно реализовать по нескольким типовым схемам. Схема, изображенная на рис.1, предполагает модуляцию частоты задающего генератора и умножение частоты (УЧ) в последующих каскадах передатчика. Управляя частотой кварцевого генератора можно получить долговременную нестабильность частоты 10^-5 …10^-6, однако относительный диапазон управления частотой невелик и составляет 10^-3…10^-4.

Рис 1

От этого недостатка свободна схема изображенная на рис. 2.

Рис.2

Схема представляет собой передатчик, для стабилизации средней частоты которого используется система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Здесь модуляция осуществляется в модулируемом генераторе(МГ), частота которого стабилизируется при помощи опорной частотой высокостабильного кварцевого генератора (ЗГ). Для того чтобы ФАПЧ не ослабляла полезной модуляции, обратную связь в системе на частотах F_min<F<F_max исключают с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ).

На основе второй схемы построим функциональную схему передатчика, изображенную на рис.3.

Рис. 3

Частота среза ФНЧ выбирается меньше минимальной частоты спектра модулирующего сигнала. Изменение частоты модулируемого генератора осуществляется с помощью варикапов.

2. Выбор функциональных блоков

. Модулируемый генератор (рис.4)

В качестве генератора используется транзисторный автогенератор с емкостной ОС и дополнительной емкостью С₃ в индуктивной ветви (схема Клаппа). Резонатор в схеме образован элементами L, С₁, С₂, С₃. R_см - сопротивление автосмещения.

Модуляция генератора осуществляется с помощью варикапа VD.

Рис.4

. Фазовый детектор и ФНЧ

Наибольшее практическое применение находит схема балансного фазового детектора (рис.5)

Рис.5

3. Усилитель постоянного тока (рис.6).

В качестве УПТ применяется схема дифференциального усилителя. Достоинство схемы в том, что она позволяет установить на выходе некоторое значение напряжения обеспечивающее начальное смещение корректирующего варикапа.

Рис.6

. Опорный генератор (рис.7)

Представленная схема предназначена для возбуждения колебаний на механической гармонике кварца. Точная настройка на требуемую частоту осуществляется с помощью подстроечного конденсатора С₃.

Рис.7

. Усилитель мощности (рис.8)

На рис.8 приведена одна из возможных схем усилителя мощности на биполярном транзисторе с общим эмиттером.

Здесь С₁, L₁ - входная ЦС; С₂, L₂, С₃, С₄ - выходная.

Рис.8

3. Расчетная часть

.1 Расчет автогенератора и модулятора

передатчик транзисторный автогенератор усилитель

1. Выберем транзистор малой мощности КТ331 с граничной частотой f_t = 250 МГц. Его паспортные данные: С_к = 5 пФ, С_э = 8 пФ; τ_ос = 120 пс; u_отс = 0,6 В; u_кдоп = 10 В; i_кдоп = 20 мА; u_бдоп = 4В; Р_доп = 15 мВт; S_гр = 10 мА/В. Считаем, что средний коэффициент усиления тока В = 20.

Граничные частоты

_β = f_t/В = 12,5 МГц,

f_α = f_t +f_β = 262 МГц.

Активная часть коллекторной емкости

С_ка = С_к/2 = 2,5 пФ

и сопротивления потерь в базе

Так как f_max = 66,5 МГц, что больше 0,5f_β, то ля ослабления влияния инерционности транзистора на энергетические параметры УМ применим цепь коррекции вида:

Рис. 9

. Расчет корректирующей цепочки:

 ≈ 39 Ом; R₃ = = 79 Ом;

С_кор = ≈ 15,5 пФ; R’_кор = =26 Ом.

Принимаем R’_кор = 27 Ом в соответствии со стандартным рядом сопротивлений. Крутизна переходной характеристики транзистора с коррекцией S^к 1/ R’_кор = 0,038 А/В.

. Расчет электрического режима. Выбираем i_{к max} = 0,5i_{к доп} = 16 мА; U_к0=0,4, u_кдоп = 4,5 В; К_ос = 0,5; θ = 60°; тогда α₀ = 0,218; α₁ = 0,391; γ₀ = 0,109; cosθ=0,5.

Рассчитаем основные параметры генератора:

_к1 = α₁ i_{к max} ≈ 6,3 мА; I_к0 = α₀ i_{к max} ≈ 3,5 мА

= = 0,8 В; U_к1= =1,6 В;

R_к = U_к1/I_к1 = 264 Ом; Р₁ = 0,5U_к1I_к1 = 4 мВт;

Р₀ = U_к0I_к0 = 15 мВт; Р_рас = Р_{0 -} Р₁ =13 мВт < Р_доп = 15 мВт;

η=Р₁/Р₀ = 17%; E_см = u_отс -cosθ = 0,2 В;

|E_см -| < u_бдоп = 3В; ξ = U_к1/U_к0 =0,2;

ξ_гр = 1-i_{к max}/(S_грU_к0) = 0,82; ξ < 0,5ξ_гр.

. Расчет резонатора. В диапазоне частот 10 … 30 МГц оптимальные значения индуктивности контура L = 1… 10 мкГн. Выбираем L = 1 мкГн с добротностью Q_L = 125. Считаем, что Q₀ ≈ Q_L. Вычислим параметры элементов резонатора:

ρ=ω_рL = 417 Ом; С_∑ = = 5,8 пФ;_р = ρQ₀ = 42 кОм; р == 0,056;

 = C∑/p = 103 пФ; С₁ = /К_ос = 206 пФ;

С₃=(1/С_∑-1/C₁-1/)^-1 = 7 пФ.

. Расчет емкостей С_св и С₂. Чтобы сопротивление нагрузки , пересчитанное к выходным электродам транзистора, не снижало заметно добротность контура, примем ≈3R_к≈396 Ом. Добротность последовательной цепочки

С_свR_н Q = = 2,07,

отсюда емкость связи

С_св=1/(ωRнQ)= 15,4 пФ,

емкость, пересчитанная параллельно емкости С₂:

=  = 12,5 пФ; С₂= - = 91,1пФ.

. Расчет цепи смещения:

_б = Е_см + = 1,7 В; R_ист = = 2265 Ом;

проверка: (С_∑/С₁)² R_р = 130 Ом « R_ист;

R_см= = 330 Ом; R₃= R_истЕ_п/U_б =5800Ом;

R₄ = R₁U_б/(Е_п - U_б) = 3480 Ом; С_бл2 = 10/(ωR_см) = 72 пФ.

. Расчет цепи питания: R_бл = 5R_к = 660 Ом; выбираем 1/ω_рС_бл1 = 0,1 Ом, тогда С_бл1 = 59 нФ;

_бл1 = (5…10)R_н /ω_р = 50 мкГн.

Е_п = U_к0 + I_к0R_бл = 9В.

. Расчет модулятора.

Выбираем схему модулятора, изображенную на рис. 6. Схема замещения выглядит следующим образом:

Рис.10

Из расчета автогенератора известны следующие параметры: U_б1 = 0,8 В; Еп = 9В; Uк1=1,6 В; р = 0,056; = 104 пФ; С₂ = 91 пФ; С₃ = 7 пФ; С_∑ = 5,8 пФ.

Выбираем варикап КВ121Б, емкость которого Св0 = 100пФ при uв = 4В и добротность Q = 150 на частоте 50 МГц. Предельные параметры варикапа: U_доп = 45 В; Р_доп = 100 мВт. Степень нелинейности вольт-фарадной характеристики ν = 0,5.

Смещение на варикап будем подавать от источника коллекторного питания транзистора Е_п = 9В, выбираем постоянное смещение на варикапе U_в0 = 4В, тогда:

U= = 0,13В; ∆С_в/С_в0 = = 0,067;

к_в =  = 0,015 ; р_в = = 0,116;

U_в1 = р_в U_к1/р = 0,2 В; С_св = С_в0 = 100 пФ;

U_Ω = U/Uв0 = 0,6 В; С₁ = -(С_в^-1 + С_св^-1)^-1 = 360 пФ.

Рассчитаем резистивный делитель R₁R₂ в цепи смещения варикапа, учитывая следующие условия:

Е_п= 4В; « = 470 кОм.

Второе условие вводится для того, чтобы нагрузка источника модулирующего сигнала была постоянной в полосе частот F_min…F_max.

Пусть = 5 кОм; тогда R₁= 5600 Ом; R₂ = 45500 Ом.

.2 Расчет усилителя мощности

Рассчитаем параметры схемы, изображенной на рис.10.

Исходными данными для расчета усилителя мощности являются рабочая частота f_р = 66,5 МГц, мощность в антенне Р_А = 1 Вт, напряжение питания коллектора Е_п = 5,6 В, угол отсечки θ = 90^о. В качестве активного элемента выбираем транзистор КТ928А с параметрами: f_t = 250 МГц; С_к = 10 пФ; С_э = 100 пФ; τ_ос = 100 пс; u_отс = 1В; u_кдоп = 60 В; u_кбдоп = 60В; i_кдоп = 0,8А; u_бдоп = 3В; Р_доп = 2 Вт; S_гр = 15 мА/В. Средний коэффициент усиления тока В=20.

Граничные частоты

_β = f_t/В = 12,5 МГц;

f_α = f_t +f_β = 262,5 МГц.

Так как f_max = 66,5 МГц, что больше 0,5f_β, то ля ослабления влияния инерционности транзистора на энергетические параметры УМ применим цепь коррекции изображенную на рис. 11.

Активная часть коллекторной емкости

С_ка = С_к/2 = 5 пФ

и сопротивления потерь в базе

r_б = τ_ос / С_ка = 200 Ом.

. Расчет корректирующей цепочки:

≈ 42 Ом; R_з = = 76 Ом;

С_кор = ≈ 4,53 пФ; R’_кор = =27 Ом.

Крутизна переходной характеристики транзистора с коррекцией S^к 1/R’_кор = 0,037 А/В.

. Расчет режима.

Выберем полезную выходную мощность по Р_А: Р₁ = (1,1…2)Р_А. Выберем Р₁ = 1.5Р_А = 1,5 Вт. Напряжение питания коллектора выберем 5,6 В. Расчет начинаем с определения коэффициента использования коллекторного напряжения в критическом режиме:

ξ_кр =  = 0,74.

Затем вычисляем напряжение в нагрузке:

_н = ξ_кр Е_п = 4,1 В

и проверяем выполнение неравенства

(1+ ξ_кр)Е_п = 9,75 В< u_кбдоп.

Далее находим

_к1 = 2Р₁/U_н = 7,3 мА

и по выбранному ранее θ определяем максимальную амплитуду тока

_{к max} = I_к1/α₁(θ) = 15 мА,

и постоянную составляющую

_к0 = α₁(θ)i_{к max} = 4,6 мА.

Рассчитаем потребляемую мощность

Р₀ = Е_пI_к0 = 2,2 Вт,

мощность рассеиваемую коллектором

Р_рас = Р₀ - Р₁ = 1,1 Вт,

и электронный КПД выходной цепи

η_э = Р₁/Р₀ = 58%.

Для реализации расчетного критического режима необходимо следующее сопротивление нагрузки

_{н кр} = U_н / I_к0 = 562 Ом.

Входное напряжение определяется

_вх = I_к1/S_крα₁(θ) = 0,4 В.

. Расчет входной цепи согласования

В качестве входной ЦС используется П-образная ЦС, образованная элементами С₃, С₄, С₅, L.

Сопротивление на входе транзистора определяется

_б+(В+1)= 699 Ом.

Требуемое сопротивление = 276 Ом.

Характеристическое сопротивление цепи

ρ= = 439 Ом.

Емкости согласующей цепи

С₁ = С₂ = 1/(ωρ) = 84,5 пФ,

Индуктивность

 =  = 16 мкГн.

. Расчет выходной цепи согласования

Выходная ЦС представляет собой П-образную ЦС с улучшенной фильтрацией. Ее характеристическое сопротивление

ρ= = 168 Ом.

Емкости согласующей цепи

С₃ = С₅ = 1/(ωρ) = 35 пФ.

Зададим коэффициент улучшения фильтрации h = 10, тогда

С₄ = ρ/hω = 100 нФ;

а L =  = 1 мкГн.

Коэффициент фильтрации определяется выражением:

_n = n^-2{[(n²-1)(h+1)^-1]² + (G_п/G_{н кр})(h+1)²(n²-1)²}^-1

Для второй гармоники F₂ = -94 дБ, для третьей F₃ = -120 дБ. Требуемое значение -41 дБ.

. Расчет цепи питания и смещения

_бл = (5…10) R_н/ω_р = 20 мкГн

Рассчитаем резистивный делитель R₁R₂ в цепи смещения транзистора, учитывая следующие условия:

_ист = = 405 Ом;

R_см= = 62 Ом;

С_бл = 10/(ωR_см) = 942 пФ;

Е_п= u_отс = 0,6 В;

= R_ист.

Откуда R₁= 3830 Ом; R₂ = 464 Ом.

R_бл = (Е_п-U_к0)/I_к0 = 750 Ом.

. Выбор элементной базы

В качестве активных элементов в разрабатываемом устройстве применим полупроводниковые приборы, так как энергетические характеристики устройства низкие. В качестве полупроводниковых транзисторов можно применить элементы типа КТ331: КТ928А:

f_t = 250 МГц; 250МГц;

С_к = 5 пФ; 10пф;

С_э = 8 пФ; 100пф;

τ_ос = 120 пс; 0.1нс;

u_отс = 0,6 В; 1В;

u_кдоп = 15 В; 60В;

u_кбдоп = 10В; 60В;

|u_бдоп| = 3В; 5В;

Р_доп = 1,5 Вт; 2Вт;

S_гр = 10 мА/В; 15мА/В;

В = 20…70. 20…100;

Модуляция осуществляется с помощью полупроводникового варикапа КВ121Б с параметрами:

Св0 = 100пФ (u_в = 4В);

Q = 150 (на частоте 50 МГц);

U_доп = 45 В;

Р_доп = 100 мВт;

ν = 0,5.

Резисторы используются марки С2-29-0,25.

Резисторы данной марки имеют погрешность ±1, ±2%; ТКС(·10^-6) = 250…1000.

Номиналы сопротивлений лежат в пределах 1…10⁶ Ом.

Конденсаторы с постоянной емкостью марок:

К10-43а с номиналами 21,5п…0,0442; погрешность ±1, ±2, ±5%; группа по ТКЕ МП0.

К21-9б с номиналами 2,2 …5100п; погрешность ±2, ±5, ±10%; группа по ТКЕ МП0.

Конденсаторы с переменной емкостью марки:

КТ4-28 с номиналами 4…40п; погрешность ±10%; группа по ТКЕ М75.

Заключение

Нельзя стать квалифицированным инженером, не испытав на себе все тяжести проектирования радиопередающих устройств. Хотя, если с любовью подойти к выполнению данной работы, оказывается, проектировать радиопередатчики увлекательное занятие.

Устройство (радиопередатчик), спроектированное в работе - это уже готовый к применению узел, выполняющий заданные требования при заданных климатических параметрах.

Если полностью пересмотреть все расчеты и пересмотреть схемотехнические решения, то при более тщательном выборе и разработке схем можно получить либо относительно дешевый передатчик, либо достаточно компактный, либо, наконец, с малым потреблением энергии.

Список используемой литературы

1. Устройства генерирования и формирования радиосигналов: Методические указания к курсовому проектированию для студентов специальностей 200700, 201100, 201500 / Сост. А.Ю. Чернышев, М.И. Бастракова. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2002. - 26 с.

. Б.Е. Петров, В.А. Романюк Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах М.: Высш. шк., 1989 г.

. Проектирование радиопередающих устройств: учебное пособие для высших учебных заведений /под ред. В.В. Шахгильдяна, М.: Радио и связь, 1993г.

. Радиопередающие устройства /под ред. М.В. Благовещенского, Г.М. Уткина, М.: Радио и связь, 1982 г.

. Радиопередающие устройства /под ред. В.В. Шахгильдяна, М.: Радио и связь, 1996 г.

. В.И. Каганов Радиопередатчики малой и средней мощности М.-Л.: Энергия, 1964 г.

. Радиопередающие устройства /под ред. Б.П. Терентьева, М.: Связь, 1972 г.

. Радиоприемные устройства /под ред. Н.Н. Фомина, М.: Радио и связь, 1996 г.

Приложение

Задание конструктору.

Характеристики радиопередающего устройства:

Рабочая частота: 66,5 МГц

Допустимая нестабильность частоты: 30 Гц

Вид передаваемой информации: аналоговый

Полоса передаваемых частот: 40…15000 Гц

Допустимый уровень нелинейных искажений: 1%

Вид модуляции: ЧМ

Максимальная девиация частоты: ±50 кГц

Уровень побочных излучений: - 41 дБ

Выходная мощность: 1 Вт

Аппаратура должна отвечать следующим требованиям по ГОСТ 16019-78 для носимой аппаратуры:

Устройство состоит из 3-х блоков: входной усилитель с модулятором и усилителем мощности, эталонный кварцевый генератор, система ФАПЧ.

Нужно разработать схему РПУ, рассчитать элементы схемы и выбрать аналоги.

Все испытания должны проводиться только в специально оборудованных помещениях и на специальном оборудовании.

Данное устройство размещается на одной печатной плате в соответствии с электрической принципиальной схемой.

Выбор типа и класса точности печатной платы

Исходя из того, что печатные платы 1-го и 2-го классов точности наиболее просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость, выбор пал на 2-й класс точности, как самый оптимальный для установочной серии.

Минимальная ширина проводника t и зазора s, мм                   0,45

Предельное отклонение проводника

с металлическим покрытием, мм                                        +0,15.. -0,1

Гарантийный поясок контактной площадки, мм               0,2

Допуск на отверстие диаметром до                                    1 мм

с металлизацией d, мм                                                                  +0,1.. -0,15

// - без металлизации                                                           +0,1

Допуск на отверстие диаметром свыше                                      1 мм

с металлизацией d, мм                                                                  +0,15.. -0,2

// - без металлизации                                                            ±0,15

Отношение диаметра металлизированного

Отверстия к толщине платы, у                                           0,4

Выбор внешних соединителей

Внешняя коммутация обеспечивается с помощью непосредственного сочленения с использованием проводников, соединенных в жгут. Для исключения влияний выходных цепей на входные, в разъеме их следует разнести.

Для 2-го класса точности при расстоянии между отверстиями 3.54мм их диаметр составляет 1.3 мм.

Выбор вариантов установки навесных элементов на печатную плату

В соответствии с ОСТом и требованиями, предъявляемыми к ФУ в качестве варианта для установки сопротивлений рекомендуется выбрать вариант 1а, который обеспечивает достаточную жесткость крепления. Для повышения устойчивости транзисторов к вибрации их дополнительно закрепить на радиаторах стандартным креплением.

Выбор материала печатной платы

Повышенные требования к функциональному узлу, в связи с жесткими условиями эксплуатации, вынуждают использовать в качестве основания печатной платы стеклотекстолит фольгированный. Данный материал по сравнению с гетинаксом обладает более высокими электроизоляционными свойствами, лучшей механической прочностью, обрабатываемостью, стабильностью параметров при воздействии агрессивных сред и изменяющихся климатических условий. Длительно допустимая рабочая температура +160С⁰ (гетинакс +85С°), допустимая влажность окружающей среды для платы без дополнительной влагозащиты до 98% при t<40C° (45% при t=15..32 C°), стеклотекстолит имеет меньший тангенс угла потерь 0.035 (0,07) и меньшую диэлектрическую проницаемость 5,5 (7,0), что уменьшает паразитную емкость; влагопоглощение при толщине 1.5мм 20мг против 80мг для гетинакса, прочность на отслаивание фольги после кондиционирования в гальваническом растворе 3,6Н (1,8Н), прочность на отрыв контактной площадки 6011 (50ЕГ). Для наземной РЛС стоимость не является решающим фактором и им можно пренебречь. Наиболее полно отвечает требованиям стеклотекстолит марки СФ-1-35 (односторонний, толщина фольги 35 мкм.). Необходимая и достаточная толщина материала 1мм. (ГОСТ 10316-78).

Так как данное устройство маломощное помещаем плату в единый корпус, для естественного охлаждения в корпусе должны быть отверстия.

Рекомендуется установить регулятор и индикатор уровня сигнала, разъем для подключения антенны и элемента питания на задней стенке.

Отчётная документация должна содержать:

схема структурная;

схема функциональная;

схема электрическая - принципиальная;

спецификация структурной и электрической - принципиальной схемы;

чертёж внешнего вида устройства.