Материал: Расчет структурной схемы передатчика для радиолюбительской СИ-БИ радиостанции

Осуществим пересчет КР для заданных условий работы транзистора:

Ограничимся КР = 7,4.

Выбор транзистора для предварительного каскада:

Выберем транзистор для предварительного каскада. Определим ожидаемую мощность на выходе предварительного каскада:

Вт

Все выше приведенные транзисторы подходят нам по питанию. Но транзистор КТ684А имеет номинальную мощность которая нам подходит, но он работает в другом диапазоне частот, а транзистор КТ819Г имеет очень большую- он не подходит по требуемой мощности. Транзистор КТ630А удовлетворяет всем требованиям.

Осуществим пересчет КР для заданных условий работы транзистора:

Ограничимся КР = 17.

Определим мощность на входе УМ1:

Вт

Таким образом, для возбуждения первого каскада предварительного усиления, мощность подводимая на его вход должна быть 24 мВт. На этом расчет энергетики структурной схемы тракта усиления РЧ можно считать законченным.

Выбор схемного построения и режимов работы тракта усиления:

Возможно два способа построения каскадов усиления: однотактное и двухтактное. Двухтактное построение используют при построении наиболее мощных широкополосных выходных каскадов. Основным достоинством однотактного построения является простота и соответственно меньшие габариты, масса, стоимость, повышенная надежность по сравнению с двухтактным построением.

В связи с тем, что мощность оконечного каскада небольшая и не требуется широкополосность, целесообразно применить однотактное построение всех каскадов.

Усилители мощности будем строить на основе генераторов с внешним возбуждением. Усилительный элемент, входящий в состав ГВВ (транзистор) включен по схеме с общим эмиттером, так как при таком включении транзистор имеет самый большой коэффициент усиления по мощности по сравнению со схемами ОБ и ОК. Особенностью схемы ОБ является малое входное сопротивление транзистора, активная составляющая которого может составлять десятые или сотые доли ома. Это затрудняет построение межкаскадных цепей связи.

Основным недостатком схемы с ОК является низкий коэффициент усиления по мощности по сравнению со схемой ОЭ, при существенной зависимости его от частоты.

Режимы работы:

Режим А. В этом режиме точку покоя усилительного элемента выбирают таким образом, чтобы выходной ток протекал в течение всего периода, т. е. точка покоя должна находиться в середине используемой рабочей характеристики. Режим А характеризуется сравнительно небольшими нелинейными искажениями, однако КПД усилителя довольно низкий, так как независимо от амплитуды входного, а следовательно, и выходного сигнала, в выходной цепи протекает постоянный. КПД каскада в режиме А составляет около <20.%. Режим А используют в основном в однотактных схемах.

Режим В. При работе в режиме В усилительный элемент работает с отсечкой выходного тока, где ток в выходной цепи протекает в течение половины периода.

В пределе КПД составляет 78,5%. В энергетическом отношении режим В намного выгоднее режима А, так как в отсутствие вреднее значение коллекторного тока определяется как площадь импульса выходного тока за период, т. е. входного сигнала (в паузе) потребляемый ток оконечного каскада равен нулю. Режим В характеризуется значительными нелинейными искажениями за счет появления гармоник четного порядка.

Если угол отсечки превышает л/2, то такой режим работы называется АВ. Режим АВ занимает промежуточное положение между режимом А и В и позволяет получить меньшие нелинейные искажения, чем в режиме В. В режиме АВ КПД составляет около 50... 60%.

Режим С.   При работе в режиме С угол отсечки меньше 90, что обеспечивается определенным смещением, подаваемым на входной электрод усилительного элемента. Преимущество режима С - большой КПД, так как амплитуда первой гармоники больше среднего значения тока. Режим С применяется в мощных генераторных устройствах и усилителях, где нагрузкой является колебательный контур, который выделяет основную гармонику.

Выбор режима работы предварительного каскада усиления:

В предварительном каскаде будем использовать режим работы с отсечкой тока. При этом угол отсечки выберем равный 90 градусов, т.к. при этом можно получить большую мощность при близком к максимальному КПД.

Выбор такого режима обусловлен тем, что класс А- обеспечивающий наибольшую линейность усиления- нам это не нужно, т.к. мы имеем в нашем случае передатчик с ЧМ, что обуславливает линейность как по амплитуде, так и по фазе. Так же режим класса А плох тем, что требует затрат большой мощности, так как потребляет ток Iк0 независимо от подачи сигнала, тем самым имеет низкий КПД.

Выбор режима работы предоконечного каскада усиления:

Предоконечный каскад построим его по однотактной схеме, в силу ряда ее достоинств: относительная простота ее построения, меньшие габариты, масса, повышенная надежность без дополнительных затрат на дополнительный активный элемент (например, при двухтактном построении с использованием балансных транзисторов). В предоконечном каскаде будем обеспечивать режим работы с отсечкой тока. Режим работы - граничный с углом отсечки Θ = 900. Такой режим позволяет получить хорошие энергетические характеристики (большая мощность при высоком, близком к максимальному КПД). Выбор угла отсечки объясняется тем, что при Θ = 900 мы находим оптимум, при котором получается достаточно большая мощность при высоком КПД. Кроме того, достоинством режима работы с отсечкой тока Θ = 900 является малая величина нечетных гармонических составляющих, кроме первой.

Выбор схемы и режима работы оконечного каскада:

Каскад строим по однотактной схеме, в связи с тем, что мощность оконечного каскада небольшая и не требуется широкополосность. Основным достоинством однотактного построения является простота и соответственно меньшие габариты, масса, стоимость, повышенная надежность по сравнению с двухтактным построением.

Предпочтение отдадим схеме с ОЭ, ведь она обладает по сравнению с другими наибольшим коэффициентом усиления по мощности, так как коэффициент усиления по току и напряжению больше 1.

Выходной каскад работает в режиме отсечки, это значит повышение КПД выходного каскада и всего передатчика в целом.

Выберем Θ из промежутка от 85 до 110, так как угол лежащий в данном пределе считается оптимальным. Выберем угол отсечки Θ = 900 , при этом мы находим оптимум, при котором получается достаточно большая мощность при высоком КПД. Кроме того, достоинством режима работы с отсечкой тока Θ = 900 является малая величина нечетных гармонических составляющих, кроме первой.

Ключевой режим не будем использовать, так как выходная мощность мала и потери на нагрев транзистора также будут малы.

Выбор выходной фильтрующей системы:

Высшие гармоники тока или напряжения, образованные в результате работы транзисторов в нелинейном режиме, должны быть ослаблены в нагрузке передатчика (антенне, фидере) до уровня, определяемого международными и общесоюзными нормами. Как правило, это обеспечивается выходной колебательной системой (ВКС), устанавливаемой после оконечного каскада передатчика.

Заданную фильтрацию гармоник, в первую очередь наиболее интенсивных - второй и третьей, ВКС должна обеспечить в рабочем диапазоне частот передатчика при заданном уровне колебательной мощности и высоком КПД. В этом основное отличие ВКС от резонансных контуров, межкаскадных цепей связи и т. д. Кроме того, построение ВКС существенно зависит от рабочего диапазона передатчика.

Для определения вида ВФС рассчитаем коэффициент перекрытия по частоте

= 1,03 ≤ 1,1..1,3

То есть в нашем случае мы имеем дело с узкодиапазонной выходной фильтрующей системой.

При построении ВКС узкодиапазонных генераторов и передатчиков в том числе работающих на фиксированной частоте, ее полоса пропускания ограничивается только снизу либо вообще не оговаривается. В связи с этим проектирование выходной системы можно вести так, чтобы обеспечить наименьшие потери в ней, т. е. максимальный КПД.

Поскольку в нашем случае требуется отфильтровать только высшие гармоники, следует применять ФНЧ, у которых потери по сравнению с ПФ будут примерно в 2 раза меньше. При этом ВКС можно строить на основе многозвенных или однозвенных Г-, П-, Т-цепочек.

В заключение отметим в качестве источника питания я выбрал машинный аккумулятор, рассчитанный на 12 В.

5.   Электрический расчет генератора, управляемого напряжением с частотной модуляцией (ГУН ЧМ)

Расчет принципиальной схемы ГУН с ЧМ

Генераторы, управляемые напряжением, построим по обычным трехточечной схеме. В схеме емкостной трехточки обозначены частотозадающие элементы. Все остальные элементы обеспечивают подачу питающих напряжений и блокировку по радиочастоте. Перестройку частоты в рабочем диапазоне осуществляют подачей на варикап VD1 управляющего напряжения, снимаемого с выхода синтезатора частоты. В передатчиках аналоговых систем связи в ГУН осуществляют и частотную модуляцию. Для этого обычно в контур АГ включают дополнительный варикап VD2.

Рис. 3

Исходные данные для расчета:

fраб = 26970 - 27860 МГц,

максимальная девиация частоты: Δƒmax = 1,8 кГц;

При разработке ГУН для диапазона рабочих частот подбирают варикап VD1 (табл. 8.1; [2]). Добротность варикапа QB на рабочей частоте должна быть не хуже 30. Выберем с учетом указанных требований варикап- КВ112А, обладающий высокой добротностью 200 и еобр max = 25 В.

Расчету параметров варикапа:

. Определяем максимальное и минимальное значения емкости выбранного варикапа Св1:

 , ,

где С0 - номинальная емкость варикапа при номинальном напряжении Е0;

С0 = 15 пФ,

Е0 = 3 В - номинальное напряжение,

Еφ = 0,7 - контактная разность потенциалов,

n = 0,5; 2,5 - показатель степени характеристики диода с резким и сверхрезким переходом. Примем n = 0,5, поскольку наш варикап с резким переходом. Максимальное Umax и минимальное Umin управляющие напряжения целесообразно брать в пределах от 6…8 до 12…16 В с размахом между ними не менее 5…6 В.

Umax = 12 В;

Umin = 6 В.

Ф

 Ф.

Емкость варикапа на средней частоте  МГц:

 Ф.

2.      Находим эквивалентную емкость Ссв, включенную последовательно с варикапом VD1 в контур, из выражения:

.

Вначале положим С1 = 0 и рассчитываем Ссв. Для этого решаем уравнение:

Таким образом условие того что выполняется.

Поскольку Ссв < Св1, то варикап позволяет получить большее перекрытие по частоте fmax/fmin, чем требуется. В этом случае целесообразно выбрать Ссв ≈ СВ1 = 9,6 пФ, а параллельно варикапу подключить дополнительный конденсатор С1, величину которого при выбранном Ссв определим, решая заново уравнение:

,

Решим это квадратное уравнение:

Найдем дискриминант:

Найдем корень этого уравнения, второй корень не подходит так как имеет отрицательный знак:

Ф.

Расчет параметров колебательного контура:

1.      Эквивалентная емкость контура

Ф.

Характеристическое сопротивление контура:

Ом.

Эквивалентная добротность контура:

Найдем длину полосковой линии, которую можно поставить последовательно контуру

 м.

При такой длине ставить полосковую линию не имеет смысла. Поэтому поставим катушку индуктивности.

Найдем индуктивность контура:

, т.е.  = 3,6*10-6 Гн = 3,6 мкГн.

Расчету электрического режима работы автогенератора:

Исходные данные:

высшая рабочая частота ступени: ƒmax = 27860 кГц.

допустимая нестабильность частоты ε = 50*10-6.

- полезная мощность автогенератора из РАГ ≈ 10 мВт.

Критерии выбора:

-        допустимость использования в новых разработках;

-       

- большая крутизна;

кремниевый транзистор - для использования в термостате или для узкого интервала температур, германиевый транзистор - для широкого интервала температур;

Из данных транзисторов выберем КТ359А, т.к. он является наиболее новым и удовлетворяет все требованиям. КТ306А- устарел, КТ352А- имеет очень большую выходную мощность, и малую граничную частоту.

Основное требование, предъявляемое к АГ, - высокая стабильность частоты генерируемых колебаний. Стабильность частоты АГ в значительной мере определяется добротностью колебательной системы, инерционностью используемого в нем транзистора и выбранным режимом его работы. При воздействии дестабилизирующих факторов меняется режим работы транзистора и его параметры (межэлектродные емкости, - фаза средней крутизны). Чем больше значение , тем сильнее влияют на генерируемую частоту дестабилизирующие факторы.