95525

Проектирование радиопередающего устройства, обеспечивающего формирование радиосигналов в заданном рабочем диапазоне частот

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Отличительной особенностью схем данной группы является то, что КвР в них используется как высокодобротный последовательный колебательный контур. Схемы с КвР в контуре могут быть получены путем включения КвР последовательно с одним из двухполюсников Z1, Z2 или Z3 в обобщенной трехточечной схеме.

Русский

2015-09-24

626 KB

8 чел.

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет «ЛЭТИ»

Кафедра РЭС

Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине “Устройства генерирования и формирования радиосигналов”

Выполнила:

Варшукова Д.В.

Группа № 1181

Преподаватель:

Калиникос Д. А.

Санкт-Петербург

2014


Содержание

1. Техническое задание………………………………………………………………………….3

2. Опорный кварцевый генератор…………………………………………................................4

3. Система синтеза частот (ССЧ)……………………………………………………………....11

4. Усилитель мощности………………………………………………………………………...12

5. Фильтр………………………………………………………………………………………...22

6. Заключение…………………………………………………………………………………...24

7. Список использованной литературы…………………………………….............................25


1.
Техническое задание

1. Задача курсового расчета:

Задачей настоящего курсового  расчета является проектирование  радиопередающего устройства, обеспечивающего формирование радиосигналов в заданном рабочем диапазоне частот на заданную мощность, выделяемую на нагрузке. Устройство имеет заданную структурную схему и включает в себя следующие  блоки : ОКГ – опорный кварцевый генератор; ССЧ – система синтеза частот, формирующая из опорной частоты необходимые рабочие частоты, образующие эквидистантную сетку с заданным шагом; М – модулятор;  ТУМ – тракт усиления мощности; Ф – устройство фильтрации.

2. Задание на курсовой расчет:

Наименование

Значение

Условное обозначение

Нижняя граница рабочего диапазона

550 МГц

fн

Верхняя граница рабочего диапазона

630 МГц

fв

Выходная мощность

200 Вт

Pвых

Модуляция

m=0,5

АМ

Сопротивление тракта

75 Ом

ρ

Требование к фильтру

Подавление 3 гармоники на 30 дБ

-

Выходная частота ОКГ

16 МГц

fОКГ

Шаг сетки частот

0,2 МГц

fш

2. Опорный кварцевый генератор

1). Схема ОКГ

Для моей схемы будет использоваться опорный кварцевый генератор с кварцем в контуре. Частота на выходе = 16МГц.

Отличительной особенностью схем данной группы является то, что КвР в них используется как высокодобротный последовательный колебательный контур. Схемы с КвР в контуре могут быть получены путем включения КвР последовательно с одним из двухполюсников Z1, Z2 или Z3 в обобщенной трехточечной схеме. Частота генерируемого сигнала на выходе ОКГ близка к частоте последовательного резонанса КвР . Разумно за основу взять емкостную трехточечную схему, позволяющую получить наибольшую стабильность частоты. Схема по высокой частоте при включении КвР последовательно с индуктивностью представлена на рис. 3.1. Здесь - эквивалентное сопротивление КвР.

Принципиальная электрическая схема дополнительно включает цепь автосмещения из делителя R1, R2 в цепи базы транзистора и резистора Rэ в эмиттерной цепи (рис 3.2.). В схемах с КвР в контуре возможно возбуждение колебаний не стабилизированных КвР за счет шунтирующего действия емкости кварцедержателя C0. Для подавления таких колебаний резонатор шунтируется резистором R0=1/2πC0.

2). Выбор транзистора и режима его работы в автогенераторе

  1.  Выбор транзистора

Выберем транзистор ГТ313.

Параметры: p-n-p;  

  1.  Расчет амплитуды импульса коллекторного тока

В автогенераторе повышенной стабильности транзистор должен работать в облегченном режиме. Поэтому значение амплитуды импульса коллекторного тока следует выбирать из условия .

Положим,

  1.  Определение граничной частоты транзистора,

где  предельная частота усиления по току в схеме с ОЭ.

Фазовый угол средней крутизны транзистора, где частота генерации fг=.

Для обеспечения высокой стабильности амплитуды колебаний угол отсечки  коллекторного тока в стационарном режиме выбирается из условия 80 <  < 120 .

Задаемся углом отсечки  и рассчитаем коэффициенты Берга.

  1.  Определение крутизны транзистора

Средняя крутизна по первой гармонике:

3). Выбор кварцевого резонатора

По условию fокг=16МГц, тогда, параметры резонатора:  

Задаемся

Вспомогательный параметр

4). Расчет параметров колебательной системы

  1.  Резистивное сопротивление кварцевого резонатора

  1.  Реактивное сопротивление по обходу колебательной системы

  1.  Произведение

  1.  Амплитуда напряжения на базе транзистора

  1.  Сопротивление шунтирующего резонатор резистора

Принимаем  

  1.  Амплитуда первой гармоники тока через резонатор

  1.  Сопротивления конденсаторов колебательной системы

  1.  Емкости конденсаторов колебательной системы

Принимаем  

  1.   Сопротивление индуктивности контура

  1.   Индуктивность контура

Принимаем

Эквивалентное сопротивление контура

5). Расчет энергетических параметров автогенератора

  1.  Нагруженная добротность контура

, где

Задаемся , тогда

  1.  Модуль коэффициента обратной связи

  1.  Амплитуда напряжения на коллекторе транзистора

  1.  Постоянное напряжение на коллекторе транзистора

выбирается из условия .

  1.  Проверка условия недонапряженного режима

 

  1.  Мощность, потребляемая транзистором от источника коллекторного питания

Поскольку вся мощность, отдаваемая транзистором, рассеивается на кварцевом резонаторе, то

  1.  Коэффициент полезного действия транзистора

  1.  Постоянная составляющая тока базы транзистора

  1.  Напряжение смещения на базе транзистора

  1.  Расчет сопротивления в цепи эмиттера транзистора

 

  1.  Расчет индуктивности дросселя

Принимаем  

  1.  Напряжение источника коллекторного питания

 

  1.  Расчет делителя

Расчет делителя базируется на выполнении двух условий:

  •  должно быть исключено шунтирование колебательной системы АГ делителем;
    •  напряжение смещения между базой и эмиттером должно соответствовать расчетному значению.

Принимаем

ток, проходящий через . Чтобы базовый ток не влиял на величину смещения, целесообразно выбирать

Принимаем

 

Принимаем

  1.  Расчет емкости конденсатора в цепи эмиттера транзистора

Принимаем

  1.  Расчет емкости разделительного конденсатора

, тогда  

Принимаем

3. Система синтеза частот

  1.  Описание схемы

В соответствии с техническим заданием ССЧ строится по схеме синтезатора с кольцом ФАП.

Генератор управляемый напряжением (ГУН) является источником выходных колебаний. В фазовом детекторе ФД происходит сравнение фазы колебаний, поступающих с выхода делителя с эталонного генератора ОКГ с фазой колебаний ГУН, прошедших через делитель с переменным коэффициентом деления ДПКД. При расстройке ГУН на выходе ФД возникают биения, при этом ФНЧ пропустит на управляющий вход ГУН их постоянную составляющую.

В этой схеме из сигнала ОКГ датчик опорных частот ДОЧ формирует набор частот кратных шагу сетки, при этом каждая следующая частота ДОЧ в 10 раз отличается от предыдущей, кроме этого формируется частота fдоп . Сигналы с ДОЧ поступают на умножители с переменными коэффициентами умножения.

  1.  Структурная схема ССЧ

В соответствии с заданием надо получить частоты от 550 до 630 МГц с шагом 0,5 МГц.

На схеме указаны нижние и верхние (в скобках) частоты и соответствующие им коэффициенты у СГ.

4. Усилитель мощности

  1.  Заданная выходная мощность составляет 80 Вт. Поэтому необходимо выбрать такое количество транзисторов для усилителя, чтобы их суммарная мощность была не меньше этого значения. В данном случае их количество будет равно 2. Рабочая частота выбранного транзистора не должна быть меньше верхней граничной частоты.

  1.  Расчет выходной цепи
    1.  Выбор используемого транзистора:

2Т-984А* со следующими параметрами:

Pвых = 250 Вт

Рабочая частота

F = 1 ГГц

Допустимое значение рассеиваемой на коллекторе мощности

Pкдоп = 600 Вт

Максимально допустимое значение напряжения коллекторного питания

Ек max = 50 В

Максимально допустимое значение напряжения база-эмиттер

Uбэmax = 4 В

Максимально допустимое значение коллекторного тока

Ikmax = 16 А

Крутизна линии граничного режима

Sгр= 3 А/В

Индуктивность выводов

Lб = 0,01 нГн; Lэ = 0,4 нГн; Lк = 0,5 нГн

Межэлектродные емкости

Ск= 60 пФ

Частота единичного усиления

fт = 1,4 ГГц

Сопротивления выводов

rб = 0,2 Ом; rэ = 0,06 Ом

Схема включения

Общая база

  •  Зададимся напряжением коллекторного питания Ек = 45В, что не превышает предельно допустимого значения. Мощность отдаваемая одним транзистором на выходе Р1 = 200 Вт. При угле отсечки θ = 90º можно получить амплитуду импульса коллекторного тока из выражения:

            = 21,065 А

  •  Амплитуда переменного напряжения на коллекторе:

Uкm= Eк u0; u0 = / Sгр ; u0 = 21,065/ 3=7,02 В  

Uкm = 37,978 В

  •  Амплитуда первой гармоники тока на выходе:

Iк1 = α1;  α1 = 0.5

Iк1 = 0,5*21,065=10,532 А

  •  Амплитуда постоянной составляющей тока на выходе:

I0 = α0;  α0   = 0,318;

 I0 = 0,318*21,065=6,699 А

Постоянная составляющая тока стока не превосходит предельно допустимое значение.

  •  Мощность потребляемая транзистором от источника питания:

P0=Iк0 Eк

P0 =301,434 Вт

  •  КПД:

= P1 / P0

= 66,3 %

  •  Мощность рассеиваемая на коллекторе:

Pк=P0P1

Pк =101,434 Вт

  •  Сопротивление нагрузки по первой гармонике:

R э=Uкm/ Iк1

R э =37,978/10,532=3,6 Ом

  1.  Расчет входной цепи

βi = 1/ α1(1-cosθ)

ωт = 2πfт

ωт =8,796*10^9 рад/с

βi = 2

  •  Rвх = rб + rэ

R вх =0,2+0,06=0,26 Ом

  •  R вх1 = βi R вх

R вх1 =2*0,26=0,52 Ом

  •  Коэффициент усиления по мощности:

Kp(ω) = Rэ/(R вх1*(1+(ωв/ ωт )^2 ))

Kp(ω) = 5,767 Вт

  •  Входная мощность:

Pвх = P1/ Kp(ω)

Pвх = 200/5,767=34,682 Вт

  1.  Расчет входной согласующей цепи
  •  Входное сопротивление транзистора по первой гармонике:

Rвх1 = 0,52 Ом

Входная индуктивность:

Lвх = Lэ + Lб = 0,4+0,01=0,41 нГн

  •  Полоса пропускания:

Δω =502,7*106 рад/с

  •  Неравномерность примем δ = 0,2 дБ
  •  Пусть число элементов в согласующей цепи будет четное и равное 2. Тогда из справочника имеем:

g0 = 1

g1 = 1,0378

g2 = 0,6745

g3 = 1,5386

Общая схема цепи имеет вид:

  •  Денормировка по Δω и R:

Rнор = Rвх1*g3 =0,8 Ом

g0=ρ =  75 Ом

g1 : C1 = g1/ Rнор* Δω =2,581 нФ

g2 : L2 = g2* Rнор /Δω = 1,074 нГн

g3=R3 = Rвх1 = 0,52 Ом

  •  Преобразование ФНЧ в ППФ:

ω0 = (ωв* ωн)^1/2 =3,699*109 рад/с

Фильтр примет следующий вид:

Исходя из условия, что на  резонансной частоте должно выполняться равенство:

1/ ω0*C = ω0*L

находятся значения емкостей и индуктивностей:

C2 =1/( ω0^2*L2)=68 пФ

L1 = 1/(ω0^2*C1)=0,028 нГн

  •  Трансформация сопротивления:

Коэффициент трансформации находится по формуле:

k2 = ρ/g3*Rвх1

k = 9,682

Тогда конечная схема входной согласующей цепи будет иметь вид:

где:

C1=C1/ k2 =25,81 пФ

L1=L1* k2 =2,833 нГн

С21=C2/k =6,809 пФ

С22=-C2*(k-1)/ k2 = -6,128 пФ

С23=C2*(k-1)/ k = 61,28 пФ

L2=1,074 нГн  

C1=C1+C22=25,81-6,128=19,682 пФ

С2=С21=6,809 пФ

С3=С23=61,28 пФ

L1=2,833 нГн

L2=1,074 нГн  

График коэффициента передачи входной согласующей цепи

График коэффициента отражения входной согласующей цепи

5. Расчет выходной согласующей цепи

  •  Общая схема выходной согласующей цепи будет подобна входной, то есть с n = 4 элементов. Значения для g будут те же. Схема имеет вид:

g0=1

g1=1.3028

g2=1.2814

g3=1.9761

g4=1.8468

g5=1.5386

Где g0 = Rэ, g5 = ρ, а g1 и g2 должны равняться выходной емкости и индуктивности транзистора соответственно.

  •  Денормировака по Δω и R:

Предполагается взять верхнюю граничную частоту больше, чем дано в задании, тогда увеличится и Δω.

Пусть Δω = 502,7*106 рад/с.

Сопротивление нормировки будет равно:

Rнор =  ρ*g5 = 115,35 Ом

Тогда имеем:

g0=Rэ=3,6 Ом

g1 = C1 = Cвых = 60 пФ

g2 = L2 = Lвых = 0,5 нГн

g3 = C3 = g3/Rнор* Δω =34,08 пФ

g4 = L4 = g4*Rнор/Δω =194,1 нГн

g5 = R5 = ρ = 75 Ом

  •  Преобразование ФНЧ в ППФ:

Схема будет иметь вид:

ω0 = (ωв* ωн)^1/2 = 3,699*109 рад/с

Исходя из условия, что на  резонансной частоте должно выполняться равенство:

1/ ω0*C = ω0*L

находятся значения емкостей и индуктивностей:

C2 = 146,2 пФ

C4 = 0,3765 пФ

L1 = 12,18 нГн

L3 = 2,145 нГн

  •  Трансформация сопротивления:

Так как Rэ меньше ρ, то необходимо ввести 2 трансформатора с коэффициентами связи, выбранными из условия:

Rнор * k12/k22 = Rэ

k2=17

k1=3

Тогда схема примет следующий вид:

Где

C1 = C1* k22/ k12

C2 = C2* k22

C3 = C3* k2*(k2-1)

C4 = C3*k2

C5 = -C3*(k2-1)

C6 = C4

L1 = L1*k1*(k1-1)/ k22

L2 = L1*k1/ k22

L3 = -L1*(k1-2)/ k22

L4 = L2/ k22

L5 = L3

L6 = L4

С1=0,187 пФ

С2=42250 пФ

С3=9270 пФ

С4=579,4 пФ

С5=-148300 пФ

С6=0.486 пФ

L1=-0.253 нГн

L2=0.0026 нГн

L3=-0,0008753 нГн

L4= 0,0000091нГн

L5=1,23 нГн

L6=9,245 нГн

  •  Расчет сумматора:

Эквивалентная схема сумматора представляет собой источник напряжения с внутренним сопротивлением, равным сопротивлению тракта, двух параллельно соединенных микрополосковых линий, нагруженных на сопротивления нагрузки, равные также сопротивлению тракта. Для развязки в линии включено балластное сопротивление, равное удвоенному сопротивлению нагрузки.

Схема имеет вид:

 

Параметры схемы:

Rг = 75 Ом

Rн = 75 Ом

Rб = 150Ом

Волновое сопротивление линии ρ = (2* Rг* Rн)1/2 =106 Ом

Электрическая длина отрезка микрополосковой линии θ = 90º.

  •  Структурная схема усилителя мощности:

5. Фильтр

Фильтр представляет собой состыкованные по уровню -3 дБ ФНЧ и ФВЧ.

Для предотвращения возбуждения усилителя мощности входное сопротивление фильтра должно быть 75 Ом (сопротивление тракта, данное в задании).

Требование к фильтру: подавление третьей гармоники на 30 дБ.(L=30)

Расчет:

  •  Требуемая неравномерность не должна превышать 0,25 дБ. Выбираем δ = 0,2 дБ.
  •  Количество элементов в фильтре рассчитывается по формуле:

n = arch [(10L/10 – 1)/(10δ/10 – 1)] 1/2 /arch [ω/ ωср]

где ω – частота подавления = 3ωн

ωср = ωв

После округления n = 4

Схема фильтра четного порядка для n = 4 имеет вид:

  •  Денормировка по частоте и сопротивлению:

C1= C1’/ ρ* ωв

L2 = L2’* ρ/ ωв

C3= C3’/ ρ* ωв

L4 = L4’* ρ/ ωв

C1’=0,7717  1/ C1’=1,2958

L2’=1,4798  1/ L2’=0,6758

C3’=1,7893  1/ C3’=0,5589

L4’=1,4561  1/ L4’=0,6868

C1 = 1,84 пФ  L1 = 40 нГн

L2 = 39,6 нГн            C2=1,85 пФ

C3 = 4,26 пФ  L3 =17,24 нГн

L4 = 38,98 нГн C4 =1,876 пФ

 

Заключение

В данной работе были описаны и рассчитаны принципиальные схемы основных блоков транзисторного широкополосного передатчика. Рассчитаны характеристики и построена схема опорного кварцевого генератора. Кроме того, на уровне структурной схемы была разработана система синтеза частот с ФАП в требуемом рабочем диапазоне и шагом сетки частот. Для обеспечения  заданного уровня мощности отдаваемой в нагрузку потребовалось соединение 4 усилительных элементов с согласующими цепями. Рассчитан фильтр с чебышевскими характеристиками.  Также  рассчитаны номиналы элементов принципиальных схем и построена общая схема передатчика.

Список использованной литературы

1. А. В. Митрофанов, В. В. Полевой, А. А. Соловьев. Устройства генерирования и формирования радиосигналов. Учебное пособие. Санкт-Петербург, 1999, ЛЭТИ

2. А. А. Соловьев. Автогенераторы гармонических колебаний и синтезаторы частоты. Учебное пособие. Санкт-Петербург, 2000, ЛЭТИ.

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

55222. Знаємо свої права, виконуємо обов'язки 41.5 KB
  Обладнання: картки роздатковий матеріал Конвенція ООН про права дитини Конституція України прислів’я. Дорогі діти 20 листопада 2009року виповнилося 20 років з дня прийняття Генеральною Асамблеєю ООН Конвенції про права дитини.
55223. КОНВЕНЦИЯ ООН О ПРАВАХ РЕБЕНКА 768 KB
  Цель воспитательного часа: дать первоначальное представление о документах по правам ребенка раскрыть основные понятия: конвенция декларация государство Оборудование: магнитная доска иллюстрации по теме картинки...
55224. Інтерактивні форми навчання при вивченні прав людини в початкових класах 44.5 KB
  Мета заняття: знайомство учнів з основними правами дитини сприяти вихованню моральноправових норм. Задача занять: надати школярам знання про права дитини сприяти вихованню впевненост...
55225. Конвенція ООН про права дитини. Права дитини в Україні 7.16 MB
  Розглянемо малюнки та спробуймо класифікувати права: Всі діти мають право на життя. Всі діти мають право на піклування і турботу. Ти маєш право на достатнє та здорове харчування.
55226. Правила обращений с домашними животными и бродячими собаками 101 KB
  Цель: учить правильному обращению с домашними животными; рассмотреть ситуации встречи с бродячими собаками правильному поведению в таких ситуациях оказанию первой помощи при укусе животных.
55228. Небезпечні речовини побутової хімії. Домедична допомога при потраплянні хімічних речовин на шкіру, в очі, шлунок 52 KB
  Небезпечні речовини побутової хімії. Так називають всі хімічні речовини які людина застосовує в побуті. Такі хімічні речовини є корисними та допомагають людям доглядати за тілом. Але є й небезпечні хімічні речовини.
55229. Основні завдання науки РПС і регіональної економіки. Її роль у досягненні економічної незалежності України 24.55 KB
  Головним завданням науки РПС є обгрунтування оптимального розміщення продуктивних сил. Під оптимальністю розуміють одержання якомога більшого ефекту від правильно розміщеного підприємства
55230. Роль народногосподарського комплексу Карпатського економічного району України в територіальному поділі праці 25.33 KB
  Промисловість – провідна галузь господарського комплексу району. Тут розвинуті машинобудування і металообробка, хімічна, паливна, лісова і деревообробна, легка, харчова галузі, будівельна індустрія