Схемотехника основных блоков радиопередающего устройства Содержание 1. Разработка структурной схемы передатчика 2. Общие сведения об автогенераторах 2.1. Расчет задающего автогенератора 3. Расчет умножителя частоты 4. Расчет усилителя мощности Приложение 1 Приложение 2 Приложение 3 Заключение Список литературы Целью данной работы является ознакомление со схемотехникой основных блоков радиопередающего устройства, с принципами их работы и методиками их расчета. В качестве изучаемого устройства взят передатчик радиолокационного маяка. Хотя схемы радиолокационных маяков постоянно совершенствуются, состав и расчёты основных блоков в них практически не изменился, изменилась только элементная база и новые схемотехнические решения построения этих блоков. Диапазон частот радиомаяков различен, существуют системы, использующие частоты, на которых работают штатные радиолокационные станции слежения и сопровождения. В данной работе мы рассмотрим структуру спасательного радиомаяка. 1. Разработка структурной схемы радиомаяка. Передатчик радиомаяка излучает в пространство модулированные колебания с частотой 210МГц и мощностью28Вт. В передатчике осуществляется генерация заданной частоты и усиление. Передатчик содержит следующие крупные узлы: - кварцевый автогенератор с частотой кварца fкв - умножитель частоты с коэффициентом умножения равным 3 - тракт усиления мощности рабочей частоты, осуществляющей получение заданной мощности передатчика. Задающий кварцевый генератор построен по схеме емкостной трехточки. Кварцевый резонатор включен между коллектором и базой коллектора. Такая схема имеет ряд преимуществ: 1. обеспечивается высокая стабильность частоты 2. генератор имеет меньшую склонность к паразитной генерации на частоте выше рабочей 3. схема построена без катушек индуктивности 4. частоту генератора можно менять в широком диапазоне путем смены только кварцевого резонатора Умножители частоты применяются в радиопередатчиках главным образом для переноса спектра стабилизированных кварцем низкочастотных колебаний в более высокий частотный диапазон. Кроме того, умножители частоты используются для углубления частотной и фазовой модуляции. Как правило, частота умножается в целое число раз (n), называемое кратностью умножения. В качестве нелинейного элемента используется варактор. В передатчике использован импульсный модулятор. Назначение тракта усиления состоит в повышении мощности колебания полученного от задающего генератора. Рис.1.1 Структурная схема радиомаяка 2. Общие сведения об автогенераторах Автогенератор- это источник электромагнитных колебаний, колебания в котором возбуждаются самопроизвольно без внешнего воздействия. Поэтому автогенераторы, в отличие от генераторов с внешним возбуждением (усилители мощности), часто называют генераторами с самовозбуждением. В радиопередатчиках автогенераторы применяются в основном в качестве каскадов, задающих несущую частоту колебаний. Такие генераторы входят в состав возбудителя передатчика и называются задающими. Главное требование, предъявляемое к ним, - высокая стабильность частоты Автогенератор. Схема структурная. Рис.2.1 Рис.2.2 Принципиальная схема задающего генератора 2.1 Расчет задающего генератора В качестве задающего генератора используем транзисторный АГ с кварцевой стабилизацией частоты (рис.1.2), работающий на частоте МГц. 2.2 Выбираем транзистор малой мощности КТ324А с граничной частотой =800 МГц. Его паспортные данные сведены в Табл.1.1 Табл.1.1 , МГц , пФ ,пФ ,В В ,А ,пс А/В Вт 800 2.5 2.5 0.7 10 0.02 180 0.01 20 0.015 2.3 Вычисляем граничные частоты, используя формулы : = 40 МГц = 840 МГц 2.4 Расчет цепей коррекции. Вычисляем граничную частоту: = 40 МГц Находим время жизни неосновных носителей в эмиттере: = 2.16* с Определяем активную часть коллекторной емкости = 1.25 пФ Определяем пользуясь формулой: = 39 Ом где Ом Сопротивление, учитывающее сопротивление закрытого перехода: = 80 Ом Находим емкость коррекции: = 4.9 пФ согласно ряду выбираем пФ Определяем общее сопротивление коррекции: = 26 Ом согласно ряду выбираем = 25 Ом Так как выполняется условие Rкор < Rз , то корректирующая цепь эффективна. Крутизна с учетом коррекции равна: = 0.038 А/В 2.5 Расчет электрического режима Находим максимальное значение импульса тока коллектора: = 0.016 А Постоянное напряжение на коллекторе определяем по формуле: = 3 В Выбираем угол отсечки равным =60, находим значения коэффициентов Берга , , определяем . Значение коэффициента обратной связи выбираем . Расчет основных параметров генератора Амплитуда первой гармоники тока коллектора: = 0.0063 А Амплитуда постоянной составляющей тока коллектора: = 0.0035 А Амплитуда первой гармоники напряжения базы: = 0,8 В Амплитуда первой гармоники напряжение коллектора: = 0,8 В Эквивалентное сопротивление контура: 127 Ом Мощность первой гармоники: = 0,0025 Вт Потребляемая мощность: = 0.01 Вт Мощность рассеяния: 0.008 Вт Проверяем условие видно, что условие выполняется (0.008<0.015). Вычисляем коэффициент полезного действия (КПД): = 0.24 % Напряжение смещения: 0.2 В Проверяем условие: 0.2-0,8 < 4В Находим напряженность режима по формуле: = 0.27 = 0.57 2. 6 Расчет резонатора Выбираем индуктивность с = 0,125 мкГн и с = 125 Находим характеристическое сопротивление контура 55 Ом Суммарная емкость контура равна: = 41 пФ Резонансное сопротивление контура определяем по формуле: = 6,9 кОм Находим коэффициент включения контура = 0.136 Определяем эквивалентную емкость контура = 300 пФ Емкость определяется из формулы: = 300 пФ принимаем =300пФ в соответствии со стандартным рядом емкостей и в дальнейших расчетах используем именно это значение. 2.7 Расчет емкостей и . Принимаем = 380 Ом Добротность последовательной цепочки = 2.31 Определяем емкость связи: = 16 пФ принимаем =16 пФ в соответствии со стандартным рядом емкостей Емкость, пересчитанную параллельно емкости определяем по формуле: = 13 пФ Определяем емкость = 290 пФ принимаем =290 пФ в соответствии со стандартным рядом емкостей 2.8 Расчет цепи смещения Напряжение на базе = 2.66 В Внутреннее сопротивление источника: = 2.2 кОм Находим сопротивления = 330 Ом принимаем =185 Ом в соответствии со стандартным рядом сопротивлений = 4.3 кОм в соответствии с рядом выбираем =4.3 кОм =4.4 кОм в соответствии с рядом выбираем =4.4 кОм Определяем номиналы блокировочных конденсаторов: = 68.9пФ в соответствии со стандартным рядом емкостей принимаем =70 пФ = 0.022 мкФ в соответствии со стандартным рядом емкостей принимаем =0.022 мкФ 2. 9 Расчет цепи питания . Находим значение сопротивления : = 640 Ом в соответствии со стандартным рядом выбираем =640Ом Напряжение питания: = 5,24 В 3 .Умножители частоты Умножители частоты применяются в радиопередатчиках главным образом для переноса спектра стабилизированных кварцем низкочастотных колебаний в более высокий частотный диапазон. Кроме того, умножители частоты используются для углубления частотной и фазовой модуляции. Как правило, частота умножается в целое число раз (n), называемое кратностью умножения. Поскольку умножение частоты - существенно нелинейный процесс, в состав умножителя включают нелинейный элемент (НЭ). Структурная схема умножителя частоты представлена на рис.2.1 Умножитель частоты. Схема структурная. Рис. 3 .1 Рис.3.2 Принципиальная электрическая схема рассчитываемого умножителя частоты. 3.1 Расчёт некоторых параметров варактора : Электронный КПД умножителя с кратностью 3: =0.8 Мощность рассеяния Вт 3 .2 Расчёт режима работы варактора Находим барьерную емкость варактора по формуле: = 0.768 пФ где - напряжение, при котором измерена и указана справочнике барьерная емкость . Для варактора 2А602А она составляет =6.7 пФ при = 6 В. Допустимое напряжение =60 В. -контактная разность потенциалов ( =0.5..0.7 В). Угол отсечки выбирают исходя из соотношения: =60 Определяем нормированный коэффициент ряда Фурье: = 0.01 Находим сопротивление варактора третьей гармонике: = 112 Ом значение М выбираем равным М=1 . Находим эквивалентное сопротивление потерь варактора, усредненное по 3-ей гармонике: = 3,2 Ом где выбираем равным =0.5; =1.6 Ом – сопротивление потерь внутри кристалла Реальная часть полного сопротивления варактора на третьей гармонике равна: = 109 Ом Амплитуду 3-ей гармоники тока определяем по формуле: = 0.006 А Находим произведение на амплитуду n - ой гармоники заряда: = 1.36* Кл Определяем амплитуду 1-ой гармоники заряда: 7.76* Кл Определяем максимальное напряжение на варикапе: = 3.88 В Находим амплитуду 1-ой гармоники тока: = 0.003 А Сопротивление варактора первой гармонике тока: = 196 Ом Определяем эквивалентное сопротивление потерь по 1-ой гармонике: = 2.0336 Ом где: Реальная часть полного сопротивления по первой гармонике равна: = 198,0336 Ом Мощность на первой гармонике: 0.0089 Вт = 0.00097 Вт где =100нс–среднее время жизни носителей заряда в базе диода (справочные данные). Определяем коэффициент полезного действия: =0.769 77 % 3.3 Расчет элементов схемы, задающих режим работы варактора = 30,5 кОм согласно ряду =31 кОм где Рассчитаем емкость блокировочного конденсатора: Пусть = 0,1Ом, тогда пФ Для расчета дросселя выбираем = 10кОм, тогда 3.4 Входной контур для частоты f = 70МГц Выбираем индуктивность =0,125мкГн, тогда =41пФ 3.5 Выходной контур для частоты f = 210Мгц = 0,05мкГн =12пФ 4. Расчёт усилителя мощности на биполярном транзисторе Требуется рассчитать режим работы транзистора в схеме с ОЭ с мощностью первой гармоники 25 Вт на частоте 210 МГц 4 .1 Выберем транзистор КТ930А. Его параметры: 900Мгц, 75Вт, 1А/В, 8пс, 60пФ, 800пФ, 6А, 50В, 4В, В=20, 0.24нГн, 1.42нГн, 1.6нГн 90є, 0.5, 0.318 1.5В, 25В. 4 .2 Расчет режима работы транзистора: Находим напряженность режима: 0.76 Находим амплитуду первой гармоники напряжения коллектора: 19В Находим амплитуду первой гармоники коллекторного тока: 3А Находим постоянную составляющую коллекторного тока: 1.9А Определим полезную мощность: 28.5Вт Определим потребляемую мощность: 47.5 Вт Определим мощность рассеивания: 19Вт Выполним проверку условия : 19Вт < 75Вт, следовательно транзистор работает нормально Вычислим КПД: 60% Определим амплитуду гармонического управляющего заряда: 2.857·10-9 Кл Рассчитаем минимальное мгновенное значение напряжения на эмиттерном переходе: -2.1В Выполним проверку условия : |-2.1В |< 4В Вычислим амплитуду постоянной составляющей напряжения на эмиттерном переходе: 0.355В Рассчитаем коллекторное сопротивление: 6.3Ом Рассчитаем амплитуду первой гармоники суммарного тока базы: 0.4А Рассчитаем корректирующий резистор: 2.21Ом Рассчитаем часть входной мощности потребляемой в : 1.18Вт Рассчитаем входное сопротивление: 0,635Ом Рассчитаем часть мощности обусловленной прохождением мощности в нагрузку через : 0.051Вт Определим полную входную мощность: 1.231Вт Определим коэффициент усиления: 23.19 Определим входную индуктивность: 1,64нГн Рассчитаем входную ёмкость: 1709пФ 1.105Ом 4.3 Расчет элементов принципиальной схемы усилителя мощности Рис.4.1 Принципиальная схема усилителя мощности , ; 0.05мкФ 0,08мкГн; где 0,63 0,2В, где 2,21Ом; 0,0095А 24,8В 37Ом 40Ом Рассчитаем выходную согласующую цепь: 18Ом, где 50Ом С4=С6= =4,2пФ L3= 0.14мкГн Входная согласующая цепь: 35пФ, где , Q = 3; 65Ом ; , где 6,5Ом, отсюда L1 = 2мкГн Приложение 1.Спецификация к принципиальной схеме задающего генератора Поз. обозначение Наименование Кол – во Примечание С1 С2 Сбл 1 Сбл 2 Скор Ссв R1 R2 Rбл Rкор Rc м ZQ1 VT Конденсаторы ГОСТ 17597 КТ – Н70 – 300пФ±10% КТ – Н70 – 290пФ±10% КТ – Н70 – 70пФ±10% КТ – Н70 – 0,022мкФ±10% КТ – Н70 – 5пФ±10% КТ – Н70 – 15пФ±10% Резисторы ГОСТ 9664 – 74 МЛТ – 0,5 – 4,3кОм±10% МЛТ – 0,5 – 4,4кОм±10% МЛТ – 0,5 –640Ом±10% МЛТ – 0,5 – 40Ом±10% МЛТ – 0,5 – 330Ом±10% Кварцевый резонатор 70МГц Транзистор КТ324 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Приложение 2 Спецификация к принципиальной схеме умножителя частоты. Поз. обозначение Наименование Кол – во Примечание С1 С2 Cбл Rсм L1 L2 Lбл VD Конденсаторы ГОСТ 17597 КТ – Н70 – 2пФ±10% КТ – Н70 – 12пФ±10% КТ – Н70 –230пФ±10% Резисторы ГОСТ 9664 – 74 МЛТ – 0,5 – 31кОм±10% Катушки индуктивности 0,125мкГн 0,05мкГн 22мкГн Варактор 2А602А 1 1 1 1 1 1 1 1 Приложение 3. Спецификация к принципиальной схеме усилителя мощности. Поз. обозначение Наименование Кол – во Примечание С1 С3 С5 С4 С6 С2 R1 R2 L1 L2 L3 VT Конденсаторы ГОСТ 17597 КТ – Н70 – 0,05мкФ±10% КТ – Н70 – 0,05мкФ±10% КТ – Н70 – 0,05мкФ±10% КТ – Н70 – 5пФ±10% КТ – Н70 – 5пФ±10% КТ – Н70 – 35пФ±10% Резисторы ГОСТ 9664 – 74 МЛТ – 0,5 – 40Ом±10% МЛТ – 0,5 – 40Ом±10% Катушки индуктивности 2мкГн 0,08мкГн 0.15мкГн Транзистор КТ930А 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Заключение В данной работе разработана структурная схема радиомаяка, работающего на частоте 210МГц и выходной мощностью 28Вт. Рассчитаны задающий автогенератор с кварцевой стабилизацией частоты на биполярном транзисторе КТ324, рассчитан умножитель частоты с коэффициентом умножения 3 на варакторе 2А602А, также рассчитан усилитель мощности на биполярном транзисторе КТ930А. Список литературы 1. Б.Е. Петров, В.А. Романюк Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. -М.: Высшая школа,1989. 2. В.В. Шахгильдян, В.А. Власов, Козырев В.Б. Проектирование радиопередающих устройств. - М.: Радио и связь,1993.