Проектирование радиопередающего устройства

 

4. Умножитель частоты 

 

Умножители частоты  в передатчиках используются для  повышения частоты колебаний в целое число раз, а также и для увеличения индекса модуляции при частотной или фазовой модуляции. Транзисторные умножители частоты строятся по схемам генераторов с внешним возбуждением, но выходной контур настроен на n – гармонику частоты возбуждения, а режим работы активного элемента выбирают таким образом, чтобы получить максимальные полезную мощность и к.п.д. Рекомендуется выбирать кратность умножения n = 2,3, т.к. при более высокой кратности резко снижается полезная мощность и к.п.д. Колебательные контуры должны иметь как можно более высокую рабочею добротность, чтобы снизить в выходном колебании напряжения с частотой возбуждения и других гармоник.

 

В проектируемом передатчике  необходимо будет использовать умножитель частоты с кратностью умножения n = 8. Исходя из выше упомянутых рекомендаций умножитель частоты необходимо реализовать, как три последовательно включенных умножителя частоты при кратность умножения каждого из них n = 2.

 

5. Усилитель мощности

 

Выходную мощность радиопередатчика формирует каскад усилителя мощности. В диапазоне высоких частот обычно используют транзисторный усилитель мощности по схеме с общим эмиттером, т.к. это обеспечивает наилучшую устойчивость работы. В состав усилителя мощности входят активный элемент, согласующие цепи, цепи питания и смещения. Чтобы обеспечить максимальный к.п.д и максимальную мощность необходима произвести расчет усилитель мощности в оптимальном режиме. Для реализации такого режима необходимо правильно спроектировать внешние цепи усилителя – питания, смещения и согласования.

 

6. Усилители и согласующие цепи

 

Усилители необходимы, чтобы обеспечить требуемую мощность возбуждения  каскадов, следующих за ними. Их необходимость  определяется схемами реализации всех каскадов.

Согласующие цепи делятся на входные, выходные и межкаскадные.

Входная согласующая цепь преобразует  входное сопротивление активного  элемента в сопротивление возбуждения (сопротивление необходимое для  нормальной работы возбудителя) при  этом от возбудителя передается максимальная мощность. Так же входная согласующая цепь играет роль фильтра, обеспечивающего гармоническую форму напряжения или тока на входе активного элемента.

Выходная согласующая цепь преобразует  сопротивление нагрузки усилителя  в критическое сопротивление  на выходных электродах активного элемента, которое требуется для получения оптимального режима работы усилителя. Также выходная цепь применяется для фильтрации выходного напряжения активного элемента от высших гармонических составляющих.

Межкаскадные согласующие цепи применяются в многокаскадных радиопередатчиках для преобразования входного сопротивления АЭ последующего каскада в оптимальное сопротивление на выходных электродах АЭ предыдущего каскада.

 

7. Связь с антенной

 

В диапазоне коротких волн используется очень большое количество разнообразных антенн направленных и ненаправленных. Для обеспечения работы антенны в диапазоне частот необходимо использоваться антенно – согласующее устройство связь с которым осуществляется фидером. Фидер предназначен для передачи высокочастотной энергии от источника к нагрузке. Исходя из технического задания в качестве фидера может использоваться коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом, например РК-75.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. РАСЧЕТ КВАРЦЕВОГО  АВТОГЕНЕРАТОРА

 

1. Схема автогенератора

 

Схема автогенератора изображена на рисунке 4, рабочая частота автогенератора 3125 кГц. В качестве активного элемента в схеме автогенератора будет применен биполярный транзистор КТ 315Б, т.к. он обеспечивает требуемую выходную мощность и может работать на рассчитываемой  частоте. Параметры транзистора приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 1.

 

 

Рис. 4.

 

Автогенератор представляет собой емкостную трёхточку, которая  образована транзистором VT1, кварцевым резонатором ZQ1, выполняющим роль индуктивности, и конденсаторами С2 и С3. Резисторы R1, R2, R3 обеспечивают внешнее и автоматическое смещение для транзистора. Конденсатор С1 служит для блокировки резистора R3 на рабочей частоте, что исключает отрицательную обратную связь. Дроссель L _к включен для того, чтобы не зашунтировать трёхточку через источник питания E_к.

 

2. Расчёт по постоянному току.

 

Задаём постоянную составляющую коллекторного тока I_К0,напряжение между коллектором и эмиттером Е_КЭ и напряжение на эмиттере Е_Э исходя из рекомендаций, в которых I_К0 = (3 …10) mA, Е_КЭ = (3…10) B и Е_Э = (2…3) B.

 

I_К0 = 5 mA, Е_КЭ = 7 B и Е_Э = 2 B.

 

Рассчитываем сопротивление  автосмещения в эмиттерной цепи

 

R₃ =Е_Э / I_К0 = 2/ 5 ∙ 10^-3 = 400 Ом

 

Выбираем стандартное  значение сопротивления R₃ = 430 Ом.

 

Рассчитываем напряжение источника питания 

 

E_K = Е_КЭ + Е_Э = 7 + 2 = 9 B.

 

Определяем ток базы

 

I_Б0 = I_К0 /β₀ =5 ∙ 10^–3 / 100 = 50 мкА,

 

где β₀ – коэффициент передачи тока транзистора.

 

Задаём ток делителя напряжения цепи фиксированного смещения

 

I_ДЕЛ =  (10…20) ∙ I_Б0 = 10 ∙ 50 ∙10^-6 = 500 мА.

 

Определяем сопротивление  делителя напряжения

 

R_ДЕЛ = R₁ + R₂  =E_K / I_ДЕЛ = 9 / 500 ∙ 10^-6 = 18 кОм.

 

Определим напряжение смещения на базе транзистора

 

Е_Б = Е_Э +0.7 = 2 + 0.7 = 2.7 В.

 

Найдем значения сопротивлений R₁ и R₂

 

R₁ = Е_Б / I_ДЕЛ = 2.7 / 500 ∙ 10^-6 = 5.4 кОм,

R₂ = R_ДЕЛ – R₂  = 18 – 5.4 = 12.6 кОм.

 

Выбираем стандартные  значения сопротивлений R₁ и R₂:

 

R₁ = 5.6 кОм, R₂= 12 кОм.

 

3. Расчёт по переменному току.

 

Определяем крутизну транзистора:

S =

,

 

где - высокочастотное сопротивление базы, - сопротивление эмиттерного перехода.

 

= τ_К / С_К = 500 ∙ 10^-12 / 7 ∙ 10^-12 = 71.43 Ом, 

 

где τ_К – постоянная времени цепи обратной связи, С_К – ёмкость коллекторного перехода

 

= 26 / I_К0 = 26 / 5 = 5.2 Ом.

 

S = 100 / ( 71.43 + 100 ∙ 5.2) = 169 мА/В.

 

Зададим коэффициент регенерации  G_P = (3…7) = 5 и определим управляющее сопротивление

 

R_У = G_P / S = 5 / 169 ∙ 10^-3 = 29.6 Ом.

 

Зададим коэффициент обратной связи автогенератора К^’_ОС = С₃ / С₂ = 1 и вычислим реактивное сопротивление емкости С₃

 

X₃ =

= = 27.5 Ом,

 

 

где r_кв - сопротивление кварцевого резонатора, которое находится по формуле

 

r_кв = 1 / ω ∙ C_k ∙ Q_k = 1 / 2 ∙ π ∙ 3.125 ∙ 10⁶ ∙ 1 ∙ 10^-15 ∙ 2 ∙ 10⁶ = 25.5 Ом.

 

C_k  - емкость кварцевого резонатора,  Q_k – додротность кварцевого резонатора.

 

Найдем емкость конденсаторов  С₂ и С₃

 

С₂ = С₃ = 1 / ω_кв ∙ X₃ = 1 / 2 ∙ π ∙ 3.125 ∙ 10⁶ ∙ 27.5 = 1.85 нФ.

 

Стандартное значение: С₂ = С₃ = 2 нФ.

 

Вычислим ёмкость блокировочного конденсатора

 

С₁ = (10…20)

= 20 / 2 ∙ π ∙ 3.125 ∙ 10⁶ ∙ 5.2 = 196 нФ,

 

стандартное значение С₁ = 220 нФ.

 

Рассчитаем индуктивность  блокировочного дросселя

 

L_k = (20…30)

= 20 ∙ 27.5 / 2 ∙ π ∙ 3.125 ∙ 10⁶ = 28 мкГн.

 

Определим необходимость  дросселя L_Б из условия

 

R₁ ∙ R₂ / (R₁ + R₂ ) ≥ (20…30) ∙ X₂,

 

если оно не выполняется, то дроссель необходим.

 

Проверка 

5.6 ∙ 10³ ∙ 12 ∙ 10³ ≥ 25 ∙ 27.5

67200 ≥ 687.5

 

Условие выполняется, следовательно, дроссель не нужен.

 

4. Энергетический расчёт автогенератора.

 

Определим коэффициент  Берга γ₁ = 1 / G_p и через него коэффициенты α₀  и α₁.

 

γ₁ = 1 / G_p = 1 / 5 = 0.2;  θ = 60˚;

γ₀ = 0.11;  α₀ = 0.21;  α₁= 0.4.

 

Вычисляем амплитуду импульса коллекторного  тока

 

I_mk = I_k0 / α₀(θ) = 5 ∙ 10^-3 / 0.21 = 23.8 mA.

 

Проверяем условие I_mk < I_{mk доп}, 23.8 mA < 100 mA.

 

Определяем амплитуду первой гармоники  коллекторного тока

 

I_k1 =α₁(θ) ∙ I_mk = 0.4 ∙ 23.8 ∙ 10^-3 = 9.5 mA.

 

Рассчитываем амплитуду  напряжения на базе транзистора

 

U_mБ = I_k1 ∙ R_y = 9.5 ∙ 10^-3 ∙ 29.6 = 0.282 B.

 

Вычисляем модуль коэффициента обратной связи

 

= = 0.73.

 

Находим амплитуду напряжения на коллекторе

 

U_mk =

= 0.282 / 0.73 = 0.386 B.

 

Определяем мощность, потребляемую от источника коллекторной цепью

 

P₀ = I_k0 ∙ E_КЭ = 5 ∙ 10^-3 ∙ 7  = 35 мВт;

 

мощность, рассеиваемая кварцевым  резонатором

 

P_кв = 0.5 ∙ ( U_mБ / X₂ ) ² ∙ r_кв =  0.5 ∙ ( 0.282 / 27.5 ) ² ∙ 25.5 = 1.34 мВт;

 

Проверяем условие P_кв < P_{кв доп}, где P_{кв доп} - допустимая мощность рассеиваемая на кварцевом резонаторе, 1.34 мВт < 100 мВт.

 

мощность, рассеиваемая транзистором

 

P_k = P₀ – P_кв = 35 – 1,34 = 33.66 мВт;

 

Проверяем условие P_к < P_{к доп}, где P_{к доп} – допустимая мощность рассеиваемая транзистором, 33.66 мВт < 150 мВт.

 

Оценим величину допустимого  сопротивления нагрузки

 

R _{н доп} ≥ 5 ∙ U²_mk / P_кв = 5 ∙ 0.386² / 1.34 ∙ 10^-3 = 556 Ом.

 

Из условия, что будет  потребляться мощность

 

P_н = 0.1 ∙ P_кв = 0.1 ∙ 1.34 = 0.134 мВт

найдем к.п.д. автогенератора

 

η =P_н / P₀ = ( 0.134 / 35 ) ∙ 100% = 0.14 %.

 

 

3. РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ  МОЩНОСТИ.

 

Требования к усилителю  мощности:

 

рабочая частота – 25 МГц;

выходная мощность –  не менее 25 Вт.

 

В качестве активного элемента в  усилителе мощности будет использоваться биполярный транзистор КТ927Б т. к. он обеспечивает требуемую выходную мощность и может работать на требуемой  частоте. Параметры транзистора  приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 2.

 

1. Схема усилителя мощности.

 

Схема усилителя мощности приведена на рисунке 5.

 

 

Рис.5.

 

Назначение элементов  схемы усилителя мощности:

R1 и R2 - используются как делитель напряжения для обеспечения фиксированного смещения; обеспечивают автосмещение; корректируют частотную характеристику;

С1 и С5 – разделительные емкости;

L2 – блокировочная индуктивность;

С3 – блокировочная  емкость;

L1 и С2 – входная согласующая цепь;

L3 и С3 – выходная согласующая цепь.

 

 

2. Расчет режима работы и энергетический расчет

 

Выбираем амплитуду  импульсов коллекторного тока i_{k max} из условия:

 

i_{k max} ≤ (0.8 … 0.9) ∙ i_{k доп},

 

где i_{k доп} – допустимая амплитуда импульсов коллекторного тока (справ.);

 

i_{k max} = 0.8 ∙ 10 = 8 А.

 

 

Выбираем напряжение источника питания из условия:

 

Е_п ≤ U_{к доп} /2,

где U_{к доп} – допустимая амплитуда напряжения на коллекторе (справ.);

 

Е_п ≤ 70 / 2 = 35,           выбираем   Е_п = 20 В.

 

Рассчитываем напряженность  граничного режима работы активного  элемента ξ_гр

 

ξ_гр = 1- i_{к max} / S_гр∙ Е_п = 1- 8 / 5 ∙ 20 = 0.92,

 

где S_гр – крутизна граничного режима (справ.).

 

Найдем амплитуду импульсов  первой гармоники коллекторного  напряжения

 

U_k1 = ξ_гр ∙  Е_п = 0.92 ∙ 20 = 18.4 В.

 

Определим амплитуду импульсов  первой гармоники коллекторного  тока

 

I_k1 = α₁(θ)∙ i_{k max} = 0.5 ∙ 8 = 4 А,

 

где α₁(θ) – коэффициент Берга, θ = 90˚.

 

Рассчитаем постоянный ток, потребляемый коллекторной цепью транзистора

 

I_k0 = α₀(θ)∙ i_{k max} = 0.318 ∙ 8 = 2.54 А,

 

где α₀(θ) – коэффициент Берга, θ = 90˚.

 

Найдем мощность первой гармоники

 

P₁ = I_k1 ∙ U_k1 / 2 = 4 ∙ 18.4 / 2 = 36.8 Вт.

 

Определим мощность, потребляемую от источника питания

 

P₀ = I_k0 ∙ E_п = 2.54 ∙ 20 = 50.8 Вт.

 

Рассчитаем мощность, рассеиваемую на активном элементе

 

P_рас = Р₀ – Р₁ = 50.8 – 36.8 = 14 Вт.

 

Найдем к.п.д. усилителя

 

η = Р₁ / Р₀ = 36.8 / 50.8 = 0.72,  т.е 72%.

 

Определим амплитуду управляющего заряда

 

Q_y1 = i_{k max} / [ω_гр ∙ ( 1- cos θ )]= 8 / [2 ∙ π ∙ 100 ∙ 10⁶ ∙ ( 1- cos 90˚ )] = 12.73 ∙ 10^-9 Кл,

где ω_гр – граничная частота работы транзистора, θ – угол осечки коллекторного тока.