Радиопередатчик с частотной модуляцией

1. Постановка задачи (задание)

2. Введение

3. Выбор и обоснование структурной схемы

4. Расчет выходного усилителя мощности

4.1 Выбор транзистора

4.2 Расчет электронного режима транзистора

4.2.1 Коллекторная цепь

4.2.2 Базовая цепь

4.3 Расчет элементов схемы усилителя и согласующих цепей

4.3.1 Расчет цепей питания

4.3.2 Расчет входной согласующей цепи

4.3.3 Расчет выходной согласующей цепи

5. Расчет кварцевого автогенератора

5.1 Выбор кварцевого резонатора и транзистора

5.2 Расчет параметров колебательной системы АГ

5.3 Расчет параметров режима работы транзистора

5.4 Расчет параметров элементов цепи питания и смещения

5.5 Расчет варикапа

5.6 Расчет элементов цепи генератора

6. Расчет умножителя частоты

6.1 Выбор типа транзистора и расчет его режима работы

6.2 Расчет элементов схемы

7. Уточнение структурной схемы

8. Схема электрическая принципиальнаярадиопередатчика

9. Описание конструкции

9.1 Описание корпуса

9.2 Уточнение используемых радиодеталей

9.3 Габаритные размеры радиодеталей и радиокомпонентов

9.4 Расчет катушки индуктивности

1. Постановка задачи (задание)

радиопередатчик модуляция генератор резонатор

Радиопередатчик с ЧМ

1. Назначение устройства: связной.

2. Мощность: Рвых=1,3 Вт

3. Диапазон волн (частот): fвых=310 МГц

4. Характеристики сигналов, подлежащих передаче: частотная модуляция

5. Место установки: носимый

6. Дополнительная нестабильность частоты

7. Сопротивление нагрузки: 50 Ом

8. Питание батарейное.

2. Введение

Разрабатываемый передатчик (носимый) будет использоваться для связи между группами людей. Например, между поисковыми отрядами и координационным центром, так и между отрядами, для уточнения действий, получения заданий, сообщения об окружающей обстановке. Поэтому передатчик должен обладать следующими качествами: быть достаточно простым и надежным в использовании, иметь достаточно низкие массогабаритные характеристики, иметь продолжительный ресурс работы и возможность замены элементов питания. Исходя из условий эксплуатации (вне помещений) передатчик должен быть защищен от воздействий окружающей среды и устойчив к перепадам температур.

3. Выбор и обоснование структурной схемы

Исходя из требований к передатчику, выбираем наиболее простую и экономичную в реализации схему: один генератор, умножительные и усилительные каскады. Частотную модуляцию будем осуществлять простым в реализации прямым методом, когда изменение частоты производится в задающем генераторе. Т.к. заданы высокие требования к допустимой нестабильности частоты , в качестве задающего генератора будем использовать автогенератор с кварцевым резонатором, в котором кварц работает на основной гармонике. Поэтому для получения на выходе заданной частоты f_вых=305 МГц будем использовать каскады умножения частоты. Использование транзисторных умножителей частоты позволяет, как повысить частоту (и девиацию частоты) в "n" раз, так и увеличить мощность входного сигнала, но с ростом коэффициента умножения частоты "n" падает выходная мощность и КПД, поэтому возьмем два каскада умножения частоты на 2 и на 3. Таким образом, кварцевый резонатор будет работать на частоте основной гармоники МГц. Т.к. оконечный каскад- усилитель мощности (УМ) потребляет больше всего энергии, то будем его проектировать с высоким КПД. Для возбуждения оконечного каскада и получения требуемой мощности применим цепочку каскадов УМ. В передатчике используется батарейное питание, поэтому нужно стремиться получить высокие значения КПД каскадов. Расчет начнем с оконечного каскада УМ. Примем КПД согласующих цепей η_СЦ=0.8, тогда мощность на выходе каскада , задаем его коэффициент усилением по мощности K_P=9, тогда мощность возбуждения на входе должна быть . Задаем мощность на выходе кварцевого генератора: . Далее зададим усиление по мощности каждого из каскадов на основе инженерного опыта. С учетом согласующих цепей получаем следующие значения:

1. Оконечный каскад УМ K_P=7.5, .

2. Буферный усилитель мощности, для усиления мощности после кварцевого генератора: K_P=5,

3. Умножитель частоты на 2, , K_P=5,

4. Умножитель частоты на 2, , K_P=5,

5. Умножитель частоты на 3 K_P=3,

Получаем, что промежуточный усилитель должен обеспечить . Тогда мощность на входе оконечного каскада .

Структурную схему передатчика:

,

Проведем расчет трех каскадов: выходной усилитель мощности, кварцевый генератор и умножителя частоты на 2.

4. Расчет выходного усилителя мощности

Расчет начинаем с выходного усилительного каскада, т.к. он обеспечивает необходимую выходную мощность передатчика: Рвых=1.3 Вт.

Исходные данные берем из предварительного расчета структурной схемы:

- выходная мощность каскада Рвых1=1.625 Вт,

- частота f=310 МГЦ,

- сопротивление нагрузки 50 Ом,

также выбираем транзистор 2Т925А. Его параметры приведены в таблицах:

Для получения высокого электронного КПД выберем угол отсечки коллекторного тока θ=90^о, тогда коэффициенты разложения для косинусоидального импульса:

Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером:

4.2 Расчет электронного режима транзистора

Рвых1=1.625 Вт на рабочей частоте f=310 МГЦ для граничного режима работы.

4.2.1 Коллекторная цепь

1. Напряженность граничного режима:

2. Амплитуда коллекторного напряжения и тока первой гармоники:

3. Постоянные составляющие коллекторного, базового и эмиттерного токов:

4. Максимальная величина коллекторного тока:

,

т.е. меньше максимально допустимой величины.

5. Мощности, потребляемые от источника коллекторного питания и рассеиваемая на коллекторе транзистора:

Рассеиваемая мощность меньше допустимой, транзистор выбран правильно:

6. Электронный КПД коллекторной цепи:

или

7. Эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки току первой гармоники:

8. Максимальная температура коллекторного перехода (радиатор отсутствует):

4.2.2 Базовая цепь

1. Дополнительной сопротивление в базовой цепи:

Так как , то в реальной схеме можно не ставить сопротивление , но оно остается в расчетных формулах.

2. Амплитуда базового тока составит:

,

где

3. Максимальное обратное напряжение на эмиттером переходе:

Условие выполняется и Rд не надо уменьшить.

4. Напряжение смещения на эмиттером переходе:

5. Активная и реактивная составляющая входного сопротивления транзистора .

Для этого рассчитаем элементы в эквивалентной схеме входного сопротивления транзистора: r_вх, R_вх, L_вх, C_вх.

, тогда

6. Мощность возбуждения и коэффициент усиления по мощности:

4.3 Расчет элементов схемы усилителя и согласующих цепей

4.3.1 Расчет цепей питания

1. Блокировочная индуктивность во входной цепи автосмещения:

2. Блокировочная индуктивность, развязывающая цепь источника питания по высокой частоте:

3. Для исключения прохождения постоянной составляющей тока в нагрузку:

4. Для исключения прохождения постоянной составляющей тока в источник питания (примем R_ИП=10 Ом ):

4.3.2 Расчет входной согласующей цепи

Требуется согласовать выходное сопротивление транзистора УМ по первой гармонике R_н1 = 50(Ом) и входное сопротивление транзистора оконечного каскада .

Т.к. согласовываем каскад мощного усилителя (возбуждение током) с малым входным сопротивлением и , то можно использовать простую входную ВЧ цепь, представляющую ячейку ФНЧ Г- образного реактивного четырехполюсника, его эквивалентная схема представлена на рисунке:

Обозначим: R₁=R`_н1=50 (Ом), R₂= r_вх1, X₂= x_вх1.

Рассчитываем необходимую величину добротности Г-звена

-достаточно мала, следовательно, цепь не превратится в колебательный контур и ее можно использовать для согласования.

Рассчитаем цепь с емкостью в параллельной ветви, т.к. она имеет лучшие фильтрующие свойства в отношении высших гармоник, чем цепь с параллельной индуктивностью:

Определяем реактивные сопротивления

Ом; Ом.

Вычисляем величины индуктивности и емкости с учетом реактивностей выходного сопротивления транзистора УМ и входного сопротивления транзистора рассчитываемого каскада

4.3.3 Расчет выходной согласующей цепи

1. Находим действующее сопротивление:

,

проверяем выполнение условия иначе, согласование было бы невозможным.

2. Определим реактивные сопротивления:

3. Рассчитываем необходимую величину добротности второго Г-звена:

4. Определяем реактивное сопротивление:

5. Находим последовательное реактивное сопротивление П-цепи:

.

6. Вычислим величину индуктивностей и емкостей:

С учетом емкости С_К, стоящей параллельно С₁ пересчитаем:

С₁'=C₁-C_К=5.17пФ-4.5пФ=0.67пФ.

.

Основные параметры каскада:

Напряжения питанияU_Ко=12.6 В

Выходная мощность(до согласующей цепи)Р_ВЫХ = 1.625 Вт

Рабочая частотаf = 310 МГц

Коэффициент усиления по мощностиKp = 9.229

КПДη = 73%

Мощность, потребляемая от источникаР₀ = 3 Вт

Мощность, рассеиваемая на коллектореР_К = 1.39 Вт

5. Расчет кварцевого автогенератора

5.1 Выбор кварцевого резонатора и транзистора

Исходными данными для расчета:

рабочая частота f=51.333 МГц,

мощность в нагрузке Р_Н=0.4 мВт.

Приняв частоту f_кв=f, выбираем КР желательно с меньшим значением r_кв*С_о и выписываем его справочные параметры:

Колебательная мощность генератора с КР невелика, поэтому АГ будем выполнять на маломощном транзисторе КТ306Б, с граничной частотой . Его параметрами:

Для расчета выбираем схему частотно модулируемого автогенератора с кварцем, включенным в контур:

Схема с КР в контуре удобна тем, что возбуждение может происходить как на основной частоте, так и на механических гармониках. Так же схема позволяет включить в колебательный контур варикап, для осуществления прямой частотной модуляции.

1. Вычислим нормированную статическую емкость КР:

2. Коэффициенты разложения косинусоидального импульса при угле отсечки θ=60 градусов:

, ,,,

3. Режим автогенератора выбираем недонапряженным для уменьшения тока во входной цепи:

, возьмем

4. Сопротивление резистора R и коэффициент m:

5. Определим мощности, рассеиваемые на кварце и отдаваемая транзистором:

возьмем

6. Параметр

удовлетворяет рекомендованному значению а ≤ 0.25.

7. Максимальное значение импульсного коллекторного тока:

где

Условие выполняется.

8. Рассчитаем аппроксимированные параметры транзистора:

- крутизна по переходу,

- сопротивление рекомбинации,

- крутизна,

- граничная частота по крутизне,

- нормированная частота по ,

- модуль крутизны на частоте ,а

5.2 Расчет параметров колебательной системы АГ

Рассчитываем параметры колебательной системы АГ (при условии самофазирования):

1) Сопротивление ветвей контура:

2) Ёмкости контура:

3) Эквивалентное реактивное сопротивление КР с учетом резистора R:

Тогда сопротивление плеча контура между коллектором и базой:

4) Оценим индуктивность:

для этого возьмем характеристическое сопротивление

Из условия найдем :

5.3 Расчет параметров режима работы транзистора

Параметры режима работы транзистора:

1) Постоянная составляющая и первая гармоника коллекторного тока:

2) Постоянная составляющая тока базы:

3) Амплитуда напряжения возбуждения:

Модуль коэффициента обратной связи:

4) Амплитуда коллекторного напряжения:

5) Напряжение смещения на базе:

6) Мощности, потребляемая в цепи коллектора, колебательная и рассеиваемая транзистором:

5.4 Расчет параметров элементов цепи питания и смещения

Параметры цепи элементов питания и смещения:

1) Выбираем значения сопротивлений Rэ и Rб из соотношений:

и

2) Напряжение источников коллекторного питания:

3) Начальное напряжение смещения:

4) Сопротивление делителя в цепи питания базы:

Ток делителя выбирается из соотношения

5) Мощность источника питания:

КПД цепи коллектора:

КПД АГ:

5.5 Расчет варикапа

Для осуществления частотной модуляции в АГ будем использовать варикап КВ109В с параметрами:

Так как он обладает высокой добротностью на рабочей частоте.

Возьмем показатель , зависящий от технологии изготовления варикапа. Для максимального изменения емкости варикапа величину целесообразно принимать из соотношения :

В режиме запертого p-n перехода емкость варикапа С_В зависит от напряжения модулирующего сигнала. Средняя емкость варикапа, соответствующая равна , тогда:

при U₀=12,5 В.

Обозначим емкость . Так как < то из схемы исключается и

Рассчитаем амплитуды высокочастотного и модулирующего напряжений на варикапе, для этого вычислим коэффициент включения варикапа в контур:

, где

Амплитуда модулирующего напряжения, подаваемого на варикап:

Так как условие: выполняется, то продолжаем расчет.

Рассчитаем значения и :

Частота девиации будет определяться формулой:

Так как требования к величине коэффициента нелинейных искажений не предъявляются, то оставляем его в пределах рассчитанного значения.

Данный варикап обеспечивает заданную величину девиации частоты.

Основные параметры автогенератора:

Pвых = 0,4 мВт

5.6 Расчет элементов цепи генератора

Расчет блокировочных элементов:

Выбор , включенной параллельно сопротивлению Rэ. Блокировочные функции этой емкости осуществляются при условии . Но при большой может возникнуть прерывистоая автогенерация. Условием ее отсутствия будет , где Q – добротность колебательной системы АГ (примем Q=100).

,

,

отсюда , примем .

Полагая, что внутреннее сопротивление источника питания мало(10 Ом):

Блокировочная индуктивность предотвращает заземление транзистора по высокой частоте:

Блокировочные индуктивности развязывающие по частоте и частоту модуляции : и

Примем , тогда:

Блокировочная емкость выбирается из соотношения:

Рассчитаем резистивный делитель в цепи смещения варикап:

-напряжение источника питания варикапа.

максимальная частота в спектре модулирующего сигнала.

Зададимся R4=500 Ом, тогда найдем значение R3 из соотношения :

Откуда

6. Расчет умножителя частоты

Генераторные каскады малой мощности РПУ могут выполнять функции умножителей частоты, в основе которых лежит принцип выделения гармоники нужной частоты из импульсов коллекторного тока.

Выходная мощность умножителя ограничена несколькими факторами. К ним относятся предельно допустимые значения обратного напряжения на эмиттерном переходе и мощности рассеяния , а также критический коллекторный ток .

При выборе угла отсечки надо учитывать следующее. Пиковое обратное напряжение увеличивается при уменьшении угла отсечки , что может ограничить мощность, отдаваемую умножителем частоты. При больших углах отсечки уменьшается КПД и растет мощность Р_К, что может привести к нереализуемости режима транзистора. Если при оптимизации мощности УЧ опираться только на ограничения по коллекторному току, считая , то оптимальный угол отсечки равен . При n=2 - , а при n=3 - . При этих углах отсечки КПД будет достаточно высоким, но надо не допустить превышение . Поэтому часто угол отсечки и для n=2, и для n=3 выбирают равным .

Расчет режима транзистора ведут на заданную мощность транзистора на рабочей частоте n*f, определенную по выходной мощности умножителя , , ,.

6.1 Выбор типа транзистора и расчет его режима работы

Исходя из заданных и n*f, по справочнику выбирается транзистор с учетом выполнений и . Вследствие больших потерь в материале коллектора на верхних частотах транзистора целесообразно выбирать транзистор с запасом по выходной мощности примерно в 2..2.5 раза. Выберем транзистор 1Т330А, со следующими параметрами и характеристиками:

Расчет транзистора будем вести по безынерционной методике , т.к. граничная частота значительно выше заданной частоты.

Режим транзистора полагаем граничным.

Возьмем U_к0=5 В, S_ГР=0.05, тогда:

- напряженность граничного режима работы транзистора.

- амплитуда второй гармоники коллекторного напряжения

- амплитуда второй гармоники коллекторного тока

- постоянная составляющая коллекторного тока

- мощность, подводимая к транзистору от источника питания в коллекторной цепи

- мощность, рассеиваемая коллектором транзистора

- эквивалентное сопротивление коллекторной цепи для второй гармоники коллекторного тока

- электронный КПД

- амплитуда первой гармоники напряжения на базе

- напряжение смещения на базе

Постоянная составляющая тока базы:

Параметры цепей элементов питания и смещения:

Сопротивление делителя в цепи питания базы:

Ток делителя выбирается из соотношения

- мощность возбуждения

Тогда коэффициент усиления по мощности составит:

6.2 Расчет элементов схемы

Расчет элементов контура:

Зададимся характеристическим сопротивлением контура:

Найдем добротность ненагруженного контура:

Добротность нагруженного составит:

Тогда сопротивление потерь составит:

Сопротивление связи:

Емкость связи:

Индуктивность контура:

Общая емкость контура:

Делитель емкости

Расчет блокировочных элементов:

Блокировочные емкости выбираются из принципа:

и

Сопротивления источников питания полагаем равным 10 Ом.

Основные параметры умножителя:

Pвых = 10 мВт

K_p=5

7. Уточнение структурной схемы

В результате проектирования отдельных каскадов, были рассчитаны выходные мощности, КПД, согласующие цепи, коэффициенты передачи по мощности, используемые активные приборы (транзисторы), а также необходимые напряжения питания для отдельных каскадов. Используя полученные данные, приведем уточненную структурную схему передатчика:

8. Схема электрическая принципиальная радиопередатчика

9. Описание конструкции

Передатчик выполнен в виде отдельных каскадов, расположенных на разных платах: плата задающего генератора, плата модулятора, плата маломощного усилителя (буферный каскад) и первого умножителя частоты, плата второго умножителя частоты, усилителя мощности и выходного каскада . Поэтому для соединения отдельных составных частей в единое целое, а также подключение источника питания ко всем каскадам, необходимо использование проводов. Все каскады питаются от аккумулятора 14(В), напряжение к ним подается через низкоомные маломощные резисторы - R8, R11 и R12. Питание автогенератора поступает от аккумулятора через делитель напряжения и стабилизируется стабилитроном КС133А с параллельно включенным конденсатором, шунтирующим его по переменному току. Толщина проводов будет зависеть от протекающих по ним токов.

Питание цепей передатчика обеспечим с помощью аккумулятора на 14(В). Напряжение на отдельные каскады будет подавать непосредственно с аккумулятора, а для задающего генератора – через делитель напряжения, для обеспечения 5-и вольтового напряжения.

Будем использовать аккумулятор HanderHA-14-6 14(В), 1.2(Ач) с габаритными размерами (70ммХ50ммХ25мм), передатчик может непрерывно работать без подзарядки в течение примерно 2 часов.

9.1 Описание корпуса

Корпус передатчика выполним из алюминиевого сплава для наилучшего отвода тепла от нагревающихся элементов. Он состоит из двух отсеков, в первом располагается плата передатчика, во втором – источник питания (аккумулятор). Плата расположена горизонтально, закреплены на стойках винтами 2 (мм). У корпуса имеется крышка с резиновой прокладкой, обеспечивающая пыле- и влагонепроницаемость. Крышка крепится с помощью винтов диаметром 4(мм). Размеры корпуса 266(мм)Х132(мм)Х50(мм), толщина стенок 1(мм). На корпусе размещаются кнопка включения/выключения передатчика и два разъема, для подключения микрофона и антенны.

9.2 Уточнение используемых радиодеталей

Уточнение используемых радиодеталей для топологического чертежа платы автогенератора.

9.3 Габаритные размеры радиодеталей и радиокомпонентов

1. Конденсаторы:

1.1КМ-5Б

L=4.5 мм

B=6.5 мм

А=2.5 мм

d=0.5 мм

1.2.К10-50Б

1.3.К50-6

h=6 мм

D=4 мм

A=2 мм

2. Резисторы

Р1-71-0.125

l=3.5 мм

d=2 мм

H=31 мм

D=0.5 мм

3. Транзистор КТ306Б

4. КварцРВ-59

5. Варикап КВ109В

6. Разъем для антенны:

GB-116(BNC-7017):

7. Кнопка включения/выключения:

SR-06NR:

8. Аккумулятор:

HanderHA-14-6:

9. Стабилитрон

1N4733A, Uстаб=5,1 +- 5% (В)

10. Транзистор 2Т925А

Для микрофона выберем аудио разьем: AUB 11/2

9.4 Расчет катушки индуктивности

Если катушка бескаркасная, то диаметр провода d должен быть не мене 0.4-0.5(мм), для обеспечения необходимой жесткости при диаметре катушки D не более 1(см) и числе витков N не более 5-10.

Рассчитаем индуктивность L2=0.6 мкГн.

Для намотки будем использовать провод ПЭВ1, толщина которого d=0.5 мм (в изоляции 0.55 мм). Выберем длину намотки l=0.6 см, диаметр намотки D=0.7 см, исходя из оптимального отношения

.

Коэффициент

Тогда число витков:

Шаг намотки:

, т.е. намотка осуществима.