Проектирование АМ передатчика

 

 

1. Введение

Главной целью данного  курсового проекта является разработка АМ передатчика мощностью 30 Вт, с  рабочей волной l=9 м (f=33.3 МГц). В связи  с небольшой выходной мощностью  передатчик реализован на транзисторах.

 

2. Разработка структурной  схемы передатчика

Структурная схема АМ передатчика  с базовой модуляцией состоит  из следующих блоков: автогенератор (АГ) на частоту 16.67 МГц, эмиттерный повторитель (ЭП) для развязки АГ и умножителя частоты сигнала на (У), усилитель  мощности колебаний (УМК), модулируемый каскад (МК) и колебательные системы: для согласования У и УМК КС1, УМК и МК – КС2, МК и фидера – выходная колебательная система.

Модуляция осуществляется в  оконечном каскаде (ОК). Достоинством базовой модуляции является малые  амплитуда напряжения и мощность модулятора, т.к. модуляция достигается  путем изменения смещения на базе МК, что приводит к изменению угла отсечки и выходного тока в  соответствии с НЧ модулирующим сигналом.

Число каскадов усиления мощности можно примерно определить по формуле N=ln Кs/ln K1=ln 3300/ln 20=3, где Ks=PА×(1+m)2/PвыхЭП= 30×(1+0.8)2/ /0.03=3300 – суммарный коэффициент усиления по мощности, K1=20 – средний коэффициент усиления по мощности одного каскада с учетом потерь в колебательных системах.

Структурная схема передатчика  разработана при использовании [1,2] и приведена на РТФ КП.775277.001 Э1.

3. Расчёт оконечного  каскада

Модуляцию смещением будем  проводить в оконечном каскаде(ОК) передатчика.

В ТЗ задана мощность передатчика  в антенне в режиме несущей PA=1 Вт, рассчитаем максимальную мощность первой гармоники непосредственно  на выходе оконечного каскада P1max:

 

Pmax=PA×(1+m)2/(hф×hк)=4.96 Вт.                                               (3.1)

где:   hф=0.85 - КПД фидера;

hк=0.95 – КПД выходной колебательной системы (ВКС);

m = 1 – максимальный коэффициент модуляции.

Выбор транзистора ОК производим по следующим определяющим факторам:

-  выходная мощность транзистора Pвых ³ P1max;

-  частота, на которой модуль коэффициента передачи транзистора по току в схеме с ОЭ равен 1, fт=(3¸5)×f=82.5¸137.5 МГц, где f=27.5 МГц, несущая частота передатчика.

В соответствии с вышеперечисленными требованиями выбираем в качестве активного  элемента (АЭ) ОК транзистор КТ940Б с  параметрами:

-  выходная мощность Pвых=5 > 4.95 Вт;

-  fт=400 МГц;

-  сопротивление насыщения rнас=20 Ом;

-  максимальное постоянное напряжение коллектор-эмиттер Uкэимп=36 В;

-  максимальный постоянный ток коллектора Iкодоп=1 А;

-  напряжение источника коллекторного питания Е`к=12 В;

-  средний статический коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ bo=40;

-  ёмкость коллекторного перехода Ск=75 пФ;

-  ёмкость эмиттерного перехода Сэ=410 пФ;

-  индуктивности выводов Lб=2.4 нГн, Lэ=1.2 нГн;

-  сопротивление материала базы rб=1 Ом.

Произведём расчёт коллекторной цепи транзистора. Расчёт будем производить, исходя из максимальной мощности в  критическом режиме Pmax.

По заданному в ТЗ источником выступает аккумулятор с напряжением 12 В, соответственно напряжение на коллекторе составит Ек=12 В, и максимальный угол отсечки qmax=120°, соответствующий коэффициенту модуляции m=0.8.

Рассчитываем амплитуду  первой гармоники напряжения Uк1 на коллекторе:

11.34 В.        (3.2)

Максимальное напряжение на коллекторе:

Uк.макс=Ек+1.2×Uк1кр=24.7 В£Uк.доп=36 В.                          (3.3)

Амплитуда первой гармоники  коллекторного тока:

Iк1=2×P1max/Uк1кр=0.76 А.                                                       (3.4)

Постоянная составляющая коллекторного тока:

0.57 А£ Iкодоп=20 А.     (3.5)

Максимальный коллекторный ток:

Iк.макс=Iко/ao(q)=17.1£ Iкодоп=30 А.                                         (3.6)

Максимальная мощность, потребляемая от источника коллекторного питания:

 

Pоmax=Eк×Iко=194 Вт.                                                                (3.7)

КПД коллекторной цепи при  номинальной нагрузке:

h=P1max/Pоmax=0.62.                                                                (3.8)

Максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе транзистора:

Pк.max=Pоmax-P1max=73.7 Вт.                                                 (3.9)

Значение Pк.max является исходным параметром для расчёта температуры в структуре транзистора и системы его охлаждения.

Номинальное сопротивление  коллекторной нагрузки:

Rэк.ном=Uк1кр/(2×P1max)=13.1 Ом.                                          (3.10)

Произведём расчёт входной  цепи транзистора.

Предполагается, что между  базовым и эмиттерными выводами по РЧ включен резистор Rд, требуемый для устранения перекосов в импульсах коллекторного тока (см.рис.3.1).

Рисунок 3.1 – Включение  резистора Rд

 

Rд=bo/(2×p×fт×Cэ)=45 Ом.                                                            (3.11)

На частотах f>3×fт/bо (33.3 МГц>13.3 МГц) в реальной схеме генератора Rд можно не ставить, однако, в последующих расчётах необходимо оставлять.

Амплитуда тока базы:

c=1+g1(q)×2×p×fт×Cк×Rэк.ном=2.02;                                             (3.12)

3.86 А.         (3.13)

Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов:

Iбо=Iко/bо=0.154 А;                                                                    (3.14)

Iэо=Iко+Iбо=7.1 А.                                                                      (3.15)

Напряжение смещения на эмиттерном переходе:

0.04 Ом; (3.16)

2.37 В.(3.17)

где Еотс – напряжение отсечки, равное для кремниевых транзисторов 0.5¸0.7 В.

 

Рисунок 3.2 – Эквивалентная  схема входного сопротивления транзистора

Определяем значения LвхОЭ, rвхОЭ, RвхОЭ, CвхОЭ в эквивалентной схеме входного сопротивления транзистора (см.рис.3.2), принимая барьерную ёмкость активной части коллекторного перехода Ск.а=0.25×Ск:

LвхОЭ=Lб+Lэ/c=2.9 нГн;                                                             (3.18)

rвхОЭ= ×[(1+g1(q)×2×p×fт×Ск.а×Rэк.ном)×rб+rэ+g1(q)×2×p×fт×Lэ]=

=1.03 Ом;   (3.19)

RвхОЭ= ×[rб+(1+g1(q)×bо)×rэ]-rвхОЭ+Rд×[1-g1(q)]=8.7 Ом;   (3.20)

СвхОЭ=bо/(2×p×fт×RвхОЭ)=4.1 нФ.                                                (3.21)

Резистивная и реактивная составляющие входного сопротивления  транзистора:

rвх=rвхОЭ+ =1.184 Ом;        (3.22)

 

Xвх=2×p×f×LвхОЭ- =-0.532 Ом.  (3.23)

Рисунок 3.3 - Эквивалентные  входные сопротивление и ёмкость  транзистора

Эквивалентные входные сопротивление  и ёмкость транзистора (см.рис.3.3):

Rвхэк=rвх+(Xвх/rвх)2=1.424 Ом;                                               (3.24)

Свхэк= =1.508 нФ. (3.25)

Рисунок 3.4 - Эквивалентные  выходные сопротивление и ёмкость  транзистора

Для получения эквивалентной  выходной ёмкости транзистора (см.рис.3.4) произведём расчёт ряда вспомогательных  параметров:

h=1+40×Iэо×rб/bо=4.15;                                                                (3.26)

 

M=40×Iэо×rб/h=28;                                                                        (3.27)

ef=f/fт=0.167;                                                                               (3.28)

m= =4.8.                                                                   (3.29)

Эквивалентная выходная ёмкость  транзистора:

Свыхэк=Ск×(1+0.4×M/m2)=390 пФ.                                              (3.30)

Формулы (3.27)-(3.31) взяты из [3].

Входная мощность:

Pвх=0.5×Iб2×rвх=8.81 Вт.                                                             (3.31)

Коэффициент усиления по мощности:

Кр=P1ном/Pвх=13.7.                                                                   (3.32)

Расчёт выходной и входной  цепи транзистора (формулы (3.2)-(3.25), (3.31)-(3.32)) произведён согласно [1].

В результате расчёта каскада  на максимальную мощность становятся известными следующие параметры: Iк1m=9.156 A, Iкоm=6.93 A, Iбоm=0.154 A, Ебm=2.37 В, Umб= =2.54 В.

При базовой модуляции  СМХ есть зависимость Iк1=f(Еб) при (Umб, Ебm, Rэк.ном)=const.

Для грубой оценки положения  СМХ можно принять ее линейной и построить по двум точкам: точке  максимального режима Iк1=Iк1m, Eб=Ебm и точке запирания каскада Iк1=0, Еб=Ебзап, где Ебзап=Еотс-Umб=-1.84 В.

Упрощенная СМХ приведена  на рис.3.5.

 

Рисунок 3.5 – Статическая  модуляционная характеристика

Рассчитаем ряд параметров:

Минимальное модулирующее напряжение:

Амплитуда ВЧ составляющей в режиме несущей:

Получили Umin=-1.37 В, Uo=0.5 В. Рассчитаем угол отсечки в режиме несущей: qн=arccos((Еотс-Uo)/Umб)=85.5°. Рассчитаем ток постоянной составляющей базы в режиме несущей и амплитуду тока НЧ сигнала:

IW=Iбоm-Iбон

 

Получили Iбон=0.067 А, IW=0.087 А. Рассчитаем амплитуду напряжения НЧ сигнала на базе UW=Eбm-Uo=1.87 В и требуемую мощность модулятора PW=IW×UW=0.082 Вт.

Произведём расчёт цепей  питания для схемы ОК, приведённой  на рис.3.6, для режима несущей по формулам (Есм=3 В):

                                            (3.33)

В результате получим Iдел=0.33 А, R1=6.2 Ом, R2=1.5 Ом.

Мощность, рассеиваемая на резисторах:

Pr1=(Iдел+Iбо)2×R1=1 Вт;                                                          (3.34)

Pr2=Iдел2×R2=0.17 Вт.                                                               (3.35)

Рисунок 3.6 – Схема оконечного (модулируемого) каскада

Модуль входного сопротивления  транзистора:

|Zвх|= =1.3 Ом.                                                      (3.36)

 

Рассчитываем номиналы блокировочных  индуктивностей:

Lбл1³20×|Zвх|/(2×p×f)=0.13 нГн;                                                         (3.37)

Lбл2³20×Rэкном/(2×p×f)=0.28 нГн.                                                    (3.38)

Рассчитываем номинал  разделительного конденсатора:

Ср1³20/(2×p×f×|Zвх|)=73 нФ.                                                        (3.39)

По методике, изложенной в [3], произведём расчёт ВКС. Т.к. передатчик является неперестраиваемым, то целесообразно использовать в качестве ВКС, назначение которой – фильтрация высших гармоник и согласование транзистора с нагрузкой, простейший П-образный контур (см.рис.3.7).

На частоте сигнала f входное  сопротивление П-контура должно быть чисто активным и равным требуемому сопротивлению нагрузки транзистора  Rэк. Таким образом, П – контур на частоте сигнала трансформирует активное сопротивление нагрузки Rн в активное входное сопротивление Rэк.

Рисунок 3.7 – Схема П-образного  контура

Порядок расчёта П-контура  следующий:

Задаемся величиной волнового  сопротивления контура в пределах r=250¸500 Ом: r=250 Ом.

Определяем индуктивность  контура L0:

 

L0=r/(2×p×f)=1.194 мкГн.                                                             (3.40)

На частоте сигнала f П-контур сводится к виду, изображённому на рис.3.8, причём L, L0, C0 находятся в соотношении:

2×p×f×L=2×p×f×L0-1/(2×p×f×C0).

Рисунок 3.8 – Схема приведённого П-образного контура

Величиной L необходимо задаться в соответствии с формулой:

L> /(2×p×f)=0.122 мкГн,                                                (3.41)

где Rн=50 Ом – стандартное сопротивление фидера, соединяющего ВКС с антенной. Выбираем L=0.5 мкГн.

Определяем С0:

С0=1/(4×p2×f2×(L0-L))= 33 пФ.                                                       (3.42)

Определяем С1 и С2:

С1= =400 пФ;  (3.43)

 

С2= =138 пФ.  (3.44)

Внесённое в контур сопротивление:

rвн=Rн/(1+(2×p×f×Rн×С2)2)=16.1 Ом.                                            (3.45)

Добротность нагруженного контура:

Qн=r/(rо+rвн)=14.6,                                                                    (3.46)

где ro – собственное сопротивление потерь контурной индуктивности, величина которой точно определяется ниже, на данном этапе принимаем ro=1 Ом.

Коэффициент фильтрации П-контура (только для ОК), принимая n=2, т.к. схема  ОК однотактная:

Ф=Qн×(n2-1)×n=88.                                                                    (3.47)

Произведём конструктивный расчёт элементов нагрузочной системы (см.рис.3.7). При этом необходимо выбрать  номинальные значения стандартных  деталей (С0, C1, C2), входящих в контур, и определить конструктивные размеры  нестандартных деталей (L0).

Для настройки контура  в резонанс и обеспечения оптимальной  связи с нагрузкой в состав ёмкостей С0 и С2 целесообразно включить подстроечные конденсаторы (см.рис.3.9).

 

Рисунок 3.9 – Схема П-образного  контура с подстроечными элементами

Расчёт контурной катушки L0 проводится в следующем порядке:

Размеры катушки показаны на рис.3.10.

Задаёмся отношением V=l/D в пределах 0.5£V£2: V=2.

Задаёмся значением Ks=0.5 Вт/см2 – удельной тепловой нагрузки на 1 см2 сечения катушки.

Определяем площадь продольного  сечения катушки S=l×D по формуле:

S=P1ном×hк/Ks=12.04 см2.                                                        (3.48)

Рисунок 3.10 – Конструкция  контурной катушки

Определяем длину l и диаметр D катушки по формулам:

l= =4.9 см;                                                                       (3.49)

 

D= =2.45 см                                                                     (3.50)

Число витков N катушки:

11. (3.51)

Амплитуда контурного тока:

Iк=Uк1кр×2×p×f×C1=2.2 А.                                                        (3.52)

Диаметр d провода катушки  вычисляем по формуле:

d[мм]³0.18×Iк× =0.95 мм.                                           (3.53)

Выбираем d=1 мм.

Собственное сопротивление  потерь контурной катушки на рабочей  частоте: