Связной передатчик коммерческой связи на полупроводниках

Министерство образования и  науки Республики Беларусь

 

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

 

Факультет радиотехники  и электроники

 

Кафедра радиотехнических систем

 

 

 

	" К защите допускаю "
	Руководитель проекта_______________
	" ____ " ______________________  2002г

 

 

 

 

 

Пояснительная записка

к курсовой работе по теме

"Связной передатчик  коммерческой связи на полупроводниках"

 

 

 

 

 

 

Выполнил:	Проверил:
студент гр. 940101	Демидович Г.Н.
Голайдин М.С.

 

 

 

Минск 2002

 

Содержание

 

 

Введение……………………………………………………………………………………3

1 Выбор, обоснование  технических требований и структурной схемы передатчика

1.1 Обоснование технических требований…………………………………………4

1.2 Выбор структурной схемы передатчика………………………………………5

2 Выбор, обоснование и энергетический расчёт принципиальной схемы

2.1 Выбор и энергетический расчёт антенны … …………………………………7

2.2 Расчёт оконечного каскада УМ  …………………………………………………8

2.3 Расчёт предоконечного каскада УМ……………………………………………12

2.4 Расчёт частотного модулятора ………………………………………………15

2.5 Расчёт опорного генератора ……………………………………………………20

3 Разработка  конструкции …………………………………………………………24

4 Разработка  схемы контроля, защиты и управления  передатчиком  …25

5 Расчёт КПД  передатчика…………………………………………………………26

Заключение   ……………………………………………………………………………27

Литература ……………………………………………………………………………28

Приложение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В связи с всеобщей тенденцией глобализации возросла необходимость  в средствах связи различной степени сложности и различного назначения. Немаловажную часть средств связи занимают средства коммерческой связи. Это объясняется преимущественным преобладанием в большинстве стран капиталистического типа экономики. Основную долю всех средств связи составляют мобильные средства связи (мобильные телефоны, автомобильные радиостанции, любительские трансиверы и радиостанции и т.д.). В основном, диапазон частот, занимаемых коммерческими средствами связи, составляет 20Мгц – 1ГГц. В основном выходная мощность связных передатчиком коммерческой связи не превышает 100Вт.

Современные полупроводниковые приборы удовлетворительно  работают на частотах до 2ГГц и отдают мощность до 350Вт (например, транзистор КТ986). Это позволяет в полной мере оценить преимущества полупроводниковых приборов перед электронными лампами в области средств коммерческой связи. Этими преимуществами являются:

- малые габариты  и масса;

- малые питающие  напряжения;

- обширная  номенклатура;

- малая потребляемая  мощность;

- более высокий  промышленный КПД.

Особо следует  упомянуть о большом выборе законченных  функциональных узлов (перемножителей сигналов, синтезаторов частот; систем ФАПЧ, АПЧГ и АРУ) оформленных в виде ИМС. Их наличие позволяет существенно упростить принципиальную схему устройства и уменьшить его габариты, вес, энергопотребление и снизить себестоимость, что позволяет увеличить общую конкурирующую способность.

На частотах диапазона КВ и выше применять  АМ не целесообразно из-за ряда причин (низкий КПД, низкая помехоустойчивость и достоверность передачи информации). Поэтому в данной полосе частот в основном применяют ЧМ и ФМ. На данном этапе в коммерческой радиосвязи очень популярна ЧМ, т.к. она позволяет с высокой достоверностью и качеством передавать речевые сообщения (основной передаваемой информацией в коммерческой радиосвязи является речь). Конечно, более эффективной является ФМ с применением кодирования сигнала, но она требует дорогостоящей элементной базы и актуальна лишь при отношении с/ш<12дБ. Т.о. передатчик, выполненный на полупроводниковой элементной базе и работающий при отношении с/ш>12дБ с применением ЧМ – наиболее распространенное звено приемо-передающего тракта аппаратуры коммерческой связи.

 

 

 

 

Выбор, обоснование технических  требований и структурной схемы  передатчика

Обоснование технических  требований

Согласно  ТЗ на курсовое проектирование, передатчик должен обеспечивать следующие технические характеристики:

Выходная  мощность, Вт – 30;

Диапазон  рабочих частот, МГц – 300;

Нестабильность  частоты – 10^-6;

Допустимое излучение на гармониках, дБ – -35;

Вид модуляции – ЧМ;

Допустимая  величина нелинейных искажений, % – 2,0;

Девиация  частоты, кГц – 400;

Диапазон  модулирующих частот, Гц – 300 … 3400.

Т.к. передатчик работает на фиксированной частоте, то представляется возможным путём применения несложных технических решений повысить стабильность средней частоты радиосигнала. В диапазоне 300МГц (длина волны 1м) наиболее рациональным и простым представляется использование ЧМ. Дабы не засорять эфир гармониками высших порядков (в большинстве случаев оконечный каскад передатчика работает в режиме класса С, что ведет сильному обогащению спектра выходного сигнала гармоническими составляющими) необходимо отфильтровывать высшие гармоники. Для достоверной передачи информации важно обеспечить не только высокое отношение с/ш, но и малые нелинейные искажения сигнала в усилительном тракте передатчика и в тракте модулятора. Т.к. основной передаваемой информацией является человеческая речь, то нет особой необходимости в широкой полосе модулирующего сигнала и можно ограничить его полосу в пределах 300Гц…3,4кГц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор структурной схемы передатчика

Структурная схема простейшего  ЧМ передатчика имеет вид:

 

 

 

 

 

 

Однако в  нашем случае придется ввести дополнительные элементы. Т.к. для стабилизации средней частоты используется система ФАПЧ, то необходим генератор высокостабильных колебаний. В качестве генератора высокостабильных колебаний используем автогенератор с кварцевой стабилизацией частоты. Выберем среднюю частоту модулятора равной 100МГц. Т.к. частота канала 300МГц, то необходимо использовать умножитель частоты. Т.к. коэффициент усиления по мощности выходного каскада обычно лежит в пределах 20…50, то необходимо использовать дополнительные каскады промежуточного усиления. С учетом всего вышесказанного структурная схема передатчика будет иметь вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принцип работы передатчика заключается в следующем. ВУ содержит линейный усилитель низкой частоты, который осуществляет предварительное усиление входного сигнала до уровня, необходимого для осуществления модуляции в ЧМ (обычно источником входного сигнала является микрофон, выходное напряжение которого не превышает 10мВ). ПФ формирует частотную характеристику в области НЧ (полоса пропускания 300Гц…3.4кГц по уровню -3дБ). СК обеспечивает развязку ЧМ с ПФ и компенсирует потери, вносимые ПФ.

В качестве управляющего элемента ЧМ используется варикап. Применение варикапа снижает стабильность средней частоты, генерируемой ЧМ. Стабилизацию частоты осуществляет система ФАПЧ. Т.к. построение системы ФАПЧ, работающей на средней частоте генерации затруднительно, то используется ДЧ. Это дает возможность построения системы ФАПЧ с использованием специализированной ИМС 74 серии. В качестве ОГ используется автогенератор с кварцевой стабилизацией частоты (хотя и не исключено применение АГ с фильтром на ПАВ).

УЧ осуществляет утроение средней частоты ЧМ, а  также утроение девиации частоты.

ПУ осуществляет усиление снимаемого с выхода УЧ сигнала по мощности до уровня, необходимого для раскачки выходного каскада. СУ на входе выходного каскада обеспечивает согласование с выходом ПУ, а также осуществляет фильтрацию высших гармоник. СУ на выходе оконечного каскада обеспечивает согласование выходного каскада по мощности с нагрузкой и обеспечивает фильтрацию высших гармоник.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор, обоснование  и энергетический расчёт принципиальной схемы

 

Выбор и расчёт антенно-фидерного тракта.

Т.к. передатчики коммерческой связи получили широкое распространение в связи передачей сигнала на небольшие расстояния у поверхности земли, то в качестве антенны наиболее рациональным является выбор несимметричного вибратора. Для расчёта геометрических размеров воспользуемся программой численного моделирования MMANA. Из теории антенн известно, что входное сопротивление симметричного полуволнового вибратора на частоте резонанса равно 75 Ом, а входное сопротивление несимметричного полуволнового вибратора на частоте резонанса равно 37,5 Ом. Это обстоятельство затрудняет согласование антенны с питающим кабелем. Поэтому в качестве питающего кабеля выберем кабель марки РК-50 с волновым сопротивлением 50 Ом и с помощью изменения геометрических размеров антенны добьёмся наилучшего согласования.

В результате оптимизации были получены следующие данные:

- входное сопротивление  антенны на частоте 300 МГц Z=46.4+j3.84 Ом

- длина антенны L=0.731 м.

Также было проведено моделирование  параметров антенны в полосе излучаемых частот Δf=300±0.4 МГц.

 

Рис.1. График зависимости активного и реактивного входного сопротивления антенны  от частоты.

 

 

 

Рис.2. График зависимости КСВ в антенне от частоты.

 

 

Рис.3. График зависимости коэффициента усиления антенны от частоты.

 

 

 

 

 

 

   

 

Рис.4. ДН антенны в вертикальной плоскости.

 

Как видно из графиков КСВ во всём диапазоне не превышает  значения 1.15. Тогда максимальный коэффициент  отражения не превысит

                                                                (1).

С учётом этого КПД антенного контура имеет вид

,                                                                         (2)

где - собственный КПД антенны (обычно =0.9).

      - КПД на входе учитывающий согласование антенны с фидером

                                                                 (3).

      - КПД фидерного тракта (обычно >0.85)

.

С учётом этого определим необходимую выходную мощность передатчика

                                                              (4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор и энергетический расчёт оконечного каскада УМ

 

В качестве схемы включения выходного  каскада выбираем схему с ОЭ. В качестве выходного транзистора выбираем n-p-n СВЧ транзистор фирмы MOTOROLA 2N6439, обеспечивающий выходную мощность 60 Вт в диапазоне частот 225…400 МГц при питающем напряжении 28 В и минимальный коэффициент усиления по мощности 7.8 дБ на частоте 400 МГц. Ближайшим аналогом отечественного производства является транзистор серии КТ930Б [1]. В качестве схемы включения выберем схему, рекомендуемую производителем.

 

 

Рис.5. Схема оконечного каскада УМ.

 

В таблице 1 приведены рекомендуемые  производителем номиналы элементов.

Таблица 1.

Элемент

С1

С2

С3

С4

С5

С6

С7

С8

С9

С10

С11

L3

L4

R1

Единицы измерения

пФ

пФ

пФ

пФ

пФ

пФ

пФ

пФ

нФ

мкФ

пФ

мкГн

мкГн

Ом

Номинал

39

39

39

39

33

33

33

33

1

4.7

39

1.5

10

15

 

Проведём энергетический расчёт параметров схемы. Исходя из неравенства

Е_П<U_{К ДОП}                                                                                           (5),

 выбираем Е_П=28В, а исходя из соотношения

I _{K MAX}<(0.8…0.9)I_КДОП                                                                     (6),

выбираем I _{K MAX}=9А. Исходя из выбранной схемы, угол отсечки выбираем равным 90⁰. Данному значению угла отсечки соответствуют: