Проектирование каналов радиосвязи

УДК 621.396.1

Реферат Записка содержит: 38 страниц, 12 рисунков, 4 источника.

КАНАЛ СВЯЗИ, МОДУЛЯЦИЯ, РАДИОПРИЕМНИК, РАДИОПЕРЕДАТЧИК, ГЕТЕРОДИН, КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР, РЕЖИМ МОДУЛЯЦИИ, КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР, ТРАНЗИСТОР, УСИЛИТЕЛЬ, ДЕВИАЦИЯ ЧАСТОТЫ, АНТЕННА.

Пояснительная записка содержит проект радиоканала в соответствии с выданным вариантом. По данному проекту был произведен выбор структурной схемы, выбрана и обоснована функциональная схема канала радиосвязи. Были проведены предварительные расчеты основных параметров передающей части канала и основных параметров приемной части канала. Также рассчитаны режимы узлов и проведена разработка принципиальных схем передающей части канала радиосвязи. Для обоснования использования проектируемого канала в поездной радиосвязи был проведен расчет кривой наземного затухания напряженности поля радиоволны при радиосвязи дежурного по станции с машинистом поезда. Последним пунктом расчета разработан синтезатор частоты, обслуживающий радиоканал.

В заключение по результатам проектирования была составлена принципиальная схема радиопередающего устройства, рассчитанного в проекте.

Содержание Введение

1. Выбор варианта проекта

2. Выбор функциональных схем приемной и передающей частей канала

2.1 Функциональная схема радиопередающей части канала

2.2 Функциональная схема радиоприемной части канала

3. Расчет параметров функциональной схемы передающей части канала

4. Расчет параметров функциональной схемы приемной части канала

5. Расчет кривой наземного затухания напряженности поля радиоволны

6. Расчет усилителя мощности радиочастоты

6.1 Расчет оконечного каскада

6.2 Расчет предоконечного каскада

7. Расчет буферного усилителя радиочастоты

7.1 Расчет режима термостабилизации

7.2 Расчет Y-параметров для каскодного включения транзисторов

7.3 Расчет режима усиления буферного усилителя

8. Расчет режима автогенератора

8.1 Расчет режима по постоянному току

8.2 Энергетический расчет автогенератора

8.3 Расчет колебательного контура

8.4 Расчет режима частотной модуляции

9. Принципиальная схема передающей части канала Заключение Список литературы

Введение

Приемопередающим устройством в системах радиосвязи называется источник и приемник радиочастотных колебаний. Главное назначение приемопередатчика — прием и формирование радиосигнала в соответствии с требованиями, установленными при разработке системы. Радиосигнал — это колебание радиочастоты, один или несколько параметров которого изменяются (модулируются) в соответствии с передаваемым сообщением.

Частотная модуляция (ЧМ) применяется в высококачественном радиовещании, в радиолокационных системах непрерывного излучения, в радиорелейных линиях с большим числом каналов. При любых видах модуляции энергия сигнала локализована в узкой полосе частот спектра радиочастоты. Это означает, что радиосигнал представляет собой колебание, близкое к гармоническому, поэтому основным сигналом, для которого рассчитываются режимы каскадов приемопередатчика, является гармонический.

Системы радиосвязи на железнодорожном транспорте делятся на: поездные, станционные, ремонтно-оперативные, индивидуальные по специально выделенным каналам и т. д. Радиосвязь в отрасли железных дорог осуществляется в нескольких диапазонах радиоволн:

— гектометровые волны КВ (МГц);

— метровые волны УКВ1 (МГц);

— и дециметровые — УКВ2 (МГц и МГц).

Наибольшее использование в поездной и станционной радиосвязи получил диапазон метровых радиоволн, поэтому парк радиостанций этого диапазона самый обширный. Задачей данного проекта является разработка канала радиосвязи метрового диапазона, включающего в себя передающую и приемную части.

Цель данного проекта состоит в расчете основных параметров радиоканала и расчете радиопередающей части радиоканала. Для этого предполагается произвести выбор структурной схемы, выбрать и обосновать функциональную схему канала радиосвязи. Необходимо провести предварительные расчеты основных параметров передающей части канала и основных параметров приемной части канала. Также предполагается рассчитать режимы узлов и провести разработку принципиальных схем передающей части канала радиосвязи. Для обоснования использования проектируемого канала в поездной радиосвязи необходимо провести расчет кривой наземного затухания напряженности поля радиоволны при радиосвязи дежурного по станции с машинистом поезда. Последним пунктом расчета планируется разработка синтезатора частоты, обслуживающего радиоканал.

В заключение по результатам проектирования необходимо составить принципиальную схему радиопередающего устройства, рассчитанного в проекте.

1. Выбор варианта проекта В соответствии с индивидуальным заданием для группы «Е» и вариантом № 11 (по журналу) взяты нижеследующие начальные данные.

Значения рабочей частоты возбудителя и первого гетеродина:

МГц

МГц Выходная мощность передающего устройства на нагрузке 50:

Вт Коэффициент усиления постоянного тока в оконечном и в предоконечных каскадах, выполненных на транзисторах КТ909А, КТ907А и КТ606:

Высота стационарной антенны:

м Высота локомотивной антенны:

м Чувствительность приемного устройства по системе СИНАД при отношении «сигнал/шум», равном 12 дБ, и входном сопротивлении приемника 50 Ом:

мкВ Все каскады усиления и преобразования рекомендуется выполнить на транзисторах ГТ311Е, которые имеют коэффициент усиления по постоянному току:

Параметры девиации частоты модулятора:

кГц

кГц Избирательность приемника по зеркальному каналу:

дБ Избирательность приемника по соседнему каналу:

дБ Стабильность частоты возбудителя и гетеродинов:

Коэффициент нелинейных искажений сигналов в радиоканале:

(8%)

Материальная база разработки: транзисторы, микросхемы Номиналы напряжения питания: 25, 15, 12, 9, 5 В

2. Выбор функциональных схем приемной и передающей частей канала

2.1 Функциональная схема радиопередающей части канала Проектирование радиопередающей части канала начинается с разработки функциональной схемы. В настоящее время на железнодорожном транспорте внедрена система аналоговой частотно-модулированной (ЧМ) радиосвязи на основе приемопередатчика диапазона метровых волн УПП-2МВ стационарной радиостанции «Транспорт РС-46М». Система выполнена на современной микроэлементной базе с применением микропроцессорной технологии обслуживания с программным обеспечением, позволяющим конфигурировать режимы радиостанции применительно к конкретным условиям эксплуатации на используемой сетке частот, при так называемом симплексе (работает передатчик — выключен собственный приемник и наоборот).

Структурная схема такого канала приведена на рисунке 2.1. В ee состав входят следующие устройства:

— блок коммутации К симплексного режима работы;

— передающая часть канала, включающая в себя усилитель мощности (УМ), синтезатор-возбудитель, опорный генератор и модулятор, обеспечивающий оптимальный режим частотной модуляции в канале;

приемная часть канала, включающая в себя тракт усиления радиочастоты (УРЧ), синтезатор первого гетеродина и сам гетеродин, первый смеситель, усилитель первой промежуточной частоты и завершающую часть приемника, выполненную на одной микросхеме МС3371Р, — второй смеситель, второй гетеродин, усилитель второй промежуточной частоты, частотный детектор и предварительный усилитель звуковой частоты. После микросхемы следует тракт дополнительного усиления сигнала, который подается затем в блок автоматики.

Рисунок 2.1 — Структурная схема канала радиосвязи Для разрабатываемой функциональной схемы передающей части канала из структурной схемы выбираются устройства: коммутатор К, усилитель мощности, который может состоять из двух каскадов предварительного усиления (ПОК1 и ПОК2) и оконечного усилителя мощности ОК. Схема синтезатора-возбудителя предназначена для формирования высокочастотного ЧМ-колебания с амплитудой не менее 0,5 В, которое используется для возбуждения предварительного усилителя мощности ПОК1.

Диапазон частоты возбудителя — от 151,725 до 156,000 МГц, шаг сетки частоты — 25 кГц. В состав возбудителя входят устройства: ГУН1 на транзисторе ГТ311Е и варикапах КВ121А; буферный усилитель на двух транзисторах того же типа, включенных по каскодной схеме (ОЭ-ОБ); большая интегральная схема (БИС) синтезатора частоты типа КФ1015ПЛ4Б или КР1015ХК2. Опорный сигнал частотой 10 МГц для передающего и приемного синтезаторов вырабатывает высокостабильный генератор «Топаз-03», выпускаемый в виде малогабаритного конструктивного устройства, питаемого стабилизированным напряжением +9 В. В данном проекте он используется как функциональный блок без представления принципиальной схемы.

На вход синтезатора частоты поступает сигнал с ГУН1 через развязывающее устройство в виде буферного усилителя. Входом является включенный в синтезатор делитель частоты с переменным коэффициентом деления ДПКД, с выхода которого сигнал поступает на один из входов частотно-фазового детектора ЧФД. На второй вход детектора подается высокочастотный сигнал опорного генератора ОГ, прошедший через делитель опорной частоты ДОЧ. ЧФД формирует сигнал ошибки, пропорциональный разности фаз входных сигналов. Это напряжение ошибки по цепи фазовой автоподстройки ФАПЧ через фильтр низких частот ФНЧ подается на управляющий вход ГУН1, что приводит к изменению его частоты до требуемого значения, определяемого коэффициентом ДПКД. Синтезатор имеет выход сигнала детектора захвата частоты петлей ФАПЧ.

На ГУН1 одновременно осуществляются частотная модуляция и автоподстройка его частоты. Чтобы не происходило снижения девиации частоты за счет схемы ФАПЧ, постоянная времени ФНЧ на выходе синтезатора выбрана много больше, чем период низкой частоты (Гц) спектра низкочастотного сигнала. При этом ФАПЧ работает на частотах Гц и не реагирует на сравнительно быстрые изменения частоты при ее девиации.

Особое место в схеме передающего тракта занимает модулятор, который выполняет следующие функции:

— обеспечивает номинальную девиацию частоты ;

— ограничивает максимальное значение девиации частоты ;

— осуществляет предкоррекцию амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) тракта по закону +6 дБ/октава.

Для выполнения указанных функций схема модулятора содержит в себе следующие устройства:

— усилитель звуковой частоты, охваченный петлей автоматической регулировки усиления (АРУ), которая производит сжатие динамического диапазона входных сигналов;

— корректор АЧХ +6 дБ/октава для модулирующего сигнала, поступающего с блока автоматики;

— амплитудный ограничитель, устраняющий перемодуляцию передатчика;

— ФНЧ, служащий для ограничения полосы пропускания модулирующих сигналов в пределах от 0,3 до 3,4 кГц;

— формирователь сигнала исправности модулятора.

Расчет режима модулятора в данном проекте не выполняется, в принципиальную и функциональную схемы вставлены только его функциональный блок.

Параметры стандартного модулятора:

— чувствительность модуляционного входа модулятора при Ом не менее 300 мВ;

— отклонение амплитудно-частотной модуляционной характеристики передатчика (АЧМХ) от характеристики с предкоррекцией +6 дБ/октава лежит в пределах дБ);

— уровень паразитной амплитудной модуляции составляет не более 3%.

2.2 Функциональная схема радиоприемной части канала Проектирование радиоприемной части канала начинается с разработки функциональной схемы. Эта схема составляется на основе структурной схемы, изображенной на рисунке 2.1. Для функциональной схемы приемника выбираются кроме коммутатора К два усилителя радиочастоты — УРЧ1 и УРЧ2, первый смеситель VT1, на второй вход которого подается через буферный усилитель БУ2 сигнал с генератора, управляемого напряжением ГУН2, который выполняет роль первого гетеродина приемника. Диапазон перестраиваемой частоты первого гетеродина — от 173,125 до 177,400 МГц (канала) обеспечивается собственным синтезатором приемной части канала (аналогичен синтезатору возбудителя).

Схема генератора, управляемого напряжением ГУН2, аналогична схеме ГУН1, но имеет более простую колебательную систему, так как в ней не должна производиться частотная модуляция. Для увеличения мощности сигнала первого гетеродина и его надежной развязки от смесителя и синтезатора частоты должен быть использован буферный усилитель БУ2, собранный по каскодной схеме ОЭ-ОБ.

В БИС синтезатора частоты приемника входят те же элементы, что и в функциональную схему, выполнен он на микросхеме D2 типа КФ1015ПЛ4Б либо КР1015ХК2. В качестве опорной частоты МГц используется частота ОГ «Топаз-03», имеющего относительную нестабильность. Напряжение рассогласования, сформированное частотно-фазовым детектором синтезатора, через ФНЧ поступает на варикапы колебательного контура ГУН2 и управляет его частотой. Запись коэффициентов деления ДПКД и опорного делителя в регистр синтезатора осуществляется последовательным двоичным кодом по цепям «Запись 1», «Данные», «Синхронизация». В приемном синтезаторе также предусмотрена схема контроля (вывод 4), формирующая сигнал исправности синтезатора при наличии захвата в кольце ФАПЧ.

Рисунок 2.2 — Функциональная схема передающей части канала Преобразованный сигнал со смесителя СМ1 через фильтр сосредоточенной избирательности ФСИ1 поступает на усилитель первой промежуточной частоты МГц, выполненный по стандартной схеме. С ее нагрузки (двухконтурного фильтра) сигнал поступает на вход микросхемы D3 типа МС3371Р. Микросхема D осуществляет второе преобразование частоты сигнала во вторую промежуточную частоту кГц, ее усиление, частотное детектирование и предварительное усиление звуковой частоты речевого сигнала.

К выводу 1 микросхемы D подключен кварцевый резонатор Z1, который служит для генерации вторым гетеродином стабильной частоты кГц.

Сигнал второй промежуточной частоты выделяется кварцевым фильтром сосредоточенной избирательности ФСИ2 (дБ), усиливается и детектируется. Усиленный микросхемой D3 сигнал поступает на активный фильтр низких частот ФНЧ и на конечный усилитель в блоке автоматики и управления, выполняющий функцию частотного корректора, обеспечивающего завал частотной характеристики сигнала минус 6 дБ/октава. Далее сигнал звуковой частоты используется в блоке автоматики.

3. Расчет параметров функциональной схемы передающей части канала Требуется рассчитать передающую часть канала с исходными параметрами:, ,, ,, Гц.

В таблице параметров транзистора КТ909А приведены следующие данные для типового режима его работы: Вт,, МГц, по которым может быть рассчитан коэффициент усиления мощности оконечного каскада на рабочей частоте с помощью формулы:

(3.1)

Мощность возбуждения на входе оконечного каскада рассчитывается по формуле:

(3.2)

Где — коэффициент полезного действия контура предоконечного каскада, его значение выбирается с запасом:

Вт Предоконечный каскад может быть выполнен на менее мощном транзисторе КТ907А со следующими параметрами типового режима: МГц,, по ним может быть рассчитан коэффициент на рабочей частоте по формуле:

(3.3)

Мощность возбуждения на входе предоконечного каскада ПОК рассчитывается по формуле:

(3.4)

Вт Так как для возбуждения предоконечного каскада мощности буферного усилителя, нагружающего ГУН1, будет недостаточно, то необходимо рассчитать еще один предоконечный каскад ПОК1 на транзисторе КТ606 со следующей мощностью возбуждения:

(3.5)

Мощности ГУН1 будеет достаточно, чтобы возбудить дополнительный каскад. Затем требуется узнать оптимальную амплитуду модулирующего напряжения звуковой частоты по нижеследующей формуле. В данном проекте используется варикап КВ123А с напряжением постоянного смещения В при емкости пФ.

(3.6)

где — коэффициент нелинейности характеристики варикапа (рекомендуется принимать);

— напряжение постоянного смещения варикапа (чаще всего В).

В Режимы автогенератора ГУН с буферным усилителем не нуждаются в предварительных расчетах.

4. Расчет параметров функциональной схемы приемной части канала Требуется рассчитать приемную часть канала радиосвязи с исходными параметрами:, ,, ,, ,. Функциональная схема приемной части канала приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 — Функциональная схема приемной части канала Полоса частот генерации ЧМ канала рассчитывается с помощью формулы:

(4.1)

где — индекс частотной модуляции;

— максимальная девиация частоты ЧМ сигнала;

— максимальная частота телефонного спектра.

Гц Полоса частотной нестабильности канала рассчитывается по формуле:

(4.2)

где — абсолютная нестабильность частоты возбудителя;

— абсолютная нестабильность частоты гетеродина;

— абсолютная нестабильность тракта промежуточной частоты.

Гц

Гц

Гц

Гц

Гц

Гц Ширина полосы пропускания приемного тракта не должна превышать 25 кГц, она рассчитывается по формуле:

(4.3)

Гц Первая промежуточная частота определяется с помощью заданного значения избирательности по зеркальной помехе по формуле:

(4.4)

где — число колебательных контуров в тракте;

— эквивалентное затухание колебательных контуров ().

МГц В данном проекте в качестве первой промежуточной частоты используется стандартная, принятая в новых железнодорожных радиостанциях: МГц.

Однако проверка показывает, что полученная промежуточная частота не сможет обеспечить требуемую избирательность по соседнему каналу (дБ), поэтому необходимо использовать двойное преобразование частоты.

Вторая промежуточная частота определяется по формуле:

(4.5)

где (при использовании ФСИ);

;

кГц;

МГц В данном проекте в качестве второй промежуточной частоты используется стандартная, принятая в новых железнодорожных радиостанциях: кГц.

Оценить степень ослабления второй зеркальной помехи в тракте преселектора (УРЧ) можно по формуле:

(4.6)

где, МГц,, .

Малое ослабление зеркальной помехи в преселекторе требует использования в трактах УПЧ1 и УПЧ2 фильтров сосредоточенной избирательности кварцевого или пьезокерамического типа, поэтому в данном проекте для УПЧ1 используется фильтр ФП2П4−272−21,4М-18к, выполненный по техническим условиям АЦО.206.091ТУ. Для работы с микросхемой D3 (используется микросхема МС3371Р) для УПЧ2 — фильтр ФП1П1−11АДКШ.433.550.001ТУ Распределение усиления по каскадам приемника: так двухкаскадный УРЧ может иметь устойчивый коэффициент усиления не менее, то при чувствительности приемника мкВ на входе первого преобразователя появится сигнал с напряжением, рассчитываемым по формуле:

(4.7)

мкВ Принимается, что общий коэффициент усиления в тракте УПЧ1 равен, тогда на вход второго преобразователя будет подаваться напряжение:

(4.8)

мкВ Далее оценивается общий коэффициент усиления приемного тракта с пятикратным запасом (), при условии, что на предельной чувствительности микросхема МС3361Р может выдавать выходное напряжение низкой частоты не менее 0,1 В по формуле:

(4.9)

;

Коэффициент усиления, приходящийся на микросхему МС3361Р должен быть не менее чем рассчитанный по следующей формуле:

(4.10)

;

5. Расчет кривой наземного затухания напряженности поля радиоволны Требуется рассчитать значения напряженности поля радиосигнала Е, напряжений сигнала на входе кабеля, соединяющего локомотивную антенну с приемником радиостанции и значения напряжений сигнала на входе самого локомотивного приемника, если длина соединительного кабеля м, а погонное затухание кабеля дБ/м.

Высота стационарной антенны, приведенная с учетом сферичности земли, рассчитывается по формуле:

(5.1)

где — приведенный радиус земли с учетом нормальной тропосферной рефракции радиоволн в приземном слое атмосферы.

Высота локомотивной антенны, приведенная с учетом сферичности земли, рассчитывается по формуле:

(5.2)

Напряженность поля в месте расположения локомотивной антенны рассчитывается по квадратичной формуле Б. А. Введенского:

(5.3)

где — мощность, излучаемая антенной;

— коэффициент усиления простейшей стационарной антенны полуволнового вибратора;

Напряжение на входе кабеля, соединяющего локомотивные антенну и приемник радиостанции рассчитывается по формуле:

(5.4)

где — действующая высота локомотивного четвертьволнового вибратора;

— ЭДС, наведенная в антенне полем радиоволны.

Напряжение на входе локомотивного приемника радиостанции при длине кабеля м рассчитывается по формуле:

(5.5)

где — коэффициент затухания напряжения в кабеле.

Расчет проведен для км, данные расчетов для остальных значений удаления сведены в таблицу 5.1.

;

м

м

В/м

В

В Таблица 5.1 — Данные для кривой наземного затухания напряженности поля радиоволны

Кривая наземного затухания напряженности поля радиоволны, построенная по данным таблицы 5.1, изображена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 — Кривая наземного затухания напряженности поля радиоволны Из графика видно, что напряжение 0,5 мкВ достигается на расстоянии 26,9 км.

6. Расчет усилителя мощности радиочастоты Основу технического расчета транзисторного генератора с посторонним возбуждением составляет энергетический расчет режима транзистора. Расчет энергетики коллекторной и базовой цепей усилителя мощности высокой частоты производится по упрощенной методике. Исходными данными для энергетического расчета являются основные технические параметры, приведенные в задании, а также полученные в результате предварительного расчета функциональной схемы. По этим данным производится выбор транзистора, вследствие чего становятся известными следующие его параметры:, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, , .

Формулы, используемые в расчете, соответствуют упрощенной эквивалентной схеме замещения мощного транзистора, приведенной на рисунке 6.1. В этой схеме применены следующие обозначения: — сопротивление материала тела базы транзистора между выводом и р-n-переходом; - сопротивление рекомбинации; и — соответственно барьерная и диффузионная емкость эмиттерного перехода; и — активная и общая емкость коллекторного перехода.

Рисунок 6.1 — Упрощенная эквивалентная схема замещения мощного транзистора

6.1 Расчет оконечного каскада Типовая рабочая схема выходного каскада представлена на рисунке 6.2.

Рисунок 6.2 — Типовая рабочая схема выходного каскада В ходе расчета угол отсечки коллекторного тока транзистора КТ909А выбирается для критического режима класса В: (,).

Коэффициент использования коллекторного напряжения транзистора в граничном режиме рассчитывается по формуле:

(6.1)

где В Далее рассчитывается напряжение эквивалентного генератора по формуле:

(6.2)

В Амплитуда тока первой гармоники коллектора находится по формуле:

(6.3)

А Формула для проверки допустимого напряжения коллекторного перехода:

(6.4)

В Расчет нагрузки эквивалентного генератора производится по формуле:

канал ток затухание радиочастота

(6.5)

Ом Амплитуда импульса коллекторного тока находится по формуле:

(6.6)

А Постоянный ток коллектора рассчитывается по формуле:

(6.7)

А Мощность, потребляемая от источника питания, находится по формуле:

(6.8)

Вт Мощность, рассеиваемая на коллекторе, рассчитывается по формуле:

(6.9)

Вт КПД генератора находится по формуле:

(6.10)

;

Угол дрейфа носителей тока через базу рассчитывается по формуле:

(6.11)

Нижний угол отсечки импульсов эмиттерного тока находится по формуле:

(6.12)

По таблице коэффициентов Берга находятся следующие коэффициенты:

Постоянный ток эмиттера рассчитывается по формуле:

(6.13)

А Амплитуда эмиттерного тока находится по формуле:

(6.14)

А Ток первой гармоники эмиттера рассчитывается по формуле:

(6.15)

А Крутизна тока коллектора на рабочей частоте находится по формуле:

(6.16)

См Амплитуда переменного напряжения возбуждения базы находится по формуле:

(6.17)

В Модуль коэффициента передачи напряжения возбуждения с входных электродов (б-э) на р-n-переход (б-э) определяется в соответствии с рисунком 6.3.

Рисунок 6.3 — Схема внутреннего делителя напряжения б-э транзистора

(6.18)

Приближенное значение входного сопротивления транзистора на рабочей частоте рассчитывается по формуле:

(6.19)

Ом Мощность сигнала на входе оконечного каскада (ОК) находится по формуле:

(6.20)

Вт Коэффициент усиления мощности в оконечном каскаде находится по формуле:

(6.21)

Тепловое сопротивление радиатора охлаждения транзистора рассчитывается с помощью формулы:

(6.22)

где — температура окружающей транзистор среды;

— тепловое сопротивление (переход-корпус) транзистора;

— тепловое сопротивление между теплоотводом и корпусом транзистора, С/Вт.

С/Вт При постройке конструкции по тепловому сопротивлению радиатора охлаждения при помощи справочной литературы определяется его объем и форма конструкции:

Площадь основания: 30 см² (при толщине основания 1 мм) Объем радиатора: 11 см³

То есть можно предложить следующий радиатор: 50×60×4 мм

6.2 Расчет предоконечного каскада Энергетический расчет предоконечных каскадов производится по методике, аналогичной изложенной выше. Но в качестве выходной мощности первого предоконечного каскада выбирается входная мощность оконечного каскада, увеличенная в раз, где — коэффициент запаса, обычно, то есть в качестве выходной мощности второго предоконечного каскада выбирается входная мощность первого предоконечного с коэффициентом запаса. В большинстве случаев надобности во втором предоконечном каскаде не возникает, так как мощность в десятки милливатт обеспечивает буферный усилитель. Используемый транзистор — КТ606.

Входная мощность каскада определяется по формуле:

(6.23)

Вт Коэффициент использования коллекторного напряжения транзистора в граничном режиме рассчитывается с помощью формулы:

(6.24)

;

Далее рассчитывается напряжение эквивалентного генератора по формуле:

(6.25)

В Амплитуда тока первой гармоники коллектора находится по формуле:

(6.26)

А Формула для проверки допустимого напряжения коллекторного перехода:

(6.27)

В Расчет нагрузки эквивалентного генератора производится по формуле:

(6.28)

Ом Амплитуда импульса коллекторного тока находится по формуле:

(6.29)

А Постоянный ток коллектора рассчитывается по формуле:

(6.30)

А Мощность, потребляемая от источника питания, находится по формуле:

(6.31)

Вт Мощность, рассеиваемая на коллекторе, рассчитывается по формуле:

(6.32)

Вт КПД генератора находится по формуле:

(6.33)

;

Угол дрейфа носителей тока через базу рассчитывается по формуле:

(6.34)

Нижний угол отсечки импульсов эмиттерного тока находится по формуле:

(6.35)

По таблице коэффициентов Берга находятся следующие коэффициенты:

Постоянный ток эмиттера рассчитывается по формуле:

(6.36)

А Амплитуда эмиттерного тока находится по формуле:

(6.37)

А Ток первой гармоники эмиттера рассчитывается по формуле:

(6.38)

А Крутизна тока коллектора на рабочей частоте находится по формуле:

(6.39)

См Амплитуда переменного напряжения возбуждения базы находится по формуле:

(6.40)

В Модуль коэффициента передачи напряжения возбуждения с входных электродов (б-э) на р-n-переход (б-э) определяется в соответствии с рисунком 6.3.

(6.41)

;

Приближенное значение входного сопротивления транзистора на рабочей частоте рассчитывается по формуле:

(6.42)

Ом Мощность сигнала на входе предоконечного каскада (ПОК) находится по формуле:

(6.43)

Вт Коэффициент усиления мощности в предоконечном каскаде находится по формуле:

(6.44)

;

Тепловое сопротивление радиатора охлаждения транзистора рассчитывается с помощью формулы:

(6.45)

где — температура окружающей транзистор среды;

— тепловое сопротивление (переход-корпус) транзистора;

— тепловое сопротивление между теплоотводом и корпусом транзистора, С/Вт.

С/Вт При постройке конструкции по тепловому сопротивлению радиатора охлаждения при помощи справочной литературы определяется его объем и форма конструкции. Однако в данном случае при малой рассеиваемой мощности и очень большом тепловом сопротивлении радиатором можно пренебречь.

Полученное в расчетах значение мощности относительно невелико, что позволяет отказаться от использования второго предоконечного каскада.

7. Расчет буферного усилителя радиочастоты Промежуточный каскад усиления, включенный между автогенератором и каскадом усиления мощности, называется буферным, т. е. разделительным. Он выполняет две функции: ослабляет влияние мощных усилительных каскадов на режим автогенератора; обеспечивает по возможности малую нагрузку для автогенератора с целью повышения стабильности его частоты. Первая функция требует минимальной проходной емкости с коллектора на базу буферного усилителя, вторая — высокого входного сопротивления усилителя. Обе задачи достаточно хорошо решаются в усилителе, собранном по так называемому каскодному принципу включения, когда первый каскад усиления включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ), а второй — по схеме с общей базой (ОБ). У такого усилителя получаются достаточно высокое (выше, чем у усилителя мощности) входное сопротивление и минимальная проходная емкость пФ. Помимо этого, каскодный усилитель обеспечивает высокий устойчивый коэффициент усиления сигнала по напряжению.

Расчет режима буферного усиления делится на три части: расчет термостабилизации усиления; уточнение Y-параметров для каскодного включения транзисторов; расчет всех параметров усиления. Схема буферного усилителя представлена на рисунке 7.1. В качестве активных элементов VT1 и VT2 взяты транзисторы типа ГТ311Е.

Исходные данные (в соответствии со справочными данными):

В

МГц

В

В

мА

См

В

В

А

Вт

оС/Вт

Ом

пФ

пФ

пФ

оС

оС

мкА

К

К

К Рисунок 7.1 — Схема буферного усилителя

7.1 Расчет режима термостабилизации Расчет режима постоянного тока и температурной стабилизации проводится в интервале С. Температурное смещение обратного тока коллектора транзистора рассчитывается с помощью формулы:

(7.1)

где — температура в абсолютной системе градусов Кельвина (К).

А Температурное смещение напряжения базы находится по формуле:

(7.2)

где — коэффициент температурного смещения, мВ/К.

В Температурное смещение прямого тока коллектора рассчитывается по формуле:

(7.3)

А Сопротивление резистора в эмиттерной цепи находится по формуле:

(7.4)

Ом Общее сопротивление смещения рассчитывается по формуле:

(7.5)

где В — напряжение питания;

.

Ом Сопротивление базового смещения транзистора VT1 находится по формуле:

(7.6)

Ом Сопротивление базового смещения транзистора VT2 рассчитывается по формуле:

(7.7)

Ом Гасящее сопротивление находится исходя из формулы (7.5):

Ом Сопротивление фильтра рассчитывается по формуле:

(7.8)

Ом Емкость блокировочных конденсаторов рассчитывается по формуле:

(7.9)

Ф Далее из номинального ряда выбираются значения используемых элементов:

Сопротивление кОм Сопротивление кОм Сопротивление кОм Сопротивление Ом Сопротивление Ом Емкости пФ

7.2 Расчет Y-параметров для каскодного включения транзисторов Расчетпараметров для каскодного включения транзисторов производится по следующим формулам:

(7.10)

(7.11)

(7.12)

(7.13)

См

См

См

См

7.3 Расчет режима усиления буферного усилителя Расчет начинается с выбора согласующего устройства в качестве высокочастотной нагрузки каскада в виде последовательного колебательного контура, представленного на рисунке 7.2. Значения сопротивлений и равны соответственно выходному сопротивлению буферного усилителя и входному сопротивлению предоконечного каскада.

Рисунок 7.2 — Схема межкаскадного согласующего устройства

Устойчивый коэффициент усиления усилителя находится по формуле:

(7.14)

;

Эквивалентная проводимость нагрузки буферного усилителя рассчитывается по формуле:

(7.15)

См Реальный коэффициент усиления находится по нижеследующей формуле, при этом для устойчивой работы буферного усилителя он не может превосходить коэффициент устойчивого усиления.

(7.16)

;

Сопротивление находится по формуле:

(7.17)

Ом Эквивалентная добротность вычисляется по формуле:

(7.18)

где Ом — входное сопротивление транзистора ПОК по формуле (6.42)

принимается значение добротности .

Индуктивность контура находится по формуле:

(7.19)

Гн Далее по нижеследующим формулам находятся емкости:

(7.20)

(7.21)

Ф

Ф Входное сопротивление буферного усилителя находится по формуле

(7.22)

Ом Предполагая, что с автогенератора на вход буферного усилителя поступает переменное напряжение с амплитудой не менее 0,5 В, то выходное напряжение можно вычислить с помощью формулы:

(7.23)

В Выходная мощность буферного усилителя рассчитывается по формуле:

(7.24)

Вт При корректном расчете значение выходной мощности должно значительно превосходить входную мощность предоконечного каскада (ПОК), создавая запас:

(7.25)

то есть делается вывод о том, что расчеты корректны.

Далее из номинального ряда выбираются значения используемых элементов:

Емкость пФ Емкость пФ

8. Расчет режима автогенератора Автогенераторами (АГ) называются устройства, в которых энергия источников питания преобразуется в энергию высокочастотных колебаний без внешнего возбуждения. Автогенераторы являются первичными источниками колебаний, частота и амплитуда которых определяются только собственными параметрами схемы и должны в очень малой степени зависеть от внешних условий. В состав автогенератора входят активный элемент (АЭ) и колебательная система (КС). Активный элемент управляет поступлением порций энергии источника питания в колебательную систему для поддержания амплитуды колебаний на определенном уровне. Колебательная система задает частоту колебаний, близкую к одной из ее собственных частот.

Автогенераторы применяются в качестве задающих генераторов, входящих в состав возбудителей передающих устройств, а также гетеродинов приемников. Выходная мощность АГ играет роль только в однокаскадных передатчиках. В многокаскадных передатчиках основные требования предъявляются к стабильности частоты АГ, которую невозможно улучшить в последующих каскадах. Расчет режима АГ делится на четыре части: расчет режима постоянного тока, энергетический расчет, расчет колебательной системы и расчет режима частотной модуляции полезным сигналом.

Схема автогенератора, работающего в режиме частотной модуляции полезным сигналом и сигналом автоподстройки частоты от синтезатора, представлена на рисунке 8.1. В основе АГ заложена схема трехточки Клаппа с колебательным контуром третьего вида. Автогенератор в данном проекте выполняется на транзисторе ГТ311Е. Рабочая частота АГ определена вариантом задания и составляет МГц. В качестве шины питания в схеме предлагается использовать шину с напряжением В для питания всех делителей напряжения, а для коллектора активного элемента напряжение от этой шины подается через ограничивающее сопротивление.

Рисунок 8.1 — Схема автогенератора

8.1 Расчет режима по постоянному току Температурное изменение обратного тока коллектора рассчитывается по формуле:

(8.1)

А Тепловое смещение напряжения базы находится по формуле:

(8.2)

где — коэффициент температурного смещения, мВ/К.

В Температурное изменение прямого тока коллектора находится по формуле:

(8.3)

А Сопротивление резистора в эмиттерной цепи рассчитывается по формуле:

(8.4)

где — активная часть входного сопротивления транзистора

Ом Напряжение коллекторного питания находится по формуле:

(8.5)

В Сопротивления делителя напряжения рассчитываются по формулам:

(8.6)

(8.7)

Ом

Ом Блокировочная емкость находится по формуле:

(8.8)

Ф Ограничивающее сопротивление в цепи питания коллектора рассчитывается по формуле:

(8.9)

Ом Далее из номинального ряда выбираются значения используемых элементов:

Сопротивление Ом Сопротивление кОм Сопротивление кОм Сопротивление кОм Емкость пФ

8.2 Энергетический расчет автогенератора Для расчета автогенератора угол отсечки выбирается равным. По таблице коэффициентов Берга находятся следующие коэффициенты:

(8.10)

;

Амплитуда импульса коллекторного тока, соответствующего току мА и напряжению В находится по формуле:

(8.11)

мА Определяются коэффициенты положительной обратной связи, соответствующие работе АЭ в предельных режимах: — по току; - по напряжению; - по мощности транзистора по нижеследующим формулам:

(8.12)

(8.13)

(8.14)

;

;

;

Рабочее значение коэффициента обратной связи выбирается из соображений того, что оно должно быть меньше наименьшего значения рассчитанных величин:

(8.15)

;

Нормирующее напряжение базы рассчитывается по формуле:

(8.16)

В Напряжение возбуждения находится по формуле:

(8.17)

В Переменное напряжение «коллектор — эмиттер» рассчитывается по формуле:

(8.18)

В Ток первой гармоники коллектора находится исходя из формулы:

(8.19)

А Напряжение базового смещения рассчитывается по формуле:

(8.20)

В Пиковое обратное напряжение базы находится по формуле:

(8.21)

В Мощность, отдаваемая в нагрузку, рассчитывается по формуле:

(8.22)

Вт Мощность, потребляемая от источника питания, находится по формуле:

(8.23)

Вт КПД автогенератора рассчитывается по формуле:

(8.24)

;

Мощность, рассеиваемая коллектором, находится по формуле:

(8.25)

Вт Эквивалентное сопротивление генератора рассчитывается по формуле:

(8.26)

Ом

8.3 Расчет колебательного контура Перед началом расчета колебательного контура, представленного на рисунке 8.2, необходимо задать его основные параметры.

Рисунок 8.2 — Схема колебательного контура (трехточка Клаппа) Для лучшей стабильности частоты целесообразно выбирать контур с высокой добротностью () и большим характеристическим сопротивлением. Кроме того, рекомендуется выбрать реактивное сопротивление емкости в пределах Ом. Обычно на частотах до 150 МГц удается реализовать указанную добротность и Ом. В данном проекте устанавливается следующие значения:; Ом, Ом.

Емкость находится исходя из формулы:

(8.27)

Ф Реактивное сопротивление емкости рассчитывается по формуле:

(8.28)

Ом Емкость находится исходя из формулы:

(8.29)

Ф Коэффициент включения нагрузки со стороны емкости находится по формуле:

(8.30)

;

Сопротивление реактивности рассчитывается по формуле:

(8.31)

Ом Индуктивность определяется из характеристического сопротивления колебательного контура:

(8.32)

Гн Реактивное сопротивление емкости находится по формуле:

(8.33)

Ом Емкость рассчитывается по формуле:

(8.34)

Ф Собственная проводимость контура находится по формуле:

(8.35)

См Межэлектродная проводимость может быть рассчитана по формуле:

(8.36)

Но ее значение обычно не выходит за пределы мкСм, поэтому можно принять См.

Оптимальная проводимость нагрузки автогенератора находится по формуле:

(8.37)

См Мощность автогенератора, подводимая к оптимальной нагрузке, рассчитывается исходя из формулы:

(8.38)

Вт Оптимальное сопротивление нагрузки находится по формуле:

(8.39)

Ом Далее из номинального ряда выбираются значения используемых элементов:

Емкость пФ Емкость пФ Емкость пФ

8.4 Расчет режима частотной модуляции В данном проекте реализован прямой метод получения частотной модуляции сигнала автогенератора путем включения в его колебательный контур нелинейной емкости () варикапа (КВ123), как показано на рисунке 8.3.

Рисунок 8.3 — Часть схемы контура с варикапом На катод варикапа подведено напряжение обратного смещения с делителя, (,), равное +4 B, а через разделительный конденсатор и дроссель (,) подается напряжение звуковой частоты с подмодулятора передатчика. Второй варикап смещается сигналом автоподстройки частоты с синтезатора. Выбранный тип варикапа КВ123 при напряжении смещения обеспечивает постоянные емкость пФ и нелинейные искажения (5%) при коэффициенте нелинейности вольт-фарадной характеристики (ВФХ) .

Амплитуда модулирующего напряжения рассчитывается по формуле:

(8.40)

В Диапазон изменения емкости варикапа рассчитывается по формуле:

(8.41)

Ф Высокочастотная составляющая напряжения на варикапе находится по формуле:

(8.42)

В Коэффициент включения варикапа может быть рассчитан по формуле:

(8.43)

;

Коэффициент вклада варикапа в суммарную емкость находится по формуле:

(8.44)

где — суммарная емкость колебательного контура.

Ф

;

Максимальная девиация частоты модулятора рассчитывается по формуле:

(8.45)

Гц Емкость связи варикапа с контуром находится по формуле:

(8.46)

Ф Откорректированная емкость контура за счет режима частотной модуляции рассчитывается исходя из формулы:

(8.47)

Ф Далее из номинального ряда выбираются значения используемых элементов:

Емкость пФ

9. Принципиальная схема передающей части канала Общий вид принципиальной схемы передающей части приведен на рисунке 9.1. Частотный модулятор и синтезатор частоты подробно не рассмотрены и вставлены в схему в виде законченных функциональных блоков.

Рисунок 9.1 — Принципиальная схема передающей части канала Заключение В соответствии с целью данного проекта был проведен расчет основных параметров радиоканала и расчете радиопередающей части радиоканала. Пояснительная записка содержит проект радиоканала в соответствии с выданным вариантом. По данному проекту был произведен выбор структурной схемы, выбрана и обоснована функциональная схема канала радиосвязи. Были проведены предварительные расчеты основных параметров передающей части канала и основных параметров приемной части канала. Также рассчитаны режимы узлов и проведена разработка принципиальных схем передающей части канала радиосвязи. Для обоснования использования проектируемого канала в поездной радиосвязи был проведен расчет кривой наземного затухания напряженности поля радиоволны при радиосвязи дежурного по станции с машинистом поезда. Последним пунктом расчета разработан синтезатор частоты, обслуживающий радиоканал.

В заключение по результатам проектирования была составлена принципиальная схема радиопередающего устройства, рассчитанного в проекте.

Эффективность разработки проекта главным образом обусловлена использованием программных пакетов Microsoft Office XP, Mathsoft MathCAD 11 Enprise, Microsoft Visio 2002 и DesignScience MathType 5.0.

1. В. М. Рогилев. Проектирование радиопередающих устройств: Методические указания по курсовому проектированию радиопередающих устройств. Часть 1 / Омск. Омский институт инженеров железнодорожного транспорта. 1989. 27 с.

2. В. М. Рогилев. Проектирование радиопередающих устройств: Методические указания по курсовому проектированию радиопередающих устройств. Часть 2 / Омск. Омский институт инженеров железнодорожного транспорта. 1990. 39 с.

3. Проектирование каналов радиосвязи: Методические указания по курсовому проектированию каналов радиосвязи. Часть 1 / В. М. Рогилев, Г. А. Кузьменко, В. В. Филенков. Омск. Омский государственный университет путей сообщения. 2004. 19 с.

4. Проектирование каналов радиосвязи: Методические указания по курсовому проектированию каналов радиосвязи. Часть 2 / В. М. Рогилев, Г. А. Кузьменко, С. С. Лутченко. Омск. Омский государственный университет путей сообщения. 2004. 41 с.