Диапазонный радиопередатчик на транзисторах

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему:

"Диапазонный радиопередатчик на транзисторах"

Техническое задание

1.       Диапазон частот 9 - 30 МГц.

2.       Выходная мощность 4 Вт.

.        Потери в цепи согласования 0,9.

.        Стабильность частоты 5*10^-6.

.        Сопротивление нагрузки 75 Ом.

.        Шаг изменения частоты 100 Гц.

Оглавление

1. Общие положения

2. Выбор структурной схемы передатчика

3. Выбор схемы включения модуляции

4. Выбор согласующих цепей

4.1 Расчет выходного каскада

4.1.1 Расчет коллекторной цепи

4.1.2 Расчет базовой цепи

4.1.3 Расчет выходной согласующей цепи

4.2 Расчет предварительного каскада

4.2.1 Расчет коллекторной цепи

4.2.2 Расчет базовой цепи

4.2.3 Расчет выходной согласующей цепи

4.3 Расчет автогенератора

Список литературы

1. Общие положения

В курсовой работе необходимо разработать диапазонный радиопередатчик на транзисторах с параметрами: диапазон частот 9 - 30 МГц, выходная мощность 4 Вт. Характеристика сигналов подлежащих передаче - АИМ-КИМ. Длительность импульсов КИМ - 1.5 мксек, откуда ширина полосы пропускания передающего тракта должна быть не менее 350 кГц. Требуемый максимальный уровень мощности внеполосных излучений не должен превышать - 60 дБ, что обуславливает необходимость использования сложной высокоизбирательной выходной цепи оконечного каскада. Специфика места установки обуславливает выбор в качестве источника питания источник с небольшим напряжением (6-12В). Передатчик выполняется с высокой относительной стабильностью частоты (5*10-6). Желательно обеспечить высокую надёжность работы передатчика. Высокая надёжность может быть обеспечена при использовании минимального количества полупроводниковых приборов и разъёмных электрических соединений (что также снизит себестоимость изделия). Для уменьшения энергопотребления, а также для увеличения надёжности выгодно использовать в мощных оконечных каскадах усилительные элементы в режиме (классе В или С) с углом отсечки 60-90°. В качестве активных усилительных элементов на данных частотах и мощностях во всех каскадах будут использоваться транзисторы. Зададимся входным сопротивлением антенны 75 Ом.

2. Выбор структурной схемы передатчика

Передатчик возможно построить по нескольким структурным схемам. Разберём возможные варианты:

Вариант 1.

Достоинства данного варианта: высокая стабильность частоты, простота обеспечения работы кварцевого генератора на первой гармонике кварцевого резонатора возможность обеспечения высокого КПД выходного каскада.

Недостатки: Много каскадов, низкая надёжность, высокая потребляемая мощность и высокая стоимость, а также высокая сложность схемы.

Вариант 2.

Достоинства: Высокая стабильность частоты, меньшее число каскадов (чем в вар.1).

Недостатки: Сложность обеспечения в каждом каскаде противоречивых требований к усилительным и умножительным каскадам, высокие внеполосные излучения, низкий Рвых и КПД оконечного каскада.

Вариант 3.

Достоинства: Простота схемы и связанная с этим высокая надёжность и низкая стоимость системы, минимальное, из выше рассмотренных схем, энергопотребление, возможность обеспечения высокого КПД выходного каскада.

Недостатки: Повышенная нестабильность частоты задающего генератора, что не имеет большого значения.

Из предложенных схем реализации передатчика выбираем вариант 3 с некоторыми конструктивными особенностями, перечисленными ниже:

a) В качестве задающего генератора выбираем индуктивную трёхточку, так как ёмкостная трёхточка, хоть и обладает повышенной стабильностью частоты по сравнению с индуктивной трёхточкой, но на данных частотах является труднореализуемой, что обусловлено инерционным характером транзистора и характером реактивных эквивалентных проводимостей транзистора АГ.

b)  Расчёт электрического режима транзисторного автогенератора ведётся на основе модели инерционного транзистора, при этом для АГ необходимо выбрать транзистор с граничной частотой, большей, чем рабочая частота РПУ.

c)  Расчёт электрического режима транзисторного усилителя мощности (ГВВ) будем вести на основе модели мощного ВЧ - транзистора для чего необходимо использовать транзисторы с граничной частотой, большей, чем удвоенная рабочая частота РДПУ.

d)  В один из каскадов передатчика необходимо ввести 100% АИМ (амплитудно-импульсную модуляцию).

e) Между всеми усилительными и генераторными каскадами необходимо использовать согласующие цепи для согласования активных импедансов.

f)   При изменении угла отсечки активных элементов меняются выходная мощность, КПД и коэффициент усиления по мощности каскадов. Исходя из их оптимального соотношения для реализации данного передатчика выберем угол отсечки всех усилительных каскадов (ГВВ) равным 90°. Угол отсечки транзистора АГ рассчитывается исходя из его режима.

g)  Выбираем схему включения транзисторов всех усилительных каскадов (ГВВ), как каскады с общим эмиттером (ОЭ), так как на данных частотах каскад ОЭ даст больший коэффициент усиления по мощности чем ОБ, при условии использования транзисторов с граничной частотой, большей, чем удвоенная рабочая частота РДПУ.

3. Выбор схемы включения модуляции

Передатчик возможно построить по нескольким структурным схемам. Разберём возможные варианты:

Так как требуется реализовать 100% АИМ, то выгодно использовать не сложные АМ - модуляторные каскады, а непосредственно управлять модуляторным каскадом изменением его напряжения питания от 0 до Uпит, при этом отпадает необходимость расчёта модуляционного предкорректора.

Возможно использование нескольких вариантов включения модуляции:

Вариант 1.

Модуляция в задающем генераторе.

Недостатки:

повышенная нестабильность работы генератора и внеполосные излучения во время переходных процессов, а также сложность расчёта и управления АГ.

Вариант 2.

Модуляция в оконечном каскаде.

Недостатки:

большой коммутируемый ток и внеполосные излучения во время переходных процессов.

Вариант 3.

Модуляция в предоконечном каскаде.

Достоинства: нет недостатков присущих предыдущим вариантам.

Недостатки:

есть недостатки не присущие предыдущим вариантам.

Так как в режиме В или С варианты 2 и 3 будут иметь аналогичное действие, выбираем вариант 3.

диапазонный радиопередатчик транзистор модуляция

4. Выбор согласующих цепей

Распространёнными согласующими цепями для согласования активных импендансов транзисторов являются шесть разновидностей цепей: П-образная, модифицированная П-образная, Г - образная, модифицированная Г-образная, Т-образная, параллельный фильтр-пробка.

Из них выбираем модифицированную П-образную, как удовлетворяющую условию её реализации, а также обеспечивающую улучшенное подавление высших гармоник излучения.

4.1 Расчет выходного каскада

Исходные данные:

Частота сигнала f₀ = 30*10⁶ Гц

Выходная мощность  = 4 Вт.

Сопротивление нагрузки (коаксиальный кабель)  = 75 Ом.

Принимаем предполагаемый КПД выходной цепи = 0,75.

Требуемая мощность каскада

 =  = 5,33 Вт.

Рекомендуется выбирать транзистор с граничной частотой большей, чем 5*f₀ = 150*10⁶ Гц.

Выберем транзистор 2Т925В с параметрами

 = 0,3*10^-3 См;  = 8,5 А;  = 10*10^-12 Ф; = 100*10^-12 Ф;

;  = 20 Вт;

= 10*10^-9 с;  = 4 В;  = 0,6 В; = 4 ;

 = 2,4*10^-9 Гн;  = 1*10^-9 Гн;

 = *;  = 0,5*10⁹ Гц - верхняя граничная частота транзистора. Так как она достаточна низка, то выбираем схему включения транзистора с ОЭ. Предполагаем, что транзистор работает с отсечкой коллекторного тока (режим В). Несимметричность импульсов коллекторного тока не принимается во внимание при расчете режима, так как на выходе каскада будет стоять избирательная система, подавляющая внеполосные излучения до уровня, ниже  = 20 dB. Считаем, что нагрузка каскада чисто активная (согласована).

4.1.1 Расчет коллекторной цепи

Угол отсечки равен  = 90⁰ и коэффициенты разложения косинусоидального импульса в ряд Фурье для него равны  = 0,319;  = 0,5;  = 0,319;  = 0,5;  = 1,57;  = 0;  = 0,319.

В данном транзисторе стабилизирующее сопротивление эмиттера равно  = 0,4 Ом. Сопротивление материала коллектора можно принять примерно равным  = 1,3 Ом. Сопротивление материала базы можно принять примерно равным  = 1 Ом. Так как выполняется условие работы транзистора на частотах, меньших половины граничной частоты, то крутизну линии граничного режима можно найти по приближенной формуле:

= 0,588.

Выбираем питание каскада  = 15 В.

Напряженность граничного режима равна

= 0,798.

Амплитуды первых гармоник коллекторного тока и напряжения равны:

= 11,97 В. = 0,89 А.

Амплитуды постоянных составляющих эмиттерного, коллекторного и базового тока:

= 0,57 А. = 11,4*10^-3 А.

= 0,581 А.

Максимальный коллекторный ток равен:

= 1,78 А.

Мощность, потребляемая от источника питания:

= 8,55 Вт.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе:

= 3,22 Вт.

Из вышеприведенных данных и расчетов видно, что данный транзистор удовлетворяет заданным требованиям и может выдержать расчетный режим.

Электронный КПД коллекторной цепи равен

= 0,626.

Эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки току первой гармоники должно быть обеспечено равным

= 13,44 Ом.

Тепловое сопротивление корпус-радиатор принимаем

5 .

Температуры среды равна 20 ⁰С.

Тепловое сопротивление радиатор-среда принимаем

5 .

Максимальная температура коллекторного перехода при наличии радиатора

= 65,08 ⁰С.

4.1.2 Расчет базовой цепи

Дополнительное сопротивление между базой и эмиттером равно

= 159,236 Ом.

При заданной низкой частоте это сопротивление в схему не ставится, но при расчете учитывается.

Амплитуда базового тока:

* .

 = 1 + 0,5*2*3,14*0,5*10⁹*10*10^-12*13,44 = 1,211.

*  = 0,136 А.

Максимальное обратное напряжение эмиттерного перехода:

=

= 6,248 В.

Напряжение смещения эмиттерного перехода:

=

= - 2,185+0,6+0,0114+0,2324 = 1,3412 В.

Выберем тип смещения - смещение фиксированным напряжением. Ток делителя напряжения выбираем

 = 5*11,4*10^-3 = 0,057 А.

Выбираем источник смещения с напряжением = 15 В.

Номиналы резисторов делителя напряжения:

=  = 200 Ом.

=  = 23,5 Ом.

Ищем вспомогательные параметры:

 = 2,4*10^-9 + 1*10^-9/1,211 = 3,226*10^-9

 =

= 5,243

 =

 = 95,845

 = = 0,166*10^-9

Активная и реактивная составляющие входного сопротивления транзистора:

 = = 14,83

 =

 = 29,35.

Мощность возбуждения должна быть равна:

 = 0,5*0,136*14,83 = 1 Вт.

Коэффициент усиления каскада по мощности равен = 5,33 раз.

Рассчитаем минимальные индуктивности дросселей развязки постоянного тока по цепям питания и смещения

В качестве выходной согласующей цепи выберем П-образную схему, обеспечивающую хорошее подавление гармоник на выходе передатчика.

4.1.3 Расчет выходной согласующей цепи

Входное сопротивление транзистора в следующем каскаде равно . Выбираем цепь согласования в виде модифицированной П-образной схемы, обеспечивающей улучшенное подавление гармоник на выходе каскада. Из условия ее реализуемости находим минимальное значение параметра :

 = - 0,577.

Задаемся значение параметра .

Найдем требуемые сопротивления согласующих элементов:

 = - 13,44 Ом.

 = - 23,53 Ом.

 = 28,14 Ом.

Выбираем 150 Ом.

 = - 121,86 Ом.

Найдем номиналы согласующих элементов:

 = 395*10^-12 Ф;

 = 43,55*10^-12 Ф;

 = 226*10^-12 Ф;

 = 7,961*10^-7 Гн.

4.2 Расчет предварительного каскада

Исходные данные:

Частота сигнала f₀ = 30*10⁶ Гц

Выходная мощность  = 1 Вт.

Сопротивление нагрузки (вход оконечного каскада)  = 14,83 Ом.

Принимаем предполагаемый КПД выходной согласующей цепи = 0,6. Требуемая мощность каскада

 =  = 1,67 Вт.

Рекомендуется выбирать транзистор с граничной частотой большей, чем 3*f₀ = 90*10⁶ Гц.

Выберем транзистор 2Т934А с параметрами

 = 50;  = 60 В;  = 1 при = 1400*10⁶ Гц;

 = 0,3*10^-3 См;  = 0,8 А;  = 5*10^-12 Ф; = 15*10^-12 Ф;

;  = 3 Вт;

= 7*10^-9 с;  = 4 В;  = 0,6 В; = 17,5 ;

 = 3,1*10^-9 Гн;  = 1,3*10^-9 Гн; = 150 ⁰С;

 = *;  = 1,4*10⁹ Гц - верхняя граничная частота транзистора. Выбираем схему включения транзистора с ОЭ. Предполагаем, что транзистор работает с отсечкой коллекторного тока (режим В). Несимметричность импульсов коллекторного тока не принимается во внимание при расчете режима, так как она мала. Считаем, что нагрузка каскада чисто активная (согласована). Транзистор будет работать в граничном режиме

4.2.1 Расчет коллекторной цепи

Угол отсечки равен  = 90⁰ и коэффициенты разложения конусоидального импульса в ряд Фурье для него равны  = 0,319;  = 0,5;  = 0,319;  = 0,5;  = 1,57;  = 0;  = 0,319.

В данном транзисторе стабилизирующее сопротивление эмиттера равно  = 0,4 Ом. Сопротивление материала коллектора можно принять примерно равным  = 1,5 Ом. Сопротивление материала базы можно принять примерно равным  = 1 Ом.

Так как выполняется условие работы транзистора на частотах, меньших половины граничной частоты, то крутизну линии граничного режима можно найти по приближенной формуле:

= 0,526.

Выбираем питание каскада  = 15 В.

Напряженность граничного режима равна

= 0,939.

Амплитуды первых гармоник коллекторного тока и напряжения равны:

= 14,085 В.

= 0,237 А.

Амплитуды постоянных составляющих эмиттерного, коллекторного и базового тока:

= 0,151 А.

= 3*10^-3 А.

= 0,154 А.

Максимальный коллекторный ток равен:

= 0,473 А.

Мощность, потребляемая от источника питания:

= 2,265 Вт.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе:

= 0,595 Вт.

Из вышеприведенных данных и расчетов видно, что данный транзистор удовлетворяет заданным требованиям и может выдержать расчетный режим.

Электронный КПД коллекторной цепи равен

= 0,737.

Эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки току первой гармоники должно быть обеспечено равным

= 59,397 Ом.

Тепловое сопротивление корпус-радиатор принимаем

5 .

Температуры среды равна 20 ⁰С.

Тепловое сопротивление радиатор-среда принимаем 15 .

Максимальная температура коллекторного перехода при наличии радиатора

= 42,31 ⁰С.

4.2.2 Расчет базовой цепи

Дополнительное сопротивление между базой и эмиттером равно

= 379 Ом.

При заданной низкой частоте это сопротивление в схему не ставится, но при расчете учитывается.

Амплитуда базового тока:

* .

 = 1 + 0,5*2*3,14*0,1*10⁹*5*10^-12*59,397 = 1,093.

*  = 0,015 А.

Максимальное обратное напряжение эмиттерного перехода:

= = 3,279 В.

Напряжение смещения эмиттерного перехода:

Выберем тип смещения - смещение фиксированным напряжением. Ток делителя напряжения выбираем  = 10*3*10^-3 = 0,03 А.

Выбираем источник отрицательного смещения с напряжением = 15 В.

Номиналы резисторов делителя напряжения:

=  = 514 Ом.

=  = 66,48 Ом.

Ищем вспомогательные параметры:

 = 3,1*10^-9 + 1,3*10^-9/1,093 = 4,289*10^-9

 =

= 7,699

 =

 = 206,5

 = = 0,0275*10^-9

Активная и реактивная составляющие входного сопротивления транзистора:

 = = 96,14

 =

 = 103,8.

Мощность возбуждения должна быть равна:

 = 0,5*0,015*96,14 = 0,721 Вт.

Коэффициент усиления каскада по мощности равен

= 2,316 раз.

Рассчитаем минимальные индуктивности дросселей развязки постоянного тока по цепям питания и смещения

 = 0,0053 Гн.

4.2.3 Расчет выходной согласующей цепи

Входное сопротивление транзистора в следующем каскаде равно = 14,83 Ом. Выбираем цепь согласования в виде модифицированной П-образной схемы, обеспечивающей улучшенное подавление гармоник на выходе каскада. Из условия ее реализуемости находим минимальное значение параметра :

 = 1.

Задаемся значение параметра .

Найдем требуемые сопротивления согласующих элементов:

 = - 29,699 Ом.

 = - 29,76 Ом.

 = 29,68 Ом.

Выбираем 150 Ом.  = - 120,32 Ом.

Найдем номиналы согласующих элементов:

 = 178*10^-12 Ф;

 = 44,11*10^-12 Ф;

 = 178*10^-12 Ф;

 = 7,961*10^-7 Гн.

4.3 Расчет автогенератора

Выбираем схему транзисторного генератора в виде емкостной трехточки. Транзистор включен по схеме с ОБ и работает в недонапряженном режиме с малым КПД для повышения стабильности частоты колебаний.

Исходные данные:

Частота сигнала f₀ = 30*10⁶ Гц

Нестабильность частоты не более 5*10^-6.

Выходная мощность  = 0,721 Вт.

Для реализации каскада выберем транзистор КТ363Б с параметрами

 = 30;  = 16 В;  = 2 при = 2500*10⁶ Гц;

 = 0,3*10^-3 См;  = 0,03 А;  = 2*10^-12 Ф; при = 5 В;

;  = 0,15 Вт;

= 75*10^-12 с;  = 4 В;  = 0,55 В.

Рассчитаем сопротивление растекания базы транзистора

 = 56,25 Ом.

Рассчитаем дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода при предполагаемом в рабочей точке токе эмиттера = 10*10^-3 А:

 = 12,434*10^-12 Ф.

Рассчитаем емкость эмиттерного перехода

 = 56,25 Ом.

Рассчитаем дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода:

 = 79,36 Ом.

Рассчитаем собственную постоянную времени транзистора

 = 4,093*10^-10 с.

Рассчитаем верхнюю граничную частоту транзистора

= 5*10⁹ Гц.

Рассчитаем граничную частоту транзистора по крутизне:

= 388,846*10⁶ Гц.  = 2441,95*10⁶ с^-1. = 0,25*10⁴с.

Крутизна статической характеристики тока коллектора

= 0,51 А/В.

Крутизна статической характеристики тока базы

= 0,017 А/В.

= 166,667*10⁶ Гц.

= 1046,668*10⁶ с^-1.

= 955,412 с.

= 188,4*10⁶ с^-1.

= 1,59*10^-11 с.

Напряжение коллекторного питания для недонапряженного режима выбираем как = 8 В.

Задаемся углом отсечки, равным  = 70 ⁰, для которого

Находим значения коэффициентов обратной связи, которые соответствуют работе транзистора в предельных режимах по току, напряжению и мощности

Выбираем коэффициент обратной связи = 0,29.

Найдем номиналы элементов контура:

Амплитуда напряжения возбуждения:

= 1,958 В.

Амплитуды коллекторного напряжения и тока первой гармоники:

= 6,75 В.  = 0,013 А.

Максимальное значение импульса коллекторного тока:

 = 0,029 А.

Выходная мощность:

 = 0,043 Вт.

Эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки:

= 527,983 Ом.

Электронный КПД:

= 0,73.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе:

= 0,16 Вт.

Напряжение смещения:

 = 1,22 В.

Максимальное обратное напряжение база-эмиттер:

 = - 0,738 В.

Постоянные составляющие коллекторного и базового токов:

= 7,39*10^-3 А. = 2,463*10^-4 А.

Зададим режим работы каскада параметрами:

 = 200 Ом - сопротивление термостабилизации в цепи эмиттера, выбрано таким исходя из его примерного значения в аналогичных схемах (200 - 1000 Ом) без расчета температурной нестабильности, так как не заданы температурный диапазон работы и требования на температурную нестабильность каскада.

Выберем тип смещения - смещение фиксированным напряжением.

 = 15 В - напряжение питания каскада.

 = 1,478 В - начальное напряжение на эмиттере.

 = 200 Ом - резистор фильтра питания.

 = 13,522 В - начальное напряжение на коллекторе.

Ток делителя напряжения выбираем  = 2,463*10^-3 А.

Номиналы резисторов делителя напряжения:

 = 5,333*10³ Ом;

 = 223,265 Ом.

Рассчитаем минимальные индуктивности дросселей развязки постоянного тока по цепям питания и смещения:

 = 5,3*10^-3 Гн.

В качестве выходной согласующей цепи выбираем модифицированную П-образную схему, обеспечивающую улучшенное подавление гармоник на выходе каскада. Рассчитаем параметры элементов согласующей системы.

Входное сопротивление транзистора в следующем каскаде равно = 2,569 Ом.

Выбираем цепь согласования в виде модифицированной П-образной схемы, обеспечивающей улучшенное подавление гармоник на выходе каскада. Из условия ее реализуемости находим минимальное значение параметра :

 = 13,336.

Задаемся значение параметра .

Найдем требуемые сопротивления согласующих элементов:

 = - 27,789 Ом.

 = - 2,944 Ом.

 = 28,984 Ом.

Выбираем 150 Ом.  = - 121,016 Ом.

Найдем номиналы согласующих элементов:

 = 13,969*10^-12 Ф;

 = 3, 208*10^-12 Ф;

 = 131,848*10^-12 Ф;

 = 5,823*10^-8 Гн.

Список литературы

1. Давыдова Н.С. Методические указания к курсовому проектированию радиопередающих устройств. - М.: Изд-во МАИ, 1991 г. - 32 с.

. Давыдова Н.С. Информационное подавление радиоэлектронных систем. Активные помехи, передатчики и станции активных помех. Учебное пособие. - М.: Изд-во МАИ, 2002 г. - 86 с.

. Грановская Р.А. Расчет каскадов радиопередающих устройств (расчет режимов работы транзисторов генераторных каскадов). Учебное пособие. - М.: Изд-во МАИ, 1993 г. - 93 с.

. Грановская Р.А., Петров С.Б. Проектирование СВЧ-цепей транзисторных генераторов с внешним возбуждением, выполненных в виде гибридных интегральных схем. Пособие по курсовому проектированию радиопередающих устройств СВЧ. - М.: Изд-во МАИ, 1976 г. - 112 с.

. Антенны и устройства СВЧ"/ под ред.Д.И. Воскресенского и др. - М., 1999 г. - 345 с.

. Борисов В.Ф., Мухин А.А., Чермошенский В.В. и др. Основы конструирования и технологии РЭС: Учебное пособие для курсового проектирования. - М.: МАИ, 2000 г. - 78 с.

. Кийко Г.И., Либ Ю.Н. Исследование широкополосного транзисторного усилителя мощности с распределенными параметрами. - В сб. "Полупроводниковые приборы в технике электросвязи", вып.15, "Связь", 1975 г., стр. 19-26.

. Грей П., Грэхем Р. Радиопередатчики. Связь, 1965 г., стр.116-123.

. Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы: справочник / Б.А. Бороздин, В.М. Ломакин, В.В. Мокряков и др.: под ред. А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1985 г. - 450 с.

. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ/ Под ред.Г.М. Уткина. Москва, Советское радио, 1979. - 311 с.

. Расчет усилительных устройств. Учебное пособие. Под ред. Ю.Т. Давыдова. Изд. МАИ, 1993. - 68 с.