Курсовая работа. Радиопередатчик

Курсовая работа. Радиопередатчик.

Содержание

Радиотелефонный передатчик с анодной модуляцией............................................................. 3

Техническое задание для проектирования:............................................................................ 3

Выбор структурной схемы передатчика................................................................................. 4

Выбор ламп выходного каскада.............................................................................................. 4

Выходной каскад....................................................................................................................... 6

Колебательная система выходного каскада.......................................................................... 10

Предвыходной и промежуточный каскады.......................................................................... 12

Модулятор................................................................................................................................ 16

Задающий генератор............................................................................................................... 18

Источники питания................................................................................................................. 20

Радиотелефонный передатчик с анодной модуляцией

Техническое задание для проектирования:

-  диапазон рабочих частот: 0,45 МГц (фиксированная частота);

-  мощность в антенне (нагрузке): Р = 60 кВт;

-  коэффициент полезного действия фидера η = 0,88;

-  коэффициент глубины модуляции m = 100%;

-  стабильность частоты 5×10-5;

-  волновое сопротивление фидера: ρф = 140 Ом (симметричный),

-  коэффициент бегущей волны: КБВ = 0.85,

-  диапазон частот модулирующего сигнала: ΔF, Гц 50 – 10000.

Рассматриваемый в настоящей работе передатчик имеет колебательную мощность в антенне ³60 кВт на частоте 0,45 МГц.

Заданный уровень мощности не обеспечивается при реализации выходного каскада (одно - или двухтактного) на серийно выпускаемых транзисторах и требует, в случае использования транзисторных каскадов, применения схемы сложения мощностей. Такой подход усложняет конструкцию передатчика. Поэтому выходной и предвыходной каскады в рассматриваемом устройстве реализованы на лампах. При этом сравнительно низкие рабочие частоты делают возможным использование схемы с общим катодом. Выходной каскад выполнен однотактным.

Для получения амплитудно-модулированных колебаний используется анодная модуляция, что позволяет получить высокий к. п.д. и малый (2...3%) уровень нелинейных искажений.

Для обеспечения подавления побочных излучений (норма составляет -40дБ, но не более 50мВт для любого вида излучений) колебательная система выходного каскада выполнена в виде двух П-контуров с внутренней обратной связью. Обеспечение перекрытия диапазона частот производится путем перестройки реактивных элементов внутри диапазона.

Анодный модулятор для повышения к. п.д. при низком уровне нелинейных искажений выполнен по двухтактной схеме, работающей в режиме В. По тем же причинам, что и в выходном каскаде, в качестве активных элементов используются лампы.

Выбор структурной схемы передатчика

Структурная схема данного устройства является традиционной [1,2,4]. Она содержит (рис.1):

-  Задающий генератор;

-  Промежуточный, предвыходной и выходной каскады, представляющие собой генераторы с независимым возбуждением;

-  Колебательную систему, осуществляющую согласование выходного каскада с фидером и фильтрацию паразитных гармонических составляющих;

-  Модулятор, осуществляющий анодную модуляцию в выходном каскаде;

-  Предварительный УНЧ

-  Источники питания.

Для возбуждения модулятора в данной конструкции в качестве предварительного УНЧ используются стандартные УНЧ (типа 100У101) в сочетании с суммирующими трансформаторами.

Рис.1. Структурная схема передатчика

Выбор ламп выходного каскада

При заданном к. п.д. фидера и ориентировочном к. п.д. колебательной системы номинальная мощность лампы составляет [1,2]

где - мощность несущей в антенне, - максимальный индекс модуляции, - максимальная выходная мощность (60 кВт).

Мощность, рассеиваемая на анодах ламп, при ожидаемом к. п.д. каскада при этом составит

.

Максимальное напряжение анодного питания будет равно

где - напряжение в отсутствие модуляции.

Выбираем генераторный триод ГУ-23А. Эта лампа предназначена для генерирования и усиления высокочастотных колебаний в радиопередающих устройствах и промышленных генераторах для высокочастотного нагрева. Основные параметры приведены ниже:

Основные параметры при Uн=12 В, Uа=4 кВ, Iа=7 А
Ток накала	219 ± 15 А
Ток анода (при Uа=8 кВ, Uс=9)	3,5 (+8; -6) А
Ток анода ионный (при Uа= -9,5 кВ)	£ 159 мкА
Обратный ток сетки (при Uс= -399 В, Uа=9)	£ 399 мкА
Ток эмиссии катода (при Uа=Uс=1,3 кВ)	69 ± 7,5 А
Крутизна характеристики	48,5 ± 7,5 мА/В
Коэффициент усиления	59 ± 8
Междуэлектродные емкости, пФ:
входная	£ 199
выходная	£ 65
проходная	£ 2
Долговечность средняя	³ 1599 ч

Предельные эксплуатационные данные
Напряжение накала	12 В
Ток накала пусковой	315 А
Напряжение анода	12 кВ
Мощность, рассеиваемая анодом	59 кВт
Мощность, рассеиваемая сеткой	2,6 кВт
Рабочая частота	26 МГц
Температура анода	299 С
Температура баллона и мест спая стекла с металлом	159 С
Интервал рабочих температур окружающей среды ГУ-23А	от 5 до +79 С
Интервал рабочих температур окружающей среды ГУ-23Б	от -69 до +79 С

Анодно-сеточные и анодные характеристики лампы приведены на рис.2.

Рис.2. Характеристики лампы ГУ-23.

Выходной каскад

Расчет выходного каскада ведется для максимальной выходной мощности (индекс модуляции равен единице) [1-4].

При анодной модуляции лампы работают в перенапряженном режиме, причем пиковый режим рассчитывается в слабонапряженном режиме:

где - коэффициент использования анодного напряжения.

Для схемы с общим катодом и ламп со сдвинутым на началом анодных характеристик (рис.3) критический коэффициент использования анодного напряжения определяется как [2]:

где - коэффициент разложения импульса анодного тока. По анодным характеристикам лампы определяем

Зададимся максимальным напряжением питания и углом отсечки анодного тока (рис.4). Тогда и

В слабоперенапряженном режиме .

Рис.3. Линия граничного режима на анодных характеристиках.

Определим максимальную амплитуду первой гармоники анодного тока как

где . Подставив значения, получаем

Угол отсечки седловины (рис.4) определяется как [1]

Рис.4. Импульс анодного тока в слабоперенапряженном режиме.

Постоянная составляющая анодного тока и другие параметры определяются посредством сложных коэффициентов разложения, зависящих от и углов отсечки qmax и q1:

Подставив значения, получаем:

Постоянная составляющая анодного тока каскада

Мощность, потребляемая от источника питания

К. п.д. каскада

Эквивалентное сопротивление нагрузки

Напряжение возбуждения определим как

где S = 9,95 А/В – крутизна лампы, D – проницаемость лампы, m = 59 – коэффициент усиления лампы.

Подставив значения, получим:

Напряжение смещения определим по формуле

,

где Eg9 = 59 В – напряжение приведения по сетке.

Амплитуда первой гармоники и постоянная составляющая тока сетки могут быть оценены (по эмпирической формуле) как

Мощность возбуждения (без учета потерь в сеточных цепях)

Мощность, рассеиваемая на сетке

,

что меньше предельно допустимой.

Входное сопротивление каскада равно

Сеточно-катодная цепь выходного каскада связана с нагрузкой предвыходного каскада с помощью катушки связи (подробнее эти цепи описаны в разделе «Предвыходной каскад»).

Напряжение источника питания постоянного тока

Колебательная система выходного каскада

Коэффициент фильтрации определяется по формуле [1-4]

отношение коэффициентов разложения анодного тока , эмпирический коэффициент А = 9,2, коэффициент стоячей волны примем равным КСВ = 1,2. Получаем .

Коэффициенты фильтрации для одиночного и сдвоенного П-контура можно определить по приближенному соотношению [2]

где Q – добротность, n – номер гармоники. Задавшись Q = 5, получим для второй гармоники K1 = 49, K2 = 499. Таким образом, нашим требованиям удовлетворяет сдвоенный П-контур.

Эквивалентная схема сдвоенного П-контура показана на рис.5. Сопротивление нагрузки RH равно сопротивлению фидера.

Рис.5. Колебательная система в виде двух П-контуров. Индуктивные сопротивления катушек равны волновым сопротивлениям контуров. Выходная емкость лампы входит в С1.

При расчете системы связанных контуров необходимо решить систему из пяти уравнений:

-  Условий согласования нагрузок
и ;

-  Условия критической связи
;

-  Условий резонанса для двух контуров
и .

(Полагаем, что добротности обоих контуров равны).

Перед началом расчета проверяем условие

,

то есть

- условие выполняется.

Решениями системы будут (для Q = 5)

Определим значения реактивных элементов на рабочей частоте.

Для перехода от П-контура к симметричному фидеру используется симметрирующий трансформатор, выполненный на отрезках длинных линий с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению фидера [3,7]. Индуктивность первичной обмотки ³1 мГн.

Предвыходной и промежуточный каскады

Выходной каскад связан с предварительным каскадом через согласующий трансформатор, первичная обмотка которого является катушкой колебательного контура.

Номинальная мощность лампы при к. п.д. согласующих цепей h = 9,8...9,9 составляет:

Мощность, рассеиваемая на анодах ламп, при к. п.д. каскада :

,

Выбираем генераторный пентод ГУ-89 со следующими основными параметрами:

Основные параметры при Uн=12,6 В, Uа=3 кВ, Uc2=9,6 кВ, Iа=299 мА
Ток накала	£ 19,5 А
Ток анода	³ 299 мА
Ток 1-й сетки обратный (при Uн=13,6 В)	£ 59 мкА
Крутизна характеристики (при изменении Uс1 на 19 В)	5,5 ± 1 мА/В
Проницаемость 1-й сетки относительно 2-й сетки (при Uс2=9,5 и 9,6 кВ)	31,5 ± 4,5 %
Колебательная мощность	³ 759 Вт
Междуэлектродные емкости, пФ:
сетки - катод	23,5 ± 1,5
анод - катод	22,5 ± 2,5
сетка - анод	£ 9,11
1-я сетка - 3-я сетка	4,5 ± 1
Долговечность средняя	³ 1999 ч

Предельные эксплуатационные данные
Напряжение накала	11,8 - 13,4 В
Напряжение анода
на частоте 6 МГц	3 кВ
на частоте 24 МГц	2,5 кВ
на частоте 59 МГц	1,5 кВ
Напряжение 2-й сетки	9,6 кВ
Напряжение 2-й сетки пиковое	1,2 кВ
Мощность, длительно рассеиваемая анодом	459 Вт
Мощность, рассеиваемая анодом в течение 3 мин	699 Вт
Мощность, рассеиваемая 2-й сеткой	129 Вт
Мощность, рассеиваемая 1-й сеткой	19 Вт
Температура баллона	359 С
Интервал рабочих температур окружающей среды	от -69 до +79 С

Анодно-сеточные и анодные характеристики лампы приведены на рис.6.

Рис.6. Характеристики лампы ГУ-89.

Критический коэффициент использования анодного напряжения определяется как

По анодным характеристикам лампы определяем

Зададимся напряжением питания и углом отсечки анодного тока (рис.4). Тогда и

Определим амплитуду первой гармоники анодного тока

Постоянная составляющая анодного тока каскада

Мощность, потребляемая от источника питания

К. п.д. каскада

Эквивалентное сопротивление нагрузки

Коэффициент трансформации согласующего трансформатора

Воспользовавшись формулой для добротности нагруженного контура [5]

и полагая, что шунтирующее сопротивление равно эквивадентному сопротивлению нагрузки (1399 Ом), ненагруженная добротность Q = 59, нагруженная – QЭ = 19, получим значения элементов:

Напряжение возбуждения определим как

где S = 8 мА/В – крутизна лампы, D – проницаемость лампы, Ri = 16 кОм – внутреннее сопротивление лампы.

Подставив значения, получим:

По анодным характеристикам находим максимальное напряжение на первой сетке (пересечение линии граничного режима с гиперболой максимально допустимой рассеиваемой мощности): . Тогда напряжение смещения будет равно

Амплитуда первой гармоники и постоянная составляющая тока первой сетки могут быть оценены как

Мощность возбуждения (без учета потерь в сеточном контуре)

Мощность, рассеиваемая на управляющей сетке

,

что меньше предельно допустимой мощности.

Эквивалентное сопротивление цепи управляющей сетки равно

Амплитуда импульса тока экранной сетки можно оценить как

Находим постоянную составляющую тока второй сетки (9,7 – коэффициент, учитывающий остроугольную форму тока второй сетки):

Выбрав типовое напряжение питания экранной сетки 599 В, получим, что мощность, рассеиваемая сеткой, составляет

что меньше предельно допустимого значения.

Согласование по напряжению со входом предвыходного каскада производится с помощью однокаскадного усилителя на МОП транзисторе с индуцированным каналом, описанного в [6]. Коэффициент усиления каскада не менее 26 дБ. Транзистор работает с углом отсечки 99°.

Амплитуда выходного напряжения каскада ограничена предельным рабочим напряжением транзистора и при питании 69 В равна 25 В. Коэффициент трансформации при этом равен 19. Он задается неполным включением транзистора в контур (отвод от 1/19 витков катушки)

Амплитуда тока стока транзистора будет ICТ = 19IC1 = 9,57 А. Эквивалентное сопротивление нагрузки будет равно RЭТ = RЭС/199 = 43 Ом.

Значения контурных деталей рассчитываем аналогично:

Модулятор

Мощность, потребляемая от модулятора анодной цепью, составляет [1-4]

Поскольку анодный ток выходного каскада линейно зависит от модулирующего напряжения, нагрузкой модулятора является входное сопротивление цепи по постоянному току

.

При этом напряжение НЧ при максимальном индексе модуляции равно напряжению питания выходного каскада откуда получаем:

Основные параметры при Uн=19,5 В, Uа=3 кВ, Ia=6А
Ток накала	195 ±15 А
Ток сетки обратный (при Uа=6кВ, Iа=5 А)	£ 2 мА
Ток анода (при Uа=4кВ, Uс=9)	26 ± 4 А
Ток анода (при Uа=2,5 кВ, Uс=9)	³ 19 А
Ток эмиссии катода в импульсе (при Ua=Uc=2,5кВ)	³ 89 A
Напряжение сетки отрицательное (при Ua=6кВ, Ia=1A)	£1,6 кВ
Крутизна характеристики	27 ± 5 мА/В
Коэффициент усиления	4,2 ± 9,8
Междуэлектродные емкости, пФ:
- входная	£ 59
- выходная	£ 6,5
- проходная	£ 89
Долговечность:
ГМ-1А	³ 3999 ч
ГМ-1П	³ 1999 ч

Предельные эксплуатационные данные
Напряжение накала	19,2-19,8 В
Напряжение анода	6 кВ
Напряжение сетки отрицательное	2999 В
Ток накала пусковой	285 А
Мощность, рассеиваемая анодом ГМ-1А	39 кВт
Мощность, рассеиваемая анодом ГМ-1П	35 кВт
Температура баллона, ножки и мест спая металла со стеклом	159 С
Интервал рабочих температур окружающей среды, С	от +5 до +69

Рис.7. Характеристики ламп ГМ-1.

При выходной мощности модулятора в 47 кВт и к. п.д. двухтактного каскада, работающего в режиме АВ, получаем мощность, рассеиваемую на аноде каждой из модуляторных ламп

Выбираем в качестве модуляторных ламп триоды ГМ-1А. Напряжение питания модулятора выбираем 5 кВ.

Анодно-сеточные и анодные характеристики лампы приведены на рис.7.

Для передачи максимума мощности примем (Ri – внутреннее сопротивление лампы):

.

При этом коэффициент трансформации модулирующего трансформатора составит

Амплитуду напряжения на сетке определим аналогично ВЧ каскадам. Напряжение возбуждения для модулятора составит 989 В, напряжение сеточного смещения будет ‑1999 В.

Амплитуда сеточного тока .

Входное сопротивление , мощность, потребляемая на входе модулятора .

Напряжение возбуждения модулятора формируется четырьмя стандартным УНЧ типа 199У191, имеющем трансформаторный выход и обеспечивающий на высокоомной нагрузке мощность до 199 Вт при эффективном значении напряжения до 159 В. Сигналы с выхода усилителей суммируются с помощью трансформаторов.

Для обеспечения заданной неравномерности частотной характеристики в области нижних частот (-3дБ на частоте 59 Гц) индуктивное сопротивление первичных обмоток модуляционного трансформатора (подключенных к анодам модуляторных ламп) должно отвечать соотношению [5]:

Таким образом,

Неравномерность в области верхних частот обеспечивается рациональной конструкцией трансформатора (снижением емкости обмоток и индуктивности рассеяния).

Принципиальная схема промежуточного, предвыходного, выходного каскада и модулятора приведена на рис.8.

Задающий генератор

Для обеспечения заданной стабильности частоты (5×19-5) в данной конструкции в качестве задающего применен кварцевый генератор [7]. Его схема показана на рис.9.

Задающий генератор выполнен на полевом транзисторе VT1. В истоковую цепь включен резистор, напряжение с которого подается на резистивный усилитель на транзисторе VT2 и далее на эмиттерный повторитель на VT3. Выходное напряжение возбудителя 1 В (амплитуда).

Рис.8. Выходной и предвыходной каскады и модулятор.

Рис.9. Задающий генератор.

Источники питания

В передатчике используются следующие стабилизированные источники питания:

Источник анодного питания выходного каскада 5 кВ с выходным током до 12 А; Источник анодного питания модулятора 5 кВ с выходным током до 12 А; Источник анодного питания предвыходного каскада 1,5 кВ с выходным током до 1 А; Источник питания экранной сетки предвыходного каскада 800 В с выходным током до 0,1 А; Источник смещения управляющей сетки выходного каскада -250 В с выходным током до 1 А; Источник смещения управляющей сетки предвыходного каскада -160 В с выходным током до 0,1 А; Источник смещения управляющей сетки предвыходного каскада -1000 В с выходным током до 0,3 А; Источник питания предварительного каскада 60 В с выходным током до 1 А; Источник питания предварительного задающего генератора 12,6 В с выходным током до 0,05 А; Источник питания накала выходного каскада 12 В с выходным током до 250 А; Источник питания накала модулятора 10,5 В с выходным током до 250 А; Источник питания накала предвыходного каскада 12,6 В с выходным током до 12 А.

Литература

1.  . Радиопередающие устройства. – М.: Военное издательство военного министерства Союза ССР, 1951.

2.  Проектирование радиопередающих устройств. Под ред. . Учеб. пособие для вузов. М., "Связь", 19с.

3.  Широкополосные радиопередающие устройства. /Под ред. . – М.: Связь. 1978.

4.  Гавриленко устройства. Учебник для морех. училищ. - 4-е изд., перераб. и доп. - М., Транспорт, 1983, - 368 с.

5.  Практическое руководство по расчетам схем в электронике. Том 1. - М.: Энергоатомиздат, 1991.

6.  Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник / , , и др.; под ред. . – М., Радио и связь, 1994. – 280с.

7.  , Яйленко радиолюбителя-коротковолновик. - Киев,
Технiка, 1978.