2

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Кафедра радиотехнических систем

Допущен к защите <___>__________2007г.

Оценка_______________

Преподаватель_______________

Пояснительная записка

К курсовому проекту на тему:

“Передатчик спутниковой радиосвязи”

Выполнил: студент гр. №

Проверил: Демидович Г.Н.

Минск 2007

Содержание

• Введение 3
• 1. Обзор литературы и патентные исследования 4
• 2 Разработка схемы электрической структурной 7
• 3 Разработка схемы электрической функциональной 10
• 4 Разработка схемы электрической принципиальной 14
• 4.1 Обоснование выбора оконечного усилитель мощности 14
• 4.2 Расчет оконечного усилителя мощности 15
• 4.3 Обоснование выбора умножителей частоты 18
• 4.4 Расчет третьего умножителя частоты 19
• 4.5 Расчет первого умножителя частоты 23
• 4.6 Обоснование выбора фазового модулятора 27
• 4.7 Расчет фазового модулятора 28
• 4.7 Обоснование выбора предварительного усилителя мощности 30
• 4.9 Обоснование выбора автогенератора 30
• 4.11 Обоснование выбора цепи согласования 36
• 4.12 Расчет цепи согласования 36
• 5 Разработка конструкции 38
• Заключение 42
• Список используемой литературы 43

Введение

ХХ век ознаменован огромными достижениями человечества в самых разных отраслях науки и техники, а самое главное - проникновением одной отрасли в другую. Когда успехи в развитии одной отрасли соединяются с успехами в другой, получается поразительные результаты. Эти гигантские достижения позволили добиться такого прогресса, о котором не могли мечтать даже самые изощренные фантасты прошлого века.

Открытие радио, внедрение в повседневную жизнь радиосвязи и радиовещания, магнитной записи и электронного телевидения, электроники и вычислительной техники с одной стороны, и грандиозный прорыв в области ракетно-космической техники с другой, позволил осуществить глобальное спутниковое телевидение.

Передатчики спутниковой связи нашли широкое применяются во многих отраслях человеческой деятельности. Большая пропускная способность, высокое качество связи обусловили интенсивное развитие спутниковой связи. На сегодняшний день большое количество спутников находятся в эксплуатации в разных странах мира.

Передатчики спутниковой связи строятся таким образом, чтобы обеспечить высококачественную передачу любой информации. Передатчики спутниковой связи способны одновременно предавать сигналы изображения, программ цветного телевидения, его звукового сопровождения, изображений газетных полос и радиовещательных программ. Развитие спутниковой связи позволило успешно решить проблему устойчивого приема центральных программ радиовещание и телевидения.

Цель данной работы - спроектировать радиопередающее устройство с характеристиками заданными в техническом задании, произвести электрический расчет указанных в техническом задании каскадов радиопередатчика. Составить схему электрическую принципиальную всего передатчика, с перечнем использованных элементов и их номиналов.

1. Обзор литературы и патентные исследования

При выполнении курсового проекта потребовалось обратиться к различным источникам информации, был рассмотрен материал, изложенный в специальных учебных пособиях. Из рассмотренных инженерных решений были выбраны наиболее точно отвечающие передатчику данного типа, а также соответствующие техническому заданию проекта.

В [2] рассмотрены состояние и тенденции развития спутниковой связи. В книге изложены основные принципы построения данной системы, рассмотрены основные виды модуляции, применяемого в настоящее время в спутниковой связи. Описаны общие представления о диапазонах частот, мощностей, форме и числе передаваемых каналов и других характеристик, позволяющих максимально эффективно использовать выделенную для этой системы полосу частот, обеспечивая качественный прием и передачу информационных данных, таблица 1.1

Таблица 1.1

В литературе [2] описаны рекомендации МККР по допустимым нормам нестабильности частоты , приведены требования проектирования, изготовления и эксплуатации, а также все допустимые меры, которые нужно неукоснительно применять для ослабления побочных излучений.

Оборудование земных станций строят таким образом, чтобы обеспечить высококачественную передачу любой информации. Полосу одного передатчика обычно используют для одновременной передачи различных данных, т.е. ее уплотняют. Передатчики земных станций являются элементом тракта, и требования к ним формируются в процессе разработке линии с учетом параметров других элементов линии связи. Для спутниковой связи характерна большая девиация частоты. Исследование искажений ФМ сигналов в радиочастотных трактах показали, что для высококачественной передачи необходима полоса пропускания тракта 25…27 МГц. В пределах полосы частот наибольшее отклонение АЧХ не должно превышать 1db[5].

В передатчике спутниковой связи чаще всего используют в качестве оконечного усилителя - мощный клистронный усилитель СВЧ, обоснование выбора конкретного клистрона, его преимущества перед другими усилителями мощности приведены в литературе [2].

Исследования автогенераторов, с требуемыми параметрами, для лучшего удовлетворения условиям ТЗ производились с помощью литературы [3]. Автогенератор преобразующий энергию источников питания в энергию высокочастотных колебаний. В отличие от усилителей в автогенераторе колебания на выходе возникают самостоятельно в отсутствии внешних воздействий. В настоящее время, как правило, все автогенераторы выполняются с использованием транзисторов в качестве усилительных элементов. Невысокие рабочие напряжения транзисторов определяют пониженное напряжение и малую рассеиваемую мощность на колебательной системе, что повышает стабильность частоты транзисторных автогенераторов по сравнению с ламповыми. На практике большей частью находят применение так называемая трехточечная схема транзисторного автогенератора. Так как в ней выполняется два необходимых условия: баланс фаз и баланс амплитуд. Главное требование, предъявляемое к автогенераторам, - высокая стабильность частоты. Для создания стабильных автогенераторов необходимо использовать высокодобротные колебательные системы, обладающие стабильной резонансной частотой. На обычных LC элементах удовлетворить эти требования сложно. Поэтому применяют кварцевые резонаторы, добротность которых несколько десятков тысяч и даже миллионы. Основные схемы включения кварца: в цепь обратной связи, между коллектором и базой, между эмиттером и базой или эмиттером и коллектором. Во всех приведенных схемах кварц играет роль индуктивности. На практике чаще всего используется схема емкостной трехточки [3]. Схема отличается конструктивной простотой и легкостью настройки, такая схема будет применена в проектируемом передатчике.

Особенности умножителей частоты при высокой частоте сигнала, свойственные данному проекту, рассмотрены в материалах [3] и [4], также с последнего источника был взят фазовый модулятор.

Для составления конструкторского чертежа УСВЧ, по условию ТЗ, и выбора рационального охлаждения использовалось литература [5]. При определении теплового режима использовали web-интегрированную среду для расчета РЭА, которой можно получить на сайте http://skr.radioman.ru/thermal/, используя подраздел “Расчет теплового режима блока в герметичном корпусе с внутренним перемешиванием”

2 Разработка схемы электрической структурной

При разработке структурной схемы передатчика будем исходить из назначения передатчика, условий его работы и заданных параметров:

1 Линия радиосвязи……………………. Земная станция

2 Мощность…………………………….. 700 Вт

3 Частота излучения…………………… 6 ГГц

4 Вид модуляции………………………..ФМ

5 Сигналы………………………………..Телевидение, телефония, с временным кодовым разделением каналов

6 Ширина полосы пропускания……….. 27 МГц

7 Излучение на гармониках……………. -60дБ

Структурная схема современного передатчика радиорелейной, тро-посферной и спутниковой связи с угловой модуляцией определяется основными требованиями: высокой несущей частотой; фазовой мо-дуляцией при малых допустимых искажениях и широкой полосе моду-лирующих частот; необходимостью иметь передатчики с разными значениями несущих частот; довольно высокой степенью стабильности средней частоты при ЧМ; определенной выходной мощностью; опти-мальным (по возможности максимальным) КПД для используемых каскадов обеспечивая работу на линейном участке АЧХ с целью получения минимальной паразитной АМ; высокой надежностью и др.

Необходимость в глубокой модуляции с малыми искажениями за-ставляет использовать прямой метод получения угловой (фазовой) модуляции. Для обеспечения заданной степени стабильности частоты.

Нелинейность амплитудной характеристики при ФМ в диапазона УВЧ, вызывают искажения, особенно заметные при передачи цветного изображения. Скорректировать полностью эти искажения не удается, а реализовать цепи коррекции в ВЧ тракте практически невозможно. Поэтому в настоящее время в отечественных и зарубежных передатчиках осуществляется модуляция на малом уровне мощности, не на основной (выходной) частоте [3].

Обобщенная структурная схема передатчика ФМ-сигналов включает в себя возбудитель и тракт радиочастоты.

Проанализировав все выше изложенные факты, воспользовавшись литературой [5], [1] и [2], составим ориентировочную (укрупненную) структурную схему передатчика, которая представлена на рисунке 2.1

Рис 2.1 Структурная схема радиопередатчика

Основной задачей решаемой при составлении структурной схемы является определение, и рациональное размещение каскадов от источника возбуждения к выходу передатчика удовлетворяющие ТЗ.

Передатчик содержит следующие многокаскадные узлы (тракты):

1 Тракт умножения, который включает в себя кварцевый автогенератор (АГ) с частотой fкв и тракт умножения частоты (УЧ1), обеспечивающие в основном заданную стабильность частоты передатчика. Обеспечивает наиболее подходящую частоту nfкв несущего колебания для стабильной работы фазового модулятора.

2 Модулирующее устройство, по требованию ТЗ - фазовый модулятор (ФМ), и устройство ввода передаваемой информации (УВ). На фазовый модулятор будет поступать сигнал изображения и звука и сигнал генератора, усиленный по частоте.

3 В состав БУ будет входить умножители частоты, т.к. сигнал после ФМ имеет достаточно низкую частоту, а необходимо на выходе передающего устройства сформировать сигнал с частотой 6 ГГц, и каскады усиления, с последующей цепью согласования и антенной (А), так как нам необходимо усилить наш сигнал по мощности требуемой в ТЗ.

6 Схема контроля, защиты и управления.

7 Блок питания.

3 Разработка схемы электрической функциональной

На этапе разработки функциональной схемы требуется определить основные энергетические и частотно-временные характеристики сигналов в различных по характеру функциональных звеньях. Основные элементы структурной схемы передатчика должны быть проработаны до уровня схемотехнической реализации. Результат разработки функциональной схемы должен служить исходными данными для инженерного расчёта электрической принципиальной схемы.

В ходе разработки функциональной электрической схемы будем дополнять, уточнять и конкретизировать структурную схему. На рисунке 3.1 представлен общий вид функциональной схемы.

В качестве возбудителя выбираем кварцевый генератор. Причем его частота генерации должна быть значительно ниже рабочей частоты передатчика. Для получения устойчивого генерирования в АГ с кварцевой стабилизацией необходимо применять низкочастотный кварцевый резонатор. Для требуемой несущей частотой 6 ГГц выбираем кварцевый резонатор с частотой 80МГц, и ориентировочной мощностью 1Вт. Очевидна необходимость умножения частоты на 75. Применяем схему умножения, состоящую из трех варакторных умножителей частоты двух - на пять и одного на три. Первый умножитель на пять установим до ФМ, для получения наиболее подходящей частоты несущего колебания на входе ФМ, второй умножитель на пять и умножитель на три установим после ФМ для увеличения несущей частоты до требуемой в ТЗ. Также умножители частоты после ФМ значительно увеличат девиацию частоты.

В качестве согласующего устройства с антенной П-образную инвертирующую цепь, предназначенный для фильтрации побочных гармоник, которые появляются на выходе усилителя мощности, а также для согласования оконечного каскада с антенной.

Проведём ориентировочный расчет числа усилительных каскадов. Учитывая выходную мощность на выходе автогенератора 1Вт. Выходная мощность с учетом потерь в фильтрующих цепях рассчитываем по формуле:

Р_{вых ОК}=Р_вых /_сц (3.1)

где Р_{вых ОК} - мощность на выходе оконечного усилителя мощности;

Р_вых - выходная мощность передатчика;

_сц - к.п.д. согласующих цепей (_сц=0,8).

Р_{вых ОК}=700/0,8=875 Вт

Сквозной коэффициент усиления находим как

, (3.2)

где Р_КГ - мощность на выходе кварцевого генератора;

Р₀ - выходная мощность.

К_р=875 /1=875.

Учитывая, что клистронные усилители мощности позволяют получить усиление до 60дБ на частоте гораздо выше заданной в ТЗ. Выбираем для оконечного УМ клистронный усилитель КУ-366 с усилением 45дБ, которого вполне будет хватать для обеспечения заданной мощности на выходе передатчика. Произведем энергетический расчёт оставшихся каскадов, исходя из полученной выше мощности оконечного усилителя.

Для варакторных умножителей частоты коэффициенты полезного действия имеют следующие значения: ?_3f ? 0,7 - для умножителя на 3, и ?_5f ? 0,35 - для умножителя на 5 [3]. Исходя из этого, оценим мощности на входе оконечного каскада , на входе третьего и второго умножителей частоты , .

; (3.3)

Вт;

; (3.4)

Вт;

; (3.5)

Вт;

Ориентировочные потери в модуляторе не велики примем КПД ФМ 90%.На данном этапе проектирования стоит внести существенные изменения в структурную схему передатчика, а именно: достаточно низкие КПД варакторных умножителей частоты приводят к тому, что на выходе задающего генератора и на входе фазового модулятора, получается нежелательно большая мощность сигнала, которая в задающем генераторе существенно снизит стабильность частоты, а в ФМ увеличит значение паразитной АМ. Согласно требованиям к разработке схемы электрической структурной. Поэтому необходимо после тракта модуляции поставить усилитель мощность. В качестве такого усилителя выберем транзисторный усилитель, способный в 10 раз уменьшить выходную мощность ФМ. Подберем мощный биполярный транзистор КТ920Б который будет работать на требуемой частоте, с требуемым усилением. Рассчитаем значения входной мощности УМ1:

(3.6)

Вт;

; (3.7)

Вт;

(3.8)

Вт;

С учетом всего вышесказанного схема электрическая функциональная примет окончательный вид на рисунке 3.1.

Рис. 3.1 Схема электрическая функциональная

Так как выход усилителя на клистроне волноводный, необходимо выбрать тракт перехода с одной линии передачи на другую.

В нашем случае необходимо реализовать коаксиально-волноводный переход. Основным элементом такого перехода являются обтекаемые электрическим током штыри, размещаемые в короткозамкнутом с одной стороны волноводе, параллельно силовым линиям поля Е. Лучшие результаты по согласованию и электропрочности имеет переход с поперечным стержнем (рис. 3.2), который будет использоваться для осуществления тракт перехода на выходе усилителя мощности.

Рис. 3.2 Коаксиально-волноводный переход с поперечным стержнем

4 Разработка схемы электрической принципиальной

В данном курсовом проекте заданы на расчёт следующие блоки:

1) Цепь согласования;

2) оконечный усилитель мощности;

3) третий умножитель частоты;

4) фазовый модулятор;

5) первый умножитель частоты;

6) автогенератор.

Расчёт выполнялся в следующей последовательности:

1) Расчёт П - образной инвертирующей цепи;

2) расчёт оконечный усилитель мощности на клистроне;

3) расчёт третьего умножителя частоты на варакторе;

4) расчёт фазового модулятора;

5) расчёт первого умножителя частоты на варакторе;

6) расчёт кварцевого автогенератора.

4.1 Обоснование выбора оконечного усилитель мощности

Для оконечного усилителя мощности выберем многорезонаторный клистрон, который обладает достаточно высоким КПД, необходимым для проектируемого передатчика усилением. Так как в проектируемом передатчике отсутствуют смена несущих частот, по условию ТЗ, клистрон будет удовлетворять требованию по величине полосы пропускания частот. Стоит отметить меньшую, чем у ЛБВ чувствительность к изменениям напряжения питания, энергетические затраты, стоимость.

Регулировку выходной мощности клистронного усилителя изменением анодного (ускоряющего) напряжения U₀ производить можно, так как мощность требуемая на выходе не превышает более чем в 2 раза номинальную выходную мощность выбранного клистрона, а значит и КПД не будет заметно отличаться от номинального значения[2]. Выбор режима, близкого к максимальному, поспособствует уменьшению сопутствующей АМ при работе клистрона.

Принципиальная электрическая схема выходного каскада усилителя мощности приведена на рисунке 4.1.

Рис. 4.1 Принципиальная схема усилителя мощности

4.2 Расчет оконечного усилителя мощности

Произведем расчет работы многорезонаторного пролетного клистрона по методике представленной в [6], с уточнениями приведенными из[2].

По данным ТЗ, выходной мощности Р_н=700 Вт и частоте излучения f_р=6 ГГц, выберем многорезонаторный пролетный клистрон КУ-366, который, в полной мере, удовлетворяет нашим требованиям.

Исходными данными для расчета усилителя являются:

- мощность на выходе Рвых 875 Вт;

- рабочая частота f_р 6 ГГц;

Параметры выбранного многорезонаторного клистрона:

- диапазон рабочих частот f 6-8 ГГц;

- выходная мощность номинальная P_ВЫХ. 1,4 КВт;

- ширина полосы частот 30 МГц

- КПД 60 %;

- коэффициент усиления К 45дБ;

- напряжение анода U₀ 10 кВ;

- ток анода I₀ 1,1 А;

- ток накала I_н 4,5 А;

- напряжение накала U_н 12,6 В;

- масса 35 кг.

При расчетах будем использовать отрегулированное значение напряжение анода U₀=1,1(кВ). Поскольку в справочных данных отсутствуют сведения о количестве резонаторов, то, исходя из коэффициента усиления, принимаем N=3.

Принимаем приведенный радиус пролетной трубы ?а=1,2.

Коэффициент :

(4.2.1)

Найдем радиус пролетной трубы:

(4.2.2)

Выберем отношение радиуса пролетной трубы а к радиусу луча b a/b=1,2; тогда найдем b=a/1,2=0,062/1,2=19.425 (см).

Определим приведенный радиус электронного потока ?_b= ?_a /1,2=1. Обычно отношение ширины зазора к радиусу пролетной трубы принимается d/a=4/3. Отсюда

(4.2.3)

Приведенная ширина зазора :

(4.2.4)

Частота колебаний электронной плазмы для электронного потока бесконечного сечения:

(4.2.5)

Определим коэффициент а_п продольного расталкивания электронного потока бесконечного сечения:

(4.2.6)

Нормированная длина последней пролетной трубы:

(4.2.7)

Коэффициент электронного взаимодействия:

(4.2.8)

Статическое сопротивление клистрона:

(4.2.9)

Эквивалентное сопротивление выходного резонатора:

(4.2.10)

Характеристическое сопротивление резонатора:

(4.2.11)

Эквивалентное сопротивление ненагруженного резонатора R=?Q₀. Принимая ненагруженную добротность резонатора Q₀=1500, получим R=1500*113=169,5 (кОм).

Рассчитаем КПД резонатора:

(4.2.12)

Определим выходную мощность в режиме насыщения:

(4.2.13)

Входная мощность, соответствующая максимальной выходной мощности, при регулировке напряжения Uo будет определяться по следующей формуле

, где коэффициент А - первеанс который остается неизменным при регулировке напряжения анода, где - мкропервеанс. Определение входной мощности через коэффициент умножения невозможно, так как при регулировке Uo изменится скорость электронов и проводимость. Из всего сказанного рассчитаем входную мощность:

(4.2.14)

КПД усилителя:

(4.2.15)

где U_H=12,6(В), I_H=4,5(А) - паспортные значения напряжения и тока накала.

Определим мощность рассеиваемую на коллекторе, для расчета конструкторского блока и для расчета теплового режима.

(4.2.16)

4.3 Обоснование выбора умножителей частоты

Выбор варакторных умножителей частоты обусловлен невозможностью реализации (сложности реализации) транзисторных умножителей на полученных частотах.

Для увеличения частоты несущего колебания будем использовать умножитель частоты на 3 и два умножителя на 5, в которых нелинейным элементом умножения частоты будет параллельно подключенный варактор, предназначенный для работы при больших амплитудах колебания и больших значениях частотного диапазона.

Входная и выходная цепь представлена соответственно входным L1 C1 и выходным L2 C2 одиночными колебательными контурами настроенный на частоты f_р и 5f_р либо 3f_р. Сопротивление автосмещения Rсм обеспечивает режим работы варактора по постоянному току. Фильтр Lбл Cбл служит для устранения ОС через источник питания.

Принципиальная схема такого умножителя частоты имеет вид:

4.4 Расчет третьего умножителя частоты

Рассчитаем умножитель частоты на варакторе по методике приведенной в [3]. Выберем варактор для умножителя по частоте и мощности.

- исходные данные:

- коэффициент умножения N=3;

- входная частота f_р= 2 ГГц;

- входная мощность Р_н=1,167 Вт.

Выберем варактор АА607А из справочной литературе [4], выходная частота которого менее 15 ГГц и допустимая мощность Р_доп =1 (Вт), большая рассеиваемой мощности варактора Р_рас =Р_н (1/ n_e -1). Электронный КПД для умножителя частоты на 3 n_e =0,7; тогда Р_рас = 0,49 Вт.

Основные параметрами варактора АА607А:

Гц, Вт, В, , В, с, Ф, Ф.

Рассчитаем режим работы варактора

Определим параметры необходимые для расчета:

Для увеличения выходной мощности применим режим с оптимальным , выберем режим со слабым открыванием перехода, тогда n=3, k=n -1=2, ? =0,8, М=1, v=1/3 .

Определим сопротивление потерь:

(4.4.1)

Найдем емкость варактора:

(4.4.2)

Рассчитаем оптимальный угол отсечки:

(4.4.3)

Нормированный n-ый коэффициент, рядя Фурье:

(4.4.4)

Сопротивление варактора по n-ой гармонике:

(4.4.5)

Сопротивление потерь по n-ой гармонике:

(4.4.6)

Полное сопротивление по n-ой гармонике:

(4.4.7)

Определим ток n-ой гармоники:

(4.4.8)

Найдем амплитуду заряда n-ой гармоники:

(4.4.9)

Вычислим амплитуду заряда 1-ой гармоники:

(4.4.10)

Максимальное мгновенное напряжение на варакторе:

(4.4.11)

Определим амплитуду первой гармоники тока варактора:

(4.4.12)

Сопротивление варактора по первой гармонике:

(4.4.13)

Определим нормированный коэффициент первой гармоники:

(4.4.14)

Определим нормированный коэффициент первой гармоники с :

(4.4.15)

Определим сопротивление потерь варактора по первой гармонике :

(4.4.16)

Тогда найдем полное сопротивление варактора по первой гармонике :

(4.4.17)

Вычислим мощность первой гармоники поглощаемая варактором :

(4.4.18)

Определим нормированный коэффициент гармоники по постоянному току:

(4.4.19)

Определим нормированный коэффициент по постоянному току с :

(4.4.20)

Мощность постоянного тока отдаваемая варактором во внешнюю цепь:

(4.4.21)

Мощность рассеваемая варактором:

(4.4.22)

Определим электронный КПД варактора:

(4.4.23)

Рассчитаем корректирующую цепочку

Вычислим сопротивление автосмещения:

(4.4.24)

Определим емкость по первой гармонике:

(4.4.25)

Определим емкость по n-ой гармонике:

(4.4.26)

Определим корректирующую емкость:

(4.4.27)

Определим блокировочную индуктивность:

(4.4.28)

Рассчитаем величину емкости Сбл:

, где Rап0,1R_см, R_ап (Ом), (4.4.29)

С_бл=4,699·10^-5 Ф.

Определим параметры входной и выходной цепи:

Решим систему уравнений (4.2.1.30), связывающую входные, выходные параметры фильтров цепей умножителя:

(4.4.30)

В результате получим:

С_ВЫХ = 2,291·10^-15 (Ф), L_ВЫХ = 0,304 (мкГн), С_ВХ = 0,657·10^-13 (пФ), L_ВХ = 0,011(мкГн).

4.5 Расчет первого умножителя частоты

Расчет умножителя частоты на варакторе приведен в [3]. Выберем варактор для умножителя по частоте и мощности:

- исходные данные:

- коэффициент умножения N=5;

- входная частота f_р= 80 МГц;

- входная мощность Р_н=0.1 Вт;

Выберем варактор, который имеет граничную частоту f_гр>>n* f_р =400 МГц. Выберем варактор 2А609А со следующими параметрами:

Гц, Вт, В, , В, с, Ф, Ф.

Рассчитаем режим работы варактора

Определим параметры необходимые для расчета:

Для увеличения выходной мощности применим режим с оптимальным , выберем промежуточный режим n=5, k=(n+1)/2, ? =0,8, М=1, v=1/3 .

Определим сопротивление потерь:

(4.5.1)

Найдем емкость варактора:

(4.5.2)

Рассчитаем оптимальный угол отсечки:

(4.5.3)

Нормированный n-ый коэффициент, рядя Фурье:

(4.5.4)

Сопротивление варактора по n-ой гармонике:

(4.5.5)

Сопротивление потерь по n-ой гармонике:

(4.5.6)

Полное сопротивление по n-ой гармонике:

(4.5.7)

Определим ток n-ой гармоники:

(4.5.8)

Найдем амплитуду заряда n-ой гармоники :

(4.5.9)

Вычислим амплитуду заряда 1-ой гармоники:

(4.5.10)

Максимальное мгновенное напряжение на варакторе:

(4.5.11)

Определим амплитуду первой гармоники тока варактора:

(4.5.12)

Сопротивление варактора по первой гармонике:

(4.5.13)

Определим нормированный коэффициент первой гармоники:

(4.5.14)

Определим нормированный коэффициент первой гармоники с :

(4.5.15)

Определим сопротивление потерь варактора по первой гармонике:

(4.5.16)

Тогда найдем полное сопротивление варактора по первой гармонике:

(4.5.17)

Вычислим мощность первой гармоники поглощаемая варактором:

(4.5.18)

Определим нормированный коэффициент гармоники по постоянному току:

(4.5.19)

Определим нормированный коэффициент по постоянному току с :

(4.5.20)

Мощность постоянного тока, отдаваемая варактором во внешнюю цепь:

(4.5.21)

Мощность рассеваемая варактором:

(4.5.22)

Определим электронный КПД варактора:

(4.5.23)

Рассчитаем корректирующую цепочку

Вычислим сопротивление автосмещения:

(4.5.24)

Определим емкость по первой гармонике:

(4.5.25)

Определим емкость по n-ой гармонике:

(4.5.26)

Определим корректирующую емкость:

(4.5.27)

Определим блокировочную индуктивность:

(4.5.28)

Рассчитаем величину емкости Сбл:

, где Rап0,1R_см, R_ап9.45·10³ Ом; (4.5.29)

С_бл=7,937·10^-8 Ф.

Определим параметры входной и выходной цепи:

Решим систему уравнений (4.2.2.30), связывающую входные, выходные, полученные параметры.

(4.5.30)

В результате получим:

С_ВЫХ = 0,079(пФ), L_ВЫХ = 2 (мкГн), С_ВХ = 4,4(пФ), L_ВХ = 3,6(мкГн).

4.6 Обоснование выбора фазового модулятора

Использовали фазовый модулятор как управляемый фазовращатель - колебательный контур с нелинейной емкостью, управляемой источником модуляционных колебаний. Этот контур настроен на частоту несущего колебания. Несущая частота на входе f_р =400МГц должна в несколько раз превышать максимальную частоту модулирующих колебаний.

Рис.4.3.1 Принципиальная схема управляемого фазовращателя

4.7 Расчет фазового модулятора

Произведем расчет фазового модулятора, по методике представленной в [3].

Для заданных в ТЗ телевизионного сигнала с телефонией, максимальный диапазон составляет 6МГц. Зная из условий ТЗ ширину полосы пропускания , по формуле , определим - девиацию частоты :

(4.7.1)

Определим индекс фазовой модуляции согласно предварительному расчёту:

(4.7.2)

Выберем зарубежный варикап EH375 со следующими параметрами:

Сво=2 (пФ), при UВ=4(В);

Uдоп=20 (В);

Qв=150;

P_в = 15 (мВт);

= 2, т.е. с сверхрезким p-n-переходом, для уменьшения нелинейных искажений в фазовом модуляторе; f _в =1000 (МГц);

Коэффициент гармоник примем по возможности малым =0,001;

F_н =400(МГц), - несущая частота;

Пересчитаем добротность контура при заданной рабочей частоте:

(4.7.3)

С уменьшением частоты возрастает добротность контура, что влечет за собой уменьшение нелинейных искажений модулятора.

Определим нормированную амплитуду модулирующих колебаний:

(4.7.4)

Полезное изменение емкости:

(4.7.5)

Вычислим индекс фазовой модуляции, примем коэффициент вклада варикапа в емкость контура Кв=1, для получения столь малого Кг:

(4.7.6)

Полученный индекс фазовой модуляции удовлетворяет индексу, полученному в предварительном расчете, что обуславливает возможность модуляции требуемого сигнала.

Определим значение индуктивности

(4.7.7)

Блокировочная емкость С1 не должна влиять на частоту настройки контура.

(Ом), (4.7.8)

возьмем С1=1 мкФ.

Резисторы R1, R2 служат для подачи смещения, сопротивление R2 на высшей частоте модуляции намного меньше, чем сопротивление емкости С1.

(Ом). (4.7.9)

возьмем R2=10 Ом.

Резистор R1 выбираем исходя из напряжения поданного на делитель R1, R2, чтобы получить заданное напряжение смещения на варикапе, пусть это напряжение - UВ0 =6В, тогда с учётом, того, что напряжение смещения равно Uв=4В, получим

(4.7.10)

Для подстройки контура в границах диапазона необходимо изменять Uво, а так же U (для получения необходимой девиации).

4.7 Обоснование выбора предварительного усилителя мощности

Используем в качестве предварительного усилителя мощности транзисторный усилитель. В качестве активного элемента в усилителе мощности будет использоваться мощный биполярный транзистор КТ920Б, который обеспечит требуемую выходную мощность с усилением в сто раз и может работать на требуемой частоте. Параметры транзистора приведены в приложении.

Схема усилителя мощности приведена на рисунке 4.4.1

Требования к первому усилителю мощности:

- рабочая частота - 400 МГц;

- выходная мощность - 0,033 Вт.

Рис.4.4.1 Принципиальная схема предварительного усилителя мощности

4.9 Обоснование выбора автогенератора

Для создания стабильных автогенераторов нужно использовать высокодобротные колебательные системы, обладающие стабильной резонансной частотой, лучшими свойствами обладает колебательная система с кварцевым резонатором. Так как нашему передатчику предъявляться высокие требования по стабильности частоты, мы будем применять кварцевый резонатор. Выберем кварцевый АГ, который будет генерировать сигнал с частотой 80 МГц. Схема выбранного АГ имеет вид рисунок 4.5.1:

Рис. 4.5.1 Принципиальная схема автогенератора

4.10 Расчет автогенератора

Произведем расчет кварцевого автогенератора, по методике представленной в [3].

Исходные данные

- частота генератора f_р=80 МГц;

- выходная мощность Р_н=0.1Вт.

Принципиальная схему АГ представлена на рисунке 4.5.1

Выбор транзистора и резонатора

Руководствуясь тем что, фазовый сдвиг между колебаниями i_к(t) и u_б(t) можно было устранить с помощью корректирующей цепочки, следует выбирать транзистор, граничная частота f_t которого больше, чем заданная частота f_г колебаний.

Для наших исходных данных выбираем транзистор средней мощности КТ610А с граничной частотой f_t=400 МГц. Его паспортные данные:

С_-к=3 пФ;

С_э=21 пФ;

u_{к доп}=26 В;

i_{к доп}=0,3 А;

u_{б доп}=4 В;

Р_доп=1 Вт;

?_ос=30 пС;

S_гр=0,1А/В;

U_отс=0,7В;

Средний коэффициент усиления тока В=50;

Граничные частоты: f_?=f_t/B=400/50=8(МГц), f_?=f_?+f_t=400+8=408 (МГц);

Активная часть коллекторной ёмкости С_кэ=С_к/2=1,5(пФ) и сопротивление потерь в базе r_б=?_ос/С_ка=30/1,5=20 Ом; U_К0=0.3*u_{к доп}=7,8 В;

По исходным данным подберем кварцевый резонатор РКМ-14, со следующим параметрами, используя сайт Internet [10]:

- диапазон частот fр=5…300 (МГц)

- добротность Q=

- сопротивление кварца r_кв =10(Ом)

Расчет корректирующей цепочки

(4.10.1)

(4.10.2)

(4.10.3)

(4.10.4)

Крутизна переходной характеристики транзистора с коррекцией

(4.10.5)

Расчёт электрического режима

Выбираем i_{k max}=0.8*i_{к доп}=0,24(А); U_k0=0,3*U_{k доп} =7,8(В); ?=60?; тогда ?₀=0.22; ?₁=0.39; ?₀=0.10; =0,5;

Рассчитываем основные параметры генератора:

(4. 10.6)

(4. 10.7)

(4.10.8)

(4.10.9)

Для стабильности частоты выбираем

(4.10.10)

(4.10.11)

(4.10.12)

(4.10.13)

(4.10.14)

(4.10.15)

-выполняется.

Значение сопротивления выбираем равным ;

; (4.10.16)

; (4.10.17)

(4.10.18)

(4.10.19)

- условие получения недонапряженного режима для увеличения стабильности частоты выполняется.

Расчет резонатора

Колебательная система автогенератора состоит из контура C1, C2,и Hz.

Параметры кварцевого резонатора приведены в выборе транзистора и резонатора.

Вычислим параметры элементов резонатора:

Для увеличения стабильности частоты целесообразно применять ослабленную связь резонатора с нагрузкой. В этом случае Q = Q₀ , Q₀ - добротность ненагруженного контура, так как потери в индуктивности существенно выше потерь в емкости, поэтому можно принять Q₀ = Q_HZ .

(4.10.20)

(4.10.21)

(4.10.22)

Определим резонансное сопротивление контура :

(4.10.23)

Определим коэффициент включения контура в выходную цепь транзистора:

(4.10.24)

(4.10.25)

(4.10.26)

Расчет емкостей С_св и С₂

Чтобы сопротивление нагрузки R'_н, пересчитанное к выходным электродам транзистора, не снижало заметно добротности контура, примем R'_н = 3R_к =3*51,3=153,9 (Ом)

Добротность последовательной цепочки Cсв Rн, возьмем Rн=50(Ом):

(4.10.27)

(4.10.28)

Определим емкость пересчитанную параллельно емкости :

(4.10.29)

(4.10.30)

Расчет цепи смещения

(4.10.31)

(4.10.32)

(4.10.33)

, - условие, исключающее шунтирование контура сопротивлениями и выполняется.

(4.10.34)

(4.10.35)

(4.10.36)

(4.10.37)

Расчет цепи питания

(4.10.38)

Сопротивление емкости блокировочного конденсатора Cбл1 на рабочей частоте должно быть много меньше внутреннего сопротивления источника питания, выбираем 1/2?fрСбл=0,1 Ом. Тогда:

выбираем Сбл1=0,15 мкФ

(4.10.39)

4.11 Обоснование выбора цепи согласования

Для согласования оконечного каскада с нагрузкой применим П-образную инвертирующую цепь, принципиальная схема которой имеет вид рисунок 4.6.1:

Рис. 4.6.1 Принципиальная схема цепи согласования

4.12 Расчет цепи согласования

Произведем расчет цепи согласования по методике представленной в [3] с уточнениями в [7]. Нагрузкой цепи согласования является антенна, соединенная с ЦС через фидерное устройство, у которого стандартное сопротивление R_H =R₂ =50 Ом. Эквивалентное сопротивление согласующей цепи на выходе последнего резонатора, обеспечивающее оптимальный режим

(4.12.1)

Применив П-образную инвертирующую цепь (рис 4.6.1), ее характеристическое сопротивление:

(4.12.2)

Емкости согласующей цепи:

С₁ = С₂=1/(w) = (4.12.3)

Рассчитаем индуктивность согласующей цепи:

(4.12.4)

Расчёт согласующей цепи окончен.

5 Разработка конструкции

В разработке конструкции передатчика необходимо выполнить конструктивный чертеж блока УСВЧ, с соблюдением эксплуатационных норм, с обеспечением оптимального теплового режима каскадов ВЧ, и снизить влияния ВЧ поля на работу других каскадов передатчика.

В разрабатываемый блок будут входить оконечный клистронный усилитель мощности, с мощным блоком питания, для подачи высокого напряжения на анод клистрона, а также второй и третий умножители частоты.

Для уменьшения потерь в линиях СВЧ - передачи, их необходимо эффективно экранировать, размещая параллельно им на расстоянии 2-3мм участки металлизации «земля», также необходимо экранировать мощный блок питания.

Габариты блока будут в основном определяться размерами усилителя (которые приведены в характеристике выбранного клистрона), и предварительного расчета размеров блока питания.

Примем для расчета блока питания типовые значения:

Вмах = 1.6, J = 3, Кок = 0.27, Кст = 0.85.

(5.1)

Sст- сечение стали магнитопровода в месте расположения катушки;

Sок - площадь окна в магнитопроводе;

Вмах- магнитная индукция;

J - плотность тока;

Кок - коэффициент заполнения окна;

Кст - коэффициент заполнения магнитопровода сталью.

(5.2)

(5.3)

а, b - размеры поперечного сечения магнитопровода

d - диаметр окна

Объем тороидального сердечника при a = b:

(5.4)

Если Sст = Sок, тогда:

(5.5)

(5.6)

(5.7)

Если считать, что блок питания имеет форму куба, то сторона этого куба равна:

(5.8)

Зная основные габариты БК, усилителя мощности и ориентировочные габариты умножителей частоты мы можем определить местонахождения каскадов в блоке.

Зная основные габариты БК, усилителя мощности и ориентировочные габариты умножителей частоты мы можем определить местонахождения каскадов в блоке.

Поскольку рассеиваемая мощность оконечным усилителем составляет 470 Вт необходимо определиться с типом системы охлаждения. Водяное охлаждение доставляет большие эксплуатационные неудобства из-за насосов, резервуаров для воды, необходимость ее вторичного охлаждения и т.п. Выберем более совершенный способ - принудительное воздушное охлаждение, при котором охлаждающий воздух забирается вентилятором непосредственно из помещения, где установлен передатчик. Вентилятор обдувает радиатор выходного прибора и отводит наружу тепло летом, а зимой тепло используется для обогрева помещения где установлен передатчик. Недостаток подобной системы охлаждения - повышенный шум, из-за работы вентилятора.

Руководствуясь всем выше сказанным составим конструкцию блока УСВЧ, которую приведем в ПРИЛОЖЕНИИ.

Рассчитаем тепловой режим блока УСВЧ. Для расчёта используем web-интегрированную среду для расчёта тепловых режимов РЭА, которая доступна по следующему сайту http://skr.radioman.ru/thermal/, используя подраздел “Расчет теплового режима герметичного блока с наружным обдувам“. Целью расчета является определение температур нагретой зоны и среды вблизи поверхности ЭРЭ, необходимых для оценки надежности. Обычно производится расчет для наиболее критического элемента, т. е. элемента, допустимая положительная температура которого имеет наименьшее значение среди всех элементов, входящих в состав устройства и образующих нагретую зону. В результате расчёта получены результаты:

Температура корпуса блока Tк=25,5C.

Температура воздуха в блоке Tв=31,2C.

Температура нагретой зоны Tz=33C.

Температура окружающей элемент среды Tes=33,3C.

Температура поверхности элемента Te=35,8C.

В исходных данных были заданы следующие предельные температурные характеристики:

Tк max= 50 C - максимально допустимая температура корпуса.

Tв max= 65 C - предельно допустимый перегрев воздуха в аппаратуре.

Tz max= 30C - допустимый перегрев нагретой зоны.

Temax= 100 C - максимально допустимая температура элемента.

Pрас = 600 Вт - рассеиваемая мощность блока.

V=60 м/с - скорость обдува

Таким образом, в результате расчета обнаружено, что температурные условия выполняются РЭА можно эксплуатировать в заданном тепловом режиме.

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта был разработан передатчик спутниковой радиосвязи, согласно техническому заданию. Получена схема электрическая принципиальная всего передатчика, составлен конструктивный чертеж блока УСВЧ. В пояснительной записки обоснованы все инженерные решения для разработки схем. Приобретен колоссальный опыт работы и умение проектировать радиоэлектронную аппаратуру.

В ходе проектирования передатчика использовались программы: Microsoft Word, Microsoft Visio, MathCAD Professional 2001.

Список используемой литературы

1. Радиопередающие устройства / В. В. Шахгильдян, В. Б. Козырев, А. А. Ляховкин и др.; Под ред. В. В. Шахгильдяна. - М.: Радио и связь, 2003. - 560с.

2. Проектирование радиопередатчиков / В. В. Шахгильдян, М. С. Шутилин, В. Б. Козырев и др.; Под ред. В. В. Шахгильдяна. - М.: Радио и связь, 2000. - 656 с.: ил.

3. Петров Б. Е., Романюк В. А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов. - М.: Высш. школа, 1989. - 232 с.: ил.

4. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ / Под ред. Г. М. Уткина. - М.: Сов. радио, 1979. - 320 с.

5. Системы спутниковой связи / А. М. Бонч-Бруевич, В. Л. Быков, Л. Я. Кантор и др.; Под ред. Л. Я. Кантора. - М.: Радио и связь, 1992. - 224 с.

6. Минаев М.И. “Радиопередающие устройства СВЧ”; Мн.: Высшая школа, 1987г. - 220с

7. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Высшая школа, 2000. - 462 с.: ил.

8. Бригидин А.М., Ползунов В.В. Учебно-методическое пособие: Радиопередающие устройства. - Мн.: БГУИР, 2006г.

9. Сайт Internet http://skr.radioman.ru/.

10. Сайт Internet http://www.etna.ru/.