Расчет выходного каскада РПДУ с распределенным усилением

Федеральное агентство по рыболовству

Федеральное государственное образовательное учреждение среднепрофессионального образования (техникум)

Эксплуатация оборудования радиосвязи и электронавигации судов

Курсовая работа

по курсу

Радиопередающие устройства

На тему:

«Расчет выходного каскада РПДУ с распределенным усилением»

Содержание

Введение

1. Расчет структурной схемы ВУМ

2. Расчетная схема выходного каскада с распределенным усилением

3. Расчет выходного усилителя мощности с распределенным усилением

4. Заключение

5. Список литературы

Введение

Когда в 1887 г. своими экспериментами немецкий физик Г.Р. Герц (1857 - 1894) доказал справедливость гипотезы Дж.К. Максвелла (1831 - 1879) о существовании электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света (называемых теперь радиоволнами), многие изобретатели в разных странах занялись вопросом использования этих волн для беспроволочной передачи сигналов. Немалый вклад внесли в это французский физик Э. Бранли (1844 - 1940), а также английский ученый О. Дж. Лодж (1851 - 1940).

Первая в мире радиопередача была осуществлена в России знаменитым изобретателем и ученым А.С. Поповым (1859 -1906). В 1888 г. ученый узнал об открытиях Герца и немедленно приступил к их воспроизведению. В 1889 г. в одной из своих лекций, Попов впервые указал на возможность использования электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние без проводов. Ознакомившись с работами Бранли и Лоджа, Попов продолжал совершенствовать детали передатчика и приемника вводя такие важные новые элементы, как провод, присоединенный к схеме, т.е. прообраз приемной антенны (1894). В это время с А.С. Поповым начал работать его друг и помощник П.Н. Рыбкин (1864 -1948). 23 апреля (7 мая по новому стилю) 1895г. на заседании Русского физико-химического общества А.С. Попов демонстрировал свой аппарат, "явившийся родоначальником всех приемных приборов искровой "беспроволочной телеграфии". Обнаружив, что прибор реагирует на грозовые разряды, Попов создал свой "грозоотметчик", практически использованный для приема сигналов о приближении гроз в метеорологической обсерватории столичного Лесного института, на Нижегородской ярмарке и других случаях. В 1895 - 1896 гг. ученый совершенствовал свое передающее устройство. 12 (24) марта 1896 г. был организован прием первой в мире радиограммы в Физическом кабинете Петербургского университета на Васильевском острове. Станция отправления находилась на расстоянии 250 метров, в Химическом институте. К приемному устройству был присоединен телеграфный аппарат, передававший по алфавиту Морзе одну букву за другой. Текст этой депеши гласил: "Генрих Герц".

Между тем летом 1896г. в печати появились (без сообщения каких-либо технических подробностей) сведения о том, что итальянец Маркони открыл способ "беспроволочного телеграфирования". Г. Маркони (1874 -1937) не имел специального образования, но обладал энергичной коммерческой и технической предприимчивостью. Тщательно изучив все, что было опубликовано по вопросу о передаче излучений без проводов, он сам сконструировал соответствующие приборы и отправился в Англию. В Англии при поддержке почтового ведомства Маркони организовал частную фирму "Wireless Telegraph and Signal" ("Компания беспроволочного телеграфа и сигналов"). Первая радиограмма была передана в июне 1898 г. В 1899 г. Маркони осуществил передачу через Ла-Манш, а в 1901 г. - через Атлантику.

Проблемой беспроволочной передачи сигналов много занимался американский ученый югославского происхождения Н. Тесла (1856 - 1943). В 1890 - 1891 гг. он создал специальный высоковольтный высокочастотный резонансный трансформатор, сыгравший исключительную роль в дальнейшем развитии радиотехники. В 1896 г. Тесла передал радиосигналы на расстоянии 32 км на суда, двигавшиеся по Гудзону. С 1901 г. радиопередатчиками стали оборудоваться морские суда. В 1905 г. американец Форест установил радиосвязь между железнодорожным составом в пути со станциями на дальность 50 км. В 1907 году была установлена надежная радиосвязь между Европой и Америкой. В 1910 году пароход "Теннеси" получил сообщение о прогнозе погоды из Калифорнии на расстоянии 7,5 тыс. км, а в 1911 году была достигнута радиосвязь на 10 тыс. км.

Огромное значение для дальнейшего развития электросвязи имело появление на рубеже ХIХ и ХХ вв. электронных ламп. В 1883 г. Эдисон обнаружил, что стеклянная колба вакуумной лампочки накаливания темнеет из-за распыления материала нити. Впоследствии было установлено, что причиной этого "эффекта Эдисона" является испускание электронов раскаленной нитью лампочки (явление термоэлектронной эмиссии). В 1904 г. английский ученый Дж. Э.Флеминг (1849 -1945) изобрел вакуумный диод (двух электродную лампу) и применил его в качестве детектора (преобразователя частот электромагнитных колебаний) в радиотелеграфных приемниках. В 1906 г. американский конструктор Ли де Форест (1873 - 1961) создал трехэлектродную вакуумную лампу - триод (аудион Фореста), которую можно было использовать не только в качестве детектора, но и усилителя слабых электрических колебаний. Спустя 4 года инженеры Либен, Рейкс и Штраус в Германии сконструировали триод с сеткой в виде перфорированного листа алюминия, помещенной в центре баллона. Однако первые приборы имели слабый коэффициент усиления. Необходимы были дополнительные изыскания, чтобы превратить триод в настоящий усилитель. Этим новым устройством была регенеративная схема (1912) американского радиотехника Э.Х. Армстронга (1890 -1954). Это был чувствительный приемник и первый немеханический генератор чистых непрерывных синусоидальных сигналов. Регенеративная схема Армстронга была быстро принята промышленностью. В 1915 г. между Нью-Йорком и Сан-Франциско была установлена трансконтинентальная телефонная связь с применением регенеративных ретрансляторов.

В 1913 г. немец А. Мейснер (1883 - 1958) открыл способность триода усиливать и генерировать электромагнитные колебания. Благодаря этому был построен первый ламповый радиопередатчик. Передатчик Мейснера передавал как телефонные так и телеграфные сигналы. В разработке приемно-усилительных и генераторных ламп значительная роль принадлежит русскому физику Н.Д. Папалекси (1880 - 1947). В 1911 году он заложил основы теории преобразовательных схем в электронике. В 1914 -1916 гг. Папалекси руководил разработкой первых образцов отечественных радиоламп. В 1916 г. при активном участии ученого-радиотехника М.А. Бонч-Бруевича (1888 -1940) в России было налажено собственное производство электронных ламп.

1. Теоретическая часть

Выходные усилители служат для выделения заданной мощности в передающую антенну или фидерную линию, связывающую антенну с передатчиком.

Выходные усилители - наиболее мощные ступени передатчика. Они требуют наибольшего напряжения и мощности возбуждения и являются основными потребителями энергии источников питания.

К выходным усилителям предъявляются следующие технические требования:

1. Они должны обеспечить заданную полезную мощность в антенне при максимально возможном К.П.Д.

2. Они должны иметь минимальное число элементов настройки, причем настройку необходимо осуществлять наименьшим числом операций (это требование относится к подвижным передатчикам малой и средней мощности).

3. В анодной цепи должна осуществляться наилучшая фильтрация высших гармоник с тем, чтобы уровень гармоник в антенне был наименьший.

4. Выходные усилители подвижных передатчиков, как правило, должны рассчитываться для работы с различными типами антенн, имеющих разные параметры, которые претерпевают значительное изменение в диапазоне частот (при расчете всегда выбирается какой-либо основной тип антенны).

Выходные усилители классифицируются по схеме включения ламп и схеме включения антенны. В первом случае различают одноактные и двухтактные схемы, во втором - простые и сложные.

В простых схемах (рис. 1.1, а) антенна вместе с элементами настройки и связи образует контур, являющийся основной нагрузкой усилителя; в сложных схемах (рис. 1.1, б - г) в анодную цепь лампы помещают промежуточный контур, который связывается с антенной и передает в нее полезную мощность.

В зависимости от типа антенны схемы выхода могут быть симметричными (рис. 1.1, в) и несимметричными (рис. 1.1, а, б, г), последовательными (рис. 1.1, а, б) и параллельными (рис. 1.1, г).

Симметричные схемы выхода применяются при работе с симметричными антеннами. В этих схемах выходные клеммы всегда имеют равные по величине, но противоположные по знаку потенциалы относительно корпуса (земли). В несимметричных схемах выхода потенциал одной из выходных клемм присоединен к корпусу (земле) и всегда равен нулю.

При несимметричных схемах выхода и симметричных антеннах применяют согласующее устройство, простейшая схема которого представлена на рис. 1.2.

Эта схема позволяет получить симметричный выход при несимметричном входе.

Применение последовательных или параллельных схем питания антенны определяются величиной ее активного сопротивления.

Антенны средних волн имеют, как правило, емкостной характер входного сопротивления () и небольшую величину активной составляющей . Настройка антенного контура в этом случае осуществляется с помощью «удлинительных» катушек индуктивности (рис. 1.1, а, б). Такие антенны легко согласуются с промежуточным контуром выходного усилителя.

Когда сопротивление антенны носит индуктивный характер (), настройка антенного контура производится емкостью.

В обоих указанных случаях антенна вместе с элементами настройки и связи представляет последовательный открытый колебательный контур и легко согласуется с промежуточным контуром выходного усилителя, обеспечивая высокий к.п.д. промежуточного контура. Это объясняется тем, что, как будет показано ниже, малое активное сопротивление антенного контура трансформируется в промежуточный контур в виде высокого вносимого сопротивления (при конструктивно допустимой величине коэффициента связи с антенной и высоким к.п.д.).

Наименьший к.п.д. антенного контура получается при емкостном характере сопротивления антенны, так как включение удлинительной катушки увеличивает сопротивление потерь антенного контура (особенно при малых величинах активного сопротивления антенны).

На практике часто приходится работать с антенными, имеющими высокое активное сопротивление. Большое активное сопротивление антенны снижает сопротивление, вносимое в промежуточный контур (даже при сильной связи с ним), и уменьшает к.п.д. последнего и мощность в антенне.

Для согласования высокоомной антенны с промежуточным контуром применяют параллельную схему настройки антенны, подключая параллельно ей реактивное сопротивление (рис. 1.1, г). в этом случае снижается активное сопротивление антенны и облегчаются условия согласования ее с промежуточным контуром.

Энергетический расчет передатчика начинается с расчета выходного усилителя. При этом необходимо знать основные эквивалентные параметры антенны на тех частотах, на которых рассчитывается передатчик, а именно ее сопротивления: реактивное и

,

,

где - сопротивление излучения антенны;

- сопротивление потерь антенны;

- эквивалентная емкость антенны;

- эквивалентная индуктивность антенны.

Эквивалентные параметры антенны определяются для тока в точках подключения антенны к передатчику или фидерной линии.

2. Расчет выходного усилителя мощности с распределенным усилением

Исходные данные

Диапазон частот - 1.6-25.6 МГц

3. Определение параметров длинной линии и выбор типа фильтров

1. Граничная частота анодной цепи берётся на 15-20% выше заданной максимальной частоты рабочего диапазона

2. Минимальная ёмкость анодной линии

3.Волновое сопротивление линии

4. Для нормальной работы УРУ скорость распространения волн в анодной и сеточной линий должна быть одинаковой, что обеспечивается выполнением условия.

Но для обеспечения устойчивости УРУ против самовозбуждения должно выполняться условие

Обычно принимают

В сеточной цепи допустимо иметь меньшее волновое сопротивление чем в анодной. При необходимости в состав ёмкости звена сеточной линии можно ввести дополнительный конденсатор, например подстроечный

5. Волновое сопротивление сеточной линии

6. Определяем элементы звеньев длинной линии

7. Элементы согласующих звеньев принимают

Аналогично производится расчёт элементов сеточной линии, подставляя в формулы ,

8. В балластном сопротивлении анодной линии рассеивается мощность

=10.25 Вт

9. Постоянная составляющая тока экранной сетки

10. Мощность рассеиваемая на экранной сетке

11. Коэффициент усиления по мощности

УРУ с неоднородной линией характеризуется почти полным отсутствием отражённой волны и одинаковой величиной колебательного напряжения в анодных цепях каждой лампы. Характеристическое сопротивление выходной линии в местах подключения анодов ламп обратно пропорционально номеру лампы, т.е.

Колебательное напряжение на анодах ламп

.

Следовательно, мощность, рассеиваемая на анодах всех ламп, будет одинакова.

Характеристическое сопротивление первого звена определяются по формуле

Амплитуда напряжения на нагрузке

и не зависит от числа ламп, что является недостатком данного типа УРУ.

Основным достоинством схемы УРУ с неоднородной линией является сравнительно низкое выходное сопротивление. Это облегчает согласование УРУ с нагрузкой.

УРУ с комбинированной выходной линией объединяет в себе достоинства обоих ранее рассмотренных типов УРУ. Такой усилитель состоит как бы из двух частей. Группа ламп работает на участок однородной линии.

Заключение

При проектировании усилителя его необходимо рассчитывать на максимальную мощность, но необходимо также учесть потери в выходной колебательной системе, а также и потери в антенно-фидерном устройстве. Таким образом, для вычисления мощности, которую необходимо обеспечить на выходе оконечного каскада, необходимо знать КПД выходной колебательной системы и антенно-фидерного устройства.

Список литературы

1. Радиопередающие устройства. Издание 3-е издательство «Судостроение» 1967г. Е.Л. Окунь.

2. Проектирование радиопередающих устройств 3-е издание «Радио и связь» 1993г. под редакцией В.В. Шахгильдяна.