Разработка радиопередающего устройства с видом модуляции КАМ-16

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Радиопередающим называется устройство, предназначенное для выполнения двух основных функций - генерации электромагнитных колебаний и их модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Радиопередающие устройства находят широкое применение в различных областях: телевидение, все виды радиосвязи, радиовещание, телеметрия и др.

Одной из основных тенденций развития техники радиопередающих устройств является стремление выполнить радиопередатчик по возможности полностью на полупроводниковых приборах и интегральных схемах (ИС).

В мощных каскадах передатчиков применяются тиристоры, биполярные и полевые транзисторы, варакторы, туннельные диоды, ЛПД и диоды Ганна. Увеличиваются рабочие частоты, выходные мощности, КПД транзисторов и полупроводниковых диодов, совершенствуется их конструктивное выполнение.

В настоящее время проектирование большинства РПДУ сводится к сборке его из стандартных унифицированных узлов с высокой степенью интеграции (задающих генераторов, умножителей частоты, усилителей, модуляторов и т. д.).

Однако унифицировать РПДУ и их узлы далеко не просто. С одной стороны, это связано с многообразием радиосистем и существенными различиями требований к выходным параметрам РПДУ (рабочая частота, мощность, вид модуляции, диапазон модулирующих частот и т. д.). Отсюда разнообразие структурных схем, сложность частотных преобразований в них, различие в требованиях к отдельным узлам. С другой стороны - важнейшие узлы РПДУ обладают узкими полосами пропускания. Особенно сильно это проявляется при проектировании транзисторных усилителей мощности на частотах выше 1 - 2 ГГц. Здесь емкости транзисторной структуры и индуктивности выводов существенно ограничивают максимально достижимые полосы пропускания.

Основными электрическими характеристиками передатчика, определяющими его конструкцию, являются мощность, диапазон несущих частот, вид и требуемое качество модуляции, требования обеспечения ЭМС - допустимые нестабильность частоты и уровни побочных и внеполосных излучений. Наряду с этим существенную роль играют назначение передатчика и соответствующие этому условия его будущей эксплуатации.

В данной курсовой работе используется вид модуляции КАМ-16. Если использовать одновременно с фазовой модуляцией и модуляцию отсчетов дискретными амплитудами, то появляется возможность реализации многоуровневой амплитудно-фазовой манипуляции (АФМ), параметром которой является комплексная амплитуда радиосигнала.

Пользуясь геометрической трактовкой, каждый сигнал многоуровневой (М-уровневой) модуляции можно изобразить вектором в сигнальном пространстве. Отмечая только концы векторов, для сигналов М-уровневой модуляции получаем изображение в виде сигнальных точек, координаты которых определяются значениями координат V_ck и V_sk. Совокупность сигнальных точек образует сигнальное созвездие, имеющее вид, показанный на рис.1.

Многоуровневую АФМ называют также мпогопозиционной квадратурной амплитудной модуляцией (M-QAM) или М-ичной QAM , где число возможных позиций в сигнальном созвездии указывает число М (например, КАМ-16 или 16-QAM; КАМ-256 или 256-QAM и т.д.).

При многоуровневой АФМ из-за большого количества сигнальных точек в созвездии можно значительно (для систем без дополнительного кодирования в log₂ М раз) повысить скорость передачи цифровой информации источника сообщения, т. е. реализовать увеличение спектральной эффективности, равной отношению:

Формировать многоуровневую АФМ можно с помощью -уровневой балансной амплитудной манипуляции квадратурных колебаний несущей частоты и сложения полученных амплитудно-манипулированных радиосигналов. Именно поэтому амплитудно-фазовую манипуляцию стали называть квадратурной амплитудной манипуляцией - КАМ. Вид сигнала квадратурной амплитудной модуляции для модулирующей последовательности, сгруппированной полубайтами, показан на рис.2.

радиопередатчик катушка индуктивность транзисторы

1. Разработка структурных схем

Структурная схема позволяет обособить функциональные узлы устройства и установить взаимосвязи между ними. Поэтому разработку задания начнем с построения общей структурной схемы передатчика.

Рис. 3. Общая структурная схема передатчика

1.1 Общая структурная схема передатчика

Для обеспечения заданной высокой стабильности частоты передатчика была выбрана схема генератора с внешним возбуждение. Поясним назначение функциональных узлов структурной схемы.

Синтезатор частоты предназначен для вырабатывания частоты с высокой стабильностью и перестройки передатчика в требуемом диапазоне. Модулятор обеспечивает формирование модулирующего колебания в соответствии с заданным типом модуляции. На рис. 4 показана структурная схема модулятора КАМ-16 для случая, когда V_ck V_sk принимают значения ±1, ±3 (4-уровневая КАМ). Смеситель формирует модулированный высокочастотный сигнал, который и подлежит усилению с помощью усилителя мощности. Однако, при работе смесителя возникают побочные составляющие спектра, которые не должны входить в заданный диапазон. Для их подавления между смесителем и усилителем мощности включен полосовой фильтр. Работа усилителя мощности в нелинейном режиме (в режиме с отсечкой) обуславливает появление в спектре выходного сигнала передатчика высших гармоник. Фильтр гармоник позволяет подавить эти высшие гармоники. Блок управления предназначен для осуществления управления перестройкой передатчика (синтезатора частоты) и подачи информационного сигнала на модулятор.

1.2 Структурная схема синтезатора частоты

Для выработки стабильной частоты генератора применяется синтезатор частоты, выполненный по структурной схеме, изображенной на рис. 5. Поясним назначение функциональных узлов схемы.

ГУН - генератор, управляемый напряжением, вырабатывает сигнал малого уровня в заданном диапазоне частот. Этот сигнал через буферный каскад, который развязывает синтезатор частоты с входом смесителя, поступает на смеситель и систему ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты), реализованной на цифровой микросхеме. ФАПЧ согласно сигналам управления настраивает ГУН на требуемую частоту диапазона и следит за стабильностью этой частоты, путем сравнения с эталонным генератором (кварцевым генератором).

Рис. 5. Структурная схема синтезатора частоты

Шаг сетки СЧ () выбирается из соображения максимальной нестабильности и должен удовлетворять условию:

Подставляя заданные значения, получаем, что кГц. Задаемся значениемкГц.

Требуемый шаг перестройки может быть реализован при частоте опорного генератора 30 МГц, коэффициенте делителя образцовой частоты N₀ = 1000.

Частота выходного сигнала с ГУН определяется в соответствии с выражением:

где N - коэффициент деления программируемого делителя частоты. Заданный диапазон перестройки несущей частоты реализуется при N_min = 145000 и N_max = 150000, с шагом перестройки ДN = 1.

Управление синтезатором осуществляется в последовательном коде по 3-х проводной шине (выводы 7, 8, 10). На вывод 10 подается управляющее слово, содержащее информацию о коэффициентах деления N и N₀.

1.3 Выбор транзисторов передатчика

В мощных каскадах передатчиков применяются тиристоры, биполярные и полевые транзисторы и т.д. Ламповая техника оказалась экономически оправдана только при выходных мощностях передатчиков, превышающих 1 - 3 кВт в непрерывном режиме генерации. Поэтому в данном курсовом проекте будем использовать биполярные транзисторы.

При выборе транзисторов для цепей усиления мощности высокой частоты следует исходить из нескольких основных параметров: требуемая выходная мощность, диапазон частот, возможного типа корпуса транзистора и применяемого источника питания. Следует уделить внимание и вопросу крепления транзисторов на радиаторе. Применение радиаторов естественного воздушного охлаждения требует выполнение расчетов тепломассообмена, однако для большинства практических приложений можно рекомендовать выбирать площадь поверхности воздушного радиатора с естественным охлаждением из условия рассеивания тепловой мощности в 1Вт площадью поверхности радиатора не менее 10 см². Так же транзистор должен обладать 30% запасом по мощности.

Автогенератор следует выбирать из условий необходимой полосы частот и требуемой стабильности частоты.

По заданию на выходе необходимо обеспечить мощность в 15 Вт. Для реализации этой схемы необходимо взять транзистор марки 2Т948А, обеспечивающим выходную мощность 20 Вт в диапазоне 700 - 2300 МГц.

Параметры транзистора приведены в приложение 1.

1) Фильтр гармоник должен иметь коаксиальный выход, для подключения антенны. Он должен обеспечивать заданные требования: неравномерность затухания в полосе пропускания, затухание в полосе задерживания.

2)Зададимся потерями в цепях согласования и фильтре гармоник 3%. Требуемая мощность на выходе Р=15Вт. Рассчитаем мощность на каждом участке схемы.

1.На вход фильтра гармоник должна приходить мощность равная:

Р_ФГ=100/97*Р_ВЫХ=15,46Вт ;

2.На вход цепи согласования:

Р_ЦС1=100/97*Р_ФГ=16Вт ;

Мощность требуемая на выходе усилителя P_ВЫХ=16Вт.

Аналогичным способом рассчитывается мощность между оставшимися элементами.

Для предварительных каскадов усиления выберем транзисторы :

КТ948Б- обеспечивает усиление по мощности в 2 раза:

1.

2.

3.

2Т963Б- усиление по мощности в 2раза:

1.

2.

3.

2Т355А- усиление по мощности в 11 раз:

Структурная схема:

Рис. 6

2. Каскады усиления

2.1 Мощные каскады усиления

Мощные усилители выполняют чаще всего по схемам с общим эмиттером, так как каскад имеет большее усиление, чем в схеме с общей базой и ему не требуется большая мощность для возбуждения.

Применение резисторов в цепях смещения усилителях не рекомендуется, т. к. на них происходит выделение большой активной мощности, что требует использования систем охлаждения, которые помимо больших габаритов, вносят паразитные емкости.

Каскады рассчитывают для энергетически выгодного критического режима, что, как показывает практика, обеспечивает коэффициент полезного действия не ниже 50% при работе усилителя в диапазоне частот до половины октавы.

Если нет необходимости в защите каскада путем адаптивного управления напряжением смещения, то выгодно работать с нулевым смещением, соединяя базу транзистора с корпусом через дроссель:

Рис. 7

2.2 Мощный оконечный каскад

При построении радиоаппаратуры мощные каскады усиления практически всегда требуют индивидуальной настройки цепей согласования. Поэтому основной целью расчета усилителя мощности является определение входного и выходного сопротивлений на выводах усилительного элемента и таких энергетических характеристик каскада, как потребляемая мощность питания; коэффициент полезного действия; требуемая мощность входного сигнала, тепловая мощность, рассеиваемая транзистором.

Расчет основан на анализе эквивалентной схемы мощного СВЧ транзистора:

Рис. 8

Для расчёта выберем транзистор 2Т942А. Исходными данными для расчета кроме необходимой выходной мощности (11.1 Вт) и средней частоты диапазона (1475 МГц), служат также такие паспортные данные транзистора, как граничная частота (f_Гр = 1950 МГц), постоянная времени цепи коллектора , емкости переходов: C_k=20пФ, С_Э=110пФ индуктивности выводов: L_к=0.3нФ, L_э=0.1нФ, L_б=0.5нФ коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером h_21э=10, максимально допустимая температура переходов t_n=200, тепловое сопротивление переход-корпус R_пк=7°С/Вт, напряжение коллекторного питания 20 В, а также крутизна линии граничного режима:

Р_г=0.8Р_вых

S_ГР 15,

где выходная мощность и напряжения питания берутся для типового режима.

S_ГР 15= 8.325 Вт

При расчете определяются:

1. Мощность эквивалентного генератора: Р_г = 60.3 Вт.

2. Коэффициент использования коллекторного напряжения:

_гр = 0.5 + 0.5,

_гр 0.989.

3. Амплитуда напряжения:

U_г = _грЕ_ко

U_г = 19.784В,

амплитуда тока первой гармоники:

I_г1 =

I_г1 0.898 А

и сопротивление нагрузки эквивалентного генератора:

R_г =

R_г 22.039 Ом.

4. Т. к. (U_ко + U_г U_{КЭ max}) = (20 В + 19.784 В = 39.784< 45 В), то можно продолжать дальнейший расчет.

5. Крутизна по переходу:

S_п = ,

температуру перехода (t_п) принимаем равной 200 ⁰С, тогда S_п 22.027 См.

6. Сопротивление рекомбинации:

r =

r 0.454 Ом.

7. Крутизна статической характеристики коллекторного тока:

S = ,

где

(_к - постоянная времени цепи коллектора, С_KA 0.33С_к,

где С_к - ёмкость коллектора) - сопротивление базы:

r_б'=1.5Ом;

r_э' 0,3 r_б' - сопротивление эмиттера:

r_э' = 0.45 Ом.

Тогда S 1.448.

8. Задаваясь величиной напряжения смещения U_во = 0.69 В, определим коэффициент разложения импульса выходного тока:

г₁ 0,5

По значениям коэффициентов разложения косинусоидального импульса определяем угол отсечки 90, cos =0.

9. Пиковое обратное напряжение на эмиттере

U_{ЭБ пик} = 0.7 -

U_{ЭБ пик} -0.119В.

Т.к. выполняется неравенство (U_{ЭБ пик} U_{ЭБ max}) = (0.119 В < 3 В), то можно

А;

А;

= 0,033+0,653j

В;

= 23,736 + j1,233 В;

С_КА = = 6.67пФ

-0.076 + j1,467 А;

= -0.479 + j1,467 А;

= -0,718 + j4,135 В;

= 23,018 + j5,368 В;

С_КП 2С_КА = Ф

= j2f С_КП = -0,663 + j2,844А

= 582,138 Ом;

0,04+j0,009 А;

= -1,103 + j5,61 А;

= -25.995 - j5,109 В;

= -22,73 + j0.913 В;

= 1,598 - j4,321

1. Вычислим амплитуду напряжения на нагрузке

= 19,752 - j0,653

Так как транзистор содержит встроенную входную цепь согласования, то входное сопротивление

z_вх =0.923+0,387jОм.

2. Находим мощность сигнала, отдаваемую в нагрузку

Р_ВЫХ = 0,5(ReRe + ImIm)

P_ВЫХ =17,19Вт.

3. Определим требуемую мощность возбуждения. При этом учтём, что для схемы с ОЭ .

Р_В = 0,5(ReRe + ImIm)

P_В = 15,09 Вт.

4. Находим постоянную составляющую коллекторного тока

I_КО = ,

где g₁() - коэффициент формы для угла отсечки (g₁() = 1.55).

I_КО = = 0.572 А.

5. Находим мощность, потребляемую от источника коллекторного питания

Р₀ = I_КОU_КО

Р₀ = 0.57219.99 = 11,435Вт

6. Коэффициент полезного действия

= 0.648

Определяем коэффициент усиления по мощности

= 1,139

Мощность, рассеиваемая на транзисторе

Ррас = Р0 - РВЫХ + РВ

Ррас = 11.435 - 17.19 + 15,09 = 9.335 Вт.

Допустимая мощность рассеяния при данной температуре корпуса транзистора

Р_max = = 16.42 Вт.

Убеждаемся, что Р_рас Р_max (9,335 Вт 16.42 Вт).

7. Находим нагрузку на внешних выводах

z_н = 1,62 - j1,192 Ом.

Тепло, рассеиваемое в кристалле, необходимо отвести. При этом нужно обеспечить электрическую изоляцию электродов. Крепление транзисторов к радиаторам охлаждения должно обеспечивать надежный тепловой контакт, что реализуют как винтовыми креплениями транзисторов к радиаторам, так и шлифовкой поверхности крепления и применением теплопроводящих смазок. Применение радиаторов естественного воздушного охлаждения требует выполнения расчетов тепломассообмена, однако для большинства практических приложений допустимо выбирать площадь поверхности воздушного радиатора с естественным охлаждением из условия рассеивания тепловой мощности в 1 Вт площадью поверхности радиатора не менее 10 см².

3. Расчет цепей согласования

Одним из недостатков каскадов на биполярных транзисторах является их низкие входное и выходное сопротивления. Поэтому для согласования каскадов между собой, источником сигнала и нагрузкой на входе и выходе каскада устанавливают цепи согласования, соответственно повышая входное и нагрузочное сопротивления до стандартной величины, а межкаскадные цепи согласования обеспечивают трансформацию входного сопротивления последующего каскада в оптимальное сопротивление нагрузки предыдущего каскада.

Кроме трансформации сопротивлений цепи согласования должны обеспечивать подавление высших гармоник сигнала (что особенно важно для ГВВ, работающих в режиме с отсечкой) и не потреблять при этом энергии, т.е. реализация цепей согласования должна производится с использованием высокодобротных реактивных элементов.

3.1 Цепь на входе транзисторного каскада

Рис. 9. Цепь на входе транзисторного каскада

R 1 = 75 Ом

R2 = Re(Z_вх) = 0,923 Ом .

Первая схема:

Ф

Гн

Вторая схема:

Гн

Ф

3.2 Цепь согласования на выходе транзисторного каскада

Рис10. Цепь согласования на выходе транзисторного каскада

Расчёт промежуточных сопротивлений

Первая схема:

Гн

Ф

Вторая схема:

Гн

Ф

Третья схема:

Гн

Ф

4. Конструктивный расчет катушек индуктивности

Если конденсаторы и резисторы выпускаются серийно и выбор их для цепей передатчика осуществляется по достаточно полным справочникам, то в подавляющем большинстве случаев катушки индуктивности для радиочастотных каскадов передатчиков изготавливаются по индивидуальным расчетам. Причем эти расчеты являются приближенными и требуют экспериментальной проверки и подгонки.

Тонкопленочные катушки часто используют в высокочастотных радиотехнических схемах в качестве индуктивностей цепей согласования и дросселей в цепях питания и смещения усилителей мощности. На внешних углах всех витков квадратной катушки, при использовании ее в качестве индуктивности, а не дросселя, должны выполняться скосы, уменьшающие отражение высокочастотной волны от места, где направление дорожки изменяется. (Рис. 11)

Рис. 11. Тонкопленочная катушка индуктивности

При токе, превышающем 1 А на 0,5 мм ширины дорожки, катушка будет греться и необходим отвод тепла с дорожки.

Количество витков плоской спиральной катушки производится по формуле:

,

где индуктивность L задается в [нГн], а размеры A и B - в [См].

Чтобы обеспечить оптимальный тепловой режим работы катушки необходимо выбрать необходимую для этого ширину дорожки проводника.

4.1 Конструктивный расчет катушек индуктивности во входной согласующей цепи

Рис. 12. Входная цепь согласования

Максимальный ток, который течет через первую катушку:

А

L₁ =23нГн

Т.к. I_max > 0.5 А, то, исходя из условия 0.5мм ширины дорожки на 1А, зададимся значениями W = 0.5 мм и V = 0.6мм. При этом А = 4мм. Пусть В = 7.2мм, тогда: Индуктивность возьмем в нГн, а размеры в мм.

=1.292

Максимальный ток, который течет через вторую катушку:

Т.к. I_max < 3 А, то зададимся значениями W = 1.5 мм

Маленькие индуктивности лучше реализовывать на отрезке тонкопленочного проводника (рис.13).

Рис. 13. Отрезок тонкопленочного проводника

Индуктивность такого отрезка вычисляется по формуле:

,

где - длина проводника, [м];

W - его ширина,[м].

Тогда, при W = 1.5 мм и l =1.4мм

L=0.282нГн

4.2 Конструктивный расчет катушек индуктивности в выходной согласующей цепи

Рис. 14. Выходная цепь согласования

Через первую катушку течет ток:

;

Индуктивность такого отрезка вычисляется по формуле:

,

где - длина проводника, [м];

W - его ширина,[м].

Тогда, при W = 2 мм и l =36мм

L=29нГн

Через вторую катушку течет ток:



Зададимся значениями W = 0.5 мм и l=2,1мм. Тогда:

=1.01нГн

Через третью катушку течет ток:

Зададимся значениями W = 0,5 мм и l=7.6мм. Тогда:

=5,829нГн

5. Выбор конденсаторов в цепях согласования

При выборе типов конденсаторов, применяемых в схеме, необходимо учитывать допустимые реактивные мощности и номинальное напряжение на емкости, которые не должны превышать допустимые для данного типа конденсаторов. Основной критерий при выборе - габаритные размеры и конструкция конденсатора. Следует также учитывать и ТКЕ, при правильном выборе которого, путем параллельного соединения конденсаторов, можно добиться нейтрализации температурных флуктуаций номиналов их емкостей.

Итак, для выбора необходимо привести номиналы емкостей к стандартному ряду (Е24) и произвести расчет допустимых энергетических параметров. Таким образом, для выбора конденсатора необходимо найти допустимую реактивную мощность и номинальное напряжение:

; где

5.1 Выбор конденсаторов во входной согласующей цепи

По своим параметрам конденсаторы должны удовлетворять следующим критериям:

Результаты сведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры конденсаторов во входной ЦС

i	Сi, пФ	Uдоп i, В	Рр i, Вт
1	18	11.113	1.591
2	4	23,7	7,159
3	9	15,8	3.182
4	37	7,781	0.774

5.2 Выбор конденсаторов в выходной согласующей цепи

По своим параметрам конденсаторы должны удовлетворять следующим критериям:

Результаты сведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры конденсаторов в выходной ЦС

i	Сi, пФ	Uдоп i, В	Рр i, Вт
1	30	9	1
2	8	17.46	3.7
3	12	14.25	2.49
4	2	34.9	14.9

6. Расчет элементов в цепях питания и смещения оконечного каскада

6.1 Расчет дросселей в цепях питания и смещения

Рис. 15. Элементы в цепях питания и смещения.

Сопротивления дросселей должны быть в 50..100 раз больше соответственно.

То

Тогда

Тогда

Дроссель Др1 реализуем в виде тонкопленочного печатного провдника. Ток текущий через него как правило меньше 1-ого А. Тогда W = 1мм. Из формулы

находим l, откуда l = 15 мм

Изготовим Дроссель Др2 в виде квадратной спиральной тонкопленочной катушки индуктивности. Максимальный ток через дроссель равен , тогда W=0.5мм, V=1мм , А =5, B=10

6.2 Выбор блокирующих конденсаторов в цепи смещения и питания

Сопротивления каждого блокирующего конденсатора должно быть в 50..200 раз меньше сопротивлений дросселей Др1 и Др2. Поэтому:

;

пФ

;

пФ

Номиналы блокирующих конденсаторов выберем по ряду Е24. Результаты приведены в таблице 3.

Таблица 3. Параметры блокирующих конденсаторов

i	Сi, пФ	Uдоп i, В	Рр i, Вт
6	59	6.428	0.506
7	124	4.434	0.241

Размещено на Allbest.ru