Методика расчета радиопередатчика сигналов подвижных устройств

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники (БГУИР), Минск, Беларусь

Методика расчета радиопередатчика сигналов подвижных устройств

М.Ю. Петровский, Я.В. Трофимик, Т.М. Печень

Аннотация

Работа посвящена разработке методики расчета основных характеристик и параметров радиопередатчика сигналов подвижных устройств.

Ключевые слова: передатчик; радиопередатчик; автогенератор; усилитель мощности; коэффициенты ряда Фурье.

Abstract

Method of calculation of the radio transmitter of signals of mobile devices

M.Y. Pietrovski, Y.V. Trofimik, T. M. Pechen

Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics (BSUIR), Minsk, Belarus

The article is concerned with the development of a methodology for calculating the main characteristics and parameters of a radio transmitter of signals of moving devices.

Keywords: transmitter, radiotransmitter, oscillator, power amplifier, Fourier series coefficients.

Введение

Формирование радиочастотных сигналов, имеющих заданные временные, спектральные и энергетические характеристики, их последующая передача по специальным направляющим электромагнитным системам или через свободное пространство к потребителю осуществляется с помощью радиопередающего устройства (РПДУ). Современный РПДУ представляет сложное устройство, состоящее из большого числа каскадов и цепей. Для генерирования и формирования радиосигналов используются различные приборы и активные элементы: лампы, транзисторы и т.д. Основными электрическими характеристиками передатчика, определяющими его конструкцию, являются мощность, диапазон несущих частот, вид и требуемое качество модуляции.

1. Выбор структурной схемы радиопередатчика сигналов подвижных устройств

Радиопередающее устройство - техническое устройство, состоящее из радиопередатчика и антенно-фидерной системы и предназначенное для передачи радиосигнала. Структурная схема радиопередатчика представлена на рисунке 1.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис. 1 Структурная схема передатчика

В состав схемы входят: Г1, Г2, Г3, Г4 - генераторы модулирующих колебаний; Ш - шифратор; СУ - схема управления; БК - буферный каскад; УЧ1, УЧ2 - умножители частоты; УМ - усилитель мощности.

Радиопередатчик состоит из следующих элементов:

1) возбудитель - предназначен для преобразования первичных электрических сигналов в радиосигналы, формирование сетки высокостабильных частот с заданным интервалом между соседними частотами, с помощью которых осуществляется перенос сформированных радиосигналов непосредственно на рабочую частоту в заданном диапазоне.

2) шифратор - это устройство, которое преобразует код одной системы счисления в код другой системы.

3) усилитель мощности УМ - предназначен для усиления радиосигналов, сформированных в возбудителе, до величины, обеспечивающей требуемую дальность связи с заданной надёжностью.

4) согласующее антенное устройство САУ - обеспечивает согласование УМ с передающей антенной с целью излучения антенной максимальной мощности, подводимой к ней от УМ.

5) источник электропитания - предназначен для преобразования энергии переменного тока частоты 50 Гц в энергию напряжений, необходимых для питания передатчика.

Кроме указанных узлов, к радиопередатчику относятся дополнительные системы: управления, блокировки, сигнализации и принудительного охлаждения.

2. Расчет принципиальной схемы устройства

2.1 Расчет усилителя мощности

Рассчитаем выходной каскад. В качестве активного элемента в выходном каскаде используется биполярный транзистор (рисунок 2). Его включение осуществляется по схеме с ОЭ, что позволяет получить максимальный коэффициент передачи по мощности.

Рис. 2 Принципиальная электрическая схема усилителя мощности на биполярном транзисторе

Для увеличения КПД можно выбрать критический режим работы транзистора, при котором угол отсечки и=900, тогда нормированные коэффициенты ряда Фурье равны cos(и) = 0.

(1)

(2)

Определим напряженность граничного режима, где амплитуда коллекторного тока iКМ, крутизна граничного режима Sгр:

 (3)

Амплитуды напряжения и тока первой гармоники на коллекторе:

(4)

(5)

Постоянная составляющая коллекторного тока:

(6)

Потребляемая мощность:

(7)

Рассеиваемая мощность:

(8)

Рассчитываем КПД:

(9)

Амплитуда гармонического управляющего заряда:

(10)

Постоянная составляющая напряжения на эмиттерном переходе:

(11)

Для согласования применим П-образную инвертирующую цепь, которая представлена на рисунке 3.

Рис. 3 П-образная инвертирующая цепь

Задающий генератор - это генератор любой мощности с самовозбуждением. В задающем генераторе возбуждаются электрические колебания высокой стабильности. Задающий генератор является составной частью возбудителя в радиопередатчике. Он задает частоту колебаний в передатчике. Основным критерием оценки генератора является высокая стабильность частоты. Задающий генератор должен выполнять функцию усилителя мощности, т. е. вырабатывать высокую выходную мощность.

Для обеспечения высокой стабильности частоты реализуем генератор по схеме емкостной трехточки, в которой вместо катушки индуктивности используем кварцевый резонатор.

Принципиальная схема задающего генератора представлена на рисунке 4.

Рис. 4 Принципиальная схема задающего генератора

Выберем кварцевый резонатор со следующими параметрами:

б0(и)= б0 = 0,218;

б1(и)= б1 = 0,391;

г0=0,109;

cos(и) = 0,5.

2.2 Расчет частотного генератора

Частотные модуляторы представляют собой устройства, обеспечивающие связь между передаваемым (модулирующим) сигналом и выходным сигналом, изменяющимся по частоте. Электрические схемы частотных модуляторов различаются главным образом способом связи варикапа с резонатором автогенератора.

Наиболее просто реализуются схемы с емкостной связью, один из вариантов которых изображен на рисунке 5.

Рис. 5 Схема частотного модулятора с емкостной связью

Здесь автогенератор выполнен на биполярном транзисторе по схеме Клаппа. Варикап связан с колебательным контуром С1С2С3L с помощью емкости Ссв. Постоянное смещение на варикап поступает от источника питания Еп через делитель R1R2, модулирующее напряжение - через разделительную емкость Ср1. Расчет схемы частотного модулятора целесообразно проводить в такой последовательности. Прежде всего нужно рассчитать схему автогенератора, далее выбрать варикап и рассчитать его режим.

На заключительном этапе оценивается емкость связи варикапа с резонатором и рассчитывается делитель напряжения R1R2.

Для уменьшения нелинейных искажений следует применять варикап с возможно большей средней емкостью Сво. Максимальное значение Сво ограничено двумя факторами. Во-первых, с ростом Сво падает граничная частота варикапа:

(12)

и, следовательно, его добротность:

, (13)

где - средняя частота; - граничная частота.

Для уменьшения влияния варикапа на стабильность несущей частоты автогенератора желательно, чтобы на частоте генерации добротность Q была достаточно высокой.

Нормированная амплитуда модулирующих колебаний:

(14)

Амплитуда модулирующих колебаний:

, (15)

где к - контактная разность потенциалов.

Полезное изменение емкости варикапа:

(16)

Коэффициент вклада варикапа в суммарную емкость контура:

(17)

Коэффициент включения варикапа в контур:

(18)

Амплитуда высокочастотных колебаний:

(19)

Емкости связи:

(20)

(21)

Рассчитаем резистивный делитель R1R2 в цепи смещения варикапа, учитывая следующие условия:

(22)

Получим

(2)

Второе условие вводится для того, чтобы нагрузка источника модулирующего сигнала была постоянной в полосе частот Fmin…Fmax.

На заключительном этапе оценена емкость связи варикапа с резонатором и рассчитан делитель напряжения R1R2. На этом расчет частотного модулятора закончен.

Заключение

радиопередатчик сигнал подвижный модулятор

Таким образом, основываясь на выборе структурной схемы радиопередатчика сигналов подвижных устройств, далее осуществлен переход к функциональной схеме устройства. Для полноценного расчета необходимо рассматривать и принципиальные схемы функциональных блоков, что и отражено в статье. Методика расчета является обобщенной и базируется на задании режима работы радиопередатчика. В данной работе был выбран критический режим, при котором угол отсечки равен девяноста градусов, что соответствует нормированным коэффициентам ряда Фурье.

Литература

1. М.С. Шумилин, Б.В. Козырев, В.А. Власов. Проектирование транзисторных каскадов передатчиков. Учеб. пособие для техникумов. - М.: Радио и связь, 2007.

2. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов/ В.В. Шахгильдян, В.Б.Козырев, А.А.Ляховкин и др.; Под ред. В.В.Шахгильдяна - 4-еизд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 2003.

3. Проектирование радиопередатчиков. Учебное пособие для вузов/ В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин и др. Под ред. В.В. Шахгильдяна.- 4-еизд., перераб. И доп. - М.: Радио и связь, 2000. - 656с.Требования к оформлению докладов на РЛНС*2018. http://rlnc.ru, 15.12.2017.

4. Радиосистемы передачи информации : учеб. пособие для вузов / В. А. Васин, В. В. Калмыков, И. Б. Федоров [и др.]. - М. : Горячая линия-Телеком, 2005.

References

1. 1M.S. Shumilin, B.V. Kozyrev, V.A. Vlasov. Designing transistor cascades transmitters. Training manual for technical schools. - M .: Radio and communication, 2007.

2. Radio transmitting devices: Textbook for universities / V.V. Shahgildyan, V. B. Kozyrev, A. A. Lyakhovkin and others; Ed. VVShakhgildyan - 4th ed., Pererab. and add. - M .: Radio and communication, 2003.

3. Designing radio transmitters. Textbook for universities / V.V. Shahgildyan, M.S. Shumilin and others. Ed. V.V. Shahgildyan. - 4th ed., Pererab. And add. - M .: Radio and communication, 2000. - 656 p.

4. Radio information transmission systems: studies. manual for universities / V. A. Vasin, V. V. Kalmykov, I. B. Fedorov [and others]. - M.: Hotline - Telecom, 2005.

Размещено на Allbest.ru