17

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное образовательное

учреждение среднего профессионального образования

Нижегородское речное училище имени И.П. Кулибина

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Формирование и передача сигналов»

Расчет структурной схемы судового радиопередающего устройства

2009

План

1. Этапы развития техники радиопередающих устройств

1.1 Роль радиопередающих устройств на судах в современных условиях

1.2 Особенности судовых радиопередающих устройств

2. Предварительный расчет судового радиопередатчика

2.1 Составление предварительной структурной схемы радиопередатчика

2.1.1 Обоснование состава схемы передатчика

2.1.2 Предварительная структурная схема радиопередатчика

2.2 Обоснование выбора вида усилительно - генераторных электронных приборов, применяемых в передатчике

2.3 Расчет выходного каскада радиопередатчика

2.3.1 Выбор схемы выходного каскада передатчика

2.3.2 Выбор типа электронного прибора выходного каскада

2.3.3 Расчет мощности возбуждения выходного каскада

2.4 Разбиение рабочего диапазона частот передатчика на поддиапазоны

2.5 Расчет автогенератора передатчика

2.5.1 Выбор частоты работы автогенератора и способа стабилизации частоты

2.5.2 Выбор электронного прибора автогенератора

2.6 Расчет предварительного каскада передатчика

2.6.1 Выбор структуры умножителя частоты передатчика

2.6.2 Выбор типа электронного прибора умножителя. Расчет выходной мощности умножителя частоты

2.6.3 Расчет и обоснование структуры усилителя предварительного каскада передатчика

3. Окончательная структурная схема радиопередатчика

1. Этапы развития техники радиопередающих устройств

В 1887 году немецкий физик Генрих Рудольф Герц изобрел и построил радиопередатчик и радиоприемник, провел опыты по передаче и приему радиоволн, чем доказал существование электромагнитных волн, исследовал основные свойства электромагнитных волн.

Первые радиопередатчики искрового принципа действия были очень просты по конструкции- излучателем радиоволн служил искровой разряд, а модулятором являлся телеграфный ключ. Недостатками такого радиопередатчика была относительно высокая мощность, требуемая для эффективного излучения радиоволн искровым разрядом, а также широкий радиочастотный диапазон излучаемых им волн. В результате одновременная работа нескольких близко расположенных искровых передатчиков была практически невозможной из-за интерференции их сигналов.

Изобретение в 1913 году Мейснером электронного генератора и дальнейшее развитие электронных вакуумных ламп позволило усовершенствовать устройство радиопередатчика и устранить эти недостатки, а принципиальная схема радиопередатчика стала неизменной вплоть до настоящего времени. Дальнейшие изобретения в области связи и радиотехники - твердотельные аналоги электронных ламп (транзисторы), кварцевые резонаторы,- сопровождались только количественными изменениями параметров радиопередатчиков - уменьшением размеров и потребляемой мощности, повышением стабильности и КПД, но принципиальная схема осталась той же.

Таким образом, в истории развития техники радиопередающих устройств можно выделить четыре этапа.

Первый этап(1896-1920)- создание искровых радиопередатчиков.

Второй этап(1920- настоящее время)- изобретение электровакуумных приборов (триод, тетрод, пентод).

Третий этап(1938- настоящее время)- связан с телевидением и радиолокацией, изобретение приборов СВЧ (магнетрон, клистрон).

Четвертый этап(1960- настоящее время) - создание ВЧ и СВЧ транзисторов.

1.1 Роль радиопередающих устройств на судах в современных условиях

В современных условиях (в условиях бурного развития и постоянного движения) связь играет важную роль. Радиопередающие устройства, как средство связи, позволяет оперативно связываться с корреспондентом и руководить движением флота (или отдельно взятого судна).

1.2 Особенности судовых радиопередающих устройств

Условия эксплуатации радиопередатчиков (суда) диктуют свои требования к их конструкции. Это и прочность, и устойчивость к тряске, и повышенная помехозащищенность, устойчивость к поломке и так далее.

2 Предварительный расчет судового радиопередатчика

2.1 Составление предварительной структурной схемы радиопередатчика.

2.1.1 Обоснование состава схемы передатчика

Возбудитель служит для формирования сетки рабочих частот с требуемой стабильностью. В его состав входит кварцевый автогенератор, называемый опорным, делитель с переменным коэффициентом деления и устройство автоматической подстройки частоты.

Буферный каскад - это усилитель, работающий без сеточных токов (усилитель напряжения). Он служит для разгрузки автогенератора и уменьшения связи с последующими каскадами, что повышает стабильность частоты.

Умножитель частоты служит для умножения частоты колебаний. Возможность умножения частоты вытекает из того факта, что в передатчиках используется колебания 2 рода и, следовательно, к контуру подводится спектр гармоник. Настраивая анодный контур на первую гармонику, получим усилитель, на вторую- удвоитель и так далее.

В предварительном каскаде происходит модуляция и предварительное усиление сигнала по мощности.

Выходной каскад является единственным энергетически полезным каскадом, так как его колебательная мощность поступает в антенну. Каскады, предшествующие выходному, хоть и необходимы, однако энергетически бесполезны, так как их мощность не поступает и не должна поступать в антенну.

Блок фильтров убирает лишние гармоники, которые появляются после выходного каскада.

Согласующее устройство компенсирует реактивное сопротивление антенны и трансформирует активное сопротивление до величины, равной волновому сопротивлению кабеля. При этом в кабеле формируется бегущая волна и вся мощность от передатчика поступает в антенну.

2.1.2 Предварительная структурная схема радиопередатчика

2.2 Обоснование выбора вида усилительно - генераторных электронных приборов, применяемых в передатчике

Основанием для выбора вида усилительно-генераторных электронных приборов для передатчика являются задан-ные в техническом задании данные о мощности и частоте работы передат-чика.

При этом учитываю следующее:

Большая мощность, развиваемая электронным прибором, приводит к тяжелому температурному режиму его работы, что требует применение системы охлаждения и мер по термостабилизации работы электронного прибора;

Имеются ограничения, накладываемые на частотный диапазон использования электронных приборов;

Существует связь между частотой сигнала и мощностью, развиваемой электронным прибором;

Использование в радиооборудование транзисторов приводит к более простым и экономичным устройствам.

В связи с этим при конструировании схемы передатчика буду использовать мощные транзисторы в выходных и усилительных каскадах передатчиков, маломощный транзистор в схеме возбудителя, и транзисторы средней мощности в умножителях и в схеме промежуточного усилителя передатчика.

2.3 Расчет выходного каскада радиопередатчика

2.3.1 Выбор схемы выходного каскада передатчика

Выходной каскад передатчика представляет собой усилитель мощнос-ти, нагруженный на резонансную нагрузку-антенну передатчика. Для обеспечения простоты и качества настройки судовые передатчики обычно имеют сложную схему выхода, структура которой определяется элементами конструкции, расположенными между выходным электродом электронного прибора выходного каскада и антенной.

При составлении схемы выхода передатчика учитываю следую-щее:

1. Так как передатчик должен излучать энергию в требуемой и обычно достаточно узкой полосе частот, то в цепи усилителя мощности обычно включают фильтры.

2. Для обеспечения передачи максимальной мощности в антенну необходимо использовать резонансные свойства нагрузки усилителя и антенны, а так же выполнить условие согласования усилителя с антенной, то есть трансформировать импеданс антенны в постоянное активное сопротивление, равное волновому сопротивлению антенного фидера, что достигается применением согласующих устройств.

Таким образом, выходной каскад передатчика строю по следующей схеме:



2.3.2 Выбор типа электронного прибора выходного каскада

Для заданных в техническом задании диапазона частот и мощности передатчика выбираю значение КПД резонансных систем выходного каскада:

з _об. = 0,8

Рассчитываю выходную мощность выходного каскада:

62,5 Вт

Для получения такой мощности на частотах 6460 - 10982 кГц , применяю транзистор КТ 956 А, для которого максимальная выходная мощность Р_вых. = 100 Вт.

2.3.3 Расчет мощности возбуждения выходного каскада

Рассчитываю мощность возбуждения транзистора выходного каскада, при этом значение коэффициента усиления по мощности беру из справочных данных для КТ 956А. Однако, принимая во внимание тот факт, что транзистор работает в режиме отсечки ( класс В), этот коэффициент уменьшаю ровно в 2 раза:

Р _{возб.ВК} = = 12,5 Вт

2.4 Разбиение рабочего диапазона частот передатчика на поддиапазоны

Для решения вопроса о необходимости разбиения частотного диапазона оцениваю величину коэффициента перекрытия диапазона:

К_ПД = =1,7

Определяю количество поддиапазонов:

N_ПД = 1,3 Округляю N_ПД: N_ПД= 2

Уточняю значение К_ПД : 1,3

Нахожу границу между поддиапазонами n = 1:

F_гр. = К · f_min = 1,3 · 6460 = 8398 кГц

Нахожу граничные значения частоты поддиапазонов:

1 поддиапазон: f_{min I} = 0,95 · f_min = 0,95 · 6460 кГц = 6137 кГц

f_{max I} = 1,05 · f_гр. = 1,05 · 8398 кГц = 8818 кГц

2 поддиапазон: f_{min II} = 0,95 · f_гр. = 0,95 · 8398 кГц = 7978 кГц

f_{max II} = 1,05 · f_max = 1,05 · 10982 кГц = 11531 кГц

2.5 Расчет автогенератора передатчика

2.5.1 Выбор частоты работы автогенератора и способа стабилизации частоты

При выборе частоты работы возбудителя учитываю заданную в техническом задании величину нестабильности частоты передатчика .

Для высокой стабильности частоты выбираю генератор, собранный по схеме емкостной трехточки, генерирую-щий сигналы в диапазоне частот от единиц килогерц до 30 мегагерц. В этой схеме затруднено возбуждение гармониковых резонаторов, и кварц работает на основной частоте. Автогенератор должен вырабатывать небольшую мощность - 5 мВт.

Вычисляю средние частоты поддиапазонов:

f_{ср. n} =

1 поддиапазон: f_{ср. I} = 7478 кГц

2 поддиапазон: f_{ср. II} = 9755 кГц

Нахожу интервал частот, отличающихся от средних частот поддиапазонов на ± 10 %:

1 поддиапазон: 6730 ? 8226 кГц

2 поддиапазон: 8780 ? 10730 кГц

Для частот 7500кГц и 10000кГц , близких к средним частотам, нахожу наибольший общий делитель и принимаю его за частоту автогенератора:

f_аг. = 2500 кГц

2.5.2 Выбор электронного прибора автогенератора

Согласно полученным данным и особенностям режима работы транзистора в схеме автогенератора по справочным данным выбираю транзистор малой мощности КТ207В, который имеет следующие параметры:

2.6 Расчет предварительного каскада передатчика

2.6.1 Выбор структуры умножителя частоты передатчика

На основании выбранной частоты автогенератора и заданных в техническом задании частот выбираю состав умножителя частоты передатчика. Строю умножитель частоты передатчика как совокупность необходимого количества удвоителей и устроителей частоты.

1 поддиапазон : один утроитель

2 поддиапазон : два удвоителя

2.6.2 Выбор типа электронного прибора умножителя. Расчет выходной мощности умножителя частоты

1 поддиапазон

Максимальная рабочая частота утроителя на высокочастотном краю поддиапазона:

f_{max I} = 8818 кГц

По справочным данным выбираем тип транзистора, работающий на этой частоте и коэффициент усиления по мощности: транзистор П 407 с f_пр. = 20 МГц, К_р = 10.

Рассчитаю коэффициент усиления по мощности этого транзистора на частоте 8818кГц:

К_р? = К_р

Рассчитаю выходную мощность транзистора в режиме утроения частоты:

Р_{вых. ум.} = зк = 0,027 Вт

2 поддиапазон:

Максимальная рабочая частота первого удвоителя частоты на высокочастотном краю поддиапазона:

f ?_{max II} = 5765 кГц

Выбираю транзистор П 407 с f_пр. = 20 МГц, К_р = 10.

Рассчитаю величину коэффициента усиления транзистора на частоте равной 5765кГц.

К?_р = К_р

Рассчитаю выходную мощность транзистора в режиме удвоения частоты:

Р_{вых. удв.} = зк = 0,12 Вт

Максимальная рабочая частота второго удвоителя на высокочастотном краю поддиапазона:

f?_{max II} = 11531 кГц

Выбираю транзистор П 407 с f_пр. = 20 МГц, К_р = 10.

Рассчитаю величину коэффициента усиления транзистора на частоте равной 11531кГц:

К?_р = К_р

Рассчитаю выходную мощность транзистора в режиме удвоения частоты:

Р_{вых. удв.} = зк = = 0,72 Вт

2.6.3 Расчет и обоснование структуры усилителя предварительного каскада передатчика

Структуру усилителя мощности предварительного каскада определяю из того, что для 1 поддиапазона мощность должна быть увеличена от значения 0,027 Вт до мощности возбуждения выходного каскада равной 12,5 Вт, а для 2 поддиапазона от 0,72 Вт до 12,5 Вт. Поэтому для 1 поддиапазона надо применить усилитель от 0,027 Вт до 0,72 Вт, затем для обоих поддиапазонов применить общий усилитель от 0,72 Вт до 12,5 Вт.

Рассчитаю усилитель 1 поддиапазона для получения мощности Р_вых. = 0,72 Вт с необходимым коэффициентом усиления мощности:

27

Выбираю тип транзистора этого усилителя для f_{max I} = 8818 кГц и с Р_вых. более 0,72 Вт. Беру транзистор 2Т903А с Р_вых.= 30 Вт, К_р = 3 при f_пр. = 50 МГц. Рассчитаю коэффициент усиления этого транзистора на частоте 8818 кГц:

С учетом КПД контура усилителя з _к = 0,8

з _к · = 0,8 · 96 = 77

Так как > , то выбранный транзистор подходит для рассматриваемого усилителя.

Мощность на выходе транзистора усилителя с учетом КПД контура усилителя з _к = 0,4:

31 Вт

Выбираю транзистор для этого усилителя. Мощность Р_{вых. тр.} = 31 Вт на частоте большей 11531 кГц можно реализовать на транзисторе 2Т903А с Р_вых.= 30 Вт, К_р = 3 при f_пр. = 50 МГц.

Пересчитываю коэффициент усиления для частоты f_max = 11531 кГц:

54

Для усилителя общего для обоих поддиапазонов коэффициент усиления должен быть:

К_{р общ.} = 43

Так как К> К_{р общ.}, то выбранный транзистор позволяет достичь нужного коэффициента усиления по мощности.

3 Окончательная структурная схема радиопередатчика

Список используемой литературы

1. Каганов В.И. Радиопередающие устройства. - М.: Academa, 2002.

2. Гавриленко И.И. Радиопередающие устройства. - М.: Транспорт, 1983.

3. Каганов В.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Academa, 2003.

4. Шумилин М.С., Головин О.В., Шевнов Э.А., Севальнев В.И. Радиопередающие устройства. - М.: Радио и связь, 1990.

5. Писарев В.А. Радиооборудование морских судов. - М.: Транспорт, 1991.

6. Шумилин М.С. Проектирование радиопередающих устройств. - М.: Связь, 1980.

7. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет (под ред. Валитова Р.Н. и Попова И.А.). - М.: Сов. радио, 1979.

8. Кацнельсон Б.В., Ларионова А.С., Калугин А.М. Электровакуумные электронные и ионные приборы: Справочник. - М.: Энергия, 1976.

9. Полупроводниковые приборы. Транзисторы. Справочник (под ред. Горюнова Н.Н.). - М.: Энергоиздат, 1982.

10. Регистр СССР. Правила по конвенционному оборудованию морских судов. - М.: Транспорт, 1977.

11. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД. - М.: Издательство стандартов, 1989.