Проектирование связного передатчика с частотной модуляцией

Согласно техническому заданию нам нужно спроектировать связной передатчик с частотной модуляцией. Частотная модуляция должна быть получена прямым способом (когда модулируется непосредственно частота автогенератора передатчика). Передатчик должен соответствовать вышеперечисленным требованиям и обладать параметрами указанными в техническом задании.

Выбранная обобщенная структурная схема передатчика с прямым способом получения ЧМ приведена на рис. 1:

передатчик частотный модуляция транзистор

Рис. 1 - Обобщенная структурная схема передатчика с прямым способом получения ЧМ

В качестве возбудителя диапазонного передатчика с ЧМ используется синтезатор сетки дискретных частот (нестабильность частоты порядка 10-6…10-7), ведомый генератор которого управляется двумя варикапами (рис.1).

На варикап VD1 подается модулирующее напряжение , на варикап VD2 - управляющее напряжение системы фазовой автоподстройки частоты. Разделение функций управления объясняется тем, что девиация частоты под влиянием модулирующего сигнала относительно невелика (обычно 3 - 5 кГц) в сравнении с диапазоном перестройки ведомого генератора управляющим сигналом с выхода системы ФАПЧ. По этой причине варикап VD1 связан с колебательным контуром ведомого автогенератора значительно слабее, чем VD2. Использование ФАПЧ в передатчике, построенном по подобной схеме, также позволяет линеаризовать статическую модуляционную характеристику и получить стабильную среднюю частоту генератора.

Для повышения устойчивости в структуру передатчика включают умножители частоты, но при этом шаг сетки синтезатора уменьшается в «n» раз, где n - коэффициент умножения частоты. При умножении несущей частоты в «n» раз, абсолютная девиация частоты также умножается в «n» раз, что приводит к получению более глубокой модуляции.

Делители с переменным коэффициентом деления предназначены для того, чтобы на ФД поступала одинаковая частота от КАГ и от ГУН.

Определим некоторые параметры модуляции и количество требуемых умножителей.

Ширина спектра ЧМ сигнала рассчитывается по формуле(1):

где Fв - верхняя частота передаваемого сообщения,

m - индекс модуляции

Индекс модуляции рассчитывают по формуле (2):

где f - девиация частоты на выходе

Fв_ верхняя частота спектра речевого сигнала.

Подставив данные в формулы имеем:

Индекс модуляции:

Ширина спектра ЧМ сигнала:

Для получения на выходе девиации частоты 12 кГц нам потребуется в схеме умножение в четыре раза, которое реализуем на двух умножителях с коэффициентом умножения 2. (т.к., т.к. при более высокой кратности резко снижается полезная мощность и к.п.д.)

Расширенная структурная схема представлена на рис 2.

Рис. 2 - Функциональная схема диапазонного связного ЧМ передатчика

Структурная схема диапазонного связного ЧМ передатчика (рис.2) содержит:

-Синтезатор сетки дискретных частот, ведомый генератор которого управляется двумя варикапами - для формирования стабильной средней частоты;

-Буферный каскад (усилитель), необходимый для защиты ГУН, генератора сетки эталонных частот и системы ФАПЧ от влияния на них последующих каскадов и для получения усиления по мощности

-Умножители частоты с коэффициентами умножения частоты n = 2, для обеспечения требуемой девиации частоты на выходе связного ЧМ передатчика (также предполагается что они обладают -усилением по мощности);

-Оконечный усилитель для получения заданной мощности (10 Вт) на выходе;

-Цепь согласования, для согласование выходного сопротивления оконечного каскада передатчика с входным сопротивлением фидера( 50 Ом) в заданном диапазоне частот;

-Фильтр нижних частот, обеспечивающий ослабление высших гармоник на 40 дБ вне рабочего диапазона частот передатчика.

2. Расчет оконечного каскада

Электрический расчет коллекторной цепи производится в критическом режиме

Расчет выполняется в соответствии с указаниями на стр.98-99 [2]

1. Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе

,

где , Ек следует подставлять уменьшенное относительно Еп на 0,1-0,5 В, что связано с потерями по постоянному току в блокировочном дросселе.

2. Максимальное напряжение на коллекторе не должно превышать допустимого:

,

3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

4. Постоянная составляющая коллекторного тока

5. Максимальный коллекторный ток:

,

где

6. Максимальная мощность, потребляемая от источника коллекторного питания:

7. Коэффициент полезного действия коллекторной цепи

8. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

Сопротивление коллекторной нагрузки

2.3 Расчет входной цепи

При расчете входной цепи предполагается, что между базовым и эмитерным выводами транзистора по ВЧ включен резистор , а между коллекторным и базовым - резисторСопротивления Rдоп и Rбк выбирают так, чтобы выровнять постоянные времени эмиттерного перехода в закрытом и открытом состояниях.Добавочное сопротивление одновременно снижает максимальное обратное напряжение на закрытом эмиттерном переходе и повышает устойчивость работы генератора. Схема включения добавочных резисторов представлена на рис.3. В реальных схемах, на частотах , , можно не ставить Rдоп и Rбк, однако в расчетных формулах необходимо учитывать.

Рис. 3 - Схема включения

1.Амплитуда тока базы определяется соотношением:

где коэффициент равен:

2. Напряжение смещения на эмиттерном переходе при = 90 находится как:

Где Еотс = 0,7 В (для кремниевого транзистора).

3. Значение максимального обратного напряжения на эмиттерном переходе определяется формулой:

По результатам видно. что полученное значение не превышает допустимое значение (Uбэ доп = 4 В).

4. Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов.

5. Рассчитаем параметры эквивалентной схемы входного сопротивления транзистора при включении с общим эмиттером (рис. 4):

Рис. 4 - Эквивалентная схема входного сопротивления транзистора

При расчёте входной индуктивности необходимо добавить к Lэ ещё 5 нГн с учётом погонной индуктивности соединительного проводника с кристаллом, тогда получим:

При расчёте rвхоэ необходимо учесть, что Ска = Ск/2, а к Lэ также добавляется погонная индуктивность 5 нГн.

6. Активная составляющие комплексного входного сопротивления транзистора:

7. Расчёт входной мощности транзистора:

8. Расчёт коэффициента усиления по мощности транзистора

После выполнения расчёта входной (базовой) и коллекторной цепи транзистора (при наихудших условиях) видно, что в выбранном режиме транзистор может обеспечить требуемую мощность 12 Вт на выходе передатчика с Kp =8,16, имеет при этом достаточно высокий КПД 60%.

Мощность рассеиваемую в транзисторе находят следующим образом:

РрасРкmax +Рвх = 8 + 1,53 = 9,53 Вт.

2.4 Расчет цепи питания ОК

Рабочая частота автогенератора должна составлять f=11,5Мгц, мощность, которую должен развивать ГУН в нагрузке примем равной 10 мВт.

Для упрощения расчета автогенератора выберем безынерционный транзистор для частоты автоколебаний, КТ347А.Параметры транзистора КТ347А приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Параметры транзистора КТ347А

Проверим, можно ли пренебречь инерционностью этого транзистора в данных условиях. Для этого необходимо выполнение условия:

,

где f - частота генерируемых колебаний, fS - граничная частота транзистора по крутизне.

Крутизна статической проходной характеристики S0:

Граничная частота транзистора по крутизне определяется выражением:

Подставляя рассчитанные величины получим: .

Следовательно, транзистор КТ347А можно считать безынерционным устройством.

5.1 Расчет автогенератора

Для расчета модулятора необходимо выбрать варикап, для этого рассчитаем:

- коэффициент включения варикапа в контур;

Таким образом, нам требуется варикап, обеспечивающий изменение емкости на 2,7 пФ. Выберем варикап Д902 с параметрами: Сном=9пФ, Смин=6пФ, Смакс=12 пФ, Qв=30, Uобр=4, Кс=2,5.

Построим вольт-фарадную характеристику данного варикапа (рис. 12)

Рис. 12 - Вольт-фарадная характеристика варикапа

Теперь, необходимо удостоверится, что следующее условие выполняется:

В соответствии с графиком (рис.12) видно, что E0=14В, U = 9В, Uw = Uс1=2,7В.Следовательно, условие выполняется.

Модулятор (Схема Клаппа с общим коллектором и включением в нее варикапа)

Список использованных источников