623_Proektirovanie_radioperedajuhhikh_ustrojstv_ch.1_

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ)

А.М. Михеенко Е.С. Абрамова И.И. Павлов А.С. Гусельников

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ

УСТРОЙСТВ

Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию

(часть 1)

Новосибирск

2016

УДК 681.373

А.М. Михеенко, Е.С. Абрамова, И.И.Павлов, А.С. Гусельников. «Проектирование радиопередающих устройств: Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию (часть 1) / Новосибирск: СибГУТИ, 2015. – 40 с.

В учебном пособии рассмотрены основы проектирования радиопередающих устройств с амплитудной и однополосной модуляцией.

Излагается порядок проектирования радиопередающего устройства; методика составления его структурной схемы; порядок расчёта энергетических режимов ламповых и транзисторных генераторов при различных способах амплитудной и однополосной модуляции.

Приводятся рекомендации по использованию средств вычислительной техники.

Методические указания предназначены для студентов дневного и заочного обучения изучающих дисциплины: «Радиопередающие устрой-

ства» и «Устройства генерирования и формирования сигналов».

Кафедра радиотехнических устройств (РТУ)

Ил. – 4, табл. – 20, список лит. – 5 назв.

Рецензенты:

И.И. Резван к.т.н., доцент кафедры вычислительной техники СибГУТИ, В.И. Сединин д.т.н., профессор кафедры систем автоматизированного проектирования СибГУТИ.

Для специальностей: 11.03.01 «Радиотехника», 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».

©А.М. Михеенко, Е.С. Абрамова, И.И.Павлов, А.С. Гусельников, 2016

©Сибирский Государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2016

3

1. Введение

Курсовое и дипломное проектирование радиопередающих устройств (РПУ) является завершающим этапом обучения по дисциплине и по специальностям 11.03.01 «Радиотехника», 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».

Целью курсового проектирования является:

˗закрепление и обобщение знаний по курсу РПУ;

˗приобретение навыков использования теоретических знаний в инженерной практике;

˗развитие навыков самостоятельного выполнения инженернотехнических расчётов; оформления отчётной документации и графического материала; умения пользоваться специальной и справочной лите-

ратурой.

Первая часть методических указаний содержит рекомендации по проектированию радиопередающих устройств диапазона 0.1 – 300 МГц. В них излагается методика составления структурной схемы передатчика, порядок расчёта энергетических показателей режима ламповых и транзисторных генераторов с внешним возбуждением; приводятся рекомендации по использованию ПЭВМ для расчёта по типовым программам выходной колебательной системы передатчика, нелинейных искажений в усилительном тракте и амплитудночастотных характеристик.

2. Объем курсового проекта (курсовой работы)

Курсовой проект должен содержать:

I) Расчётно-пояснительную записку (РПЗ), оформленную на листах формата А4 в соответствии с СТП НЭИС 01.03.86. РПЗ включает:

1.Введение;

2.Задание на стандартном бланке;

3.Структурную схему передатчика и её обоснование;

4.Расчёт режима трёх последних ступеней тракта высокой частоты (ВЧ);

5.Схемы и электрические расчёты колебательной системы и цепей межкаскадной связи;

6.Расчёт амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) передатчика;

7.Выбор возбудителя, источников электропитания и схемы энергоснаб-

жения;

8.Расчёт надежности передатчика спецификацию к принципиальной схеме.

В РПЗ не должно быть текстовых материалов, заимствованных из учебников и технической литературы. Достаточно привести ссылки на соответствующие первоисточники.

II) Чертёж полной принципиальной схемы передатчика на листе формата А1, выполненный в туши или на карандаше. Допускается оформление чертежа

4

в виде фолии формата А4. На принципиальной схеме должны быть показаны элементы всех каскадов передатчика, вошедших в состав структурной схемы.

В проекте следует широко использовать иллюстративный материал (таблицы, графики, схемы, листинги выходных данных ПЭВМ и т.п.)

3. Составление структурной схемы передатчика

Разработка структурной семы передатчика включает следующие опера-

ции.

•Определение числа ступеней (каскадов) передатчика, мощности каждого из них, а также характера и режима работы (усиление модулированных колебаний, анодная, анодно-экранная, коллекторная, стоковая модуляция и т.п.) При этом следует иметь в виду, что в задании на проектирование радиовещательного передатчика указана мощность в антенне для режима несущей, а у передатчика для целей радиосвязи – максимальная (пиковая) мощность.

•Выбор типа и количества активных элементов (ламп, транзисторов) для каждой ступени передатчика в соответствии с приближенным значением их мощности и номинальной (паспортной) мощности электронных приборов.

•Выбор возбудителя. Осуществляется, исходя из заданного диапазона рабочих частот и требований к стабильности несущей частоты.

•Выбор основных параметров источников электропитания (напряжение, тип выпрямителя)

•Изображение структурной схемы, в которой каждый каскад или источник питания представлен квадратом с указанием основных параметров (тип, число и схема включения электронных приборов, коэффициент усиления, выходная мощность ступени, суммарная номинальная мощность электронных приборов, напряжения питания).

Структурная схема передатчика может иметь несколько вариантов, обладающих своими достоинствами и недостатками, поэтому выбранный вариант должен быть достаточно обоснован. Поскольку правильность составления структурной схемы определяет всё последующее проектирование, её целесообразно показать преподавателю до начала основных технических расчётов.

3.1.Определение мощности и количества ступеней передатчика

Мощность выходной ступени передатчика определяется величиной мощности в фидере (антенне), которая приведена в задании (PA) и коэффициентом полезного действия колебательной системы (ηKC).

Для радиовещательных передатчиков в задании указана мощность в режиме несущей (при отсутствии модуляции), поэтому максимальная мощность выходной ступени определяется следующим выражением

макс =

где коэффициент модуляции m для выходной ступени принимается равным 1.

5

Для передатчиков радиосвязи в задании приводится пиковая (максимальная) мощность в антенне (Pмакс), поэтому

макс = макс

Величина ηKC может быть определена с помощью таблицы 3.1, в зависимости от мощности указанной в задании и диапазона рабочих частот передатчика. Следует иметь в виду, что значение к.п.д. колебательной системы выбранное приблизительно, в дальнейшем уточняется в ходе расчёта.

Таблица 3.1. – к.п.д колебательной системы

Мощность каждого каскада, начиная с предоконечного, определяется ориентировочно путем последовательного деления выходной мощности следующего каскада на коэффициент его усиления по мощности (Kp). Рекомендуемые значения коэффициентов усиления в зависимости от вида модуляции, типа электронного прибора, схемы его включения и крутизны характеристики приведены в таблице 3.2.

Заметим, что эти значения коэффициентов усиления установлены опытным путём и, в известной мере, гарантируют устойчивую работу генератора. В диапазоне НЧ и СЧ при использовании схемы с общим катодом коэффициент усиления по мощности может быть увеличен (по сравнению с табличным значением) в 4-5 раз, если применить нейтрализацию проходной ёмкости.

При мощности передатчика до 50 кВт следует использовать однотактную схему передатчика независимо от диапазона рабочих частот; для симметричных антенн, следует использовать симметрирующие устройства (например, широкополосный высокочастотный трансформатор).

При мощности более 50 кВт и симметричной антенне следует использовать двухтактную схему. В диапазонах НЧ и СЧ используется только однотактный вариант схемы, т.к. передатчики этого диапазона работают на несимметричные антенны.

С целью повышения устойчивости к самовозбуждению мощные ламповые каскады передатчиков диапазона ВЧ выполняются по схеме с общей сеткой

(ОС).

6

Общее число усилительных каскадов передатчика зависит от выходной мощности возбудителя, который можно выбрать с помощью приложения А.

Мощность возбудителя рассчитывается по его выходным параметрам: сопротивлению нагрузки B и выходному напряжения U(B, эфф):

* При условии, что номинальный (паспортный) коэффициент усиления на максимальной частоте передатчика превышает указанную величину.

3.2 Выбор типа и количества электронных приборов

При выборе электронных приборов следует руководствоваться следующими соображениями.

Каскады с выходной мощностью до 2-3 кВт следует проектировать только на транзисторах по схемам широкополосного усиления мощности.

Для обеспечения максимального усиления в одной ступени следует использовать генераторные тетроды. Применение генераторных триодов оправ-

7

дано лишь в мощных модуляционных устройствах класса «D» и при модернизации существующих мощных и сверхмощных передатчиков, в выходных ступенях которых триоды уже были установлены. В последнем случае замена электронных ламп в выходной ступени, как правило, экономически не целесообразна.

В предварительных каскадах следует использовать минимальное количество источников питания. Для этого типы электронных приборов подбираются так, чтобы от каждого источника можно было осуществить питание сразу нескольких каскадов. С этой целью транзисторы предварительных ступеней можно выбирать с 1.5-3х кратным запасом по мощности, имея в виду при этом возможность пропорционального снижения у них питающих напряжений.

Следует обратить внимание на то, что в справочных данных генераторных тетродов указана максимальная и «линейная» мощность лампы. На максимальную мощность лампа может быть использована в случае анодно-экранной модуляции; при этом допускается 2-3х кратное форсирование ламп по мощности. В режиме усиления модулированных колебаний (УМК) генераторные тетроды должны использоваться с учётом линейной мощности. Форсирование ламп по мощности в этом случае недопустимо.

При подборе лампы необходимо обращать внимание на её рабочий диапазон частот. Выбор лампы с большим запасом по частоте увеличивает стоимость передатчика и эксплуатационные расходы. Если же граничная частота лампы ниже рабочей частоты передатчика, снижается номинальная мощность лампы, уменьшается надёжность работы передатчика.

В диапазоне НЧ и СЧ допускается параллельное включение 2-4х ламп; в диапазоне ВЧ – не более 2х. Биполярные транзисторы параллельно включать не рекомендуется. При использовании полевых МДП – транзисторов возможно параллельное включение до 20 транзисторов. Однако, злоупотреблять параллельным объединением большого числа транзисторов не следует, т.к. это ведет

кснижению надежности и к.п.д. генератора.

Выбор транзистора также осуществляется с учётом частотных свойств. В

частности, номинальное значение коэффициента усиления по мощности (Kp) задаётся на определённой частоте. При изменении рабочей частоты Kp меняется обратно пропорционально изменению частоты.

Подбор мощности транзистора зависит от режима его работы. При усилении немодулированных сигналов и при коллекторной (стоковой) модуляции транзисторы можно использовать на полную номинальную мощность. В режиме УМК жёсткие требования к линейности усиления заставляют снижать использование транзисторов по мощности. Желательно, чтобы мощность, отдаваемая транзистором в режиме УМК, не превышала половины номинального значения. В предварительных ступенях это требование может быть распространено и на каскады усиления немодулированных колебаний и на ступени с коллекторной модуляцией. Форсированный режим работы при коллекторный модуляции для транзисторов недопустим, т.к. транзисторы не выдерживают даже кратковременной перегрузки по мощности рассеяния, по току или напряжению.

Мощные транзисторные каскады, как правило, выполняются в виде двухтактных модулей, работающих по схемам сложения мощностей (если одного модуля недостаточно).

8

3.3. Выбор источников питания

При выборе питающих напряжений следует по возможности использоваться перечным номинальных напряжений предусмотренным ГОСТ[1].

Для транзисторных генераторов могут быть использованы следующие постоянные напряжения:

3, 4, 5, 6, 9, 12, 15, 20, 24, 27, 30, 48, 60, 80 В.

Наиболее употребляемыми являются 6, 12, 24, 27, 48 В. Для ламповых генераторов рекомендуется следующий ряд:

100, 120, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 800, 1000, 1250, 1500, 2000,

2500, 3000, 5000, 8000, 10000, 12000, 15000 В.

Использование рекомендуемых ГОСТ напряжение позволяет применять в выпрямителях стандартные силовые трансформаторы, а, следовательно, упрощать проектирование и снижать себестоимость производства. Для уменьшения общего числа источников питания в выпрямителях целесообразно использовать мостовые схемы (однофазные или трёхфазные), позволяющие получить дополнительное напряжение равное половине основного.

В качестве примера на рисунке 3.1 представлена структурная схема радиовещательного передатчика мощностью 7.5 кВт.

4.Расчёт генератора в режиме усиления модулированных колебаний (УМК)

Режим УМК используется в радиовещательных передатчиках малой и средней мощности (до 30-50 кВт) с амплитудной модуляцией и в передатчиках однополосной радиосвязи. Усилитель модулированных колебаний должен работать в недонапряжённом режиме с голом отсечки в 90° в мощных ступенях и 180° - в маломощных (до 10 Вт). Выбор таких параметров режима обеспечивает необходимую линейность усиления [2].

Максимальная (пиковая) мощность генератора определяется при составлении структурной схемы (Pмакс). Номинальная мощность электронных приборов и их количество должны соответствовать Pмакс

n PN ≥ Pмакс

Где PN - номинальная мощность лампы (транзистора), n – число электронных приборов в генераторе.

4.1 Расчет лампового усилителя амплитудномодулированных колебаний

Исходные данные:

Схема включения ламп: однотактная, двухтактная, с общим катодом (ОК), с общей сеткой (ОС).

10