Методика расчета ГВВ и ГСВЧ на металлокерамической лампе

Стр 1 из 3Следующая ⇒

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ»

Кафедра радиотехнических устройств

В.Н. Дивеев

«ФОРМИРОВАНИЕ И ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ»

ПОСОБИЕ

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ

для студентов

специальности 160905

всех форм обучения

Москва - 2007

ББК 6Ф. 12

Д44

Рецензент – проф, д.т.н. Логвин А.И.

Дивеев В.Н. Формирование и передача сигналов, Пособие к выполнению курсового проекта. МГТУ ГА, 2007. - 60 с.

Данное методическое пособие издаётся в соответствии с учебным планом для студентов 3 курса дневного и 4 курса заочного обучения специальности 160905.

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры РТУ 30.01.07г. и методического совета по специальности 160905 21.02.07г.

- 3 -

Введение.

Данное пособие содержит методические материалы по проектированию и расчету основных структурных и принципиальных схем радиопередатчиков с амплитудной, частотной, однополосной и импульсной модуляцией. Эти материалы призваны помочь студентам в выполнении курсового проекта по устройствам формирования и передачи сигналов. Основные требования, предъявляемые к курсовому проекту, изложены в разделе - 1, а специально для студентов заочного отделения в [21]. Задания на курсовой проект студентам дневного отделения выдаются индивидуально, студенты заочного отделения выбирают вариант задания в соответствия с требованиями, изложенными в [21] или здесь. В целом тематика курсовых проектов охватывает следующие виды радиопередающих устройств:

- передатчики связные, УКВ - диапазона с АМ;

- передатчики связные, СВ и МВ - диапазона с ОМ;
- передатчики навигационных систем с АМ;

- передатчики связные, УКВ - диапазона с ЧМ;

- передатчики СВЧ навигационных систем с ЧМ;

- передатчики СВЧ радиолокационные с ИМ;

- передатчики СВЧ навигационные с ИМ.

При составлении данного издания не ставилась задача описать в целом содержание курсового проекта (далее КП), тем более любого из типов передатчиков, учитывая их многообразие. Основным содержанием издания является следующее:

- изложение требований к содержанию и оформлению КП;

- изложение методики внешнего проектирования передатчика;

- изложение методик проектирования и расчетов структурных схем передатчиков различных типов;

- изложение методик проектирования принципиальных схем, расчетов их с учетом специфического характера этих схем в передатчиках различных типов;

- рекомендации по выбору элементарной базы проектируемых схем и сведения по основным данным активных элементов, приводимых в приложениях.

Следует иметь в виду, что реализация отдельно взятого передатчика может быть различной и предлагаемый в пособии вариант является не единственным. Это же относится к расчету каскадов передатчика, так как могут быть использованы различные методики расчетов однотипных каскадов, приводимые в литературе. Выполнение курсового проекта является творческой задачей и приводимые здесь рекомендации и методики являются определенным ориентиром, а не правилом для выполнения курсового проекта. В издании приводится перечень литературных источников по его тематике.

Следует иметь в виду, что материалы расчетов могут быть успешно

- 4 -

использованы для выполнения контрольных работ. В конце пособия приведены Приложения со сведениями по элементной базе, по параметрам электронного режима ГВВ, а также исходные данные вариантов курсовых проектов для студентов заочного обучения (Приложение 14).

Требования к курсовому проекту.

1.1. Характеристика исходных данных на проектирование.

Для связных передатчиков задается:

диапазон рабочих частот [МГц];

выходная мощность в нагрузке [Вт];

вид и параметры модуляции: АМ, ЧМ, ОМ;

диапазон частот модулирующего сигнала [кГц];

рекомендуемая элементная база: транзисторы, лампы, интегральные схемы;

место установки: борт ВС, наземная;

могут быть указаны требования к стабильности частоты.

Для навигационных передатчиков с непрерывным излучением (с АМ, ЧМ) задается тот же перечень исходных данных.

Для радиолокационных и радионавигационных передатчиков с ИМ задаются:

рабочая длина волны [см] (или частота [МГц]);

мощность импульсная в нагрузке [кВт];

длительность импульса [мкс];

частота следования импульсов [Гц];

рекомендуемый тип генератора СВЧ (магнетрон, клистрон, МКЛ, твердотельные элементы);

место установки.

1.2. Требования к содержанию курсового проекта.

Курсовой проект должен содержать следующие материалы:

пояснительная записка;

графическая часть — чертеж на ватмане (а1) карандашом,

содержащий полную принципиальную схему передатчика.

1.2.1. Пояснительная записка.

Пояснительную записку следует выполнить, согласно ГОСТ 2.106-79 и 2.106-68. Образец титульного листа приведен в Приложении 1. Шифр документа (например: РС-94012.КП.01.22.00.42.ПЗ) содержит последовательно:

- 5 -

шифр студента, наименование документа (КП—курсовой проект), 01—номер проекта в учебном плане, 22—код кафедры, 00—промежуточные позиции кодов документации, 42—номер варианта задания, ПЗ—пояснительная записка. После титульного листа: техническое задание, содержание, введение, главы и разделы, заключение, литература, перечень элементов, приложение. В тексте обязательно приводятся все схемы каскадов, которые рассчитываются с указанием всех элементов; обозначения всех элементов должны соответствовать их обозначениям в тексте расчетов. Примерная последовательность разделов в пояснительной записке:

- введение;

- внешнее проектирование устройства;

- разработка и расчет структурной схемы;

- разработка схем и расчет каскадов принципиальной схемы;

- выбор типа и параметров синтезатора частоты (для диапазонных передатчиков);

- требования к номиналам источников питания передатчика

(напряжения, токи, мощности) и расчет промышленного КПД;

- заключение;

- литература;

- перечень элементов;

- приложения.

Перечень элементов составляется для всех элементов в рассчитанных схемах. Ссылки на литературу в тексте пояснительной записки обязательны. На первой, после титульного листа, странице записки должна быть сделана основная надпись (штамп) в соответствии с ГОСТ 2.104-68. Каждый лист записки следует отформатировать с листовым (малым) штампом. Следует при оформлении документации соблюдать требования ГОСТ 2.105-79 и применительно к учебному процессу стандарта МГТУ ГА СТП 113221-208-85 и СТП 113221-106-85 "Курсовое проектирование".

Примерное содержание разделов пояснительной записки:

Во введении отмечаются особенности проектируемого передатчика, область его применения, требования к техническому уровню подобных передатчиков.

Внешнее проектирование должно содержать анализ характеристик и параметров входных и выходных сигналов: математическую модель этих сигналов, величины параметров этих сигналов: уровни напряжений (мощностей), ширину спектра, параметры модуляции, стабильности частот, их диапазоны и дискретность, параметры допустимых искажений. Здесь же следует произвести расчет числа и границ поддиапазонов (для диапазонных передатчиков).

Задачей разработки и расчета структурной схемы передатчика является определения количества и назначения каскадов, их мощностных, частотных

- 6 -

параметров и выбор активных элементов каскадов.

Содержанием раздела по разработке и расчету каскадов принципиальной схемы является проектирование полных схем и полный электрический расчет электронных режимов и всех элементов схем с учетом схем согласования. Общее число различных рассчитываемых каскадов должно быть не менее трех, а именно:

В передатчиках с амплитудной модуляцией рассчитываются: выходной каскад в режимах максимальной мощности и несущей, предоконечный каскад в тех же режимах, выходной каскад модулятора или автогенератор возбудителя.

В передатчиках с однополосной модуляцией рассчитываются: выходной каскад, балансный модулятор, автогенератор или промежуточный каскад.

В передатчиках с частотной модуляцией рассчитываются: выходной каскад, автогенератор с частотным модулятором, промежуточный каскад в режиме умножения частоты.

В импульсных передатчиках рассчитываются все каскады: задающий генератор (подмодулятор), модулятор, генератор СВЧ.

Указанные рекомендации не являются императивными и могут быть уточнены индивидуально в процессе проектирования по согласованию с руководителем.

При разработке диапазонных передатчиков необходимо выбрать тип синтезатора частот и его параметры: рабочий диапазон, дискретность, стабильность частот с учетом содержания каскадов структурной схемы (умножителей частот).

Для расчета промышленного КПД передатчика необходимо знать параметры всех источников питания, которые определяются как результатами расчетов электронных режимов каскадов, так и определения типовых режимов, не рассчитываемых каскадов схемы. В записке надо описать, каким образом заданные напряжения бортовых или наземных источников питания преобразуются в требуемые для каскадов напряжения, полученные в расчетах.

В заключение рассматриваются достоинства и преимущества спроектированного передатчика, даются рекомендации по его применению.

Выполнение списка литературы и ссылки на него в тексте должны соответствовать ГОСТ 2.1 - 84.

В приложениях приводятся: перечень элементов к принципиальной схеме, выполненный по требованиям ЕСКД, распечатки программ расчетов и другие материалы, использованные при расчетах.

Изложение материала в пояснительной записке должно быть кратким, но достаточно полным, не следует излагать общеизвестные сведения. Сокращение слов, как правило, не допускается. Условные обозначения физических, математических и других величин, а также условные графические обозначения должны соответствовать стандартам. Расчеты по формулам следует про-

- 7 -

изводить в порядке: буквенное написание, подстановка числовых значений, результат с указанием размерности. Графические способы расчетов необходимо иллюстрировать. После расчета величины элементов схем необходимо производить выбор их номиналов в соответствии с рядом номиналов сопротивлений и конденсаторов.

1.2.2. Графическая часть.

Содержанием графической части является выполнение чертежа полной электрической принципиальной схемы передатчика, включающей как рассчитанные, так и выбранные без расчета каскады, состав которых должен соответствовать структурной схеме. Чертежи выполняются по ГОСТ 2.109 - 73, 2.104 - 68, а также ГОСТ 2.729 -74, 2.730 - 73, 2.731 - 81 и т. д. Цепи от внешних блоков (питания, синтезатора частот, синхронизатора и т. д.) следует ввести через разъемы, выход к фидеру или антенне следует оформлять отдельным разъемом, в том числе высокочастотным. Основная надпись имеет тот же вид, что и в пояснительной записке, последняя позиция в шифре должна иметь вид —ЭЗ. Все элементы схемы должны иметь сквозную нумерацию, на чертеже можно размещать и перечень элементов.

2. Методические материалы по расчету и проектированию структурных схем.

2.1. Разбивка на поддиапазоны.

В любом передатчике с непрерывным излучением сигналов первой операцией должно быть определение числа и границ поддиапазонов. Это производится следующим образом.

Коэффициент перекрытия диапазона рабочих частот передатчика

Если >1.7...2, то следует определить количество поддиапазонов, если <1.7...2, то можно ограничится одним диапазоном. Необходимое количество

поддиапазонов равно , где —коэффициент перекрытия одного поддиапазона. Число n выбирается целым, как правило, большим. При этом фактический коэффициент перекрытия одного поддиапазона, определяемый n,

- 8 -

Границы поддиапазонов определяются так:

I поддиапазон

II поддиапазон

……………………………………………………………

n поддиапазон

С учетом 5% перекрытия поддиапазонов окончательно получаем:

2.2. Разработка и расчет структурной схемы передатчика с амплитудной модуляцией.

Находим номинальную мощность активного элемента выходного каскада (ГВВ):

(2.1)

где — коэффициент производственного запаса, равный 1.2... 1.4, — коэффициент, учитывающий значение коэффициента амплитудной модуляции m, —заданная мощность в нагрузке, — КПД колебательной системы, равный (0.95...0.98), —КПД согласующего фильтра (0.8...0.9), —КПД симметрирующего трансформатора на выходе колебательной системы при симметричном входе антенны, равный (0.9...0.95).

По полученному значению и заданному значению следует выбрать тип транзистора выходного каскада, ориентируясь на следующие критерии: < 3 , , где — допустимая мощность

транзистора, —его граничная частота.

Если полученное значение >40 Вт (особенно в диапазоне УКВ), то целесообразно применить модульное построение ГВВ по схеме сложения мощностей.

При этом мощность, развиваемая на выходе одного активного элемента

,где N—число модулей сложения мощностей, —КПД суммирующей системы, равного 0.85... 0.9.

Мощность, необходимая для возбуждения всего выходного каскада в N раз больше мощности возбуждения одного модуля.

Выходная мощность предвыходного каскада

- 9 -

(2.2) где —коэффициент усиления по мощности выходного каскада, равный 5...8 для схем с общей базой (см. также [1], стр.60); —коэффициент, учитывающий модуляцию в предоконечном каскаде, если она предусматривается, величина ; —КПД цепей распределения мощности включенного между предвыходным и выходным каскадами, порядка 0,85…0,95. Вопрос о модульном построении предвыходного каскада решается так же как и в случае выходного каскада, также решается вопрос о выборе типа активного элемента.

Далее должен быть решен вопрос о числе и составе промежуточных каскадов, общее число этих каскадов l определим по соотношениям:

(2.3) (2.3)

где —коэффициент усиления по мощности всего тракта промежуточного усиления; — коэффициент усиления по мощности одного каскада промежуточного усилителя, равный 10...25 для ОЭ и 10...20 для ОБ; —выходная мощность последнего промежуточного усилителя; —выходная мощность возбудителя (синтезатора) частот, ориентировочно равная 0.025...0.06Вт; —КПД межкаскадных согласующих цепей (0.88...0.9).

В указанных передатчиках целесообразно в состав промежуточных каскадов включить каскады умножения частоты с целью понижения номиналов частот возбудителя, что позволяет повысить стабильность частот возбудителя. Коэффициент умножения в целом следует задавать в пределах 4...6 (два удвоителя или удвоитель и утроитель частоты).

Далее необходимо определить мощностные показатели каждого промежуточного каскада, пользуясь общей формулой:

(2.4)

и произвести выбор активного элемента каскада, учитывая значение максимальной частоты, на которую он должен работать. Таким образом, структурная схема тракта высокой частоты передатчика определена.

Определим структуру модулятора, рассчитав сначала требуемую выходную мощность модулятора

(2. 5)

- 10 -

для случая коллекторной модуляции и

;

для случая базовой модуляции.

Если мощность >5Вт, то модулятор выполняется по двухтактной схеме своего выходного каскада. Далее следует выбрать тип активного элемента выходного каскада, учитывая, что усиление осуществляется на уровне низких частот (0,3...3.4кГц). На входе модулятора должна быть мощность

где —коэффициент усиления по мощности модулятора, равный 20...25. Эту мощность должен обеспечить каскад подмодулятора. Число каскадов промежуточных усилителей определяется теми же соотношениями, что и для промежуточного тракта высокой частоты. С учетом того, что выходная мощность источника сигнала (микрофона) составляет ориентировочно 10...20 мкВт.

По окончании расчета структурной схемы следует выполнить итоговые действия:

составить таблицу (резюме) результатов расчета с перечнем всех каскадов и указанием мощностных, частотных (по для каждого каскада) параметров, типа активного элемента и способа реализации каскада (ОЭ, ОБ, сложения мощностей и числа модулей при этом);

составить полную покаскадную структурную схему передатчика, например, Рис.1,

- 11 -

На схеме: 1,3,5—промежуточные (буферные) усилители, 6,7—предоконечный и оконечный усилители (ГВВ), 8,9—предварительные усилители модулятора, 10—оконечный усилитель модулятора, 11—согласующий полосовой фильтр, 2,4—умножители частоты.

2.3. Разработка и расчет структурной схемы передатчика с однополосной модуляцией.

Первый этап—разбивка на поддиапазоны (см. 2.1). Далее—расчет (2.1) с учетом m=0. Вопрос о способе построения оконечного каскада и выборе активного элемента решается аналогично рекомендациям в 2.2. Также решается вопрос о параметрах и структуре предоконечного каскада. Будем полагать, что на вход тракта промежуточных каскадов от схемы формирования однополосного сигнала (СФОС) поступает колебание мощностью =0 025...0.06 Вт. Тогда вопрос о числе промежуточных каскадов и их параметрах решается на основе соотношений (2.3, 2.4), при этом значение частоты для них соответствует рабочей частоте передатчика, т.е. . Следует помнить, что в тракте усилителя сформированного в СФОС сигнала, нельзя применять каскады умножения частоты.

Следующим этапом является разработка и расчет структурной схемы блока СФОС. Здесь рассматривается фильтровый метод формирования однополосного сигнала с двумя каскадами преобразования спектра исходного сигнала от ИИ и подавлением несущей (преднесущей) в балансных модуляторах. Тогда структурная схема блока СФОС имеет вид рис.2—совместно с трактом усиления.

- 12 -

На схеме Рис.2: 1,2—промежуточные усилители, 3,4—предоконечный и оконечный (ГВВ) каскады, БУ—буферные усилители, БМ—балансный модулятор, ПФ,ЭМФ—полосовой и электромеханический фильтры, УНЧ—усилитель сигнала источника сообщений, —частоты поднесущей и несущей частоты , поступающие от возбудителя (синтезатора частот), 5-полосовой согласующий фильтр.

На схеме указаны мощности на выходе каскадов, которые предстоит рассчитать. Мы условились, что тогда

- коэффициент передачи ЭМФ

Полагая, что от СЧ на частотах и поступают колебания мощностью порядка 0.05Вт, коэффициенты усиления по мощности буферных усилителей:

Исходя из этих последних соотношений нужно решить вопрос о структуре каскадов буферных усилителей, полагая, что один каскад БУ обеспечивает 30...40. Вопрос о структуре УНЧ решается так же как и в 2.2 для структуры каскадов модулятора.

Заключительным этапом так же как и в 2.2 является составление резюме и полной структурной схемы передатчика.

2.4. Разработка и расчет структурной схемы передатчика с частотной модуляцией.

Первый этап—разбивка на поддиапазоны (см.2.1).

Далее—расчет (2.1) с учетом .

Процедура формирования ЧМ - радиосигнала обычно осуществляется за-
дающим генератором передатчика на уровне пониженных частот по сравнению с диапазоном несущих. Значения частот задающего генератора целесообразно устанавливать в диапазоне порядка 20..З0 МГц. Поэтому сперва следует определить необходимое значение коэффициента умножения частоты задающего генератора до уровня несущих частот. Положим, например, что

- 13 -

максимальная частота задающего генератора равна З0 МГц, а максимальная частота диапазона несущих ( ) равна . Тогда коэффициент умножения ,а минимальная частота задающего генератора , и диапазон перестройки задающего генератора будет … 30МГц. Если задано значение индекса частотной модуляции и частота модуляции , то необходимое значение девиации частоты на выходе передатчика будет

Соответственно от задающего, модулируемого по частоте генератора требуется получить и . Целесообразными коэффициентами умножения одного каскада следует считать 2 и 3. Тогда следует обеспечить , где k—число каскадов умножения на 2 и n— число каскадов умножения на 3, общее число каскадов умножения l=k+n. Между каскадами умножения, особенно после умножения на 3, целесообразно ставить буферные усилители.

Можно предложить два типа структурных схем передатчика с ЧМ: с оконечными каскадами на ГВВ и с оконечным каскадами, построенными по схеме умножителей частоты (на варакторах), последний тип целесообразно применять в диапазоне СВЧ. При этом для варакторного варианта передатчика перед трактом варакторных умножителей следует помещать один-два каскада, построенных по схемам ГВВ, последний из которых служит как бы источником мощности ВЧ-колебаний для варакторного умножения частоты, т.к варакторные умножители не являются усилителями мощности ВЧ-колебаний. Этот ГВВ будет самым мощным каскадом передатчика. Приведем для примера структурную схему передатчика варакторного типа, Рис 3.

- 14 -

На Рис.3: 1,2—буферные усилители (ГВВ) для возбуждения цепочки варакторных умножителей 3,4, каждый из которых построен по схеме умножения на 2; между задающим генератором (ЗАГ) и усилителями расположена цепочка трех умножителей частоты на 3. Общий коэффициент умножения в схеме . На рисунке также указаны выходные мощности каскадов. Ориентировочные расчетные соотношения мощностей аналогичных каскадов имеют вид:

Выбор элементной базы должен соответствовать значениям Р и для каждого каскада, например, для каскада 4: и , для каскада 2: и , т.е. , для каскада первого утроителя: и , т.е. и т д.

Пример схемы первого типа (с ГВВ на выходе):

На Рис.4: 1,2,3,4—оконечный, предоконечный ГВВ, промежуточные усилители; умножители частоты транзисторного типа с общим коэффициентом умножения:

N=3² ∙ 2=18, .

Мощностные параметры каскадов определяются аналогично параметрам каскадов 1,2 и умножителей схемы Рис.3. Для буферных усилителей 3,4 следует ориентироваться на соотношение (2.4). Частотные параметры определяются аналогично предыдущему случаю. Заключительный этап тот же что и в 2.2.

2.5. Разработка и расчет структурной схемы передатчика с импульсной модуляцией.

Исходным данными для расчета являются: рабочая длина волны (часто

- 15 -

та)— ; импульсная мощность— , кВт; длительность импульса— , мкс; частота повторения импульсов—F, Гц.

Определим мощность на выходе передатчика:

, где α—прямое затухание ферритового вентиля, лежащее в пределах (0.5…0.8) дБ=1.12…1.2 ; ηф—КПД антенно-фидерного тракта— 0.85...0.95; Г—коэффициент отражения нагрузки—0.1...0.4. По величине Рвых и f выбирается тип электронного прибора ГСВЧ (магнетрон, клистрон, МКЛ и т.д.), которые также должны удовлетворять заданным τ и F.

По техническим данным типового режима или по рабочим характеристикам выбранного электронного прибора определяются значения тока— и напряжения— в импульсе, требуемые от импульсного модулятора. На основе этих параметров определяются напряжение на аноде модуляторной лампы во время паузы и ток через эту лампу во время импульса

Исходя из этих значений и ,производится выбор модуляторной лампы и вид схемы модулятора. При импульсных мощностях, не превышающих 200...250кВт, целесообразно модулятор строить по схеме с частичным разрядом накопителя, при больших мощностях—по схеме с полным разрядом. В первом случае модуляторная лампа—электровакуумный прибор типа ГМИ, во втором—газополная лампа—тиратрон. При выборе лампы следует также учитывать требуемые величины τ и F, указываемые в технических данных ламп.

Для обеспечения работы модулятора обычно используется подмодулятор, обеспечивающий необходимую форму и параметры запускающих импульсов. Подмодулятор может быть реализован как достаточно мощный блокинг-генератор, работающий в автоколебательном режиме (малая и средняя мощность передатчика), либо в ждущем режиме (мощные передатчики). В последнем случае запуск передатчика осуществляется от синхронизатора станции. Таким образом, структурная схема передатчика будет иметь вид, Рис.5.

- 16 -

Резюме по схеме должно содержать перечень блоков с указанием мощностей входных и выходных сигналов, токов, напряжений в импульсе, временных параметров сигналов, выбранной элементной базы и типа схем.

3. Методические материалы по расчету и проектированию схем каскадов передатчиков.

3 1. Расчет выходного ГВВ передатчика.

Здесь рассматривается методика расчета схемы ГВВ на транзисторе, тип которого выбран в процессе проектирования структурной схемы. Прежде всего надо выписать все параметры транзистора, приводимые в справочной литературе :

и т.д.

Положим, что ГВВ построен по схеме сложения мощностей и рассчитываемый каскад является одним из аналогичных модулей схемы, выходная мощность которого равна . Схема этого модуля приведена на Рис.6 с указанием цепи амплитудной коллекторной модуляции.

Выбираем критический режим работы ГВВ в классе В с углом отсечки =80...120°, обычно применяют =90°. Находим соответствующие значения в приложениях, например.

Определяем амплитуду первой гармоники коллекторного напряжения в граничном режиме:

Напряжение коллекторного питания выбираем как так, чтобы

Амплитуда первой гармоники коллекторного тока, ток постоянной составляющей, максимальный ток и постоянные токи базы и эмиттера:

I_k₁ = 2P₁ /U_k , I_k₀ = I_k₁α₀/α₁ , I_б0 =I_k₀ / β₀ , I_km = I_k₁/ α₁ .

Эти токи должны быть меньше допустимых.

- 17 -

Энергетические параметры: потребляемая от источника питания мощность, мощность рассеяния на коллекторе, КПД коллекторной цепи:

Сопротивление коллекторной нагрузки .

Расчет входной цепи выходного каскада.

Постоянная времени открытого эмиттерного перехода и эквивалентная постоянная времени:

, где

Амплитуда входного тока каскада:

Дополнительное сопротивление и емкость входной цепи:

Если , то можно не ставить и принять R₁ >> r_б для расчета , т.е. в знаменателе будет только r_б. Если в расчете , то тоже не следует ставить.

Максимальная величина обратного напряжения на эмиттерном переходе:

Напряжение смещения на эмиттерном переходе:

Входное сопротивление транзистора:

- 18 -

Мощность возбуждения P_вх = 1/2 I_вх² ∙ R_вх и коэффициент усиления по мощности .

На Рис.6 показана схема рассчитываемого ГВВ применительно к случаю амплитудной модуляции коллекторного типа, где Тр1—модуляционный трансформатор. В ГВВ с другими видами модуляции (ОМ, ЧМ) этого трансформатора не будет.

3.2 Расчет согласующего четырехполюсника.

Полагаем, что нагрузкой передатчика является коаксиальный кабель с волновым сопротивлением . Тогда нагрузкой для одного ГВВ системы сложения мощностей будет сопротивление (для последовательной схемы сложения мощностей) или (для параллельной схемы сложения мощностей). На схеме Рис.6 показан согласующий четырехполюсник П-образного типа. Исходной величиной служит заданное значение коэффициента фильтрации четырехполюсника Ф. Тогда необходимая добротность контура—четырехполюсника , где —коэффициент фильтрации по второй гармонике, выбираемый в пределах 100…1000. Процедура расчета имеет вид:

- 19 -

Если получается очень мало, то увеличивают до приемлемого значения , что эквивалентно включению добавочной индуктивности , которую компенсируют последовательно с нею включенным конденсатором

3.3. Расчет ГВВ в режиме несущего колебания при АМ.

Постоянная составляющая коллекторного тока генераторов и потребляемая мощность:

Колебательная мощность генераторов:

Амплитуда модулирующего коллекторного напряжения и тока:

Сопротивление нагрузки со стороны выходного каскада:

Мощность, требуемая от модулятора:

Если модуляция имеет место и в предоконечном каскаде, то этот расчет надо сделать и для него, чтобы определить суммарную мощность, требуемую от модулятора передатчика. Эта мощность не должна быть меньше требуемой (2.5).

- 20 -

3.4.Расчет номиналов элементов схемы ГВВ.

Сопротивление смещения в цепи базы транзистора, Рис.6.:

Индуктивности блокировочных дросселей:

Величины емкостей блокировочных и разделительных:

- 19 -

—выходное сопротивление источника питания порядка 0,1…2 Ом.

3.5. Расчет автогенератора синтезатора частот.

Полагаем, что кварцевый резонатор автогенератора работает на третьей гармонике в диапазоне частот 20...30 МГц. Тогда параметры кварцевого резонатора (ГОСТ 6503-67) будут следующими: 50 Ом, Со=12пФ, . Допустимую мощность рассеивания на резонаторе примем не более 2мВт. Выбираем тип транзистора с <0.2Вт и 30МГц.

Для повышения стабильности автогенератора применяют недонапряженный режим работы с пониженными значениями токов и напряжений в рабочем режиме:

Коэффициент разложения импульса коллекторного тока рекомендуется брать 0.1...0.3, что соответствует режиму отсечки около 60°, .

Рассчитываются и определяются для угла отсечки величины: , , , . Для расчета остановимся на осцилляторной схеме, Рис.7.

- 21 -

Выбираем мВт, полагая, что в синтезаторе имеется достаточное количество буферных усилителей.

Находим мощности: рассеиваемую на кварце и отдаваемую транзистором:

мВт ,

Определяем аппроксимированные параметры транзистора:

Нормированная частота колебаний: , где - номинальная частота колебаний нашего автогенератора.

Параметры колебательной системы:

Находим далее:

Из условия: ,где n=3, выбираем величину

Используя соотношение ,получим .

Поправка к частоте колебаний:

Относительная разность между частотами и :

- 22 -

Определяем режимные параметры активного элемента:

где

Задаемся величиной =(150...400)Ом.

Определяем =(10...20) .

Напряжения питания:

Принимаем ток через делитель

Тогда .

Остальные блокировочные и разделительные элементы рассчитываются по известным формулам. Далее следует выбрать все элементы по номиналам ГОСТ, как обычно.

3.6.Расчет схемы балансного модулятора.

Принципиальная схема балансного модулятора, используемого в схеме формирования однополосного сигнала приведена на Рис.8, это схема кольцевого БМ.

Исходя из максимальной частоты , подаваемой от гетеродина ,

- 23 -

выбираем тип диодов модулятора. По линеаризованной характеристике диода, Рис.8 б, находим

Максимальное входное напряжение на диоде

Тогда и .

Амплитуда напряжения на вторичной обмотке Тр1:

Угол отсечки тока диода

Входное сопротивление БМ со стороны источника модулирующего сигнала:

Мощность источника модулирующего сигнала:

Коэффициент трансформации Тр1:

где - выходное сопротивление УНЧ.

Активные сопротивления первичной и вторичной обмоток Тр1 :

Коэффициент взаимоиндукции Тр1:

Найдем коэффициент трансформации Тр2 : , где - входное сопротивление полосового фильтра одной боковой полосы (ЭМФ или ФСС).

Активные сопротивления обмоток и коэффициент взаимоиндукции Тр2:

Входное сопротивление БМ в точках подключения гетеродина:

- 24 -

Коэффициент передачи

Амплитуда напряжения сигнала боковой полосы на нагрузке и мощность однополосного сигнала на входе полосового фильтра:

3.7.Расчет частотного модулятора на варикапе.

Частотная модуляция осуществляется либо в задающем автогенераторе передатчика путем воздействия модулирующих колебаний на несущую частоту, либо в маломощном усилителе путем получения фазовой модуляции и преобразования её в частотную. Наиболее широко применяется первый способ, который рассмотрен в данном разделе. Обычно процедура расчета схемы ЧМ заключается в совместном расчете автогенератора и модулятора. Рассчитываемая схема приведена на Рис.9.

Рис. 9

- 25 -

Рабочая частота автогенератора равна (например, 15МГц), выходная мощность мала поэтому выбираем маломощный транзистор с и выписываем его паспортные данные. Сначала производим расчет электрического режима, выбирая:

Сводка расчетных формул электрического режима автогенератора приведена ниже, эти формулы аналогичны соотношениям для расчета ГВВ, поэтому приводятся без комментариев:

Далее следует рассчитать элементы колебательного контура. В диапазоне частот 1О...ЗОМГц оптимальное значение индуктивности контура лежит в диапазоне 1...10 мкГн с добротностью порядка . Вычисляем параметры элементов контура:

Расчет цепи смещения и питания:

- 26 -

Следующим этапом является расчет цепей непосредственно модулятора на варикапе VD.

Для расчета частотного модулятора следует задать исходные данные: среднюю(несущая) частоту модуляции , девиацию частоты , коэффициент гармоник Кг<5%, диапазон модулирующих частот, например, F = 300...3400 Гц. Из расчета автогенератора известны параметры: .Выбираем варикап и выписываем его параметры:

при в рабочей точке, добротность на частоте , предельные параметры и (или 1/3)—степень нелинейности емкости, —остаточный потенциал.

Целесообразно выбирать варикап так, чтобы было близко к напряжению источника питания автогенератора .

Процедура расчета схемы модулятора, приведенной на Рис.9,следующая:

нормированное и реальное значения амплитуды модулирующего колебания:

относительная величина изменения емкости варикапа:

Коэффициент вклада варикапа в суммарную емкость контура автогенератора:

Коэффициент включения варикапа в контур:

Амплитуда высокочастотных колебаний на варикапе .

Величина емкости связи

- 27 -

Уточнение величины емкости , где величина этой емкости, полученная в расчете автогенератора.

Далее следует рассчитать делитель , исходя из условий:

Блокировочная индуктивность определяется из условия:

На этом расчет схемы частотного модулятора заканчивается.

3.8. Расчет варакторного умножителя частоты.

Схема варакторного умножителя приведена на Рис .10, это схема параллельного типа. Элементы схемы —входной фильтр, настроенный на частоту первой (входной) гармоники — выходной фильтр, выделяющий n-ую гармонику , —нагрузочный фильтр, —шунтирующий первую гармонику на выходе варактора, и —подстроечные элементы, и — блокировочные индуктивности цепей установки рабочей точки от источника питания, —сопротивление смещения рабочей точки, и —полосковые линии, эквивалентные индуктивностям.

Исходными данными для расчета варакторного умножителя служат следующие параметры: входная мощность (или выходная мощность), кратность умножения N, входная частота (выходная частота ). Варактор для умножителя выбирают по частоте: и по мощности:

,где , где - электронный

- 28 -

КПД варактора, типичные значения которого приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

N	2	3	4	5	8	10
η	0.8	0.7	0,3	0.35	0.25	0.2

Выписываем параметры выбранного варактора: при справочном значении , —максимально допустимая мощность рассеяния, максимально допустимое напряжение конструктивные значения емкости и индуктивности варактора, В, коэффициент нелинейности =1/3 или 1/2.

Процедура расчета электрических параметров сводится к следующему:

Емкость закрытого перехода:

Активное сопротивление эквивалентной схемы варактора

Коэффициент где

Коэффициенты:

Из найденных значений коэффициентов А выбирается наименьшее.

Допустимые амплитуды тока первой гармоники:

Из этих двух значений тока выбираем наименьшее.

Амплитуда N-ой гармоники тока . Сопротивление N-ой гармоники оп-

ределяется как ,мощность N-ой гармоники и КПД

- 29 -

варактора , где

Напряжение смещения на варакторе

Мощность, подводимая к варактору, входная и выходная мощности в схеме:

где и —КПД входного и выходного фильтров, порядка 0.85.. 0.9.

3.9.Расчет схем импульсных модуляторов.

Импульсные модуляторы мощных импульсных передатчиков подразделяются на ИМ с частичным и полным разрядом накопителя.

3.9.1. Импульсный модулятор с частичным разрядом накопителя.

Схема модулятора совместно с нагрузкой—магнетроном показана на Рис.11.

На схеме в качестве коммутатора использована вакуумная лампа—тетрод, обычно типа ГМИ (может быть и триод). Вакуумный диод VL2—шунтирующий, VL3—магнетрон.

- 30 -

Исходные данные для расчетов:

Напряжение в импульсе на выходе

Ток в импульсе на выходе ;

Длительность импульса ;

Частота следования импульсов F;

Длительность переднего и заднего фронтов импульса;

Допустимый спад напряжения на вершине импульса ;

Динамическое сопротивление магнетрона или генераторной лампы ;

Выбираем модуляторную лампу по напряжению и току с некоторым запасом: Е₀=1.2 ,

При выборе учитываем также и F. Следует далее выписать все технические параметры выбранной лампы и иметь её вольт-амперные характеристики. Определение электронного режима лампы и его параметров производим по процедуре графоаналитического построения, Рис.12.

На семействе анодных ВАХ лампы выделяем линию граничного режима и на ней выделяем рабочую точку А, соответствующую току . Из всех ВА лампы выделяем ту, которая пересекается с линией 1 в точке А, определяем для этой ВАХ соответствующее сеточное напряжение . Величина на Рис.12—это значение порогового напряжения возбуждения магнетрона.

- 31 -

Определяем параметры выбранного режима:

Из перечня данных лампы учитываем напряжение запирания лампы— напряжение на второй сетке (для тетродов) – Е_с2

Находим зарядное сопротивление

Емкость накопителя

Шунтирующая индуктивность

Длительность фронта и спада импульса:

, , где пФ – паразитная ёмкость схемы,

Изменение напряжения на накопителе {максимальное и минимальное напряжения):

По ГОСТ выбираем тип и номинал

Напряжение источника питания:

Мощность потерь в элементах схемы:

- 32 -

, где

По мощности выбираем тип и номинал резистора .

Средняя мощность модулятора

Мощность источника питания и КПД модулятора:

Для выбора типа шунтирующего диода определяем требуемые для него параметры.

Обратное напряжение .

Ток эмиссии .

Внутреннее сопротивление

Мощность рассеяния на диоде .

По этим данным по справочнику выбирается диод (см. Приложения).

К источнику питания предъявляются следующие требования:

Выпрямленное напряжение .

Мощность выпрямителя .

Допустимый коэффициент пульсаций можно определить по формуле:

где —кратковременная нестабильность частоты магнетрона за

период следования импульсов и —коэффициент электронного

смещения частоты магнетрона, равный, примерно (0.05...0.1) .

Требования к подмодулятору.

Амплитуда напряжения коммутирующего импульса на сетке модуляторной лампы

- 33 -

. Е_см - смотри Рис. 12.

Выходная импульсная мощность подмодулятора:

, где —величина сеточного тока в импульсе, определенная по характеристикам модуляторной лампы.

Длительность выходного импульса подмодулятора и частота следования импульсов:

Далее рассчитываются подмодулятор, чаще всего по схеме блокинг-генератора в соответствии с методиками расчета, известными из курса «Цифровая схемотехника».

3.9.2. Импульсный модулятор с полным разрядом накопителя.

Схема модулятора показана на Рис.13, она соответствует схеме с резонансным процессом заряда накопительной линии. Резонансный процесс заряда накопительной линии обеспечивается зарядным дросселем L₁ и суммарной ёмкостью накопительной линии.

В схеме: —зарядный дроссель, —-катушки индуктивности зарядной, формирующей линии, —её конденсаторы, —

- 34 -

ограничительное сопротивление, —сопротивление утечки сетки тиратрона, —согласующая RC—цепочка, ИТ—импульсный трансформатор с двумя вторичными обмотками, —разделительный конденсатор, —блокировочные конденсаторы, VL1—зарядный и VL3—демпфирующий диоды, VL2—тиратрон, нагрузкой модулятора является магнетрон VL4. Цепи накала ламп и тиратрона на схеме не показаны, но в схеме проекта они должны иметь место.

Исходными данными для расчета служат:

Напряжение импульса на выходе модулятора —Е,

Ток в импульсе на выходе модулятора—I,

Длительность импульса— ,

Частота следования импульсов—F.

Величины Е и I задаёт расчет ГСВЧ (магнетрона, в частности).

Параметры формы импульса задаются, исходя из результатов расчета генератора СВЧ, или задаются соотношениями:

Расчет разрядной цепи накопителя—искусственной формирующей линии.

Сопротивление ГСВЧ постоянному току в импульсе

Задаются волновым сопротивлением линии из ряда значений: Ом.

Определяют коэффициент трансформации импульсного трансформатора:

и находят напряжение на первичной обмотке ИТ:

, где —КПД ИТ, принимаемый в пределах 0.85...0.95.

Ток в первичной обмотке ИТ .

Рассчитывают напряжение на искусственной линии

, где

—КПД разрядной цепи, равный 0.9...0.95, —коэффициент перепада

- 35 -

напряжения на искусственной линии при разряде на нагрузку, равный 0.5.

Используя полученные значения по справочным данным выбирают тиратрон VL2 и выписывают его параметры.

Далее находят число ячеек искусственной линии

и определяют

индуктивность искусственной линии и индуктивность одной

ячейки .

Находят емкость линии .

Ёмкость одной ячейки

Рассчет зарядной цепи накопителя.

При резонансном режиме работы зарядной цепи коэффициент повышения напряжения на линии при заряде равен:

, где —добротность зарядной цепи, равная, ориентировочно, 8…12

Тогда напряжение источника питания

Индуктивность зарядного дросселя

и характеристическое сопротивление зарядной цепи

Максимальное, среднее и эффективное значения зарядного тока:

Мощность источника питания и мощность, потребляемая линией в процессе заряда

КПД зарядной цепи и общий КПД модулятора:

- 36 -

На основе полученных результатов формулируют требования к источнику питания и к подмодулятору, используя паспортные данные тиратрона.

Выбирают тип зарядного диода VL1, исходя из известных значений , ,проверяют мощность рассеяния на диоде .

Если диод подходит по величине обратного напряжения, но не подходит по величине среднего тока, то можно поставить два параллельно включенных диода. То же самое можно рекомендовать и при выборе тиратронов, т.е. использовать либо параллельное (по току) включение тиратронов, либо последовательное (по напряжению) их включение.

Расчет согласующей цепочки:

На основании этих данных выбирают и по ГОСТ.

Расчет цепи демпфирующего диода VL3.

Находят суммарное сопротивление цепи:

Максимальный, средний и эффективный токи через диод:

где —частота искрений в магнетроне.

По рассчитанным значениям , выбирают тип демпфирующего диода, определяют мощность рассеяния на нем

- 37 -

Находят величину ограничительного резистора , определяют мощность рассеяния на нем , и выбирают по ГОСТ тип резистора.

Расчет ИМ на магнитных коммутаторах (МИМ) см. [10 и 20].

Далее переходят к расчету схемы подмодулятора, аналогичной схемам, применяемым в модуляторе с частичным разрядом. Следует при этом иметь в виду, что длительность импульса формирует сам модулятор, своей формирующей линией. Импульс подмодулятора служит для поджига тиратрона и его длительность не следует брать больше длительности импульса модулятора. Величину его длительности следует задать самостоятельно.

3.10. Методика расчета полосового фильтра.

Полосовые фильтры применяются в радиопередатчиках для выделения поддиапазонов как в тракте промежуточных каскадов, так и на выходе передатчиков, в частности, при однополосной модуляции.

Исходными данными для расчета являются:

1.Граничные частоты поддиапазонов и , а также наименьшая частота полосы задерживания , на которой должно обеспечиваться требуемое ослабление гармоники , т.е. .

2.Требуемое затухание в полосе задерживания , где —допустимая мощность излучения на гармонике 2 величина дБ (10⁴…10⁶ раз).

3.Неравномерность АЧХ в полосе пропускания 0.1...0.2.

4.Выходное сопротивление каскада слева от фильтра (выходного ГВВ,например).

Процедура расчета схемы следующая, на основе полиномов Чебышева.

Определяется коэффициент неравномерности АЧХ

Определяем полином Чебышева n-го порядка

Отсюда число элементов фильтра:

, где

Принимаем в большую сторону целого.

По таблицам нормализованных коэффициентов [5] определяют величины элементов L и С звеньев фильтра низкочастотного прототипа и

- 38 -

т.д., например, как на Рис.14, при n=5.

Переход от нормализованных параметров к низкочастотному фильтру осуществляется с помощью соотношений:

Преобразование низкочастотного фильтра с параметрами , в полосовой фильтр производится путем включения параллельно емкостям НЧ-фильтра индуктивностей, величина которых

и последовательно индуктивностям НЧ-фильтра емкостей, величина которых

Производим преобразование сопротивления нагрузки полосового фильтра в сопротивление входа следующего каскада или сопротивление фидера, с рассчитываемый каскад является оконечным, т.е. считаем, что

Тогда коэффициент трансформации фильтра будет составлять величину

Если m=1, то далее ничего менять в схеме фильтра не надо. Если , то индуктивности и изменяют свою величину по соотношению

а емкости и —по соотношению

Если m>1, то используют схему замещения, состоящую из трех П-образно включенных конденсаторов, величина которых определяется по соотношениям:

- 39 -

Для примера на Рис.14,это касается конденсатора, включенного последовательно с , и схема замещения имеет вид, Рис.15, где емкость включает себя емкость .

Схема преобразованного фильтра показана на Рис. 16.

3.11. Методика расчета коаксиальных резонаторов генераторов СВЧ на МКЛ.

Особенностью ГСВЧ на металло-керамических лампах (МКЛ) является то, что колебательные системы их выполняются в форме отрезков коаксиальных резонаторов—отрезков латунных труб, вставленных друг в друга и состыкованных с цилиндрическими или дисковыми выводами электродов лампы. Длина этих труб связана с длиной волны колебаний, которая может меняться путем применения закорачивающих трубы поршней. Известно, что закороченная на конце длинная линия представляет собой аналог параллельного колебательного контура, резонирующего на длине волны , где

l-длина линии и n= 1,2,3... ГСВЧ на МКЛ строятся обычно по двухконтурной схеме с общей сеткой, так что генератор имеет два коаксиальных резонатора: анодно-сеточный и катодно-сеточный. Методика расчета ГСВЧ аналогична методике по расчету ГВВ на лампе, в процессе которой получаются два параметра: напряжение первой гармоники на лампе и напряжение возбуждения на сетке , отношение которых составляет величину необходимого коэффициента обратной связи в ГСВЧ. Обеспечение требуемого в генераторе определяется соотношением:

- 40 -

, где и —реактивные сопротивления катодного и анод-

ного контуров на частоте генерации. В соответствии с правилами трехточки в такой схеме должен иметь емкостной, а —индуктивный характер сопротивления.

Приведем эскиз конструкции такого генератора, Рис.17.

На рисунке: С—вывод сетки, А—анода, К—катода, П—настроечные поршни, d с индексами—диаметры коаксиальных труб (внутренние и внешние), КС—катодно-сеточная линия, АС—анодно-сеточная.

Волновые сопротивления коаксиальных резонаторов-линий:

Геометрическая длина сеточно-катодной линии

где и - межэлектродные ёмкости лампы: анод-катод и сетка-катод соответственно.

Величина в расчете может оказаться очень малой и конструктивно не- приемлемой, тогда длину её надо увеличить на /2 (или более), т.е.

Соответственно для анодно-сеточной линии:

- 41 -

где -- по необходимости.

Далее делается поверка линий на электрическую прочность.

Максимальное значение напряжений, действующих между трубами катодно-сеточной линии:

анодно-сеточной линии:

Получаем значения напряженности электрических полей в линиях:

КС-линия

АС-линия ,

Допустимая напряженность поля для нормальных атмосферных условий:

Определяют коэффициент запаса по электрической прочности

Далее производят расчет вывода энергии.

Для индуктивного вида вывода энергии петлю связи помещают в область пучности тока и расстояние петли от короткозамкнутого конца линии определяется как

- 42 -

При необходимости

- напряжение на входе фидера нагрузки.

При емкостной связи вывод энергии помещают в пучность напряжения,

т.е.

Значение реактивного сопротивления петли связи (индуктивная связь) определяется как , где активное сопротивление, вносимое в резонатор, и —активное и реактивное сопротивления нагрузки. Для емкостной связи: .

Методика расчета ГВВ и ГСВЧ на металлокерамической лампе

Металлокерамические лампы используются в схемах Генераторов с внешним возбуждением, в передатчиках с непрерывным излучением и в схемах автогенераторов СВЧ пе-редатчиков с импульсным излучением. Диапазонность таких ламп рассмотрена в [1,20]. Приводимая здесь методика расcчета применима и для расчета схем ГВВ с лампами общего применения типа ГУ.

Исходными данными для проектирования и расчета схем ГВВ на лампах являются:

выбранный тип лампы (из расчетов структурной схемы), выходная мощность P₁ , рабочая частота f, справочные данные лампы.

Первым этапом проектирования является выбор схемы генератора. Сначала будем ориентироваться на схему ГВВ и расчет его электронного режима и элементов.

Обычными схемами ГВВ являются схемы с общим катодом и общей сеткой, которая чаще применяется в СВЧ диапазоне. Схемы таких ГВВ приведены на рис. 18.

- 43 -

На рисунках приведены схемы с автоматическим смещением на резисторах R1, с параллельным типом питания анодных цепей. На индуктивностях L1 выделяется входное высокочастотное напряжение возбуждения. Конденсатор С1 (б) заземляет сетку на корпус по ВЧ.

Сначала производится расчет электронного режима работы ГВВ.

Задается угол отсечки тока лампы Θ, оптимальным значением, которого является Θ Θ=70…120°. Для выбранного угла Θ определяют коэффициенты Берга a₁ и a₀. Выбирается величина E_a источника питания, близкая к типовому значению.Рассчитывается величина граничного коэффициента использования анодного напряжения схемы с ОК

Для схемы с общей сеткой (ОС) расчет производится по формуле:

В этих формулах: D-проницаемость лампы, S-крутизна входных характеристик лампы, S_гр- крутизна граничного режима.

Определяется амплитуда U_a₁- первой гармоники напряжения на лампе

U_a₁ = ξ_ос · Е_а

- 44 -

Амплитуда тока первой гармоники на лампе:

Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 74; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!