ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования  «Санкт-Петербургский государственный  университет 

аэрокосмического  приборостроения» 
 

Кафедра 
 
 

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине:

«Устройства генерации и формирования сигналов»

На тему: «Транзисторный передатчик с частотной  модуляцией»  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Работу выполнил                                                                  студент 6 курса

Факультета  № 10

Машедо Александр Андреевич

Серебристый бульвар 29/2 кв.472

группа  № z2221

студ. билет № 2007/1880

работа  сдана 
 
 
 
 
 

Работу проверил                                                                  Фамилия преподавателя 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт - Петербург

2007 год 
 

Содержание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1. Исходные данные:

 

мощность в  фидере 6 Вт,

частота  350 МГц,

девиация частоты 10 кГц,

полоса частот модуляции 300...3400 Гц,

отн. нестабильность частоты 10^-6,

нелинейные искажения < 5%,

сопротивление антенны 50 Ом,

рабочая температура 0..40 гр. С.

    2. Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов.

 

ЦС –  цепь согласования

ТУК –  транзисторный усилительный каскад

УЧх3 –  умножитель частоты на три

УЧх2 –  умножитель частоты на два

ЧМКГ  – частотно-модулируемый кварцевый генератор

    3. Введение.

 

      Исходными данными для расчета являются:

f = 430 МГц – рабочая частота или диапазон частот передатчика.

P = 5 Вт - полезная мощность (мощность в фидере)

= 10^-6 - относительная нестабильность частоты.

      Разработка  функциональной схемы начинается с оконечного каскада, постепенно передвигаясь к возбудителю.

      Транзистор  выходного каскады выбирается  по заданной центральной частоте  в центре спектра ЧМ сигнала и по мощности с учетом КПД выходной цепи согласования.

      КПД цепей межкаскадного согласования составляет 0,8 – 0,9. С уменьшением выходной мощности каскада требование к КПД снижается. Выходная мощность каждого из остальных каскадов равна:

      По  полученной мощности и заданной частоте  выбирается транзистор данного каскада. Продвижение составления  структурной схемы передатчика будет ограничено схемой возбудителя передатчика. Учитывая, что заданная нестабильность частоты равна , необходима кварцевая стабилизация частоты автогенератора. Коэффициент усиления всего тракта передатчика, с условием заданной мощности в антенне (Ра = 5 Вт) и мощности на выходе генератора (около 1 мВт) приблизительно равен

37  дБ

      Кварц необходимо возбуждать на первой гармонике, так как на более высоких гармониках управление частотой кварцевого резонатора менее эффективно. Генератор выдает примерно 20МГц, на выходе передатчика должно быть 430МГц. Поэтому передатчик должен содержать три утроителя частоты.

      Также схема должна содержать цепи согласования, которые обеспечивают :

-Трансформацию активной составляющей сопротивления потребителя Rп в требуемое для работы активного элемента в выбранном режиме сопротивление нагрузки Rн. Сопротивление должно трансформироваться в полосе частот, определяемой шириной спектра передаваемого колебания или диапазоном перестройки передатчика.

      Необходимую форму тока в сопротивлении потребителя.

Форму напряжения на выходном электроде активного  элемента  (АЭ) в соответствии с  выбранном режимом работы.

Малые потери в элементах цепей согласования (ЦС).

      Возможность перестройки и регулировки параметров ЦС при смене рабочей частоты  или изменении параметров ЦС или АЭ.

    4. Выбор структурной схемы.

 

      На  основании предварительной оценки структуру передатчика можно  представить следующим образом: 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис 1. Структурная схема передатчика. 
 
 
 
 

ЦС –  цепь согласования

ТУК –  транзисторный усилительный каскад

УЧх3 –  умножитель частоты на три

УЧх2 –  умножитель частоты на два

ЧМКГ  – частотно-модулируемый кварцевый  генератор антенна

 

    

    5. Расчет каскадов передатчика.

    5.1. Расчет транзисторного усилителя мощности.

 

В формулах индуктивности выводов необходимо подставлять в нГ, емкости переходов  – в пф, частоту – в МГц.

Исходные  данные приведены в пункте 1.

1. Коэффициент использования транзистора по коллекторному напряжению в граничном режиме: , где P_Г = (0,75-0,9)P₁=; S_гр = 15*Р₁/E_k
2. Амплитуда напряжения эквивалентного генератора (ЭГ):
3. Амплитуда тока первой гармоники (ЭГ):
4. Пиковое значение на коллекторе транзистора не должно превышать допустимое:
5. Сопротивление нагрузки ЭГ:
6. Крутизна по переходу:
7. Сопротивление рекомбинации не основных носителей в базе:
8. Крутизна статической характеристики:
9. Угол отсечки
10. Коэффициенты разложения для нулевой и первой гармонических составляющих:   
11. Пиковое обратное напряжение на эмиттерном переходе:
12. Управляющий ток: , где - время пролета не основных носителей.
13. Ток эмиттера:
14. Напряжение на сопротивлении r_э c учетом индуктивности L_э:
15. Первая гармоника напряжения на переходе:
16. Напряжение на активной емкости коллекторного перехода (С_ка) :
17. Ток через емкость С_ка:
18. Ток через сопротивление r_б:
19. Напряжение на r_б:
20. Напряжение на с_kп – пассивной емкости коллекторного перехода:
21. Ток через с_kп:
22. Сопротивление потерь коллектора r_k, приведенное к параллельному эквиваленту относительно пассивной емкости коллекторного перехода:
23. Ток источника возбуждения транзистора:
24. Напряжение на индуктивности вывода базы:
25. Напряжение возбуждения транзистора:
26. Первая гармоника тока коллектора:
27. Амплитуда напряжения на нагрузке:
28. Входное сопротивление для первой гармоники:
29. Мощность возбуждения:
30. Мощность в нагрузке:
31. Постоянная составляющая тока коллектора:
32. Потребляемая мощность:
33. Коэффициент полезного действия:
34. Коэффициент усиления по мощности:
35. Допустимая мощность рассеивания транзистора: , где t_ндоп , t_k – допустимая температура перехода и температура корпуса транзистора соответственно; R_пк – тепловое сопротивление перехода – корпус транзистора (⁰С/Вт).
36. Мощность, рассеиваемая в транзисторе, не должна превышать допустимую:
37. Сопротивление нагрузки на внешних выводах транзистора:

 

Расчет каскадов производился, начиная с выходного каскада при помощи программ gww.exe и gww_m.exe.  

    5.2. Расчет УЧх2.

 

     Умножители  частоты на мощных СВЧ биполярных транзисторах, эффект умножения в  которых  основан на нелинейной характеристики транзистора (за счет отсечки тока), работает в диапазоне частот от 100 МГц до 1Ггц. На этих частотах необходимо учитывать емкость выводов закрытого эмиттерного перехода и потери в материале коллектора.

     Мощные  СВЧ-транзисторы обеспечивают выходную мощность от 0,1 Вт до 2 Вт при умножении  на 2 и от 0,01 до 0,1 Вт при умножении  на 3. Коэффициент полезного действия их невелик и составляет (25-40)% .

     Вследствие  обратной связи через емкость  коллекторного перехода C_К транзисторный умножитель частоты, выполненный по съеме с ОЭ, имеет низкие энергетические показатели. Обратная связь через С_К приводит к ухудшению коэффициента формы импульса коллекторного тока, а следовательно,  и к уменьшению коэффициента полезного действия.

     При включении транзистора по схеме  с ОБ обратная связь через С_К отсутствует и выходное напряжение не влияет на форму выходного тока.

     Поэтому целесообразно в качестве мощных умножителей брать умножители, собранные по схеме с ОБ.  

     Исходными данными являются:

     1) Выходная емкость Р_ВЫХ

     2) Коэффициент умножения  n

     3) Угол отсечки коллекторного тока q

     4) Частота на входе умножителя f 

     Порядок расчета умножителя следующий:

1. Угол отсечки тока коллектора q при умножении на 2 выбирается 60⁰, а на 3 -  40⁰_.
2. Коэффициенты гармоник a₀, a₁, a_n,g₀, g₁, g_n,

 

g₀=(sinq-qcosq)/p;  g₁=( q-sinqcosq)/p;

g₂=2(sinq)³/3p; g₃=g₂cosq;  a_n=g_n/(1-cosq), n=0,1,2… 
 

3. Сопротивление потерь коллектора r_К приводит к параллельному эквиваленту относительно выхода транзистора

     r`_К=1/[(2pfnc_К)² r_К]

4. Коэффициент использования транзистора по напряжению источника питания

где S_КР – крутизна линии критического режима

       E_П – напряжение источника питания

5. Напряжение n-й гармоники коллекторного   напряжения U_nk = x_КРE_П

Необходимо  проверить выполнения условия E_П + U_nk < U_кэ.доп

6. Амплитуда n-й гармоники коллекторного тока I_kn= -P_ВЫХ/U_kn
7. Сопротивление нагрузки относительно коллекторного перехода

R_kn=U_kn/I_kn, R_kn< r`_К

8. Амплитуда n-й гармоники тока эквивалентного генератора

I_ГЭ=I_kn(1+R_kn/r`_k)

9. Амплитуда импульса тока коллектора

I_{k max} = I_rn/a_n(q); I_{k max}<I_кр

10. Постоянная составляющая коллекторного тока

I_{k 0} = a_n(q)/I_{k max}

11. Амплитуда тока эмиттера

где f_Т – граничная частота в схеме с ОЭ

12. Коэффициент усиления тока