Выбор структурной схемы передатчика

 

Частотная модуляция может быть получена прямым способом, когда модулирующее напряжение подается непосредственно на управитель частоты, или косвенным, когда частотная модуляция получается через фазовую. Достоинство прямого способа - возможность получения глубокой и достаточно линейной частотной модуляции (ЧМ), недостаток - трудность обеспечения стабильности средней частоты колебания с ЧМ. Достоинство косвенного способа - высокая стабильность средней частоты, недостатки - неглубокая модуляция, трудность передачи низких модулирующих частот.

Заданный передатчик должен иметь девиацию частоты 6 кГц, минимальная частота информационного сигнала 20 Гц (передатчик связной), следовательно при использовании косвенного метода получения частотной модуляции необходимо обеспечить индекс фазовой модуляции , поэтому для получения заданной девиации частоты нужно использовать прямой метод получения модуляции.

 

Структурная схема передатчика с использованием прямого метода ЧМ

 

Такая структурная схема подходит для передатчиков работающих на одной заданной частоте. Т.к. заданный передатчик является диапазонным, то необходимо для его возбуждения использовать синтезатор сетки дискретных частот. При этом представляется возможным получить нестабильность средней частоты в пределах заданной (10^-5). Колебания обычного автогенератора сравниваются по частоте с эталонным и с помощью системы автоподстройки фиксируется частота.

Структурная схема передатчика с синтезатором частоты

 

 

ДПКД – делитель частоты с переменным коэффициентом деления.

ФД – фазовый детектор

ГУН –генератор управляемый напряжением

ЦС – цепь согласования

В данной схеме управление частотой осуществляется при помощи двух варикапов, на один из которых подается модулирующее напряжение, а на другой управляющее напряжение системы фазовой автоподстройки частоты. Использование двух варикапов объясняется тем, что изменение частоты от модулирующего напряжение мало по сравнению с диапазоном перестройки частоты управляющим сигналом ФАПЧ.

Расчет оконечного каскада

 

Для обеспечения приемлемого значения коэффициента полезного действия нужно использовать режим с отсечкой коллекторного тока. Для обеспечения оптимального соотношения КПД и коэффициента усиления по мощности выберем угол отсечки 90° (класс В). Наилучшим режимом по напряженности является граничный режим.

 

Выбор активного элемента

 

Так как заданный передатчик должен выдавать в нагрузку сравнительно небольшую мощность и его рабочий диапазон частот составляет 160-170 МГц, то целесообразно в качестве активного элемента оконечной ступени, выбрать биполярный транзистор.

Выбор транзистора для оконечной ступени заключается в поиске прибора, удовлетворяющего требованиям по рабочей частоте, выходной мощности, и кроме того имеющего параметры, обеспечивающие наилучший коэффициент полезного действия.

В нашем случае оконечный каскад передатчика должен обеспечить выходную мощность, с учетом КПД цепи согласования,

 

 Вт

 

следовательно, из числа наиболее распространенных, подходящими по рабочей частоте и мощности являются следующие транзисторы: 2Т920Б, 2Т922А, 2Т904А, 2Т907А, 2Т934Б, 2Т909А.

Наилучшим вариантом является транзистор 2Т920Б.

Параметры выбранного транзистора:

 

Параметр	Пояснение	Значение
rнас	Сопротивление насыщения	1 Ом
rб	Сопротивление базы	0,3 Ом
rэ	Сопротивление эмиттера	2 Ом
Rэу	Сопротивление утечки эмиттерного перехода	16 кОм
b0	Коэффициент передачи по току	40
fт	Частота единичного усиления	700 МГц
Ск	Барьерная ёмкость коллекторного перехода	15 пФ
Сэ	Барьерная ёмкость эмиттерного перехода	90 пФ
Lэ	Индуктивность вывода эмиттера транзистора	1.2 нГн
Lб	Индуктивность вывода базы транзистора	2.6 нГн
Uк доп	Предельно допустимое напряжение на коллекторе	36
Uбэ доп	Допустимое значение обратного напряжения на эмиттерном переходе	4 В
Iк макс доп	Допустимое значение постоянной составляющей коллекторного тока	2 А
	Диапазон рабочих частот	30..200 МГц
Кp	Коэффициент усиления по мощности	³6
h	Коэффициент полезного действия	>55%
Е¢к	Напряжение коллекторного питания при эксперименте	12.6 В
Схема включения с ОЭ
Класс B

 

Расчет коллекторной цепи

 

 следовательно, коэффициенты разложения косинусоидального импульса равны:

 

   

 

Требуемая колебательная мощность P₁=3.75 Вт

Напряжение питания E_к=12 В

Исходя из выше приведенных данных, проведем расчет коллекторной цепи.

 

Амплитуда напряжения на коллекторе:

 

U_к= ξ_ГРE_к

U_к=0.882×12=10.6 В

 

Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

 

=0.7 А

 

Постоянная составляющая коллекторного тока:

 

=0.45 А

 

Максимальная величина коллекторного тока:

 

=1.42 А

< =2 А,

 

Мощность, потребляемая от источника питания:

P₀=E_к I_к0=12×0.45=5.4 Вт

 

Коэффициент полезного действия

 

=0.7

 

Мощность, рассеиваемая на коллекторе

 

Р_к=Р₀-Р₁=5.4-3.75=1.7 Вт

 

Сопротивление коллекторной нагрузки

 

15 Ом

 

Расчет входной цепи

 

Для устранения перекосов импульсов коллекторного тока между коллектором и эмиттером ставится сопротивление R_доп

 

=101.7 Ом

 

Между базой и коллектором включается R_ос

 

=606.3 Ом

 

Коэффициент уменьшения коэффициента усиления по току:

 

,

c= =1.5

 

Амплитуда тока базы:

 

=0.52 А

 

Максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе:

=4.68 В

 

U_{бэ макс} > U_{бэ доп}=4 В, необходимо уменьшить сопротивление R_доп.

Возьмем R_доп=80 Ом, тогда U_бэмакс=3.53 В.

Постоянная составляющая базового тока:

 

=11 мА

 

Постоянная составляющая эмиттерного тока:

 

I_э0=I_ко+I_бо=0.45+0.011=0.46 А

 

Напряжение смещения на эмиттерном переходе

 

0.28 В,

 

Эквивалентная схема входного сопротивления транзистора:

 

3.4 нГн

С_ка=0.5С_к

=3.36 Ом,

65 Ом,

=0.14 нФ,

 

Резистивная и реактивная составляющие входного сопротивления:

 

4.04 Ом

-3 Ом

 

Входная мощность

 

=0.54 Вт

 

Коэффициент усиления по мощности

 

=7

Расчет цепи согласования

При расчете коллекторной цепи оконечного каскада получили сопротивление коллекторной нагрузки R_к=15 Ом. К такому сопротивлению необходимо трансформировать сопротивление фидера R_ф=50 Ом, который является нагрузкой разрабатываемого оконечного каскада.

Так как коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот передатчика K_f = =1.06<1.1, в качестве цепи согласования можно использовать простые Г, П, Т-образные четырехполюсники.

Выберем в качестве цепи согласования Г-образный четырехполюсник, т.к. он содержит минимальное количество элементов.

Произведем расчет Г-образной согласующей цепи с помощью программы RFSim99 и проанализируем ее в PSpice.

 

 

АЧХ цепи согласования

 

 

На второй гармонике нижней частоты рабочего диапазона (2×f_н=2×160=320 МГц) данная Г-образная цепь обеспечивает затухание 5 дБ, что не соответствует заданию, следовательно, необходимо после цепи согласования поставить фильтр нижних частот, обеспечивающий подавление гармоники хотя бы на 35 дБ.