Название: Устройства генерирования и формирования сигналов - учебное пособие (Г.А. Дегтярь)

Жанр: Технические

Просмотров: 1042


2.  расчет структурной схемы радиопередатчика

 

Исходными данными для расчета структурной схемы радиопередатчика являются мощность в полезной нагрузке P~Н и рабочая частота f (диапазон рабочих частот fМИН–fМАКС).

Расчет (разработка) структурной схемы радиопередатчика начинается с выходного каскада, так как именно к нему относятся заданная мощность P~Н и рабочая частота  f. Выходной каскад радиопередатчика, как правило, представляет собой усилитель мощности.

При разработке структурной схемы радиопередатчика необходимо выбрать для каждого каскада активный элемент (лампу или транзистор)1 и схему его включения (общий катод, общая сетка, общий эмиттер, общая база).

Очевидно, номинальная (паспортная) колебательная (выходная) мощность активного элемента должна быть в общем случае не меньше необходимой мощности в полезной нагрузке P~Н2. Так как полезная нагрузка подключается к активному элементу через согласующую цепь, в которой неппременно присутствуют сопротивления собственных потерь, обусловливающие потери полезной мощности, то активный элемент для выходного каскада должен выбираться с учетом этих потерь. Потери мощности в цепи согласования учитываются КПД цепи согласования ηЦС (либо КПД контура ηК, когда цепь согласования эквивалентна колебательному контуру). В выходном каскаде, как самом мощном, стараются реализовать ηЦС как можно большей величины. Реально достижимые значения ηЦС зависят от рабочей частоты, мощности каскада и обычно находятся в пределах 0,8…0,953. Поэтому при разработке структурной схемы радиопередатчика для цепи согласования выходного каскада следует принимать значение ηЦС в указанных выше пределах. Таким образом, с учетом потерь мощности в выходной цепи согласования активного элемента выходной каскад должен развивать колебательную мощность

.

Если полезная нагрузка присоединяется к цепи согласования с помощью фидера, то необходимо также учесть потери мощности в фидере через КПД фидера ηФ. В этом случае

,

где  – колебательная мощность, требуемая от активного элемента выходного каскада  (ВК) радиопередатчика.

Сразу обратим внимание, что в последующем расчет режима активного элемента выходного каскада производится исходя из этой мощности, в том числе и с учетом проходной мощности от источника возбуждения.

Активный элемент (АЭ) для выходного каскада выбирается на мощность из условия

,

––––––––––––––––––––––––––

1  Электронные лампы и биполярные транзисторы наиболее широко используются при построении радиопередатчиков. В отдельных случаях возможно применение полевых транзисторов. На СВЧ в выходных каскадах часто используют специальные приборы СВЧ, например, ЛБВ, клистроны и др.

 

2  В ламповом генераторе с общей сеткой (ОС), а также в генераторе на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером (ОЭ) в нагрузке активного элемента появляется дополнительная мощность, проходящая от источника возбуждения за счёт внутренних связей между входной и выходной цепями генератора. Природа этих связей в ламповом генераторе с ОС и в транзисторном генераторе с ОЭ разная, но при разработке структурной схемы радиопередатчика этот факт и наличие проходной мощности обычно не учитываются. Поэтому и мы исключим его далее из рассмотрения.

3  При выполнении курсовой работы студент обязан работать со специальной литературой, рекомендованной преподавателем, и обязан делать по тексту работы конкретные ссылки на использованные источники при обосновании выбора значения соответствующего параметра, например ηЦС

 

где kПЗ – коэффициент производственного запаса. Рекомендуется выбирать в пределах 1,05…1,1. Чем больше значение kПЗ, тем более мощный потребуется элемент, что в ряде случаев затруднит его выбор (не окажется элемента с требуемой мощностью); k – коэффициент, зависящий от вида модуляции: при частотной и фазовой модуляции k = 1; при амплитудной модуляции с коэффициентом модуляции m коэффициент k = (1 + m)2 при выборе биполярного транзистора и при выборе лампы для генератора с сеточной модуляцией и модуляцией на защитную (третью) сетку; k = (1 + m) при выборе лампы для генератора с анодной модуляцией4.

Не следует выбирать транзистор на мощность в 2 и более раз превышающую требуемую для выходного каскада, так как в этом случае коэффициент усиления каскада по мощности и КПД коллекторной цепи существенно падают [1]. Если мощность транзистора превышает требуемую на 40 \% и более, то целесообразно снижать напряжение питания коллектора по сравнению с номинальным (паспортным) значением.

Рабочая частота активного элемента: лампы или транзистора – не должна быть меньше требуемой рабочей частоты генератора. При этом не следует выбирать более высокочастотный генераторный прибор (лампу или транзистор) чем требуется по рабочей частоте генератора, так как могут быть практически непреодолимые трудности в реализации схемы и конструкции генератора. Например, к лампе с цилиндрическими или дисковыми выводами электродов, предназначенной для работы на СВЧ, невозможно удобно присоединить сосредоточенные элементы цепей согласования и питания: конденсаторы, катушки индуктивности, дроссели. В случае транзисторных генераторов при одной и той же нижней рабочей частоте вероятность самовозбуждения генератора возрастает при использовании более высокочастотного транзистора. Кроме того, у ряда транзисторов в корпусе вместе с полупроводниковой структурой изготавливаются емкостные элементы, которые будут входить в цепи согласования, подключаемые к транзистору извне, но которые не позволят сконструировать цепи согласования на относительно низкой частоте, когда сопротивления внутренних емкостей в корпусе транзистора оказываются большими.

В справочниках по генераторным транзисторам часто указывают интервал рабочих частот, рекомендуемых для данного типа транзисторов. Нижняя рабочая частота обычно рекомендуется не ниже 20…30 \% от граничной рабочей частоты транзистора fГР, а верхняя близка к fГР при включении транзистора по схеме с общим эмиттером и достигает 2…3fГР при включении транзистора по схеме с общей базой. На нижней рабочей частоте указанного интервала для каждой схемы включения транзистора максимальная выходная мощность может приблизительно в 2 раза превышать мощность на верхней частотной границе [1].

Усилитель мощности на биполярном транзисторе при включении по схеме с общей базой чаще всего используется на частотах, начиная с 1 ГГц и выше [1].

После того как выбраны активный элемент и схемы включения его в выходном каскаде, осуществляется выбор активного элемента и схема его включения для предвыходного каскада. Обратим внимание, что в выходном каскаде, а при необходимости и в предвыходном каскаде может быть использовано параллельное или двухтактное включение активных элементов, либо использован мостовой принцип сложения мощностей. Параллельное, двухтактное включения активных элементов и мостовые схемы в основном используются, когда не удается подобрать одиночный активный элемент, способный обеспечить требуемую мощность генератора.

–––––––––––––––––––––

4  В отдельных случаях ламповых генераторов возможны отклонения от указанных значений k = (1+m)2 при сеточной модуляции и k = (1+m) при анодной модуляции в меньшую сторону при выборе лампы с активированным катодом. При анодной модуляции в случае мощных ламп, у которых номинальное (паспортное) значение напряжения питания анода превышает (10…12) кВ, принимают k > (1 + m).

 

5  Определение возможного значения  КР  в схеме транзисторного усилителя мощности рассматривается в п. 4.

 

6  Если лампа оказывается работающей без сеточного тока, то в схеме с общим катодом в этом случае  и говорят о генераторе – усилителе напряжения, а не усилителе мощности. В схеме с общей сеткой КР  меньше, чем в схеме с общим катодом, и всегда имеет конечное значение. Генераторы на биполярных транзисторах всегда являются усилителями мощности, так как базовый и коллекторный токи существуют одновременно.

 

Чтобы выбрать активный  элемент для предвыходного каскада, необходимо принять, исходя из имеющегося опыта, обобщенного в литературе по проектированию радиопередающих устройств, ожидаемый коэффициент усиления по мощности выходного каскада КР. У мощных генераторов на биполярных транзисторах значение КР обычно не превышает 5…10 при условии практически полного использования выходной мощности транзистора5. В ламповых генераторах значение КР зависит от типа лампы: триод, тетрод, пентод (большие значения КР у пентодов и тетродов), вида модуляции и ряда других факторов и в мощных каскадах не превышает несколько десятков6.

Приняв значение коэффициента усиления по мощности для выходного каскада КР ВК, определяют мощность, которую должен развивать предвыходной каскад (ПВК)

.

Исходя из найденной мощности и рабочей частоты предвыходного каскада выбирается для него подходящий активный элемент, как это делалось для выходного каскада.

Номинальная (паспортная) колебательная (выходная) мощность активного элемента для предвыходного каскада должна удовлетворять условию

.

Учитывая приближенность принятого значения КР ВК, при выборе активного элемента для предвыходного каскада не вводят специально запас на потери мощности в цепи согласования (в контуре) предвыходного каскада и производственный запас.

Выбрав активный элемент и схему его включения, принимают ожидаемое значение коэффициента усиления по мощности для предвыходного каскада КР ПВК.

Соответственно мощность, развиваемая каскадом, стоящим перед предвыходным (назовем его пред предвыходным каскадом – ППВК),

.

Аналогичным путем определяется мощность каскада, предшествующего предвыходному каскаду, и т.д. Активный элемент для каждого каскада выбирается из условия, чтобы номинальная (паспортная) колебательная (выходная) мощность элемента была не меньше требуемой от каскада мощности.

Как только требуемая от каскада мощность оказывается порядка 0,01 \% от мощности выходного каскада, то принимается, что такая мощность будет обеспечена возбудителем, определяющим рабочую частоту передатчика, а иногда и основные параметры модуляции.

Часто в радиопередатчиках один и более каскадов работают в режиме умножения частоты. В ламповых и транзисторных умножителях частоты ожидаемый коэффициент усиления (также носит название коэффициента передачи) по мощности, примерно в n раз, где n – кратность умножения частоты, меньше, чем в усилителе мощности на таком же активном элементе. При использовании умножителей частоты на специальных приборах, в частности варакторах, ДНЗ (диодах с накоплением заряда), возможное значение коэффициента передачи по мощности при интересующем значении n следует взять из соответствующих литературных источников по проектированию радиопередающих устройств (см., например, [1, 2, 3]).

Мощность умножителя частоты меньше, чем мощность усилителя мощности, поэтому умножители частоты, за редким исключением в диапазоне СВЧ, используются в качестве промежуточных каскадов передатчика, т.е. каскадов, устанавливаемых между выходным каскадом и возбудителем. Применение умножителей частоты позволяет повысить устойчивость работы многокаскадного передатчика, так как у умножителя частоты выходная и входная частоты различаются как минимум в два раза (n = 2)7. Поэтому если по схеме требуется применение умножителей частоты, то следует чередовать усилительные каскады и умножители частоты в многокаскадных устройствах. Применение умножителей частоты позволяет понизить рабочую частоту возбудителя, в простейшем случае представляющего, например, автогенератор стабильных высокочастотных колебаний, или расширить рабочий диапазон частот передатчика при использовании имеющегося возбудителя. Например, пусть имеется возбудитель, обеспечивающий колебания в диапазоне частот 3…6 МГц. Применяя один каскад удвоения частоты, с помощью такого возбудителя можно обеспечить работу передатчика в диапазоне частот 3…12 МГц (в интервале частот 3…6 МГц вместо умножителя частоты используется усилитель, а для получения частот в интервале 6…12 МГц – двоитель частоты).

На рис. 2.1 представлен обобщенный пример структурной схемы высокочастотного тракта многокаскадного передатчика. В общем случае в схему рис. 2.1 должны быть добавлены каскады формирования модулирующего сигнала (модуляционное устройство). Отдельные виды модуляции осуществляются непосредственно в возбудителе.

––––––––––––––––––––––––––

7  Наиболее часто используемые значения n = 2 или n = 3. В умножителях на специальных приборах достижимы значения n = 8…10.

По подобной схеме строится практически любой радиопередатчик, в том числе и при использовании специальных приборов СВЧ (как правило, в выходном и, возможно, в предвыходном каскадах) и полевых транзисторов. Разработка структурной схемы радиопередатчика при использовании любых генераторных приборов производится аналогично рассмотренному подходу.

За более подробной информацией по разработке структурной схемы радиопередатчика следует обратиться к специальной литературе, например [1, 2].

7