Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Р. Е. АЛЕКСЕЕВА»
Институт ядерной энергетики и технической физики
Кафедра «Физика и техника оптической связи»
Передатчик метрологической службы
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту по дисциплине
«Радиопередающий устройства»
Руководитель:
________________
(подпись)
______Белов Ю.Г..____
(фамилия и.о.)
Студент
________________
(подпись)
_____ ___
(фамилия и.о.)
________19-Рз________
(шифр группы)
Работа защищена
_______________________
(дата)
с оценкой
_______________________
Нижний Новгород
2023
Оглавление
Техническое задание .............................................................................................. 4
1 Введение ............................................................................................................... 5
2 Технические требования ..................................................................................... 6
3 Расчет входного сопротивления антенны ......................................................... 8
4 Построение структурной схемы передатчика .................................................. 8
5 Расчет выходного усилителя ............................................................................ 14
5.1 Расчет коллекторной цепи транзистораОшибка!
Закладка
не
определена.
5.2 Расчет входной цепи транзистора ... Ошибка! Закладка не определена.
6 Расчет выходной колебательной системыОшибка!
определена.
Закладка
не
7 Расчет предварительного усилителя...... Ошибка! Закладка не определена.
7.1 Результаты расчета коллекторной цепи транзистора .............. Ошибка!
Закладка не определена.
7.2 Результаты расчета входной цепи транзистораОшибка! Закладка не
определена.
8 Расчет межкаскадной цепи согласованияОшибка!
определена.
Закладка
не
9 Расчет кварцевого автогенератора ......... Ошибка! Закладка не определена.
10 Расчет цепей питания высокочастотных каскадов передатчика ....Ошибка!
Закладка не определена.
10.1 Расчет элементов цепей питания каскадов усилителя мощности
............................................................................................. Ошибка! Закладка не определена.
10.2 Расчёт цепи питания кварцевого автогенератораОшибка! Закладка
не определена.
11 Конструктивный расчет катушки индуктивности ВКСОшибка! Закладка
не определена.
12 Расчет промышленного коэффициента полезного действия передатчика
................................................................................. Ошибка! Закладка не определена.
13 Расчёт надёжности передатчика .......... Ошибка! Закладка не определена.
14 Разработка системы управления, блокировки и сигнализации передатчика
................................................................................. Ошибка! Закладка не определена.
15 Порядок включения, выключения и работы с передатчиком .........Ошибка!
Закладка не определена.
КП-НГТУ-11.03.01-(19-Рз)-13-23-ПЗ
16 Заключение .............................................
Ошибка! Закладка не определена.
Список литературы ..................................... Ошибка! Закладка
определена.
Лит. неМасса
Масштаб
Изм. Лист
№ докум.
Разраб.
Козин
Провер.
Белов
Т. Контр.
Реценз.
Н. Контр.
Утверд.
Подпись Дата
Передатчик
метрологической
службы
Пояснительная записка
У
Лис
т
2
Листов
63
Кафедра «ФТОС»
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП-НГТУ-11.03.01-(19-Рз)-13-23-ПЗ
3
Техническое задание
Спроектировать передатчик метрологической службы со следующими
параметрами:
- рабочая частота – 27,5…28 МГц;
- мощность в нагрузке –50 Вт;
- нагрузка – антенна штыревая несимметричная (по выбору).
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП-НГТУ-11.03.01-(19-Рз)-13-23-ПЗ
4
1 Введение
Радиопередатчик — электронное устройство для формирования
радиочастотного
сигнала,
подлежащего
излучению.
Радиопередатчик
генерирует радиосигнал, который с помощью фидера подводится к
передающей антенне, которая, в свою очередь, излучает радиоволны.
Радиосигналом называют колебание радиочастоты, один или несколько
параметров которого изменяются в соответствии с законом передаваемого
сообщения. В проектируемом передатчике используется однополосная
модуляция (single-sidebandmodulation, SSB).
Основные достоинства SSB-связи заключаются в следующем:
– на этих частотах, которые близко примыкают к диапазону ОВЧ, слабо
проявляются атмосферные и промышленные помехи, которые весьма
существенны на более низких частотах;
– дальность связи между двумя абонентами при работе земной волной
может достигать 200÷300 км без использования ретрансляторов при
небольшой мощности передатчиков (порядка нескольких ватт);
– на указанных дальностях не оказывают влияния ионосферные волны,
действие которых приводит к явлению замирания, являющимся серьезной
проблемой в дальней ДКМВ-связи;
– технические средства для организации SSB – недороги, что приводит
к невысокой стоимости SSB-связи (фактически она определяется только
стоимостью абонентских радиостанций).
В настоящей пояснительной записке к проекту на основании
технического задания производится разработка передатчика метрологической
службы. В ней составлены технические требования на передатчик, построена
его структурная схема, произведен электрический расчет ряда каскадов,
определены важнейшие характеристики передатчика (промышленный КПД,
надежность),
разработаны
принципиальная
электрическая
схема
и
конструкция передатчика.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП-НГТУ-11.03.01-(19-Рз)-13-23-ПЗ
5
2 Технические требования
Технические требования на передатчики с выходной мощностью от 0,5
до 150 Вт, работающие в диапазоне от 1,6 до 30 МГц, предназначенные для
использования в фиксированной и наземной службах радиотелефонной связи
возможных
отраслей
народного
хозяйства,
определяются
согласно
ГОСТ 22579-86. В соответствии с данным документом предъявляем к
проектируемому устройству следующие требования:
1)
передатчик метрологической службыв;
2)
рабочая частота, МГц:
3)
класс излучения - однополосная модуляция с подавленной
27,5…28;
несущей (J3E)
4)
нагрузка – антенна штыревая несимметричная (по выбору) LA=5 м.
5)
мощность, подводимая к антенне, Вт:
6)
неравномерность
амплитудно-частотной
50;
модуляционной
характеристики передатчика, дБ, не более:
-3;
7)
уровень взаимной модуляции передатчика, дБ, не более:
-25;
8)
уровень несущей передатчика, дБ, не более:
-40;
9)
уровень нижней боковой полосы
передатчика, дБ, не более:
-40;
10)
уровень побочных излучений передатчика, дБ, не более:
-40;
11)
отклонение частоты от номинального
значения, Гц, не более:
12)
50;
допустимое отклонение пиковой мощности передатчика от его
номинального значения, дБ:
13)
диапазон
звуковых частот передаваемого информационного
сигнала, Гц:
14)
-3;
300-3400;
в радиостанции должны быть предусмотрены устройства,
предотвращающие перегрузку высокочастотного тракта передатчика;
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП-НГТУ-11.03.01-(19-Рз)-13-23-ПЗ
6
15)
обрыв антенны или замыкание ее на корпус не должны приводить
к повреждению передатчика при его работе;
16)
по требованиям к разборчивости речи радиостанции должны
соответствовать ГОСТ 16600-72 (Передача речи по трактам радиотелефонной
связи. Требования к разборчивости речи и методы артикуляционных
измерений);
17)
масса передатчика с источником питания должна быть, кг, не
более:
2;
18)
радиостанция
устойчивости
к
должна
механическим
соответствовать
и
требованиям
климатическим
по
воздействиям,
установленным в ГОСТ 16019-78 (Радиостанции сухопутной подвижной
службы. Требования по устойчивости к механическим и климатическим
воздействиям и методы испытаний);
19)
наработка на отказ передатчика, не менее
20)
в
радиостанции
должна
быть
2000 ч;
предусмотрена
защита
от
повреждения при неправильном включении полярности электропитания;
21)
занимаемая ширина полосы пропускания передатчика на уровне
-6 дБ, кГц:
22)
3,1;
источник
питания:
аккумуляторная
батарея
с
номинальным
напряжением 24 В (-10-+15%).
23)
передатчик должен соответствовать требованиям к надежности по
ГОСТ 17676-81.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП-НГТУ-11.03.01-(19-Рз)-13-23-ПЗ
7
3 Расчет входного сопротивления антенны
Расчет входного сопротивления штыревой антенны производим
согласно методике, изложенной в [1].
Диапазон частот передатчика 27,5…28 МГц (27,75 МГц средняя
частота диапазона). Сравним заданную длину антенны с длиной волны, на
которой должен работать передатчик.
Согласно формуле:
λ(м) = 300/𝑓(МГц)
находим, что заданной рабочей частоте соответствует длина волны 10,81
м. Выберем длину антенны равной ¼ длины волны, т.е. lА=2,7 м. Видим, что
длина антенны значительно меньше длины волны передатчика (𝐿А < λ),
поэтому расчет входного сопротивления будем производить по формулам:
𝑅𝐴 = 𝑊 ∙
𝑠ℎ(2𝛼𝑙𝐴 ) − (𝛼/𝛽)sin(2𝛽𝑙𝐴 )
𝑐ℎ(2𝛼𝑙𝐴 ) − cos(2𝛽𝑙𝐴 )
𝑋𝐴 = −𝑊 ∙
где: 𝑘 =
2𝜋
𝜆
=
𝛼𝑙𝐴 =
6,28
10,81
𝑠𝑖𝑛(2𝛽𝑙𝐴 ) + (𝛼/𝛽)𝑠ℎ(2𝛼𝑙𝐴 )
𝑐ℎ(2𝛼𝑙𝐴 ) − cos(2𝛽𝑙𝐴 )
= 0,581 (1/м),
𝑅∑
𝑊 ∙ 𝑙𝐴 (1 −
sin(2𝛽𝑙𝐴 )
2𝛽𝑙𝐴
)
=
72,91
𝑊 ∙ 2,7 (1 −
sin(2∙0,581∙2,7)
2∙0,581∙2,7
= 0,073
)
𝛽𝑙𝐴 = (𝑘𝑙𝐴 )𝛽̃, для тонких вибраторов 𝛽̃ = 1.
𝑅∑ = 30{2[𝐶 + ln(2𝑘𝑙𝐴 ) − Ci(2𝑘𝑙𝐴 )] + cos(2𝑘𝑙𝐴 ) [𝐶 + ln(𝑘𝑙𝐴 ) + Ci(4𝑘𝑙𝐴 ) −
2Ci(2𝑘𝑙𝐴 )]+ sin(2𝑘𝑙𝐴 ) [Si(4𝑘𝑙𝐴 ) − 2Si(2𝑘𝑙𝐴 )]},
где 𝐶 ≈ 0,5772 – постоянная Эйлера.
Подставляя все значения получаем 𝑅∑ = 72,91 Ом
1
1
𝑅∑нс = 𝑅∑ = ∙ 72,91 = 36,46 Ом
2
2
Волновое сопротивление антенны определяется по формуле:
𝑊 = 60 (𝑙𝑛
𝑙𝐴
2,7
− 1) = 60 (𝑙𝑛
− 1) = 209,99 Ом
𝑎
0,03
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП-НГТУ-11.03.01-(19-Рз)-13-23-ПЗ
8
а – радиус вибратора. Из соображений жесткости антенны выбираем радиус
вибратора а = 30 мм.
Расчет остальных параметров:
Получим: 𝑅𝐴 = 26,87 Ом, 𝑋𝐴 = −1,13 Ом .
Как видно из расчета входное сопротивление антенны является
комплексным и имеет емкостной характер. Это говорит о том, что в выходной
колебательной системе необходимо применить «удлиняющую» катушку с
целью компенсации емкостной составляющей входного сопротивления
антенны.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП-НГТУ-11.03.01-(19-Рз)-13-23-ПЗ
9
4 Построение структурной схемы передатчика
Для получения однополосной модуляции (ОМ) можно применить [2] три
способа:
1)
фильтровой;
2)
фазо-компенсационный;
3)
фазо-фильтровой.
Выбираем фильтровой способ получения однополосной модуляции в
передатчике исходя из того, что он наиболее прост в технической реализации
и позволяет достичь необходимого качества однополосной модуляции.
В передатчике применим схему формирования ОМ с двукратным
преобразованием частоты. Это позволит обеспечить заданный уровень
подавления несущей и второй боковой полосы. В качестве фильтра на первом
этапе преобразования применим электромеханический фильтр (ЭМФ).
После первого балансного модулятора спектр сообщения переместится
с диапазона частот 0,3…3,4 кГц на частоты верхней боковой полосы
500,3…503,4 кГц и нижней боковой полосы 496,6…499,7 кГц. При помощи
ЭМФ подавляем частоту поднесущей 500 кГц и нижнюю боковую полосу.
Балансная схема модулятора позволяет подавлять несущую на 20…30 дБ. На
второй балансный модулятор поступит практически только одна боковая
полоса, сигналом которой будет промодулировано несущее колебание. После
второго балансного модулятора боковые полосы частот будут разделены
полосой частот 1000,6 кГц. Это позволит выделить одну полосу частот
(верхнюю) с помощью обычного LC-контура в составе резонансного
усилителя.
Согласно ТЗ передатчик будет работать в диапазоне частот, поэтому в
качестве источника несущего колебания применим синтезатор частоты. Он
позволит реализовать необходимую точность установки и стабильность
частоты передатчика. В качестве генератора поднесущей 500 кГц используем
кварцевый автогенератор.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП-НГТУ-11.03.01-(19-Рз)-13-23-ПЗ
10
Для получения заданной мощности применим классический каскадный
метод усиления мощности. В качестве оконечного и предоконечного
усилителей можно применить однотактные транзисторные усилители, так как
мощность передатчика сравнительно мала.
Для подавления высших гармоник на выходе передатчика применим
полосовой фильтр. Для согласования сопротивления антенны с выходным
сопротивлением полосового фильтра используем антенно-согласующее
устройство (АСУ). В его составе должен быть элемент, компенсирующий
емкостную составляющую входного сопротивления антенны.
Исходя из вышеизложенного рассчитаем основные характеристики
элементов структурной схемы.
В данном передатчике используется антенна, имеющая большую
емкостную
составляющую
входного
сопротивления
XA.
Применение
удлинительной катушки приведет к дополнительным потерям. Коэффициент
полезного действия АСУ найдем с учетом потерь в удлинительной катушке.
Он не будет превышать значение [1]:
𝜂АСУ ≤
𝑅𝐴
|𝑋 |
𝑅𝐴 + 𝐴
,
𝑄𝐿
где 𝑄𝐿 − добротность удлиняющей катушки. В ДКМВ диапазоне можно
принять 𝑄𝐿 = 100;
𝑅𝐴 =26,87 Ом – активная составляющая входного сопротивления
антенны;
𝑋𝐴 =1,13 Ом – реактивная составляющая входного сопротивления
антенны.
𝜂АСУ ≤
26,87
26,87 +
1,13 = 0,999.
100
Принимаем 𝜂АСУ = 0,99. Полосовые фильтры ДКМВ диапазона
обладают коэффициентом полезного действия (𝜂ПФ ) в пределах 0,7…0,9.
Примем:
𝜂ПФ = 0,9.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП-НГТУ-11.03.01-(19-Рз)-13-23-ПЗ
11
Для определения колебательной мощности, отдаваемой транзистором
оконечного усилителя, необходимо учесть потери во всей выходной
колебательной системе, т. е. в полосовых фильтрах. Мощность, подводимая к
антенне PA = 50 Вт. Определим мощность, отдаваемую транзистором
оконечного усилителя:
𝑃𝑂𝐾 =
𝑃𝐴
50
=
= 56,11 (Вт).
𝜂АСУ 𝜂ПФ 0,99 ∙ 0,9
Выберем транзистор, позволяющий получить такую колебательную
мощность. Для этого сравним несколько подходящий вариантов и выберем [3]
наиболее подходящий. Транзисторы и их основные параметры представлены
в табл. 1.
Таблица 1 – Транзисторы для оконечного усилителя мощности и их основные
параметры
Параметры транзисторов 2Т956А 2Т950Б 2Т912А
Кр1
20
10
10
f1, МГц
30
30
30
Ek1,В
28
28
27
P1,Вт
100
60
70
f, МГц
27,75
27,75
27,75
P,Вт
56,11
56,11
56,11
Ek,В
24
24
24
Кр
30,6
9,18
11,52
Выбор типа транзистора производится по следующим техническим
характеристикам:
- граничная частота;
- отдаваемая мощность;
- коэффициент передачи по мощности.
Значения коэффициента передачи по мощности, приведенные в табл. 1
были ориентировочно определены по следующему выражению[1]:
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП-НГТУ-11.03.01-(19-Рз)-13-23-ПЗ
12
𝑓1 2 𝐸к 2 𝑃1
𝐾Р = 𝐾Р1 ( ) ( )
.
𝑓
Ек1 𝑃
В формуле обозначено:
K P – коэффициент передачи по мощности в проектируемом усилителе;
𝑓 – рабочая частота;
𝐸к – значение напряжения коллекторного питания транзистора в
проектируемом усилителе;
P – требуемая выходная мощность усилителя;
K P1 , f 1 , E К1 , P1 – значения, полученные в результате эксперимента
(справочные данные).
Из
условия
устойчивости
выходного
каскада
значение
этого
коэффициента не должно превышать 40…50.
Из рассмотренных транзисторов наиболее подходящим по своим
характеристикам является транзистор 2Т950Б, хоть и обладающий на рабочей
частоте коэффициентом усиления по мощности Кр=9,18 отвечает требованиям
передатчика. Справочные данные f 1 , E К1 , P1 транзистора 2Т950Б достаточно
близки к данным проектируемого усилителя ( f , E К , P ), поэтому полученное
значение K P является достаточно достоверным.
На вход оконечного усилителя необходимо подать мощность:
𝑃ок.вх =
𝑃ОК 56,11
=
= 6,11 (Вт).
𝐾Р
9,18
Коэффициент полезного действия согласующей цепи предоконечного
каскада находится в пределах 0,6…0,8, поэтому примем 𝜂ПК = 0,8.
Находим выходную мощность транзистора предоконечного усилителя
(𝑃ПК ) с учетом потерь в согласующей цепи:
𝑃ПК =
𝑃ок.вх 6,11
=
= 7,64 (Вт).
𝜂ПК
0,8
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП-НГТУ-11.03.01-(19-Рз)-13-23-ПЗ
13
Выберем транзистор, позволяющий получить такую колебательную
мощность. Для этого сравним несколько вариантов и выберем [3] наиболее
подходящий (табл. 2).
Коэффициент усиления по мощности ориентировочно определим по той
же формуле, как и для оконечного усилителя. Его значение для устойчивой
работы не должно превышать 40…50.
Таблица 2 – Транзисторы для предоконечного усилителя мощности и их основные
параметры
Энергетические параметры 2Т955А 2Т951Б КТ902АМ
Кр1
20
10
7
f1, МГц
30
30
10
Ek1, В
28
28
28
P1, Вт
20
20
20
f, МГц
27,75
27,75
27,75
P, Вт
7,64
7,64
7,64
Ek, В
24
24
24
Кр
44,95
22,48
1,75
Для предоконечного каскада подходящим является транзистор 2Т951Б.
Выбрать его целесообразно также с точки зрения унификации элементов.
Рассчитанное ориентировочное значение его коэффициента усиления по
мощности Кр ≈ 22,48 отвечает условию устойчивой работы.
На вход предоконечного каскада необходимо подать мощность:
𝑃пк.вх =
Такую
мощность
𝑃ПК
7,64
=
= 0.34 (Вт).
𝐾Р
22,48
можно
получить
с
резонансного
усилителя,
включенного после второго балансного модулятора. На второй балансный
модулятор подается сигнал с синтезатора частоты КФ1015ПЛ4В.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП-НГТУ-11.03.01-(19-Рз)-13-23-ПЗ
14
Предварительный вариант структурной схемы передатчика представлен
на рис. 1. Структурная схема будет уточнена после электрического расчета
Рисунок 1 – Структурная схема передатчика
каскадов передатчика.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП-НГТУ-11.03.01-(19-Рз)-13-23-ПЗ
15
