Радиопередатчик ISM диапазона

Для параллельной схемы очевидны соотношения 1/(ωmin*Cp)<<Rк,  ωmin*Lбл>>Rк, где ωmin – минимальная частота рабочего диапазона.

 

 

Блокировочная ёмкость Сбл совместно с элементами Lбл, Ср образует колебательный контур, резонирующий на частоте, существенно меньшей рабочей частоты усилителя.

 

 

Как и цепь питания, цепь смещения состоит из источника  постоянного напряжения и блокировочных  элементов. Для подачи постоянного  напряжения на управляющий электрод АЭ можно также применить последовательную или параллельную цепь фиксированного смещения. Помимо фиксированного в  усилителях применяют автоматическое смещение, которое образуется в результате падения постоянного напряжения на сопротивлении автосмещения Rсм из-за протекания по нему постоянной составляющей входного тока. Автосмещение создаётся постоянной составляющей тока управляющего электрода Iуо. В генераторах на биполярных транзисторах постоянная составляющая тока Iуо – это ток рекомбинации, поэтому Iуо=Iко/B.

Чтобы не применять  отдельный источник фиксированного смещения, постоянное напряжение на управляющий  электрод подводят от источника коллекторного  питания с помощью резистивного делителя (рис. 4.3).

Рисунок 13 – схема смещения от источника питания.

Определяем  сопротивления резистивного делителя напряжения:

 

 

 

 

 

 

 

 

                           

7.3 Расчет согласующих цепей

При выборе согласующей цепи нужно  учитывать следующее:

Чтобы цепь согласования была наиболее простой, целесообразно в качестве её компонентов использовать эквивалентные  ёмкости и индуктивности АЭ.

Добротность нагруженной СЦ должна быть велика (Q>2…5), только в этом случае цепь обладает фильтрующими свойствами.

Если действительная часть сопротивления нагрузки мала (единиц Ом), то для сохранения фильтрующих  свойств цепи, нагрузку следует включать в контур последовательно, иначе  – параллельно. То же относится и  к внутреннему сопротивлению  источника.

Для увеличения коэффициента передачи мощности СЦ нужно  стремиться к увеличению её собственной  добротности . В каждом диапазоне частот существуют определённые значения L, соответствующие максимальным добротностям индуктивности QL, а следовательно, Qo.

7.4 Расчет входной согласующей цепи

В качестве входной согласующей цепи применим Г-образный четырёхполюсник, включённый как показано на рис. 4.4.

Рисунок 14 – входная согласующая цепь.

Оптимальный режим работы АЭ в усилителе обеспечивается при Rk=146,06Ом, а оптимальный режим работы следующего при Rвх=3,55Ом. Таким образом, необходимо согласовать сопротивление 49Ом с 3,55Ом в полосе частот 902 – 928МГц. Согласование в такой полосе частот можно осуществить с помощью Г-образной цепочки.

 

Добротность Г-образной цепочки:

 

 

 

                                      

7.5 Расчет выходной цепи согласования

Рассчитаем выходную СЦ транзисторного усилителя на частоту f=928МГц, Rн=1,077Ом, эквивалентное сопротивление СЦ на выходных электродах транзистора, обеспечивающее оптимальный режим Rк=49Ом. Применим Г-образную согласующую цепь (рис.13).

Рисунок 15 – выходная согласующая цепь.

Добротность Г-образной цепочки:

 

 

 

 

 

8 Усилитель мощности

Начнем расчет передатчика  с расчета усилителя мощности.

Усилитель мощности (УМ) –  один из основных каскадов РП; он предназначен для усиления мощности высокочастотных  электромагнитных колебаний, возбуждаемых  в задающем автогенераторе, путём  преобразования энергии постоянного  электрического поля в энергию электромагнитных колебаний. Следовательно, в состав УМ должен входить элемент, способный  производить подобное преобразование. Эти элементы называют активными  элементами (АЭ). В качестве АЭ в РП наиболее часто применяют биполярные и полевые транзисторы, иногда генераторные диоды (лавинно – пролетные, диоды  Ганна).

В состав УМ (рис.14) помимо АЭ входят согласующие цепи, а также  цепи питания и смещения. На вход усилителя поступают электромагнитные колебания частоты f  от предшествующего каскада, называемого возбудителем. Нагрузкой УМ является входное сопротивление последующего каскада либо линии, ведущей к антенне.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 16 – принципиальная и структурная схемы УМ.

8.1 Расчет усилителя мощности на биполярном транзисторе

Расчёт будем  производить на максимальной рабочей  частоте fрм=928МГц, при P1=15Вт. Выбираем транзистор максимально допустимой рассеиваемой мощности Pдоп того же порядка, что и P1, например, КТ916А, для которого Pдоп=30Вт.

Для расчёта  необходимо знать следующие параметры  транзистора: Iкдоп=3А, Uкдоп=55В, Uбдоп=3,5В, Pдоп=30Вт, В=35, Ск=25пФ, Сэ= 125пФ, f_t=1100Мгц, Sгр=4А/В, Uотс=0,98В, Lб=1,6нГн, Lэ=1,22нГн.

Учитывая  условие Еп£Uкдоп/2, выбираем Еп=27,5В.

Выбираем угол отсечки Θ=90^o:

 

 

Теперь находим , :

  

 

 

 

1.1 Напряжённость граничного режима:

 

1.2 Амплитуда  первой гармоники напряжения  на коллекторе, Uк1:

 

1.3 Амплитуда  первой гармоники коллекторного  тока, Iк1:

 

1.4 Постоянная  составляющая коллекторного тока, Iко:

 

1.5 Выходная  мощность, P₁:

 

1.6 Мощность, потребляемая от источника питания, P₀:

 

1.7 Мощность, рассеиваемая в АЭ:

                                                    

1.8 КПД  усилителя:

 

1.9 Амплитуда  заряда:

 

1.10 Минимальное  мгновенное напряжение на эмиттерном  переходе:

 

1.11 Постоянная  составляющая на эмиттерном переходе, Uэпо:

 

1.12 Сопротивление  нагрузки транзистора:

 

1.13 Коэффициент  увеличения входной емкости (эквивалентное  увеличение входной емкости происходит  при учете влияния  Ск), χ:

 

1.14 Амплитуда  первой гармоники суммарного  тока базы с учётом тока  ёмкости Ск:

 

1.15 Сопротивление  корректирующего резистора, Rз:

 

1.16 Часть  входной мощности, потребляемой  в Rз:

 

1.17 Входное  сопротивление:

 

1.18 Входная  мощность, проходящая через Lэ в нагрузку, Pвх2:

 

1.19 Входная  мощность:

 

1.20 Коэффициент  усиления:

 

1.21 Входная  индуктивность транзистора, Lвх:

 

1.22 Входная  емкость транзистора, Cвх:

 

1.23 Усредненное  за период колебаний сопротивление  коррекции, Rпар:

8.2 Расчет цепей питания

Цепь питания  содержит источник постоянного напряжения Еп и блокировочные элементы. Благодаря Сбл и Lбл исключаются потери мощности высокой частоты в источнике питания, устраняется нежелательная связь между каскадами передатчика через источник питания. Разделительная Ср в параллельной схеме нужна для развязки по постоянному току активных элементов данного и последующего каскада. Блокировочные и разделительные элементы не должны влиять на режим работы АЭ по переменному току.

Для параллельной схемы очевидны соотношения 1/(ωmin×Cp)<<Rк,  ωmin×Lбл>>Rк, где ωmin – минимальная частота рабочего диапазона.

 

 

Блокировочная ёмкость Сбл совместно с элементами Lбл, Ср образует колебательный контур, резонирующий на частоте, существенно меньшей рабочей частоты усилителя.

 

 

Как и цепь питания, цепь смещения состоит из источника  постоянного напряжения и блокировочных  элементов. Для подачи постоянного  напряжения на управляющий электрод АЭ можно также применить последовательную или параллельную цепь фиксированного смещения. Помимо фиксированного в  усилителях применяют автоматическое смещение, которое образуется в результате падения постоянного напряжения на сопротивлении автосмещения Rсм из-за протекания по нему постоянной составляющей входного тока. Автосмещение создаётся постоянной составляющей тока управляющего электрода Iуо. В генераторах на биполярных транзисторах постоянная составляющая тока Iуо – это ток рекомбинации, поэтому Iуо=Iко/B.

Чтобы не применять  отдельный источник фиксированного смещения, постоянное напряжение на управляющий  электрод подводят от источника коллекторного  питания с помощью резистивного делителя (рис.15).

Рисунок 17 – схема смещения от источника питания.

Определяем  сопротивления резистивного делителя напряжения:

 

 

 

 

 

 

 

8.3 Расчет согласующих цепей

При выборе согласующей цепи нужно учитывать  следующее:

Чтобы цепь согласования была наиболее простой, целесообразно  в качестве её компонентов использовать эквивалентные ёмкости и индуктивности  АЭ.

Добротность нагруженной СЦ должна быть велика (Q>2…5), только в этом случае цепь обладает фильтрующими свойствами.

Если действительная часть сопротивления нагрузки мала (единиц Ом), то для сохранения фильтрующих  свойств цепи, нагрузку следует включать в контур последовательно, иначе  – параллельно. То же относится и  к внутреннему сопротивлению  источника.

Для увеличения коэффициента передачи мощности СЦ нужно  стремиться к увеличению её собственной  добротности . В каждом диапазоне частот существуют определённые значения L, соответствующие максимальным добротностям индуктивности QL, а, следовательно, Qo.

8.4  Расчет входной согласующей цепи

В качестве входной согласующей цепи применим Г-образный четырёхполюсник, включённый, как показано на (рис.16).

Рисунок 18 – входная согласующая цепь.

 

Оптимальный режим работы АЭ в усилителе обеспечивается при Rk=98,7Ом, а оптимальный режим работы следующего при Rвх=2,14Ом. Таким образом, необходимо согласовать сопротивление 98,7 Ом с 2,14Ом в полосе частот 902 – 928МГц. Согласование в такой полосе частот можно осуществить с помощью Г-образной цепочки.

Добротность Г-образной цепочки:

 

 

 

8.5 Расчет выходной цепи согласования

Рассчитаем  выходную СЦ транзисторного усилителя  на частоту f=928МГц, Rн=75Ом, эквивалентное сопротивление СЦ на выходных электродах транзистора, обеспечивающее оптимальный режим Rк=11,21Ом. Применим Г-образную согласующую цепь (рис.17).

Рисунок 19 – выходная согласующая цепь.

Добротность Г-образной цепочки:

 

 

 

Конденсатор должен иметь минимальное сопротивление    (1 Ом) для рабочей частоты:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Расчет полосового фильтра

Полосовой фильтр – это линейный четырехполюсник, обладающий избирательными свойствами: он предназначен для выделения из состава сложного электрического колебания частотных составляющих определенного спектра частот, лежащего в полосе пропускания (ПП), и подавления тех составляющих, частоты которые лежат за пределами ПП, т. е. в полосе непропускания (ПН) или полосе задерживания (ПЗ). Между этими полосами находится переходная область.

Для расчета  параметров построим схему ПФ, представленную на (рис.18).

Рисунок 20 – полосовой фильтр.

Зададим параметры элементам ПФ: С = 15.37пФ; L = 1.96нГн; R = 1Ом.

 Построим АЧХ фильтра согласно заданным параметрам.

Рисунок 21 – АЧХ полосового фильтра.

Согласно (рис.19) верхняя граница полосы пропускания , нижняя граница полосы пропускания . Рабочая частота передатчика входит в полученный диапазон:

 

Соответственно  нижняя и верхняя границы частот задержания от до :

 

Так как , то данный фильтр считается узкополосным.

Добротность при этом составляет:

 

Затухание:

 

Относительная расстройка на и соответственно:

 

 

После прохождения  сигнала через фильтр, нежелательные  гармоники подавляются, и информация через антенну поступает в эфир.

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

В ходе курсовой работы был разработан передатчик системы сбора данных ISM – диапазона и рассчитаны следующие блоки:

• Кварцевый автогенератор;
• Коэффициенты деления;
• Фазовый детектор;
• Петлевой фильтр (ФНЧ);
• Амплитудный модулятор;
• Усилитель мощности;
• Полосовой фильтр.

В результате вычислений было определено, что на выходе передатчика полосовой фильтр должен быть максимально высокодобротным, вследствие возникновения внутренних шумов в самом устройстве, данный фильтр должен успешно подавлять  все нежелательные частотные  компоненты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

1. Левичев В.Г. Радиопередающие и радиоприемные устройства – М.: Воениздат, 1974 г. 509с.
2. Петров Б.Е., Романюк В.А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах: Учеб. пособие для радиотех. спец. Вузов.– М.: Высш. шк., 1989 г. 234с.

3.  Проектирование радиопередающих устройств СВЧ./ Г.М. Уткин, М.В. Благовещенский, В.П. Жуховицкая, М.В. Капранов, Г.И. Коптев, С.Л. Кунина, Т.А. Панина, А.А. Туркин, Д.П. Царапкин – М.: Советское радио 1979г. 311с.

4.  Радиоприемные устройства./ К.Е. Румянцев – М.: Академия, 2006г. 334с.

5. Синхронизация в телевизорах./ И.Н. Баскир, И.Л. Людмирский - М.: Связь, 1974 г. 560с.