Радиопередающие устройства

Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций РФ

Хабаровский институт инфокоммуникаций (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего образования

«Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики»

Среднего профессионального образования

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

МДК 01.01. Технология монтажа и обслуживания направляющих систем радиосвязи

Тема 1.2 Радиопередающие устройства

на тему:

Расчет ВЧ-тракта радиопередающего устройства для связи с подвижными объектами

Специальность 11.02.10 «Радиосвязь, радиовещание и телевидение»

Выполнил:

Проверил: Ковалев В. В.

Хабаровск 2024г.

Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций РФ

Хабаровский институт инфокоммуникаций (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего образования

«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

(ХИИК СибГУТИ)

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

ЗАДАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

В современном мире радиосвязь стала неотъемлемой частью нашей повседневной жизни и играет ключевую роль в обеспечении связи в различных сферах, включая телекоммуникации, военное дело, транспорт и многие другие области. Успешная реализация радиосистем требует глубокого понимания принципов радиотехники, передачи и обработки сигналов, а также современных методов проектирования электронных схем.

Цель данной работы заключается в проектировании и разработке радиопередающего устройства на основе транзисторного передатчика, предназначенного для связи с подвижными объектами. Этот тип связи является особенно актуальным в условиях быстрого развития мобильных технологий и необходимости обмена данными в динамично меняющейся среде. Рабочая частота устройства составляет 180 МГц, а мощность колебаний в антенне равна 2 Вт, что обеспечивает надежную передачу информации на значительные расстояния.

Проектирование радиопередающего устройства включает несколько ключевых этапов, каждый из которых требует тщательного расчета и анализа. В первой части работы будет разработана структурная схема устройства, которая наглядно иллюстрирует взаимодействие основных компонентов системы, включая модулятор, каскады усиления и антенну. Эта схема послужит основой для дальнейших расчетов и анализа.

Далее будет проведен электрический расчет режимов работы каскадов высокочастотного тракта. Особое внимание будет уделено расчетам предоконечного и оконечного каскадов, которые играют решающую роль в усилении модулированного сигнала. Мы также проанализируем нагрузочные системы и блокировочные элементы, что поможет минимизировать искажения сигнала и обеспечить стабильность работы устройства.

Ключевым аспектом работы станет модуляция сигнала, которая в нашем случае будет выполнена с использованием частотной модуляции (ЧМ). Этот метод обеспечивает высокую устойчивость к шумам и позволяет достичь высокого качества передачи данных. Для достижения необходимых характеристик модуляции будут рассчитаны параметры модулятора и обеспечены условия для правильной работы системы.

Результаты данного проекта подчеркивают важность комплексного подхода к разработке радиопередающих устройств. Работы, подобные данной, способствуют дальнейшему развитию технологий связи и обеспечивают возможность эффективного взаимодействия с подвижными объектами в условиях современного мира. В завершение работы будут обсуждены основные выводы и предложения по оптимизации радиопередающих систем, что откроет новые перспективы для исследований и практического применения.

Основные компоненты структурной схемы радиопередатчика для связи с подвижными объектами:

Это устройство, генерирующее модулирующий сигнал, который будет передаваться. В нашем случае источником сигнала является генератор звуковой или информационной частоты (300-3400 Гц), который модулируется по частоте [1].

2. Модулятор (Частотная модуляция, ЧМ)

В модуляторе происходит наложение модулирующего сигнала (информационного) на несущую частоту, что приводит к изменению частоты сигнала в соответствии с передаваемой информацией. Частотная модуляция (ЧМ) обеспечивает устойчивость к помехам, что особенно важно для связи с подвижными объектами.

3. Генератор высокой частоты (ГВЧ)

Генератор высокой частоты (180 МГц) создает несущую волну. Этот сигнал впоследствии модулируется в модуляторе. Генератор должен быть высокостабильным, чтобы обеспечить точное удержание рабочей частоты в диапазоне 200-240 МГц.

4. Усилитель мощности (ВЧ усилитель)

После модуляции сигнал нуждается в усилении до уровня мощности, необходимого для передачи на расстояние. Усилитель мощности обеспечивает выходную мощность в антенну на уровне 2 Вт. При этом усилитель должен быть рассчитан на нагрузку 50 Ом и учитывать допустимые отклонения АЧХ (не более 5%).

5. Фильтр (Фильтр побочных излучений)

Фильтр предназначен для подавления побочных излучений, которые могут возникнуть из-за нелинейных искажений в усилителе или генераторе. Допустимый уровень побочных излучений — 1,5 мВт. Фильтр помогает устранить эти сигналы и обеспечить чистоту основного сигнала [2].

6. Антенна

Антенна является последним элементом тракта передачи, она преобразует электрический сигнал в электромагнитные волны, которые распространяются в пространстве. Важно, чтобы антенна была согласована с выходным импедансом передатчика (50 Ом) для минимизации отражений сигнала и максимальной передачи энергии.

1. Источник сигнала

2. Модулятор ЧМ

3. Генератор высокой частоты (180 МГц)

4. Усилитель мощности (2 Вт)

5. Фильтр побочных излучений (1,5 мВт)

6. Антенна (50 Ом)

2. Электрический расчет режимов работы каскадов ВЧ – тракта передатчика.

2.1 Расчет оконечного каскада в режиме усиления.

2.1.1 Расчет коллекторной цепи.

Оконечный каскад радиопередатчика — это каскад, который усиливает сигнал до требуемого уровня мощности перед тем, как передать его на антенну. Оконечный каскад обычно работает в классе C или AB для достижения высокого КПД и усиления мощности сигнала. В данном случае мы рассчитываем каскад с транзистором в режиме усиления мощности [3].

Для расчета оконечного каскада в режиме усиления нам необходимо рассчитать параметры коллекторной цепи транзистора.

Шаг 1: Определение мощности на коллекторе транзистора

Общая выходная мощность, учитывая КПД, составит:

Шаг 2: Расчет тока коллектора

С учетом мощности на коллекторе, ток коллектора можно рассчитать по формуле:

Шаг 3: Расчет сопротивления нагрузки

Сопротивление нагрузки на коллекторе транзистора можно рассчитать с учетом того, что выходная мощность транзистора должна быть передана в нагрузку 50 Ом. Для этого рассчитаем эквивалентное сопротивление на коллекторе:

Шаг 4: Проверка соответствия выходной мощности

Выходная мощность на коллекторе должна соответствовать заданной мощности в нагрузке. Рассчитаем выходную мощность:

Это соответствует требуемой мощности на выходе.

Шаг 5: Расчет индуктивности коллекторной цепи

Для согласования коллекторной цепи с нагрузкой обычно используется индуктивность. Чтобы рассчитать ее, необходимо выбрать рабочую частоту и рассчитать индуктивное сопротивление при котором каскад будет резонировать с нагрузкой.

Выберем типовую индуктивность для рабочей частоты , чтобы обеспечить правильное согласование каскада с антенной.

2.1.2 Расчет базовой цепи.

Базовая цепь транзистора играет важную роль в установке режима работы оконечного каскада усилителя и обеспечивает правильное смещение для работы транзистора в активном режиме усиления. Для транзисторного усилителя в высокочастотных трактах (ВЧ-тракт) важно правильно рассчитать напряжение и ток базы, чтобы обеспечить стабильную работу транзистора в режиме класса C (или AB) [4].

Шаг 1: Определение тока базы

Ток базы транзистора определяется через коэффициент усиления по току , Он связан с током коллектора следующим образом:

Шаг 2: Выбор схемы смещения

Для стабильной работы транзистора применяется схема смещения с делителем напряжения или с общим эмиттером и резистором в цепи базы. Рассмотрим схему с делителем напряжения, которая обеспечит требуемое смещение на базе транзистора.

Шаг 3: Определение напряжения на резисторах делителя

Для правильной работы транзистора напряжение на базе должно быть около . Предположим, что мы выбрали делитель с двумя резисторами и . Напряжение на базе будет:

Напряжение на базе должно быть немного больше , чтобы обеспечить необходимый ток базы. Пусть напряжение на базе составит . Тогда можно рассчитать отношение резисторов делителя:

Таким образом, для получения необходимого напряжения на базе отношение к сумме должно быть 0,1 . Например, если выбрать , то .

Шаг 4: Расчет резистора в цепи базы

Для обеспечения тока базы резистор в цепи базы можно рассчитать по закону Ома:

Таким образом, резистор в цепи базы должен быть около 105 Ом для обеспечения стабильного тока базы.

Шаг 5: Конденсатор в цепи базы

Для предотвращения прохождения постоянного тока через цепь модуляции обычно включают блокировочный конденсатор в цепь базы. Емкость конденсатора выбирается с учетом рабочей частоты и должна обеспечивать минимальное сопротивление на этой частоте:

Где — реактивное сопротивление конденсатора. Выбирается емкость, чтобы был достаточно мал на рабочей частоте (например, порядка нескольких пикофарад).

Таким образом, базовая цепь настроена для стабильной работы транзистора в режиме усиления сигнала [5].

Предоконечный каскад выполняет промежуточное усиление сигнала перед его передачей на оконечный каскад, обеспечивая необходимую амплитуду и мощность для дальнейшего усиления. В ВЧ-трактах предоконечный каскад часто работает в классе A или AB, чтобы обеспечить линейность и минимальные искажения сигнала.

Шаг 1: Определение мощности на коллекторе транзистора

Общая мощность на коллекторе, с учетом КПД:

Шаг 2: Расчет тока коллектора

Ток коллектора можно рассчитать по формуле:

Шаг 3: Определение сопротивления в коллекторной цепи

Сопротивление в коллекторной цепи рассчитывается исходя из напряжения питания и тока коллектора:

Этот результат соответствует сопротивлению нагрузки, которое будет обеспечивать требуемый ток через коллектор транзистора для достижения требуемой выходной мощности.

Шаг 4: Расчет напряжения на базе

Для предоконечного каскада также необходимо обеспечить правильное смещение транзистора. Напряжение на базе транзистора (с учетом стандартного значения для кремниевых транзисторов можно определить следующим образом.

Рассчитаем ток базы:

Напряжение на базе должно быть немного выше , чтобы обеспечить ток базы. Пусть напряжение на базе составит

Шаг 5: Расчет резисторов делителя напряжения

Для создания необходимого смещения можно использовать делитель напряжения на базе транзистора. Напряжение на базе обеспечивается через резисторный делитель, который рассчитывается по следующей формуле [6]:

Подставим и как и в предыдущем каскаде:

Выберем резисторы делителя напряжения. Например, если к Ом , то к Ом.

Шаг 6: Расчет резистора в цепи базы

Резистор в цепи базы рассчитан с учетом тока базы и напряжения на базе:

Шаг 7: Конденсатор в цепи базы

Как и в оконечном каскаде, для предотвращения прохождения постоянного тока через модулирующий сигнал в базовую цепь предоконечного каскада включается блокировочный конденсатор. Емкость конденсатора должна быть достаточной для минимизации реактивного сопротивления на рабочей частоте . Например, емкость в пределах нескольких пикофарад обеспечит минимальные потери на рабочей частоте.

Таким образом, предоконечный каскад рассчитан и может эффективно усиливать сигнал для его дальнейшей передачи в оконечный каскад [7].

3.Расчет нагрузочных систем.

3.1 Расчет нагрузочной системы оконечного каскада.

Нагрузочная система оконечного каскада отвечает за согласование выходного каскада усилителя с антенной (или другой нагрузкой) для эффективной передачи мощности. В высокочастотных устройствах, таких как радиопередатчики, важно минимизировать отражение сигнала от нагрузки и обеспечить максимальную передачу энергии в антенну [8].

Шаг 1: Определение выходного тока и напряжения

Для расчета элементов нагрузочной системы важно определить выходной ток и напряжение, которые соответствуют требуемой мощности.

Выходная мощность равна:

Тогда выходной ток можно выразить как:

Выходное напряжение на нагрузке :

Шаг 2: Определение нагрузочной линии

Нагрузочная линия характеризует оптимальный режим работы оконечного каскада с транзистором, связывая ток и напряжение на выходе каскада. Нагрузочная линия позволяет определить амплитуду сигнала, которую усилитель должен обеспечивать для эффективной работы с нагрузкой.

Для согласования с нагрузкой 50 Ом выходной каскад должен иметь реактивные элементы (индуктивности и конденсаторы), которые компенсируют любые нелинейности и поддерживают стабильное соотношение ток-напряжение.

Шаг 3: Согласование импеданса

Согласование импеданса между выходным каскадом и антенной необходимо для минимизации отраженных сигналов. На практике используют трансформаторы или π-согласующие цепи [9].

Трансформаторное согласование:

Трансформаторный коэффициент согласования определяется как отношение входного и выходного сопротивлений:

Это указывает, что согласование в данном случае идеально, и дополнительных трансформирующих элементов не требуется.

Согласование с помощью π-цепочки:

Если требуется настройка на рабочую частоту, можно использовать π-цепочку, которая включает в себя последовательную индуктивность и шунтирующие конденсаторы и . Рассчитаем элементы π-цепи для согласования с на частоте .

Шаг 4: Расчет элементов π-цепочки

Индуктивное сопротивление на рабочей частоте

Зная, что сопротивление нагрузки 50 Ом, индуктивность должна быть выбрана так, чтобы её реактивное сопротивление соответствовало этому значению. Для частоты 180 МГц:

2. Конденсаторы и

Для конденсаторов в π-цепочке необходимо рассчитать ёмкости, которые компенсируют индуктивное сопротивление и обеспечивают согласование на рабочей частоте. Емкость конденсаторов определяется по формуле:

Для :

Конденсаторы и обеспечат правильное согласование импеданса на рабочей частоте.

Согласование оконечного каскада с нагрузкой (антенной) может быть достигнуто с помощью π-цепочки или трансформатора. Это обеспечит эффективную передачу мощности и минимальные отражения сигнала [10].

3.2 Расчет нагрузочной системы предоконечного каскада.

Нагрузочная система предоконечного каскада выполняет функцию согласования выхода каскада с нагрузкой, чтобы обеспечить эффективное усиление сигнала перед передачей его на оконечный каскад. Этот каскад часто работает с более низкой мощностью, чем оконечный, но требует аналогичных расчетов для согласования [11].

Шаг 1: Определение выходного тока и напряжения

Расчитаем выходной ток и напряжение для предоконечного каскада:

Выходной ток :

Выходное напряжение на нагрузке :

Шаг 2: Определение нагрузочной линии

Нагрузочная линия предоконечного каскада показывает оптимальное взаимодействие между током и напряжением на выходе каскада. Она позволяет определить, как будет вести себя каскад в зависимости от характеристик нагрузки.

Шаг 3: Согласование импеданса

Для минимизации отражений сигнала от нагрузки необходимо обеспечить согласование выходного импеданса предоконечного каскада с нагрузкой. Это можно сделать с помощью трансформаторов или согласующих цепей.

Трансформаторное согласование:

Коэффициент согласования для предоконечного каскада будет аналогичен оконечному каскаду:

Это означает, что трансформаторное согласование в данном случае не требуется.

Согласование с помощью π-цепочки:

Если требуется настройка на рабочую частоту, можно использовать π-цепочку, которая включает последовательную индуктивность и шунтирующие конденсаторы и

Шаг 4: Расчет элементов π-цепочки

1. Индуктивность

Индуктивное сопротивление на рабочей частоте 180 МГц:

Для согласования с Ом:

2. Конденсаторы и

Рассчитаем емкость конденсаторов для компенсации индуктивного сопротивления и обеспечения согласования:

Для Ом:

Таким образом, для согласования предоконечного каскада можно использовать индуктивность около 44.2 нГн и конденсаторы по 17.7 пФ.

3.3 Расчет блокировочных элементов ОК и ПОК.

Блокировочные элементы используются в схемах усилителей для предотвращения прохождения постоянного тока через каскады, которые могут вызывать искажения и ухудшение качества сигнала. Эти элементы обеспечивают согласование и защиту от постоянных напряжений, сохраняя при этом возможность передачи переменного сигнала [12].

Шаг 1: Расчет блокировочного конденсатора для оконечного каскада

Для расчета емкости блокировочного конденсатора необходимо определить его реактивное сопротивление на рабочей частоте. Это реактивное сопротивление должно быть значительно меньше сопротивления нагрузки для обеспечения хорошей передачи сигнала.

Для минимизации потерь выберем равным 1/10 сопротивления нагрузки:

Теперь можем выразить емкость:

Шаг 2: Расчет блокировочного конденсатора для предоконечного каскада

Аналогичным образом рассчитаем емкость блокировочного конденсатора для предоконечного каскада. Сопротивление нагрузки также равно 50 Ом, поэтому можно использовать тот же подход [13].

Выберем равным 1/10 сопротивления нагрузки:

Емкость блокировочного конденсатора :

Эти блокировочные элементы обеспечат надежное согласование и защиту от постоянного тока, позволяя эффективно передавать переменные сигналы в радиопередающем устройстве.

4. Электрический расчет модулятора.

4.1 Расчет ЧМ –автогенератора.

Частотная модуляция (ЧМ) используется для передачи информации за счет изменения частоты несущего сигнала. Автогенератор в этом контексте будет использоваться для создания модулированного сигнала.

4.1.1 Расчет автогенератора

Автогенератор на основе транзистора часто реализуется с использованием схемы на основе колебательного контура, состоящего из индуктивности и конденсатора. Частота генерации определяется следующей формулой:

Где:

- — индуктивность,

- — емкость.

Выберем параметры для генератора, чтобы получить рабочую частоту

Для нахождения значений и можно использовать следующие шаги:

1. Предположим значения:

- Выберем индуктивность (это типичное значение для высокочастотных генераторов).

2. Рассчитаем необходимую емкость:

Теперь у нас есть начальные значения для индуктивности и емкости, которые обеспечат генерацию на частоте 180 МГц.

4.1.2 Расчет автогенератора

Для более точного проектирования необходимо рассмотреть работу автогенератора с учетом его схемы, включая колебательный контур и усилительные элементы. Основные параметры генератора также включают [14]:

1. Уровень усиления:

Чтобы обеспечить автогенерацию, усиление схемы должно быть больше 1. Если использовать транзистор, его коэффициент усиления может быть, например, 50.

2. Обратная связь:

Важно обеспечить правильное подключение обратной связи для стабилизации частоты. Часто используется резистор и конденсатор для формирования необходимого фидбэка.

3. Коэффициент модуляции:

При ЧМ важно задать максимальную девиацию частоты в Это требует расчета модулирующего сигнала и его параметров.

Для расчета модуляции можно использовать следующую формулу:

Где:

- — максимальная девиация частоты,

- — коэффициент модуляции,

- — амплитуда модулирующего сигнала.

Если задать максимальную девиацию =15 кГц , и амплитуду В:

5. Описание принципиальной схемы радиопередающего устройства

Принципиальная схема радиопередающего устройства состоит из нескольких основных блоков, каждый из которых выполняет свою функцию в процессе генерации и передачи радиосигнала. Рассмотрим ключевые компоненты и их взаимодействие [15].

1. Модулятор:

- Функция: Преобразует информацию (звуковую, видео или данные) в модулированный сигнал.

- Тип модуляции: В данном проекте используется частотная модуляция (ЧМ).

- Компоненты: Автогенератор, блокировки, усилители.

2. Предоконечный каскад:

- Функция: Усиливает модулированный сигнал перед передачей на оконечный каскад.

- Параметры: Оптимизирован для работы с нагрузкой 50 Ом, обеспечивает минимальные искажения сигнала.

- Компоненты: Транзистор, резисторы, блокировочные конденсаторы.

3. Оконечный каскад:

- Функция: Обеспечивает финальное усиление сигнала, чтобы достичь необходимой мощности для передачи через антенну.

- Параметры: Работа с колебательной мощностью 2 Вт, согласование с антенной.

- Компонент: Транзистор, трансформаторы для согласования, блокировочные конденсаторы.

4. Антенна:

- Функция: Излучает радиосигнал в пространстве.

-Тип антенны: Выбор типа антенны зависит от рабочей частоты и направленности сигнала (например, дипольная, вертикальная и т.д.)

5. Источник питания:

- Функция: Обеспечивает необходимое напряжение для работы всех компонентов радиопередающего устройства [16].

- Параметры: Обычно используется напряжение 12 В.

1. Подготовка сигнала: Исходный информационный сигнал (например, звуковой) подается на модулятор.

2. Модуляция: В модуляторе информация модулирует несущий сигнал, создавая ЧМ-сигнал.

3. Усиление: Модулированный сигнал сначала проходит через предоконечный каскад, где он усиливается до уровня, подходящего для дальнейшей передачи.

4. Финальное усиление: Затем сигнал поступает в оконечный каскад, который обеспечивает необходимую мощность для передачи.

5.Излучение сигнала Окончательный сигнал передается на антенну, где он преобразуется в радиоволны и излучается в эфир.

Схема будет включать:

- Входной сигнал (информационный) → Модулятор (ЧМ) → Предоконечный каскад →Оконечный каскад→ Антенна.

Каждый блок должен быть правильно согласован, чтобы обеспечить максимальную передачу мощности и минимальные искажения. Блокировки в каждом каскаде предотвратят прохождение постоянного тока и обеспечат стабильную работу системы.

Заключение

В ходе выполнения данного проекта был разработан и описан радиопередающий модуль, предназначенный для связи с подвижными объектами на частоте 180 МГц. Проектирование охватывало ключевые аспекты, включая расчет высокочастотного тракта, разработку структурной схемы, электрический расчет режимов работы каскадов, а также расчет нагрузочных систем и блокировочных элементов.

Особое внимание было уделено модуляции сигнала с использованием частотной модуляции (ЧМ), что обеспечило устойчивость к шумам и высокой качеству передачи. ЧМ-автогенератор был спроектирован с учетом требуемых характеристик, что позволило достичь необходимой девиации частоты и коэффициента модуляции.

Важным элементом системы стали каскады усиления, которые обеспечивают необходимую мощность для передачи радиосигнала. Проведенные расчеты нагрузочных систем оконечного и предоконечного каскадов гарантируют их эффективную работу с нагрузкой 50 Ом.

Разработанная принципиальная схема радиопередающего устройства демонстрирует взаимосвязь между всеми компонентами и их функциональность в процессе передачи информации. Устройство готово к дальнейшему тестированию и оптимизации для достижения максимальной производительности и надежности.

Таким образом, проект подтвердил свою актуальность и целесообразность в области радиосвязи, открывая новые перспективы для реализации и улучшения радиопередающих систем, особенно в условиях связи с подвижными объектами.

Список источников

Приложение А.

Список графического материала

Рис.1. Функциональная схема радиопередатчика.

Рис.2.Структурная схема радиопередатчика

Радиопередатчик включает следующие узлы:

Возбудитель, предназначенный для преобразования первичных электрических сигналов в радиосигналы, формирование сетки высокостабильных частот с заданным интервалом между соседними частотами, с помощью которых осуществляется перенос сформированных радиосигналов непосредственно на рабочую частоту в заданном диапазоне.

Усилитель мощности УМ предназначен для усиления радиосигналов, сформированных в возбудителе, до величины, обеспечивающей требуемую дальность связи с заданной надёжностью.

Согласующее антенное устройство САУ обеспечивает согласование УМ с передающей антенной с целью излучения антенной максимальной мощности, подводимой к ней от УМ.

Источник электропитания предназначен для преобразования энергии переменного тока частоты 50 Гц в энергию напряжений, необходимых для питания каскадов передатчика.

Кроме указанных узлов, к радиопередатчику относятся дополнительные системы: управления, блокировки, сигнализации и принудительного охлаждения. Перечисленные выше узлы содержит любой радиопередатчик, независимо от его мощности и назначения.

Рис. 3. Схема транзисторного автогенератора с индуктивной обратной связью

Состав схемы: