3. Разработка принципиальной схемы

3.1 Описание принципиальной схемы

В этом разделе ставлю перед собой цель – изложить описание принципиальных схем основных блоков передатчика.

Кварцевый автогенератор (рис. 3.1). Данный КВАГ построен по схеме с емкостной трехточкой (С2, С1, QZ). Данный автогенератор имеет цепочку коррекции (Rкор и Скор) в эмиттерной цепи для коррекции частотных свойств транзистора в открытом и закрытом состояниях. Смещение на базу подается при помощи резистивного делителя (R1 и R2).

Рис 3.1. Принципиальная схема кварцевого автогенератора

Умножитель частоты двухтактный (рис. 3.2). Принцип работы основывается на том, что ток в коллекторной цепи протекает во время положительного и отрицательного полупериодов, что в свою очередь дает напряжение на выходе с частотой в два раза больше, чем у напряжения на входе.

Рис 3.2. Принципиальная схема двухтактного умножителя частоты (n=2)

Промежуточные усилители мощности. В данном проекте применяется два вида усилителей. Первый, где транзистор подключается по схеме с общим эмиттером (рис. 3.3), а второй по схеме с общей базой (рис. 3.4). Первый используется в диапазонах ВЧ и ОВЧ, а второй в диапазонах ОВЧ, УВЧ и СВЧ. Также эти усилители имеют входную и выходную согласующие цепи.

Рис 3.3. УМ с ОЭ. Рис 3.4. УМ с ОБ.

Варакторный умножитель частоты (рис. 3.6). Такой умножитель строится по следующей структурной схеме (рис. 3.5).

Рис. 3.5 Структурная схема варакторного умножителя частоты.

Где входная цепь представляет собой колебательный контур, настроенный на частоту входного сигнала f, а выходной контур – колебательный контур, настроенный на частотуnf.

Рис. 3.6. Принципиальная схема варакторного умножителя частоты.

Частотно-модулированный генератор (рис. 3.7). Построен по схеме Клаппа со встречным включением варикапов. Принцип работы автогенератора такой же, как у КВАГ. ЧМ осуществляется на варикапах.

Рис. 3.7 Принципиальная схема частотно-модулированного генератора.

СВЧ смеситель пролетного типа (рис. 3.8). Его выбор и принцип работы обусловлен рассуждениями в разделе “Расчет функциональной схемы”.

Рис. 3.8 Функциональная схема преобразователя частоты

Вследствие рассуждений, приведенных в разделе “Расчет функциональной схемы”, оконечный усилитель мощности будет иметь вид приведенный на рис. 3.9. Принцип работы усилителя такой же как и однотактного усилителя. Различие лишь в том, что выходная мощность будет равна сумме мощностей каждого плеча.

Рис. 3.9. Принципиальная схема оконечного усилителя мощности.

Цепь согласования передатчика с антенной представляет ФНЧ (фильтр Чебышева пятого порядка) (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Принципиальная схема ЦС передатчика с антенной.

3.2 Расчёт кварцевого автогенератора

Рассчитаем задающий генератор. Его основной функцией является генерация синусоидальных колебаний заданной частоты с необходимой стабильностью. Рабочая частота генератора f_р=4 МГц,

Расчет производится по методике изложенной в [2]. Необходимую стабильность частоты обеспечиваем с помощью кварцевого резонатора.

Выберем транзистор. Для увеличения стабильности частоты в задающих автогенераторах выбирают транзисторы малой мощности. Cледует выбирать транзистор, граничная частота f_т которого больше чем заданная частота колебаний f_р. Этим требованиям удовлетворяет транзистор КТ331А с параметрами приведенными табл. 3.1 [3].

Таблица 3.1

Статический коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ, h21	20
Граничная частота, fт, МГц	250
Емкость коллекторного перехода Cк, пФ	5
Емкость эмиттерного перехода Cэ, пФ	8
Допустимый ток коллектора Iк доп., mA	20
Допустимое напряжение на коллекторе Uк доп., В	15
Допустимое напряжение на базе Uб доп., В	3
Допустимая мощность рассеяния Pрас доп., мВт	15

Учитывая необходимый запас по самовозбуждению, а так же условие баланса активных мощностей [2] следует, что в стационарном режиме колебаний γ₁(θ)=0,2…0,3. Тогда выбираем угол отсечки θ=60˚. Значения коэффициентов Берга для угла отсечки θ=60˚:α₀=0,218; α₁=0,391; γ₀=0,109.

Необходимо получить на выходе мощность Р₁=0,003 Вт.

Граничные частоты:

(1)

(2)

Активная часть коллекторной емкости:

(3)

Сопротивление потерь в базе:

(4)

Расчет корректирующей цепочки:

(5)

(6)

(7)

(8)

Крутизна переходной характеристики транзистора с коррекцией:

(9)

Расчет электрического режима:

Выбираем параметры: (10)(11)

(12)

Рассчитаем основные параметры генератора:

(13) (14)

(15) (16)

I_k1 , I_k0 — амплитуда первой гармоники и постоянная составляю­щая коллекторного тока; i_kmax — максимальное значение импульса коллекторного тока; U^k_б1 , U_к1 — амплитуды первой гармоники на­пряжения на базе и коллекторе транзистора с коррекцией; R_K -сопротивление нагрузки транзистора, т. е. резонансное сопротивле­ние колебательной системы в точках К-Э^к; P₁, Р₀, Р_рас — колебательная, потребляемая и рассеиваемая в транзисто­ре мощности; η — электронный КПД; u_отс — напряжение отсечки на переходной ВАХ транзистора.

Расчет резонатора:

Выберем резонатор [табл. 3.2].

Таблица 3.2.

Индуктивность Lкв, Гн	0.01
Сопротивление кварца rкв, Ом	100
Шунтирующая емкость C0, пФ	10

Проверим условие обеспечения резонансных свойств пластины:

Пусть (25)

Расчет колебательной системы. Колебательная система автогенератора состоит из контура С_гС₂С₃L. Частота автоколебаний равна резонансной частоте системы w_р = 1/, где С_∑ — суммарная емкость контура; 1/С_∑ = 1/C₁ + 1/С₂^’ + +1/С₃, С'₂ = С₂ + С_св^’ , С_св^’ — эквивалентная емкость связи с нагрузкой, полученная при пересчете последовательной цепочки C_CBR_н в па­раллельную С_св^’R_н. Легко видеть, что контур подключен к выход­ным электродам транзистора не полностью, причем R_K = ρ ²R_p, где R_K — сопротивление контура в точках К-Э^к на резонансной частоте; ρ = U_к1/U_конт1 — коэффициент включения контура в вы­ходную цепь транзистора; U_конт1 — комплексная амплитуда пер­вой гармоники напряжения на контуре (на индуктивности L); R_p — резонансное сопротивление контура при его полном включении.

Расчет : Чтобы сопротивление нагрузкипересчитанное к выходным электродам транзистора, не снижало заметно добротность контура, примем(32). Добротность последовательной цепочки, отсюда емкость связи,(35);емкость пересчитанная параллельно

Расчет цепи смещения:

(41)

Расчет цепи питания:

Цепь питания автогенератора состоит из источника питания Е_п, блокировочных элементов R_бл , С_бл1. Очевидно соотношение для расчета R_бл : R_бл = (5...10) х R_K. Сопротивление емкости блокировочного конденсатора С_бл1 на рабочей частоте должно быть по возможности малым: много меньшим внутреннего сопротивления источника питания.

Выбираем: (42)

(43) (44)

В этом разделе был рассчитан режим работы транзистора, параметры резонатора и резистивный делитель.