- •Перечень условных обозначений
- •1. Выбор структурой схемы
- •1.1 Основные характеристики передатчиков
- •1.2 Структурная схема передатчика
- •2. Расчет усилителя мощности
- •2.1 Схема усилителя мощности
- •2.2 Расчет режима работы и энергетический расчет
- •2.3 Расчет цепи питания усилителя мощности
- •2.4 Расчет цепи смещения усилителя мощности
- •3. Расчет выходной нагрузочной системы усилителя мощности
- •3.1 Электрический расчет нагрузочной системы
- •3.2 Конструктивный расчет элементов нагрузочной системы
- •3.3 Расчет штыревой антенны
- •4. Расчет умножителя частоты
- •4.1 Электрическая принципиальная схема умножителя частоты с
- •Частоты с общей базой
- •4.2 Электрический расчет активного элемента умножителя
- •4.3 Расчет пассивных элементов схемы
- •5. Расчет согласующей цепи между оконечным и предоконечным
- •6. Расчет гун
- •6.1 Выбор основных параметров и активного элемента
- •6.2 Расчет автогенератора
- •6.3 Расчет элементов колебательного контура
- •6.4 Расчет цепи автосмещения
- •6.5 Выбор значений блокировочных элементов
- •6.6 Расчет частотного модулятора
- •7. Расчет кварцевого автогенератора
- •7.1 Схема автогенератора
- •7.2 Расчет параметров колебательной системы
- •7.3 Режимные параметры активного элемента
- •7.4 Расчет по постоянному току
2. Расчет усилителя мощности
Требования к усилителю мощности:
рабочая частота – 27 МГц;
выходная мощность – не менее 10 Вт.
Мощность, отдаваемая транзистором, с учетом потерь в выходной цепи (10-20%):
Р = 10 Вт + 10% = 11 Вт (2.1)
Такую мощность на верхней частоте может обеспечить транзистор КТ903Б – Рдоп = 17 Вт. Данный транзистор выбирается с учетом требований, изложенных в [1], согласно которым, СВЧ транзисторы в усилительном режиме целесообразно использовать по мощности не менее, чем на 40-50%, и не более, чем на 75%. Рабочая частота усилителя мощности f = 27 МГц удовлетворяет условию fгр = 1,5-2 f = 40 МГц, где fгр – граничная рабочая частота транзистора.
Таблица 1. – Параметры транзистора КТ903Б
Предельные эксплуатационные данные |
|
Максимальное напряжение на коллекторе, В |
60 |
Максимальное напряжение эмиттер-база, В |
4 |
Максимальный ток коллектора, А |
10 |
Максимальная температура кристалла, Со |
115 |
Максимальная температура корпуса, Со |
85 |
Максимальная рассеиваемая мощность, Вт |
30 |
Начальный ток коллектора, А |
2,6 |
Параметры типового режима |
|
Частота, МГц |
40 |
Напряжение на коллекторе, В |
30 |
Напряжение в нагрузке, Вт |
17 |
Электрические параметры и параметры эквивалентной схемы |
|
Крутизна линии граничного режима, См |
0,4 |
Частота, МГц |
120-180 |
Пороговое напряжение, В |
0,7 |
Емкость коллектора, пФ |
100 |
Емкость эмиттера, пФ |
1000 |
Распределенное сопротивление базы, Ом |
2 |
Распределенное сопротивление эмиттера, Ом |
0,05 |
Индуктивность выводов базы, нГн |
10 |
Индуктивность выводов коллектора, нГн |
10 |
Индуктивность выводов эмиттера, нГн |
110 |
2.1 Схема усилителя мощности
Схема усилителя мощности приведена на рисунке 7.
Рисунок 7. – Схема усилителя мощности оконечного каскада
Назначение элементов схемы усилителя мощности:
R1 и R2 – используются как делитель напряжения для обеспечения смещения в базовой цепи выходного транзистора;
С1 и С5 – разделительные емкости;
L2 – блокировочная индуктивность;
С3 – блокировочная емкость;
L1 и С2 – входная согласующая цепь;
L3 и С3 – выходная согласующая цепь.
2.2 Расчет режима работы и энергетический расчет
Выбираем амплитуду импульсов коллекторного тока ik max из условия:
ik max ≤ (0.8 … 0.9) ∙ ik доп, (2.2)
где ik доп – допустимая амплитуда импульсов коллекторного тока;
ik max = 0.8 ∙ 10 = 8 А. (2.3)
Выбираем напряжение источника питания из условия:
Еп ≤ Uк доп /2, (2.4)
где Uк доп – допустимая амплитуда напряжения на коллекторе;
Еп ≤ 60 / 2 = 30, выбираем Еп = 20 В.
Рассчитываем коэффициент граничного режима работы активного элемента:
ξгр = 1- iк max / Sгр∙ Еп = 1- 8 / 5 ∙ 20 = 0,8, (2.5)
где Sгр – крутизна граничного режима.
Найдем амплитуду импульсов первой гармоники коллекторного напряжения:
Uk1 = ξгр ∙ Еп = 0.8 ∙ 20 = 16 В. (2.6)
Определим амплитуду импульсов первой гармоники коллекторного тока:
Ik1 = α1(θ)∙ ik max = 0.5 ∙ 8 = 4 А, (2.7)
где α1(θ) – коэффициент Берга, θ = 90˚.
Рассчитаем постоянный ток, потребляемый коллекторной цепью транзистора
Ik0 = α0(θ)∙ ik max = 0.318 ∙ 8 = 2.54 А, (2.8)
где α0(θ) – коэффициент Берга, θ = 90˚.
Найдем мощность первой гармоники:
P1 = Ik1 ∙ Uk1 / 2 = 4 ∙ 16 / 2 = 32 Вт. (2.9)
Определим мощность, потребляемую от источника питания:
P0 = Ik0 ∙ Eп = 2,54 ∙ 20 = 50,8 Вт. (2.10)
Рассчитаем мощность, рассеиваемую на активном элементе:
Pрас = Р0 – Р1 = 50,8 – 32 = 18,8 Вт. (2.11)
Найдем К.П.Д. усилителя:
η = Р1 / Р0 = 32 / 50.8 = 0,63, т.е 63%. (2.12)
Определим амплитуду управляющего заряда:
Qy1 = ik max / [ωгр ∙ (1- cos θ)]= 8 / [2 ∙ π ∙ 100 ∙ 106 ∙ (1- cos 90˚)] = 1,2 ∙ 10-8 Кл (2.13)
где ωгр – граничная частота работы транзистора, θ – угол осечки коллекторного тока.
Найдем постоянную составляющую напряжения эмиттерного перехода:
Uэп = uотс – γ0 (π –θ) ∙ Qy1 /Cэ = 1 – 0.5 ∙ 12 ∙ 10-9 / 2300 ∙ 10-12 = -0.76 В, (2.14)
где uотс – напряжение отсечки, γ0 – коэффициент Берга, Cэ – емкость эмиттерного перехода.
Определим минимальное мгновенное напряжение на эмиттерном переходе:
uэ min = uотс – (1 – cos (π –θ)) ∙ Qy1 / Cэ = 1 – 12 ∙ 10-9 / 2300 ∙ 10-12 = – 4.5 В. (2.15)
Рассчитаем выходное сопротивление транзистора:
Rk = Uk1 / Ik1 = 16 / 4 = 4 Ом. (2.16)
Определим коэффициент, показывающий во сколько раз увеличивается входная емкость транзистора за счет паразитной емкости коллекторного перехода
ж = 1 + γ1 (θ) ∙ ωгр∙ Ск ∙Rk = 1 + 0.5 ∙2 ∙ π ∙ 100 ∙ 106 ∙ 180 ∙ 10-12 ∙ 4 = 1,0 (2.17)
где Ск – емкость коллекторного перехода.
Найдем амплитуду первой гармоники тока базы с учетом тока через емкость Ск:
Iб = ω ∙ Qy1 ∙ ж = 2 ∙ π ∙ 27 ∙ 106 ∙ 12 ∙ 10-9 ∙ 1,0 = 2.036 A. (2.18)
Рассчитаем сопротивление корректирующего резистора, подключаемого параллельно входу транзистора, служащего для симметрирования импульсов коллекторного тока:
RЗ = 1 / ωβ ∙ Cэ = 1 / (2 ∙ π ∙ 3,4 ∙ 106 ∙ 2300 ∙ 10-12)= 23,1 Ом, (2.19)
где ωβ – частота, на которой модуль коэффициента усиления тока в динамическом режиме уменьшается в √2 раз по сравнению со статическим режимом. ωβ находится по формуле ωβ = ωгр / B, где В – средний коэффициент усиления тока (30…40).
Определим мощность, рассеивающуюся на корректирующем сопротивлении:
= 0,295 Вт. (2.20)
Найдем входное сопротивление транзистора:
Rвх = γ1 (θ) ∙ ωгр∙ Lэ / ж = (0.5 ∙2 ∙ π ∙ 100 ∙ 106 ∙ 1 ∙ 10-9)/ 1 = 0.34 Ом, (2.21)
где Lэ – индуктивность эмиттерного вывода транзистора.
Определим мощность, обусловленную прямым прохождением мощности в нагрузку через Lэ и связанную с Rвх
P’’вх =I2б1 ∙ Rвх / 2 = (2,0362 ∙ 0.34) / 2 = 0.705 Вт. (2.22)
Рассчитаем входную мощность, требуемую для обеспечения заданной выходной мощности:
Pвх = P’вх + P’’вх = 0.295 + 0,705 = 1 Вт. (2.23)
Найдем коэффициент передачи по мощности усилителя:
Kp = (P1 + P’’вх) / Pвх = (32 + 0.705) / 1 = 32,705 (2.24)
Определим входную индуктивность усилителя:
Lвх = Lб + Lэ / ж = (1 ∙ 10-9 + 2 ∙ 10-9)/ 1 = 3 нГн, (2.25)
где Lб – индуктивность базового вывода транзистора (справ.).
Рассчитаем входную емкость усилителя:
Свх = ж ∙ Сэ / γ1 (π – θ) = (1 ∙ 2300 ∙ 10-12)/ 0,5 = 4,6 нФ. (2.26)
Найдем усредненное за период колебаний сопротивление коррекции Rпар.
Rпар = RЗ ∙ γ1 (π – θ) = 23,1 ∙ 0.5 = 11,55 Ом. (2.27)