1.2. Разработка структурной схемы передатчика

Рекомендуемая ниже последовательность разработки структурной схемы передатчика применима к относительно узкому классу передатчиков, а именно к передатчикам радиостанций низовой связи с угловой модуляцией, с рабочей полосой и с коэффициентом перекрытия

.

Для широкополосных передатчиков данная последовательность может быть использована с необходимыми поправками. В частности эти поправки можно найти в [2,4,7,8 ].

При коэффициенте перекрытия по частоте выходной усилитель мощности и относительно мощные каскады предварительного усилителя могут выполняться с цепями согласования (ЦС) на основе резонансных контуров. Расчет целесообразно проводить на средней частоте диапазона . Для получения хороших эксплуатационных характеристик передатчика желательно отказаться от настройки ЦС в процессе эксплуатации и работать без перестройки в пределах полосы пропускания.

При работе ЦС без перестройки возникает неравномерность отдачи мощности по рабочему диапазону частот из-за изменения сопротивления нагрузки на активные элементы (АЭ) каскадов, вызванной неравномерностью амплитудно-частотной характеристики передатчика в целом. Основную неравномерность вносят ЦС ВУМ. Цепи согласования предварительных усилителей тоже могут оказать существенное влияние на АЧХ передатчика. По этой причине требование ТУ на неравномерность отдачи мощности по диапазону распределяется между отдельными усилителями, исходя из соотношения

.

Большая часть неравномерности, оговоренной в ТУ, отводится на ВУМ, примерно 70%, остальная часть на ПК1 (примерно 20%) и другие каскады передатчика. Это достигается выбором в каскадах предварительного усиления ЦС с широкополосностью большей, чем в ВУМ.

Есть и другие причины появления неравномерности отдачи мощности по диапазону. В частности такой причиной является уменьшение с ростом частоты коэффициента усиления транзисторов по току. Для устранения этого явления в не перестраиваемых усилителях в базовой цепи включают цепи коррекции, коэффициент передачи по току которых растет с ростом частоты [2,4]. Совместное действие транзистора и цепи коррекции выравнивает коэффициент усиления каскада по току. В узкополосных усилителях с коэффициентом перекрытия к подобным мерам прибегают редко.

Расчет структурной схемы усилительного тракта передатчика выполняется в следующей последовательности:

1. Определяется номинальная мощность передатчика.

.

2. Делается поправка на мощность передатчика, обусловленную допустимой величиной рассогласования в фидере

.

3. По заданной степени ослабления высших гармоник определяется требуемая фильтрующая способность ЦС ВУМ.

Расчет рекомендуется проводить для второй, наиболее сильной, гармоники рабочей частоты. Если сопротивление нагрузки по первой и второй гармоникам предполагается одинаковым, то коэффициент фильтрации можно рассчитать по формуле

.

4. При передаче мощности от активных элементов ВУМ через ЦС к оконечной нагрузке неизбежно появляются потери. Количественно они оцениваются с помощью коэффициента полезного действия (КПД) цепей согласования.

где - мощность, которая генерируется активными элементами (АЭ) ВУМ.

Синонимом КПД является коэффициент передачи ЦС по мощности, поскольку

.

КПД цепей согласования всегда меньше единицы.

Если между АЭ ВУМ и оконечной нагрузкой включено несколько устройств, выполняющих самостоятельные задачи, например, согласование, фильтрацию, суммирование мощностей и т. д., то общий КПД является результатом перемножения коэффициентов передачи отдельных составных частей

.

Резонансные ЦС, выполненные на основе связанных контуров, всегда выполняют две функции: согласование и фильтрацию, и в этом их несомненное достоинство. Однако фильтрующая способность ЦС и ее КПД находятся в противоречии: с повышение фильтрующей способности ЦС ее КПД уменьшается. В передатчиках радиостанций низовой связи с чаще всего используются ЦС в виде двух (реже трех) связанных контуров. Общий коэффициент фильтрации ЦС и КПД из n связанных контуров на резонансной частоте определяются соотношениями

, ,

где и - коэффициенты фильтрации и передачи по мощности, которые обеспечивают отдельные контуры.

На рис.1.4 представлен график зависимости КПД ЦС от фильтрующей способности для ЦС в виде двух связанных контуров. По этим графикам, исходя из требования по фильтрации, можно приблизительно оценить предельно допустимую величину КПД цепи согласования. Верхняя граница соответствует контурам с лучшей фильтрующей способностью (резонансные контуры типа ФНЧ), нижняя граница соответствует параллельным контурам с меньшей фильтрующей способностью (резонансные контуры типа ФВЧ).

Рис.1.2. Ориентировочная связь между КПД и фильтрующей способностью двух связанных контуров

Из рисунка видно, что при достижении коэффициента фильтрации более 1600 КПД ЦС становится меньше 0.7. Однако из практических соображений КПД ЦС меньше 0.7 принимать не целесообразно. Слишком большие потери колебательной мощности в цепи согласования. Правильнее увеличить число связанных контуров до трех. Это позволит получить требуемую фильтрацию высших гармоник при более высоком КПД ЦС.

4.Если в ВУМ используется принцип суммирования мощности отдельных модулей, то следует иметь в виду, что в устройствах суммирования тоже имеют место потери. Они обусловлены разбросом амплитуд и фаз суммируемых сигналов по отношению к поминальному их значению, а также потерями в собственных элементах устройств. КПД суммирующих устройств можно принять равным 0.95. Если суммирующих устройств , то общий КПД суммирующих устройств составит (0.95)ⁿ.

5. Исходя из выбранного КПД ЦС и КПД суммирующих устройств, рассчитывается общий коэффициент передачи по мощности пассивных цепей ВУМ

и мощность, которую необходимо получить от ВУМ

.

6. Выбирается тип активных элементов ВУМ.

Активные элементы ВУМ составляют обширный класс генераторных приборов. При рабочих частотах до (1÷2) ГГц чаще всего используются генераторные транзисторы или лампы.

При мощностях передатчиков до 1 кВт предпочтение отдается транзисторам. Именно на такой выбор АЭ ориентировано задание по курсовому проекту. Поэтому далее под АЭ будет подразумеваться транзистор.

7. Выбирается конкретный тип транзистора. Основанием для выбора служат требуемая мощность , диапазон рабочих частот , класс работы АЭ, способность выдерживать кратковременные рассогласования с нагрузкой, стоимость. Выбор проводится по справочной литературе. Рекомендуемое соотношение между мощностью транзистора , указанной в справочнике, и мощностью , которую от него следует получить,

.

Это делается с целью повышения надежности генераторного каскада.

Если транзисторы с требуемой мощностью отсутствуют, но имеются подходящие транзисторы меньшей мощности, можно рекомендовать объединение транзисторов в виде параллельного или двухтактного соединения в одном каскаде.

В случае объединения транзисторов в одном каскаде следует создать небольшой запас по суммарной мощности, чтобы учесть влияние разброса параметров транзисторов.

.

Согласно [2,5], объединение в одном каскаде более двух-трех транзисторов не желательно. При большем количестве транзисторов целесообразнее использовать модульный принцип построения ВУМ, который заключается в суммировании мощности готовых модулей в общей нагрузке. В каждом модуле может быть использован один транзистор, либо несколько транзисторов соединенных по параллельной, либо двухтактной схеме.

Рис.1.3.

Энергетические расчеты усилителей мощности проводят на мощность, которую должен отдавать один транзистор. Эта мощность определяется по формуле

,

где - число модулей ВУМ, - число транзисторов в модуле.

8. Выбирается класс работы активных элементов ВУМ и режим работы усилителя.

В передатчиках с УМ амплитуда ВЧ колебания постоянна. Поэтому в ВУМ предпочтение отдается классу «В» и критическому режиму работы. В этом классе и режиме работы электронный КПД ВУМ достигает 72%. Кроме того, в классе «В» коэффициент Берга по третьей гармонике равен нулю. Следовательно, третья гармоника в нагрузке будет отсутствовать.

Под электронным КПД ВУМ и любого каскада понимают

,

где - мощность, потребляемая по коллекторной цепи от источника питания.

Особенно желателен выбор класса «В» при выполнении ВУМ по двухтактной схеме. В этом случае за счет симметрии схемы в общей нагрузке, кроме третьей гармоники, имеет место компенсация всех четных гармоник и, прежде всего, второй и четвертой. Двухтактную схему с классом работы «В» именуют квазилинейной схемой, поскольку она даже без фильтрующих цепей позволяет получить в нагрузке сигнал близкий к синусоидальной форме.

9. Рассчитывается ориентировочный коэффициент усиления ВУМ по мощности.

В справочном материале на транзистор часто приводятся коэффициенты усиления по мощности на некоторой типовой частоте и рекомендуемый класс работы. Для оценки коэффициента усиления ВУМ по мощности на рабочей частоте можно воспользоваться формулой, рекомендованной в [8,9].

.

Если в справочнике отсутствуют сведения по типовому значению , но приводится коэффициент усиления транзистора по току на типовой частоте , то коэффициент усиления по мощности транзистора можно оценить, приняв во внимание следующие обстоятельства.

В области высоких частот для выбранного транзистора, когда , справедливым является следующее соотношение

.

При работе транзистора ВУМ в критическом режиме коэффициент усиления по мощности каскада можно рассчитать по формуле

,

где - критическое сопротивление нагрузки по коллекторной цепи, - реальная часть входного сопротивления транзистора ВУМ. Каждое из этих сопротивлений определяется из соотношений

.

В приведенных формулах – напряжение коллекторного питания, - распределенное сопротивление базы транзистора, - коэффициент разложения косинусоидальной импульсной последовательности, - колебательная мощность, отбираемая от одного транзистора. Для углов отсечки (80÷90)⁰ коэффициент . В результате формула для оценки принимает вид

.

Если величина в справочнике не приводится, то в соответствии с рекомендациями [8] можно рассчитать по формуле

,

где - емкость коллектора транзистора и постоянная времени коллекторной цепи соответственно. Обе эти величины приводятся в справочной литературе; - коэффициент, который для многоэмиттерных транзисторов принимают равным двум.

Для полевых транзисторов при оценке вместо сопротивления используется сумма сопротивлений затвора и канала .

10. Рассчитывается мощность, которую должен генерировать первый предоконечный каскад (ПК1) блока предварительного усиления

,

где - КПД цепи согласования первого предоконечного каскада. При расчетах его значение целесообразно принять равным (0.8÷0.9).

Если для возбуждения АЭ ВУМ использовалось устройство деления мощности, то при оценке необходимо учесть КПД делителя мощности , приняв его значение (0.92÷0.95).

.

В числитель приведенного соотношения должна быть подставлена мощность всего ВУМ

11. Выбирается класс и режим работы ПК1. При выборе можно воспользоваться следующими рекомендациями.

Если мощность на порядок (и более) меньше мощности ВУМ, то целесообразным следует считать выбор класса «А». Достоинствами этого класса работы являются наибольший коэффициент усиления по мощности в сравнении с другими классами и малый уровень высших гармоник в токе выходного электрода. В идеальном случае высшие гармоники в токе выходного электрода вообще отсутствуют. Первое достоинство позволяет уменьшить число каскадов в тракте ВЧ предварительного усиления, второе - существенно упрощает задачу построения цепи согласования ПК1. Малый вес гармоник в токе выходного электрода АЭ делает возможным использование в ПК1 цепей согласования с малой избирательностью и большой широкополосностью. Неравномерность АЧХ таких цепей в рабочей полосе частот передатчика незначительна, и влиянием ее на АЧХ передатчика в целом можно пренебречь.

Недостатком класса «А» является низкий электронный КПД каскада. Его предельная величина не превышает 45%. Это несколько снижает промышленный КПД передатчика, но снижение будет незначительным за счет малого энергопотребления ПК1 в сравнении с ВУМ. Кроме того, снижение промышленного КПД будет ослаблено за счет сокращения числа предшествующих каскадов усиления.

Если мощность отличается от мощности ВУМ менее чем на порядок, то целесообразность выбора класса «А» становится сомнительной. Низкий КПД класса «А» и, как результат, большое энергопотребление ПК1 может существенно снизить промышленный КПД передатчика в целом, увеличить его габаритные размеры и массу. Если это не желательно, то для первого промежуточного каскада можно рекомендовать выбор класса «АВ». В классе «АВ» с углом отсечки электронный КПД каскада составляет величину порядка (60-65)%, т.е. меньше чем в классе «В». Однако положительным моментом следует считать то, что уровень второй гармоники в классе «АВ» почти в два раза меньше, чем в классе «В». Это облегчает выполнение задачи фильтрации. Согласно [2,5], для цепи согласования ПК1 считается достаточным требование подавления высших гармоник порядка (- 30дБ). С этой задачей легко справляются относительно простые согласующие устройства.

12. Выбирается конкретный тип транзистора для ПК1. Основанием для выбора служат требуемая мощность , диапазон рабочих частот , выбранный класс работы АЭ ПК, стоимость. Выбор проводится по справочной литературе. Рекомендуемое соотношение между типовой мощностью транзистора и мощностью, которую необходимо получить от ПК1, имеет вид

.

Для маломощных транзисторов типовая мощность не приводится. Однако оговаривается значение предельно допустимой мощности рассеяния . Если выбран классе работы каскада, то ориентируясь на его электронный КПД , можно рассчитать максимальную колебательную мощность, которую можно отобрать от транзистора

.

Она должна быть не менее чем на (30-40)% больше мощности .

.

13. Выбирается тип цепи согласования ПК1 по коллекторной цепи.

При выборе типа ЦС необходимо принять во внимание рабочую полосу частот, выбранный класс работы АЭ степень подавления высших гармоник, рассчитанный ранее КПД . Из эксплуатационных соображений ЦС предварительного усилителя всегда выполняется без перестройки.

Если , в [2,5,8] рекомендуется использовать простейшие Г- Т-, П- цепочки. Схемы этих цепей и методика их расчета изложены в § 3.6, 4.2 [5]. На рис.1.4 показан пример использования ПК1 с трансформирующей Т-цепочкой. В ее состав входят емкости С1,С2 и индуктивность L1.

Рис.1.4. Схема межкаскадного согласования с помощью трансформирующей Т-цепи

При целесообразнее применять более широкополосные согласующие цепи, например, цепи, выполненные на основе понижающего ФНЧ - трансформатора. Понижающий ФНЧ– трансформатор - это последовательное соединение нескольких Г-цепочек CL-типа (рис.1.5).

Рис.1.5. Схема межкаскадного согласования с помощью двухзвенного понижающего ФНЧ - трансформатора

Многозвенные ФНЧ–трансформаторы, кроме задачи трансформации, успешно решают задачу фильтрации. Степень подавления высших гармоник, которую они могут обеспечить, достигает (30-40)дБ. Этого вполне достаточно для большинства промежуточных каскадов, использующих как линейные, так и нелинейные классы работы АЭ. Методика расчета ФНЧ– трансформаторов изложена в [5], § 4.3.

14. Рассчитываются ориентировочный коэффициент усиления по мощности АЭ ПК1 и мощность, требуемая для возбуждения ПК1.

Расчета коэффициента усиления по мощности ПК1 выполняется по методике, изложенной в п.9.

Следует только учесть, что при выборе нелинейного класса «АВ» функцию надо рассчитать для угла отсечки , а при выборе класса «А» - принять равной единице. Требуемая для возбуждения ПК1 мощность определяется соотношением

.

15. Рассчитывается число каскадов ВЧ тракта передатчика, предшествующего ПК1.

В целях унификации возбудители передатчиков проектируются на уровень сигнала на выходе из расчета (0.5…1)В при сопротивлении нагрузки 50 Ом. Это соответствует мощности сигнала возбудителя =(2.5…10)мВт. Принимая во внимание сложность идеального согласования выхода возбудителя с последующим ВЧ трактом, целесообразно принять равной 2,5мВт. Следовательно, коэффициент усиления по мощности всех каскадов ВЧ тракта должен быть не менее

.

16. Выбор класса и режима работы каскадов ВЧ тракта предварительного усиления.

Поскольку мощность возбуждения ПК1 на два и более порядков меньше мощности передатчика, то во всех дополнительных каскадах предварительного усиления целесообразно выбирать линейный класс работы, т.е. класс «А», а режим работы - недонапряженный (в пределах линейного участка проходной характеристики). Электронный КПД таких усилителей не велик. У наиболее мощных он не превышает (20…25)%, а у маломощных - 10%. Однако из-за малого энергопотребления таких усилителей их влияние на снижение промышленного КПД передатчика незначительно.

17. Выбор схемы построения каскадов предварительного усиления.

Цепь согласования последнего наиболее мощного каскада ВЧ тракта может быть выполнена аналогично ЦС ПК1. Нагрузкой цепи является входное сопротивление транзистора ПК1. Коэффициент полезного действия такой ЦС можно принять равной

.

Однако чаще маломощные промежуточные каскады выполняются по схеме усилителей с резистивной нагрузкой (рис.1.6). Такие усилители не содержат трансформирующих цепей. Нагрузкой по коллекторной цепи в таких каскадах является коллекторный резистор и входное сопротивление последующего каскада. Влиянием делителя R4,R5 в первом приближении можно пренебречь. Достоинством резистивных усилителей является простота схемной реализации и большая широкополосность. При необходимости ширину рабочей полосы можно увеличить с помощью цепей коррекции. Недостатками резистивных усилителей следует считать относительно малый коэффициент усиления по мощности и низкий электронный КПД. Коэффициент усиления по мощности таких усилителей можно оценить по формуле

Рис.1.6. Схема резистивного усилителя

, .

В приведенном соотношении коэффициент 0.5 учитывает потери мощности на резисторе , - активные составляющие входного сопротивления транзисторов VT(i) и VT(i+1). Отношение , как правило, меньше единицы. Поэтому оценочная формула для резистивного усилителя принимает вид

.

Количество каскадов ВЧ тракта усиления находится из соотношения

и округляется до большего целого числа.

Электронный КПД резистивных усилителей мал. Для приблизительной оценки промышленного КПД передатчика его можно выбирать из соотношения

.

Кроме транзисторов в маломощной части ВЧ тракта передатчика могут использоваться операционные усилители. Последние годы их номенклатура и частотный потолок значительно возросли. В [31] приводится обширный материал по операционным усилителям

Замечание 1. Пожелания в п.17 носят рекомендательный характер. В каждом конкретном случае разработчик может принимать свое решение, обосновывая его какими-то соображениями. Такими соображениями могут быть, например, уменьшение числа каскадов усиления за счет лучшего согласования, нежелание занижать промышленный КПД передатчика, трудность реализации класса «А» с требуемой линейностью и другие.

Замечание 2. Иногда промежуточные каскады усиления ставят в режим умножения частоты. Такое техническое решение позволяет снизить частоту возбудителя, повысить устойчивость работы передатчика за счет разноса по частоте отдельных каскадов ВЧ тракта. Однако умножители частоты целесообразнее использовать при работе передатчиков на фиксированных частотах. При работе умножителя частоты в диапазоне частот возникают существенные трудности построения их цепей согласования с требуемой степенью подавления нерабочих гармоник и, прежде всего, наиболее сильной первой гармоники. При недостаточной степени подавления первой гармоники в каждом последующем каскаде умножения частоты и в мощных каскадах усиления возникают биения, обусловленные нелинейным режимом работы этих устройств. В результате в излучении передатчика появляются так называемые субгармонические составляющие, размещающиеся на частотной оси как ниже, так и выше основной рабочей частоты. Борьба с этим видом побочных составляющих передатчика в тракте усиления практически не возможна. Кроме того, коэффициенты усиления по мощности умножителей частоты значительно меньше, чем в режиме усиления. Это приводит к увеличению числа каскадов в ВЧ тракте. Все сказанное сдерживает использование умножителей частоты в блоке предварительного усиления.