Выбор и обоснование структурной схемы

Технические требования к проекту

После постановки задачи проектирования следующим этапом работы является составление технических требований на проектируемое передающее устройство или его отдельный блок в соответствии с назначением, заданными техническими характеристиками, а также действующими стандартами, нормами и правилами. Основные технические требования определяются назначением передатчика. При курсовом проектировании в большинстве случаев рассматриваются передатчики, предназначенные для следующих целей:

- магистральной радиосвязив декаметровом (коротковолновом) диапазоне волн; спутниковой радиосвязи (наземный или бортовой передатчики); радиорелейных линий прямой видимости;

- низовой народнохозяйственной связи в декаметровом диапазоне с однополосной модуляцией (ОМ), в метровом или дециметровом диапазоне с частотной модуляцией (ЧМ);

- для связи подвижных объектов: судов, самолетов, железнодорожного или автомобильного транспорта (бортовой или стационарный передатчики);

- радиолокации (стационарный, передвижной, бортовой передатчики с импульсным или с непрерывным излучением);

- телеметрии, телеуправления.

Помимо передатчиков, предназначенных для указанных целей, в качестве тем курсового проектирования могут также предлагаться передатчики специального назначения (или их блоки), входящие в состав сложных радиосистем. Также темы предлагаются, как правило, при выполнении курсовых проектов на радиопредприятиях.

Как отмечалось, технические требования на передатчик конкретного назначения определяются действующими нормами и стандартами. Основные нормы и стандарты на различные радиопередатчики и на радиосистемы, в состав которых входят передатчики, приведены в библиографическом списке.

В состав важнейших технических требований на радиопередатчик входят следующие показатели:

1. Мощность в нагрузке (антенне или антенном фидере) с учетом допустимого отклонения мощности от номинальной в диапазоне частот при изменении питающих напряжений и условий эксплуатации.

2. Диапазон рабочих частот с учетом характера его перекрытия (плавный или дискретный), шаг сетки частот; допустимая нестабильность частот.

3. Вид (виды) модуляции или манипуляции (последние – с учетом скорости манипуляции).

4. Качественные показатели передатчика, такие как полоса модулирующих частот и допустимые частотные искажения, глубина модуляции и допустимые нелинейные искажения, ширина занимаемой полосы частот, уровень шума и фона, паразитная модуляция, величина излучения в паузах и другие показатели в соответствии с видом модуляции или манипуляции.

5. Допустимый уровень побочных и внеполосных излучений.

6. Волновое сопротивление антенного фидера, минимально допустимый КБВ фидера или входное сопротивление антенны, которое необходимо знать при непосредственном подключении антенны к передатчику. Для ряда типов антенн частотные зависимости активной и реактивной составляющих входного сопротивления приведены в Приложении 1, а в Приложении 2 приведены формулы для расчета входного сопротивления некоторых простейших вибраторных антенн.

7. Вид источника питания (местная электросеть, бортовая сеть подвижного объекта, аккумулятор и т. д.), стандартная величина и степень нестабильности напряжения питания.

8. Промышленный (полный) КПД, если он указан в стандарте на передатчик такого же назначения, что и проектируемый.

9. Условия эксплуатации: климатические требования, механические нагрузки, наличие проникающей радиации и другие показатели, определяемые назначением передатчика. В соответствии с условиями его работы или транспортировки задаются также частота смены рабочих частот, допустимые затраты времени на перестройку и переключение и т.п.

Кроме вышеперечисленного, в технические требования могут входить и требования по надежности, ремонтопригодности, весу, габаритам и другие характеристики в соответствии со спецификой проектируемого устройства.

При составлении технических требований необходимо обеспечить взаимное соответствие их различных разделов.

В условиях учебного проектирования иногда возникает необходимость частичного отступления от требований стандартов и норм. Например, для большего разнообразия тем курсовых проектов может быть задана мощность передатчика, не предусмотренная стандартом.

Одной из разновидностей тем курсовых проектов может быть задача проектирования передатчика того или иного назначения с более детальной разработкой одного из его блоков, например возбудителя, импульсного модулятора, антенно-согласующего устройства и др. В этом случае в дополнение к техническим требованиям, перечисленным выше, должны быть указаны специфические показатели, характеризующие данный блок. В частности, для возбудителя необходимо указать следующие требования:

- эффективное значение выходного напряжения возбудителя на сопротивлении нагрузки (50 или 75 Ом);

- допустимый уровень фазовых шумов;

- допустимый уровень побочных гармонических и комбинационных спектральных составляющих;

- время переключения частот (быстродействие).

После составления технических требований и проверки их руководителем курсового проектирования студент приступает к рассмотрению возможных путей реализации этих требований и выбору оптимального варианта.

Выбор ведется путем сравнения разных принципов построения передатчиков, известных из теории, с учетом практических результатов, достигнутых в известных типовых передатчиках, применительно к конкретным условиям выполняемого проекта. Исходным материалом этого сравнения являются функциональные схемы типовых передатчиков, приведенные в соответствующих разделах учебников и учебных пособий [1.1 – 1.16]. Для этой цели можно использовать также описания промышленных передатчиков, радиолюбительских конструкций и другую специальную литературу [1.17–1.44].

В пояснительной записке к проекту обязательно производится сравнительный анализ основных вариантов структурных схем, указываются причины выбора одной из них и отклонения других.

Составление структурной схемы передатчика – ответственная часть работы над проектом, требующая от студента творческого применения знаний из общей теории данного курса и критического анализа известных схем радиопередатчиков.

Структурная схема реализует представление о том, каким будет проектируемое устройство. В процессе ее составления решаются основные вопросы, определяющие принцип построения передатчика:

- выбирается способ построения радиочастотного тракта (широкополосный или с перестройкой по частоте);

- определяется принцип построения тракта радиочастоты (однокаскадная схема или многокаскадная, с преобразованием частоты или без, с применением умножителей частоты или с использованием прямого усиления и т.п.);

- выбирается принцип построения модуляторного устройства (вид и способ реализации модуляции; тип накопителя и коммутатора в импульсных модуляторах и т.д.);

- определяется принцип построения возбудителя, решается вопрос о способе обеспечения заданной стабильности частоты;

- производится выбор элементной базы – активных элементов (микросхем, транзисторов, ламп).

При выборе метода (архитектуры) построения тракта радиочастоты возможны три основных варианта:

- «классический» метод многоступенчатого построения, то есть усиление высокостабильных колебаний маломощного возбудителя;

- метод сложения мощностей нескольких генераторов радиочастоты, построенных на маломощных электронных приборах;

- построение передатчика в виде мощного автогенератора (например магнетронного), работающего непосредственно на антенно-фидерный тракт.

При выборе способа модуляции или манипуляции и места расположения в передатчике соответствующего блока следует учитывать, что для передатчиков с амплитудной модуляцией можно использовать анодную (коллекторную) модуляцию, модуляцию смещением на управляющую сетку (базу) или их разновидности. Для повышения промышленного КПД АМ-передатчиков желательно применять анодную (коллекторную) модуляцию в выходных каскадах.

В однополосных передатчиках формирование однополосного сигнала реализуется фильтровым (многократной балансной модуляцией с последующей фильтрацией), фазокомпенсационным, фазофильтровым и другими способами. Здесь следует с самого начала определить число балансных преобразователей, типы фильтров после каждого преобразователя (кварцевые, электромеханические и т.д.), значения поднесущих частот.

Для передатчиков с частотной модуляцией выбрать прямой или косвенный метод получения модулированных колебаний, способ достижения заданной стабильности средней частоты (например, при прямом методе возможно применение фазовой или частотной автоподстройки частоты, преобразование частоты и т.д.).

Для импульсных передатчиков с анодной или сеточной импульсной модуляцией необходимо решить вопрос о типах накопителя энергии и коммутирующего элемента.

При выборе принципа построения возбудителя передатчика следует определить, как обеспечить выполнение технических требований по допустимой нестабильности частоты, характеру перекрытия рабочего диапазона (плавный или дискретный) и количеству рабочих частот (шагу сетки частот). Тщательного обоснования требует выбор способа обеспечения заданной стабильности частоты. При этом следует руководствоваться следующими общими положениями:

- выходная мощность возбудителя составляет 20...50 мВт;

- частота задающего генератора для обеспечения высокой ее стабильности не должна превышать 3...10 МГц; если используется кварцевая стабилизация, то частоту колебаний не рекомендуется брать выше 15...35 МГц при работе на основной гармонике кварца; при использовании механических гармоник рабочая частота задающего генератора может достигать 200...250 МГц;

- для получения стабилизированных по частоте радиосигналов в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн используются генераторы с резонаторами, например диэлектрическими, которые интегрированы в один корпус с остальными элементами генератора;

- плавная перестройка частоты в возбудителях с кварцевой стабилизацией реализуется с помощью интерполяционной схемы или схемы с преобразователем частоты;

- при малом количестве фиксированных рабочих частот можно использовать возбудитель со сменными кварцами (схема «кварц-волна»);

- получение сетки частот осуществляется с помощью синтезаторов частоты, в которых стабильность частоты вырабатываемых колебаний определяется стабильностью частоты опорного (кварцевого) генератора.

Если заданным техническим требованиям удается удовлетворить только при использовании в качестве возбудителя синтезатора частот, то необходимо выбрать способ формирования сетки частот (прямой, косвенный или цифровой синтез частот), составить структурную схему, рассчитать значения опорных частот, определить частоту эталонного кварцевого генератора. В этом случае рекомендуется использовать соответствующие разделы учебников и учебных пособий или специальную литературу. Учитывая, что составление и расчет структурной схемы синтезатора требует значительного объема работы, студентам, проектирующим такой возбудитель, объем расчетной части проекта по указанию преподавателя может быть снижен.

При проектировании связных передатчиков большой и средней мощности необходимо по возможности использовать типовые возбудители и опорные кварцевые генераторы. Параметры некоторых из них приведены в [2.2; 2.6].

Определяя значение рабочих частот возбудителя, следует учитывать возможность включения в высокочастотный тракт передатчика умножителей частоты. Помимо снижения рабочих частот возбудителя, умножители позволяют развязать его каскады с последующими каскадами усиления мощности передатчика и тем самым повысить устойчивость его работы. При использовании умножителей определяется их количество, принцип действия, место в структурной схеме, коэффициент умножения частоты каждого умножителя. Следует иметь ввиду, что использование умножителей частоты приводит к снижению промышленного КПД передатчика, повышению уровня амплитудных и фазовых шумов, поэтому рекомендуется умножение частоты производить на малых уровнях мощности и коэффициент умножения брать не более 3 на каскад.

Путем технико-экономического анализа определяются каскады, где целесообразно применение полупроводниковых приборов, а где – электронных ламп или специальных электронных приборов СВЧ. Здесь необходимо обратить внимание на следующее обстоятельство. Полупроводниковые приборы (транзисторы) в радиопередатчиках не имеют таких бесспорных преимуществ перед радиолампами, как в приемных, вычислительных и других маломощных устройствах. Сравнение энергетических характеристик ламповых и транзисторных усилителей с учетом потребления энергии вспомогательными цепями (накал у ламп, охлаждение ламп или транзисторов) не дает оснований полагать, что у полностью транзисторного передатчика промышленный коэффициент полезного действия будет выше, чем у лампового. Кроме того, у транзисторных усилителей радиочастоты трудно достичь линейности, необходимой, например, в магистральных передатчиках при усилении однополосного сигнала.

Полная замена ламп транзисторами приводит к уменьшению габаритов и массы лишь в маломощных передатчиках (с мощностью выхода не более 10...100 Вт). В передатчиках большой и средней мощности габариты и масса в основном определяются деталями цепей согласования, колебательных систем и радиаторами охлаждения. Поэтому применение транзисторов здесь не приводит к существенному выигрышу в массе и габаритах и бесспорно оправдано лишь в маломощных каскадах.

Перед выбором конкретных типов электронных приборов (ламп, транзисторов) для отдельных каскадов необходимо (хотя бы предварительно) установить их вид. Потому на следующем этапе выбирается схема для каждого каскада: резонансная или апериодическая (широкополосная), на элементах с сосредоточенными параметрами или на отрезках длинных линий (двухпроводных, коаксиальных или полосковых), с общим катодом или общей сеткой (общим эмиттером или общей базой) и т.д. Указывается способ обеспечения устойчивости усилителей (генераторов с внешним возбуждением) при выбранной схеме. Определяется возможность и целесообразность использования в трактах высокой и модулирующей частот типовых элементов, функциональных узлов, модулей, микросхем.

Конкретно выбирается тип выходной колебательной системы (ВКС) передатчика, обеспечивающей согласование выходного сопротивления электронного прибора оконечного каскада со входным сопротивлением антенны (антенного фидера) и заданную степень подавления побочных излучений: одиночный резонансный контур (объемный резонатор), связанные контура, переключаемые многозвенные фильтры и т.п., выясняется необходимость использования отдельного антенно-согласующего устройства. Для фильтрующе-согласующих цепей резонансного типа определяется способ настройки (вариометром, конденсатором переменной емкости, изменением длины линии) или обосновывается возможность применения резонансной ВКС без перестройки элементов (при узком диапазоне рабочих частот).

После выбора типа выходной колебательной системы оценивается величина потерь мощности в ней и ее КПД, ориентировочные значения которого для передатчиков длинных, средних, коротких и ультракоротких волн средней и большой мощности приведены, например, в [2.6; 2.9]. Для маломощных передатчиков этих же диапазонов можно считать, что КПД лежит в пределах от 0,7 до 0,8. Однако необходимо учитывать, что при работе передатчика на простейшие (ненастроенные) антенны (штырь, наклонный луч и т.п.) или на рассогласованный антенный фидер значения КПД могут на отдельных участках рабочего диапазона снижаться до величины 0,3...0,4 и менее. При построении структурной схемы передатчика по принципу сложения мощностей отдельных генераторов следует помнить, что мостовые устройства сложения и распределения мощности имеют КПД порядка 0,8...0,9 и это обстоятельство следует учитывать при определении необходимой номинальной мощности электронного прибора (приборов) выходного каскада, равной

,

где Р _А – мощность, подводимая к антенне или антенному фидеру (коэффициент 1,1...1,2 дает некоторый запас на разброс параметров электронных приборов и непредвиденные потери); η _ВКС и η _МУ – соответственно КПД выходной колебательной системы и мостового устройства.

Конкретный выбор типов полупроводниковых приборов, радиоламп или других активных элементов из ряда пригодных для данного каскада по мощности, частоте, конструктивным особенностям, способу охлаждения и другим показателям производится путем сопоставления их технических и стоимостных показателей и характеристик, приведенных в учебных пособиях [2.5; 2.6; 2.9] и справочной литературе [4.1 – 4.56].

В условиях учебного проектирования подробному электрическому расчету подвергаются не все каскады передатчика. Преподаватель, ведущий проектирование, определяет 2-3 каскада высокой частоты (например, оконечный, предоконечный, модулируемый каскады, автогенератор и др.) и 1-2 относительно низкой частоты (например, модулятор и подмодулятор), для которых в курсовом проекте должен быть произведен расчет режима и узлов. Для этих каскадов, с учетом их схемных особенностей, также необходимо выбрать электронные приборы (лампы, транзисторы, диоды и др.).

Соображение по выбору конкретных типов ламп и транзисторов, возможные значения коэффициентов усиления различных каскадов приведены в учебной литературе [2.5-2.9; 2.13]. Отметим лишь некоторые сведения, необходимые для определения числа промежуточных каскадов транзисторных радиопередатчиков, если выбор типов транзисторов для этих каскадов не производится. В схеме с общим эмиттером коэффициент усиления транзисторов по мощности составляет 2...5 на частотах, близких к предельным, и 30...50 на частотах, много меньше предельных. В схеме включения с общей базой соответственно – 5...10 и 10...20. Заметим, что если в каскаде предполагается умножение частоты в n раз (обычно n = 2 или 3), то во столько же раз следует уменьшить коэффициент усиления по мощности.

В процессе выбора электронных приборов необходимо рассмотреть не менее двух вариантов и указать, почему выбраны одни типы и отклонены другие. Абсолютно недопустимо применение устаревших, запрещенных к применению в новых разработках и, тем более, снятых с производства ламп, транзисторов и других радиокомпонентов.

В случае использования в передатчике электронных приборов СВЧ (ЛБВ, ЛОВ, клистронов, магнетронов и др.) необходимо на основании данных прибора и требований к проектируемому передатчику сформулировать требования к тракту возбуждения усилительного прибора СВЧ (мощность, частота и др.), требования к источникам питания (величины и пределы изменения питающих напряжений для установки индивидуального режима прибора, допустимые их нестабильности и уровни пульсаций), требования к допустимой степени отклонения модулирующего импульса напряжения от прямоугольной формы (длительности фронта и среза, спаду вершины) и др. Характеристики различных типов электронных приборов СВЧ приведены в [2.5; 2.6; 2.10; 2.12].

С учетом возможностей выбранных электронных приборов и схемных решений отдельных каскадов целесообразно стремиться к структурной схеме передатчика, содержащей минимальное число каскадов.

Отметим, что при построении радиочастотного тракта диапазонных передатчиков с перестройкой по частоте эта перестройка осуществляется во всех основных каскадах, начиная от возбудителя и заканчивая выходным каскадом и согласующими фильтрами. Для реализации такого принципа построения необходимо предусмотреть соответствующие элементы перестройки контурных систем (конденсаторы переменной емкости, вариометры) и измерительные приборы для контроля за процессом настройки. При одновременной перестройке нескольких каскадов необходимо обеспечить сопряжение их контурных систем.

В настоящее время наиболее распространенным является широкополосный способ построения тракта радиочастоты, при котором перестройка частоты производится в возбудителе, а затем включаются широкополосные усилители, генераторы и фильтры. Относительная полоса выходных усилителей и антенного фильтра радиочастотного тракта, как правило, не должна превышать октаву с целью подавления высших гармонических составляющих сигнала и субгармоник. Если коэффициент перекрытия по частоте превышает октаву, то диапазон рабочих частот разбивается на поддиапазоны с перекрытием по частоте в каждом не более октавы и при переходе с одного поддиапазона на другой производится переключение октавных антенных фильтров.

Расчет структурной схемы можно начинать от возбудителя, определяя основные энергетические характеристики последующих каскадов до тех пор, пока мощность на входе нагрузки (антенны) не достигнет заданного значения. При другом варианте расчета за исходную величину принимается мощность в нагрузке (антенне) и определяются энергетические характеристики всех предшествующих каскадов до тех пор, пока требуемая мощность на входе буферного каскада (каскада, стоящего после возбудителя) не сравняется с выходной мощностью возбудителя. Последняя обычно составляет 20…50 мВт. Совмещением буферного усилителя с умножителем частоты можно достичь сокращения числа каскадов.

Для снижения степени влияния мощных каскадов на возбудитель и повышения стабильности его частоты, уменьшения вероятности самовозбуждения каскадов передатчика КПД их контурных систем и согласующих цепей рекомендуется выбирать в соответствии с табл. 1.

Таблица 1

Тип каскадов	Буферные	Малой мощности	Средней мощности	Большой мощности
КПД контурной системы	0,05...0,2	0,2...0,4	0,4...0,8	0,8...0,95

Для связи между каскадами в диапазонных передатчиках целесообразно использовать широкополосные трансформаторы. Коэффициент полезного действия таких согласующих цепей лежит в пределах 0,5…0,9.

В процессе составления структурной схемы обязательно производится выбор величины питающих напряжений таким образом, чтобы передатчик, питающийся от сети переменного тока, имел минимальное число выпрямителей, а маломощный транзисторный – питался от одного единственного стандартного аккумулятора или гальванического элемента (в соответствии с условиями использования передатчика). Значения питающих напряжений следует выбирать из ряда стандартных значений [7.1; 7.2]. Для питания транзисторных генераторов и отдельных каскадов: 3; 6; 9; 12; 18; 24; 27; 30; 36; 48 В. Для питания каскадов на электронно-вакуумных приборах: 0,7; 0,8; 1,0; 1,5; 1,8; 2,0; 2,3; 2,5; 2,8; 3,2; 3,5; 4,0; 5,0; 5,5; 6; 7; 8; 9; 10; 11; 12 кВ. Значения напряжений высоковольтных выпрямителей до 0,7 кВ не нормируются. Значения питающих напряжений интегральных микросхем весьма разнообразны и зависят от типа микросхем. Например, выпускаются аналоговые микросхемы с номинальным напряжением питания 2,7; 3,3; 5,0; 6,3; 7,5; 9,0; 12,0 В. При питании от гальванических батарей, аккумуляторов (мобильная аппаратура) величина напряжения выбирается в соответствии с паспортными значениями их ЭДС, а при расчетах учитывается снижение ЭДС батареи в процессе эксплуатации.

Вопросы выбора типов электронных приборов, схемных решений, питающих напряжений решаются взаимосвязано. Например, для получения требуемой выходной мощности каскада при ограниченном выборе электронных приборов (а также из соображений унификации с другими каскадами) может оказаться целесообразным использование двухтактного или параллельного соединения ламп (транзисторов), мостовых схем сложения мощностей.

Результатом расчета структурной схемы передатчика является следующий перечень данных для каждого каскада, включая антенный фильтр и возбудитель:

- мощность, которую должен выработать активный элемент;

- мощность возбуждения (мощность на входе каскада);

- значение частоты (полосы частот) сигнала на входе каскада;

- значение частоты (полосы частот) сигнала на выходе;

- тип активного элемента и его характеристики;

- напряжение источников питания и их количество;

- коэффициент (ориентировочный) усиления каскада по мощности (для фидера – коэффициент затухания);

- коэффициенты полезного действия контурных систем и согласующих цепей, используемых в каскаде.

Следует иметь в виду, что составленная таким образом структурная схема передатчика является предварительной, так как еще отсутствуют точные расчеты каждого каскада. В процессе дальнейшего расчета иногда возникает необходимость корректировки начальной структуры схемы.

Составленная структурная схема (вместе с обоснованиями выбранных проектных решений) представляется на утверждение преподавателю– руководителю проектирования. Структурная схема должна содержать надписи о назначении каждого каскада, типе используемого в нем электронного прибора, схемных особенностях, рабочем диапазоне, питающих напряжениях и и другие данные в соответствии с указанным выше перечнем. По этим материалам руководитель проекта определяет каскады, для которых в курсовом проекте следует произвести полный электрический расчет, а также устройство (узел), подлежащее конструктивному расчету.

Дата добавления: 2015-03-31