московський державний ордена Леніна та ордена ЖОВТНЕВОЇ РЕВОЛЮЦІЇ
авіаційний інститут імені СЕРГО ОРДЖОНІКІДЗЕ
(технічний університет)
факультет радіоелектроніки ла
Кафедра 406
розрахунково-пояснювальна записка до курсового проекту з дисципліни
«радіопередавальні пристрої»
Виконав: Г. В. СУВОРОВ, гр. 04-517
Викладач: тобто м. Добичина
москва
1997
МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ЖОВТНЕВОЇ РЕВОЛЮЦІЇ
АВІАЦІЙНИЙ ІНСТИТУТ імені СЕРГО ОРДЖОНІКІДЗЕ
Факультет радіоелектроніки ЛА (№ 4)
Кафедра 406
ЗАВДАННЯ № 24
На курсовий проект по Радіопередавальні пристрої студенту
Суворову Г. В. навчальної групи 04-517. Видано 13 жовтня 1997 Термінзахисту проекту 22 грудня 1997
Тема проекту:
Модуль АФАРСЬКА
Вихідні дані:
1. Призначення передавача - передавальний модуль;
2. Потужність: Pвих = 0,5 Вт; Pвх? 20 мВт.
3. Діапазон частот: fвих = 0,5 ГГц; fвх = 0,25 ГГц.
4. Характеристика сигналів, що підлягають передачі: ЧС-сигнал.
5. Місце установки - борт ЛА.
6. Rнапр = 50 Ом.
Керівник проекту: Е. М. Добичина
ЗМІСТ
1. Введення. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 4
2. розрахунок Структурною схеми модуля АФАРСЬКА. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .5
3. Методики розрахунку каскадів модуля. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.1. Методика розрахунку режиму транзистора потужного НВЧ підсилювача потужності. . . . . . . . . . .6
3.2. Методика розрахунку режиму транзистора потужного НВЧ помножувача частоти. . . . . . . . . . 11
4. Результати розрахунків. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.1. Розрахунок підсилювача потужності. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
4.1.1. Розрахунок режиму роботи активного приладу (транзистора). . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.1.2. Розрахунок елементів принципової схеми підсилювача потужності. .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2. Розрахунок помножувача частоти. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.2.1. Розрахунок режиму роботи активного приладу (транзистора). . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.2.2. Розрахунок елементів принципової схеми помножувача частоти. .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.3. Розрахунок узгоджуючих ланцюгів. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.3.1. Розрахунок вхідний узгоджувальний Г-ланцюга. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
4.3.2. Розрахунок межкаскадной узгоджувальний Г-ланцюга. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
4.3.3. Розрахунок вихідний узгоджувальний П-ланцюга. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
5. конструкція модуля АФАРСЬКА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.1. Вибір елементної бази. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
5.2. Вибір типорозміру друкованої плати. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.3. Технологія виготовлення друкованої плати. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.4. Конструкція корпусу модуля АФАРСЬКА. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Додаток 1
Література
1. Введення
На сучасному етапі розвитку радіопристроїв СВЧ все більше застосуваннязнаходять передавальні, приймальні і приемопередающее активні фазованихантенні решітки (АФАРСЬКА), у яких випромінювачі (або група випромінювачів)пов'язані з окремим модулем, що містять активні елементи у вигляді різноготипу генераторних і підсилювальних каскадів і перетворювачів частотиколивань, а також пасивні помножувачі частоти.
У передавальної АФАРСЬКА активна частина окремого модуля, збуджуваного відзагального задає генератора, фактично має функціональну схему,аналогічну схемою підсилювально-помножувальні НВЧ-тракту радіосигналипристрої, виконану на генераторах із зовнішнім збудженням. В якостіактивних приладів цих генераторів в багатьох практичних випадкахвикористовуються напівпровідникові НВЧ-прилади, що дозволяють підвищити надійністьі довговічність модулів АФАРСЬКА в порівнянні з модулями на електровакуумних
СВЧ-приладах, при забезпеченні середньої вихідної потужності модуля до десятківі сотень ват (при використанні схем складання мікрохвильові потужностей) до дециметровомудіапазоні і до десяти ват у сантиметровому діапазоні.
У тому випадку, коли частота коливань на виході модуля в ціле числоразів більше, ніж на його вході, один з генераторних каскадів модуля повиненбути помножувач частоти. Функціональна схема передавальної АФАРСЬКА, в модуляхякої застосовані помножувачі частоти, наведено на рис. 1.
Введення помножувача частоти в модуль АФАРСЬКА дозволяє на виході модуляотримати коливання з певною потужністю на тих частотах, на якихнапівпровідниковий підсилювач вже непрацездатний. Сказане найбільшоюмірою відноситься до потужних підсилювачів на транзисторах, граничні робочічастоти яких в даний час не перевищує 6-7 ГГц. Томумалогабаритні модулі АФАРСЬКА дециметрового діапазону хвиль нанапівпровідникових приладах, побудовані на основі транзисторного підсилювачапотужності та подальшого помножувача частоти, мають генераторну частину.
Звичайно при проектуванні генераторної частини модуля АФАРСЬКА з множеннямчастоти бувають задані Pвих, fвих, fвх, а також значення Pвх. У результатіпроектування визначається число помножувальні і підсилювальних каскадів вгенераторної частині модуля, типи активних приладів і електричних схем,використовувані в каскадах, значення параметрів режиму активних приладів іелементів схем каскадів, а також вид конструктивного виконання каскадів.
2. розрахунок Структурною схеми модуля АФАРСЬКА
Структурна схема модуля АФАРСЬКА представлена на рис. 2.
Маючи задану вихідну потужність Pвих, поставимо собі контурними ККДузгоджуючих ланцюгів (СЦ1, СЦ2, СЦ3) (? до СЦ1 =? до СЦ2 =? до СЦ3 =? до СЦ = 0,9)і знайдемо потужність на виході помножувача частоти:
.
Знаючи вихідну потужність помножувача частоти, коефіцієнт множення івхідну частоту, за допомогою програми MULTIPLY, розробленої на каф. 406,виберемо транзистор і розрахуємо його режим роботи (результати цих розрахунківдані в п. 4.1.1.). Серед інших результатів програма видає коефіцієнтпосилення по потужності KУЧ = 9,958, використовуючи який, ми обчислюємо потужність навході помножувача частоти, співпадаючу, зрозуміло з потужністю на виході СЦ2
(Pвих СЦ2):
.
Оскільки, як згадувалося вище, ми поставили контурний ККД узгоджуючихланцюгів рівним? до СЦ = 0,9, то потужність на вході СЦ2 Pвх СЦ2, рівна потужностіна виході підсилювача потужності Pвих УМ, дорівнює:
.
Тепер, знаючи потужність на виході підсилювача потужності (Pвих УМ) і знаючи йогоробочу частоту f = 0,25 ГГц, за допомогою програми PAMP1, також розробленоїна каф. 406, вибираємо активний прилад (транзистор) і розраховуємо його режимроботи для СВЧ підсилювача потужності (результати цих розрахунків наведені вп. 4.2.1.). Отриманий під час розрахунків коефіцієнт посилення KУМ дозволяєзнайти потужність на вході підсилювача, тотожне рівну потужності на виходівхідний узгоджувальний ланцюга СЦ1:
.
Оскільки ми задали контурний ККД узгоджуючих ланцюгів рівним? до СЦ = 0,9,то потужність на вході СЦ1 Pвх СЦ1 дорівнює:
,що менше 20 мВт, що обмежують за завданням вхідну потужність зверху.
3. Методики розрахунку каскадів модуля
3.1. Методика розрахунку РЕЖИМУ ТРАНЗИСТОР
ПОТУЖНИЙ СВЧ Підсилювач потужності
Розглянута методика може бути використана для розрахунку режимупотужного транзистора підсилювача, що працює на частотах порядку сотеньмегагерц, і дозволяє отримати параметри режиму, досить близькі доекспериментальним. На значеннях частоти 1 ... 3 ГГц похибка розрахункузростає через використання спрощеної еквівалентної схеми транзистора інедостатньої точності при визначенні її параметрів. У діапазоні частотвище 3 ГГц ці недоліки проявляються ще більш різко. На режим починаєсильно впливає навіть порівняно невеликий розкид значеньіндуктивностей висновків і ємностей корпусу, а також численніпаразитні зв'язку в конструкції транзистора. Ці обставини обмежуютьверхній частотний межа застосування даної методики.
У методиці розрахунку використовується еквівалентна схема, доповненадеякими елементами, істотними для діапазону НВЧ.
Параметри еквівалентної схеми транзистора залежать від протікають струміві прикладених напруг. Проте зазвичай вважають, що у вибраному режимітранзистора параметри схеми будуть постійними в межах кожної областіроботи: робочої області (К - замкнутий) і області відсічення (К - розімкнути).
Параметри еквівалентної схеми наводяться в довідкових даних, анайменування їх дані в розділі «Розташування» посібники [1]. Деякіпараметри, які відсутні в довідниках, можна оцінити за формулами:
Сд = Се + Сдіф; Ск = Ска + СКП;;? к = rб Ска;;
;;.
При усередненні Sп ток Ік рекомендується прийняти рівним половині висотиімпульсу колекторного струму Ік max або амплітуді його першої гармоніки,яка в типових режимах близька до 0,5 Ік max. Ємність Ск визначають привибраному напрузі Uк0. На частотах опір r слабо шунтуєємності і їм можна знехтувати. Нерівність визначає нижнючастотну кордон проведеного аналізу. При розрахунку приймають, що вдіапазоні НВЧ вхідний струм потужних транзисторів виявляється близьким догармонійному за рахунок придушення вищих гармонік індуктивністю вхідногоелектрода. Форма колекторного напруги приймається гармонійної.
Тому далі будемо вважати, що вхідний струм і колекторні напруга немістять вищих гармонік і еквівалентний генератор струму Sп (Uп-U ') навантаженийна дисипативної опір. Розрахунок проводимо для граничного режимуроботи транзистора.
Еквівалентна схема підсилювача ОЕ для струмів і напруг першимгармоніки показана на рис. 3. У схемі ОЕ при дисипативної навантаженнінегативні зворотні зв'язки через Lе і.
Для забезпечення сталого режиму застосовують спеціальні заходи,наприклад, включення rдоп в ланцюг емітера або нейтралізацію Lб включеннямємності в базову ланцюг. Можна використовувати вихідний опір мостудільника, якщо підсилювач побудований за балансному схемою. Опір rвх1 ззростанням потужності зменшується (до доль ом), xвх1 поблизу верхньої частотноїкордону має індуктивний характер через Lб і Lе і значно більше rвх1.
Коефіцієнт посилення обернено пропорційний квадрату частоти. Тому, якщовідомо з довідкових даних, що транзистор на частоті f 'маєкоефіцієнт підсилення, то на деякій, нижчою робочій частотіf, його коефіцієнт посилення можна оцінити приблизно як, тобто якщо
, То Kр буде в чотири рази більше. У схемі ОЕ при верхняробоча частота fв не перевищує fгр.
Тип транзистора вибирають за заданою вихідної потужності Pвих1 на робочійчастоті f, визначають схему включення транзистора, користуючись довідковимиданими транзистора. Часто схема включення транзистора визначається йогоконструкцією, в якій з корпусом з'єднується один з електродів (емітер,база). При виборі типу транзистора можна орієнтуватися на даніекспериментального типового режиму. Рекомендується використовувати НВЧ -транзистори на потужність не менш, зазначеної у довіднику. Сильненедовикористання транзистора приводить до зниження його підсилювальних властивостей.
Інтервал частот fв ... fн включає і для схеми ОЕ. Застосуваннятранзистора, що має fн вище робочого, дозволяє одержати більш високупосилення, але при цьому збільшується ймовірність самозбудження підсилювача ізнижується його надійність.
Схема ПРО характерна для транзисторів, що працюють на f> 1 ГГц.
Транзистори, які мають два висновки емітера (для зменшення Lе), слідвключати за схемою ОЕ. Для оцінки параметрів еквівалентної схеми можнавикористовувати такі дані: нГн (для OЕ Lобщ = Lе), Lк і вхідноговисновку - у кілька разів більше. ,,. Параметр h21е врозрахунках не критичний, для приладів на основі кремнію,, де
Pвих1 і Uк0 відповідають робочого режиму (наприклад, експериментальнідані). Якщо необхідна потужність Pвих1 близька до тієї, яку може віддатитранзистор, то Uк0 береться стандартним. При недовикористання транзистораза потужністю доцільно знижувати Uк0, для підвищення надійності. Наприклад,якщо необхідна Pвих1 на 30-40% менше (потужності в типовому режимі), то
Uк0 можна зменшити на 20-30% у порівнянні зі стандартним. Однак призниження Uк0 удвічі в порівнянні зі стандартним частота fгр зменшується на
5 ... 15%, а ємність Ск збільшується на 20 ... 25%.
Напруга зсуву Uб0 часто вибирається нульовим. При цьому кут відсіченнябуде близький до 80 ... 90 °, при якому співвідношення між Pвих1,? е, Kр близькодо оптимального. Крім того, в цьому випадку відсутня ланцюг зміщення, щоспрощує схему підсилювача і не вимагає витрат потужності на здійсненнязміщення. Відносно Sгр треба мати на увазі, що перед розрахунком її слідуточнити, використовуючи умова
(для схеми ОЕ - 0,7; для схеми ОБ - 0,8).
При цьому Pвих1 і Uк0 беруться для вибраного транзистора. Приневиконання цієї умови можна трохи збільшити Sгр (на 10 ... 15 %).
Запропонована методика розрахунку виходить не з Pвих1, а з потужності Рг,що розвивається еквівалентним генератором струму iГ. Потужність Рг у схемі ОЕварто взяти на 10-20% менше, ніж необхідна Pвих1, яка маєзбільшення через пряме проходження частини вхідної потужності. На f> frp всхемою ПРО Рг береться на 25 ... 50% вище Pвих1, на f
