Частотно-модулированный СВЧ передатчик

 

Содержание

Лист замечаний

Введение.

Техническое задание

.Анализ технического задания и выбор структурной схемы.

.Расчет параметров устройств передатчика.

.1Расчет электронного режима генератора.

.2Расчет колебательной системы.

.3Осуществление частотной модуляции.

.4Расчет параметров усилителя

Список литературы

Введение

В последнее время является очень актуальной проблема создания высоконадежной, экономичной и малогабаритной приемо-передающей аппаратуры. Для передающей аппаратуры она решается она миниатюризации применяемых активных элементов и колебательных систем на основе использования полупроводниковых приборов и гибридных интегральных микросхем. В начале это постигалось переходом от электронных ламп (типа ЛБВ, ЛОВ) к транзисторной технике. При этом достаточно остро стояла проблема маломощности передатчиков на транзисторах. Но с 80-х годов все большее развитие стали получать полупроводниковые генераторные диоды, обладающие по сравнению с транзисторами рядом преимуществ: более высокая максимальная частота, выходная мощность на высоких частотах, надежность, технологичность, стабильность частоты. Полупроводниковые генераторные диоды СВЧ или диоды с отрицательным сопротивлением, выделены в отдельный класс, к ним относят лавинно - пролетные диоды (ЛПД), диоды с междолинным переносом электронов, называемые диодами Ганна (ДГ), лавинно - ключевые диоды, инжекционно - пролетные диоды.

Полупроводниковые диоды не уступают и электронных генераторным лампам, в импульсном режиме на диоде Ганна были получены рекордные для твердотельных приборов значения мощности ( около 6 кВт) и КПД (до 30%).

Претерпели изменение и колебательные системы: на частотах 13 -17 ГГц, при небольших мощностях стало актуально и практически выгодно использовать микрополосковые линии, т.к. они позволяют миниатюризировать и удешевить конструкцию передатчика.

1. Анализ технического задания

Анализируя техническое задание и учитывая рабочую частоту 20 ГГц, выберем в качестве задающего генератора диодный генератор. Так как диоды СВЧ превосходят транзисторы по ряду важнейших показателей, как было указано во введении. В качестве диода СВЧ выберем диод Ганна [1].

Рассматривая требуемую выходную мощность приходим к выводу, что генератор не сможет дать нам требуемую выходную мощность. Поэтому на выходе необходимо поставить усилитель.

В зависимости от способа включения источника входного сигнала и нагрузки различают проходные и отражательные диодные усилители [1].

В проходных усилителях для связи резонатора с источником сигнала и нагрузкой используются два отдельных элемента связи; при этом резонатор с диодом включается по схеме четырехполюсника. В отражательных усилителях для связи резонатора с источником сигнала и нагрузкой используется ферритовый циркулятор, при этом резонатор включается по схеме двухполюсника.

Наибольшее практическое применение находят отражательные усилители, так как они существенно превосходят проходные усилители по выходной мощности, полосе пропускания, коэффициенту шума и чувствительности к изменению параметров нагрузки.

Выберем усилитель отражательного типа с ферритовым циркулятором.

В качестве соединительных элементов между устройствами передатчика, а также колебательных систем генератора выберем прямоугольный волновод, в силу того, что мы работаем в нижней части сантиметрового диапазона волн, где волновод обеспечивает наименьшие потери и как следствие высокую добротность.

Генератор и усилитель необходимо разделить вентилем (ФВВН1-19), потому что добиться идеального согласования мы не можем, а отраженные от циркулятора колебания, при попадании обратно в генератор могут изменить его частоту и стабильность, или вообще сорвать генерацию. По тем же самым причинам после циркулятора необходимо поставить еще один, одна ветвь которого будет идти на нагрузку, а другая полностью поглощаться.

Анализируя выше сказанное, получим следующую структурную схему частотно - модулированного СВЧ передатчика.

Рис. 1 Структурная схема частотно-модулированного СВЧ передатчика

2. Расчет параметров устройств передатчика

.1 Расчет электронного режима генератора

В качестве диода в задающем генераторе выберем диод Ганна (ДГ) типа ЗА719А [1, Прил. 1]. Его параметры приведены в таблице 1:

Таблица 1

f, ГГцPвых мин, ВтR0, ОмUР макс, ВIР макс, АPрас макс, Вт17.44 - 25.90.0252 - 54 - 6.31.26

Выберем гибридный режим работы генератора. Пороговое напряжение диода через рабочее в заданном режиме работы выражается по следующей формуле [2]:

Тогда, учитывая режим работы и зададимся значениями среднего рабочего напряжения диода UР=3.5 В, рабочего тока IР=0.6 А и полное сопротивления ДГ, измеренного при напряжении, значительно меньшем порогового R0=3.5 Ом.

Рассмотрим упрощенную эквивалентную схему генератора с емкостной проводимостью:

Рис.2 Эквивалентная схема генератора на ДГ с емкостной проводимостью кристалла.

где - суммарная активная проводимость нагрузки и потерь резонатора, трансформированная к зажимам ДГ

- эквивалентная емкость, учитывающая реактивную проводимость кристалла;

- емкость, индуктивность и проводимость корпуса генератора;

- эквивалентная отрицательная проводимость кристалла.

Определим наиболее важные с практической точки зрения величины элементов эквивалентной схемы генератора, приведенной на рис. 2:

В дальнейшем для расчетов нам понадобиться пролетная частота ДГ , определяемая как среднее арифметическое граничных частот диапазона генератора,

Емкость индуктивность и проводимость корпуса являются справочными величинами для каждого типа диода, учитывая высокочастотность ДГ заданного типа примем .

Приближенно оценим величину емкости кристалла диода:

полученная емкость кристалла немного завышена и ее можно принять равно .

Суммарная активная проводимость на грузки и потерь резонатора определяется по следующей формуле:

[1].

Максимальное значение активной отрицательной проводимости может быть приближенно найдено следующим образом, [1, c. 9]:

Подставляя численные значения, получим:

Тогда, мы можем определить коэффициент регенерации как . Очевидно, что >1, т.е. выполняется условие самовозбуждения и возможен режим генерации ДГ.

Рассчитаем и зависимость активной отрицательной проводимости от квадрата амплитуды высокочастотного напряжения на кристалле . Эта зависимость является существенно нелинейной и может быть аппроксимирована полиномом шестой степени:

где - коэффициенты нелинейности, и для лучших образцов они могут быть положены [1, с. 6].

Для нахождения амплитуды генерируемых на проводимости колебаний составляется нелинейное дифференциальное уравнение для эквивалентной схемы генератора на ДГ (см рис. 2) относительной гармонического напряжения на кристалле :

где ;

- малый параметр; Q - нагруженная добротность.

Решение данного уравнения производится классическими методами теории колебаний и в первом приближении приводит к выводу о совпадении частоты генерируемых колебаний с частотой собственных колебаний резонансной системы генератора. При этом амплитуда напряжения на кристалле равна

,

где ; .

Подставляя значения коэффициентов нелинейности, заданных выше получим

, , В.

В стационарном режиме приводимости нагрузки, резонатора и отрицательная активная проводимость кристалла в сумме равны нулю, то есть , .

Зная амплитуду стационарных колебаний и пренебрегая влиянием (т.к. реактивное сопротивление намного меньше сопротивления потерь), можем вычислить мощность генерируемых колебаний:

.

Определим мощность источника питания:

Вт

Теперь можно найти электронный КПД генератора:

Тогда мощность рассеиваемая ДГ равна

Вт

что меньше чем максимальная рассеиваемая мощность, что можно считать критерием реализуемости данного электронного режима генератора на заданном ДГ.

.2 Расчет колебательной системы генератора

В качестве колебательной системы выберем короткозамкнутый отрезок прямоугольного волновода, который является соединяющей линией между генератором и остальными элементами. Выбор волновода, а не микрополосковой линии которая более подходит по габаритам к современным конструкциям объясняется тем, что на частотах более 20 ГГц волноводная конструкция обладает меньшими потерями и соответственно большей добротностью, что в данном случае важнее.

ДГ включен посередине волновода, используется воздушное заполнение (, ). Размеры волновода примем следующими: ширина a=11 мм, толщина b=5.5 мм.

Необходимо проверить возможность существования в прямоугольном волноводе волны основного типа H10, и условия отсутствия высших типов волн. Для этого найдем длину волны в свободном пространстве

м,

и критическую длину волны в волноводе:

м.

передатчик генератор усилитель

Подставляя убеждаемся, что размеры волновода удовлетворяют всем условиям

, ,

Эквивалентная схема включения приведена на рисунке:

Рис. 3 Эквивалентная схема включения генератора

Рассчитаем длину короткозамкнутого отрезка волновода, являющегося резонатором, исходя из условия:

,

где .

Тогда длина волны в волноводе

м.

Волновое сопротивление волновода

Ом.

Теперь используя заданные в предыдущем параграфе величины индуктивности, емкости корпуса () и эквивалентной емкости кристалла диода ()определим длину резонатора (при этом учитываем, что круговая частота , п = 1):

м.

Необходимо учесть, что колебательный контур будет вносить потери, которые также должны быть учтены с помощью КПД колебательной системы

где Q=30 и Q0 =150 - добротности нагруженного и ненагруженного контуров.

Получим , тогда .

Фактическая мощность на выходе генератора с колебательной системой

.

2.3 Осуществление частотной модуляции

Частотная модуляция в генераторах на ДГ осуществляется путем изменения реактивных параметров колебательного контура автогенератора за счет изменения напряжения питания диода, либо с помощью варактора или сферического образца монокристаллической ЖИГ-сферы.

Недостатком частотной модуляции с помощью изменения напряжения питания является высокой уровень паразитной амплитудной модуляции.

Значительно лучшие результаты можно получить при полном или частичном включении варактора в контур генератора, что эквивалентно включению дополнительной управляемой емкости и сопротивления потерь варактора.

Выберем полное включение варактора непосредственно в контур генератора параллельно диоду, при этом будет получена максимальная девиация, однако потери в контуре при этом увеличатся из-за сопротивления потерь варактора, что приведет к уменьшению контурного КПД и выходной мощности генератора.

Учитывая, что возможное назначение передатчика - ближняя радиосвязь, положим полосу изменения частоты . Возьмем 5 кратный запас изменения частоты, тогда, что составляет от частоты генерации. Такая ширина полосы частот легко реализуема.

Включение варактора производится как показано на рисунке:

Рис.4 Схема включения варактора

Изменение емкости варактора будет учитываться вторым отрезком резонатора . Его можно рассчитать как разницу между длинами резонатора для верхней и нижней частот: . Т.к. полученное расстояние слишком мало, что сложно реализовать, то можно к нему добавить половину длины волны, тогда .

.4 Расчет параметров усилителя

Выберем усилитель отражательного типа на ДГ 3А729. Его параметры приведены в таблице 2:

Таблица 2.

f, ГГцPном, ВтU0, ВR0, Ом18 - 260.15 - 0.31.80.3 - 1

Рассчитаем основные параметры усилителя.

Одним из самых важных параметров усилителя является резонансный коэффициент усиления, который определяется по следующей формуле

,

где - параметр регенерации, - полное сопротивление диода; R - сопротивление внешней цепи.

Значение коэффициента усиления определяется, как видно из формулы соотношением между параметрами диода и внешней цепи, при этом условие устойчивости схемы обеспечивается при a <1.

В данном случае для определения параметров усилителя зададимся необходимым коэффициентом усиления, рассчитаем полное сопротивление диода, а потом используя эти величины найдем сопротивление внешней цепи

Выходная мощность усилителя должна быть равна по техническому заданию 300 мВт. Расчетная мощность на выходе неперестраиваемого генератора . Положим, что за счет увеличения потерь при подключении управляющего диода, не идеальности согласования, затухания в длинных линиях, потерь в циркуляторах мощность уменьшится в 2 раза. Тогда на вход усилителя будет подано .

Примем :

Сопротивление диода определяем, используя тот факт, что геометрические размеры полупроводниковой структуры настолько малы, что практически во всем СВЧ диапазоне она может быть представлена схемой на сосредоточенных элементах, входное сопротивление которой определяется электронными процессами в диодном промежутке. При воздействии на диод высокочастотного электромагнитного поля (ЭМП) конструктивные элементы контура создают дополнительные реактивные сопротивления, поэтому полное сопротивление диода определяют на основании эквивалентной схемы диода.

Полная эквивалентная схема диода, учитывающая ЭМП, образующиеся при установке его в резонатор может быть представлена в виде сложной электрической цепи с сосредоточенными L- и C- элементами, которые зависят от размеров и типа резонатора и устройства крепления диода. Однако в сантиметровом диапазоне практически во всех случаях можно использовать приближенную эквивалентную схему, показанную на рисунке 5, [2, с. 66]:

Рис. 5 Эквивалентная схема диода.

где ПС - полупроводниковая структура;

Lпт - индуктивность вывода;

Спт - емкость керамической втулки между электродами;

Lp - индуктивность, обусловленная токами СВЧ, растекающимися по поверхности шляпки корпуса от контакта ее с резонатором.

Выберем параметры диода в корпусе исходя из ограничений, заданных в [2, с. 67], тогда Lпт=0.3 нГн, Спт=0.3 пФ, Lp=0.2 нГн.

Для приведенной эквивалентной схемы полное сопротивление диода определяется соотношениями:

,

,

где - активное сопротивление полупроводниковой структуры, Rs - сопротивление потерь;

- реактивное сопротивление полупроводниковой структуры,

,

.

Рассчитав, получим ,.

Модуль сопротивления диода равен: .

Теперь рассчитаем сопротивление внешней цепи (сопротивление резонатора, приведенное к зажимам диода):

.

Реактивная часть сопротивления резонатора для выполнения баланса фаз должна быть равна .

Список литературы

1. Алексеев Ю.И. и др. Методические указания по выполнению курсового проекта по курсу «Радиопередающие устройства». Ч.2. Проектирование генераторов на диодах Ганна. - Таганрог: ТРТИ, 1985. - 53с.
2. Давыдова Н.С., Данюшевский Ю.З. Диодные генераторы и усилители СВЧ. - М.: Радио и связь, 1986. - 184 с.
3. Проектирование радиопередатчиков: Учебное пособие для вузов; под ред. В.В. Шахгильдяна. - 4-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 2000. - 656с.
4. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ: Учебное пособие для вузов; под ред. Г.М. Уткина. - М.: Советское радио, 1979. - 320с.
5. Коган В.И. СВЧ полупроводниковые радиопередатчики. - М.: Радио и связь, 1981. - 400с.

Содержание Лист замечаний Введение. Техническое задание .Анализ технического задания и выбор структурной схемы. .Расчет параметров устройств

Больше работ по теме: