Проектирование выходного каскада связного передатчика с частотной модуляцией
4.2 Конструктивный расчёт
При конструктивном расчёте ЦС необходимо выбрать марку кабеля длинной линии, марку феррита, а также геометрические размеры и самой длинной линии и сердечника на который наматывается длинная линия.
Входными данными для конструктивного расчёта ЦС являются волновое сопротивление линии л, рассчитанное по () максимальные амплитудные значения напряжения Uл и тока Iл линии, рассчитанные по (4.1.4), а также выходная мощность, отдаваемая в нагрузку.
Конструктивный расчёт будем вести в соответствии с методикой [5] стр. 226 - 233 для многовитковой конструкции.
Кабель, из которого будет нарезана длинная линия, выбираем в [5] по таблице 3.3 на стр. 224-225, а именно КВФ-37, который имеет следующие параметры:
Таблица 4.2.1 Параметры кабеля КВФ-37
Волновое сопротивление, Ом |
Погонная ёмкость, пФ/м |
Допустимое напряжение, В |
Допустимый ток, А |
0, дБ/м |
f0, МГц |
Конструктивные данные |
|||||
а, мм |
b, мм |
с, мм |
Минимальный радиус изгиба, мм |
Чертёж сечения |
|||||||
37,5 3 |
120 |
145 |
8 |
0,35 |
60 |
2,56 |
1,8 |
0,78 |
5 |
Рис. 4.2.1 |
Рис. 4.2.1 Поперечное сечение коаксиального кабеля КВФ - 37
При выборе ферритового сердечника в первую очередь учитывают уровень мощности. При мощности не более 10…30 Вт магнитная индукция Враб (в теслах) обычно не превышает 0,001. В этом случае марку феррита можно выбрать, например, по [5] таблице 3.4 стр.228 из условия обеспечения добротности Q не ниже 10 на частоте fв. Желательно, чтобы fв была близка к fкр или fизм (см. [5] табл.3.4). При этом феррит будет иметь наибольшую начальную магнитную проницаемость н и, следовательно, будет обеспечиваться большая продольная индуктивность линии Lпр. Размеры (сечение, объем) и число ферритовых колец (или трубок) выбирают из условия требуемой индуктивности Lпр, а так же из возможности размещения линии (или линий) на них.
В нашем случае, подходит феррит марки 50 BHC, который имеет следующие параметры:
Таблица 4.2.2 Параметры феррита марки 50 BHC
Марка феррита |
Номинальное значение н |
Предельное отклонение н |
fкр, МГц, при Q равной |
Q, не менее, при Вf, Тл |
fизм, МГц |
|||||
50 |
10 |
0,001 |
0,0075 |
0,01 |
0,02 |
|||||
50 BHC |
50 |
+10 |
70 |
80 |
300 |
50 |
50 |
150 |
8,0 |
|
50 BHC |
50 |
-5 |
70 |
80 |
160 |
50 |
50 |
150 |
30 |
Ферритовый сердечник выберем кольцо (см. рис 4.2.2), размеры которого подберём из стандартного ряда габаритных размеров ферритовых сердечников по [5] таблица 3.5 стр. 230, а именно:
Внешний диаметр D = 18 мм, внутренний диаметр d = 9 мм, высота h = 5 мм.
Рис. 4.2.2 Вид ферритового сердечника (кольцо)
Теперь присутствуют все данные, необходимые для определения количества витков при намотке линии на ферритовый сердечник, которое определяется по формуле (4.2.2):
(4.2.1)
(4.2.2)
В этой формуле Dср - средний диаметр ферритового сердечника, а S - площадь сечения кольца ферритового сердечника, которые подставляются в (4.2.2) в сантиметрах и рассчитываются по формулам:
(4.2.3)
(4.2.4)
Подставляя численные значения в формулу (4.2.2) получаем:
Теперь можно определить длину наматываемого кабеля (линии) по формуле, в которой lхвоста - длина концов кабеля для монтажа:
(4.2.5)
После подстановки в (4.2.5), численных значений получаем приблизительное значение длины кабеля (линии), наматываемого на сердечник:
По полученной длине линии видно, что она меньше /4 (которая > 1,78 м) рабочего диапазона, поэтому трансформирующие свойства ТДЛ не будут ухудшаться.
На этом конструктивный расчёт ЦС заканчивается.
5. Расчёт выходного фильтра
5.1 Электрический расчёт
Высшие гармоники тока или напряжения, образованные в результате работы транзисторов в нелинейном режиме, должны быть ослаблены в нагрузке передатчика (в нашем случае в фидере) до уровня, определяемого международными нормами. Как правило, это обеспечивается выходной колебательной системой ВКС, или попросту говоря, выходным фильтром, установленным после оконечного каскада передатчика.
Заданную фильтрацию гармоник, в первую очередь наиболее интенсивных - второй и третьей, выходной фильтр должен обеспечить в рабочем диапазоне частот передатчика при заданном уровне колебательной мощности и высоком КПД. В этом и состоит основное отличие выходного фильтра от резонансных контуров, межкаскадных цепей связи и т.д.
В передатчиках с коэффициентом перекрытия рабочего диапазона частот Kfп = fвп/fнп от 1,1…1,2 до 1,6..1,8 для фильтрации высших гармоник выходную фильтрующую систему ВФС можно выполнить в виде широкодиапазонного неперестраиваемого фильтра. В нашем случае, Kfп = 48106/42106 = 1,142, поэтому нет смысла на выходе нашего связного передатчика ставить фильтрующую систему с несколькими переключаемыми фильтрами на отдельные поддиапазоны каждый из которых обеспечил бы Kfi = fвi/fнi =1,6…1,8.
Нагрузка выходного фильтра на основной частоте f должна быть близкой к номинальной (в нашем случае это 75 Ом), поэтому перед фидером и выходным фильтром стоит СЦ в виде ТДЛ, которая и трансформирует входное сопротивление фидера в выходное сопротивление оконечного мощного усилительного каскада (см. раздел 3.4).
Для расчёта выходного фильтра воспользуемся методикой, предложенной в [5] стр 293 - 302. и условиями технического задания, которые будут направят выбор фильтра и расчёты входящих в него элементов «на путь истинный» А путь этот, обязательно пройдёт возле «леса» высших гармоник, подавить которые необходимо до уровня 40 дБ.
В качестве ВФС нашего связного передатчика будет использоваться широкодиапазонный неперестраиваемый Чебышевский фильтр нижних частот (без переключаемых «Братьев дровосеков») с параллельным конденсатором С1 (см. рис. 5.1.1). Зададимся в соответствии с таблицей 3.19 из [5] на стр. 294 неравномерностью АЧХ а = 0,0436, уровнем подавления высших гармоник аф = 35 дБ (35дБ, а не 40 потому, что вторая (самая сильная из высших) гармоника уже ослаблена в два раза по абсолютной величине, что соответствует ослаблению 6 дБ), частотным диапазоном 42…48 МГц и обратимся к [1] для определения порядка выходного фильтра, предварительно рассчитав нормированную частоту в полосе задержания зп, при которой необходимо обеспечить заданное затухание аф = 35дБ по формуле:
(5.1.1)
По [1] определяем с помощью соответствующих графиков порядок нашего выходного Чебышевского фильтра нижних частот, который получается шестым, а также нормированные номиналы входящих в фильтр элементов:
С1 = 0,8989; L2 = 1,478; С3 = 1,721; L4 = 1,721; С5 = 1,478; L6 = 0,8989 (5.1.2)
В том же источнике определяются коэффициенты нормироания для ёмкостей и индуктивностей, входящих в выходной фильтр по формулам:
(5.1.3)
(5.1.4)
Домножая нормированные номиналы (5.1.2) на соответствующие коэффициенты нормирования (5.1.3) или (5.1.4) получаем расчётные значения номиналов для элементов входящих в наш выходной фильтр, а именно:
С1 = 39,74 пФ; L2 = 0,44 мкГн; С3 = 76,35 пФ; L4 = 0,513 мкГн; С5 = 65,34 пФ; L6 = 0,2679 мкГн (5.1.5)