Реферат: Проектирование модуля АФАР

<img src="/cache/referats/791/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1028">московский государственный ордена ленина И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙРЕВОЛЮЦИИ
авиационный институт имени СЕРГООРДЖОНИКИДЗЕ

(техническийуниверситет)

факультетрадиоэлектроники ла

Кафедра406

расчетно-пояснительнаязаписка

ккурсовому проекту по дисциплине

«радиопередающиеустройства»

Выполнил: Г. В. СУВОРОВ,

гр. 04-517

Преподаватель: е. м. добычина

москва

1997

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА ИОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ
АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

Факультетрадиоэлектроники ЛА (№ 4)

Кафедра406

ЗАДАНИЕ№ 24

На курсовой проект по РАДИОПЕРЕДАЮЩИМ УСТРОЙСТВАМстуденту Суворову Г. В. учебной группы 04-517. Выдано 13 октября1997 г. Срок защиты проекта 22 декабря 1997 г.

Тема проекта:

Модуль АФАР

Исходныеданные:

1.Назначение передатчика — передающий модуль;

2.Мощность: Pвых=0,5 Вт;Pвх£20 мВт.

3.Диапазон частот: fвых=0,5 ГГц;fвх=0,25 ГГц.

4.Характеристика сигналов, подлежащих передаче: ЧМ-сигнал.

5.Место установки — борт ЛА.

6. Rнапр=50 Ом.

Руководитель проекта: Е. М. Добычина

<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;text-transform:uppercase;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">
СОДЕРЖАНИЕ1. Введение.................................................................... 42. расчет Структурной схемы модуля АФАР................................ .53. Методики расчета каскадов модуля..................................... 63.1. Методикарасчета режима транзистора мощного СВЧ усилителя мощности.......... .63.2. Методикарасчета режима транзистора мощного СВЧ умножителя частоты.......... 114. Результаты расчетов...................................................... 144.1. Расчетусилителя мощности.................................................. .144.1.1. Расчет режима работы активного прибора(транзистора)............................... 144.1.2. Расчет элементов принципиальной схемыусилителя мощности.......................... 154.2. Расчетумножителя частоты.................................................. 164.2.1. Расчет режима работы активного прибора(транзистора) ............................... 164.2.2. Расчет элементов принципиальной схемыумножителя частоты.......................... 174.3. Расчетсогласующих цепей................................................... 194.3.1. Расчет входной согласующей Г-цепи............................................ .194.3.2. Расчет межкаскадной согласующей Г-цепи ........................................ .194.3.3. Расчет выходной согласующей П-цепи........................................... .205. конструкция модуля АФАР................................................ 215.1. Выборэлементной базы..................................................... .215.2. Выбортипоразмера печатной платы........................................... 225.3. Технологияизготовления печатной платы...................................... 225.4. Конструкциякорпуса модуля АФАР........................................... 23Приложение 1Литература<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language: AR-SA">
1. Введение

На современном этапе развития радиоустройств СВЧ всебольшее применение находят передающие, приемные и приемопередающие активныефазированные антенные решетки (АФАР), в которых излучатели (или группаизлучателей) связаны с отдельным модулем, содержащим активные элементы в видеразличного типа генераторных и усилительных каскадов и преобразователей частотыколебаний, а также пассивные умножители частоты.

В передающей АФАР активная часть отдельного модуля,возбуждаемого от общего задающего генератора, фактически имеет функциональнуюсхему, аналогичную схеме усилительно-умножительного СВЧ-тракта радиопередающегоустройства, выполненную на генераторах с внешним возбуждением. В качествеактивных приборов этих генераторов во многих практических случаях используютсяполупроводниковые СВЧ-приборы, позволяющие повысить надежность и долговечностьмодулей АФАР по сравнению с модулями на электровакуумных СВЧ-приборах, приобеспечении средней выходной мощности модуля до десятков и сотен ватт (прииспользовании схем сложения СВЧ-мощностей) в дециметровом диапазоне и до десятиватт в сантиметровом диапазоне.

В том случае, когда частота колебаний на выходе модуля вцелое число раз больше, чем на его входе, один из генераторных каскадов модулядолжен быть умножителем частоты. Функциональная схема передающей АФАР, вмодулях которой применены умножители частоты, приведена на рис. 1.

►

Рис. 1. Функциональная схема передающей АФАР с умножением частоты:
М — модуль, Г — генераторная часть модуля

Обычно при проектировании генераторной части модуля АФАРс умножением частоты бывают заданы Pвых,fвых, fвх, а также значение Pвх. В результате проектирования определяется числоумножительных и усилительных каскадов в генераторной части модуля, типыактивных приборов и электрических схем, используемые в каскадах, значения параметроврежима активных приборов и элементов схем каскадов, а также вид конструктивноговыполнения каскадов.

<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language: AR-SA">
2. расчетСтруктурной схемы модуля АФАР

Структурная схема модуляАФАР представлена на рис. 2.

Имея заданную выходнуюмощность Pвых, зададимсяконтурными КПД согласующих цепей (СЦ1, СЦ2, СЦ3) (ηк СЦ1 = ηк СЦ2 = ηк СЦ3 = ηк СЦ = 0,9)и найдем мощность на выходе умножителя частоты:

Рис. 2. Структурная схема модуля АФАР

Pвх=8,88 мВт<20 мВт

fвх=0,25 ГГц

СЦ1

ηк СЦ1=0,9

KУМ=7,6

СЦ3

ηк СЦ3=0,9

СЦ2

ηк СЦ2=0,9

0,25 ГГц

KУЧ=9,958

0,5 ГГц

Pвых СЦ1=8 мВт

f=0,25 ГГц

Pвых УМ=61,4 мВт

f=0,25 ГГц

Pвых СЦ2=55,2 мВт

f=0,25 ГГц

Pвых УЧ=0,55 Вт

f=0,5 ГГц

Pвых=0,5 Вт

fвых=0,5 ГГц

ηэ=0,99

ηэ=0,48

2Т934А

2Т919А

<img src="/cache/referats/791/image009.gif" v:shapes="_x0000_s1396 _x0000_s1218 _x0000_s1395 _x0000_s1213 _x0000_s1393 _x0000_s1165 _x0000_s1166 _x0000_s1167 _x0000_s1168 _x0000_s1169 _x0000_s1170 _x0000_s1171 _x0000_s1172 _x0000_s1173 _x0000_s1174 _x0000_s1175 _x0000_s1176 _x0000_s1177 _x0000_s1178 _x0000_s1179 _x0000_s1180 _x0000_s1181 _x0000_s1182 _x0000_s1183 _x0000_s1184 _x0000_s1185 _x0000_s1186 _x0000_s1187 _x0000_s1188 _x0000_s1189 _x0000_s1190 _x0000_s1191 _x0000_s1192 _x0000_s1193 _x0000_s1194 _x0000_s1195 _x0000_s1196 _x0000_s1197 _x0000_s1198 _x0000_s1199 _x0000_s1200 _x0000_s1201 _x0000_s1202 _x0000_s1203 _x0000_s1204 _x0000_s1205 _x0000_s1206 _x0000_s1207 _x0000_s1208 _x0000_s1209 _x0000_s1210 _x0000_s1211 _x0000_s1212 _x0000_s1214 _x0000_s1215 _x0000_s1216 _x0000_s1217 _x0000_s1225 _x0000_s1226 _x0000_s1227 _x0000_s1228">
Зная выходную мощностьумножителя частоты, коэффициент умножения и входную частоту, с помощьюпрограммы MULTIPLY, разработанной на каф. 406, выберем транзистор ирассчитаем его режим работы (результаты этих расчетов даны в п. 4.1.1.). Вчисле прочих результатов программа выдает коэффициент усиления по мощности KУЧ=9,958, используякоторый, мы вычисляем мощность на входе умножителя частоты, совпадающую,разумеется с мощностью на выходе СЦ2 (Pвых СЦ2):

Поскольку, как упоминалосьвыше, мы задали контурный КПД согласующих цепей равным ηк СЦ = 0,9,то мощность на входе СЦ2 Pвх СЦ2,равная мощности на выходе усилителя мощности Pвых УМ, равна:

Теперь, зная мощность навыходе усилителя мощности (Pвых УМ)и зная его рабочую частоту f=0,25 ГГц,с помощью программы PAMP1, также разработанной на каф. 406, выбираемактивный прибор (транзистор) и рассчитываем его режим работы для СВЧ усилителямощности (результаты этих расчетов приведены в п. 4.2.1.). Полученный входе расчетов коэффициент усиления KУМпозволяет найти мощность на входе усилителя, тождественно равную мощности навыходе входной согласующей цепи СЦ1:

Поскольку мы задаликонтурный КПД согласующих цепей равным ηк СЦ = 0,9,то мощность на входе СЦ1 Pвх СЦ1равна:

чтоменьше 20 мВт, ограничивающих по заданию входную мощность сверху.

<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language: AR-SA">
3. Методикирасчета каскадов модуля3.1. Методика расчета РЕЖИМА ТРАНЗИСТОРА
МОЩНОГО СВЧ УСИЛИТЕЛЯ мощности

Рассматриваемаяметодика может быть использована для расчета режима мощного транзистораусилителя, работающего на частотах порядка сотен мегагерц,и позволяет получить параметры режима, достаточно близкие к экспериментальным.На значениях частоты 1… 3 ГГц погрешность расчета возрастает из-за использованияупрощенной эквивалентной схемы транзистора и недостаточной точности при определении ее параметров. В диапазоне частотвыше 3 ГГц эти недостатки проявляются еще более резко. На режим начинаетоказывать сильное влияние даже сравнительно небольшой разбросзначений индуктивностей выводов и емкостейкорпуса, а также многочисленные паразитные связи вконструкции транзистора.Эти обстоятельстваограничивают верхний частотныйпредел применимости рассматриваемой методики.

В методике расчета используется эквивалентная схема,дополненная некоторыми элементами, существенными для диапазона СВЧ.

Параметры эквивалентной схемы транзистора зависят от протекающих токови приложенных напряжений. Однако обычно считают, что в выбранном режиме транзистора параметры схемыбудут постоянными в пределах каждой области работы: рабочей области(К — замкнут) и области отсечки (К —разомкнут). Параметры эквивалентной схемы приводятсяв справочных данных, а наименованияих даны в разделе «Обозначения» пособия [1]. Некоторые параметры, которые отсутствуют в справочниках, можно оценить по формулам:

Сд=Сэ+Сдиф; Ск=Ска+Скп; <img src="/cache/referats/791/image019.gif" v:shapes="_x0000_i1030">; τк=rб Ска; <img src="/cache/referats/791/image021.gif" v:shapes="_x0000_i1031">
<img src="/cache/referats/791/image023.gif" v:shapes="_x0000_i1032"><img src="/cache/referats/791/image025.gif" v:shapes="_x0000_i1033"><img src="/cache/referats/791/image027.gif" v:shapes="_x0000_i1034">

При усреднении Sп ток iк рекомендуется принятьравным половине высоты импульса коллекторного токаiк max или амплитуде егопервой гармоники, которая в типичных режимах близка к 0,5iк max.Емкость Ск определяют при выбранном напряжении Uк0. На частотах<img src="/cache/referats/791/image029.gif" v:shapes="_x0000_i1035"> сопротивление r слабошунтирует емкости и им можно пренебречь. Неравенство <img src="/cache/referats/791/image029.gif" v:shapes="_x0000_i1036"> определяет нижнюю частотную границу проводимого анализа. При расчете принимают, что в диапазоне СВЧ входной токмощных транзисторов оказывается близким кгармоническому за счет подавления высших гармоникиндуктивностью входного электрода. Форма коллекторного напряжения принимается гармонической.Поэтому далее будем полагать, что входной ток и коллекторное напряжение не содержат высших гармоник и эквивалентный генератор тока Sп (Uп-U')нагружен на диссипативное сопротивление. Расчет производим для граничного режима работы транзистора.

Эквивалентная схемаусилителя ОЭ для токов и напряжений первой гармоники показана на рис. 3.В схеме ОЭ при диссипативной нагрузке будут отрицательные обратные связи через Lэ и <img src="/cache/referats/791/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1037">

Рис. 3. Эквивалентная схема усилителя ОЭ для токов и напряжений первой гармоники

Для обеспечения устойчивогорежима применяют специальные меры, например, включение rдоп в цепь эмиттера или нейтрализацию Lб включением емкости вбазовую цепь. Можно использовать выходное сопротивление моста делителя, еслиусилитель построен по балансной схеме. Сопротивление rвх1 с ростом мощности уменьшается (до долей ом), xвх1 вблизи верхней частотнойграницы имеет индуктивный характер из-за Lби Lэ и значительно большеrвх1. Коэффициент усиленияобратно пропорционален квадрату частоты. Поэтому, если известно из справочныхданных, что транзистор на частоте f 'имеет коэффициент усиления <img src="/cache/referats/791/image035.gif" v:shapes="_x0000_i1039">f, его коэффициент усиления можнооценить примерно как <img src="/cache/referats/791/image037.gif" v:shapes="_x0000_i1040"><img src="/cache/referats/791/image039.gif" v:shapes="_x0000_i1041">Kрбудет в четыре раза больше <img src="/cache/referats/791/image035.gif" v:shapes="_x0000_i1042"><img src="/cache/referats/791/image041.gif" v:shapes="_x0000_i1043"> верхняя рабочая частотаfв не превышает fгр.

Тип транзистора выбирают позаданной выходной мощности Pвых1на рабочей частоте f, определяютсхему включения транзистора, пользуясь справочнымиданными транзистора. Часто схема включения транзистораопределяется его конструкцией, в которой с корпусомсоединяется один из электродов (эмиттер, база).При выборе типа транзистора можно ориентироватьсяна данные экспериментального типового режима. Рекомендуется использоватьСВЧ-транзисторы на мощность не менее <img src="/cache/referats/791/image043.gif" v:shapes="_x0000_i1044">свойств. Интервал частот fв… fнвключает <img src="/cache/referats/791/image045.gif" v:shapes="_x0000_i1045"> и <img src="/cache/referats/791/image047.gif" v:shapes="_x0000_i1046"> для схемы ОЭ. Применение транзистора,имеющегоfн выше рабочей, позволяетполучить более высокое усиление, но при этом увеличивается вероятность самовозбуждения усилителяи понижается его надежность.

Схема ОБ характерна длятранзисторов, работающихнаf >1 ГГц.Транзисторы, имеющие два вывода эмиттера (дляуменьшенияLэ),следует включать по схемеОЭ. Для оценки параметров эквивалентной схемы можноиспользовать следующие данные:<img src="/cache/referats/791/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1047"> (для OЭ Lобщ=Lэ),Lки входного вывода — в несколько раз больше.<img src="/cache/referats/791/image051.gif" v:shapes="_x0000_i1048"><img src="/cache/referats/791/image053.gif" v:shapes="_x0000_i1049"><img src="/cache/referats/791/image055.gif" v:shapes="_x0000_i1050">Параметр h21э в расчетах не критичен,<img src="/cache/referats/791/image057.gif" v:shapes="_x0000_i1051"> для приборов на основе кремния,<img src="/cache/referats/791/image059.gif" v:shapes="_x0000_i1052">Pвых1и Uк0соответствуют рабочему режиму (например, экспериментальные данные). Еслитребуемая мощность Pвых1 близка к той, которую может отдать транзистор, то Uк0 берется стандартным.При недоиспользованиитранзистора по мощностицелесообразно снижатьUк0, для повышениянадежности. Например, еслитребуемая Pвых1 на 30-40% меньше <img src="/cache/referats/791/image061.gif" v:shapes="_x0000_i1053"> (мощности в типовом режиме), то Uк0 можно уменьшить на 20-30% по сравнению со стандартным. Однако при снижении Uк0вдвое по сравнению со стандартным частотаfгруменьшается на 5… 15%,а емкостьСк увеличивается на 20... 25%.

Напряжение смещения Uб0 часто выбираетсянулевым. При этом угол отсечки будет близок к 80… 90°, при котором соотношение между Pвых1, ηэ,Kрблизко к оптимальному.Кроме того, в этом случае отсутствует цепь смещения, что упрощает схемуусилителя и не требует затрат мощности на осуществление смещения. В отношении Sгр надо иметь в виду, что перед расчетом ее следует уточнить, используя условие

(для схемы ОЭ — 0,7; для схемы ОБ — 0,8).

При этом Pвых1и Uк0 берутся длявыбранного транзистора. При невыполнении этого условия можно несколькоувеличить Sгр(на 10… 15%).

Предлагаемая методика расчета исходит не из Pвых1, а из мощности Рг,развиваемой эквивалентным генератором тока iг. Мощность Рг в схемеОЭ следует взять на 10‑20% меньше, чемтребуемая Pвых1,которая имеет приращение из-за прямого прохождения части входной мощности. На f>frp в схеме ОБ Рг берется на 25... 50% выше Pвых1, на f<frp эта доля меньше.

К начальным параметрам расчета относится температура корпусатранзистора. Ее можно задатькак Тк=Тс+(10… 20) °С с учетом перегрева радиатора относительно окружающей среды.

Еслипосле проведения расчетана значения<img src="/cache/referats/791/image061.gif" v:shapes="_x0000_i1055">f 'в типовом режиме Kр отличается от справочного значения<img src="/cache/referats/791/image035.gif" v:shapes="_x0000_i1056"> не более, чем на <img src="/cache/referats/791/image065.gif" v:shapes="_x0000_i1057"> то можно считать, чтопараметры эквивалентной схемы, принятые в расчете,оценены правильно. Если модуль пикового напряжения <img src="/cache/referats/791/image067.gif" v:shapes="_x0000_i1058">стиСэ занижено.Для удобства расчета исходные данные целесообразно свести в таблицу в следующем порядке:

Pвых1, Bт;
Pг, Bт;
f, МГц;
fгр, МГц;
Uкэ доп, В;
Uкб доп, В;
Uбэ доп, В;
U', В;
Uв0, В;
Uк0, В;
Sгр, А/В;
Rпк, °С/Вт;
Тп, °С;
Тк, °С;
h21э;
Cк, пФ;
Cкп, пФ;
Cэ, пФ;
rб, Ом;
rэ, Ом;
rк, Ом;
Lб, нГн;
Lк, нГн;
Lэ, нГн;
Pк доп, Вт.

Приводимый ниже порядок расчета граничного режима работы при Uв0=0 может быть использовандля включения транзистора как по схеме ОЭ, так и посхеме ОБ. Там, где формулы расчета для схем ОЭ и ОБотличаются, будет сделанапометка «ОЭ» или «ОБ». Все расчеты проводятся в системе СИ.

1. Напряженность ξгр режима:

2. Амплитуда напряженияи тока первой гармоники эквивалентного генератора:

3. Пиковое напряжениена коллекторе:

Uк пик = Uк0+Uг1<Uкэ доп.

При невыполнении неравенстваследует изменить режим или выбрать другой тип транзистора.

4. Параметрытранзистора:

5. Находим значенияпараметров А и В:

С помощью графика A(γ1) на рис. 4определяем коэффициент разложения γ1(θ). Затем потабл. 3.1. [1] для найденного γ1(θ) определяемзначения, θ, cos(θ)икоэффициент формы g1(θ).

6. Пиковое обратноенапряжение на эмиттере

Затемв пп. 7… 22 рассчитываются комплексные амплитуды токов и напряжений на элементахэквивалентных схем (см.рис. 3). За вектор с нулевой фазой принят ток <img src="/cache/referats/791/image089.gif" v:shapes="_x0000_i1068"> и <img src="/cache/referats/791/image091.gif" v:shapes="_x0000_i1069">

Рис. 4. Зависимость параметра Aот коэффициента разложения симметричного косинусоидального импульса γ1(θ)

7. <img src="/cache/referats/791/image095.gif" v:shapes="_x0000_i1071"><img src="/cache/referats/791/image097.gif" v:shapes="_x0000_i1072">

8. <img src="/cache/referats/791/image099.gif" v:shapes="_x0000_i1073">

9. <img src="/cache/referats/791/image101.gif" v:shapes="_x0000_i1074">

10. <img src="/cache/referats/791/image103.gif" v:shapes="_x0000_i1075">

11. <img src="/cache/referats/791/image105.gif" v:shapes="_x0000_i1076">

12. <img src="/cache/referats/791/image107.gif" v:shapes="_x0000_i1077">

13. <img src="/cache/referats/791/image109.gif" v:shapes="_x0000_i1078">

14. <img src="/cache/referats/791/image111.gif" v:shapes="_x0000_i1079">

15. <img src="/cache/referats/791/image113.gif" v:shapes="_x0000_i1080">

16. <img src="/cache/referats/791/image115.gif" v:shapes="_x0000_i1081">

17. <img src="/cache/referats/791/image117.gif" v:shapes="_x0000_i1082">

18. <img src="/cache/referats/791/image119.gif" v:shapes="_x0000_i1083">

19. <img src="/cache/referats/791/image121.gif" v:shapes="_x0000_i1084">

20. <img src="/cache/referats/791/image123.gif" v:shapes="_x0000_i1085">

21. <img src="/cache/referats/791/image125.gif" v:shapes="_x0000_i1086">

22. <img src="/cache/referats/791/image127.gif" v:shapes="_x0000_i1087">

23. Амплитуда напряжения на нагрузке и входное сопротивление транзисторадля первой гармоники тока:

24. Мощность возбуждения и мощность, отдаваемая в нагрузку:

для схемыОЭ <img src="/cache/referats/791/image133.gif" v:shapes="_x0000_i1090">

Если Pвых1 будет отличаться от заданной более чем на ±20%, расчет следует провести заново, скорректировав значениеPг.

25. Постояннаясоставляющая коллекторного тока, мощность,потребляемая от источника питания, и электронныйКПД соответственно:

26. Коэффициент усиления по мощности, мощность, рассеиваемая транзистором идопустимая мощность рассеяния при данной температуре корпуса транзистора:

Можно принять значение Тп max=Tп, где Tп — допустимое значение,взятое из справочных данных.

Следует убедиться, что <img src="/cache/referats/791/image147.gif" v:shapes="_x0000_i1097">.

27. Сопротивление эквивалентной нагрузки на внешних выводах транзистора

<img src="/cache/referats/791/image149.gif" v:shapes="_x0000_i1098">, где <img src="/cache/referats/791/image151.gif" v:shapes="_x0000_i1099"> для схемы ОЭ.

Данный расчет исходилиз нулевого смещения на входном электроде транзистора. В ряде случаев этот режим может быть не оптимальным и желательно ве<a name=«OCRUncert

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Проектирование схем телефонного сигнализатора

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

АЦП

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Цифровые фотоаппараты

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Однозеркальная антенна

29 Августа 2013