Проектирование радиопередатчика — пошаговое руководство для вашей курсовой работы

Введение, или Как определить цель и задачи курсового проекта

Любой успешный инженерный проект начинается с четкого понимания цели. В контексте курсовой работы по радиотехнике, грамотно сформулированное введение — это не формальность, а фундамент, который определяет всю дальнейшую работу и демонстрирует ваше понимание задачи. Радиопередающие устройства являются краеугольным камнем современных систем связи, от глобального вещания до специализированных каналов, и ваша задача — продемонстрировать умение проектировать один из таких узлов.

Основная цель курсового проекта, как правило, формулируется так: «Проектирование диапазонного КВ однополосного (SSB) передатчика» с заданными параметрами мощности и частотного диапазона. Актуальность этой темы подкрепляется широким применением SSB-сигналов в любительской и профессиональной связи благодаря их высокой спектральной эффективности. Для достижения этой цели в работе необходимо решить следующие ключевые задачи:

• Провести анализ и обосновать выбор структурной схемы передатчика.
• Выполнить расчет основных функциональных узлов: SSB модулятора, каскадов усиления и выходного фильтра.
• Подобрать элементную базу для реализации спроектированных узлов.
• Проверить работоспособность ключевых каскадов с помощью компьютерного моделирования.

Четко определив эти шаги во введении, вы задаете логику всей пояснительной записке и показываете экзаменатору, что у вас есть ясный план действий. После того как мы определили, что мы будем делать, необходимо заложить теоретический фундамент для понимания, как это работает.

Теоретические основы, которые станут вашим инструментарием

Прежде чем приступать к расчетам, важно разобраться в физических принципах, лежащих в основе вашего проекта. Центральное понятие для нас — это однополосная модуляция (SSB, Single-Sideband). В отличие от стандартной амплитудной модуляции (AM), где передаются и несущая частота, и две зеркальные боковые полосы, в SSB-сигнале несущая и одна из боковых полос подавляются. Это дает два огромных преимущества: во-первых, почти вся мощность передатчика концентрируется в одной, информативной боковой полосе, а во-вторых, ширина занимаемого канала в эфире уменьшается вдвое.

Существует несколько методов формирования SSB-сигнала, но в курсовых работах чаще всего рассматриваются два основных:

1. Фильтровый метод: Наиболее распространенный и интуитивно понятный. Сначала с помощью балансного модулятора подавляется несущая частота, в результате чего на выходе остаются только две боковые полосы (DSB-сигнал). Затем этот двухполосный сигнал пропускается через очень узкополосный и крутой фильтр (кварцевый или электромеханический), который «вырезает» одну из боковых полос.
2. Фазовый метод: Более сложный в настройке, он основан на использовании фазовращателей и преобразования Гильберта для математического подавления ненужных компонент сигнала.

Наш проектируемый КВ-передатчик, работающий в диапазоне частот от 3 до 30 МГц, является лишь одним из многих типов радиопередающих устройств. Существуют также вещательные АМ/ЧМ передатчики, импульсные передатчики для радаров и многие другие. Понимание этого общего контекста позволяет лучше оценить место и назначение именно SSB-технологии. Вооружившись этой теорией, мы готовы приступить к первому практическому шагу — созданию архитектурного плана нашего передатчика.

Разработка структурной схемы как основа всего проекта

Структурная схема — это «карта» вашего устройства. Она показывает, из каких функциональных блоков состоит передатчик и как они связаны между собой. Грамотно составленная и обоснованная схема демонстрирует системное мышление и является отправной точкой для всех последующих расчетов. Для диапазонного КВ SSB-передатчика типовая структура, основанная на фильтровом методе, выглядит следующим образом.

Она представляет собой последовательность ключевых узлов, каждый из которых выполняет свою уникальную функцию:

• Задающий генератор (ЗГ): Формирует стабильный по частоте и амплитуде синусоидальный сигнал, который станет «основой» для нашего будущего SSB-сигнала.
• SSB модулятор: Это сердце системы. Сюда поступает сигнал от ЗГ и сигнал звуковой частоты (голос) от микрофона. Как правило, он состоит из балансного модулятора, который подавляет несущую, и фильтра основной селекции (ФОС), который вырезает нежелательную боковую полосу.
• Смеситель: Так как ФОС эффективно работает только на одной фиксированной частоте, для получения сигнала в нужном КВ-диапазоне используется смеситель. Он переносит сформированный SSB-сигнал на требуемую рабочую частоту с помощью гетеродина.
• Каскады усиления (ВЧ и мощности): Сформированный сигнал все еще очень слаб. Тракт усиления, состоящий из предварительного усилителя высокой частоты (УВЧ) и мощного выходного усилителя (УМ), доводит его до требуемой выходной мощности.
• Выходной фильтр (ФНЧ): Усилитель мощности вносит в сигнал нелинейные искажения — гармоники. Чтобы обеспечить чистоту эфира, перед подачей на антенну сигнал проходит через фильтр нижних частот, который подавляет эти паразитные излучения.

Выбор именно такой структуры с однократным преобразованием частоты является классическим и наиболее рациональным решением для учебных проектов, так как позволяет поэтапно рассчитать и смоделировать каждый узел. Мы определили общую архитектуру. Теперь наша задача — «оживить» каждый блок, начав с самого сердца системы, где рождается сигнал.

Проектирование SSB модулятора, где формируется голос передатчика

Модулятор — один из самых ответственных узлов, так как именно здесь определяется качество будущего сигнала, в частности, степень подавления несущей и нерабочей боковой полосы. В рамках фильтрового метода, который мы выбрали как наиболее распространенный, процесс проектирования можно разбить на несколько четких шагов.

Шаг 1: Выбор балансного модулятора. Его задача — перемножить сигнал от задающего генератора и низкочастотный сигнал от микрофона, подавив при этом несущую частоту. Классическим решением является кольцевой диодный смеситель или схемы на встречно-включенных транзисторах. Главный параметр здесь — уровень подавления несущей, который должен быть не хуже 40-50 дБ.

Шаг 2: Расчет фильтра основной селекции (ФОС). Это критически важный компонент. Именно он из двух боковых полос, полученных после модулятора, оставляет только одну. Из-за высочайших требований к прямоугольности АЧХ и крутизне скатов здесь применяются кварцевые или электромеханические фильтры. В курсовой работе обычно приводят расчет кварцевого фильтра. Процедура расчета включает:

1. Определение полосы пропускания (обычно 2.4-2.7 кГц для голоса).
2. Задание требуемого затухания в полосе задержания (например, 60 дБ).
3. Выбор типа аппроксимации (фильтры Баттерворта дают гладкую АЧХ, а фильтры Чебышева — более крутые скаты ценой неравномерности в полосе пропускания).
4. Расчет порядка фильтра и номиналов его элементов (конденсаторов и кварцевых резонаторов) по известным формулам для выбранного типа аппроксимации.

Физический смысл этих расчетов — создать электрическую цепь, частотная характеристика которой будет максимально близка к идеальному прямоугольному фильтру. Качество этого фильтра напрямую влияет на то, насколько чистым будет ваш сигнал в эфире и не будет ли он мешать соседним радиостанциям. Сигнал сформирован, но он еще очень слаб. Следующий логический шаг — последовательно усилить его до требуемой мощности.

Расчет каскадов усиления, где сигнал обретает свою мощь

Усилительный тракт — самый объемный в плане расчетов раздел курсовой работы. Его задача — поднять мощность слабого сигнала с выхода смесителя (единицы или десятки милливатт) до заданной в техническом задании величины (единицы или десятки Ватт). Этот процесс логично разбить на два этапа.

Расчет предварительного усилителя ВЧ

Этот каскад или несколько каскадов служат для «раскачки» мощного выходного каскада. Основная цель здесь — получить необходимое усиление по мощности при сохранении высокой линейности, чтобы не вносить искажений в уже сформированный SSB-сигнал. Расчет ведется по следующему алгоритму:

• Выбор активного элемента: Подбирается ВЧ-транзистор (обычно биполярный или полевой) с подходящими параметрами по граничной частоте усиления, мощности и коэффициенту шума.
• Расчет режима по постоянному току: Определяются токи и напряжения в базовой (затворной) и коллекторной (стоковой) цепях, чтобы задать рабочую точку транзистора в линейной области его характеристик. Здесь используются базовые формулы, такие как закон Ома.
• Расчет согласующих цепей: Для максимальной передачи энергии от предыдущего каскада к входу усилителя и от его выхода к следующему каскаду необходимо согласовать их импедансы (входные и выходные сопротивления). Для этого рассчитываются Г-образные, П-образные или трансформаторные согласующие цепи.

Расчет выходного усилителя мощности

Это финальный и самый энергозатратный каскад. Здесь требования к линейности также важны, но на первый план выходит энергетическая эффективность (КПД). Алгоритм расчета схож с предварительным усилителем, но с ключевыми отличиями:

• Выбор мощного транзистора: Транзистор выбирается в первую очередь по максимальной рассеиваемой мощности, рабочему напряжению и частоте. Обязательно учитывается необходимость установки транзистора на радиатор.
• Расчет режима и согласования: Расчет режима по постоянному току и особенно расчет выходной согласующей цепи ведутся с целью получить максимальную выходную мощность при заданном напряжении питания. Входная и выходная согласующие цепи здесь более сложные, так как должны трансформировать низкие импедансы мощного транзистора в стандартные 50 Ом. Для визуализации и расчета таких цепей инженеры часто используют диаграмму Смита.

Важнейшим аспектом на всех этапах усиления является согласование импедансов. Несогласованность ведет к потерям мощности, самовозбуждению каскадов и может даже повредить транзисторы. Мы получили сигнал нужной мощности, но в процессе усиления могли возникнуть нежелательные гармоники. Наша финальная задача в проектировании — очистить сигнал перед его отправкой в антенну.

Синтез выходного фильтра для обеспечения чистоты эфира

Даже самый линейный усилитель мощности вносит в сигнал искажения. Это физическое свойство полупроводниковых приборов приводит к появлению в выходном сигнале, помимо основной частоты, ее кратных составляющих — гармоник (2f, 3f, 4f и т.д.). Эти гармоники являются паразитным излучением, которое засоряет радиоэфир и создает помехи другим службам связи. Международные стандарты строго регламентируют их допустимый уровень. Поэтому задача выходного фильтра — подавить все гармоники до требуемой величины (обычно на 40-60 дБ ниже уровня основного сигнала).

Поскольку все гармоники лежат по частоте выше основного сигнала, для их подавления идеально подходит Фильтр Нижних Частот (ФНЧ). Он пропускает без ослабления все частоты ниже частоты среза (нашей рабочей частоты) и эффективно ослабляет все, что выше. Процедура синтеза ФНЧ в курсовой работе выглядит так:

1. Определение требований: Задается частота среза (чуть выше верхней границы рабочего диапазона, например, 30 МГц), требуемый уровень подавления ближайшей (второй) гармоники и стандартное сопротивление нагрузки (50 Ом).
2. Выбор типа фильтра: Как и в случае с ФОС, чаще всего выбирают между фильтрами Баттерворта (максимально гладкая АЧХ) и Чебышева (более крутой спад АЧХ). Для выходных фильтров часто предпочитают фильтры Чебышева за их эффективность.
3. Расчет порядка фильтра: На основе требуемого затухания на частоте второй гармоники по специальным номограммам или формулам определяется необходимое количество реактивных элементов (катушек и конденсаторов) в фильтре. Чем выше требуемое подавление — тем выше порядок фильтра.
4. Расчет номиналов элементов: Используя табличные коэффициенты для выбранного типа и порядка фильтра, рассчитываются конкретные значения индуктивностей (в микрогенри) и емкостей (в пикофарадах).

На выходе этого этапа у вас будет готовая принципиальная схема ФНЧ с рассчитанными номиналами L и C элементов, которая обеспечивает требуемую чистоту спектра передатчика. Все узлы нашего виртуального передатчика спроектированы и рассчитаны. Настало время проверить, как они работают вместе, и подготовить итоговую документацию.

Моделирование и оформление, или Как доказать работоспособность и сдать работу

Теоретические расчеты — это хорошо, но в современной инженерии их принято подтверждать практикой или, как в нашем случае, компьютерным моделированием. Этот этап не только доказывает работоспособность вашей схемы, но и позволяет отладить ее, не прибегая к сборке реального макета. Для моделирования радиоэлектронных схем широко используются специализированные программные пакеты, такие как Micro-Cap, NI Multisim или MATLAB/Simulink. Это стандартная отраслевая практика.

В ходе моделирования вы создаете виртуальную копию рассчитанных каскадов (например, усилителя мощности с выходным ФНЧ) и анализируете ключевые параметры:

• Амплитудно-частотную характеристику (АЧХ): Чтобы убедиться, что каскады усиливают равномерно во всем рабочем диапазоне, а фильтры имеют правильную частоту среза.
• Спектр выходного сигнала: Чтобы измерить реальный уровень подавления гармоник и сравнить его с расчетным.
• Коэффициент усиления и выходную мощность: Чтобы проверить, соответствуют ли они заданным в ТЗ.

После того как все расчеты выполнены и подтверждены моделированием, наступает финальный этап — оформление пояснительной записки. Ее структура должна быть строгой и логичной, чтобы проверяющий мог легко проследить ваш ход мыслей. Классическая структура курсовой работы:

1. Титульный лист
2. Техническое задание
3. Содержание
4. Введение (цели, задачи, актуальность)
5. Основная часть (включает выбор и обоснование структурной схемы, расчеты всех узлов с приведением схем и формул)
6. Раздел моделирования (с графиками АЧХ, спектров и т.д.)
7. Заключение (выводы по проделанной работе)
8. Список использованной литературы
9. Приложения (спецификации компонентов, если требуется)

Проект завершен, расчеты выполнены, схема проверена. Осталось подвести итоги и сформулировать грамотное заключение.

Заключение, в котором мы подводим итоги проделанной работы

В заключении необходимо кратко и емко подвести итоги, соотнося полученные результаты с целями и задачами, которые были сформулированы во введении. Это финальный штрих, который создает ощущение завершенности и целостности проекта.

Начните с напоминания основной цели: «В рамках данного курсового проекта была решена задача проектирования диапазонного КВ однополосного передатчика». Далее перечислите, что конкретно было сделано для ее достижения. Укажите, что в ходе работы была выбрана и обоснована структурная схема с однократным преобразованием частоты, а также выполнены полные расчеты ее основных функциональных узлов: SSB модулятора на базе кварцевого фильтра, предварительного и выходного каскадов усиления, а также выходного П-контура (ФНЧ).

Обязательно приведите ключевые итоговые параметры, полученные в результате расчетов и моделирования:

• Диапазон рабочих частот: 3–30 МГц.
• Выходная мощность: [указать полученное значение, например, 10 Вт].
• Подавление несущей частоты: [указать значение, например, > 45 дБ].
• Подавление нерабочей боковой полосы: [указать значение, например, > 50 дБ].
• Уровень подавления гармоник: [указать значение, например, > 40 дБ].

В конце сделайте общий вывод: «Полученные в ходе расчетов и моделирования параметры полностью соответствуют требованиям технического задания, что свидетельствует об успешном выполнении курсового проекта».

Список использованной литературы

1. Анисимов А.: Однополосная радиосвязь. — изд-во: Воениздат, 1961 г.
2. Булатов Л.И. , Гусев Б.В. : Методические указания к курсовому проекти-рованию по дисциплине «Устройства формирования сигналов» -Екатеринбург: Изд-во УГТУ, 1998 г., 35 с.
3. Бунимович С, Яйленко Л., Журнал «Радио» 7: Новое в конструировании любительских передатчиков – 1960 г.
4. Бунимович С., Журнал «Радио» № 12: Универсальный коротковолновый передатчик-возбудитель. – 1959 г.
5. БурдейныЙ Ф., Казанский Н., Камалягин А.. Шульгин К.: Справочник ко-ротковолновика. – Изд-во: ДОСААФ, М., 1959 г.
6. Верзунов М., Семенов Л., Лобанов И.: Однополосная модуляция. — Изд-во: Связьиздат. М., 1962 г.
7. Воробьев В., Гученко. В., Журнал «Радио» №11: Фазофильтровый метод формирования однополосного сигнала – 1959 г.
8. Инженерно-технический справочник по электросвязи. VII. Связьиздат, 1956 г.
9. Калласте А., Калласс X., . Журнал «Радио» № 9: Бесконтурный фильтр для формирования ССБ сигнала – 1962 г.
10. Комылевич В., Журнал «Радио» № I: Диапазонный коротковолновый ра-диоприемник. – 1961 г.
11. Седов К.И. Москалев Э.С.: Методические указания к курсовому проекти-рованию по дисциплине «Радиопередающие устройства» — Ленинград: Изд-во С-ЗЗПИ, 1974 г..
12. Ханзел Г.Е. Справочник по расчёту фильтров. — США, 1969: Пер. с англ. под ред. Знаменского М.: Сов. Радио, 1974 г.
13. Шахгильдян В.В., Власов В.А., Козырев А.А.: Проектирования радиопе-редающих устройств: Учеб. Пособие для вузов; Под ред. В.В. Шахгильдяна — М: Радио и связь, 1993 г., 512 с.
14. Шахгильдян В.В., Козырев В.Б., Луховкин А.А.: Радиопередающие уст-ройства: Учебник для вузов; Под ред. В.В. Шахгильдяна. — М: Радио и связь, 1990 г.. – 432 с.
15. Шумилин М.С., Власов В.А., Козырев А.А.: Проектирование транзистор-ных каскадов передатчиков. — М: Радио и связь, 1987 г., 320 с.