Проектирование модуля АФАР

ПримечаниеPROGS (каталог) - все кафедральные программы, использованные при выполнении курсового (в нем сказано, какие и где) PROJECT (каталог) - сам курсовой, в том числе: project.doc - собственно курсовой (Word 97+Equation 3.0) scheme.cdr - схема электрическая при
Загрузить архив:
Файл: 240-0997.zip (1019kb [zip], Скачиваний: 131) скачать

московский государственный ордена ленина И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ
авиационный институт имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

(технический университет)


факультет радиоэлектроники ла

Кафедра 406


расчетно-пояснительная записка

к курсовому проекту по дисциплине

«радиопередающие устройства»

Выполнил:Г.В.СУВОРОВ,

гр. 04-517

Преподаватель:е.м.добычина

москва

1997


МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ
АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ


Факультет радиоэлектроники ЛА (№4)

Кафедра 406

ЗАДАНИЕ №24

На курсовой проект по РАДИОПЕРЕДАЮЩИМ УСТРОЙСТВАМ студенту СуворовуГ.В. учебной группы 04-517. Выдано 13 октября 1997г. Срок защиты проекта 22 декабря 1997г.

Тема проекта:

Модуль АФАР

Исходные данные:

1. Назначение передатчика— передающий модуль;

2. Мощность: Pвых=0,5Вт; Pвх£20мВт.

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

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

5. Место установки— борт ЛА.

6. Rнапр=50Ом.

Руководитель проекта: Е.М.Добычина


СОДЕРЖАНИЕ
1.Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.расчет Структурной схемы модуля АФАР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
3.Методики расчета каскадов модуля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.1.Методика расчета режима транзистора мощного СВЧ усилителя мощности . . . . . . . . . . .6
3.2.Методика расчета режима транзистора мощного СВЧ умножителя частоты . . . . . . . . . . 11
4.Результаты расчетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.1.Расчет усилителя мощности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
4.1.1.Расчет режима работы активного прибора (транзистора) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.1.2.Расчет элементов принципиальной схемы усилителя мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2.Расчет умножителя частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.2.1.Расчет режима работы активного прибора (транзистора) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.2.2.Расчет элементов принципиальной схемы умножителя частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.3.Расчет согласующих цепей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.3.1.Расчет входной согласующей Г-цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
4.3.2.Расчет межкаскадной согласующей Г-цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
4.3.3.Расчет выходной согласующей П-цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
5.конструкция модуля АФАР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.1.Выбор элементной базы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
5.2.Выбор типоразмера печатной платы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.3.Технология изготовления печатной платы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.4.Конструкция корпуса модуля АФАР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Приложение1
Литература

1.Введение

На современном этапе развития радиоустройств СВЧ все большее применение находят передающие, приемные и приемопередающие активные фазированные антенные решетки (АФАР), в которых излучатели (или группа излучателей) связаны с отдельным модулем, содержащим активные элементы в виде различного типа генераторных и усилительных каскадов и преобразователей частоты колебаний, а также пассивные умножители частоты.

В передающей АФАР активная часть отдельного модуля, возбуждаемого от общего задающего генератора, фактически имеет функциональную схему, аналогичную схеме усилительно-умножительного СВЧ-тракта радиопередающего устройства, выполненную на генераторах с внешним возбуждением. В качестве активных приборов этих генераторов во многих практических случаях используются полупроводниковые СВЧ-приборы, позволяющие повысить надежность и долговечность модулей АФАР по сравнению с модулями на электровакуумных СВЧ-приборах, при обеспечении средней выходной мощности модуля до десятков и сотен ватт (при использовании схем сложения СВЧ-мощностей) в дециметровом диапазоне и до десяти ватт в сантиметровом диапазоне.

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

φ

►

f

2f

α

»

Г

Г

М

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

Обычно при проектировании генераторной части модуля АФАР с умножением частоты бывают заданы Pвых, fвых, fвх, а также значение Pвх. В результате проектирования определяется число умножительных и усилительных каскадов в генераторной части модуля, типы активных приборов и электрических схем, используемые в каскадах, значения параметров режима активных приборов и элементов схем каскадов, а также вид конструктивного выполнения каскадов.


2. расчет Структурной схемы модуля АФАР

Структурная схема модуля АФАР представлена на рис.2.

Имея заданную выходную мощность Pвых, зададимся контурными КПД согласующих цепей (СЦ1, СЦ2, СЦ3) (ηкСЦ1=ηкСЦ2=ηкСЦ3=ηкСЦ=0,9) и найдем мощность на выходе умножителя частоты:

Рис.2. Структурная схема модуля АФАР

Pвх=8,88мВт<20мВт

fвх=0,25ГГц

СЦ1

ηкСЦ1=0,9

>

KУМ=7,6

СЦ3

ηкСЦ3=0,9

СЦ2

ηкСЦ2=0,9

0,25ГГц

KУЧ=9,958

0,5ГГц

PвыхСЦ1=8мВт

f=0,25ГГц

PвыхУМ=61,4мВт

f=0,25ГГц

PвыхСЦ2=55,2мВт

f=0,25ГГц

PвыхУЧ=0,55Вт

f=0,5ГГц

Pвых=0,5Вт

fвых=0,5ГГц

ηэ=0,99

ηэ=0,48

2Т934А

2Т919А

Зная выходную мощность умножителя частоты, коэффициент умножения и входную частоту, с помощью программы MULTIPLY, разработанной на каф.406, выберем транзистор и рассчитаем его режим работы (результаты этих расчетов даны в п.4.1.1.). В числе прочих результатов программа выдает коэффициент усиления по мощности KУЧ=9,958, используя который, мы вычисляем мощность на входе умножителя частоты, совпадающую, разумеется с мощностью на выходе СЦ2 (PвыхСЦ2):

Поскольку, как упоминалось выше, мы задали контурный КПД согласующих цепей равным ηкСЦ=0,9, то мощность на входе СЦ2 PвхСЦ2, равная мощности на выходе усилителя мощности PвыхУМ, равна:

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

Поскольку мы задали контурный КПД согласующих цепей равным ηкСЦ=0,9, то мощность на входе СЦ1 PвхСЦ1 равна:

что меньше 20мВт, ограничивающих по заданию входную мощность сверху.


3.Методики расчета каскадов модуля
3.1.Методика расчета РЕЖИМА ТРАНЗИСТОРА
МОЩНОГО 1.

При выборе угла отсечки надо учитывать следующее. Пиковое обратное напряжение Uбэпик у1, поскольку в диапазоне 0,25…1ГГц такая технология применяется достаточно широко, но в нашем случае получается реализовать изделие на сосредоточенных элементах, поскольку нам удалось выбрать сосредоточенные резисторы и конденсаторы для данного диапазона частот (пп.4.1. и 4.2.). Внешний вид и геометрические размеры выбранных элементов показаны на рис.13…17.

Рис.15. Транзистор 2Т919А

Рис.16 Транзистор 2Т934А

Рис.17. Конденсатор КМ-6, вариант «А»

D=2,2мм

L=6,0мм

l=20мм

d=0,6мм

Рис.13. РезисторС2-33Н

Рис.14. Конденсатор К10-17-1


Так как стандартные индуктивности рассчитанных нами номиналов (пп.4.1. и 4.2.) отсутствуют в номенклатуре элементной базы, производимой радиоэлектронной промышленностью, мы изготовим индуктивности из отрезков прямых проводников диаметром 0,5мм.

Известно, что индуктивность L отрезка проводника круглого сечения длиной l равна

где d— диаметр проводника, причем d и l необходимо подставлять в сантиметрах, тогда L получится в нГн.

С помощью пакета Mathcad Professional7 было проведено исследование зависимости индуктивности отрезка проводника круглого сечения от его длины для трех различных диаметров (d=0,5мм (рис.П.1.1.), d=0,6мм (рис.П.1.2.), d=1,0мм (рис.П.1.2.), файлы ind05mm.mcd, ind06mm.mcd, ind1mm.mcd соответственно, см. Приложение1).

Из представленных зависимостей видно, что для данного значения индуктивности (например, 30нГн) самым коротким будет самый тонкий проводник (l=32,8мм, (d=0,5мм), l=34мм, (d=0,6мм), l=37,2мм, (d=1мм)).

Следовательно, индуктивности L1,…, L8 будем изготавливать из отрезков проводника диаметром d=0,5мм. Длину отрезка будем вычислять по полученной номограмме (рис.П.1.1.). Таким образом,

L1=0,378нГн:           1,5мм;

L2=3,32нГн:             6мм;

L3=31,83нГн:           34мм;

L4=21,19нГн:           25мм;

L5=34,98нГн:           37мм;

L6=15,6нГн:             19мм;

L7=11,46нГн:           15мм;

L8=19,82нГн:           23,5мм.

5.2.Выбор типоразмера печатной платы

Исходя из жестких требований, предъявляемых к изделию (устанавливается на борту ЛА), в частности к его размерам и в особенности к массе, необходимо насколько возможно повысить плотность упаковки (интеграции) элементов на печатной плате, в связи с чем мы выбираем коэффициент дезинтеграции Kд равным 2.

Для выбора типоразмера печатной платы необходимо вычислить суммарную площадь, занимаемую элементами, умножить ее на коэффициент дезинтеграции Kд и из стандартного ряда типоразмеров выбрать плату равной или чуть большей площади. Площади, занимаемые элементами, приведены в табл.1.

Суммарная площадь элементов:

SΣ=2(196·1+175·1+0,75·1+3·1+17·1+12,5·1+18,5·1+9,5·1+7,5·1+11,75·1+13,2·2+
+31,28·10+31,28·1+42,25·2)=1834,58мм2.

Выбираем плату размером 35´60мм; S=2100мм2.

5.3.Технология изготовления печатной платы

Печатную плату будем изготавливать субтрактивным методом, суть которого заключается в следующем. На поверхность фольгированной печатной платы наносится фоторезист, поверх которого размещается негативный фотошаблон, отражающий конфигурацию и расположение печатных проводников, т.е. имеющий прорези и отверстия в тех местах, где должны быть расположены токоведущие участки. Во время экспонирования эти участки окажутся засвеченными. После экспонирования фоторезист задубливают, т.е. помещают плату в специальный раствор, в котором засвеченные участки фоторезиста становятся нерастворимыми. После задубливания следует этап травления, в ходе которого незасвеченный фоторезист и фольга, находящаяся под ним, растворяются в травящем растворе. Потом остатки задубленного фоторезиста также удаляются. После смывания остатков фоторезиста плату высушивают, покрывают защитным лаком и устанавливают на нее элементы. В нашем случае вполне допустима пайка волной припоя, с тем условием, что транзисторы будут установлены отдельно— в последнюю очередь, т.к. они чувствительны к перегреву и имеют планарные выводы.

Таблица SEQ Таблица * ARABIC 1

Элемент

Площадь, мм2

Количество, шт.

Транзисторы

2Т934А

S=196мм2;

1

2Т919А

S=175мм2;

1

Индуктивности

L1

S=0,75мм2;

1

L2

S=3мм2;

1

L3

S=17мм2;

1

L4

S=12,5мм2;

1

L5

S=18,5мм2;

1

L6

S=9,5мм2;

1

L7

S=7,5мм2;

1

L8

S=11,75мм2;

1

Резисторы

С2-33Н

S=13,2мм2;

2

Конденсаторы

К10-17-1-П33

S=31,28мм2;

10

К10-17-1-М750

S=31,28мм2;

1

КМ-6-М1500

S=42,25мм2;

2
5.4.Конструкция корпуса модуля АФАР

Поскольку изделие устанавливается на борту ЛА и будет подвержено перепадам давления, целесообразно обеспечить герметизацию корпуса изделия с помощью эластичной прокладки. Помимо этого, бортовая аппаратура должна быть вибропрочной и виброустойчивой, и в то же время достаточно легкой. Исходя из этого, корпус модуля АФАР логично будет изготовить из алюминия методом литья.

Кроме того, в корпусе будут иметь место три отверстия для трех разъемов— двух высокочастотных (сигнальных)— входного и выходного и низкочастотного разъема для подачи питания. Все разъемы также из соображений виброустойчивости необходимо оснастить защелками, препятствующими произвольному рассоединению модуля и бортовых коммуникаций.

Печатная плата будет притянута к днищу корпуса четырьмя винтами, входящими в отверстия по углам платы и ввинчивающимися в четыре бобышки, составляющими единое целое с днищем корпуса. Помимо этого, для удобства размещения и закрепления модуля АФАР на борту ЛА, необходимо предусмотреть нечто вроде салазок, проходящих вдоль днища корпуса.

Для обеспечения ремонтопригодности корпус изделия надлежит сделать ограниченно разборным: щель между крышкой и основанием корпуса будет запаяна, а в шов будет проложена проволока, оканчивающаяся петлей. В случае необходимости проволоку можно будет вытянуть, разрушив пайку, и снять крышку корпуса.


Литература

1. ГрановскаяР.А. Расчет каскадов радиопередающих устройств.— М.:МАИ, 1993.

2. ГрановскаяР.А. (ред.) Проектирование активных элементов модулей АФАР дециметрового диапазона. Учебное пособие.— М.:МАИ, 1980.

3. ГрановскаяР.А. (ред.) Проектирование активных элементов модулей АФАР сантиметрового диапазона. Учебное пособие.— М.:МАИ, 1980.

4. Транзисторы. Справочник (Массовая радиобиблиотека)— М.:«Радио и связь», 1989.

5. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник.— М.:«Энергоиздат», 1982.

6. МасленниковМ.Ю., СоболевЕ.А., СоколовГ.В., СоловейчикЛ.Ф., ПереверзеваА.В., ФедотовБ.А. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база (книгаI). М.:«Энергоатомиздат», 1993.

7. АлександровК.К., КузьминаЕ.Г. Электротехнические чертежи и схемы.— М.:«Энер­го­атомиздат», 1990.

8. ИстоминА.Н., ПородинБ.М. Методические указания к выполнению РГР по расчету элек­тро­преобразовательных устройств.— М.:МАИ, 1992.


1 Iкр— значение тока коллектора, при достижении которого час­тота падает на 3дБ (в два раза) по отношению к ее максимальному значению при заданном напряжении коллектор-эмиттер.

1 По-хорошему-то!