Часть 3. Конструкторский расчет элементов оконечной ступени

Начнем расчет с элементов согласующего устройства. Напомним, что устройством согласования передатчика с нагрузкой служит П-образный четырехполюсник:

Рис. 16. Устройство согласования устройства передатчика с нагрузкой

Поскольку выходная мощность радиопередающего устройства, заданная в задании, много меньше 20 кВт, целесообразно выполнить катушку индуктивности L4 в виде цилиндрической однослойной спирали.

Очевидно, что ток, текущий через катушку индуктивности L4, по законам электротехники равен току, текущему через емкость С' (так как они соединены параллельно). Не трудно догадаться, что ток, текущий через катушку индуктивности L4, складывается из токов, текущих через емкость С17 и резистор (обозначает активную часть комплексного сопротивления антенны) R_А, разумеется, с учетом комплексности (ток, текущий через катушку индуктивности L4, делится на токи, текущие через емкость С17 и резистор R_А). Это будет рассмотрено далее.

Мощность, отдаваемая в антенну: , активная часть комплексного сопротивления антенны . Отсюда:

.

Напряжение на нагрузке: .

Ток, текущий через емкость С17:

Реактивное сопротивление емкости С17: .

Тогда: .

В конечном итоге (по методу комплексных амплитуд, известном из курса теории электрических цепей): .

1. Действующее значение тока, текущего через катушку индуктивности L4:

.

2. Диаметр провода катушки:

, где коэффициент 1,8 определяет технологию изготовления катушки – катушку на ребристом (гребенчатом) каркасе, который обеспечивает свободную циркуляцию воздуха. Разность температур провода и окружающей среды ΔТ примем 45 К. Частота задается в МГц, действующее значение тока, текущего через катушку индуктивности L4, задается в амперах. Итого:

. По ГОСТу 2112-62 выбираем стандартный диаметр провода 4.5 мм (для достижения этого значения необходимо снизить разность температур провода и окружающей среды ΔТ до 42 К).

3. Зададимся отношением длины катушки к ее диаметру: . Это значение справедливо для тех катушек, диаметр которых меньше 50 мм. Изготавливать катушку диаметром больше 50 мм технически не совсем выгодно, поскольку катушка выйдет много габаритная.

4. Так как d=4,5 мм, то выберем D=20 мм (для катушки на ребристом каркасе выбор диаметра провода определяется прочностью провода; для диаметра провода, рассчитанного ранее, данный диаметр катушки будет подходящим, но это должен доказать последующий расчет).

5. Так как , отсюда длина катушки =0,63·20=12,6 мм.

6. Коэффициент формы катушки: F≈11,4·10^-3

7. Шаг намотки: g = (1,3..1,5)d = 1,4d = 6,3 мм.

8. Определим расчетное значение индуктивности, которое обусловлено размагничивающим влиянием близко расположенных проводников, деталей конструкции, стенок корпуса: . Отсюда вычислим число витков катушки:

. В данной формуле действующее значение индуктивности задается в мкГн (сама индуктивность, как было рассчитано, равна 50 нГн), диаметр катушки – в см. Итого:

.

Проверить правильность расчета несложно: воспользуемся формулой: . Разброс полученных значений очень велик. Поэтому изменим диаметр катушки: возьмем D = 12 мм. При этом количество витков катушки будет равно: . Как видно, разброс значений уменьшился, поэтому оставим значение диаметра катушки D = 12 мм, при этом длина катушки будет равна 7,56 мм.

Число витков катушки N = 2.

9. Проверим электрическую прочность катушки: приложенное к катушке напряжение . Напряжение между соседними витками: . Напряженность поля между витками: , что много меньше допустимого значения 500..700 В/мм.

10. Собственная емкость однослойной катушки: . По эмпирическим графикам, приведенными в книге Шумилина, определяем: , . Отсюда С₀ = 1,85 пФ. Для катушек с гребенчатым каркасом, какой был выбран ранее, это значение берется как (15%..20%)С₀ ≈ 0,319 пФ.

11. Проверим длина провода катушки:  Это значение должно быть меньше 0,3·λ. Рассчитаем длину волны:  Тогда 0,3·λ = 2 м. В итоге l_пр < 0,3·λ, и поэтому все в порядке.

Для рассчитанной катушки индуктивности трудно подобрать номинал, изготовляемый отечественной промышленностью, поэтому для изготовления подобной катушки требуется специальный заказ. Выберем номиналы для блокировочного дросселя (Др1) и катушки индуктивности, относящейся к антенне – L5:

· Дроссель, обозначенный на схеме как «Др1»: известно, что для блокировочных индуктивностей . =25Ом, отсюда =75 =1,875 кОм – высокое сопротивление для переменного тока. . Выберем дроссель на ферритовом сердечнике, индуктивность которого несколько больше полученной – ДМ-0,6-10. Его параметры: индуктивность – 10 мкГн, сила тока – не более 0,6 А, диаметр катушки - 3,3 мм, длина l – 11 мм, длина L – 70 мм.

· Индуктивность L5: ранее отмечалось, что =256,356 Ом. Известно, что . Также выберем дроссель на ферритовом сердечнике, индуктивность которого несколько больше полученной – ДМ-3-2. Его параметры: индуктивность – 2 мкГн, сила тока – не более 3 А, диаметр катушки - 3,8 мм, длина l – 11 мм, длина L – 70 мм. Также можно применить дроссель ДМ-3-1. Его параметры: индуктивность – 1 мкГн, сила тока – не более 3 А, диаметр катушки - 3,8 мм, длина l – 11 мм, длина L – 70 мм.

Что касается выбора конденсаторов, то, скорее всего, целесообразней выбрать керамические конденсаторы, так как для обеспечения хорошего КПД и минимальных потерь мощности для конденсаторов согласующего устройства, которое одновременно является и фильтрующим, существует требование обеспечения малых потерь – малым тангенсом угла потерь (tg δ) и, таким образом, высокой добротностью. Также необходимо обеспечивать устойчивость к температурному фактору, влажности, давлению. Это могут обеспечить наиболее часто применяемые в промышленности керамические конденсаторы. Для согласующего устройства, емкости которого получились достаточно великими – 6,366 нФ и 11,866 нФ – следующий вид конденсаторов, изготовляемый отечественной промышленностью: так, для емкости С16 (величина емкости – 6,366 нФ или 6 366 пФ) можно применить монолитный конденсатор КМ-6, а для емкости С17 (величина емкости – 11,866 нФ или 11 866 пФ) применим этот же конденсатор. Для керамических конденсаторов КМ-6 значения номинальной емкости колеблется от от 120 до 15 000 пФ. Эти конденсаторы используются в маломощных передатчиках.

С учетом требований Международной электротехнической комиссии установлено семь предпочтительных рядов для значений номинальной емкости: по ряду Е24 можно взять следующие номиналы - С16 = 6,2·10^-9 Ф, С17 = 1,2·10^-8 (12·10^-9) Ф. При этом могут возникнуть некоторые искажения частотных характеристик согласующего устройства, некоторые изменения в фильтрующих и согласующих свойствах, однако эти изменения будут не совсем значительными, так как отклонения колеблются в пределах ±10%.