【船载中频发射机的设计与实现15000字】

仍然能进行有效的中短程无线通讯。而且，近年来中频发射机船舶，航空飞行器等，移动导航定位系统以及媒体音视频传警信息，气象预报信息，交通规划信息和休息区信息，满足各在行驶中的船舶传输安全信号信息，从而可以更好保障船舶海全球海上安全与预先防控系统中的核心构成体系以及此次毕业设计的计划是设计一个频率为2MHz的船载中频发射机，并且对输入入变容二极管的电容三点式的本地振荡器来产生一个可调的用两级LC谐振放大电路将前一级振荡器输出过来的可调的中频放大，经由这两级功率放大以后，该信号的功率将得到大幅度提高该信号的功率的同时还要注意在此过程中产生的高次谐波对信号的干扰，因此关键词：中频发射机；电容三点式振荡器；变容二极管；谐振功率放大 1 1.2国内外现状 2 2 3 2.1无线电波的形成以及中频波段的划分 32.1.1无线电波的形成 32.1.2中频波段的划分 42.2中频无线电波的传播途径及其特点 42.2.1地波传播及其特点 52.2.2天波传播及其特点 5 63.1振荡器原理及其设计 63.1.1三端振荡器基本工作原理及构成法则 73.1.2电容三点式振荡器 83.2振荡器的频率和幅度稳定度 93.2.1频率稳定度 93.2.2影响频率稳定度的因素及提高方法 3.3变容二极管部分接入调频 3.4稳压电源的设计 3.4.2稳压电源电路设计 3.5谐振功放的设计 3.5.2输出功率与效率 3.6信号的发射 23 11绪论1.1研究背景在二十一世纪这种科学技术、无线通信都飞速发展的时代信技术越来越成熟，与此同时，其自动化控制与智能领域也是越发的娴熟。无线电通信技术的迅速发展和广泛应用，可以说是为在海上破浪而行它可以帮助遇险船舶迅速且有效地发出遇险信号，可以帮助搜救人员迅速展开工作。这是应用全球领先的通信技术，特点是以岸基为功能1。GMDSS是一个基于计算机技术等的通信系统。如果船舶海行时遭险，能够及时高效给世界各国的搜救机构和任何海域航行的船舶发中频通信是无线电通信发展初期使用的频段之一，在是使用800kHz的中频信号进行了第一次横越大西洋的无线电传输试验。所有参加频信号进行了第一次横越大西洋的无线电传输后20年左右，我国将5001500kHz的中频频段划分为国内无线广播使用，正是在这次频率划分后，中频波段在无广播领域开始了迅猛地发展，一举成为世界上收听率很高和播业务。在此之后中频波段在立体声广播方向相较于以前也之后不足十年，美国便成功地建立的世界上第一座可以发射出四条辐射状定位线的A-N中频波段的无线电导航台。在按照定位线航行的飞机上装有可以接收到连续的信号音的接收机，而这个导航台的作用就在于飞机非离正常航道时，这是会在正常航线两侧获取摩斯密码A或B,从二十世纪七十年代末开始，中频技术在高精度无线电定位系统方向的发展也是异军突起。将新的通信技术与电2结合是该系痛的发展方向，也是该系统的优势。经过各种技的作用距离、定位精度以及自动化程度都得到了明显的提升3。在十九世纪初期，发生过一件至今令人难以忘怀的大事件。有一艘名为“TITANIC”的豪华游轮号称，在当时那个年代号称“世界上最大的游轮”。不幸的是，这艘海上巨无霸在其第一次出航的时候便在底。由于当时的无线电通信技术的落后以及规则的不完善，导致无法快速地向外界寻求援助，错过了救援的最佳时机，从而产生了严重的后果，最终导致近难的悲剧。此次事件可以说是轰动了全世界，同时也警示了人们。于是便诞生了世界上第一个SOLAS公约[4]。该公约是在1915年由IM0即国际海事组织于制定，并andRescue)于1985年6月22日开始生效。之所以制定了这些公约，是为了当发生海难时能够对遇险船舶和人员开展迅速且有效的救援行动，并且在事发海域的沿岸国家应负有一定的搜救责任5。因此为了在大自然灾难面前，各个有关的沿海国家能够即时展开搜寻与救援活动，各有关国家在研究制订本国海事要的。也就是在这一大背景下，中频无线传感器的发射机不仅仅被广泛地应用于陆地上的所有各行业，其对在海上飞行的所有船只也都具备着一种极为重要的功能，换句话说，中频发射机不仅仅被广泛应用于陆地上的各行各业，其对于在海上航行江苏广播电视总局中频发射站与法国泰雷兹于2004年9月9日至15日，南京江东门联合开展中波数字广播领域的DRM实验活动，选择法国研制的配设拉杆式桅杆天线装置的中频发射机设备，其工作频率是1053kHz。而无线电广播在我国的的中频广播技术政策7。而且我国还实现了地波覆盖同步广播，目的是为了解决频3的中频接收机价格便宜，因此我国的广播技术主要基于中频波段并且被用户广泛使用。近些年来，虽然中频广播大功率发射站越来越多，功率越来越大，但是广播效果却并没有得到改善8。国外进口和国内生产的中频无线电台，用于岸上与船舶之间的紧急和救生通信9。中频的频率范围是300一3000kHz。其实在早期应用广播以外，在国外无线电通信已经应用于船舶通信中。就目前来说，中高频接收机已经应用到了绝大多数的外国船只。中频无线电波通信与高频通信相比，电波传播更稳定，但是信号传播的距离不能太远，而我们为了尽可能地提高信号的传播距离，就必须尽可能地提高信号的发射功率，然而要想提高信号的发射功率，就会导致天线结构很大，这是一个连锁的反应。因此中频岸对船通信。当然它也可以用作岸上与大中型船舶以及中急通信，这主要取决于信号所能够传输的空间长度。参考在2005年4月末由WDBO组织公布的报告可以得知，这是存在共计11个的频率参数全天候进行数字DRM信息的广播活动，其中5个是中频。外国海军经常将中波用于潜艇，并将紧急通信用于船舶。除了用作通信程序外，中频始终是船舶和飞机舰艇，特别是航空母舰，将以战斗机为主要战斗力时，中频便起到了极其重要的作用101。2.1无线电波的形成以及中频波段的划分4由于电荷附近有着电场，在电荷依据方向恒定状态下进行运动时会出现电数，进而又会相应地产生磁场。如果电流大小和方向随时间变化，那么它将在周围空间中产生交变的电磁场。当此交变电磁场达到无线电波由随时间变化的电场和随时间变化的让周围环境产生磁场，而后者又会在其附近的空间激发出相应的电场，就这样，二者相互交替、相互激发、周而复始便形成了可以从一个空间传播到另外一个空间的电磁波。这种传播方式不依赖于任何介质，换句话说，在真空环境条件下，在无线电通信过程中，这是需要通信发送设备产生相关数应功率的高频交变电磁信号，然后使用内置天线对外磁信号发送到接收端后，由接收设备进行接收和处理，以恢也称之为波段。因此，无线电波既可以根据无线电台在一个周期T周的传输长度称之为其波长参数，用λ表示，单位为m;其频率用f来示，单位为Hz,这是和T先互成倒数关系。因此无线电波各个参数之间上面也有提到，我们通常将频段在300kHz~3000kHz的无线电波称之为中频 (MF),也成为中波，即波长在1000~100m之间。根据国际电信联盟(ITU)《国际无线电规则》的频率划分，将526.5~1606.5kHz这一范围频段以此进行广播；在广播频段以上会应用在以军事用途为代表的很多独特通信领域，在广播频段以下会5中波重点涵盖天波传说形式与地波传输模式，可以结合相关传输信号自身具备的一些特征。能够沿地表展开绕射传输，也是会借助于电离层展开反射传输。在白天时，由于高电子碰撞后产生D层中波剧烈吸收情况，因此无法产生反射传输效果。而在夜间电离层中的中波反射系数差量逼近1。所以，白天可以在附近区域能够接收地波传输的相关信号，同时会产生较为稳定的场强参数，而在夜晚能够选择天波与地波组合的传输模式，其中天波有着很长的传输距离参数[1¹4。2.2.1地波传播及其特点其中，地波传播是指无线电波沿着地球表面以绕射的形式传播，其特点是可以绕过弯曲的地球表面或者障碍物，从发射端到达接收端。但是由于地球曲率的存在，发射点T与接收点之间存在障碍物的等效高度h,如果发射点与接收点之间的距离越远，则障碍物的等效高度h就越高，如图2.2,以至于要求产生绕射电波的波长就越长，因此中波的传播距离大概在几百公里。R当我们采用地波进行无线电通信时，其可靠的传输距离取决于无线电波的频率和地表特性(地表特性主要是指导电率，导电率越大，则无线电波在地面传输的损耗越小)。因此我们可以得出，海水表面对无线电波的吸收损耗较小(海水的导电率要高于地表)。当然，无线电波具体的传播距离还取决于实际发射功率，天线的尺寸等等。需要指出的是，地面的电性能参数和地形障碍物等因素随时间的变化不大，因此地波传播比较稳定可靠。2.2.2天波传播及其特点天波含义为通过发射天线将无线电波选择电离层反射方式传输到接收天线位置，其中也是包括无线电波在电离层与地面间出现多次反射现象后出现在接收端的传输情况，适合远距离通信[15。6这是由于光线照射让一些气体分子产生电离现象地面60~300公里的区域。在该区域中，气体分子的电离程度取决于其高度。因电离层中电子和离子的浓度与高度有关，高度越高，电子和离子的浓度越电离程度还取决于白天，晚上和季节。换句话说，气体电离程度与时间空间都有关鉴于宇宙有着各类复杂化影响要素的共同作用，因此电离层没有稳定的状态，参考具体的观察信息，可以了解到能够将电离层概括为D层、E层以及F层(分解为F₁层和F₂层)等。在出现电波传输现象时起主要作用的电离层是E层和F层。D层离地面的高度为60~90km,E层的高度为100~130km,F层的高度为200~300km。在白天，中波会进入到D层后被显示吸收，因此难以产生天波传输效果，其接收终端获取的信号，几乎完全依靠地波，所以，白天只能选方式，而夜间会存在较为理想的天波传输效果。因此，夜间中波既可以地波形式传中波传输时会产生衰落情况，其表现为接收端获取的信号没有规则的出现强度改变情况，其原因为信号有着多路径传播而波一起在的区域，由于天波的波程随电离层电子和离子浓度时刻变化，接收点的天波信号相应也随之变化，但地波信号较稳定。因此在接收点天波和地波叠加时，合成信号场强在不断改变，当天地波同3发射机的原理分析与电路设计LC振荡器是选择LC振回路用于选频网络设计的反馈式装置，总电感参数L与总电容参数C会对其频率产生决定性作用，所以会出现很强的正弦波线号。主要涵7盖电感三点式类型、电容三点式类型以及变压器反馈式类型等。其固有特征是电路用于选频网络。而三点式构成法则更为简单和实用。3.1.1三端振荡器基本工作原理及构成法则三端振荡器的基本结构如图3.1所示。分别在晶体管的三个极连接一个电抗器件X₁、X₂、X₃,由X₁、X₂、X₃组建LC谐振回路。既是能够用于晶体管及电极的负载端，也是可以做为正反馈选题网络，因此我们将这种形式的振荡电路称为三端振荡器或三点式振荡器。要想让这种电路能够振荡，相位平衡条件是满足振荡的首要条件，即电路需要构成正反馈。为了分析方便，忽略元件的损耗和晶体管输人/输出阻抗的产生的作用。在LC谐振回路谐振中的纯电阻参数作为回路等效，即X₁+X₂+X₃=0。电路的输人电压为Ui,输出电压为Uo,反馈电压为Ut。根据图3.2.1所示电路可知，输出电压Uo与输人电压Ui反相，电抗X₂上的电压为反馈电压Uf,要构成正反馈满足相位条件则Ue与U;需要同相，因此U与Uo反相。为使得Uf与Uo反相，则X₁、X₂应该是相同性质的电抗元件，即同为电容或同为电感。又因为需要构造成LC选频回路，因此X₃应该和X1,X2是不同性质的电抗元件。这就是三端振荡器的构造原理。根据上述分析，三端振荡器的基本结构是在晶体管的三端间分别接入3个电抗元件。为了符合相位平衡技术标准，这是要和发射级使用同等性质的元器件，要和基极连接(be、be之间)的两个元件则应该是不同性质的元件[17]。三端振荡器的构成原则也可以简单归结为“射同基反”,值得注意的是，两极间也可以使用回路来代替相应的元件，只要该回路在工作时呈现出所需要的电抗特性就可以了。jX₃83.1.2电容三点式振荡器这个具有反馈电压高次谐波分量很小，输出波形因是电容三点式振荡电路的反馈电压取C₂,而电容对晶体管非线性特性产生的高次荡的相位平衡条件。根据交流通路可得出该电路的选频回路如图3.2(c)所示，因此该电路为共基极放大器，从发射极和基极间输人，集电极和基极间输出。输出电压经过电容组成的反馈网路，从C2两端取得反馈电压，把它加到放大器输人端，的跨导，R是晶体管放大器集电极和基极间的等效负载电阻。所以该电路的起振条件和平衡条件可以简单归结93.2振荡器的频率和幅度稳定度在振荡器中使用频率稳定度和幅度稳定度这两个核心的考评标准。需要该装置这是指在指定时段中，鉴于各类影响要素的动态称频率变化的状况。设定后者参数为fo,实际频瞬间频率稳定度主要受到频率源内部噪声现象产生的相应变化情况，不会受到长期频率稳定性与外界影响要素的作用。而长期频率稳定性主要是受到有源元器件以及电路元器件的老化特征影响。而短期频率稳定性主要是受到环境温度参数、电影响频率稳定度的因素是多方面的。其一是振荡回给频率产生相应的影响，二者间呈现出负相关关联。图3.3给出了在不同Q值情况接着是有源元器件参数给频率参数带来的影响。其中振度等变化时，这些参数随之而来的变化就会造成振荡器频率的品质因数给频率稳定增强频率稳定性的常用手段是让振荡电路有着较为理想的面对影响频率稳定因素的简单讨论可知，引(1)减小外界变化其实我们拥有减小外界变化的很多方式。从温度变化的角度来考虑，我们可以让振荡器始终处于一个恒温环境下，为此我们需要给振荡器加装一个特殊的恒温装置。另一方面，我们还要考虑到电源对振荡器的影响，为了使供给振荡器的电源尽可能地恒定，我们可以在电源与振荡器之间加上定可靠。然后我们还要考虑到湿度与大气压力等环境因素对振荡振荡器密封起来。除此之外，我们还需要对振荡器的外面加装屏蔽层，并在适当的(2)改善电路性能率比振荡器的工作频率高很多，并且要得到良好的三点式振荡电路的原因之一。其次是回路标准性的提高，通常，我们将振荡电路处于外界各种不利环境因素条件下保持其固有谐振频率不变的能力称为回路标准性。要想提高振荡器这种抗干扰能力，就需要使电路中的电容与电这是一类独特的二极管元件，在提供外部电压参电压参数时，这是会出现过度电容效应，不过此时也是造成漏电流现象，因此在实际应用当中我们总是给变容二极管提供反向电压。当加到变容二极管上的信号是直流偏置电压V₀和调频信号，并且随着我们控制变容二极管两端电压的改变，其电容值的大小也会随之改变，我们把这这一过程叫做变容二极管部分接入调频。随着接入到振荡器的电容值改变，振荡器输出信号频率也会发生变化，最终完成变容二极如图3.4所示，Header是一种外部信号输出连接器，它的功能是将电视机耳机等可以输出音频信号的设备接入发射机。在外部音频信号输入的部分放置了一个耦合电容Co以及电源的滤波电容C1,为了能够是变容二极管能够可调节于是便有了衰减处理，进而降低电容二极管元器件的电容改变值，最终可以降低振荡器产生的频率改变范畴。同时变容二极管电容CD,C₃,C4,C12共同构建振荡器选频网络电要想增加或者减小频偏可以改变变容二极管在等效总电容最大电容在500~620pf(0.5V),电容比率为22.5,工作频率为2MHz。通用型三极管s9018属于N型外延层小噪声、低功率晶体管元件。主要是4V;集电极直流电流参数Ic是60Ma;总耗散功率参数(25℃时)Ptot:200mW;直流放大系数hFE:70~190R1R147k_50K赢-2.2nf“2113.4稳压电源的设计3.4.1集成线性稳压电源的原理随着IC技术的发展，集成稳压电路应运而生，种类应有尽有，用途极其广泛特别是三端集成稳压器装置，内置三个引脚，有着使用的简便性特点没有较高、外接元件数量特点、具备稳定性特点以及成本可控特点等。能够根据用途与性能进行分类，这是包括有着近似工作原理的如下两个类型。1.固定输出三端稳压装置其求3个引脚分别的是输入端口、输出端□以及接地端□,相关内容见图3.5.1。十调整管串接在输人端和输出端之间，通过调整自身的集电极-发射极压降使输出电压基本保持不变。调整管采用复合管结构，具有很大的电流放大系数，同时增加调整管元件的输入电阻参数。误差放大器装置的放大管也是属于复合管形式，这是选择共射形式的电路连接方法，同时选择有源负载以产生更加理想的电压增益参数。由两个分压电阻组成的采样电路将输出电压变化量的一部分送至误差放大器的输人端。基准电压源选择能带间隙式基准电压源参数，这是有着低温飘特征与低噪声特点等，其温度稳定性远远高于稳压管基准电压源，在单片式大电流集成稳压器中被广泛使用。当启动电路输人电压Ur后，这是会给恒流源电路带来基极电流参数能够辅助调整管元件、误差放大电路以及基准电压电源参数等；当稳压电路处于正常运行状态后，这是会采取自动切断方式以规避对晶体管产生的负面影响。三端稳压器内部设置了完善的过流、安全区、过热三种保护电路。过流保护采用限流保护电路。安全区保护采用减流式保护电路，能够保障调压管在安全区域中使用。过热保护系统会在调压管芯片温度参数为125℃时展开相应的动作，能够通过分流操作控制温度参数。(2)符号及主要参数78/79系列属于固定三端稳压器装置中的经典代表，其中前者是正电压输出方式，后者为负电压输出方式。这是会由最后两个数字确定其对应的压电压参数值，分别包括以5V为代表的共计7个档次。其输出电流参数是以字母方式进行区分，其中L为0.1A;M为0.5A;没有字母为1.5A。需要注意的是：78/79系列的输出电压与输出电压之差(Ur-Uo)一般取3~7V,如果相关参数过小时难以调整管放大区域中安全使用，如果相关参数过高时会出现击穿问题。3.4.2稳压电源电路设计土从图3.6中可以了解到，78L06为三端稳压管元件，其中。Vin表示的是直流电平输入信号，其最高值为35V,GND为接地端口，Vout为6V的稳压管输出参量，能够产生0.1A的输出电流参量。在其输入级接大小两个滤波电容滤除高次谐波，可以有效的改善电源对振荡器的影响。3.5谐振功放的设计首先，我们先介绍一下谐振功率放大器的作用。顾名思义，谐振功率放大器是指选择谐振电路组成选题网络负载端的功力放大器。参考之前分析的内容可以了解到，谐振放大器装置对于邻近的谐振频率参数会产生较高的增益现象；而针对其他谐振频率参数，较远的信号会出现快速减少的增益情况。因传输进的信号进行功率的放大，还起到了选频的作用。而在发要采用谐振功率放大器进行信号的功率放大是因为振荡器产生传输的距离十分有限。为了使天线最终发射出去的信号覆盖范围足够大，务必要有所需的固定参数，所以需要使用发射击装置，一般是要选择有着各类工作状态的多可以依据电流导通角参数θ进行放大器装置的三个类型划分。其中甲类是在θ=180°中使用，乙类实在θ=90°中使用以及丙类是在θ<90°中使用。其中这类功率放大器主要包括甲类形式、乙类形式以及甲乙类是50%,乙类理想工作效能是78.5%,甲乙类理想工作效能范围是从50%到78.5%。要想提升使用效能，这是会让高频功率放大器属于丙类使用方出现理想效能为100%的丁类开关型功率放大器装置以及戊类开关型功率放大器装谐振功率放大器的基本工作原理电路如图3.1所示，图中CA为天线对地的等效鉴于输出回路调节主要是处于基波频率中，而输出电路中的高次谐波是有着失谐情况，因此相关的输出电压参数并不是很高，所以该类装置集电极输出电压波形参数处于负载Re上的平均功率，即PD=Ico×Ucc集电极耗散功率Pc等于直流功率PD与交流功率P₀之差，即Pc=PD-Po甲类工作状态：θ=180°,g₁(θ)=1,ncmax=50%乙类工作状态：θ=90°,g₁(θ)=1.57,ncmax=78.5%丙类工作状态：θ=70°,g₁(θ)=1.73,nc=86.5%状态进入到过压情况，其与关联的集电极电流参数从余弦脉冲形式转变凹陷脉冲状缓慢地上升，图3.7(c)所示为3种状态下的动态特性及集电极电流波形。Rc增大根据图3.7(c)所示的关系曲线，各功率、效率随Re变化曲线如图3.7(d)所示。由于PD=Ucc·Ico因此，Pp的变化规律与Ico相同。因此在欠压图3.7(c)以了解到，谐振功率放大器需要大功率，有着高效率的输出状态与高功率输出状态，其工作状态不过超过临界点，而临界点中的负载电阻是匹配负载电阻，用Reopt表示。工程上Reopt可以根据所需输出信号功率P₀由下式近似确定，即2.集电极调制特性若保持UBB、Uim、Re不变而只改变集电极直流电压Ucc时谐振功率放大器的工作状态将会随之发生变化。由于uBEmax=UBB+Uim不变，所以当Ucc由小增大时，UCEmax=Ucc-Ucm也将由小增大，因而由uCEmin、UBEmax确定的瞬时工作点会沿着相关输出特性曲线，然后从原有的饱和区进入到放大区，这是会从过压工作状态进入到欠压工作环境中，波形由icmax较小的凹陷脉冲变为icmax较大的尖顶脉冲，如图3.7(d)所示。在欠压状态时，ic脉冲高度变化不大，所以Ico、Ic1m随Ucc的变化不Ico过压临界欠压Ucc0假设Ucc、UBB和Re不变而只改变输人信号振幅Uim时，谐振功率放大器的性能当Uim由小增大时，管子的导通时间加长，UBEmax=UBB+Uim增大，集电极电流ic脉冲宽度和高度均增加，Ico、Ic1m和相应的Ucm增大，结果使UcEmin减小，放大器由欠压情况进入过压情况，从图3.7(g)与3.7(h)中可以了解到。如果是在过压情况中的输出电压振幅参数和输入电压振幅间大体上出现线性关联，也是可以把谐振功率放大器装置用于电压放大器元件。在过压状态ic脉冲宽度虽略有增加，但0欠压临界Ico过压Uim3.UBB对放大器工作状态的影响假定Ucc、Uim和Re不变而只改变基极直流偏压UBB时，谐振功率放大器的工作状态变化如图3.7(i)所示。由于uBEmax=UBB+Uim,所以Uim不变增大UBB与UBB不变、增大Uim的情况是类似的，因此UBB由负到正增大时，集电极电流ic脉冲宽度参数与高度都出现增长的情况，同时也是产生凹陷问题，相关的放大器从欠压情况进图3.7(i)Ico图3.7(j)_Uout_Uout三C1907图3.7(k)也是能够对相关的放大器增益进行调控。第一级谐振放大器属于甲类状态。集电极选择变压装置初级线圈电感元件与C6构成的LC选频网络体系，其谐振处于输入信号频率参数，即f=2MHz。电压装置初级线圈元件的电感参数是32uH,从中计算C=200pf。在实际应用选择100pF的电容并联一个100pF的可变电容，这样能够精确相关参数f为2MHz功能以及耦合元件应用等。在分析阻抗匹配参数时，其变压器变比参数为3:1,因此R₁:R₂=9:1。从而提升后级电阻对应的前级等效电阻参数，不断强化功率放大器对由于增加了回路的品质因数。在选择耦合元件过程中，对两级放大装置3.6信号的发射信号发射属于调频发射机设备对应的末级电路，将已进行发射，相关原理见图3.8:已调信号通过变压器T1的次级线圈与L1,C4组成并联滤波网络选频后过天线由于可以将天线装置看作是一类电感元件，因此选择1个100pF的电容元件和1个从0到100pF的可变电容元件进行并联操作。在进行可变电阻元件调节过程中，可本文在分析时选择船舶通信导航技术，这是以船舶及其应用环境，进而会对船舶航行安全性带来更好的保障信技术与导航技术等。本课题主要针对船舶中频系统(通讯导航)设计出船载中频2.振荡器的设计，其中涵盖电容三点式振荡电路原理、变与调频。还要考虑到外界环境因素可能会对振荡