Лекция 30

Особенности работы АЭ в режиме коротких радиоимпульсов. Параметры видео- и радиоимпульсов. Использование принципа накопления энергии в импульсных модуляторах. Схемы, принцип работы и основы расчёта импульсных модуляторов с ёмкостным накопителем энергии (полный и частичный разряды ёмкостного накопителя энергии) и с эквивалентами длинных линий. Коммутаторные устройства. Магнитные импульсные модуляторы.Принципиальные схемы импульсных модуляторов.

С импульсным режимом работы АЭ мы встречались при рассмотрении амплитудной телеграфии (АТ).¹При АТ длительности посылок импульсов и длительности пауз соизмеримы, поэтому режим АТ рассматривается как непрерывный режим работы АЭ. В то же время существуют передатчики, в которых АЭ выходного каскада вырабатывает равномерно следующие друг за другом короткие импульсы высокочастотных колебаний, разделённые сравнительно большими (в сотни, тысячи раз большими) интервалами времени. Передатчики, работающие такими импульсами, носят название импульсных передатчиков, а режим работы АЭ в таких передатчиках носит название режима работы короткими импульсами. Импульсные передатчики широко применяются для целей радиолокации и радионавигации. Наиболее часто применяются длительности импульсов от нескольких десятых долей микросекунды до нескольких микросекунд (мкс). Интервал между импульсами в несколько сотен или даже тысяч раз превышает длительность импульсов.

Обобщённая структурная схема импульсного радиопередатчика радиолокационной станции (РЛС) в его простейшем на сегодня виде представлена на рис.30.1.

Основными элементами импульсного радиопередатчика являются высокочастотный генератор, модулятор и подмодулятор.

Импульсные передатчики используются в основном для работы в дециметровом и сантиметровом диапазонах, а также отчасти в метровом диапазоне, то есть это обычно передатчики СВЧ. Мощность передатчиков в импульсе составляет сотни – тысячи киловатт и даже единицы мегаватт, что в подавляющем большинстве случаев превосходит мощности передатчиков для передачи непрерывных сигналов, к которым относят как радиовещательные и телевизионные передатчики, так и связные передатчики, а также передатчики радиорелейных, космических и телеметрических систем, использующих различные виды цифрового (импульсного) кодирования сигналов. В передатчиках любой дискретной, в том числе и цифровой информации, длительности посылок и пауз соизмеримы. Поэтому в таких передатчиках, как при АТ, режим работы АЭ является практически непрерывным. При ЧТ и ФТ режим работы АЭ по сути непрерывный, так как высокочастотный сигнал существует всё время.

В простейших схемах импульсных передатчиков высокочастотный генератор, как правило, представляет автогенератор, модулируемый прямоугольными импульсами, поступающими с модулятора. Сам модулятор запускается импульсами с подмодулятора, на вход которого поступают импульсы от синхронизатора, обеспечивающего синхронизацию работы всех узлов РЛС. В ряде случаев, в зависимости от назначения РЛС и схемы модулятора, модулятор исполняет роль синхронизатора станции. Синхронизирующие импульсы от него поступают для синхронизации остальных узлов станции, например, на индикаторное устройство.

В сантиметровом диапазоне волн и отчасти в нижней части дециметрового диапазона высокочастотный генератор чаще всего выполняют на магнетроне, а в метровом и дециметровом диапазонах – на электронных лампах. Как в генераторах на магнетронах, так и в генераторах на электронных лампах в основном применяется анодная модуляция. Сеточная модуляция в генераторах на электронных лампах не применяется, так как в этом случае на аноде лампы всё время должно быть высокое напряжение, что утяжеляет режим работы лампы. Действительно, как показывает опыт, генераторные лампы позволяют без возникновения в них ионных разрядов осуществлять работу со значительно более высоким анодным напряжением, если последнее подаётся в виде очень коротких импульсов, а не непрерывно. Кроме того, при импульсной подаче анодного напряжения устраняется дополнительный разогрев анода за счёт прохождения сравнительно небольших, но проходящих в течение длительных интервалов между импульсами токов, связанных с термоэмиссией сетки и с возможным неполным запиранием тока катода.

На анод лампы или магнетрона обычно поступает последовательность импульсов, близких по форме к прямоугольным (ри.30.2,а). Эти импульсы часто называют видеоимпульсами. Основными параметрами последовательности видеоимпульсов являются: длительность импульсовτ_И ; частота следованияF(или период повторенияT= 1/F); амплитудаЕ. Высокочастотный генератор излучает радиоимпульсы, показанные на рис.30.2,б. Частота заполнения этих импульсовf, амплитуда высокочастотных колебанийU_М .

Мощность высокочастотного генератора в импульсе

,

где R_oe– эквивалентное сопротивление выходной колебательной системы генератора.

Средняя мощность, излучаемая передатчиком за время повторения импульсов,

.

Величина носит название скважности, а обратная величинаq= 1/Sносит название коэффициента заполнения времени или просто коэффициента заполнения.

При скважности порядка сотен или тысяч единиц средняя мощность в сотни или тысячи раз меньше мощности в импульсе и в большинстве случаем составляет единицы – сотни ватт.

Большая импульсная мощность и маленькая средняя мощность накладывают резкий отпечаток на конструкцию и условия работы импульсных передатчиков большой скважности.

С одной стороны, малая средняя мощность позволяет применять сравнительно маломощные и малогабаритные источники питания, а также позволяет рассчитывать передатчик на малые мощности прогрева деталей и, в частности, малые средние мощности, рассеиваемые на анодах ламп.

С другой стороны, большие мощности, развиваемые в течение коротких длительностей импульсов, требуют применения очень высоких напряжений и больших токов во время импульса. Это существенно повышает требования к электрической прочности изоляции деталей и ламп и к эмиссионной способности катодов генераторных и модуляторных ламп.

В мощных импульсных передатчиках, как правило, применяют специальные импульсные генераторные и модуляторные лампы, рассчитанные на большую эмиссионную способность катода и на работу при больших анодных напряжениях и в то же время на сравнительно малую мощность рассеяния на аноде. В таких лампах чаще всего применяются оксидные катоды, способные в течение коротких импульсов порядка (5…8) мкс и менее создавать плотность тока эмиссии, превышающую в десятки раз безопасную для катода плотность тока эмиссии в непрерывном режиме работы. При расчёте режима работы импульсных генераторных и модуляторных триодов и тетродов необходимо пользоваться специальными импульсными статическими ВАХ, снятыми при подаче на электроды импульсов питающих напряжений приблизительно той же длительности, на которую производится расчёт.

Следует отметить, что реальная форма видеоимпульса несколько отличается от прямоугольной. В любой электрической цепи всегда имеются ёмкостные и индуктивные элементы, в том числе межэлектродные и монтажные ёмкости, индуктивности вводов электродов и соединительных проводов. Напряжение на ёмкости не может измениться скачком, а через индуктивность не может скачком измениться протекающий через неё ток. Соответственно в цепи не может появиться импульс с бесконечно крутыми фронтами, как у идеального прямоугольного импульса (рис.30.2,а).²Обмен реактивной энергией между ёмкостными и индуктивными элементами обусловливает характер колебательных процессов в электрических цепях. Реальная форма видеоимпульса показана на рис.30.2,в. При этом основными параметрами импульса, помимо длительности, частоты следованияFи амплитудыЕ, являются также длительность фронта, длительность спада (длительность заднего фронта), нестабильность на вершине (спад вершины) ΔЕ. Часто под длительностью импульса понимается время, определяемое относительно уровня, соответствующего половине амплитуды.

Большие значения длительностей фронта и спада модулирующего импульса и нестабильность напряжения на его вершине отражаются на частоте автоколебаний (если модулируется автогенератор) и мощности во время генерирования радиоимпульса. Поэтому при проектировании модулятора для импульсного генератора стремятся обеспечить достаточно крутые фронты импульсов модулирующего напряжения при относительно стабильной вершине импульса. Обычно допускается длительность фронта ≈ (0,1…0,2), длительность спада(0,2…0,3), относительная нестабильность импульса на вершине

при модуляции ламповых АГ и

при модуляции магнетронных генераторов.

Необходимо отметить, что длительность радиоимпульсов (рис.30.2,б), а также длительности его фронтаи спадазаметно отличаются от соответствующих параметров видеоимпульса. Радиоимпульс всегда получается короче. Последнее обусловлено тем, что колебания в ламповом АГ,³и особенно в магнетронном генераторе, начинаются только по достижении определённого напряжения на аноде. Длительность фронта и длительность спада радиоимпульса определяются скоростью нарастания и затухания высокочастотных колебаний в колебательной системе (авто)генератора.

Обычно на практике длительность видеоимпульса выбирают в пределах

.

Для магнетронных генераторов часто оговаривается также скорость нарастания модулирующего напряжения.

Работа передатчика короткими импульсами заметно расширяет занимаемую им полосу частот, которая колеблется от сотен кГц до единиц МГц. Широкая полоса частот, занимаемая импульсным передатчиком, и делает возможной импульсную работу в диапазоне СВЧ и выше по частоте, а также позволяет строить высокочастотные генераторы по однокаскадной схеме, так как из-за широкой полосы заметно снижается требование к стабильности частоты автоколебаний. Низкое требование к стабильности частоты импульсных передатчиков обусловливается также тем, что для приёма импульсных сигналов используются широкополосные приёмники. Кроме того, приёмник и передатчик в большинстве случаев находятся рядом и поэтому перед началом работы всегда возможна подстройка частоты либо передатчика, либо приёмника. В приёмнике также обычно предусматривается возможность АПЧ в процессе работы.

Наименьшая и наибольшая длительности импульсов в однокаскадных генераторах ограничиваются рядом условий.

1. При увеличении длительности импульсов пропорционально сокращается полоса спектра частот, в пределах которой заключена основная мощность. Следовательно, для устранения избыточного уровня шумов должна снижаться соответственно и полоса пропускания приёмного устройства. Это повышает требования к стабильности частоты передатчика и к форме видеоимпульсов.

2. При сильно коротких импульсах конечное время, необходимое для нарастания амплитуды автоколебаний, и время, затрачиваемое на спадание высокочастотных колебаний после окончания импульса, становятся сравнимыми с длительностью импульса. Это приводит как к сильному искажению формы импульса, так и к уменьшению средней мощности, развиваемой генератором.

Наиболее выгодные длительности импульсов укорачиваются с уменьшением рабочей длины волны.

Для грубой ориентировки можно указать, что на волнах порядка 1 м в однокаскадных генераторах наиболее употребительны длительности импульсов порядка 5 мкс, а на волнах порядка 10 см – длительности импульсов порядка (0,5…1) мкс.

В радиолокации и при других применениях наиболее широкое использование имеют микросекундные длительности импульсов (0,1…10) мкс. При таких длительностях импульсов используются однокаскадные высокочастотные генераторы, что существенно упрощает схему передатчика. Наряду с этим для целей радиолокации с очень большой дальностью действия (тысячи или многие сотни км) получили применение радиопередатчики, работающие с относительно длинными, миллисекундными, импульсами. Такие передатчики работают при сравнительно малых скважностях (порядка 15 – 40 единиц) и представляют мощные многокаскадные устройства. В выходном каскаде обычно используются мощные пролётные клистроны или лампы бегущей волны, обеспечивающие весьма большие коэффициенты усиления. Им предшествуют маломощные, но сложные возбудители с высокостабильным задающим генератором и последующим умножением частоты в нескольких каскадах.

Для целей радиолокации малой дальности действия, но очень высокой разрешающей способности как по дальности, так и по углам, применяются радиопередатчики, работающие наносекундными импульсами. Как правило, в таких передатчиках генераторы однокаскадные, работающие в миллиметровом или в самой нижней (по длине волны) части сантиметрового диапазона. Возможны и многокаскадные передатчики такого типа, использующие ЛБВ или пролётные клистроны.

В настоящей лекции мы обсудим в основном вопросы построения импульсных передатчиков РЛС, выполненных на электронных лампах или магнетронах.

Импульсные передатчики в метровом диапазоне волн строят на лампах в основном по двухтактным схемам с общим анодом с колебательными системами из отрезков двухпроводных линий. В дециметровом и сантиметровом диапазонах волн ламповые генераторы импульсных передатчиков строятся однотактными с общей сеткой с колебательными системами из отрезков коаксиальных линий.