книги из ГПНТБ / Учебник радиометриста флота учебник для школ и учебных отрядов ВМФ

ной волновод В] и возбуждают в антеннке А токи высокой частоты. В свою очередь эти токи возбуждают в спиральной линии бегущую электромагнитную волну, распространяющуюся по спирали в сторону коллектора. Дойдя до конца спирали, волна с помощью концевой антеннкн А2 излучается в выходной волновод В2 и поступает через него к нагрузке. Спиральная форма внутреннего провода линии замедляет осевое перемеще­ ние бегущей волны во столько раз, во сколько длина витка спи­ рали больше ее шага. Усиление колебаний в ЛБВ достигается передачей энергии от потока электронов бегущей электромаг-

Е

Рис. 205. Схематическое устройство спи­ ральной лампы бегущей волны

нитной волне, распространяющейся по спирали. Чтобы движу­ щийся поток электронов отдавал свою энергию, скорость его устанавливается выше осевой (фазовой) скорости бегущей волны. Это достигается повышением напряжения на коллек­ торе.

На начальном участке спирали происходит модуляция ско­ рости электронов под действием тормозящего и ускоряющего

троны, влетевшие на начальном участке спирали в область ускоряющего поля, обладая повышенной скоростью, быстро проходят его, догоняют тормозящиеся электроны и образуют с ними сгустки. Сгустки электронов движутся вместе с бегущей волной в ее тормозящем поле и отдают кинетическую энергию полю волны, амплитуда которой возрастает. Увеличение ампли­ туды волны способствует лучшему группированию электронов в сгустки, что в свою очередь увеличивает амплитуду поля волны.

Спиральные замедляющие системы применяются в децимет­ ровом диапазоне и в длинноволновой части сантиметрового диа­ пазона.

Генераторы на ЛБВ имеют небольшие мощности, очень низ­ кий к. п. д. и неустойчивую работу колебаний. Величина выход­ ной мощности Ламп малой и средней мощности измеряется де­ сятыми долями и единицами ватт, а мощные ЛБВ позволяют

2Ю

получать до 10 МВт в импульсе. К. п. д. маломощных ламп

около :Ю—15%, мощных 35—55%.

Лампы с прямой бегущей волной типа М называют магне­ тронными усилителями. Они работают в усилительном режиме. Усилители этого типа позволяют получить в импульсном ре­ жиме выходную мощность в несколько мегаватт с к. п. д., рав­ ным 60%.

Лампы с обратной бегущей волной (ЛОВ) применяются в качестве гетеродинов, генераторов сигналов, мощных генера­

Рис. 206. Схематическое устройство лампы обратной волны типа О

ЛОВ (или карцинотроны) бывают типа О и типа М. Пер­ вые имеют замедляющую систему ЗС продольной конструкции

спрямолинейным движением электронного пучка (рис. 206). ЛОВ типа О состоит из электронной пушки ЭП, замедляю­

щей системы ЗС, фокусирующей системы ФС, поглощающей вставки ПВ и устройства вывода энергии.

Принцип действия ЛОВ состоит в следующем. Электронная пушка создает луч электронов, движущихся вдоль замедляю­ щей системы от катода к коллектору. В зависимости от фор­ мы ЗС луч электронов может быть цилиндрическим, трубчатым или ленточным. ФС стремится удерживать неизменной форму поперечного сечения луча по всей его длине..Фокусировка луча может осуществляться электромагнитом, системой постоянных магнитов или электростатическим полем. Но практически в электронном луче всегдаимеются перемещающиеся неравно­ мерности, которые возбуждают в ЗС бесконечное число слабых колебаний различных частот. Эти колебания распространяются вдоль ЗС с различной скоростью в прямом и обратном направ­ лениях. Прямые волны, достигнув конца 3 С, гасятся погло­ щающей вставкой. В результате взаимодействия обратных волн с потоком электронов будет нарастать амплитуда бегущей волны той частоты, при которой произойдет модуляция элек­ тронов по скорости. Образовавшиеся сгустки электронов дви­

21 1

жутся в тормозящем поле встречной волны (первое условие самовозбуждения) и увеличивают ее амплитуду. При этом электронный поток переносит часть энергии электрического поля СВЧ от выходного конца ЗС к входному (к коллекторному), чем осуществляется положительная обратная связь. Иначе говоря, сгустки электронов индуктируют в ЗС волну с частотой следо­ вания сгустков, а возникшая волна распространяется навстречу потоку электронов и пополняется их энергией. Величина обрат­ ной связи (тока пучка) должна быть такой, чтобы обеспечить условие самовозбуждения генератора. Ток пучка, при котором возникает генерация, называется пусковым током. Частоту гене­ рируемых колебаний в ЛОВ можно изменять с помощью элек­ тронной настройки, т. е. изменением ускоряющего напряжения. С изменением ускоряющего напряжения меняется скорость электронного пучка, и поэтому условия самовозбуждения будут выполняться для обратной бегущей волны другой частоты. Практически диапазон электронной настройки в ЛОВ полу­ чается порядка ЭО—40% средней генерируемой частоты.

ЛОВ типа О имеют низкий к. п. д. п могут применяться в качестве генераторов небольшой мощности.

ЛОВ типа М по внешнему виду подобны импульсным маг­ нетронам. У них электронный поток вращается в замедляющей системе, согнутой в кольцо. Вращательное движение электронов создается, как и в магнетроне, электрическим полем лампы и полем постоянного магнита, между полюсами которого распо­ лагается лампа. ЛОВ типа MNявляются эффективными генера­ торными приборами в диапазоне волн 0,15—75 см, легко пере­ страиваются в широком диапазоне частот и имеют к. п. д. до 70%. От них получены мощности в несколько сот киловатт в импульсном режиме и порядка нескольких киловатт в непре­ рывном режиме.

В последние годы в радиопередающей технике СВЧ находят

четного числа резонаторов лопаточного типа, связанных систе­ мой связок (как и в магнетроне), и представляет собой колеба­ тельную систему платинотрона. Связки разомкнуты, и их концы образуют входное и выходное устройства, согласованные с за­ медляющей системой. К входному устройству подводятся коле­ бания от возбудителя, а с выходного устройства колебания передаются к потребителю. При разомкнутых связках и нечет­ ном числе, резонаторов колебательная система оказывается также разомкнутой и при согласованных входном и выходном устройствах обладает широкой полосой пропускания. В центре замедляющей системы помещается активированный катод ци­

2 1 2

линдрической формы с большой удельной эмиссией. Управле­ ние электронным потоком производится постояннымэлектриче­ ским и магнитным полями, создаваемыми так же, как в магне­ троне. Электронный поток в платинотронах обычно взаимодей­ ствует с обратной-волной, но может использоваться и прямая

ностей амплитронов до нескольких мегаватт, а в непрерывном режиме — до нескольких сот киловатт.

Существенным недостатком амплитронов является малый коэффициент усиления. Поэтому на практике часто амплитроны включаются каскадно (до трех-четырех амплитронов).

Стабилитроны применяются в качестве мощных высокоста­ бильных возбудителей дециметрового и сантиметрового диапа­ зонов.

§ 6. Импульсные модуляторы

Современные радиолокационные передатчики обычно рабо­ тают в импульсных режимах. Они генерируют высокочастотные колебания в виде периодически повторяющихся кратковремен­ ных прямоугольных радиоимпульсов.

Процесс формирования радиоимпульсов называется им­ пульсной модуляцией, а устройства, управляющие колебаниями генераторов СВЧ при этом, — импульсными модуляторами.

В зависимости от изменяемого параметра различают сле­ дующие виды импульсной модуляции: амплитудно-импульсную

(АИМ), широтно-импульсную (ШИМ), фазово-импульсную (ФИМ) и частотно-импульсную (ЧИМ),

213

При работе радиолокационных передатчиков наиболее часто применяют анодную импульсную модуляцию, при которой анод­ ное напряжение подводится от импульсного модулятора только во время импульса. Эти импульсы должны максимально при­ ближаться по форме к прямоугольным — иметь крутые фронты и плоскую вершину. Крутые передний и задний фронты необхо­ димы для увеличения точности определения координат целей и улучшения разрешающей способности станции. Плоская вер­ шина импульса обеспечивает постоянство анодного напряже­ ния, а следовательно, и стабильность частоты п мощности гене­ ратора. Для формирования таких импульсов большой мощ­ ности применяют специальные устройства: накопители и ком­ мутаторы. Задачей накопителей являются аккумулирование электрической энергии в течение паузы от маломощного источ­ ника тока и быстрая отдача ее в анодную цепь генератора во время импульса. Коммутирующие устройства управляют момен­ том отдачи энергии накопителем.

Импульсные модуляторы классифицируются по типу основ­ ных элементов: накопителя и коммутатора. В качестве накопи­ телей энергии применяют емкость, искусственную линию или индуктивность. В качестве коммутирующих приборов применя­ ются электронные лампы, ионные приборы или нелинейные индуктивности.

М о д у л я т о р ы с е м к о с т н ы м н а к о п и т е л е м э н е р ­ гии в современных радиолокационных передатчиках находят наибольшее применение. На рис. 208 показана упрощенная схема такого модулятора. В паузах между импульсами комму­ татор К разомкнут. Конденсатор С заряжается от источника питания через ограничительное (пли зарядное) сопротивле­ ние /? 0Гр, запасая энергию. Напряжение на конденсаторе повы­ шается до напряжения источника Е0. В конце заряда коммута­ тор К замыкается, подключая конденсатор С к генератору, и он разряжается через сопротивление Rn СВЧ генератора. После разряда конденсатора коммутатор вновь размыкается, происхо­ дит новый заряд накопителя и т. д. Заряд С происходит медленленно, незначительным током, а разряд — быстро, большим током.

Для емкостного накопителя возможны режимы полного или частичного разряда. Модуляторы с простым емкостным нако­ пителем энергии в режиме полного разряда используются крайне редко.

При работе модулятора в режиме частичного разряда ком­ мутатор замыкается на короткое время и размыкается, когда конденсатор разрядится незначительно.

На рис. 209 видно, что импульсы напряжения при этом имеют форму, близкую к прямоугольной. Отклонение от прямо­ угольной формы наблюдается в верхней части. Оно тем меньше,

214

чем меньше длительностьимпульса тП. На практике форма им­ пульса считается хорошей при Аи 0,01 «макс.

Величина накопительной емкости модулятора должна быть тем большей, чем более прямоугольной желательна форма им­

пульса.

Модуляторы с режимом частичного разряда накопительной емкости позволяют сравнительно просто изменять длительность

,п

импульсов и получать весьма малые интервалы между ними (доли микросекунды). В таких модуляторах в качестве комму­ таторов используют электронные модуляторные лампы. В них начало и конец импульса устанавливаются управляющими им­ пульсами напряжения, подводимыми к сетке коммутирующей лампы от подмодулятора.

Рис. 210. Схема модулятора к магнетронному генератору с режимом частичного разряда нако­ пительной емкости ■

Для увеличения пропускаемых токов применяется парал­ лельное включение нескольких модуляторных ламп..

На рис. 210 изображена схема модулятора с режимом частичного разряда накопительной емкости при модуляции маг­ нетронного генератора. К сетке коммутаторной лампы Л от подмодулятора подводятся управляющие импульсы напряже­

215

ния, которые отпирают лампу на время -си, и конденсатор С разряжается на магнетрон. В паузах между управляющими импульсами коммутаторная лампа заперта отрицательным на­ пряжением смещения —Ес и конденсатор С заряжается. Так как величина постоянной времени разрядной цепи (при откры­ той лампе) мала, то передний фронт импульса (рис. 2Ш) полу­ чается достаточно крутым. Задний фронт импульса сильно рас­ тягивается, так как в момент запирания коммутаторной лампы паразитная емкость С0 заряжена и магнетрон генерирует до ее

Рис. 211. Обострение заднего фрЬнта импульса с помощью зарядного дрос­ селя и диода

разряда. Внутреннее сопротивление магнетрона Rr значительно больше сопротивления открытой коммутаторной лампы, поэтому длительность заднего фронта импульса может стать даже больше длительности самого импульса (рис. 211, кривая /). Чтобы задний фронт импульса не растягивался, параллельно магнетрону подключают дроссель Др. Вместе с паразитной ем­

крутизна заднего фронта импульса резко увеличивается, но воз­ никает генерация магнетрона в паузе при положительном полупериоде напряжения колебаний разряда {U—ts). Для устране­ ния этой генерации включается демпфирующий диод Д. В мо­

ные модуляторы) широко используются в современных пере­ датчиках радиолокационных станций. Они отличаются ком­ пактностью, высоким к. п. д. и дают возможность получать им­ пульсы весьма большой мощности с формой, мало отличаю­ щейся от прямоугольной.

Известно, что при разряде длинной линии на нагрузочное сопротивление, равное ее волновому сопротивлению, на наг­ рузке формируется прямоугольный импульс, длительность кото­

216

рого зависит от длины линии и скорости распространения элек­ тромагнитной волны вдоль линии.

Принципиальная схема линейного модулятора показана на рис. 2Г2. Заряд искусственной линии производится от источника постоянного тока через зарядный дроссель. Величина, индук­ тивности зарядного дросселя L3aр подбирается так, чтобы вместе с емкостью линии Сл она составляла последовательный колеба­ тельный контур.

Диаграммы изменения зарядного напряжения на линии ИЛ и зарядного тока г'зар, сдвинутые по фазе на четверть периода, показаны на рис. 213, а. Когда напряжение на линии прибли-

Рис. 212. Схема импульсного модулятора с колебательным зарядом й тиратроном в ка­ честве коммутатора

зительно достигает напряжения источника питания, в индуктив­ ности L3ap запасается энергия. Эта энергия поддерживает даль­ нейшее протекание тока заряда в течение следующей четверти

менит своего направления. Наличие зарядного диода Д\ не позволяет линии, заряженной до « см аке, разряжаться через источник питания. Это напряжение .будет сохраняться на линии

угольный импульс напряжения с амплитудой, равной 0,5 «0 макс. Длительность этого импульса определяется параметрами линии.

Для повышения напряжения, подводимого в импульсе к маг­ нетрону М, в схему включают импульсный трансформатор ИТ.

217

Цепочка RC обеспечивает согласование выхода модулятора в момент возникновения напряжения на первичной обмотке ИТ, когда магнетрон еще не генерирует.

В линейных импульсных модуляторах в качестве коммута­ торов почти исключительно применяются водородные тира­ троны. Они обеспечивают коммутирование модулирующих им­ пульсов до мощностей нескольких мегаватт при токах в не­ сколько сот ампер и напря­

жении более 10 кВ.

Зажигание водородных ти­ ратронов производится импуль­ сами сравнительно малой мощ­ ности с амплитудой напряже-

ВА

а

а

СО

L L '

ния около 200—700 В. Потери не превышают 1—2% мощности коммутирующих импульсов. Хотя водородные тиратроны и усту­ пают электронным лампам в инерционности вследствие ионного характера процесса в них, однако они способны коммутировать импульсы малой длительности, в несколько десятых микро­ секунды, с частотой следования до 5000 импульсов в секунду.

М а г н и т н ы е м о д у л я т о р ы находят все большее приме­ нение в современных радиолокационных передатчиках с ем­ костным накопителем. В качестве коммутатора в них исполь­ зуются дроссели из специального ферромагнитного материала типа никелевых сплавов. В таких сердечниках при намагничи­ вании в очень больших пределах могут изменяться величины магнитной проницаемости р. Гистерезисная петля подобных ма­ териалов очень узкая и может быть идеализирована в виде ломаной 1—1'—0—2'—2 (рис. 214). Насыщение сердечника на­ ступает на участках 1— Г (—В Нас)- и 2'—2 ( + 5 Нас). На этих

218

участках величины магнитной проницаемости —рпас и + циае очень малы. На участке 1'—2', когда сердечник в ненасыщенном состоянии, [л увеличивается в тысячи раз.

довательно, индуктивное сопротивление дросселя получается очень большим, когда сердечник не насыщен, и малым при его насыщении. Эта зависимость и позволила использовать дрос­ сель как коммутатор в импульсных модуляторах. Для замыка­

Если приложить к этому дросселю переменное синусоидальное напряжение достаточной амплитуды, ток в цепи будет иметь вид импульсов. Максимальное значение тока при этом отстает по фазе на четверть периода от максимального значения напря­ жения, так как магнитная индукция В принимает максималь­ ные значения и обеспечивает насыщение именно в те моменты, когда синусоидальное напряжение на дросселе меняет свой знак. Импульсный характер тока объясняется резким умень­ шением сопротивления дросселя в момент насыщения.

На рис. 2il5 показана простейшая схема магнитного модуля­ тора с емкостным накопителем энергии. В схеме используется резонансный заряд накопительного конденсатора С от источника переменного тока. По обмотке подмагничивания LM пропу­ скается небольшой постоянный ток, смещающий рабочую точку кривой намагничивания в положение 1, и сердечник дросселя в исходном положении (t=0) оказывается отрицательно насы­ щенным. При этом за период питающего тока насыщение сер­ дечника и, следовательно, замыкание коммутатора будут про­

Через первичную обмотку ИТ напряжение ис приложено к дрос­ селю L], В результате при заряде конденсатора по коммути­ рующему дросселю L] протекает ток, который изменяет индук­ цию в сердечнике (рис. 216, в). Рабочая точка на кривой намаг­ ничивания первоначально перемещается вверх, к точке 2', и сопротивление дросселя увеличивается. При переходе напря­ жения «с через нулевое значение индукция сердечника стано­ вится максимальной. Индукция Вмяке должна быть меньше -t-В нас, иначе сердечник окажется насыщенным преждевре­ менно, когда накопитель С не имеет достаточного запаса энер­ гии. В дальнейшем индукция В в сердечнике уменьшается, так как напряжение на конденсаторе ис нарастает в отрицательную сторбну. К концу периода (t= T ) конденсатор С оказывается полностью заряженным, а рабочая точка на кривой намагни­ чивания займет исходное положение 1'. В этот момент индук-

219