ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ
При АТ длительности посылок импульсов и длительности пауз соизмеримы.
В импульсных передатчиках АЭ вырабатывает короткие импульсы ВЧ колебаний, разделённые большими интервалами времени. Импульсные передатчики широко применяются для целей радиолокации и радионавигации. Используются импульсы с длительностью и от долей микросекунды до нескольких микросекунд (мкс) и периодом повторения ТП и .
Обобщённая структурная схема импульсного радиопередатчика радиолокационной станции (РЛС) представлена на рис.
Киндикаторному
устройству
|
От |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
синхронизатора |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Подмо- |
|
|
Моду- |
|
|
ВЧ генератор |
|
|||||
|
РЛС |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
дулятор |
|
|
лятор |
|
|
(АГ) |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.
Источники питания
В простых импульсных передатчиках ВЧ генератор, как правило, автогенератор,
модулируется прямоугольными импульсами, поступающими от модулятора.
1
Модулятор запускается импульсами с подмодулятора, на вход которого поступают импульсы от синхронизатора, обеспечивающего синхронизацию работы узлов РЛС.
ВЧ генератор в сантиметровом диапазоне выполняют на магнетроне, а в метровом и дециметровом диапазонах – на электронных лампах.
В генераторах на магнетронах и на электронных лампах в основном применяется анодная модуляция.
Модулирующий сигнал – (в идеале) прямоугольные импульсы амплитудой Е (видеоимпульсы). Реальная форма видеоимпульса отличается от прямоугольной (см. рис.). Основными параметрами импульса, помимо длительности И, частоты
следования F и амплитуды Е, являются также длительности фронта Ф, спада СП,
нестабильность на вершине (спад вершины) |
Е. Часто под длительностью импульса |
||||||
понимается время , определяемое на уровне, соответствующем половине |
|||||||
амплитуды 0,5Е. |
|
+ΔЕ |
|
– |
Е |
||
|
|
|
|
|
|||
|
|
видеоимпульсы |
|
|
|
||
τИ |
Е |
τИ |
0,9E |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
T |
t |
0,5E |
|
|
E |
|
1/f |
|
|
0,1E |
|
|
|
|
|
|
UМ |
|
|
|
|
|
|
|
|
τФ |
|
τСП |
|
|
|
|
t |
|
τИ |
||
|
|
радиоимпульсы |
|
|
Рис.Видеоимпульс |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
ВЧ генератор излучает радиоимпульсы, частота заполнения этих импульсов f,
амплитуда ВЧ колебаний UМ . |
2 |
Большие значения Ф, СП и нестабильности напряжения Е на вершине
модулирующего импульса отражаются на частоте автоколебаний (если модулируется АГ) и мощности во время генерирования радиоимпульса.
Обычно допускается длительность фронта Ф=(0.1-0.2) И, СП=(0.2-0.3) И, относительная нестабильность импульса на вершине
Е (0,05...0,07)
при модуляции ламповых АГ и
Е
Е (0,01...0,015)
Е
при модуляции магнетронных генераторов.
Длительности радиоимпульса РИ , а также его фронта РФ и спада РСП всегда
получаются короче соответствующих параметров видеоимпульса. Это обусловлено тем, что колебания в ламповом АГ и магнетронном генераторе, начинаются после достижения определённого напряжения на аноде.
Длительности фронта РФ и спада РСП радиоимпульса определяются скоростью
нарастания и затухания ВЧ колебаний в колебательной системе (авто)генератора. Обычно на практике длительность видеоимпульса выбирают в пределах
И (1.05-1.1) РИ.
Работа передатчика короткими импульсами заметно расширяет занимаемую им полосу частот, которая колеблется от сотен кГц до единиц МГц.
Наименьшая и наибольшая длительности импульсов в однокаскадных генераторах |
|
ограничиваются рядом условий. |
3 |
1.При увеличении длительности импульсов пропорционально сокращается полоса спектра частот, в которой заключена основная мощность. И для снижения уровня шумов нужно уменьшать и полосу пропускания приёмного устройства. Это повышает требования к стабильности частоты передатчика и к форме видеоимпульсов.
2.При очень коротких импульсах время нарастания амплитуды ВЧ колебаний, и время ее спада становятся сравнимыми с длительностью импульса. Это приводит к искажению формы импульса и к уменьшению средней мощности, развиваемой генератором.
Наиболее выгодные длительности импульсов укорачиваются с уменьшением рабочей длины волны.
Врадиолокации и при других применениях наиболее широко используют микросекундные длительности импульсов (0,1…10) мкс. При таких длительностях импульсов используются однокаскадные ВЧ генераторы, что существенно упрощает схему передатчика.
Для радиолокации с большой дальностью действия (тысячи км) применяются радиопередатчики, работающие с длинными (миллисекундными) импульсами со скважностями S=(5 – 40), которые представляют мощные многокаскадные устройства с выходными каскадами на клистронах или ЛБВ. Им предшествуют маломощные, но сложные возбудители с высокостабильным задающим генератором и последующим умножением частоты в нескольких каскадах.
Для радиолокации малой дальности, но очень высокой разрешающей способности как по дальности, так и по углам, применяются радиопередатчики, работающие 4
наносекундными импульсами.
Режим АЭ при ИМ описывают импульсными значениями IВЫХ И, РВЫХ И и др., а
также средними IВЫХ СР, РВЫХ СР и др.
Мощность в импульсе высокочастотного генератора
1 U 2
P~И М 2 Roe
где Roe – эквивалентное сопротивление выходной колебательной системы. Средняя мощность, излучаемая передатчиком за время повторения импульсов,
PСР
Величину Т / И 1/ F И S q = 1/S коэффициентом заполнения.
P~И И P~И И F
Т
называют скважностью, а обратную величину
IВЫХСР IВЫХИ S ; |
P1СР P1И S ; |
Средняя мощность определяет тепловой режим РПУ.
РПУ с ИМ при той же длине линии связи имеют значительно меньшие габариты, чем РПУ с АМ или ЧМ.
Большая импульсная мощность и маленькая средняя мощность накладывают резкий отпечаток на конструкцию и условия работы импульсных передатчиков большой мощности.
5
Содной стороны, малая средняя мощность позволяет применять сравнительно маломощные и малогабаритные источники питания, а также позволяет рассчитывать передатчик на малые средние мощности, рассеиваемые на анодах ламп.
Сдругой стороны, большие мощности, развиваемые в течение коротких длительностей импульсов, требуют применения очень высоких напряжений и больших токов во время импульса. Например, номинальная мощность лампы в импульсном режиме может быть в 100…1000 больше, чем в непрерывном.
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.
Буферны |
|
й каскад |
Модулируемые каскады |
Генера- тор f0
Импульсны t1 
й
модулятор
Формирователь импульсов t1
f0 |
t1 |
f0 |
t1 |
t1 |
tИ
Задержк ФИ t а И
f0 |
tИ |
tИ |
ИМ
t1 > tИ
Структурная схема импульсного передатчика
tИ – формируется в выходном
каскаде.
В промежуточных каскадах импульсы t1 > tИ и с опережающим
фронтом.
ИМ можно реализовать, запирая входной электрод АЭ на время паузы и открывая его импульсным напряжением от модулятора на время tИ.
6
Высокое напряжение действует на электродах АЭ непрерывно, что снижает
электропрочность и импульсную мощность. Достоинство в маломощном модуляторе. |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ИМ можно получить включая на время tИ источник |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
высокого напряжения к АЭ и отключая его на время паузы. |
|
|
|
|
|
|
|
К |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При этом ИП должен быть рассчитан на импульсные |
||||||
|
|
ИП |
|
|
|
|
|
|
АЭ |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
значения Р0И, что невыгодно. |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Поэтому применяют накопитель энергии (НЭ). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Когда К разомкнут, мощность ИП поступает в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
накопитель энергии. На время tИ коммутатор К замыкается |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
RОГР |
|
|
|
|
|
К |
|
|
|
и АЭ получает мощность не от ИП, чему препятствует |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ИП |
|
|
НЭ |
|
|
|
АЭ |
RОГР, а от НЭ. При этом: |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р0СР = Р0И/S – мощность источника, S-скважность. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На практике используется только этот вариант. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ИМПУЛЬСНЫЕ МОДУЛЯТОРЫ |
Модуляторы отличаются типом коммутатора К и накопителем энергии НЭ. Коммутаторы. Коммутатор пропускает большие мощности и поэтому должен иметь
малые потери и быть безынерционным.
Для коммутации применяют электронные лампы, ртутные и водородные тиратроны, тригатроны (дугов. разряд), тиристоры, транзисторы, нелинейные индуктивности и т.п.
Два вида модуляторов: с “жесткими” (лампы, транзисторы) и “мягкими” (тиратроны,
тиристоры и др.) коммутаторами. |
|
У каждого из них есть свои достоинства и недостатки. |
7 |
|
Лампы практически безынерционны, могут управлять не только отпиранием, но и запиранием тока, поэтому НЭ используется в режиме частичного разряда, допускается работа с переменными tИ и TП.
Имеются модуляторные лампы на напряжение до 60 кВ и токи в сотни ампер, что позволяет коммутировать мощность больше 10 МВт.
Недостатки: около 10 15% мощности теряется на аноде лампы, предъявляются жесткие требования к форме входного импульса при сравнительно большой его мощности.
Рабочую точку коммутаторной лампы во время открывающего импульса выбирают вблизи линии критических режимов, то есть в области перегиба импульсных статических ВАХ анодного тока (точка А, рис.)
iА |
|
еС МАКС |
С |
А |
|
I |
|
В |
|
|
|
0 |
eА ОСТ |
eА |
|
Рис. |
|
Точка В соответствует меньшему значению напряжения на сетке модуляторной лампы. Однако при этом увеличивается остаточное напряжение на аноде коммутаторной лампы, что приводит к низкому значению КПД процесса разряда.
Точка С лежит в области ПР режима и выгодна (минимум потери напряжения на аноде), но при этом существенно возрастают требуемая амплитуда входного импульса и его мощность за счёт большего значения сеточного тока.
Увеличение мощности входных импульсов приводит к увеличению мощности, рассеиваемой на сетке модуляторной
лампы и, соответственно, к увеличению её разогрева. |
8 |
|
Необходимая амплитуда управляющих импульсов
UУПР еС МАКС | EC/ |
где Е/С – напряжение, необходимое для запирания модуляторной лампы в
промежутках между импульсами.
Остаточное напряжение на аноде модуляторной лампы еА ОСТ составляет сотни вольт и может доходить до 1 – 2 киловольт.
Разработан прибор “инжектрон” позволяющий коммутировать цепи напряжением до 300 кВ и ток до 300 А. При этом потери на аноде 10%, а IВХ=1…2% выходного, что
значительно снижает входную мощность.
Среди “мягких” коммутаторов выделяются водородные тиратроны на токи до 5000 А и напряжение до 80 кВ, т.е. мощность до сотен МВт.
Но они только замыкают ключ, размыкая его при полном разряде НЭ. Потери в тиратроне малы, требования к поджигающему импульсу (к его форме) некритичны (важна лишь крутизна фронта). Недостатки водородных тиратронов: большое время деионизации (около 10 мкс).
Тиристоры: напряжение до 2 кВ, токи до 1500 А, но они более инерционны. Нелинейные индуктивности (Др и Тр) обладают высокой надежностью и
практически неограниченным сроком службы, позволяют коммутировать мощности до
единиц МВт. |
|
• |
Накопители энергии. |
Конденсаторы: наиболее простой НЭ. Модуляторы с емкостным НЭ имеют |
|
высокий КПД только при частичном разряде емкости, поэтому необходимо применять |
|
«жесткий» коммутатор. |
9 |
|
|
•Индуктивный НЭ: способен существенно повышать напряжение, поэтому используется при низковольтных источниках питания.
•Отрезки длинных линий и их эквиваленты применяют как НЭ с «мягкими» коммутаторами, т.к. при полном разряде они создают на нагрузке импульс U, близкий к прямоугольному.
ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР НА «ЖЕСТКОЙ» ЛАМПЕ
+EП |
R1 |
U |
- |
|
+ |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
АЭ |
R1 |
– ограничивает ток заряда. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
|
|
|
|
|
|
RАЭ |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 |
|
|
|
|
|
|
|
R2 |
– замыкает цепь заряда. |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
UСМ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сп1, Сп2 – паразитные емкости, |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СП1 |
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
(<< С), они влияют на t |
ф |
и tСП |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П2 |
|
|
|
IОИ |
импульса. |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-EСМ
Для получения плоской вершины применяют частичный разряд С, и его емкость выбирают так, чтобы постоянная времени цепи разряда С·RАЭ была значительно
больше tИ. Более жесткие требования к постоянству Е предъявляют при модуляции АГ, т.к. вариации Е приводят к нестабильности f.
Вгенераторах на ЛОВ типа М изменение Е на 1% изменяет f приблизительно на ту же величину и требуется обеспечить Е/Е<0.01.
Вмагнетронах Е/Е<0.015, иначе появляются дополнительные паразитные АМ и
ЧМ, и падает КПД. |
10 |
ηЗ =WC/WИП – КПД модулятора при заряде WС – энергия (W), запасенная в емкости (С);
WИП – энергия, отданная источником питания. Часть энергии теряется на сопротивлениях R1 и R2 (их надо уменьшать).
WС=0.5 C(U2MAX-U2MIN)
WИП =ЕП C(UMAX-UMIN)
ηЗ =UСР/ЕП,
где UСР =0.5 (UMAX+UMIN) - среднее напряжение на емкости. Чем ближе UСР к ЕП ,тем выше КПД ηЗ заряда.
При полном разряде конденсатора UMIN=0 и ηЗ <0.5 т.к. UMAX< ЕП.
КПД при разряде: |
ηР =Р0/(РС+РИП) |
|
||||||
Р0 – мощность, потребляемая нагрузкой модулятора (АГ) |
|
|||||||
РС - мощность, отдаваемая емкостью |
|
|
|
|||||
Р |
ИП |
– мощность отдаваемая ИП. |
|
1 |
|
|
||
|
Р |
|
1 |
|
|
|
||
|
|
|
R1 RАЭ |
|
|
|
||
|
|
1 RАЭ |
1 eMIN E |
|
||||
eMIN – остаточное напряжение на аноде АЭ модулятора во время импульса. |
|
|||||||
Для повышения ηР необходимо увеличивать R1, R2, что противоречит ηЗ. |
|
|||||||
Для получения высоких ηЗ и ηР рекомендуется выбирать R1=R2=(10…20)RАЭ. |
|
|||||||
При eMIN=(0.1…0.2)Е; ηР=0,8; а ηМОД=ηЗ·ηР =0,7 – общий КПД модулятора. |
11 |
|||||||
UН |
UC |
UC |
|
|
|
|
|
UC МАКС |
UC МИН |
|
|
|
U |
= U |
U |
|
|
|
|
|
C МИН |
C 0 |
C МАКС |
τИ |
t |
(T – τИ) |
τИ |
(T – τИ) |
τИ |
|
t |
а |
|
|
|
б |
|
|
|
Форма импульса напряжения на нагрузке UН и изменение напряжения
на накопительной ёмкости UC
Достоинством импульсных модуляторов с частичным разрядом накопительной ёмкости является возможность получения формы импульсов, близкой к прямоугольной и устойчивой к изменениям нагрузочного сопротивления RАЭ
(к изменениям режима работы генератора). Кроме того, при малом значении UС они имеют высокий ηЗ процесса заряда.
Недостатком модуляторов с частичным разрядом ёмкости является необходимость осуществления коммутатором не только замыкания, но и размыкания разрядной цепи. То есть в качестве коммутатора могут быть только электронные лампы, которые должны пропускать большие токи.
Из за большого Rвнутр электронных ламп снижается КПД процесса разряда
накопительной ёмкости. Кроме того, для управления коммутаторными лампами на их управляющие сетки должны подаваться импульсы большой амплитуды и хорошей прямоугольной формы. Это существенно усложняет конструкцию подмодулятора.
12