4.8. Структурная схема формирователя импульсного радиосигнала

В импульсе высокочастотные устройства могут излучать очень большую мощность - в десятки и даже сотни мегаватт. Поскольку эти импульсы излучают­ся с большой скважностью Q, то, используя принцип накопления энергии в паузе между импульсами, мощность первичного источника можно понизить в то же число Q раз. Структурная схема такого устройства приведена на рис.4.8

Источникпостоян- ного тока

Накопи-

тель

Коммути-рующий элемент

Генератор СВЧ

Рис.4.8. Структурная схема импульсного мо­дулятора.

Мощность первичного источника питания

Р₀ = , (4.1)

где Р_1мин- мощность генератора в импульсе,

ℎ - КПД генератора.

Пример. Мощность СВЧ устройства в импульсе Р1имп =1 МВт, скважность Q = 1000, ℎ = 50%. Согласно формулы (4.1), требуемая мощность первичного источника постоянного тока: Ро = 2 кВт.

Коммутирующие устройства в импульсных модуляторах могут быть жесткого типа (электровакуумные лампы и высоковольтные транзисторы) и мягкого типа (тиратроны и тиристоры - кремниевые управляемые вентили).

В импульсных модуляторах жесткого типа длительность сформирован­ного импульса определяется длительностью входного импульса. В импульсных модуляторах мягкого типа входной импульс определяет только начало форми­руемого импульса, длительность которого определяется параметрами накопи­тельного элемента.

4.9. Импульсный модулятор жесткого типа с емкостным накопи­тельным элементом Схема такого модулятора приведена на рис.(4.9.). Работа схемы распадается на две фазы: 1-я фаза. Ключ - высоковольтный транзистор - закрыт за счет отрица­тельного напряжения, поданного на базу; протекает процесс заряда высоко­вольтного конденсатора С (рис.4.10а) по экспоненциальному закону:

Рис. 4.9. Импульсный модулятор жесткого типа с полным разрядом ёмкостного накопителя.

U_c = E₀ (1- e^t/Tз),

где T_з = (R+R₂)C - постоянная времени цепи заряда;

Е_о - напряжение источника питания;

tT- текущее время.

2-я фаза. По истечении времени Т - периода повторения импульсов - на вход схемы приходит импульс положительной полярности, открывающий тран­зисторный ключ, вследствие чего к СВЧ генератору прикладывается положи­тельное напряжение Е_о, до которого успел зарядиться конденсатор. Начинается разряд конденсатора через внутреннее сопротивление открытого транзистора (резистор Rмод) и СВЧ генератор (рис,4.10.б) по экспоненциальному закону:

U_c = E₀ e^-t/Tp, где T_p = (Rом_J + R_or)C- постоянная времени цепи разряда

Время разряда определяется длительностью импульса т. после чего ключ закрывается и вновь повторяется 1-я фаза процесса - заряд конденсатора.

С

Rмод

Rог

.

а б

Рис. 4.10. Эквивалентная схема ИМ жесткого типа с емкостным накопительным элементом С.

а

Графики, отображающие описанный процесс заряда и разряда конденса­тора С, приведены на рис. 4.11.

U_c Заряд Разряд

Рис. 4.11. Графики, отоб­ражающие процесс заряда и разряда конденсатора в ИМ жесткого типа с ем­костным накопительным элементом.

Постоянную времени цепи заряда Т_зар определим из условия: за время Т конденсатор должен успеть зарядиться до потенциала источника постоянного напряжения Eq. Для его выполнения следует иметь (Т_з/Т_р)>3. (R1+R2)Q*(Rмод +Rг)

Постоянную времени цепи разряда Т_р определим из условия: за время т (длительности импульса - напряжение на конденсаторе, приложенное к СВЧ генератору, должно уменьшится не более чем на ΔUc=E₀—E₁). Время заряда накопительной ёмкости определится по формуле: T_з = (R₁+R₂)*C.

Значение ΔUc определяется режимом работы электронного прибора, т.е. СВЧ генератором.

Поскольку в схеме (рис.4.9.) выходной импульс отрицательной полярности, то для триодных генераторов СВЧ необходимо перевернуть полярность импульса на положительную. Для этого в схеме применяется импульсный трансформатор. При коммутации больших значений токов воз­никает переходный колебательный процесс. Для его ослабления в схему включается диод Д1, гасящий возникающие колебания.

КПД модулятора определяется как отношение энергии, отдаваемой кон­денсатором во время разряда W_c (2-я фаза), к энергии, идущей на заряд конден­сатора и теряемой на сопротивления R1+R2 ( W_C+W_R).

ℎ_м = .

Пример. Длительность импульса т=1 мкс=10^-6 с; период повторения импульсов T = 1 мс=10^-3 с; сопротивления: R_ом=2 Ом, сопротивление открытого ключа (транзистора); R₀г ⁼ Ю0 Ом. Допустимое изменение напряжения ΔU_C/E_O=5%.

Накопительная ёмкость =;

С = /(R_ом +R_0г) = 1,0*10^-6/0.05*102=2*10~⁷Ф=0,2 мкФ.

где m – количество импульсов в кодовой посылке;

=– допустимый спад вершины импульса.

Время цепи заряда Т₃=-10^-3 с.

Суммарное сопротивление в цепи заряда накопительной ёмкости:

(R_l+R₂) = T₃/C= 1,0*l0^-3/0,2*l0^~6 =5000 Ом=5 кОм.

Сопротивление в зарядной цепи: R₁ +R₂= 5000 Oм. Вариант для оптимального кпд R₁ =R₂.

(Т и времяизмеряется в секундах [C], емкость в фарадах [Ф], сопротивление - в омах [Ом]).

Проверим соответствия времени заряда ёмкости до потенциала источника питания:

= 1*10^-3/1*10^-6.

Таким образом, накопительная ёмкость полностью зарядится до потенциала источника питания.

4.10. Импульсный модулятор мягкого типа с искусственной линией Рис.4.12

Принцип действия данного модулятора основан на формировании им­пульса прямоугольной формы с помощью длинной или искусственной линии. Пусть линия длиной S с волновым сопротивлением при разомкнутом ключе К заряжена до напряжения Е. После замыкания ключа на сопротивление нагрузкиR _н= начинается разряд линии. При этом в линии образуется две волны, одна из которых с амплитудойU _н = Е со скоростью V начинается двигаться влево (1-я линия); другая волна той же амплитуды с той же ско­ростью (2-я волна) - вправо (рис.4.12). Если линия замкнута на конце на сопротивление равное волновому сопротивлению, то первая волна, достигнув сопротивления R_H=p, будет им поглощена, образуя им­пульс амплитудой U_H=E и длительно­стью т₃=S/V (рис.4.12.,а). Если линия разомкнута на конце, то вторая волна, достигнув разомкнутого конца линии, полностью от него отразится, поскольку в этом случае коэффициент отражения Г = 1.

После отражения, начав двигаться влево, вторая волна, как и первая, достигнув с задержкой на время τ сопротивления нагрузки Rн = , также будет им поглащена, вновь сформировав импульс амплитудойUн =Е и длительностью 2τ.

Таким образом, за счёт обеих волн на нагрузке Rн = будет сформирован импульс амплитудойUн = Е и длительностью τ = 2τ_з = 2S/V.