5.5. Модулятор источника анодного питания выходного каскада усилителя мощности свч.

D 2

C 1

C 2

Uвх. имп

Uвх ВЧ

Uвых.ВЧ

Г вч

Мод.

Rk

Рис.5.4.

Сравнение будем производить относительно схемы модулятора с частичным разрядом емкости, имеющего самый высокий КПД. Функциональная схема такого модулятора показана на рис.4.6. Функциональная схема совмещённого модулятора источника анодного питания – на рис.4.8. Принципиальная схема его на рис.5.4.

Для энергетической оценки преимуществ модулятора, представленного на рис.5.4 над модулятором на рис.4.6 необходимо сравнить их КПД.

Максимальное значение КПД зарядной цепи –

, (5.5.1)

где – скважность.

При скважности, равной 100,

КПД импульсного трансформатора примерно .

Общий КПД модулятора –

, (5.5.2)

где – КПД модулятора.

Таким образом, отсутствие в схеме модулятора зарядной цепи и высоковольтного импульсного трансформатора, дает следующий выигрыш:

. (5.5.3)

В нашем случае

.

т.е. повышен КПД приблизительно на 25%.

В схеме рис.5.4 емкость конденсатора фильтра выполняет роль накопителя энергии и за время действия импульса (пакета импульсов) не должна изменять свой относительный потенциал более, чем допустимый относительный спад вершины импульса (амплитуды последнего импульса в пакете).

Энергия разряда емкости определяется как

, (5.5.4)

где– емкость источника питания.

Реализованная за время , эта энергия обеспечивает мощность питания выходного каскада усилителя СВЧ, равную

. (5.5.5)

Откуда

, (5.5.6)

где

–относительный след импульса в пакете;

–напряжение источника питания.

Полученное значение (5.5.6) необходимо проверить на выполнение условия допустимого уровня пульсации

, (5.5.7)

где – частота питающей сети.

Сопротивление нагрузки для источника питания определяется по формуле

. (5.5.8)

Следовательно, в схеме модулятора необходимо иметь конденсатор, ёмкость которого больше величины, рассчитанной по формуле (5.5.6) или (5.5.8).

Т.к. эти конденсаторы емкостью одного порядка, то отсутствие одного их них существенно сокращает габариты и вес передающего устройства.

Отсутствие в схеме накопительной ёмкости, зарядной цепи и выходного мощного высоковольтного импульсного трансформатора уменьшает габариты и вес модулятора источника анодного питания примерно на 20-40%, при этом надежность его повышается на 20%.

5.6. Модулятор катодной цепи выходного каскада свч.

Eсеть

D 2

C 1

C 2

Uвх ВЧ

Uвых ВЧ

Rсм

Uвх. Имп.

Г ВЧ

Рис.5.5.

Блок-схема модулятора катодной цепи представлена на рис.5.0, принципиальная схема –на рис.5.5 , блок-схема модулятора сеточной импульсной модуляции – на рис.5.0.1.

В модуляторе с сетчатой модуляцией увеличением отрицательного смещения на управляющем электроде анодный ток лампы можно запереть полностью лишь при условии, что сама сетка не излучает электронов. В действительности она эммитирует электроны, образующие, так называемый , термоток сетки.

С увеличением отрицательного смещения растет разность потенциалов между сеткой и анодом и термоток увеличивается. При скважности, равной 1000, мощность потерь на аноде удваивается за счет термотока сетки.

В модуляторе с катодной импульсной модуляцией напряжение запирания подается в катод лампы. С увеличением напряжения смещения разность потенциалов между анодом и катодом уменьшается, а между анодом и сеткой остается постоянной. Таким образом, запирание лампы происходит без увеличения термотока сетки, вследствие чего анодное напряжение может быть несколько увеличено, а значит, генератор СВЧ может отдать большую мощность.

При использований триодного генератора с внешним возбуждением, можно применить анодную, сеточную или катодную им­пульсную модуляцию, Сравним условия работы генераторной лампы при названных видах модуляции с указанием достоинств и недостатков каждого из них.

При анодной импульсной модуляции генераторная лам­па отключена от источника питания /накопителя/ в течение времени-паузы между рабочими импульсами. Поэтому начав­шийся во время рабочего импульса процесс ионизации остат­ков газа в лампе прекращается и оставшиеся ионы в про­странстве, свободном от поля и электронного потока, рекомбинируют. Это позволяет в несколько раз повысить анодное напряжение на генераторной лампе по сравнению с номинальным анодным напряжением непрерывного режима. При этом мощность потерь на электродах лампы в скважность раз мень­ше. Скважность определяется:

Q,

где T -период следования импульсов:

-длительность рабочего импульса,

Однако, для обеспечения анодной импульсной модуляции необходимо иметь мощный коммутатор и сложный ламповый модулятор. Входная мощность анодного модулятора должна быть на 30 – 50% выше полезной мощности, т.е. выходной колебательной мощности с генераторной лампы. Также модуляторы строятся на мощных тетродах с импульсными трансформаторами. Они получа­ются малонадёжными и неэкономичными.

При сеточной импульсной модуляций коммутатор находится в сеточной цепи генераторной лампы, токи и напряжения в которой значительно меньше, чем в анодной цепи. Поэтому условия работы его значительно легче. Однако, в данном случае к аноду генераторной лампы все время приложено напряжение высоковольтного источника питания. Это обстоятельство вызывает два нежелательных явления. Во-первых, электрическое поле в лампе препятствует процессу полной рекомбинации ионов в паузе между рабочими импульсами, поэтому входное напряжение не может быть приложено больше номинального. Во-вторых, с помощью отрицательного смещения на сетке можно запереть полностью анодный ток лампы лишь при условии, что сама сетка не эмитирует электроны, образующие термоток сетки, за счет которого увеличиваются потери на аноде. Кроме того, модуляцию по сетке можно осуществить только в автогенераторах в виду склонности усилителей к самовозбуждению. Сетка лампы отделяется от земли по постоянной составляющей конденсатором. В этом случае увеличивается нагрузка на модулятор и искажается форма модулирующего импульса. Если емкость сеточного конденсатора малой величины, то возрастает угроза самовозбуждения генератора как результат возникновения положительной обратной связи из-за увеличения сопротивления току первой гармоники в цепи сетки. Кроме этого, при сеточной модуляции имеет место связь между напряжением смещения и напряжением возбуждения

,

где - постоянная составляющая сетчатого тока;

- сопротивление цепи сетчатого смещения.

Это изменение напряжения смещения вызывает искажение передаваемого сигнала с большой частотой следования импульсов.

Катодная импульсная модуляция, с точки зрения режима работы СВЧ каскада, сходна с сеточной модуляцией, так как оба этих способа представляют собой модуляцию смещением. Различие между этими способами заключается в том, что при сеточной модуляции нагрузкой модулятора является сеточный ток генераторной лампы, а при катодной модуляции – катодный ток. Следовательно, катодный модулятор должен быть более мощным по току, чем сеточный.

При катодной импульсной модуляции положительное напряжение запирания подается в катодную цепь генераторной лампы. С увеличением напряжения смещения разность потенциалов между анодом и катодом уменьшается, а между анодом и сеткой остается постоянной. Таким образом, запирание лампы происходит без увеличения термотока сетки, вследствие чего анодное напряжение может быть несколько увеличено, а значит, лампа может отдать большую мощность.

Следует отметить, что при катодной модуляции сопротивление насыщенного n-p перехода транзисторного ключа близко к нулю (0,5:2 Ом) и изменения напряжения смещения за счет постоянной составляющей катодного тока лампы практически не происходит

/или им можно пренебречь/.

Одним из основных достоинств импульсного модулятора катодной цепи генераторной лампы заключается в том, что он позволяет использовать схему усилителя СВЧ колебаний с заземленной сеткой профессора М.А. Бонч – Бруевича, обеспечивающую устойчивую работу каскада усилителя в диапазоне СВЧ. Однако, вследствие того, что полупроводниковый прибор /кремниевый транзистор n-p-n/ работает в режиме насыщения, может наблюдаться расширение длительности радиоимпульса на выходе СВЧ каскада, по сравнению с длительностью входного импульса, поступающего на модулирующее устройство. Это явление обусловлено конечным временем рассасывания неосновных носителей в области базы полупроводникового прибора.