Импульсные передатчики РЛС-обнаружения с оптимальной обработкой

 

 

3. Расчет выходного каскада

В качестве выходного каскада разрабатываемого передатчика выбран УСВЧ на амплитроне, т.к. амплитрон обладает достаточной  широкополосностью и высоким  КПД.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 Схема импульсной модуляции амплитрона

 

Исходными данными для расчета  являются: импульсная мощность в антенне  Pa, рабочая частота fг, допустимая нестабильность фазы, длительность импульса, период следования импульсов Т, коэффициент отражения нагрузки Гн.

По формуле (1.1) для заданной мощности Ра определили мощность на выходе амплитрона. На основании этой мощности выбрали  из литературы [2] амплитрон QKS-1012.

 
Исходные данные:

импульсная мощность на выходе амплитрона Р_ВЫХ 123 КВт

импульсная мощность на входе  амплитрона Р_ВХ 9 КВт;  

рабочая частота f       1,2-1,4ГГц;

длительность импульса τ     1 мкс;

частота следования импульсов f_И    1000 Гц;

период следования импульсов Т    1 мс;

 

 

Тип и параметры амплитрона:

тип        QKS-1012;

полоса частот f      1,2 – 1,4ГГц;

выходная импульсная мощность P_{ВЫХ.ИМП} 0,1 МВт;

выходная средняя мощности  P_ВЫХ.СР  2,5 КВт;

КПД        65 %;

коэффициент усиления К    12 дБ;

длительность импульса τ    1-300 мкс;

напряжение анода U₀     21В; 
 ток анода I₀       9А.

Далее расчитываем некоторые параметры  ЗС.

Для начала определим длину  волны колебаний по формуле:

 

         (3.1)

где с = 3∙10⁸ м/с – скорость распространения радиоволн (скорость света).

 

 

 

f = 1350 МГц – несущая частот (частота несущего сигнала по входу УСВЧ).

Количество ламелей ЗС N зависит от номера рабочей зоны и номера вида колебаний. Обычно амплитроны работают в первой или второй зоне колебаний, т.е.

или         (3.2)

 

где γ – номер вида (зоны) колебаний.

Номер рабочей зоны (первой или второй) производится исходя из следующих соображений. Опытным  путем установлено, что в первой зоне обычно работают амплитроны дециметрового  диапазона волн, а во второй зоне – амплитроны дециметрового и  сантиметрового диапазона волн. Во второй зоне обеспечивается более широкая  полоса усиливаемых частот. Отметим, что увеличение числа ламелей N или ячеек N₁=(N-1) ЗС не приводит к увеличению коэффициента усиления амплитрона.

Следовательно, нашему диапазону  волн будет соответствовать вторая зона. Преобразовав формулу (3.2) для количества ламелей N, получили:

 

Номер вида колебаний γ в ЗС, соответствующий центру рабочей зоны, в зависимости от диапазона волн выбирается из таблицы 6.1. литературы [1].

Итак, для нашего случая λ = 22,2см     γ = 4.

 

 

Далее рассчитывается отношение  радиусов анода и катода:

(3.3)

 

Увеличение этого параметра  ведет к росту КПД амплитрона. Однако при этом наблюдается уменьшение тока срыва, а следовательно, и значения предельного коэффициента усиления.

 

 

 

 

 

 

 

Радиус анода рассчитывается  по соотношению

 

 

 

(3.4)

 

 

а радиус катода

 

 

 

 

Выбор величины магнитной  индукции В производится на основании эмпирического соотношения

(3.5)

Экспериментальные результаты показывают, что выбор величины магнитной  индукции может производится в достаточной  степени произвольно. Этим обстоятельством  необходимо пользоваться при корректировке  геометрических размеров пространства взаимодействия (в частности, радиуса  анода) для удовлетворения заданного  значения выходной мощности.

Согласно соотношению (3.5), принимаем       откуда находим В:

 

 

Радиус анода:

 

 

 

 

 

 

Радиус катода:

 

Величина сопротивления  связи R_СВ , необходимая для расчета волнового сопротивления ЗС, находится из равенства

 

(3.6)

 

где h – высота анодного блока;  А=43,2;  параметр a выбирается из таблицы 6.2 [1].

  Эта формула определяет значение произведения             при котором амплитрон характеризуется определенным уровнем предельного коэффициента усиления. Обычно высота анодного блока принимается 0,2λ<h<0,4λ. Затем, задавшись значением высоты анодного блока, из уравнения (3.6) находят сопротивление связи. Обычно величина сопротивления связи ЗС амплитрона равна 50…100 Ом. Уменьшение этой величины ниже указанного значения приводит к снижению усиления в приборе. При увеличении сопротивления связи сужается диапазон усиливаемых частот.

Для нашего случая величина a=3 высоту анодного блока принимаем h=8 см, тогда

 

 

 

 

 

 

 

Волновое сопротивление  ЗС находится по формуле

 

(3.7)

 

 

Коэффициент β определяется из формулы:

(3.8)

 

Величина параметра μ может меняться в весьма широких пределах без существенного влияния на качество работы амплитрона. Обычно 0,4<μ<0,6.

 

Фазовый сдвиг Ф_П.ГР , соответствующий границам полосы пропускания

 

(3.9)

 

где Ф_П0 =2πγ /N – фазовый сдвиг, соответствующий центру рабочей полосы частот.

 

Фазовый сдвиг Ф_П обычно изменяется в пределах полосы усиливаемых частот от 120˚ до 170˚.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет вольт – амперных характеристик.

 

Импульсная мощность на выходе амплитрона Р_ВЫХ=123 КВт.

Вольт-амперная характеристика амплитрона имеет вид:

 

(3.10)

 

Коэффициент

(3.11)

где ε₀ = 8,854∙10^-12 – диэлектрическая постоянная вакуума; h=8см – высота анодного блока.

Коэффициент S_σ=sin(σN/2)/(σN/2) зависит от величины σ, определяющей ширину спиц сгруппированного электронного потока.

Коэффициент S_β=sin(βN/2)/(βN/2) определяется шириной щели 2β резонаторов анодного блока в угловом измерении.

Коэффициент определяется по формуле:

(3.12)

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r₁ – радиус втулки пространственного заряда вокруг катода.

Итак, для нашего случая:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из сделанных  выше расчетов получилось, что радиус втулки пространственного  заряда r₁=0,07 м, а коэффициент K_U=3,35∙10⁴ В²/А.

 

Напряжение на зазоре входной  ячейки

 

(3.13)

и выходной ячейки

 

(3.14)

 

где      ;            ;   Z₀ – волновой сопротивление ЗС; γ – номер вида (зоны) колебаний.

 

 

 

 

 

 

Напряжение на зазоре входной  ячейки

 

 

 

Напряжение на зазоре выходной ячейки при анодном токе I₀=9А:

 

 

 

 

 

 

 

 

Среднее значение амплитуды  высокочастотного напряжения на зазорах  ячеек ЗС находится по формуле:

 

(3.15)

 

 

Синхронное значение анодного напряжения

(3.16)

 

 

 

 

Пороговое напряжение

(3.17)

 

 

 

 

 

Коэффициент                          (3.18)

 

 

 

Коэффициенты:

(3.19)

 

 

 

 

 

 

Угол θ_СР=-d_CР+b_СР=-0.32+0,029=-0,357.

Подставляя полученные величины в уравнение (3.10), найдем напряжение в выбранной рабочей точке, соответствующей рассчитанным параметрам ЗС:

 

 

 

 

Мощность на выходе

 

(3.20)

 

 

 

 

Зависимость вариации фазы в работающем амплитроне определяется выражением:

 

(3.21)

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результаты расчета ЭСФ в  зависимости от анодного тока при  импульсной мощности на входе амплитрона Рвх=9 кВт приведены в таблице 1.

Таблица 1

I0, А	5	7	8	9
UN1, КВ	5,896	6,862	7,298	7,708
PN1, КВт	79,21	107,3	121,3	135,4
UCР, КВ	3,942	4,425	4,643	4,848
U0, КВ	20,92	20,93	20,93	20,94
Δφ,град	61,287	69,67	73,052	76,055

 

Как видно, требуемое значение выходной мощности уже можно получить при  анодном токе I₀=9A и входной мощности P_вх=9 кВт.

 

 

График 1 Зависимость Δφ от I0

 

Таблица 2 Фазоамлитудные характеристики при I0=9A

Pвх,кВт	5	6	7	8	9
Δφ,град	91,113	86,44	82,48	79,06	76,055

 

График 2 Зависимость Δφ от Рвх

 

 

В этом режиме коэффициент ЭСФ по анодному току и преобразования АМ в ФМ соответственно равны:

 

 

(3.22)

 

Динамическое и статическое  сопротивление равны:

(3.23)

 

Мощность на выходе усилителя  при анодном токе 9 А составит:

 

(3.24)

Здесь КПД ЗС принят η_k=0,95.

Относительное изменение мощности на выходе амплитрона при рассогласованной нагрузке (Г_Н=0) и изменении фазы нагрузки от 0 до 2π составляют:

 

 

 

 

 

Здесь коэффициент отражения  от выхода энергии амплитрона принят Г₁=0,1, а затухание в амплитроне d=1.

Рассмотрим обеспечение  заданной стабильности фазы в импульсе.

Спад напряжения на вершине  модулирующего импульса, обеспечивающий заданную стабильность фазы в импульсе в выбранном режиме:

(3.25)

 

Здесь динамическое сопротивление  модуляторной лампы R_M=550 Ом.

Емкость накопительного конденсатора модулятора с частичным разрядом накопителя

 

(3.26)

Изменение входной мощности амплитрона, обеспечивающее заданную стабильность фазы:

(3.27)

 

Затухание ферритового вентиля, обеспечивающее заданную стабильность фазы:

(3.28)

КПД усилителя:

 

(3.29)

 

Средняя мощность, потребляемая от источника питания

 

 

(3.30)

 

Итак, полученных данных достаточно для расчета импульсного модулятора.

4. Расчет задающего генератора

Расчет проведем, используя [1].

Выбираем схему АГ: