Импульсные передатчики РЛС-обнаружения с оптимальной обработкой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 Принципиальная электрическая  схема автогенератора

 

Исходными данными для  расчета задающего генератора являются:

мощность в нагрузке     1мВт;

частота последовательного резонанса КР  50МГц.

Параметры кварцевого резонатора:

нормированная статическая  емкость  65пФ;

частота КР       20МГц.

мощность, рассеиваемая на КР   2мВт.

 

В качестве активного элемента  используем транзистор КТ311Г с параметрами:

граничная частота усиления     600МГц;

коэффициент передачи ОЭ     50;

объемное сопротивление  базы    6Ом;    

максимальная мощность рассеивания  на коллекторе  0.15Вт;

максимальное допустимое напряжение U_КЭ  15В;

максимальный допустимый ток коллектора  20мА.

 

Произведём расчёт электронного режима согласно методике, предложенной в [5].

γ(θ) = 0,2;  θ = 60;  cos(θ)=0,5;

α₀(θ)=0,22;   α₁(θ)=0,39;  P_КВ=1мВт.

Сопротивление кварцевого резонатора:

R_КВ=r_К=50 Ом;

Х_СВ = - r_К τ₀ = -50∙0,1= - 5 Ом.      (4.1)

Ток через кварцевый резонатор:

(4.2)

 

Высота импульса коллекторного  тока:

 

I_К1= α₁(θ)∙i_кm; I_К= α₀(θ)∙i_кm;

 

(4.3)

 

Аппроксимированные параметры  транзистора:

(4.4)

 

 

 

(4.5, 4.6)

 

 

(4.7)

 

 

Расчет параметров контура:

(4.8)

 

 

(4.9)

 

Коэффициент  æ=R/R_Х=X₂/X₁=C₁/C₂=120/101,511=1.182.

Здесь

(4.10)

По условию æ=0,2..2, что удовлетворяет последнему.

Наш автогенератор возбуждается на третьей гармонике кварца ω_К=375МГц, тогда выберем параметры контура исходя из этого условия.

Выбираем L_К=0,4мкГн, при этом индуктивное сопротивление

ω_КL_К = 375∙10⁶∙0,4∙10^-6=150Ом.    (4.11)

Добротность контура 

Q_К=Q_КВ(1-η)=50.

Сопротивление потерь в контуре:

(4.12)

 

Сопротивление потерь ветвей в контуре:

(4.13)

  Х₂= æ Х₁ =1,182∙(-17,451) = - 20,63Ом;   (4.14)

Х₃ = ξ ∙ r_К – Х1- Х₂ = - 0,137*3-(-17,451)-(-20,63) = 37,712Ом.   (4.15)

Учитывая, что комплексное  сопротивление контура     

 

(4.16)

где С_К – суммарная емкость контура, находим емкостное сопротивление контура:

1/(ω_К ∙С_К)= ω_К ∙ L_К – Х₃ = 150-37,712 = 112,288Ом.

Отсюда суммарная емкость  контура:

С_К=1/(ω_К ∙107,214) =1/(375∙10⁶∙107,214) = 23,75∙10^-12 Ф. (4.17)

Зададимся величинами С_1К = 140 пФ и С_2К = 180 пФ и определим величину емкости С_3К.

 

 

Проверим условие возникновения  поразитных колебаний:

(4.18)

 

В нашем случае R=145ОМ,

 

Неравенство выполняется, следовательно  поразитные колебания не возникают.

Проверим условие возникновения  поразитных колебаний на частотах низших гармоник:

(4.19)

Поскольку КР возбуждается на частоте 3-ей гармоники, то частотой низшей гармоники будет частота  самого кварца f_КНГ = f_КР = 20МГц. На этой частоте (исходя из формулы (4.16) емкостное сопротивление контура увеличится в три раза, а индуктивное – уменьшится в три раза. Найдем их:

Х_1НГ = -17,451 ∙ 3 = - 52,353 Ом;    Х_2НГ = -20,63 ∙ 3 = - 61,89 Ом;

Х_3НГ = 37,712/3 = 12,571 Ом.

Сумма сопротивлений при  обходе контура:

Х_1НГ + Х_2НГ + Х_3НГ = -101,672Ом.

Сопротивление емкости связи с  нагрузкой на основной частоте увеличится в три раза, что ослабляет связь  и уменьшает η_К. Для оценки сопротивления потерь в контуре r_НГ принимаем η_К=0 и Q_НГ = 100, тогда

 

 

Обобщенная растройка  контура:

 

 

 

Сопротивление

 

 

r_КНГ=10…100Ом

Неравенство выполняется, поэтому  генерация на основной частоте невозможна.

 

Расчитаем электрический  режим автогенератора.

Максимальная амплитуда  колекторного тока i_Кmax = 16,2мА.

Постоянная составляющая коллекторного напряжения:

U_КО = 0,3 U_КДОП =0,3∙15=4,5В.    (4.19)

Амплитуда первой гармоники  коллекторного тока I_К1=6,3мА.

Постоянная составляющая коллекторного тока:

I_КО = α₀(θ) i_Кmax =0,22∙16.2=3,564мА .    (4.20)

Амплитуда управляющего напряжения

 

(4.21)

Амплитуда первой гармоники:

 

(4.22)

 

Сопротивление нагрузки:

(4.23)

 

Колебательная мощность:

Р₁ = 0,5 I_K1 U_K1 =0.5∙6.3 ∙ 10^-3∙ 0.324 = 1.021 мВт   (4.24)

Потребляемая мощность:

Р₀ = I_K0 U_K0 = 3,564 ∙ 10^-3∙ 4,5 = 16.038 мВт   (4.25)

Рассеиваемая мощность:

Р_РАС = Р₀ - Р₁ =16,038 – 1,021= 15,017мВт     (4.26)

  Р_РАС < Р_ДОП 

КПД: 

η = Р₁ / Р₀ = 1,021/16,038 = 0,064   (4.27)

Напряжение смещения:

Е_СМ = U_ОТС-U_Б1^Кcosθ = 0,6 - 0,324 ∙ 0,5 = 0,438 В.   (4.28)

 

Расчет емкости связи C_СВ:

Чтобы сопротивления нагрузки R’_Н , пересчитанное по входу, не снижало заметно добротность контура, примем:

R’_Н = 3R_Н = 3 ∙ 50 = 150Ом.

Добротность последовательной цепочки С_СВ и R_Н:

 

(4.29)

Итак

(4.30)

 

Расчет цепей смещения:

 

=0,253В    (4.31)

 

Для улучшения стабильности частоты в данном автогенераторе применяется автоматическое смещение током эмиттера. С ростом сопротивления R_Э его стабилизирующие свойства улучшаются, но ухудшаются энергетические соотношения. Рекомендуется выбирать сопротивление R_Э = 100…500 Ом. Выберем R_Э = 200 Ом.

Постоянная составляющая тока базы:

I_Б0 = I_К0 / h₂₁ = 3,564∙10^-3/50 = 0,072мА   (4.32)

Сопротивление цепи базы

R₃ = (10…20)│Х₂ │=250…500 Ом.     (4.33)

Берем R₃ =350 Ом. Принимаем ток делителя R₁, R₂   I_Д = 5I_Б =5∙0,072= 0,35мА,  тогда  

(4.34)

 

 

(4.35)

 

(4.36)

 

 

(4.37)

 

 

5. Умножители частоты

Для переноса спектра стабилизированных  кварцем колебаний в более  высокочастотный диапазон применяются  умножители частоты.

Структурная схема умножителя частоты  представлена на рисунке 4

 

 

Рисунок 5 Структурная схема  умножителя частоты

 

На вход поступают электромагнитные колебания частоты f, с выхода в нагрузку передаются колебания частотой nf. Входная цепь необходима для наиболее полной передачи входной мощности к НЭ, выходная цепь служит для трансформации сопротивления нагрузки умножителя в некоторое сопротивление на электродах НЭ, обеспечивающее оптимальный режим. Кроме того, входная и выходная цепи обладают избирательными свойствами: входная цепь пропускает колебания частоты f, а выходная – частоты nf.

В качестве нелинейного элемента в  умножителях частоты применяются  биполярные и полевые транзисторы, полупроводниковые диоды и используются нелинейные участки вольт - амперных, вольт - кулонных или ампер - веберных характеристик.

Основными характеристиками умножителей  частоты являются: кратность умножения  частоты n, рабочая частота или диапазон рабочих частот f, степень подавления побочных частот , входная мощность, КПД.

В данном передатчике используются варакторные умножители частоты, т.к. они просты в реализации, обладают значительно высоким КПД и  .

Умножители идентичны между  собой. Они собраны по схеме с  параллельным включением варактора (рисунок 5) и имеют кратность умножения  n=4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6 Схема  умножителя частоты с параллельным включением варактора

Входная и выходная цепь такого умножителя состоит из колебательного контура и полосового фильтра, который  в свою очередь еще служит и  согласующим звеном. Колебательный  контур и полосовой фильтр входной  цепи настроены на частоту входного колебания, колебательный контур и  полосовой фильтр выходной цепи –  на частоту выходного колебания. Таким образом подавляется сигнал на побочной частоте, т.е. это полностью  определяет степень подавления побочных частот К_ПОБ . Полосы пропускания фильтров не перекрываются. Варикап в этой схеме открыт на части периода входного колебания, угол отсечки тока через варикап θ>0, т.е. в цепи смещения варикапа течет постоянный ток. В этом режиме к барьерной емкости варикапа добавляется диффузионная емкость, превышающая первую на несколько порядков.   В результате резкого увеличения диапазона изменяется суммарная емкость варикапа, увеличивается накапливаемый на ней заряд, возрастает рабочий ток и преобразуется мощность.

В третьем умножителе (Рисунок 7), с кратностью умножения n=3, варикап, даже при максимальных напряжениях на нем, закрыт, угол отсечки θ=0. В этом режиме входной гармонический ток с частотой f, протекающий через варикап, создает негармоническое напряжение  на варикапе, вследствие которого возникает гармонический выходной ток с частотой nf. Происходит преобразование колебания с одной частоты в колебания другой частоты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7 Схема умножителя варикапного умножителя

Этот тип умножитель применяется  на частотах 2-4ГГц, т.к. благодаря коаксиально-волноводному переходу не происходит самовозбуждение  умножителя, помимо этого коаксиально-волноводному переход является также выходным фильтром и согласующим звеном.

Теоретически КПД варикапного  умножителя равен 1, в действительности из-за потерь в фильтрах и варикапе КПД<1. Итак в 3-х умножителях КПД=0.7, n=3.  Подключая эти умножители последовательно добиваемся общего коэффициента умножения равным 27. Причем, при соединении первых двух умножителей средний колебательный контур можно ставить один, что устранит лишние паразитные емкости и индуктивности, но фильтра обязательно надо ставить два – это улучшит коэффициент подавления побочных частот.

6. Промежуточные каскады

 

В данной схеме в качестве промежуточных усилительных каскадов используются:

предоконечный (третий) каскада  – многорезонаторный пролетный  клистрон

L - 3707

второй каскада – лампа  бегущей волны ЛБВ 314H;

первый каскада – лампа  бегущей волны ЛБВ IIW17A.

 

В предоконечном каскаде  МРК работает в импульсном режиме, причем модуляция производится по управляющему электроду без изменения ускоряющего  напряжения, из-за чего не сопровождается паразитной ФМ на фронте и спаде  импульса. Этот способ модуляции является наилучшим с точки зрения фазовой  стабильности выходного сигнала  и качества воспроизведения модулирующего  импульса. Предварительное возбуждение  входного резонатора исключает влияние  его параметров на форму выходного  импульса. При этом не нужна большая  мощность модулятора, но МРК остается работать в режиме максимальной мощности. Схема такой модуляции МРК приведена на рисунке 8.

 

Рисунок 7 Схема подключения  многорезонаторного пролетного клистрона

 

В начальных (входных) каскадах стоят ЛБВ, которые работают в непрерывном режиме. На рисунке 9 приведена схема включения ЛБВ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Рисунок 9 Схема подключения  ЛБВ.

На управляющий электрод, первый и второй аноды (второй анод соединен внутри лампы с замедляющей  системой) подаются напряжения U_у, U_а1, U₀ относительно катода,  имеющего отрицательный потенциал. Напряжения на электродах лампы задаются в паспорте лампы и определяют наилучшие условия взаимодействия высокочастотного поля и электронного потока. Для уменьшения искажений модулированных колебаний цепь спирали должна иметь нулевой потенциал по модулирующему напряжению. Для этого применяются шунтирующие конденсаторы С₁, С₂, С₃ по источнику питания.