Импульсные передатчики РЛС-обнаружения с оптимальной обработкой

 

 

7. Импульсный модулятор

7.1 Выбор схемы

Импульсный модулятор  с электронным коммутатором (электронной  лампой) работает в режиме частичного разряда накопителя, которым служит конденсатор. С помощью электронной  лампы – практически безынерционного  коммутатора – можно формировать  весьма малые по длительности импульсы с большой частотой коммутации.

В модуляторе легко можно  осуществить переход на разные длительности импульсов, так как необходимые  переключения производятся в маломощных цепях подмодулятора. На выходе модулятора можно получить импульс, по форме  весьма близкий к прямоугольной. Поэтому, когда к форме модулирующего  импульса предъявляются жестокие требования, применяются модуляторы с частичным  разрядом накопителя. К недостаткам  этих модуляторов относятся жестокие требования, предъявляемые к параметрам импульса подмодулятора, так как  они во многом определяют форму выходного  импульса, большие потери энергии  в электронном коммутаторе, внутреннее сопротивление которого сравнительно велико, и необходимость в выпрямителе, имеющем значительное напряжение.

Недостатком является и то, сто специально разработанные для  целей коммутации лампы рассчитаны на относительно небольшие токи.

В данной работе модулятор  с частичным разрядом накопителя выполнен с выходным импульсным трансформатором. Трансформатор необходим в главную  очередь для повышения выходного  напряжения и изолирования цепи по постоянному току, кроме этого  он согласовывает низкоомный выход  модулятора с высокоомным входом амплитрона.

Ниже (рисунок 10)  приведена схема этого модулятора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 10 Схема импульсного модулятора с частичным разрядом накопителя

В схеме такого модулятора роль зарядно-разрядной индуктивности, с помощью которой уменьшается  длительность спада импульса до величины τ_С=(0,1…0,2)τ, выполняет индуктивность намагничивания трансформатора. После запирания лампы (в промежутке между импульсами) в контуре, образованном   индуктивность намагничивания трансформатора и паразитными емкостями возникают гармонические затухающие колебания (рисунок 11). При малом затухании амплитуда этих колебаний значительна и возможно повторное возбуждение генератора СВЧ. Кроме того, во время действия положительной полуволны колебаний, когда суммарное напряжение на контуре и накопителе прикладывается к аноду модуляторной лампы, возможен ее пробой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 11

 

Для устранения этого недостатка параллельно индуктивности включают гасящий диод Л₂. По окончанию формирования импульса диод шунтирует контур и гасит паразитные колебания. Диод может включаться как в первичную, так и во вторичную обмотки трансформатора. Иногда гасящий диод не включают вообще, так как потери в трансформаторе могут обеспечить апериодический (или колебательный с большим затуханием) процесс после окончания формирования выходного импульса.

Перейдем к  расчету модулятора.

Исходными данными для  расчета импульсного модулятора являются: 
рабочая частота f         1200-1400 МГц;

ток в нагрузке модулятора I       9А;

напряжение на выходе модулятора (вторичной обмотке)U₂  20,94кВ;

длительность импульса τ       1 мкс;

частота следования импульсов f_И      1000 Гц;

емкость накопительного конденсатора C_Н    0,7нФ;

динамическое сопротивление  модуляторной лампы R_i   550 Ом.

7.1.Выбор типа модуляторной лампы и ее режима работы.

Т.к. мы используем модулятор  с частичным разрядом накопителя и выходным импульсным трансформатором, то пересчитаем напряжение на аноде  лампы (напряжение первичной обмотки  трансформатора) через коэффициент  трансформации n.  Выберем n_И=R_Г/ρ_Л=2,2, тогда напряжение

на первичной обмотке  трансформатора будет равно U₁=U=U₂/(n_И√η_И)=20,94/(2,2√2,2)=6,414кВ.  Ток I₁=n_ИI₂/√η_И=13,349А. 

Напряжение на аноде лампы, когда она закрыта

(7.1)

и ток через нее, когда  она полностью открыта,

(7.2)

 

По полученным данным выбираем тип модуляторной лампы из справочной литературы [9]. Итак, выбираем импульсный модуляторный триод  ГМИ-30 (рисунок 12).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 12 импульсный модуляторный триод    ГМИ-30

Основные характеристики:

оформление - металлокерамическое  с защитной сеткой;

охлаждение - принудительное: ГМИ-34А - водяное: анода - 5 л/мин, ножки 

1 л/мин; ГМИ-34Б - воздушное:  анода - 400 м3/ч, ножки 80 м3/ч.

Масса ГМИ-34А 12 кг, ГМИ-34Б 10 кг.

 

Основные параметры при U_Н=8,2 В, Uа=3 кВ, U_С1= -400 В, U_С.ИМП=2 кВ

Ток накала - 16,8 ± 0,9 А.

Ток анода в импульсе - 15 А.

Ток сетки в импульсе - 6 А

Время готовности - 5 мин

Междуэлектродные емкости, пФ:

    входная – 9,5±2,5

    выходная – <2

    проходная –  5,3±1,7/-1,3

Долговечность - 500 ч

 

 

 

Предельные эксплуатационные данные

 

Напряжение накала       7,9 ±8,5 В

Напряжение анода       30 кВ

Напряжение сетки отрицательное  в импульсе U_C 2-14В

Ток сетки в импульсе:      6

Ток анода в испульсе      15 А

Мощность, рассеиваемая анодом    3 кВт

Скажность         0,02

Длительность импульса     5-10 мкс

Интервал рабочих температур окружающей среды от -60 до +70 С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 13

По величине тока i_a.max=15А находим по импульсной анодной характеристике лампы (рисунок 13) положение рабочей точки, соответствующее слегка перенапряженному режиму.

Для выбранного режима работы модуляторной лампы:

e_a.min=1,5кВ;  e_a.max= e_a.min +U=(1,5+4)кВ=5,5кВ;

 

e_с.max=1600В;  E_C1=-6000В;  E_C2=2,5кВ;  r_i=300Ом

 

 

 

 

7.2. Расчет элементов схемы.

Сопротивление нагрузки модулятора по постоянному току:

(7.3)

 

(7.3)

 

Зарядное сопротивление R₁:

(7.4)

 

Зарядно-разрядная индуктивность

 

(7.5)

 

 

Величина сопротивления R₂:

 

(7.6)

 

Величина разделительной емкости С₄:

(7.7)

 

Величины блокировочных  емкостей С₂, С₃:

 

(7.8)

7.2.1 Оценка формы выходного импульса.

 

Длительность фронта импульса:

 

(7.9)

 

где R’ – сопротивление, определяемое по формуле

 

 

E_а- напряжение на аноде;

E_АВ – напряжение возбуждения магнетрона, определяемое по приближенной формуле

 

 

I_m =15А - ток, определяемый по характеристике модуляторной лампы;

С_П=150 пФ – паразитная емкость, шунтирующая нагрузку модулятора.

 

 

Длительность спада импульса:

 

 

 

(7.10)

 

 

 

7.2.2Энергетические соотношения в модуляторе.

 

Изменение напряжения на накопителе:

(7.11)

Максимальное напряжение на накопителе

(7.12)

 

Выбираем конденсатор  КБГ-П0,25/ИТ-40-II.

Минимальное напряжение на накопителе:

(7.13)

Напряжение источника  питания:

 

 

(7.14)

Средняя мощность потерь в  зарядном сопротивлении:

 

 

 

 

 

 

(7.15)

 

Средняя мощность потерь в  индуктивности:

 

(7.16)

 

Средняя мощность потерь на аноде модуляторной лампы:

 

(7.17)

Средняя мощность модулятора:

 

(7.18)

Мощность источника питания:

(7.19)

 

КПД модулятора:

 

(7.20)

 

 

7.2.3 Выбор шунтирующего диода.

Обратное напряжение

(7.21)

Ток эмиссии катода:

(7.22)

 

Внутреннее сопротивление:

(7.23)

 

Мощность рассеяния анода: Р_а=P_L=22,02Вт.

 

7.2.4 Требования к источнику питания (выпрямителю).

Выпрямленное напряжение   E_ИСТ≥7000В.

Мощность выпрямителя  Р_ИСТ=118,1Вт.

7.2.5 Требования к подмодулятору.

Амплитуда напряжения на выходе

U_ПМ=│Е_С1│+e_С.MAX=6000+1500=7500В.  (7.24)

Длительность выходного  импульса

τ_ПМ=1,1τ=1,1∙1∙10 ^{– 6} = 1,1∙10^-6 мксек.               (7.25)

Частота следования импульсов

f_ПМ=f_И=1000Гц.

8. Конструктивный  расчет катушки индуктивности.

 

Исходными данными для  расчета катушки являются

Индуктивность катушки L = 0,4мкГн;

Рабочая частота генератора f = 1350МГц;

 

Выберем диаметр провода  из условия обеспечения максимальной добротности катушки.

d = t / k₁                                               (8.1)

Здесь t = 0,2 см – шаг намотки, k₁– коэффициент, значение которого определяется по графику на рис.22 литература [2].

Отношение длины намотки l к диаметру катушки D выбирают из условия получения максимальной добротности в пределах 0,5 ≤ D / l ≤ 0.8.

Таким образом, диаметр петли  выберем D = 0,5см, а длину намотки l = 1см, коэффициент k₁=  1,11 . Тогда диаметр провода d = t / k₁ = 0,2/1,11 = 0,18см.

Количество витков для  катушки определяется по формуле

                                     (8.2)

Коэффициент взаимоиндукции между соседними витками определяется по формуле (в мкГн)

                      (8.3)

 

 

Рисунок 14

9. Система контроля, защиты и управления передатчика.

 

Радиопередающее устройство состоит из отдельных блоков, которые  выполняют определенные функции. Эти  блоки должны быть соединены таким  образом, чтобы соблюдался определенный порядок и последовательность их включения, защита от перегрузок и аварийных  режимов. При этом должна быть предусмотрена  сигнализация для контроля за работой  наиболее важных блоков и узлов. Все  эти функции выполняются системой контроля, защиты и управления (КЗУ). Принципы построения КЗУ зависят  от эксплуатационных требований.

В передающем устройстве должна обеспечиваться такая последовательность включения различных напряжений на все блоки  и узлы, при которой  исключалась бы возможность выхода из строя передатчика. В первую очередь  включаются цепи накала ламп и питание  устройств, обеспечивающих охлаждение отдельных деталей и узлов  передатчика. После полного прогрева катодов ламп разрешается подача высоких напряжений. Время прогрева катодов определяется характеристиками приборов. Высокие напряжения включаются в порядке возрастания по величине. Чтобы предотвратить включение  высокого напряжения до полного разогрева  катодов ламп, в системах КЗУ применяют  реле времени, обеспечивающих наперед  заданную временную программу включения  большого числа цепей.

Для контроля за правильностью  и последовательностью работы системы  КЗУ применяется визуальная сигнализация.

Защиту передающего устройства от аварийных режимов обеспечивает схема защиты и блокировки. Она  обеспечивает защиту всех устройств, работающих в импульсном и непрерывном режиме. Пример защиты амплитрона показан на рисунке 15.