книги / Радиопередающие устройства

этому спектр радиоимпульса содержит две боковые полосы частот (см. рис. 8.3).

Электронные приборы, работающие в импульсном режиме, имеют ряд особенностей. Генераторные лампы, клистроны, ЛБВ и др., работающие в импульсном режиме, обеспечивают большой ток в импульсном режиме. Для этого катод обладает большим током эмиссии, который обеспечивается чаще всего оксидными ка­ тодами, так как у них импульсная эмиссия в десятки раз больше, чем в непрерывном режиме.

При работе более длительными импульсами применяют торированные катоды, как устойчиво работающие при высоких анод­ ных напряжениях.

Мощность, излучаемая в импульсе, определяется значениями импульсного напряжения и тока: Pn=0,5U „IH. Это очень большая мощность — до десятков мегаватт. Но поскольку длительности импульсов малые, то средняя за период мощность Pcp=P dq мала. Электронные лампы в импульсном режиме могут отдавать мощ­ ность в 100... 1000 раз больше, чем в непрерывном.

Во время паузы между импульсами лампа заперта и не пот­ ребляет мощности. Поэтому средняя за период Тя мощность, пот­ ребляемая анодной цепью Р0ср, в q раз меньше мощности Ро, пот­ ребляемой за время генерирования колебаний, т. е. во время импульса.

Электроды ламп — массивные (особенно анод) и обладают зна­ чительной теплоемкостью. Поэтому температура их определяется средней мощностью рассеяния за длительный интервал времени, превышающий не только длительность импульса, но и период сле­ дования импульсов. Следовательно, среднее значение мощности, выделяющейся на аноде в виде тепла в импульсном режиме, не­ велико: Р а .с р = Г >а.н/<7- При <7=500... 2000 средняя мощность рассея­ ния мала. Это позволяет уменьшить размеры электродов ламп и упростить систему охлаждения.

Пробивная электрическая прочность электровакуумных прибо­ ров в импульсном режиме повышается. Происходит это потому, что за короткое время действия высокого импульсного напряже­ ния процесс ионизации не успевает нарасти до значения, при ко­ тором происходит пробой. А за время длительной паузы происхо­ дит полная нейтрализация возникших областей ионизации.

При высоких анодных напряжениях скорость движения элект­ ронов в лампах больше, время их пролета меньше, а следователь­ но, меньше проявляются инерционные свойства ламп.

При больших значениях тока получается больше крутизна ста­ тической характеристики. А при больших значениях напряжения питания больше и амплитуды переменных напряжений, а следо­ вательно, больше утечка токов через междуэлектродные емкости.

Полупроводниковые приборы не могут развивать в импульсном режиме мощность больше, чем в непрерывном. Размеры электро­ дов транзисторов малы, и теплоемкость их невелика. Охлаждение полупроводниковых приборов затруднено из-за невысокой допус­

Радиолокационные передатчики работают в диапазоне деци­ метровых, сантиметровых и миллиметровых волн. В них использу­ ют магнетроны, клистроны, ЛБВ и электронные лампы.

В триодных генераторах модуляцию можно осуществлять на анод или на управляющую сетку лампы.

При модуляции на управляющую сетку лампа в исходном ре­ жиме заперта и открывается на очень короткое время положи­ тельными видеоимпульсами. В эти моменты открытого состояния лампы генератор вырабатывает импульсы СВЧ. Достоинство это­ го метода — возможность получения импульсной модуляции при маломощном модуляторе. Поэтому его применяют в промежуточ­ ном каскаде. Все последующие каскады работают в режиме уси­ ления радиоимпульсов, что позволяет подобрать для каждого при­ бора СВЧ оптимальные условия работы. Например, для пролет­ ного клистрона — режим оптимального группирования, для ЛБВ — максимальный коэффициент усиления и т. д.

Но модуляция на управляющую сетку имеет существенные не­ достатки, основным из которых является уменьшение электричес­ кой прочности ламп, а следовательно, и импульсной мощности в результате того, что на электродах ламп постоянно действует вы­ сокое напряжение (как во время импульса, так и во время паузы). Поэтому импульсная модуля_ция на управляющую сетку применя­ ется редко.

В радиолокационных станциях основной является модуляция на анод. При этом напряжение на анод (на коллектор в ЛБВ) подается только на время импульса и отключается на время пау­ зы. Модуляция на анод имеет следующие преимущества.

1. Значение импульсного модулирующего напряжения может быть выбрано больше допустимого в непрерывном режиме, по­ скольку отсутствие электрического поля в паузах между импуль­ сами в несколько раз повышает электрическую прочность лампы. Повышение анодного напряжения позволяет увеличить номиналь­ ную мощность электронного прибора в импульсном режиме в сот­ ни и тысячи раз по сравнению с непрерывным режимом.

2. Не требуется большого напряжения смещения на сетку лампы. Но для осуществления анодной модуляции необходим вы­ соковольтный импульсный мощный модулятор.

Оценку и сравнение различных схем модуляторов производят по следующим основным требованиям, предъявляемым к импульс­ ным модуляторам:

обеспечение заданных напряжений и токов в импульсе; обеспечение возможности создания импульсов заданной формы

и изменения ее; минимальная мощность управления модулятором;

высокая электрическая прочность и сохранение работоспособ­ ности при пробоях в схеме;

высокая стабильность, т. е. малая зависимость формы импуль­ сов и мощности от возникших при эксплуатации изменений сопро­ тивления нагрузки;

максимальный КПД зарядной н разрядной цепей; высокая надежность работы; малые габаритные размеры и масса; максимальная частота повторения; малое внутреннее сопротивление.

Модулятор управляет мощностью источника питания. Он дол­ жен развивать большую мощность в импульсе при малой сред­ ней мощности. Значит, средняя мощность, потребляемая модуля­ тором от источника питания, мала. Следовательно, для того чтобы сконцентрировать энергию для кратковременного импульса, в мо­ дуляторе должен быть элемент, медленно накапливающий энергию во время пауз менаду импульсами и быстро отдающий ее во вре­ мя импульса.

В качестве накопителя энергии в модуляторах применяют ем­ кость или индуктивность. Переключение схемы с заряда на раз­ ряд осуществляет коммутирующий элемент К. (рис. 8.5). Он дол­ жен пропускать в импульсе большие токи — десятки и сотни ам­ пер. Поскольку коммутатор должен быть безынерционным, то вы­ полняется он либо на электронных лампах с жестким вакуумом, либо на газонаполненных лампах —: тиратронах, иригатронах, ти­ ристорах, транзисторах и др.

Структурная схема импульсного модулятора с накопителем энергии (НЭ) приведена на рис. 8.5. Схема модулятора определя­ ет тип коммутатора. В зависимости от него различают два вида модуляторов: с «жесткими» и «мягкими» коммутаторами. Жесткие коммутаторы выполняют на лампах и транзисторах, мягкие — на тиратронах, тиристорах и др.

Модуляторные электронные лампы практически безынерцион­ ные и могут управлять не только моментом отпирания, но и запи­ рания. Это позволяет поставить накопительный элемент НЭ в режим частичного разряда и этим самим изменять длительность импульсов и периода повторения их. Эти Лампы выдерживают вы­ сокие напряжения — десятки киловольт и могут пропускать токи в сотни ампер, что позволяет коммутировать мощности свыше 10 мВт. Но такие лампы требуют для управления импульс прямо­ угольной формы и значительной мощности. Напряжение запирания модуляторных ламп достигает 1000 В. Поэтому амплитуда запус­ кающего импульса должна значительно превышать напряжение смещения. Кроме того, на аноде модуляторной лампы теряется значительная часть коммутируемой мощности (до 15%).

Разработанный в последние годы «инжектрон» допускает ра­ боту с напряжением до 300 кВ и током до 300 А. Потери мощ­ ности на аноде в нем снижаются до 10%. а входной ток умень­ шен до 2% анодного, что значительно уменьшает мощность, пот­ ребляемую входной цепью модулятора.

Жесткие модуляторы (на электронных лампах) позволяют формировать импульсы практически любой формы, определяемой подмодулятором, который подает отпирающее напряжение на сет­ ку лампы коммутатора.

Вкачестве накопителя энергии в ламповых модуляторах це­ лесообразно использовать конденсатор, как наиболее простой и малогабаритный реактивный накопитель с минимальными поте­ рями.

Вкачестве мягких коммутаторов чаще всего используют во­ дородные тиратроны. Они обычно работают при более низких на­ пряжениях (до 80 кВ), но значительно больших токах (до 5000 А), чем электронные лампы, и пропускают мощность до сотен меговатт. В запертом состоянии тиратрон удерживается нулевым на­ пряжением на его сетке, в то время как для запирания лампы не­ обходимо напряжение около 1000 В. Для запуска тиратрона тре­ буется короткий импульс с амплитудой напряжения 150 ...200 В. После запуска тиратрон становится неуправляемым по сетке. По­ этому ни форму, ни длительность импульса невозможно скоррек­ тировать, т. е. тиратрон определяет только начало разряда нако­ пительного элемента, а параметры импульса определяются свой­ ствами цепи разряда, т. е. практически свойствами накопителя. Разряд накопительного элемента прекратится только тогда, когда напряжение на аноде тиратрона уменьшится до напряжения пога­ сания, т. е. практически при полном разряде накопительного эле­

мента. Недостаток водородных тиратронов — большое время деионизации (порядка 10 мкс), что ограничивает их использова­ ние при высокой частоте повторения импульсов и полностью иск­ лючает при передаче кодовых групп импульсов.

Водородные тиратроны обладают большим разбросом потен­ циалов зажигания, зависящих от внешних условий. Поэтому их применяют в модуляторах с накопителями, самостоятельно форми­ рующими модулирующие импульсы. Такими накопителями явля­ ются искусственные длинные линии. При разряде линии на сопро­ тивление, равное волновому, можно получить идеальную прямо­ угольную форму импульса. Из-за громоздкости конструкций линий применяют искусственные линии. При этом форма импульса нес­ колько отличается от прямоугольной. Но в модуляторе с жест­ кими лампами форма импульса может быть получена лучше, чем в модуляторе с мягкими лампами.

Нагрузкой импульсного модулятора является цепь питания ав­ тогенератора или усилителя мощности передатчика СВЧ. При раз­ ряде накопителя ток, поступающий от модулятора, протекает че­ рез генератор СВЧ. При этом напряжение накопителя делится между внутренними сопротивлениями коммутатора и генератора.

Следовательно, КПД разрядной цепи тем выше, чем меньше падение напряжения на коммутаторе во время разряда, т. е. чем меньше его внутреннее сопротивление.

8.3. ИМПУЛЬСНЫЕ МОДУЛЯТОРЫ

Импульсный модулятор с накопительным конденсатором. Наиболее широко применяют схемы модуляторов с емкостным накопителем энергии в виде конденсатора большой емкости или искусственной

длинной линии. На рис. 8.6 приведена простейшая схема импульс­ ного модулятора с частичным разрядом накопительной емкости в магнетронном передатчике.

В паузах между импульсами модуляторная лампа закрыта от­ рицательным напряжением Е с на управляющей сетке. В это время накопительный конденсатор Сн медленно заряжается небольшим током £3 от выпрямителя с напряжением Е. Ток заряда протекает от выпрямителя через резистор R1, накопительный конденсатор Сн, резистор R2 и к выпрямителю. За сравнительно продолжи­ тельное время паузы конденсатор успевает зарядиться до.напря­ жения, почти равного Е.

При поступлении на управляющую сетку модуляторной лампы запускающего импульса, лампа открывается, ее внутреннее соп­ ротивление резко уменьшается до небольшой величины и она за­ мыкает цепь разряда конденсатора С„. Ток разряда ip протекает по цепи от положительно заряженной пластины конденсатора С„ (точка А на рис. 8.6) через модуляторную лампу на анод магнет­ рона М, через магнетрон к отрицательно заряженной пластине конденсатора (точка В на рис. 8.6). На аноде магнетрона появля­ ется импульс напряжения. Учитывая, что внутреннее сопротивле­ ние модуляторной лампы незначительно, можно считать, что поч­ ти все напряжение на конденсаторе оказывается приложенным к магнетрону. В магнетроне возникают колебания СВЧ.

По окончании запускающего импульса модуляторная лампа закрывается и разряд конденсатора прекращается. Напряжение на аноде магнетрона спадает до нуля, и генерация колебаний СВЧ прекращается.

Таким образом, продолжительность генерируемого импульса СВЧ колебаний определяется продолжительностью управляющего импульса. Для устойчивой работы магнетрона необходимо посто­ янство напряжения питания на его аноде, импульс напряжения должен иметь плоскую вершину. Для этого используется частич­ ный разряд накопительной емкости С„. Емкость конденсатора вы­ бирается настолько большой, что постоянная времени цепи ра <- ряда получается значительно больше длительности импульса. По­ этому за время длительности импульса напряжение на аноде маг­ нетрона изменяется незначительно.

Резистор R1 не допускает короткого замыкания источника пи­ тания Е через открытую лампу во время импульса. Резистор R2 предназначен для создания цепи заряда конденсатора С„, так как магнетрон (или лампа) включается так, что ток заряда не может проходить через него (к аноду приложен минус источника пита­ ния).

На работу модулятора существенное влияние оказывает пара­ зитная емкость схемы. Часть паразитной емкости схемы можно считать подключенной параллельно генераторной лампе, т. е. маг­ нетрону (емкость См на рис. 8.6). Поскольку эта емкость шунти­ рует магнетрон, то при включении запускающего импульса напря­ жение на аноде магнетрона будет нарастать по мере заряда пара­ зитной емкости. Это приводит к растягиванию фронта импульса. Напряжение на аноде магнетрона установится только после окон­ чания заряда паразитной емкости См. По окончании действия им­ пульса (разряда накопительной емкости Сн) паразитная емкость См полностью заряжена. И несмотря на то, что импульс прекра­ тился, на аноде магнетрона есть положительное напряжение, обус­ ловленное зарядом См. Емкость См разряжается через магнетрон, напряжение на магнетроне уменьшается. Срез генерируемого им­ пульса растягивается. При некотором напряжении магнетрон прек­ ращает работать, ток через него прекращается. Дальнейший раз­ ряд емкости См происходит через резистор R2. Так как R ^>R u длительность среза больше длительности фронта импульса.

При медленном разряде емкости См через большое R2 в схеме могут возникнуть паразитные колебания. Для уменьшения дли­ тельности среза в схему модулятора включают дроссель Сдр вмес­ то R2. Но дроссель Сдр и конденсатор См образуют колебательный контур, в котором после прекращения запускающего импульса и запирания модуляторной лампы могут возникнуть медленно зату­ хающие свободные колебания (кривая 2 на рис. 8.7). Это может привести к появлению выбросов положительного напряжения на аноде магнетрона. Для исключения этих выбросов в схему моду­ лятора вводят демпфирующий диод VD. Во время рабочего им­ пульса диод VD закрыт, так как для него это напряжение явля­ ется отрицательным. При появлении на аноде диода VD положи­ тельного напряжения диод VD открывается и своим малым внут­ ренним сопротивлением шунтируем контур £ дрСм, превращая ко­ лебательный процесс разряда в апериодический (кривая 3 на рис. 8.7). Модуляторы, построенные по схеме, приведенной на рис. 8.6, применяют в импульсных передатчиках мощностью до 500 кВт.

Импульсный модулятор с накопителем в виде искусственной длинной линии. В импульсных передатчиках большой мощности применяют модуляторы, в которых в качестве накопителя энергии используют искусственную длинную линию, а в качестве комму­ татора — импульсный водородный тиратрон. Выбор искусствен­ ной длинной линии в качестве накопителя обусловлен высоким КПД использования модулятором энергии источника питания, что является важным показателем для мощных передатчиков. КПД

ки киловольт.

Так, на открытом тиратроне ТГИ падение напряжения состав­

стыми подм одуляторам и , которы е долж ны с о зд ав ат ь зап уск аю щ и е импульсы , имею щ ие только крутой ф ронт, а ф ор м а и дли тельность его не вли яю т на р аб о ту к о м м у тато р а — ти р атр он а.

большие мощности и высокий К П Д .

Схема импульсного модулятора с длинной линией на тиратр< не приведена на рис. 8.8. Процессы в схеме протекают следу! щим образом . Во время паузы между импульсами тиратрон : крыт отрицательным напряжением смещения Е с. Н акопитель эн< гни — искусственная линия — при этом зар я ж ается от и сто ч т

напряж ения источника питания.

Для отпирания тиратрона на его сетку подают запускающий импульс с крутым фронтом и амплитудой 170... 200 В. Сопротив­ ление открывшегося тиратрона мало (десятки Ом).

Заряженная линия начинает разряжаться через анодную цепь тиратрона и первичную обмотку импульсного трансформатора Т. Этот трансформатор необходим для согласования волнового соп­ ротивления линии с сопротивлением нагрузки генератора Rr.

Запускающий импульс определяет только начало действия вы­ ходного импульса, который формируется при разряде линии.

Через некоторое очень короткое время действие запускающего импульса прекращается, но тиратрон не запирается. Через него продолжает проходить ток разряда искусственной линии до тех пор, пока напряжение на аноде тиратрона не упадет до нуля. Тират­ рон гаснет. Только с этого момента прекращается разряд линии. При разряде линии основная доля энергии источника питания пе­ редается магнетрону или генераторной лампе. Практически КПД цепи разряда определяется импульсным трансформатором и по­ этому составляет т|=0,8... 0,9.

После погасания тиратрона начинается заряд линии от источ­ ника питания. Ток заряда i3 протекает через L3, диод VD1, линию, первичную обмотку трансформатора. Напряжение на конденсато­ рах линии начинает нарастать по гармоническому закону (рис. 8.9). В тот момент, когда конденсаторы зарядятся до напря­ жения, равного напряжению источника питания £, рост тока за­ ряда прекратится. Но за счет энергии, занесенной в дросселе, за­ ряд линии продолжается до напряжения, равного 2Е. В этот мо­ мент (;/2 на рис. 8.9) ток заряда полностью прекращается. Для того чтобы линия не начала разряжаться, в схему вводится диод VD1. Наличие диода VD1 сохраняет на линии заряд до момента отпирания тиратрона очередным запускающим импульсом, напри­ мер в момент времени ,*/3 на рис. 8.8. В магнетроне может возни­ кать кратковременный пробой — «Искрение», при котором сопро­ тивление магнетрона резко уменьшается до нуля. При этом в про­ цессе разряда линии энергия ее не расходуется на магнетрон и в линии начинаются колебания. Энергия от первичной обмотки трансформатора возвращается в линию, заряжая ее напряжением отрицательной полярности, равным —2Е. После очередного отпи­ рания тиратрона напряжение на линии будет возрастать до зна­ чения, превышающего 2£, что может вызвать пробой в модуля­ торе. Для исключения возможности появления больших напряже­ ний в модуляторе параллельно искусственной линии включают ди­ од VD2 и резистор R2. При появлении на линии напряжения про­ тивоположной полярности диод VD2 открывается, линия разря­ жается через диод и вся энергия линии рассеивается на резисто­ ре R2.

8.4. ИМПУЛЬСНЫЙ ПЕРЕДАТЧИК РАДИОСВЯЗИ

В радиолокационных передатчиках применяется простая (одно­ кратная) импульсная модуляция. В ней радиочастотные колеба­ ния модулируются по амплитуде периодической последователь­ ностью прямоугольных видеоимпульсов с одинаковыми и постоян­ ными параметрами (первичная модуляция). Такие радиоимпульсы не несут никакой информации.

Для передачи телефонной информации используют двухкрат­ ную импульсную модуляцию, при которой периодическая последо­ вательность радиоимпульсов является исходной, а передача теле­ фонного сигнала осуществляется изменением одного из парамет­ ров исходной последовательности импульсов по закону изменения передаваемого сигнала (вторичная модуляция).

В зависимости от того, какой из параметров периодической последовательности импульсов изменяется под воздействием пере­ даваемого сигнала, различают четыре основных вида импульсной модуляции: 1) амплитудно-импульсную; 2) широтно-импульсную; 3) частотно-импульсную (рис. 8.10) и кодово-импульсную модуля­ цию.