Разработка передатчика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Радиопередающими называют устройства, предназначенные для выполнения двух основных функций - генерации электромагнитных колебаний высокой или сверхвысокой частоты и их модуляции в соответствии с передаваемым сообщением.

В последние годы широкое распространение получил импульсный способ работы радиотехнических устройств, в частности радиопередающих устройств. При этом антенна передатчика излучает энергию высокочастотных колебаний в течение коротких промежутков времени, разделенных относительно большими интервалами времени, когда излучение отсутствует. Импульсная работа передатчиков используется в радиолокации, радионавигации, радиоретрансляционной связи и т.д. Однако полоса частот, необходимая для передачи сигнала, как правило, значительно шире полосы частот самого сигнала. Поэтому импульсный метод широко применяется главным образом в области ультракоротких волн.

При импульсной работе различают амплитудную импульсную модуляцию, временную импульсную модуляцию, а также импульсную модуляцию по длительности, при которых в соответствии с передаваемым сигналом изменяется амплитуда импульсов, их временное положение или длительность соответственно.

Проектируемый передатчик является передатчиком радиолокационной станции. Радиолокация решает задачи обнаружения, определения координат и параметров движения различных объектов с помощью отражения и переизлучения радиоволн. Так как отражённый сигнал значительно меньше по сравнению с отправленным, то для увеличения дальности необходимо излучать сигнал значительной мощности. В передатчиках РЛС чаще всего используется импульсная модуляция. Технические требования к передатчикам РЛС определяются требованиями к точности определения координат, в частности, влияет стабильность фазы или частоты, амплитудные и частотные искажения, обусловленные неравномерностью АЧХ и нелинейностью ФЧХ.

Проектируемый передатчик является импульсным. Он предназначен для получения прямоугольных импульсов с заданным периодом следования и длительностью.

Задача СДЦ решается путем подавления мешающих отражений от местных неподвижных и малоподвижных объектов. С увеличением степени подавления таких помех увеличивается вероятность правильного обнаружения и возрастает точность определения координат движущихся целей. Устройства подавления сигналов пассивных помех основаны на отличии их характеристик от соответствующих характеристик сигналов движущихся целей. Основным отличием является различие в их спектрах.

1. Выбор структурной схемы передатчика и обоснование технических требований

передатчик управление контроль электрический

Выбор структурной схемы передатчика начинается с обоснования его назначения и соответствующих технических требований. Затем составляется структурная схема передатчика.

Проектируемый передатчик является передатчиком радиолокационной станции (РЛС) с селекцией движущихся целей (СДЦ). В связи с функциональным назначением в проектируемом передатчике в первую очередь предъявляются повышенные требования к стабильности генерируемой частоты. Принимая во внимание данное требование принято решение проектировать передатчик на основе каскадной схемы, представленной на рисунке 1.

В общем случае в каскадную схему входят [1]: возбудитель (синтезатор частоты), умножитель частоты, промежуточные и мощные усилители мощности колебаний высокой или сверхвысокой частоты, модулятор и развязывающие устройства между каскадами и на выходе передатчика. Стабильность частоты определяется в первую очередь возбудителем, построенным, как правило, на основе синтезатора частоты, который имеет в своем составе кварцованный автогенератор. Для переноса высокостабильных колебаний кварцевого автогенератора в диапазон высоких или сверхвысоких частот используются умножители частоты. Необходимая величина выходной мощности передатчика обеспечивается последующими усилителями модулированных колебаний. Развязывающие устройства (ферритовые вентили или циркуляторы) обеспечивают стабильность мощности фазы (частоты) усилителей, автогенераторов. Для осуществления модуляции применяют устройства, которые формируют напряжение, изменяющееся по закону аналогового или дискретного сигнала. Это напряжение воздействует на изменяемый параметр колебания: амплитуду, частоту или фазу.

Рисунок 1 - Схема структурная передатчика

Маломощный возбудитель 1 работает в непрерывном режиме, что облегчает получение высокой стабильности частоты. В качестве возбудителя используется кварцевый автогенератор с последующим умножением частоты.

В промежуточных каскадах усиления 3 применяются лампы бегущей волны и пролетные клистроны. В последних каскадах 6 целесообразно применение амплитрона, так как помимо широкополосности они обладают высоким КПД. Оконечный и предоконечный каскады работают в импульсном режиме.

В промежуточных каскадах усиления имеют место значительные искажения фазы на переднем фронте и спаде импульса. Эти искажения устраняются путем стробирования плоской части импульса, т.е. последовательным увеличением длительности импульсов от первого к выходному каскаду. Межкаскадные ферритовые вентили 4 обеспечивают повышение устойчивости работы и стабильности частоты и фазы колебаний передатчика.

Большое количество каскадов является недостатком данной схемы.

2. Разработка схемы электрической функциональной

При составлении структурной схемы определяется рациональное число каскадов высокой частоты между возбудителем (автогенератором) и выходом передатчика (антенной), обеспечивающее выполнение заданных технических требований к передатчику. В процессе составления структурной схемы определяется также минимальное необходимое число источников питания и их напряжения.

Расчет структурной схемы высокочастотной части каскадного передатчика начинается с выходного каскада, исходя из заданной мощности в антенне Р_а, коэффициента отражения нагрузки передатчика (антенно-фидерного устройства) Г_Н.

Допустимый уход частоты местного или когерентного гетеродина за период следования импульсов равен

Дf_П.ДОП.Т = К₀ /2р ф = 0,01/2·3,14·0,5·10^-6 = 3184,7 Гц, (2.1)

где К₀ взят в разах (К₀ (раз) = 10 ^К₀ ^{(дБ) /10} = 10 ^{-18 /10} = 0,01).

Нестабильность частоты за время импульса

Дf_П.ДОП.ф = 1/рф = 1/3,14·0,5·10^-6 = 637 кГц. (2.2)

Выходная мощность, которую должен обеспечить оконечный каскад, определяется по формуле:

(2.3)

где б₁>1 - прямое затухание ферритового устройства. КПД антенно-фидерного тракта принимается равным з_Ф=0,85-0,95.

Коэффициент отражения нагрузки равен

(2.4)

На выходе передатчика, как правило, включается циркулятор, который выполняет функции антенного переключателя, или ферритовый вентиль. Оба устройства уменьшают влияние изменения параметров нагрузки на частоту (фазу) и выходную мощность. Прямое и обратное затухание серийных ферритовых устройств составляет соответственно б₁=(0,5-0,8) дБ, б₂=(20-30) дБ. Конкретная величина обратного затухания определяется требованиями к стабильности частоты и фазы.

Для нашего случая коэффициент отражения нагрузки равен

КПД антенно-фидерного тракта принимем равным з_Ф=0,95 (считаем, что передача сигналов в антенно-фидерный тракт наилучшая).

Суммарное затухание серийных ферритовых устройств составляет б₁б₂=30 дБ, а прямое б₁=0,5 дБ (1.122 раза). В дальнейших расчетах усилительных каскадов прямое и обратное затухание ферритовых вентилей рассчитаются точно.

Подставив значения в формулу 2.3, получим:

По величине Р₃ = Р_ВЫХ = 10080.6 Вт ? 10 КВт выбираем амплитрон QKS-1350 из [1].

Основные характеристики амплитрона:

полоса частот f 9.6-12.1 ГГц;

выходная импульсная мощность P_{ВЫХ.ИМП} 0.015 МВт;

выходная средняя мощность P_ВЫХ.СР 0.13 КВт;

КПД 60%;

коэффициент усиления К 10 дБ;

длительность импульса ф 0.5-2 мкс;

напряжение анода U₀ 14кВ;

ток анода I₀ 2,5А.

Определим максимальный сдвиг частоты выходного сигнала относительно входного, обусловленный параметрами нагрузки:

(2.5)

Коэффициент отражения от выхода энергии амплитрона принимаем Гi=0,2, а затухание в амплитроне d = 1.

По номинальной мощности выходного усилителя СВЧ Р_ВЫХ, находим величину мощности, которую должен иметь предоконечный усилитель:

(2.6)

где Г_m - коэффициент отражения входа оконечного усилителя; б_1,m>1 - прямое затухание межкаскадного развязывающего устройства (ферритового вентиля).

Исходя из величин мощности Р_1,(m-1), аналогично предыдущему определяется выходная мощность следующего каскада Р_1,(m-2), выбирается тип усилителя СВЧ, его коэффициент усиления, номинальные значения коэффициента усиления К_1,(m-1), напряжения U₀ и ток анода I₀. Так продолжается до тех пор, пока необходимая мощность очередного каскада не окажется равной (или несколько меньшей) мощности Р_ВОЗБУД, которую должен обеспечить возбудитель (обычно Р_ВОЗБУД=0,1-0,5 мВт).

Рассчитаем мощности предоконечных каскадов.

Мощность, которую должен обеспечить второй каскад:

По величине Р₂ = 738,80301Вт выбираем многорезонаторный пролетный клистрон VA-930.

Основные характеристики клистрона:

полоса частот f 10-16 ГГц;

выходная импульсная мощность P_{ВЫХ.ИМП} 1 КВт;

выходная средняя мощность Рвых, ср 0,5 кВт;

КПД 40%;

коэффициент усиления К 50 дБ;

напряжение анода U₀ 8 КВ;

ток анода I₀ 0,7 А;

девиация частоты Дf/f 0.15%;

КСВН 1.3.

Максимальный сдвиг частоты выходного сигнала относительно входного на выходе клистрона определяется по формуле:

(2.7)

Суммарная входная внешняя добротность входного резонатора Q1+Q_ВН = 1000

Максимальный сдвиг фазы выходного сигнала относительно входного на выходе клистрона определяется по формуле:

(2.8)

Мощность, требуемая на входе клистрона:

Следовательно, мощность первого каскада Р₁ = 12.014Вт ?12 Вт.

Выбираем лампу бегущей волны Z5161, которая будет работать в непрерывном режиме.

Основные характеристики ЛБВ:

полоса частот f: 7,5-11,3 ГГц;

выходная средняя мощность P_ВЫХ.СР: 100 Вт;

коэффициент усиления К: 25 дБ;

напряжение анода U_{а 1}: 6 КВ;

U_а2= U0: 7,5 КВ;

напряжение катода U_К: 4 КВ;

ток анода I₀ : 200 мА;

КСВН: 1.3

Нестабильность частоты:



Здесь Р₀ = U₀ ·I₀ - потребляемая мощность ЛБВ, параметр усиления С = 0,1 и обратное затухание клистрона d = 3

Итак, определим входную мощность СВЧ усилителей (входную мощность первого каскада):

Входная мощность Р_ВХ = 1 мВт. Tакой мощности должен быть сигнал от задающего генератора, проходящий через четыре умножителя частоты (х2, х5, х5, х4). Так как, частота сигнала задающего генератора равняется f_C.ЗГ = 50 МГц, то сигнал, пройдя через эти умножители, будет иметь частоту, равную:

f_C = f_C.ЗГ • 2 • 5 • 5 • 4 = 55 • 10⁶ • 2 • 5 • 5 • 4 =11 ГГц. (2.9)

Суммарная нестабильность частоты за время следования импульса:

Функциональная схема передатчика представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема функциональная передатчика

Принцип работы схемы, представленной на рисунке 2 следующий. Задающий кварцевый автогенератор создает непрерывные гармонические колебания частотой 55 МГц, которые затем проходят через четыри умножителя частоты (при этом частота колебания составит 11 ГГц - несущая частота сигнала) и усиливаются в каскадах УСВЧ. Сам усилитель состоит из четырех каскадов УСВЧ. Первый каскад собран на ЛБВ и работает в непрерывном режиме. Два последних каскада собраны на клистроне и амплитроне, работают в импульсном режиме. Их работой управляют два импульсных модулятора (ИМ), которыми в свою очередь управляют подмодуляторы (ПМ). Импульсные модуляторы с электронным коммутатором (электронной лампой) работают в режиме частичного разряда накопителя, которым служит конденсатор. 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. Требования к выходным импульсам подмодулятора, управляющего ионным коммутатором, менее жестки. Итак, выберем импульсные модуляторы с частичным разрядом накопителя.

Между каскадами УСВЧ стоят межкаскадные ферритовые вентили, которые обеспечивают повышение устойчивости работы и стабильности частоты и фазы СВЧ колебаний передатчика. Кроме этого ферритовые вентили предотвращают самовозбуждение каскадов.

3. Обоснование и выбор функциональных элементов, определяющих основные характеристики передатчика

Основные электрические требования, предъявляемые к передатчикам СВЧ: диапазон волн, выходная мощность, КПД, стабильность частоты (фазы) генерируемых колебаний определяются используемыми в них генераторами СВЧ. Из всего разнообразий этих приборов наибольшее применение в передатчиках СВЧ средней и большой мощности нашли лампы бегущей волны (ЛБВ), многорезонаторные клистроны (МРК), магнетроны и амплитроны.

Выпускаемые в настоящее время ЛБВ работают в диапазоне волн от 150 см до 8 мм. Коэффициент усиления по мощности некоторых образцов современных ЛБВ при ширине полосы пропускания 10% достигает 50дБ, а при ширине полосы пропускания 30% для большинства ЛБВ средней и большой мощности - 30дБ.

Полоса пропускания ЛБВ на один-два порядка шире по сравнению с полосой пропускания усилителей СВЧ, использующих колебательные системы резонансного типа. Для большинства ЛБВ она оценивается величиной 20-30%, а отдельные образцы обеспечивают двойное и даже тройное перекрытие по частоте. Широкополосность является важнейшим достоинством ЛБВ.

Характерной особенностью ЛБВ является сравнительно низкий КПД, составляющий 20-25%. Максимальная выходная мощность измеряется десятками киловатт в непрерывном режиме и до 10МВт в импульсном. Указанные величины выходных мощностей достигаются при высоких ускоряющих напряжениях (в последнем случае более 100кВ). Высокие ускоряющие напряжения являются недостатком ЛБВ ввиду усложнения источников питания и наличия рентгеновского излучения.

ЛБВ средней и большой мощности применяются в качестве промежуточных или оконечных усилителей передатчиков РЛС и широкополосных ретрансляторов СВЧ радиорелейных линий.

Современные многорезонаторные клистроны работают в диапазоне частот от 0.2 до 30ГГц. Выходная мощность в импульсном режиме составляет от единиц киловатт до десятков мегаватт, а в непрерывном - до 100кВт. Коэффициент усиления наиболее распространенных четырехрезонаторных клистронов имеет величину порядка 45-60дБ.

Диапазонная перестройка МРК осуществляется с помощью механических органов настройки. Диапазон механической перестройки в зависимости от конструкции МРК составляет 20-40%. Полоса пропускания для большинства МРК не превышает 1% от средней частоты. При взаимной расстройке резонаторов клистроны обеспечивают полосу пропускания до 5-7% от номинальной частоты.

КПМ МРК достигает 35-40%. Лучшие образцы имеют КПД до 60%. МРК имеют высокую фазовую чувствительность. Электронное смещение фазы составляет 9-10⁰ на 1% изменения ускоряющего напряжения.

Режим усиления мощности для МРК в диапазоне СВЧ является типичным, что обусловлено рядом его важнейших достоинств: возможностью получения весьма больших выходных мощностей при незначительной входной мощности; малым влиянием нагрузки клистрона на стабильность частоты возбудителя (ослабление мощности при прохождении ее с выхода на вход составляет 100 и более децибел).

Недостатками МРК являются: большие ускоряющие напряжения, сравнительно узкая полоса пропускания. Однако в новых конструкциях МРК полоса пропускания достигает 10%.

Амплитрон широко используется в передатчиках в качестве усилителя мощности СВЧ колебаний. В нем сочетаются достоинства как магнетронов (высокий КПД, большие уровни выходной мощности и малые габариты), так и приборов бегущей волны (широкополосность). Максимальный КПД амплитрона составляет 70%. Ширина полосы пропускания составляет 10% от средней частоты без какой-либо перестройки. Амплитрон обеспечивает высокую фазовую стабильность усиливаемых колебаний. Благодаря высокой стабильности фазы, амплитрон целесообразно применять в РЛС с СДЦ, где требуется высокая стабильность фазы.

Амплитроны используются для усиления колебаний с импульсной и угловой модуляцией в промежуточных и главным образом оконечных каскадах связных и РЛ систем.

4. Разработка схемы электрической принципиальной. Электрический расчет отдельных каскадов

Выходной каскад разрабатываемого передатчика работает на амплитроне.

Платинотроны используются в современных каскадных передатчиках СВЧ как мощные усилители, называемые амплитронами. Амплитрон, в отличие от других типов усилителей СВЧ диапазона усиливает колебания только при подаче на его вход определенного (минимального) уровня мощности. При отсутствии входного сигнала или его малом уровне и включенном анодном напряжении на выходе амплитрона наблюдаются собственные шумовые колебания. По мере увеличения входной мощности уровень паразитных колебаний уменьшается, и затем они полностью подавляются. Изменение амплитуды выходного сигнала амплитрона от частоты невелико. Особенностью амплитрона является зависимость полосы усиливаемых частот от величины входной мощности. При увеличении уровня входного сигнала аналогично синхронизированному магнетрону полоса усиливаемых амплитроном частот увеличивается.

На практике не удается получить идеального согласования замедляющей системы амплитрона с устройствами ввода и вывода высокочастотной энергии. В амплитроне отраженный от выхода сигнал проходит в обратном направлении ко входу без заметного затухания и переотражается от ввода энергии.

Для уменьшения перепада мощности в нагрузке включается ферритовый вентиль. Величина затухания которого определяется ниже.

Схема импульсной модуляции амплитрона представлена на рисунке 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Схема импульсной модуляции амплитрона

Ферритовый вентиль включается в любом случае для предотвращения самовозбуждения и удовлетворения требований к стабильности фазы и амплитуды. Режим работы амплитрона при импульсной модуляции определяется по вольт-амперной и амплитудной характеристикам. При выборе режима следует помнить, что амплитрон может работать устойчиво в определенной зоне рабочих токов, которая снизу ограничивается самовозбуждением амплитрона на низковольтных видах колебаний, а сверху - током срыва усиления. С уменьшением входной мощности диапазон рабочих токов сужается. Это определяет более жесткие требования к стабильности источника питания.

5. Расчет предоконечного каскада на многорезонаторном клистроне

Пролетный клистрон в предварительном усилителе работает в импульсном режиме. Импульсная модуляция клистрона может осуществляться подачей модулирующего импульса на катод или на специальный управляющий электрод.

Схема импульсной модуляции и вольт-амперная характеристика клистрона по управляющему электроду приведены на рисунках 4 и 5 соответственно.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4 - Модуляция импульсная клистрона по управляющему электроду



Рисунок 5 - Характеристика вольт-амперная клистрона при модуляции по управляющему электроду

Во время прохождения импульса для нормальной фокусировки луча необходимо, чтобы фокусирующий электрод находился под нулевым потенциалом или близким к нему. В паузы между импульсами на него подается отрицательное напряжение, достаточное для запирания электронной пушки.

При импульсной модуляции по управляющему электроду модуляция производится без изменения ускоряющего напряжения и, следовательно, нее сопровождается паразитной ФМ на фронте и спаде импульса. Вариации фазы при изменении тока луча малы, поэтому с точки зрения фазовой стабильности выходного сигнала данный способ является наилучшим.

Кроме того, качество воспроизведения модулирующего импульса в данной схеме наиболее высокое. Предварительное возбуждение входного резонатора исключает влияние его параметров на форму выходного импульса. Мощность модулятора в этом случае значительно меньше, чем при модуляции ускоряющего напряжения. Клистрон работает в режиме максимальной выходной мощности.

Методика расчета клистрона.

Исходные данные для расчета:

Выходная мощность Pвых: 10кВт;

Рабочая частота f: 11 ГГц;

Максимальная девиация частоты Дf: 3184,7Гц.

Находим, что заданная выходная мощность может быть обеспечена клистроном VA-930 при:

Uo=8 кВ;

Io=0.7А;

К=50дБ.

Поскольку в справочнике (1) отсутствуют данные о количестве резонаторов, то исходя из коэффициента усиления принимаем N=4. Найдем необходимые величины для расчета режима работы и искажений.

Расчет клистрона MathCad приведен в Приложении. Расчет велся в следующем порядке:

1. Принимаем приведенный радиус пролетной трубы е.

2. Рассчитываются радиус пролетной трубы a, радиус луча b, приведенный радиус электронного потока е_b и приведенная ширина зазора е_b.

3. Рассчитывается частота колебаний электронной плазмы щ_п для электронного потока бесконечного сечения.

4. Рассчитывается нормированная длина е₃₄ пролетной трубы.

5. Коэффициент М электронного взаимодействия.

6. Статическое сопротивление R₀ клистрона.

7. Рассчитывается эквивалентное сопротивление выходного резонатора R_вых.

8. Рассчитываем характеристическое сопротивление с резонатора.

9. Рассчитывается КПД з_к резонатора.

10. Выходная мощность Р_{вых.макс.} в режиме насыщения.

11. Входная мощность Р_{вх.макс.}, соответствующая максимальной выходной мощности.

12. КПД з усилителя.

13. Мощность Р_к, рассеиваемая на коллекторе.

6. Расчет первого каскада усиления

В данной схеме в качестве усилительного элемента первого усилительного каскада используется лампа бегущей волны типа TW538, которая работает в непрерывном режиме.

На рисунке 6 приведена схема включения ЛБВ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6 - Схема включения ЛБВ при работе в непрерывном режиме

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.

Определим параметры усилительного каскада на ЛБВ.

полоса частот f: 7,5-11,3 ГГц;

выходная средняя мощность P_ВЫХ.СР: 100 Вт;

коэффициент усиления К: 25 дБ;

напряжение анода U_{а 1}: 6 КВ;

U_а2= U0: 7,5 КВ

напряжение катода U_К: 4 КВ;

ток анода I₀ : 200 мА;

КСВН: 1,3.

7. Расчет модулятора клистрона

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, что специально разработанные для целей коммутации лампы рассчитаны на относительно небольшие токи.

На рисунке 7 представлена схема модулятора с шунтирующей нагрузку индуктивностью, с помощью которой уменьшается длительность спада импульса до величины ф_С=(0,1…0,2)ф.

Рисунок 7 - Схема принципиальная модулятора

После запирания лампы (в промежутке между импульсами) в контуре, образованном индуктивностью L и паразитными емкостями возникают гармонические затухающие колебания (рисунок 8). 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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 8 - Кривая напряжения на выходе клистрона с шунтирующей клистрон индуктивностью

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.

Расчет модулятора в среде MathCad представлен в Приложении

8. Выбор подмодулятора

Для управления работой модулятора на его коммутатор необходимо подавать напряжение специальной формы и необходимой величины. Для создания управляющего напряжения используется подмодулятор [2]. В зависимости от типа модулятора требуются и различные виды подмодуляторов. Для управления модулятором с частичным разрядом накопителя необходимо через определенные интервалы времени на сетку модуляторной лампы подавать импульсы достаточной амплитуды, обладающие хорошей прямоугольной формой и имеющие определенную длительность. Поэтому подмодулятор такого модулятора является генератором прямоугольных импульсов.

Частота следования импульсов на подмодулятор, как правило, задается синхронизирующим устройством, управляющим работой всего передатчика. От этого синхронизирующего устройства на подмодулятор поступают импульсы, следующие через определенные интервалы времени (Выбор синхронизирующего устройства производится в следующем пункте настоящей записки). В подмодуляторе же происходит преобразование этих импульсов в импульсы требуемой формы и достаточно большой мощности, необходимой для работы модулятора.

В практике конструирования основой подмодулятора в большинстве случаев является заторможенный блокинг-генератор. В данном курсовом проекте применен регенеративный подмодулятор, схема которого показана на рисунке 8. В отличие от обычных схем блокинг-генератора в цепь управляющей сетки вместо конденсатора включена искусственная длинная линия, обеспечивающая высокую стабильность длительности формируемого импульса.

Рисунок 8 - Схема принципиальная подмодулятора.

Длительность импульса определяется параметрами искусственной линии и не зависит от величины сеточного тока блокинг-генератора. В подмодуляторе используется последовательная схема запуска блокинг-генератора, при которой нужен запускающий каскад с малым выходным сопротивлением и небольшим выходным напряжением. Этим требованиям удовлетворяет катодный повторитель, исключающий взаимное влияние цепи запуска и блокинг-генератора.

9. Генератор синхроимпульсов

Генератор синхроимпульсов вырабатывает прямоугольные импульсы заданной длительности, которые подаются на блокинг-генераторы. В качестве генератора синхроимпульсов применяются различные устройства: автоколебательные мультивибраторы, микросхемы, микроконтроллеры и др.

Применим наиболее простой и, следовательно, надежный вариант генератора синхроимпульсов на микроконтроллере. В результате исследования рынка микроконтроллеров выбор остановился на микроконтроллерах фирмы Microchip. Конкретно была выбрана модель Microchip PIC16F84 (рисунок 9). Данный микроконтроллер очень дешевый, распространен на рынке и в то же время прост в программировании и обладает высокой функциональностью и надежностью.

Для улучшения соответствия к требованиям высокой стабильности частоты откажемся от использования внутреннего генератора тактовых импульсов. Будем использовать внешний генератор тактового сигнала, а именно высокочастотный кварцевый резонатор.

Принципиальная схема генератора синхроимпульсов на микроконтроллере с кварцевой стабилизацией тактовой частоты представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Микроконтроллер с кварцевой стабилизацией частоты

10. Выбор и расчет кварцевого автогенератора

Автогенератор - это источник электромагнитных колебаний, колебания в котором возникают без внешнего воздействия. Основным элементом генератора гармонических колебаний является резонатор, главное свойство которого - колебательных характер переходного процесса. В качестве резонаторов в диапазоне высоких частот применяют LC-контуры и кварцевые пластины. К проектируемому передатчику предъявляются повышенные требования к стабильности частоты, которая может быть обеспечена только применением кварцевых резонаторов.

Структурная схема кварцевого резонатора на биполярном транзисторе представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Блок-схема кварцевого автогенератора

Назначение согласующей цепи:

1. Создание обратной связи;

2. Обеспечение оптимального режима работы АЭ, то есть трансформация сопротивлений кварцевого резонатора и нагрузки в оптимальное сопротивление R_к на выходах АЭ;

3. Селекция механических гармоник кварцевого резонатора.

В данном расчете выбрана схема кварцевого автогенератора с кварцем в цепи обратной связи (см. рисунок 11), поскольку только такая схема включения кварца позволяет получить требуемую мощность в нагрузке. Стабильность генерируемой частоты во всех схемах включения примерно одинакова.

Рисунок 11 - Схема принципиальная кварцевого автогенератора

Расчет кварцевого автогенератора производился в соответствии со следующей методикой.

Исходные данные:

Выходная мощность P_н: 1мВт;

Частота f: 55МГц;

Мощность P_кв: 0.5мВт;

Максимальный ток кварца i_км: 10мА;

КПД кварца з_к: 50%

Добротность ненагруженного контура Q_нен:40

Порядок расчета MathCad представлен в Приложении

1. Выбираем транзистор ГТ311

Аппроксимированные параметры транзистора:

S_кр=0,127А/В;

f_s=55МГц;

Щ_s=0.91.

2. Гармонические составляющие и амплитуда напряжения на базе:

I_к=2.2мА;

I_к1=3.9мА;

U_в=0.21В.

3. Рассчитывается амплитуда коллекторного напряжения Uкэ

(при расчете принимается cos(ш)=1, в дальнейшем это значение будет уточнено).

4. Проверяем напряженность режима;

5. Рассчитывается модуль коэффициента обратной связи k;

6. Рассчитываем резонансное сопротивление контура R_к;

7. Рассчитываем коэффициент трансформации ч;

8. Далее рассчитываем сопротивление емкости С₂;

9. Рассчитывается сопротивление плеча контура между коллектором и базой X_3;

10. Рассчитывается расстройка контура е;

11. Рассчитывается собственная частота контура f₀;

12. Сопротивление емкости С₁ Х₁;

13. Сопротивление индуктивности L X_L;

14. Сопротивление емкости C₃ Х₃;

15. Уточняем значение cos(ш);

16. Находим режимные параметры АЭ (U_кэ, I_б, U_б0);

17. Рассчитываем напряжения источников питания цепи коллектора U_к и базы U_вн;

18. Рассчитывается делитель в цепи питания;

Результаты расчета:

С1=8.4пФ;

С2=97пФ;

С3=44пФ;

L3=2.8мкГ;

R1=27380Ом;

R2=6200Ом;

Rэ=460Ом;

Rб=2кОм;

На этом расчет кварцевого автогенератора можно считать оконченным.

11. Расчет умножителя частоты

Умножители частоты [4] применяются в передатчиках главным образом для переноса спектра стабилизированных кварцем низкочастотных колебаний в более высокочастотный диапазон. Как правило, частота умножается в целое число раз (n), называемое кратностью умножения. Поскольку умножение частоты - существенно нелинейный процесс, в состав умножителя включают нелинейный элемент (НЭ). Структурная схема умножителя представлена на рисунке 12. На вход поступают электромагнитные колебания частоты f, с выхода в нагрузку передаются колебания с частотой nf. Входная цепь необходим 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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 12 - Схема структурная умножителя частоты

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 К_ПОБ, входная мощность, КПД.

В данном передатчике в первом каскаде умножения используется варакторный умножитель частоты, т.к. он прост в реализации, к тому же обладает значительно высоким КПД при кратности умножения n=4.

Размещено на Allbest.ru

...