Лекция 30 (лекции по УГФС), страница 2

Работа передатчика короткими импульсами заметно расширяет занимаемую им полосу частот, которая колеблется от сотен кГц до единиц МГц. Широкая полоса частот, занимаемая импульсным передатчиком, и делает возможной импульсную работу в диапазоне СВЧ и выше по частоте, а также позволяет строить высокочастотные генераторы по однокаскадной схеме, так как из-за широкой полосы заметно снижается требование к стабильности частоты автоколебаний. Низкое требование к стабильности частоты импульсных передатчиков обусловливается также тем, что для приёма импульсных сигналов используются широкополосные приёмники. Кроме того, приёмник и передатчик в большинстве случаев находятся рядом и поэтому перед началом работы всегда возможна подстройка частоты либо передатчика, либо приёмника. В приёмнике также обычно предусматривается возможность АПЧ в процессе работы.

Наименьшая и наибольшая длительности импульсов в однокаскадных генераторах ограничиваются рядом условий.

1. При увеличении длительности импульсов пропорционально сокращается полоса спектра частот, в пределах которой заключена основная мощность. Следовательно, для устранения избыточного уровня шумов должна снижаться соответственно и полоса пропускания приёмного устройства. Это повышает требования к стабильности частоты передатчика и к форме видеоимпульсов.

2. При сильно коротких импульсах конечное время, необходимое для нарастания амплитуды автоколебаний, и время, затрачиваемое на спадание высокочастотных колебаний после окончания импульса, становятся сравнимыми с длительностью импульса. Это приводит как к сильному искажению формы импульса, так и к уменьшению средней мощности, развиваемой генератором.

Наиболее выгодные длительности импульсов укорачиваются с уменьшением рабочей длины волны.

Для грубой ориентировки можно указать, что на волнах порядка 1 м в однокаскадных генераторах наиболее употребительны длительности импульсов порядка 5 мкс, а на волнах порядка 10 см – длительности импульсов порядка (0,5…1) мкс.

В радиолокации и при других применениях наиболее широкое использование имеют микросекундные длительности импульсов (0,1…10) мкс. При таких длительностях импульсов используются однокаскадные высокочастотные генераторы, что существенно упрощает схему передатчика. Наряду с этим для целей радиолокации с очень большой дальностью действия (тысячи или многие сотни км) получили применение радиопередатчики, работающие с относительно длинными, миллисекундными, импульсами. Такие передатчики работают при сравнительно малых скважностях (порядка 15 – 40 единиц) и представляют мощные многокаскадные устройства. В выходном каскаде обычно используются мощные пролётные клистроны или лампы бегущей волны, обеспечивающие весьма большие коэффициенты усиления. Им предшествуют маломощные, но сложные возбудители с высокостабильным задающим генератором и последующим умножением частоты в нескольких каскадах.

Для целей радиолокации малой дальности действия, но очень высокой разрешающей способности как по дальности, так и по углам, применяются радиопередатчики, работающие наносекундными импульсами. Как правило, в таких передатчиках генераторы однокаскадные, работающие в миллиметровом или в самой нижней (по длине волны) части сантиметрового диапазона. Возможны и многокаскадные передатчики такого типа, использующие ЛБВ или пролётные клистроны.

В настоящей лекции мы обсудим в основном вопросы построения импульсных передатчиков РЛС, выполненных на электронных лампах или магнетронах.

Импульсные передатчики в метровом диапазоне волн строят на лампах в основном по двухтактным схемам с общим анодом с колебательными системами из отрезков двухпроводных линий. В дециметровом и сантиметровом диапазонах волн ламповые генераторы импульсных передатчиков строятся однотактными с общей сеткой с колебательными системами из отрезков коаксиальных линий.

Основные методы импульсной работы

Как уже отмечалось, для обеспечения импульсной работы высокочастотных генераторов импульсных передатчиков на анод лампы или магнетрона должны подаваться короткие импульсы высокого напряжения.

П ростейшая схема импульсной работы высокочастотного генератора показана на рис.30.3, где Е – источник постоянного напряжения соответствующей величины; К – быстродействующий коммутатор, замыкающий цепь на короткие интервалы времени, соответствующие длительности импульсов; R_ГЕН = Е_А /I_А0 – сопротивление анодной цепи генератора (лампы или магнетрона) по отношению к источнику анодного напряжения (Е_А – анодное напряжение, в общем случае отличное от Е за счёт падения части напряжения, например, на коммутаторе; I_А0 – постоянная составляющая анодного тока генератора в установившемся режиме).

Метод импульсной работы, соответствующий схеме рис.30.3, при больших скважностях практически неудобен, так как требует, чтобы источник питания мог развивать в течение импульса очень большую мощность, равную мощности, потребляемой анодной цепью генератора во время импульса. Соответственно источник питания должен быть такой большой мощности, которая длительное время (во время пауз) не используется. Поэтому на практике в импульсных передатчиках, работающих с большой скважностью, такой метод не применяется, а применяются другие методы, основанные на принципе накопления энергии. Принцип накопления энергии заключается в том, что в течение длительного промежутка времени между импульсами энергия медленно накапливается от источника питания либо в форме электростатической энергии электрического поля в конденсаторе, либо в форме магнитной энергии тока, проходящего через катушку индуктивности. Процесс накопления энергии носит название процесса заряда. После срабатывания коммутатора, накопленная энергия в течение очень короткого промежутка времени, соответствующего длительности импульса, расходуется на питание генератора. При этом процессе, который принято называть процессом разряда, кратковременно развивается очень большая мощность.

Так как процесс заряда при работе с большой скважностью может продолжаться в сотни раз дольше, чем процесс разряда, то источник питания может быть рассчитан на мощность, в сотни раз меньшую, чем мощность, необходимая для питания генератора во время импульса.

П ростейший вариант схемы, соответствующий работе импульсного устройства по принципу накопления энергии в ёмкости, показан на рис.30.4, где приняты следующие обозначения: С – накопительная ёмкость, то есть конденсатор, в котором происходит накопление электростатической энергии; R_З – сопротивление, через которое происходит заряд накопительной ёмкости. Это сопротивление называется зарядным или разделительным сопротивлением. Оно ограничивает величину зарядного тока i_З. Остальные элементы как в схеме рис.30.3.

В промежутке времени (T – τ_И) между импульсами коммутатор разомкнут и в цепи
Е – R_З – С происходит процесс заряда. Путём выбора достаточно большой величины зарядного сопротивления R_З, а следовательно и постоянной времени R_З С цепи заряда, можно обеспечить сравнительно медленный процесс заряда и сравнительно малую величину тока заряда.

Если обозначить напряжение на конденсаторе в конце процесса заряда как U_{С МАКС} , то энергия, накопленная в конденсаторе, будет равна

.

При замыкании коммутатора К в цепи С – К – R_ГЕН происходит быстрый процесс разряда, определяемый постоянной времени CR_ГЕН этой цепи. Для обеспечения быстрого разряда в течение длительности импульса должно выполняться условие

R_З >> R_ГЕН .

При этом ток разряда i_Р >> i_З , поэтому при рассмотрении процесса разряда практически можно пренебречь весьма малым током в зарядном сопротивлении по сравнению с током в цепи разряда, то есть считать зарядную цепь отключенной.

На рис.30.5 показана простейшая схема импульсного устройства с накоплением энергии в индуктивности.

В противоположность предыдущему случаю здесь процесс заряда происходит при замкнутом коммутаторе, а процесс разряда – при разомкнутом.

Накопление магнитной энергии в индуктивности L происходит за счёт нарастания тока заряда i_З в цепи

Е – К – L .

При достаточно малом активном сопротивлении заряда R_З этой цепи, складывающемуся из сопротивлений потерь коммутатора К, катушки индуктивности L и внутреннего сопротивления источника питания Е, может быть получен большой ток i_{З МАКС} в конце процесса заряда. Накопленная магнитная энергия

.

При размыкании коммутатора весь ток должен пройти через сопротивление R_ГЕН , причём в первый момент времени ток разряда i_Р должен быть равен току i_{З МАКС} . Далее он будет уменьшаться по мере расходования на питание генератора накопленной в индуктивности L магнитной энергии.

Крупным недостатком импульсного устройства с накоплением энергии в индуктивности является низкий КПД зарядного процесса, снижающий общий КПД устройства.

Действительно, по мере увеличения тока заряда увеличивается мощность, выделяемая на зарядном сопротивлении R_З . Причём, с увеличением времени заряда увеличивается теряемая на сопротивлении R_З энергия, что увеличивает затраты энергии источника Е и ухудшает КПД.

Из-за низкого КПД зарядного процесса импульсные устройства с накоплением энергии в индуктивности не находят применения при значительных мощностях, поэтому не будем более останавливаться на их рассмотрении.

Рассмотренные выше простейшие схемы импульсной работы высокочастотных генераторов (рис.30.4 и рис.30.5) по существу представляют упрощенные схемы импульсных модуляторов. Как нетрудно видеть, основными элементами схемы импульсного модулятора являются источник питания, накопитель энергии, коммутатор.

Остановимся кратко на рассмотрении двух последних элементов схемы импульсного модулятора с ёмкостным накопителем энергии.

Физические процессы в импульсных модуляторах с ёмкостным накопителем энергии.

Использование искусственных линий в качестве накопителей энергии

Цепь заряда ёмкостного накопителя энергии показана на рис.30.6. Согласно второму закону Кирхгофа для этой цепи

,

где U_{C 0} – начальное напряжение на ёмкости.

Дифференцируя последнее уравнение, получаем:

.

Решение этого уравнения

,

где i₀ – начальный ток, равный

.

Таким образом,

. (30.1)

Для напряжения на ёмкости получается выражение

. (30.2)

Зависимости (30.1), (30.2) графически представлены на рис.30.7.