2.Как осуществляется двухступенчатая частотная модуляция при передаче дискретных сообщений'?

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 4

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

3. Как выглядит сигнал с двухступенчатой частотной модуляцией при передаче дискретных
сообщений?

4. Как меняется фаза сигнала при относительной фазовой модуляции?

5.Что называется квадратурной фазовой модуляцией

Глава 4 . Импульсная модуляция

4.1 Определения и общие вопросы импульсной работы

Периодический процесс изменения некоторой величины во времени будем называть импульсным, если в течении конечной части периода эта величина ос­тается постоянной (в частном случае равной нулю), а в остальную обычно зна­чительно меньшую часть периода является произвольной функцией времени a(t).

Графическое изображение периодического импульсного процесса характеризуется следующими параметрами: T- периодом следования, или F – частотой следования, τ – длительностью импульса т.е. временем, в течении которого функция, описывающая процесс отличающимся от нуля, A – амплитуда импульса, т.е. максимальное значение,

.

Рис.4.1. Изображение импульсного процесса.

которое принимает эта функция, φ – начальной фазой. Вид функции a(t) представлен на (рис. 4.1.)

Под "короткими" импульсами будем полагать импульсы, длительность которых сравнима с постоянной времени системы или меньше ее. Период сле­дования импульсов считаем значительно превосходящим время длительности импульса.

Для импульсных процессов форма импульса длительностью τ _и периодом следования T определяет его спектр, эффективное и среднее значение энергии. Отношение отрезков времени в течении которого функция описывающая про­цесс, равна нулю, к длительности импульса называется скважностью.

, при T >>τ

Функцию, определяющую форму импульса, удобно записывать в безразмерной форме: <<1,

где А — амплитуда импульса.

Энергия. содержащаяся в импульсе определяется квадратом его эффективного значения: а²_эфф =

Энергия, теряемая в цепи, по которой проходит импульсный ток, будет также пропорциональна этой величине.

Очевидно, что максимальное эффективное значение будет иметь сигнал импульсы, которого представлены функцией =1=const, т.е. импульсы прямоугольной формы, определяющиеся выражением:

=1, при 0 < t< τ ;

=0 , при τ < t< T .

При этом а_эфф= A =

Средним значением импульсного тока или мощности будем назы­вать величину:

a₀=

Среднее значение будет максимальным для импульсов прямоугольной формы:

a₀=A =

Эта величина определяет расход энергии питания генератора импульсов. Им­пульсный процесс, при любой форме импульсов, можно привести к импульсному процессу с прямоугольной формой по эффективному, либо по среднему значению.

A пр_эфф= A - по эффективному значению

A пр_эфф= A - по среднему значению.

A пр_эфф - амплитуда эквивалентного прямоугольного импульса.

Увеличение тока или напряжение до установившегося значения происходит в течение промежутка времени τ_ф - называется длительность фронта.

Спад тока или напряжения от установившегося значения до нуля (или достаточно малой величины) происходит в течение времени τ_с - называется дли­тельностью спада (длительностью заднего фронта).

Примем следующие определения:

τ_ф — время, в течение которого амплитуда импульса возрастает от 0,05 до 0,95 установившегося значения.

τ_с - время, в течение которого амплитуда импульса уменьшается от 0,95 до 0,05 установившегося значения (рис.4.2.)

Рис.4.2. Форма импульсного сигнала

4.2. Параметры и спектр сигнала при импульсной модуляции

Импульсная модуляция (ИМ) широко используется в радиолокации, при передаче телеметрической информации и в других случаях. Излучаемый РПДУ гармонический сигнал, модулированный последовательностью прямоугольных импульсов. по­казан на рис.4.3. Спектр радиосигнала широкий, поэтому ИМ приме­няют в РПДУ СВЧ диапазона.

Рис.4.3 . Излучаемый ИМ сигнал.

При ИМ сигнал определя­ют следующие параметры: т - дли­тельность импульса; Т - период повторения импульсов; q = T-nτ/nτ -скважность; f ₀ - частота несущей; Р_И - мощность сигнала в импульсе; P_C==Р_и/q) - средняя мощность сигнала; Δf_cn - ширина спектра из­лучаемого сигнала (рис.4.4); вид модуляции импульсов. Раскроем содержание параметра вида модуляции.

Импульсы, модулирующие несущую частоту f _0,, могут быть, сами промодулированными. При этом различают: амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) временно-импульсную мо­дуляцию (ВИМ), кодово-импульсную модуляцию (КИМ), внутриимпульсную модуляцию - частотную или фазовую.

Спектр сигнала при ИМ определяется в два этапа. На первом этапе определяется спектр периодической последовательности импульсов, модули­рующих несущую частоту; на втором этапе - спектр промодулированной импульсами несущей. При периодической последовательности прямоугольных импульсов (рис.3.4,а) спектр можно получить, разложив функцию в ряд Фурье. В ре­зультате получим ряд амплитуд составляющих в этом спектре, следующих че­рез интервалы: τ = 2п/Тиш F=l/T:

Ак= sin( ) = sin(0,5k ),

где Е - амплитуда импульса (рис.4.3 а);

к- целое положительное число.

Рис. 4.4.

4.3. Условия работы генераторных приборов в импульсном режиме.

Номинальная мощность генераторных приборов в импульсном режиме оказывается значительно больше, чем в непрерывном режиме. Это объясняется следующими факторами: потери на выходном электроде пропорциональны мощности генерируемых колебаний; эмиссия ограничивается предельно допустимой температурой; рабочее напряжение зависит от диэлектрической прочности изоляционных материалов и предельной напряженности поля между электродами. Сравним влияние этих факторов при работе генераторов в непрерывном и импульсном режимах.

При непрерывной колебательной мощности P_i потери на выходном электроде

P_{ai =} P_i равны предельным.

В импульсном режиме колебательная мощность P_i генерируется за время τ, в то же время выделяется мощность Pa_i на выходном электроде. В остальную часть периода T-τ генератор не работает и энергия не излучается и не рассеивается на активном элементе.

Если за время τ температура на выходном электроде не успела заметно возрасти, то его температура определяется средней мощностью рассеяния, т.е.:

P_ai= = P_ai =

Следовательно, во время генерирования можно допустить рассеяние на выходном электроде: Q* Pa_i = Pa_доп , или получить от генератора мощность в Q раз большую, чем в непрерывном режиме.

Удельная эмиссия генераторных приборов оказывается в импульсном режиме во много раз больше, чем в непрерывном режиме. При больших скважностях и малой длительности импульса эмиссия в 50 – 100 раз превосходит достижимую эмиссию в непрерывном режиме.

Диэлектрическая прочность определяется состоянием вакуума.

Опыт показывает, что диэлектрическая прочность лампы в импульсном режиме повышается в 5 – 10 раз, позволяя соответственно увеличить анодное напряжение.

Таким образом, в импульсном режиме номинальная мощность генераторов возрастает в 5 10 раз.

4.4. Особенности импульсной работы магнетронного генератора.

Чтобы за время импульса не происходило срыва колебаний основной частоты или перехода на другой вид колебаний, необходимо, чтобы напряжение на аноде магнетрон сохранялось постоян­ным с точностью ±2%. Чтобы исключить резкие изменения мощности и частоты генерируемых колебаний, вершина импульса анодного на­пряжения на магнетроне должна быть ровной. Допускается неравномерность верши­ны не более ±(1-2)%.

В процессе медленного нарастания анодного напряжения (переднего фронта) возможно воз­никновение большего числа колебаний, что недопустимо, так как это приводит к созданию помех в эфире.

При _{ф доп} ,т.е. большой скорости нарастания анодного напряжения, возможен перескок колеба­ния в магнетроне. Если напряжение на аноде ока­жется больше рабочего, то это может привести к возникновению паразитных ко­лебаний, либо к отсутствию их.

Практика показывает, что скорость нарастания анодного напряжения должна быть. 100-150кв/мкс.

Для источника импульсов анодного напряжения магнетрон представляет нелинейную нагрузку. Пока анодное напряжение меньше порогового, сопро­тивление магнетрона практически бесконечно велико; в рабочей области сопро­тивление магнетрона резко уменьшается.

4.5. Методы осуществления импульсной работы.

Импульсный режим генератора можно осуществить по блок-схеме, представленной на рис.4.5.

В течение времени τ ключ К замкнут и генератор излучает мощность P_i в Q раз превышающую среднею мощность. При этом генератор потребляет от источников мощность Pо_i= Eо_i Iao_i , во столько же раз большую средней.

Рис.4.5.

Энергия, потребляемая генератором, за время действия импульса от источника напряжения питания определяется:

W_τ= Eо_i Iao_iτ.

Мощность источника питания определится:

Р_ист = = Po_i = .

Чтобы исключить изменение потенциала источника питания в схему вводится дополнительный накопитель энергии. Поэтому за время длительности импульса энергия отбирается от накопителя W_ист= W_τ .

Если предположим, что потери энергии в накопителе отсутствуют, тогда за время действия импульса W_ucm = W_τ. т.е., при введение накопителя, мощность источника уменьшается в Q раз.

Схема с накопителем имеет вид рис. 4.6:

Рис. 4.6.

В течении времени Т-τ ≈Т ключ К находится в левом положении и благодаря ограничителю накопитель потребляет мощность от источника за время периода между импульсами, т.е. отбор тока от источника питания уменьшается в раз.

Накопитель запасает энергию W_T =Pо_iT , которая при переходе ключа К на время τ в правое положение обеспечивает мощность Р_τ= = .

4.6. Классификация импульсных модуляторов.

Импульсные модуляторы удобно различать по виду накопителя и по режи­му работы. Электрическая энергия может накапливаться либо в виде энергии электрического поля в некоторой емкости, либо в виде энергии магнитного поля в некоторой индуктивности (рис. 4.7.).

Иногда в импульсных модуляторах используются комбинированные накопители энергии, содержащие емкость, и индуктивность.

Рис.4.7.

Емкостной накопитель заряжается от источника питания через ограничитель, благодаря которому зарядный ток I_ср << Iao_i в течение времени Т- τ≈ Т, причем к концу заряда напряжение на емкости должно достигнуть величины потенциала источника питания.. Следовательно Еa = Еa_i. Так как разряд накопителя происходит в течение времени τ, то среднее значение разрядного тока в Q раз больше тока заряда. Поэтому емкостной накопитель является трансформатором тока. В индуктивном накопи­теле в течение времени Т-τ ≈ Т происходит возрастание тока таким образом, что к началу импульса ток через индуктивность достиг величины Ia_i. При размыкании ключа этот ток замыкается через генератор, обеспечивая в течение времени τ мощность питания Pо_i= Ea_i Ia_i. Так как скорость нарастания тока в катушке зависит от ее индуктивности и от величины напряжения источ­ника не зависят, то заданное значение Ia_i можно получить при любом Ea, т.е. при Е<< Ea. Ток, отбираемый накопителем, от источника достигает к концу периода заряда Ia_i , т.е. индуктивный накопитель будет являться трансформа­тором напряжения.

Итак, модулятор с емкостным накопителем требует высоковольтного ис­точника Ea = Ea_i нагружаемого током Iср = Ia_i /Q.

Модулятор с индуктивным накопителем требует низковольтного источни­ка питания Ea << Ea_i нагружаемого током Iср* Q , т.е. вид накопителя определяет требование к источнику питания.

По режиму работы накопителя будем различать модуляторы с полным и частичным разрядом энергии накопителя.

При частичном разряде накопителя, при заданной длительности импульса т моменты включения и выключения коммутатора строго фиксиро­ваны моментами начала и окончания импульса. Следовательно, режим работы накопителя определяет требования к коммутатору. Таким образом, модуляторы классифицируются:

а) модуляторы с емкостным накопителем в режиме частичного разряда накопителя;

б) модуляторы с емкостным накопителем в режиме полного разряда накопителя;

в) модуляторы с индуктивным накопителем;

г) модуляторы с комбинированным накопителем.

Кроме того, модуляторы триодных генераторов могут классифицирова­ться по виду управления соответствующим электродом:

а) модулятор управления анодным напряжением генератора;

б) модулятор управления катодным напряжением;

в) модулятор комбинированного управления анодным и катод­ным напряжением генератора.

Последние модуляторы называются совмещенными модуляторами, так как фильтры источника питания одновременно выполняют функцию накопителя энергии. Кроме того, источник питания, коммутатор и нагрузка соединены по­следовательно и отсутствует зарядная цепь накопителя, за счет чего значитель­но увеличивается к.п.д., надежность модулирующих устройств.

Рассмотрим модуляторы, получившие наибольшее распространение.

4.7. Импульсный модулятор с частичным разрядом емкости.

В модуляторе с частичным разрядом накопителя роль коммутатора может выполнить прибор, управляемый по какому либо электроду. Простейшая схема имеет вид и работает следующим образом. В интервале между импуль­сами, модуляторная лампа заперта отрицательным напряжением Eg и накопительный конденсатор С заряжается через сопротивление R₁ и R₂ до напряжения источника питания. Для формирования импульса на сетку модуляторной лампы подается положительный импульс напряжения, от действием которого модуляторная лампа отпирается и сопротивление ее становится весьма малым. Накопитель напряжения разряжается через модуляторную лампу Л1, анодную цепь гене­ратора Л2, а также частично через R₂. Напряжение на генераторе будет до тех пор, пока на сетке модуляторной лампы действует положительное напряжение.

Для того чтобы ограничить ток потребляемый модуляторной лампой во время импульса, ее анод соединен с источником питания большим сопро­тивлением R₁. Сопротивление R₂ включено для создания зарядной цепи накопителя.

Из-за наличия паразитных параметров в схеме и главным образом из-за емкостей форма импульса напряжение на нагрузке будет отличаться от прямоугольной. К моменту отпирания модуляторной лампы ёмкость C _л заря­жена до Еи, a C_r разряжена. Для тока модуляторной лампы можно записать дифференциальное уравнение:

; U_c = U_i + U_a .

Изменение напряжения на накопителе мало, поэтому двумя последними членами в уравнении можно пренебречь R₁≈ R₂>> R_i , тогда

т.е. скорость нарастания напряжения на нагрузке тем больше, чем меньше суммарная конструктивная (паразитная) емкость схемы.

Во время импульса накопительный конденсатор разряжается. Что приводит к уменьшению напряжения на нагрузке, которое будет тем меньше чем больше емкость конденсатора, т.к. ΔU_c = .

После запирания модуляторной лампы емкость C_r будет разряжаться через генератор R₂. Сумма токов, текущих через C_л и C_r равна сумме токов через R₂ и R_i , т.е.

= U :

предполагая, что токи через емкости C_л и C_r равны, т.е. получим:

,

откуда изменение напряжения на нагрузке по окончании импульса определяется:

(C_л + C_r) ≈ U _н .

Следовательно, время спада напряжения на нагрузке ( τ _з.ф ) тем меньше, чем меньше суммарная емкость

(C_л + C_r) и чем больше R₁ и R₂. Отсюда форма им­пульса напряжения на нагрузке будет иметь вид.

(C_л + C_r)= C₀ – называется паразитной емкостью схемы ≈(50÷100) пф. Для то­го чтобы модулятор работал с высоким к.п.д. надо чтобы R₂ >> R_i Для триодных генераторов эти условия выполняются. В магнетронных генера­торах при уменьшении напряжения на 10%-20% колебания срываются и R_i, ста­новится практически бесконечным, поэто­му τ_с будет большим, что недопустимо, т.к. могут возникнуть колебания других видов. Поэтому в магнетронных передатчиках вместо R₂ ставится L и диод.

4.8. Структурная схема формирователя импульсного радиосигнала

В импульсе высокочастотные устройства могут излучать очень большую мощность - в десятки и даже сотни мегаватт. Поскольку эти импульсы излучают­ся с большой скважностью Q, то, используя принцип накопления энергии в паузе между импульсами, мощность первичного источника можно понизить в то же число Q раз. Структурная схема такого устройства приведена на рис.4.8

Рис.4.8. Структурная схема импульсного мо­дулятора.

Мощность первичного источника питания

Р₀ = , (4.1)

где Р_1мин- мощность генератора в импульсе,

ℎ - КПД генератора.

Пример. Мощность СВЧ устройства в импульсе Р1имп =1 МВт, скважность Q = 1000, ℎ = 50%. Согласно формулы (4.1), требуемая мощность первичного источника постоянного тока: Ро = 2 кВт.

Коммутирующие устройства в импульсных модуляторах могут быть жесткого типа (электровакуумные лампы и высоковольтные транзисторы) и мягкого типа (тиратроны и тиристоры - кремниевые управляемые вентили).

В импульсных модуляторах жесткого типа длительность сформирован­ного импульса определяется длительностью входного импульса. В импульсных модуляторах мягкого типа входной импульс определяет только начало форми­руемого импульса, длительность которого определяется параметрами накопи­тельного элемента.

4.9. Импульсный модулятор жесткого типа с емкостным накопи­ тельным элементом Схема такого модулятора приведена на рис.(4.9.). Работа схемы распадается на две фазы: 1- я фаза. Ключ - высоковольтный транзистор - закрыт за счет отрица­тельного напряжения, поданного на базу; протекает процесс заряда высоко­вольтного конденсатора С (рис.4.10а) по экспоненциальному закону:

Рис. 4.9. Импульсный модулятор жесткого типа с полным разрядом ёмкостного накопителя.

U_c = E₀ (1- e^t/Tз),

где T_з = (R+R₂)C - постоянная времени цепи заряда;

Е_о - напряжение источника питания;

t T- текущее время.

2- я фаза. По истечении времени Т - периода повторения импульсов - на вход схемы приходит импульс положительной полярности, открывающий тран­зисторный ключ, вследствие чего к СВЧ генератору прикладывается положи­тельное напряжение Е_о, до которого успел зарядиться конденсатор. Начинается разряд конденсатора через внутреннее сопротивление открытого транзистора (резистор Rмод) и СВЧ генератор (рис,4.10.б) по экспоненциальному закону:

U_c = E₀ e^-t/Tp, где T_p = (Rом_J + R_or)C- постоянная времени цепи разряда

Время разряда определяется длительностью импульса т. после чего ключ закрывается и вновь повторяется 1-я фаза процесса - заряд конденсатора.

.

а б

Рис. 4.10. Эквивалентная схема ИМ жесткого типа с

емкостным накопительным элементом С.

Графики, отображающие описанный процесс заряда и разряда конденса­тора С, приведены на рис. 4.11.

U_c Заряд Разряд

Рис. 4.11. Графики, отоб­ражающие процесс заряда и разряда конденсатора в ИМ жесткого типа с ем­костным накопительным элементом.

Постоянную времени цепи заряда Т_зар определим из условия: за время Т конденсатор должен успеть зарядиться до потенциала источника постоянного напряжения Eq . Для его выполнения следует иметь (Т_з/Т_р)>3. (R1+R2) Q*(Rмод +Rг)

Постоянную времени цепи разряда Т_р определим из условия: за время т (длительности импульса - напряжение на конденсаторе, приложенное к СВЧ генератору, должно уменьшится не более чем на ΔUc=E₀—E₁). Время заряда накопительной ёмкости определится по формуле: T_з = (R₁+R₂)*C.

Значение ΔUc определяется режимом работы электронного прибора, т.е. СВЧ генератором.

Поскольку в схеме (рис.4.9.) выходной импульс отрицательной полярности, то для триодных генераторов СВЧ необходимо перевернуть полярность импульса на положительную. Для этого в схеме применяется импульсный трансформатор. При коммутации больших значений токов воз­никает переходный колебательный процесс. Для его ослабления в схему включается диод Д1, гасящий возникающие колебания.

КПД модулятора определяется как отношение энергии, отдаваемой кон­денсатором во время разряда W_c (2-я фаза), к энергии, идущей на заряд конден­сатора и теряемой на сопротивления R1+R2 ( W_C+W_R).

ℎ_м = .

Пример. Длительность импульса т=1 мкс=10^-6 с; период повторения импульсов T = 1 мс=10^-3 с; сопротивления: R_ом=2 Ом, сопротивление открытого ключа (транзистора); R₀г ⁼ Ю0 Ом. Допустимое изменение напряжения ΔU_C / E_O =5%.

Накопительная ёмкость = ;

С = /(R_ом +R_0г) = 1,0*10^-6/0.05*102=2*10~⁷Ф=0,2 мкФ.

где m – количество импульсов в кодовой посылке;

= – допустимый спад вершины импульса.

Время цепи заряда Т₃=-10^-3 с.

Суммарное сопротивление в цепи заряда накопительной ёмкости:

(R_l+R₂) = T₃/C= 1,0*l0^-3/0,2*l0^~6 =5000 Ом=5 кОм.

Сопротивление в зарядной цепи: R₁ +R₂= 5000 Oм. Вариант для оптимального кпд R₁ =R₂.

(Т и время измеряется в секундах [C], емкость в фарадах [Ф], сопротивление - в омах [Ом]).

Проверим соответствия времени заряда ёмкости до потенциала источника питания:

= 1*10^-3/1*10^-6.

Таким образом, накопительная ёмкость полностью зарядится до потенциала источника питания.

4.10. Импульсный модулятор мягкого типа с искусственной линией Рис.4.12

Принцип действия данного модулятора основан на формировании им­пульса прямоугольной формы с помощью длинной или искусственной линии. Пусть линия длиной S с волновым сопротивлением при разомкнутом ключе К заряжена до напряжения Е. После замыкания ключа на сопротивление нагрузки R _н= начинается разряд линии. При этом в линии образуется две волны, одна из которых с амплитудой U _н = Е со скоростью V начинается двигаться влево (1-я линия); другая волна той же амплитуды с той же ско­ростью (2-я волна) - вправо (рис.4.12). Если линия замкнута на конце на сопротивление равное волновому сопротивлению, то первая волна, достигнув сопротивления R_H = p , будет им поглощена, образуя им­пульс амплитудой U_H=E и длительно­стью т₃=S/V (рис.4.12.,а). Если линия разомкнута на конце, то вторая волна, достигнув разомкнутого конца линии, полностью от него отразится, поскольку в этом случае коэффициент отражения Г = 1.

После отражения, начав двигаться влево, вторая волна, как и первая, достигнув с задержкой на время τ сопротивления нагрузки Rн = , также будет им поглащена, вновь сформировав импульс амплитудой Uн =Е и длительностью 2τ.

Таким образом, за счёт обеих волн на нагрузке Rн = будет сформирован импульс амплитудой Uн = Е и длительностью τ = 2τ_з = 2S/V.

Глава 5 .Совмещенные импульсные модулирующие устройства для триодных генераторов СВЧ.

Ранее отмечалось, что вид накопителя определяет требования к источнику питания, а режим работы его - требования к коммутатору. В импульсных моду­ляторах, совмещенных с источником питания, отсутствуют дополнительный накопитель и зарядная цепь. Функцию источника энергии в рабочем режиме выполняет фильтрующий конденсатор. Для предотвращения протекания боль­шого импульсного тока через выпрямитель модуляторы работают в режиме с частичным использованием энергии накопителя.

Характерной особенностью совмещённых импульсных модуляторов является непосредственное последовательное соединение источника энергии, коммутатора и нагрузки. Следовательно, в установившемся режиме ток нагрузки равен току коммутатора и току источника энергии , т.е. , а распределение потенциалов имеете вид:

или .

Коммутатор и нагрузка представляют собой нелинейные активные элементы, поэтому электрическая цепь с присутствием их является нелинейной и принцип суперпозиции не удовлетворяется.

может быть при , а также при максимальном значении, т.е. , что соответствует закрытому состоянию коммутатора.

Максимальное значение может быть при минимальной величине – остаточного напряжения на коммутаторе, что соответствует открытому состоянию его.

Аналогичные условия могут быть выполнены для тока нагрузки.

Так как в установившемся режиме , то током в цепи модулирующего устройства можно управлять изменением напряжения или тока в нагрузке либо в коммутаторе.

Таким образом, совмещённые импульсные модуляторы можно классифицировать по выполняемым ими функциям:

а) управляющие источником анодного питания выходного каскада усилителя мощности СВЧ;

б) управляющие катодной цепью выходного каскада СВЧ;

в) осуществляющие комбинированное управление источником анодного питания и катодной цепью выходного каскада усилителя мощности СВЧ.

Известная анодная импульсная модуляция здесь соответствует управлению источником анодного питания, сеточная импульсная модуляция – управлению катодной цепью. Третий вид модуляции аналога не имеет.

Для наглядности преимуществ совмещённых модуляторов составим блок-схемы их и проведем сравнительную оценку с соответствующими схемами модуляторов других типов.

5.0. Модулятор управления по катодной цепи генератора СВЧ

5.0.1. Модулятор управления по сеточной цепи генератора СВЧ

При катодной модуляции сопротивление насыщенного перехода транзисторного ключа близко к нулю ( ) и изменения напряжения смещения за счет постоянной составляющей катодного тока лампы не происходит.

Одно их основных достоинств модулятора управления по катодной цепи генератора СВЧ заключается в том, что он позволяет использовать схему усилителя СВЧ с заземленной сеткой профессора М.А. Бонч-Бруевича, обеспечивающую устойчивую работу каскада в диапазоне СВЧ.

При катодной модуляции отпадает необходимость в дополнительном источнике смещения, однако для полного запирания лампы в некоторых случаях можно подать положительный потенциал в катод лампы. Мощность управления катодной цепью не превышает .

Таким образом, использование модулятора по управлению катодной цепью генератора СВЧ позволяет создать триодный передатчик, работающий в нижней части дециметрового диапазона, уменьшить мощность потерь и увеличить мощность, отдаваемую лампой, т.е. улучшить коэффициент использования генераторной лампы.

Решение этого уравнения с учётом начальных условий t=0; U_i=0 запишется:

Из этого уравнения можно сделать выводы:

а) Усилитель выполняет функцию коммутатора напряжения источника питания в нагрузку;

б) Полярность выходного сигнала совпадает с полярностью входного;

в) Для получения большего КПД и увеличения крутизны нарастания выходных импульсов в нагрузке необходимо выбирать лампу с возможно меньшим внутренним сопротивлением и возможно большей крутизной анодно-сеточной характеристики.

5.1. Модулятор по управлению источником анодного питания выходного каскада усилителя СВЧ.

Постановка задачи: В работах [1 - 10] приведен подробный анализ общеизвестных импульсных усилителей на электровакуумных и полупроводниковых приборах, таких как резонансный, трансформаторный, реостатный, катодный повторитель и др.

В последнее время широко применяется усилитель с нагрузкой в цепи катода. Однако теоретический расчет такого усилителя в литературе отсутствует.

Теоретическому анализу работы схемы катодного усилителя и возможности использования его в качестве выходного каскада модулятора анодного питания усилителя СВЧ будет рассмотрена ниже.

5.1. Усилитель с нагрузкой в цепи катода

Принципиальная схема усилителя показана на рис.5.1., эквивалентная ей схема – на рис.5.2.

_g1

Рис.5.1.

. Для данной эквивалентной схемы можно составить следующую систему уравнений:

1.

2. (5.1)

Ток лампы запишем уравнением Валлаури :

, (5.2)

где - действующее напряжение на лампе;

U_н = - напряжение между анодом и катодом лампы;

– крутизна характеристики ;

– коэффициент пропорциональности между анодным током и анодным напряжением.

Рис.5.2.

Представим второе уравнение (5.1) в следующем виде:

(5.3)

Значение , найденное из первого уравнения системы (5.1), подставим в уравнение (5.3) и после несложных преобразований получим:

(5.4)

Уравнение (5.4) линейное, неоднородное, первого порядка, решение запишется:

После интегрирования

, (5.5)

где K - постоянная интегрирования, определяется из начальных условий

(5.5a)

Подставим значение (5.5а) в (5.5) и раскроем скобки:

. (5.6)

Уравнение (5.6) представим в виде:

, (5.7)

где – сопротивление нагрузки.

Из уравнения (5.6) и (5.7) можно сделать выводы о достоинствах схемы усилителя с нагрузкой в цепи катода:

а/ усилитель обладает такими же усилительными свойствами по напряжению, что и реостатный анодный усилитель;

б/ полярность выходного сигнала совпадает с полярностью входного сигнала, как и в катодном повторителе;

в/ в случае возникновения электрического пробоя в лампе, что соответствует , потенциал в катоде будет стремиться к величине Э.Д.С. источника анодного напряжения/согласно (6.7). При ёмкость мгновенно зарядится до потенциала источника питания/. Следовательно, разность потенциалов между анодом и катодом стремится к нулю, что способствует прекращению тока пробоя в лампе.

г/ для получения большого коэффициента усиления по напряжению и увеличения крутизны нарастания выходного импульса в нагрузке необходимо выбирать лампу с возможно меньшим внутренним сопротивлением и возможно большей крутизной анодно-сеточной характеристики.

Последний вывод /г/ говорит о целесообразности применения в качестве коммутатора электронной лампы типа лучевой тетрод.

5.2. Усилитель на лучевом тетроде

Принципиальная схема такого усилителя представлена на рис. 5.1. и система уравнений для неё будет такой же, как в случае, описанном выше.

Так как рассматриваемый импульсный усилитель работает в области характеристики большого анодного тока, то для анализа его работы можно использовать кусочно-линейную аппроксимацию :

(5.2.1)

где = J ₀ - ток анода при напряжении на первой сетке, равном нулю, на аноде - Е_а и на второй сетке ;

= – крутизна характеристики ;

–действующее напряжение на первой сетке.

Для лучевого тетрода:

, (5.2.1а)

где D - проницаемость лампы по анодной цепи,

- проницаемость лампы по второй сетки.

Второе уравнение системы (5.1) с учетом (5.2.1), (5.2.1а) и первого уравнения системы (5.2.1) после нескольких преобразований запишется:

(5.2.2)

Решение полученного неоднородного линейного уравнения запишется:

После интегрирования -

(5.2.3)

определяется из начальных условий

(5.2.3a)

Подставим (5.2.3а) в (5.2.3) и после преобразований получим:

( 5.2.4)

Амплитуда выходного напряжения в установившимся режиме, при равна:

(5.2.5)

Из выражения (5.2.5) можно определить потенциал запирания лампы при отсутствии входного сигнала, если принять

(5.2.6)

Если выражение (5.2.6) подставить в (5.2.4), то значение выходного напряжения запишется в виде:

(5.2.7)

Установившееся значение напряжения на нагрузке при -

(5.2.8)

(5.2.8a)

Подставим (5.2.8а) в (5.2.8):

(5.2.8б)

Из выражения (5.2.8б) видно, что коэффициент передачи тем больше, чем меньше отношение внутреннего сопротивления лампы к сопротивлению нагрузки.

Здесь необходимо заметить, что в случае лампа не работоспособна, т.к. отсутствует замкнутая цепь для постоянной составляющей лампы. Импульсное напряжение на выходе катодного усилителя будет равно нулю, следовательно, практического применения данный случай не имеет.

Время нарастания амплитуды выходного напряжения, т.е. длительность переднего фронта, можно определить из уравнения (5.2.2), решив его относительно t:

(5.2.9)

определяется из начальных условий

. (5.2.9а)

Подставим (5.2.9а) в (5.2.9) и после преобразования получим

(5.2.10)

или с учетом (5.2.6) -

. (5.2.11)

Ко времени действия плоской части импульса переходной процесс заряда емкости нагрузки уже закончен. Ёмкость заряжена до потенциала выходного напряжения. Емкость источника напряжения анодного питания лампы велика, поэтому за время действия импульса потенциал заряда её практически не меняется и в цепи нагрузки протекает ток, равный

, (5.2.12)

где - внутреннее сопротивление источника питания;

- внутреннее сопротивление открытой модуляторной лампы в рабочей точке;

Амплитуда напряжения на нагрузке определяется выражением (5.2.5).

После окончания входного сигнала лампа запирается и емкость разряжается через сопротивление .

Постоянная времени разряда емкости и будет определять задний фронт выходного импульса.

5.3. Выбор и расчет элементов схемы усилителя с нагрузкой в цепи катода

Величина емкости конденсатора выбирается из условия допустимого искажения импульса. Расчет её может быть произведен по формуле:

(5.3.1)

где - внутреннее сопротивление промежутка лампы катод - вторая сетка;

- допустимое искажение импульса, спад плоской части вершины импульса;

- длительность импульса.

Конденсатор на допустимое напряжение выбирается по величине потенциала источника питания Но поскольку он подключен к катоду усилителя и находится под потенциалом выходного импульсного напряжения, то должен быть изолирован от корпуса.

Выбор емкости конденсатора , а также условия его эксплуатации, аналогичны

Необходимо заметить, что мощности рассеяния на резисторах и нельзя рассчитывать по величине среднего тока соответствующей сетки лампы, так как ток не зависит от выходного напряжения, а определяется напряжением превышения:

.

Мощность рассеяния на резисторах и зависит от амплитуды выходного напряжения. Для -

, (5.3.2)

где Q - скважность,

T - период следования импульсов.

В случае работы с группой импульсов -

m - количество импульсов в группе.

Мощность рассеяния на резисторе -

, (5.3.4)

Сопротивление резистора , рассчитанное по допустимому спаду группы импульсов, должно быть порядка 5÷15 ком. При этом мощность рассеяния на нем согласно (5.3.4) составит несколько десятков ватт при амплитуде выходного напряжения до 10 и более киловольт.

Резистор можно заменить дросселем.

5.4. Усилитель с импульсным питанием второй сетки.

Рис.5.3.

Для уменьшения габаритов схемы усилителя источник постоянного питания второй сетки можно заменить импульсным (рис.5.3.) и таким образом исключить из схемы конденсатор и резистор

Для анализа работы схемы усилителя с импульсным питанием второй сетки воспользуемся аппроксимацией характеристики тока лампы, приятной выше,

, (5.4.1)

где - амплитуда импульсного напряжения на второй сетке.

Решение дифференциального уравнения (5.2.2) будет иметь вид:

(5.4.2)

Потенциал запирания лампы при условии , будет определяться выражением

(5.4.3)

т.е. уменьшится на величину, равную

(5.4.3a)

Подставив значение из (5.4.3) в (5.4.2), получим величину выходного напряжения:

(5.4.4)

Установившееся значение амплитуды напряжения на выходе определяется при :

(5.4.5)

Из сравнения формул (5.2.8) и (5.4.5) видно, что коэффициент усиления каскада с импульсным питанием второй сетки значительно выше, следовательно, аналогичные параметры выходного сигнала получаются при меньших энергетических затратах, т.е. можно уменьшить величину амплитуды импульсов на второй и первой сетках.

Для усилителей с импульсным питанием второй сетки разработан малогабаритный трёхобмоточный импульсный трансформатор, с рабочим потенциалом относительно корпуса и обмоток до 10кв и высокопотенциальный импульсный дроссель, с рабочим напряжением в импульсе до 10кв при передаче группы импульсов на базе до 100мксек.

Время нарастания амплитуды импульса выходного напряжения можно определить из выражения (5.4.4), произведя некоторые преобразования:

. (5.4.6)

Время переходного процесса определялось по формулам (5.2.11) и (5.4.6) в предположении, что на вход лампы подан сигнал в виде функции единичного скачка. Общий вид формул будет несколько отличаться, если входной сигнал представить функцией времени U(t). Для решения поставленной задачи можно рассмотреть функцию включения трапецеидальной формы.

В этом случае за время действия переднего фронта импульсов Э.Д.С. меняется по линейному закону, т.е.

(5.4.7)

А так как питание второй сетки импульсное, то оно также будет функцией времени. Следовательно,

(5.4.7a)

(5.4.7б)

В общем случае ≠ .

Аппроксимируя характеристику тока лампы (5.4.1) с учетом (5.4.3) и (5.4.7а,б), дифференциальное уравнение после преобразований запишем:

. (5.4.8)

Полученное уравнение линейное, неоднородное, правая часть его является функцией времени. Общее решение запишется:

(5.4.9)

- постоянная интегрирования, определяется из начальных условий

(5.4.9a)

Подставим (5.4.9а) в (5.4.9):

(5.4.10)

При выражение (5.4.10) запишется:

(5.4.11)

При второе слагаемое выражения (5.4.11) стремится к нулю и значение выражения (5.4.11) совпадает с (5.4.5), полученным при условии скачкообразного изменения входного сигнала.

При во втором слагаемом получаем неопределенность вида / . Для раскрытия этой неопределенности воспользуемся правилом Лопиталя.

Заменим отношение функций отношением их производных по и после несложных преобразований получим

(5.4.12)

Подставим полученное значение в (5.4.10) при

Таким образом, при граничных значениях времени, т.е. , выражение (5.4.11) совпадает с (5.4.4).

Формула (5.4.11) позволяет определить влияние изменения крутизны переднего фронта входного сигнала на длительность переднего фронта выходного сигнала при различных значениях емкости нагрузки.

Полагая, что скорости изменения сигналов на первой и второй сетках равны, представим эту формулу в следующем виде:

(5.4.13)

Очевидно, что выражение в фигурных скобках меньше либо равно 1 .Меняя длительность фронта входного сигнала , можем вычислить значение длительности переднего фронта выходного сигнала при различных значениях . Данные сведены в таблицу 5.4.1 и построены графики (рис.2.6) для лампы лучевого тетрода ГМИ-26Б с параметрами при импульсной мощности в нагрузке, равной 100квт.

Из таблицы 5.4.1 и графиков рис. видно, что длительность фронта на выходе равна

(5.4.14)

причем _фвых увеличивается не только от увеличения емкости в нагрузке, но и от уменьшения крутизны нарастания входного сигнала.

Величина ∆ определяет приращение длительности фронта выходного сигнала по отношению к входному.

Следовательно, изменение длительности переднего фронта выходного сигнала будем тем меньше, чем больше скорость изменения входного сигнала, т.е. чем меньше длительность фронта входного импульса.

Аналогичный выход сделан в работе при анализе процессов формирования фронта импульса в модуляторе с частичным разрядом емкости. Причиной возрастания длительности фронта импульса на нагрузке при уменьшении крутизны фронта сеточного напряжения объяснялось уменьшением зарядного тока конденсатора паразитной емкости

Очевидно, увеличение ∆ можно объяснить особенностью нелинейных преобразований импульсов и их спектральных функций.

Спектральная функция выходного сигнала -

аппроксимирующей характеристику нелинейного элемента.

Таблица 5.4.1

мксек
	0,01	0,05	0,1	0,15	0,01	0,05	0,1	0,15
1	2	3	4	5	6	7	8	9
0,01	0,10
0,015	0,18
0,02	0,7
0,025	0,96				0,294
0,03					0,701
0,0328					0,96
0,05		0,394	0,196	0,134		0,194	0,096	0,063
0,07		0,682
0,08		0,845
0,085		0,930
0,1			0,595	0,397		0,675	0,334	0,233
0,12			0,777			0,925	0,463
0,14			0,965
0,15				0,703			0,667	0,445
0,19				0,977			0,972	0,7
0,25								0,991

Форма воздействующего импульса тем меньше претерпевает изменения при нелинейном преобразовании, чем оно ближе к прямоугольной форме.

В пределе импульс строго прямоугольной формы, проходя через нелинейную цепь, не изменяет своей формы.