5.5. Модулятор источника анодного питания выходного каскада усилителя мощности СВЧ.

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 3

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Рис.5.4.

Сравнение будем производить относительно схемы модулятора с частичным разрядом емкости, имеющего самый высокий КПД. Функциональная схема такого модулятора показана на рис.4.6. Функциональная схема совмещённого модулятора источника анодного питания – на рис.4.8. Принципиальная схема его на рис.5.4.

Для энергетической оценки преимуществ модулятора, представленного на рис.5.4 над модулятором на рис.4.6 необходимо сравнить их КПД.

Максимальное значение КПД зарядной цепи –

, (5.5.1)

где – скважность.

При скважности, равной 100,

КПД импульсного трансформатора примерно .

Общий КПД модулятора –

, (5.5.2)

где – КПД модулятора.

Таким образом, отсутствие в схеме модулятора зарядной цепи и высоковольтного импульсного трансформатора, дает следующий выигрыш:

. (5.5.3)

В нашем случае

.

т.е. повышен КПД приблизительно на 25%.

В схеме рис.5.4 емкость конденсатора фильтра выполняет роль накопителя энергии и за время действия импульса (пакета импульсов) не должна изменять свой относительный потенциал более, чем допустимый относительный спад вершины импульса (амплитуды последнего импульса в пакете).

Энергия разряда емкости определяется как

, (5.5.4)

где – емкость источника питания.

Реализованная за время , эта энергия обеспечивает мощность питания выходного каскада усилителя СВЧ, равную

. (5.5.5)

Откуда

, (5.5.6)

где

– относительный след импульса в пакете;

– напряжение источника питания.

Полученное значение (5.5.6) необходимо проверить на выполнение условия допустимого уровня пульсации

, (5.5.7)

где – частота питающей сети.

Сопротивление нагрузки для источника питания определяется по формуле

. (5.5.8)

Следовательно, в схеме модулятора необходимо иметь конденсатор, ёмкость которого больше величины, рассчитанной по формуле (5.5.6) или (5.5.8).

Т.к. эти конденсаторы емкостью одного порядка, то отсутствие одного их них существенно сокращает габариты и вес передающего устройства.

Отсутствие в схеме накопительной ёмкости, зарядной цепи и выходного мощного высоковольтного импульсного трансформатора уменьшает габариты и вес модулятора источника анодного питания примерно на 20-40%, при этом надежность его повышается на 20%.

5.6. Модулятор катодной цепи выходного каскада СВЧ.

Рис.5.5.

Блок-схема модулятора катодной цепи представлена на рис.5.0, принципиальная схема –на рис.5.5 , блок-схема модулятора сеточной импульсной модуляции – на рис.5.0.1.

В модуляторе с сетчатой модуляцией увеличением отрицательного смещения на управляющем электроде анодный ток лампы можно запереть полностью лишь при условии, что сама сетка не излучает электронов. В действительности она эммитирует электроны, образующие, так называемый , термоток сетки.

С увеличением отрицательного смещения растет разность потенциалов между сеткой и анодом и термоток увеличивается. При скважности, равной 1000, мощность потерь на аноде удваивается за счет термотока сетки.

В модуляторе с катодной импульсной модуляцией напряжение запирания подается в катод лампы. С увеличением напряжения смещения разность потенциалов между анодом и катодом уменьшается, а между анодом и сеткой остается постоянной. Таким образом, запирание лампы происходит без увеличения термотока сетки, вследствие чего анодное напряжение может быть несколько увеличено, а значит, генератор СВЧ может отдать большую мощность.

При использований триодного генератора с внешним возбуждением, можно применить анодную, сеточную или катодную им­пульсную модуляцию, Сравним условия работы генераторной лампы при названных видах модуляции с указанием достоинств и недостатков каждого из них.

При анодной импульсной модуляции генераторная лам­па отключена от источника питания /накопителя/ в течение времени-паузы между рабочими импульсами. Поэтому начав­шийся во время рабочего импульса процесс ионизации остат­ков газа в лампе прекращается и оставшиеся ионы в про­странстве, свободном от поля и электронного потока, рекомбинируют. Это позволяет в несколько раз повысить анодное напряжение на генераторной лампе по сравнению с номинальным анодным напряжением непрерывного режима. При этом мощность потерь на электродах лампы в скважность раз мень­ше. Скважность определяется:

Q ,

где T -период следования импульсов:

-длительность рабочего импульса,

Однако, для обеспечения анодной импульсной модуляции необходимо иметь мощный коммутатор и сложный ламповый модулятор. Входная мощность анодного модулятора должна быть на 30 – 50% выше полезной мощности, т.е. выходной колебательной мощности с генераторной лампы. Также модуляторы строятся на мощных тетродах с импульсными трансформаторами. Они получа­ются малонадёжными и неэкономичными.

При сеточной импульсной модуляций коммутатор находится в сеточной цепи генераторной лампы, токи и напряжения в которой значительно меньше, чем в анодной цепи. Поэтому условия работы его значительно легче. Однако, в данном случае к аноду генераторной лампы все время приложено напряжение высоковольтного источника питания. Это обстоятельство вызывает два нежелательных явления. Во-первых, электрическое поле в лампе препятствует процессу полной рекомбинации ионов в паузе между рабочими импульсами, поэтому входное напряжение не может быть приложено больше номинального. Во-вторых, с помощью отрицательного смещения на сетке можно запереть полностью анодный ток лампы лишь при условии, что сама сетка не эмитирует электроны, образующие термоток сетки, за счет которого увеличиваются потери на аноде. Кроме того, модуляцию по сетке можно осуществить только в автогенераторах в виду склонности усилителей к самовозбуждению. Сетка лампы отделяется от земли по постоянной составляющей конденсатором. В этом случае увеличивается нагрузка на модулятор и искажается форма модулирующего импульса. Если емкость сеточного конденсатора малой величины, то возрастает угроза самовозбуждения генератора как результат возникновения положительной обратной связи из-за увеличения сопротивления току первой гармоники в цепи сетки. Кроме этого, при сеточной модуляции имеет место связь между напряжением смещения и напряжением возбуждения

,

где - постоянная составляющая сетчатого тока;

- сопротивление цепи сетчатого смещения.

Это изменение напряжения смещения вызывает искажение передаваемого сигнала с большой частотой следования импульсов.

Катодная импульсная модуляция, с точки зрения режима работы СВЧ каскада, сходна с сеточной модуляцией, так как оба этих способа представляют собой модуляцию смещением. Различие между этими способами заключается в том, что при сеточной модуляции нагрузкой модулятора является сеточный ток генераторной лампы, а при катодной модуляции – катодный ток. Следовательно, катодный модулятор должен быть более мощным по току, чем сеточный.

При катодной импульсной модуляции положительное напряжение запирания подается в катодную цепь генераторной лампы. С увеличением напряжения смещения разность потенциалов между анодом и катодом уменьшается, а между анодом и сеткой остается постоянной. Таким образом, запирание лампы происходит без увеличения термотока сетки, вследствие чего анодное напряжение может быть несколько увеличено, а значит, лампа может отдать большую мощность.

Следует отметить, что при катодной модуляции сопротивление насыщенного n-p перехода транзисторного ключа близко к нулю (0,5:2 Ом) и изменения напряжения смещения за счет постоянной составляющей катодного тока лампы практически не происходит

/или им можно пренебречь/.

Одним из основных достоинств импульсного модулятора катодной цепи генераторной лампы заключается в том, что он позволяет использовать схему усилителя СВЧ колебаний с заземленной сеткой профессора М.А. Бонч – Бруевича, обеспечивающую устойчивую работу каскада усилителя в диапазоне СВЧ. Однако, вследствие того, что полупроводниковый прибор /кремниевый транзистор n-p-n/ работает в режиме насыщения, может наблюдаться расширение длительности радиоимпульса на выходе СВЧ каскада, по сравнению с длительностью входного импульса, поступающего на модулирующее устройство. Это явление обусловлено конечным временем рассасывания неосновных носителей в области базы полупроводникового прибора.

5.6.1. Принцип действия модулятора по управлению катодной цепью генераторной и пример расчёта модулятора.

Как указывалось выше, в диапазоне СВЧ – колебаний большое распространение нашли схемы автогенераторов и усилителей с заземленной сеткой.

Если на анод лампы подать постоянное напряжение источника питания, то изменять положение рабочей точки на характеристике лампы, т.е. производить модуляцию колебаний автогенератора или усилителя, можно по катодной цепи. Функцию управляющего модулятора выполняет n-p-n транзистор, который включен в катодную цепь последовательно с генераторной лампой, т.е. коллектор транзистора подключен а катоду лампы, а эмиттер – на корпус (рис.1; рис.2). В закрытом состоянии сопротивление перехода коллектор – эмиттер транзистора велико и составляет несколько сот килоом и даже мегоом. Такое сопротивление, включенное в катод лампы, сдвигает её рабочую точку в область малых токов, т.е. практически закрывает лампу по анодному току. Величина тока через лампу определяется током утечки транзистора или, как его иногда называют, тепловым током. При подаче на базу транзистора управляющего сигнала положительной полярности и соответствующей амплитуды, обеспечивающей надежное открытие транзистора, сопротивление перехода коллектор – эмиттер уменьшается до долей ома.

Рабочая точка на характеристике лампы смещается вправо, чем обеспечивается прохождение анодного тока лампы усилителя или автогенератора. На время, равное длительности импульса, на базе транзистора обеспечивается режим генерации или усиления высокочастотных колебаний лампой. После окончания импульса на базе транзистора сопротивление перехода коллектор – эмиттер скачком возрастает и напряжение на катоде генератора СВЧ увеличивается до потенциала запирания, лампа закрывается и схема возвращается в исходное состояние.

5.6.2. Выбор транзистора для модуляции генераторной лампы по катодной цепи.

Выражение для импульсного тока коллектора транзистора можно определить, решив дифференциальное уравнение, составленное согласно эквивалентной схеме рис. 3:

,

откуда - ) , (1)

где -постоянное напряжение на аноде;

- сопротивление источника питания;

- сопротивление открытой лампы при максимальном токе анода;

крутизна характеристики тока транзистора;

- постоянное напряжение на коллекторе транзистора, равное по абсолютной величине потенциалу отсечки анодного тока;

- емкость конденсатора в цепи катода генераторной лампы.

Из формулы видно, что на величину тока через транзистор влияет внутреннее сопротивление лампы, а скорость нарастания его зависит, в основном, от параметров транзистора и величины емкости конденсатора в цепи катода. Так как в импульсном режиме ,то транзистор по току может выбираться по формуле:

,

где ;

- максимальное значение амплитуды импульсного катодного тока генераторной лампы.

Падение напряжения на сопротивлении n-p перехода закрытого транзистора, за счет протекания постоянного тока лампы при отсутствии управляющего сигнала на его базе, не должно превышать максимально допустимое коллекторное напряжение. Это значит, что потенциал отсечки анодного тока должен быть меньше величины допустимого постоянного напряжения на коллекторе транзистора. Амплитуда импульсного напряжения на коллекторе транзистора зависит от амплитудного значения высокочастотного сигнала на сетке генераторной лампы.

Для неискаженного воспроизведения фронтов модулирующего импульса транзистор следует выбирать из условия, чтобы высокочастотная составляющая спектра видеоимпульса была значительно меньше транзистора, т.е. чтобы выполнялось условие:

,

где - длительность фронта модулирующего импульса.

5.6.3. Формирование переднего фронта модулятором.

В первоначальный момент времени, когда генераторная лампа закрыта, ее сопротивление, равно нескольким мΩ, можно считать бесконечно большим. Емкость в цепи катода заряжена до напряжения запирания лампы, т.е.

При подаче запускающего импульса на базу транзистора и отсутствии управляющего сигнала на входе лампы суммарная емкость , подключенная между катодом и корпусом блока, начнет разряжаться. Потенциал напряжения, запирающего лампу, будет уменьшаться. Время, за которое потенциал напряжения запирания лампы уменьшится до уровня остаточного напряжения на транзисторе, определится временем разряда емкости через - нелинейное сопротивление транзисторного ключа. Длительность этого процесса определяет передний фронт формируемого импульса. Эквивалентная схема в данном случае будет иметь вид (рис.4).

Дифференциальное уравнение, для такой схемы, запишется в следующем виде:

, (2)

где – ток коллектора транзистора;

- напряжение на коллекторе транзистора, равное потенциалу между катодом лампы и корпусом блока.

В нормированном виде это уравнение запишется следующим образом:

, (3)

здесь , , ;

– максимальный ток транзистора, равный максимальному току открытой лампы.

Ток коллектора транзистора аппроксимируется зависимостью:

, (4)

где – ток коллектора в области отсечки, приблизительно равный тепловому току;

α- коэффициент усиления по току;

- напряжение между базой и эмиттером;

- температурный потенциал;

- постоянный коэффициент для данного транзистора;

- площадь поперечного сечения базы;

q- заряд электрона;

- коэффициент диффузии дырок;

W- ширина базы;

, (5)

где - коэффициент определяет реакцию коллектора на базу.

Значение тока коллектора в нормированном виде запишется:

, (6)

; ; . ( 6а)

За принимаем перепад напряжения на базе по амплитуде, равный потенциалу начала насыщения транзистора.

После подстановки (6) в (3) получим дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными, решение которого в окончательном виде запишется:

(7)

с учетом начальных условий t = 0, τ = 0, y = 1;

Выражение (7) позволяет определить время разряда емкости конденсатора до уровня остаточного напряжения на коллекторе транзистора. Однако, эта формула несколько неудобна для инженерно – технических расчетов, т.к. в нее входят параметры (6а), которые не всегда приводятся в справочниках, особенно на новые приборы.

Для облегчения решения данной задачи воспользуемся кусочно – линейной аппроксимацией характеристик токов транзистора: коллекторного и базового ,, представленных на рис.5. Величина тока коллектора выражается зависимостью

, (8)

где – напряжение запирания;

- напряжение смещения;

- крутизна характеристики;

при ;

- напряжение между базой и эмиттером.

Подставим (8) в (2), после нормирования получим:

.

Подставим (8) в (2), после нормирования получим:

. (9)

Решение дифференциального уравнения (9) в окончательном виде запишется:

, (10)

где ; ;

- максимальный ток нагрузки, численно равный максимальному току лампы;

- в нашем случае равно нулю.

Из выражения (10) можно определить время переходного процесса на переднем фронте:

(11)

Принимая определение длительности переднего фронта, как время, в течении которого емкость разрядится до 0.05 первоначального значения потенциала в катоде лампы, запишем формулу для определения длительности переднего фронта:

(12)

Так как время, рассчитанное по формуле (13), определялось в предложении, что на вход подан сигнал в виде единичного скачка напряжения, т.е. , то длительность переднего фронта реального выходного импульса с модулятора в катоде лампы будет равна:

; (14)

где - длительность переднего фронта выходного импульса на уровне потенциала насыщения транзистора.

5.6.4. Формирование плоской части импульса.

Продолжительность разряда емкости Ск до остаточного напряжения на транзисторе определяет окончание длительности переднего фронта импульса и начала формирования плоской части импульса. Так как емкость Ск разряжена, то ток в ней отсутствует.

Сопротивление транзисторного ключа Rк в насыщенном состоянии представляет собой чисто активную величину несколько единиц ома. Отрицательная обратная связь очень мала – ее величину можно не учитывать. Сопротивление лампы Rл намного больше сопротивления насыщенного транзистора Rнк, т.е. . Поэтому эквивалентная схема, с помощью которой можно провести анализ переходных процессов на вершине /плоской части/ импульса при модуляции триодного усилителя мощности СВЧ –колебаний имеет вид, представленный на рис. 6.

Для рассматриваемой схемы:

, поскольку при t=0, U= ; (15)

Здесь - емкость конденсатора – фильтра источника питания.

Следовательно, относительное изменение величины напряжения на аноде генераторной лампы во время рабочего импульса обусловлено разрядом конденсатора источника питания:

Так как емкость конденсатора – фильтра источника питания высоковольтного напряжения велика, т.е , то относительным изменением величины анодного напряжения за время действия импульса на лампу можно пренебречь.

5.6.5.. Формирование спада импульса.

Анализировать переходные процессы, происходящие на заднем фронте формируемого импульса, несколько сложнее. При их расчете необходимо учитывать действие на лампу отрицательной обратной связи потенциала в катоде, образующегося от заряда емкости конденсатора Ск после отключения управляющего сигнала на базе транзисторного ключа.

Характеристика анодного тока лампы при Ug<0 нелинейная и может быть аппроксимирована полиномом второй степени.

Эквивалентная схема имеет вид, представленный на рис.9:

где

очевидно, что переходный процесс закончится тогда, когда прекратится зарядный ток конденсатора Ск.

Рассмотрим схему с идеальным ключом, размыкающим цепь тока лампы скачкообразно (рис.8).

Исходное состояние – емкость конденсатора Ск разряжена, ключ разомкнут.

Дифференциальное уравнение для данной схемы:

; (16)

Аппроксимируем ток лампы с учетом возрастающего потенциала катода:

После преобразования имеем:

, (17)

где ;

;

;

Подставим (17) в (16):

; (18)

Решение его относительно t имеет вид:

. (19)

Для случая, когда , с учетом начального условия, получим формулу в окончательном виде:

Функция логарифма претерпевает разрыв первого рода при одном определенном значении напряжения в катоде лампы. Так как при этом t=∞, то это значение напряжения соответствует установившемуся режиму, т.е. полному заряду емкости Ск. Следовательно, величину напряжения запирания лампы можно определить из условия:

, откуда

; (20)

Формула (20) представляет собой максимально возможный потенциал заряда емкости конденсатора Ск /потенциал катода лампы/ при заданных значениях напряжения на аноде и мощности на выходе генераторной лампы.

Если Rк принять постоянной величиной, то дифференциальное уравнение в этом случае запишется следующим образом:

Решение этого уравнения имеет вид аналогичный (19), а значение Uк определяется по формуле:

Из выражения (21) следует, то при Rк = 0, Uк = 0, а при Rк = ∞ Uк выражается формулой (20).

Рассмотрим схему (рис.7), где роль ключа выполняет транзистор. Согласно закону Кирхгофа для токов данной схемы можно записать уравнение:

(22)

С учетом выше принятых аппроксимаций для тока лампы (17) и тока транзистора (8) уравнение (22) после несложных преобразований запишется так: (23)

Решение уравнения (23) в окончательном виде запишется так:

здесь

;

Длительность процесса на заднем фронте модулирующего импульса рассчитывается с помощью формулы (24).

Потенциал катода лампы до включения управляющего сигнала на базе транзистора ( определяется из условия установившегося процесса (t=∞) по формуле:

Время нарастания потенциала на катоде лампы после отключения управляющего сигнала можно определить из формулы (24). Длительности _ф импульса с учетом амплитуды выброса, определяется как время, в течение которого емкость конденсатора Ск зарядится до 0.95 значения величины Uк, найденной по формуле (25).

Таким образом, длительность процесса на спаде импульса определится по формуле:

После выключения сигнала на входе генераторной лампы /усилителя мощности СВЧ - колебаний/ емкость конденсатора Ск будет заряжаться до максимального значения напряжения , т.е. до установившегося потенциала нижней отсечки генераторной лампы, т.е. Uк=|Eg|.

Длительность переходного процесса можно рассчитать из формулы:

.

Откуда, применяя определение длительности переходного процесса установления схемы в исходное состояние, как время, в течение которого емкость конденсатора Ск зарядится до значения Uк=|Eg|, получим следующее выражение:

В установившемся режиме переходные процессы перезаряда емкости конденсатора Ск закончены и согласно эквивалентной схеме (рис.9) по закону Кирхгофа выполняется условие , т.е. в цепи, состоящей из последовательно соединенных источника анодного питания, генераторной лампы и транзисторного ключа, будет протекать ток, приблизительно равный тепловому току транзистора .

5.6.6. Определение амплитуды управляющего сигнала.

Из формулы (25) можно легко определить амплитуду входного сигнала, обеспечивающего режим насыщения транзисторного ключа.

Если сделать предположение, что сопротивление насыщенного перехода n-p транзистора малая величина, почти равная нулю, то тогда остаточное напряжение на транзисторном ключе будет тоже равно 0. Следовательно, приравняв в формуле (25) = 0, получим:

Откуда

Подставив значения из (24), определим амплитуду входного сигнала в общем виде:

В исходном состоянии входной сигнал на генераторную лампу не подается, т.е. поэтому

Из формулы (28) видно, что при наличии сигнала на входе генераторной лампы, что соответствует увеличению потенциала в катоде, необходимо на вход транзистора подавать большую амплитуду сигнала для обеспечения режима насыщения.

Очень важный вывод следует из этих рассуждений.

При воздействии на входе транзистора сигнала в виде группы импульсов, в которой расстояние между передними фронтами импульсов мало, то есть меньше длительности переходных процессов, определяемых по формуле (27), уровень насыщения транзистора в группе будет отличаться, а, следовательно, длительность первого модулирующего импульса должна быть больше последующих.

5.6.7. Пример расчёта модулятора по управлению катодной цепью генератора СВЧ – колебаний с внешним возбуждением.

Исходные данные. Усилитель СВЧ – колебаний на генераторной лампе ГИ-39Б. параметры модулирующего импульса:

длительность импульса

длительность фронта переднего

длительность спада импульса

частота следования импульсов F = 2000 Гц.

Из расчета усилителя, по паспортным данным и характеристикам для лампы ГИ-39Б находим необходимые данные: ток лампы Im = 10A; напряжение на аноде Ea = 10 кВ; напряжение запирания тока лампы Eg = -100 В;

ток лампы при напряжении на сетке Ug = 0 и Ea = 10 кВ равен = 6A;

крутизна анодно – сеточной характеристики ;

крутизна анодной характеристики

проницаемость лампы по первой сетке D = 0.011; амплитуда входного сигнала .

На основе этих данных по формуле (1) выбираем транзистор, ток коллектора которого должен быть равен или больше максимального тока лампы, т.е. , а допустимое напряжение постоянное между коллектором и эмиттером должно быть больше по абсолютной величине напряжения запирания лампы, т.е.

Для неискаженного воспроизведения фронтов модулирующего импульса для транзисторного ключа должно выполняться условие:

При этих данных выбираем транзистор, удовлетворяющий указанным величинам – это транзистор типа 2Т908А, для которого имеем следующие значения параметров:

на участке характеристики 1 - 2 /рис.5/ :

Принимаем величину емкости конденсатора в цепи катода длительность переднего фронта входного сигнала

В результате расчета необходимо определить:

- амплитуду напряжения входного сигнала, обеспечивающую режим насыщения транзисторного ключа;

- длительность переднего фронта модулирующего импульса;

- максимальную амплитуду выброса в коллекторной цепи транзисторного ключа;

- длительность спада модулирующего импульса;

- длительность процесса установления схемы в исходное состояние;

- мощность входного сигнала;

- остаточное напряжение на коллекторе в рабочем режиме;

- мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора.

1. По формуле (29) определяем амплитуду входного сигнала с учетом, что :

2. Определяем длительность фронта переднего модулирующего импульса по формуле (14):

предварительно определив :

3. По формуле (25) определим максимальную амплитуду выброса напряжения в коллекторной цепи транзисторного ключа при известной амплитуде сигнала на входе усилителя СВЧ – колебаний:

При вычислениях по формулам (25) и (26) необходимо учесть то, что входной сигнал на входе транзисторного ключа отсутствует, т.е. , тогда при , будет равно:

+

4. Длительность спада модулирующего импульса определяется совместно с продолжительностью нарастания выброса на спаде импульса, т.е. заднем фронте, по формул (26).

5. Время установления схемы в исходное состояние, т.е. время, за которое потенциал в катодной цепи лампы станет равным напряжению нижней отсечки анодного тока лампы, определится по формуле (27);

6. Мощность сигнала, которую необходимо подать на вход транзистора для обеспечения режима насыщения, определится как:

,

где: – ток базы транзистора, опрежеляется по выходной характеристике при

7. Остаточное напряжение на транзисторе во время действия рабочего импульса определяется следующим выражением:

здесь сопротивление насыщенного n-p перехода, справочная величина.

8. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, определяется по формуле:

где: - скважность;

- период следования кодовых групп импульсов;

– количество импульсов в кодовой группе;

Расчет мощности рассеивания необходимо производить при максимальной температуре окружающей среды, т.к. при этом тепловой ток имеет максимальное значение, указанное в справочнике.

Для транзистора 2Т908А при ; равен 0.025 А:

Эта мощность, рассчитанная по формуле (30), должна быть меньше допустимой по техническим условиям на данный транзистор, приведенной к температуре p-n перехода соответствующей рабочему режиму.

Таким образом, форма сигнала в коллекторной цепи может быть рассчитана по формулам (14, 24, 27) и иметь вид, представленный на рис.10.

При этом следует обратить внимание на величину амплитуды напряжения выброса на спаде импульса. Эта величина должна быть меньше максимально возможной амплитуды напряжения в импульсном режиме, указанной в технических условиях на примененный транзистор. Для транзистора 2Т908А допустимое импульсное напряжение равно 100 В, т.е. необходимо выбрать другой прибор, например 2Т808А, для которого допустимое импульсное напряжение составляет 250 В или ставить 3 транзистора 2Т908А включенных последовательно.

5.6.8. Краткое описание схемы и принципа работы модулятора по управлению катодной цепью генераторов СВЧ – колебаний.

Модулятор состоит из: ждущего блокинг – генератора, эмиттерного повторителя, корректирующей цепи и транзисторного ключа (рис. 11).

Блокинг – генератор служит для формирования импульсов по длительности и амплитуде. Собран на транзисторе Т1 с формирующей цепочкой С2 R3 в цепи эмиттера. Через вторичную обмотку 3-4 трансформатора Тр подается сигнал положительной обратной связи блокинг - генератора, а с третьей обмотки 5 – 6 снимается сформированный по длительности и амплитуде импульс на эмиттерный повторитель. В исходном состоянии ждущий блокинг – генератор закрыт, так как на базе кремниевого транзисторного Т1, по отношению к эмиттеру нулевой потенциал, а так же в цепи эмиттера установлена формирующая цепочка, образующая автоматическое смещение. Запуск ждущего блокинг – генератора осуществляется по коллекторной цепи импульсом отрицательной полярности через диод Д1. Конденсатор С1 предохраняет предыдущий каскад от попадания на его выход постоянного потенциала источника коллекторного напряжения.

Резистор R2 - сопротивление утечки по постоянному току диода Д1, а резистор R1 установлен для обеспечения согласования выходного сопротивления предыдущего каскада с входным сопротивлением модулятора.

Эмиттерный повторитель предназначен для согласования большого выходного сопротивления блокинг – генератора с малым входным сопротивлением транзисторного ключа. Эмиттерный повторитель обеспечивает работу блокинг – геераора на постоянную нагрузку. Собран на транзисторах Т2 и Т3. Для предотвращения выхода из строя транзисторов Т2 и Т3 в коллекторные цепи включены резисторы R7 и R6, ограничивающие ток транзисторов до уровня максимально – допустимого по техническим условиям на них. Резистор R5 ограничивает базовый ток транзистора Т2, а диод Д2 срезает амплитуду отрицательного выброса, образующегося на выходной обмотке трансформатора блокинг – генератора.

Корректирующая цепь передает форму управляющего сигнала с минимальным искажением на вход транзисторного ключа. Состоит из конденсатора С5 и резистора R8.

Транзисторный ключ осуществляет управление амплитудой тока высокой частоты, за счет изменения сопротивления в катодной цепи генератора СВЧ – колебаний. Собран на транзисторе Т4 /2Т808А/. Резистор R9 является сопротивлением утечки базового тока транзистора Т4. Номинал сопротивления не должен превышать величины, указанной в технических условиях на транзистор Т4. В данном случае R9 = 10Ω.

Модулятор работает следующим образом.

В исходном состоянии транзисторный ключ Т4 закрыт. Сопротивление n-p-n перехода коллектор – эмиттер Rкэ составляет несколько мΩ. Генераторная лампа закрыта по катоду потенциалом Uк=|Eg|, образующимся на Т4 – автоматическом смещении. Импульс запуска отрицательной полярности поступает на коллектор транзистора Т1 блокинг – генератора, который формирует рабочий импульс по длительности и исключает влияние нестабильности параметров входного сигнала на форму модулирующего импульса. Импульс с блокинг – генератора через эмиттерный повторитель подается на транзисторный ключ Т4. Транзистор Т4 открывается и его сопротивление Rкэ изменяется от нескольких мΩ до долей Ω, Напряжение на коллекторе транзистора, запирающего генераторную лампу, уменьшается от Uк = |Eg| до величины нескольких вольт /2:5 вольт/. Генераторная лампа открывается и происходит формирование СВЧ – колебаний. После окончания импульса с блокинг – генератора, воздействие управляющего сигнала на транзисторный ключ Т4 прекращается. Транзистор Т4 закрывается, сопротивление Rкэ увеличивается от нескольких долей Ω до нескольких мΩ. потенциал в катоде генераторной лампы возрастает до величины, рассчитываемой по формуле (25). В примере U’к = 241.69 вольт. Лампа закрывается. СВЧ- колебания прекращаются. Схема возвращается в исходное состояние.

Все конечные выражения приведены к виду, удобному для использования в инженерной практике и студентами старших курсов радиотехнических факультетов при курсовом проектировании.

Получена формулы для расчета:

- амплитуды выброса в коллекторной цепи;

- амплитуды выходного сигнала, обеспечивающей режим насыщения транзистора;

- длительностей переднего фронта, спада импульса и времени восстановления схемы в исходное состояние.

В приведенном примере даны практические рекомендации, которые необходимо учитывать при расчете модулирующего устройства.

5.7. модулятор источника анодного питания и катодной цепи выходного каскада усилителя мощности СВЧ.

Блок – схема модулятора источника анодного питания и катодной цепи выходного каскада СВЧ представлена на рис.5.6, принципиальная схема на рис.5.7.

Модулятор осуществляет анодную импульсную модуляцию без использования дополнительных накопительных емкостей и мощного выходного высоковольтного импульсного трансформатора. В качестве коммутирующих приборов могут быть использованы высокоэкономичные полупроводниковые приборы типа тиристоров. Последние не требуют

Рис.5.6. Блок – схема модулятора управления источником анодного питания и катодной цепью СВЧ усилителя

дополнительных источников питания накала и потенциалов запирания. Время выключения тиристоров составляет порядка 15 - 40мксек, время включения – 0,1 – 0,2мксек.

Применение тиристоров позволяет значительно сократить габариты и вес не только модулятора, но и подмодулятора, т.к. они могут быть выполнены полностью на полупроводниковых приборах. Все это заметно повысит КПД и надежность устройства в целом.

Рис.5.7.

Оценку выигрыша КПД модулятора, представленного на рис.5.6, проведем в сравнении с модулятором, собранным по схеме рис.4.8.

Расходуемся в модуляторе, энергия уменьшится за счет резкого снижения остаточного напряжения на коммутирующем приборе.

Самая экономичная малогабаритная отечественная лампа, допущенная на работу в пакетно-импульсном режиме с малой скважностью (ГЖИ-26Б), имеет по ТУ остаточного напряжения , равное 800В. Остаточное напряжение на тиристоре составляет примерно 2-3в, при последовательном включении десяти тиристоров =20в.

При одном и том же коммутирующем токе потеря мощности уменьшается на

Мощность накала лампы 85вт, мощность обдува её вентилятором типа ДВО- равна 40вт. Следовательно, общая мощность, расходуемая модулятором, уменьшится на 203вт, в результате при выходной средней мощности модулятора порядка 900вт КПД его увеличится на 22,6%.

С увеличением коммутирующего тока выигрыш в КПД модулятора будет увеличиваться.

Мощность управления десятью тиристорами около 10вт. Мощность, расходуемая подмодулятором:

1) по источнику питания =1250в, Р=15вт;

2) по источнику питания =400в, Р=6вт.

Мощность накала лампы ГМИ-20 – 15вт, мощность накала двух ламп 6Н6П – 12вт. Величина мощности, расходуемой подмодулятором, составит порядка 38вт.

Таким образом, общий КПД модулятора источника анодного питания и катодной цепи выходного каскада усилителя мощности СВЧ увеличивается на 26,8%, габариты и все его (с учетом исключения источников питания) уменьшаться приблизительно на 40%, надежность повысится примерно на 20%.

1) В первом и в третьем модулирующем устройстве коммутатор выполняет функцию только ключа, т.е. управляет потенциалом на аноде нагрузки . Во втором модулирующем устройстве он выполняет функцию и ключа, и отрицательной обратной связи в цепи нагрузки, т.е. .

2) В первом модулирующем устройстве коммутатор управляет источником напряжения питания нагрузки сигналом из внешней цепи. Во втором – напряжение источника питания постоянно приложено к нагрузке, а коммутатор управляет током нагрузки. Третья является комбинацией двух модулирующих устройств, первого и второго. В паузах между посылками импульсов потенциал на нагрузке отсутствует, однако отключение напряжения происходит за счет управления током нагрузки.

3) Второе модулирующее устройство управляет катодной цепью СВЧ – приборов, что позволяет исключать высокопотенциальные элементы и в результате уменьшить габариты, вес модулятора и повысить надежность в эксплуатации.

Однако наличие постоянного напряжения на нагрузке ограничивает возможность использования СВЧ - приборов. Допустимое постоянное напряжение на аноде ЭВП как минимум в три раза меньше допустимого импульсного. Поэтому там, где важна выходная мощность, значительный уровень её может быть получен при анодной модуляции. Уменьшение времени пролета электронов с увеличением напряжения – фактор в пользу анодной модуляции. Это особенно важно для мощных генераторов СВЧ и высоковольтных ламп, используемых в качестве коммутаторов, которые имеют значительные межэлектродное расстояние.

1. Применение совмещённых импульсных модуляторов позволяет улучшить коэффициент использования генераторных ламп.

2. Модулятор источника анодного питания и модулятор источника анодного и катодной цепи выходного каскада усилителя мощности СВЧ по сравнению с модуляторами других типов имеют меньшие габариты и вес (до 40%), более высокие КПД (на 26%) и надежность в эксплуатации (на 20%).