Усилитель мощности миллиметрового диапазона длин волн (стр. 5 из 13)
2.3 Анализ требований к импульсному модулятору для ЛБВ
Импульсный модулятор предназначен для формирования мощных видеоимпульсов, управляющих напряжением на управляющем электроде ЛБВ. Модулятор является сложным и ответственным устройством любого передатчика и от его устойчивой работы зависит обеспечение ряда важных характеристик блока.
Сформируем требования к модулятору.
Таблица 2.1 – Требования к модулятору
| №/№ п/п | Параметр | Значение параметра | Примечания |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 1. | Частота повторения импульсов, Гц | 8000 | |
| 2. | Длительность импульса, мкс | 12 | |
| 3. | Длительность переднего фронта импульса, мкс | £0,1 | |
| 4. | Длительность заднего фронта импульса, мкс | <0.2 | |
| 5. | Скважность | ³10 | |
| 6. | Напряжение на выходе модулятора, В Отрицательное в паузе, Положительное в импульсе | 1800 0-100 | ТЗ на ЛБВ |
| 7. | Емкость нагрузки Спар, пф | £50 | |
| 8. | Ток нагрузки в импульсе, mA | £2 | |
| 9. | Питание модулятора, В | Уточняется при проектировании | |
| 10. | Импульс запуска (ИЗМ) от синхронизатора, В | ТТЛ |
Проведем анализ требований к модулятору, представленных в таблице.
Пункты 1, 2, 5, 6 являются директивными и обсуждению не подлежат.
Пункт 3, 4. Длительность импульса модулятора может быть больше длительности СВЧ импульса, так как длительность фронтов огибающей СВЧ импульса всегда меньше, чем у модулирующего импульса в силу действия закона степени 3/1.
Пункт 7. Определяется параметрами ЛБВ.
Пункт 8. Определяется параметрами ЛБВ.
Пункт 9. Определяется параметрами ЛБВ.
В соответствии с техническими характеристиками ЛБВ амплитуда импульса должна быть не менее 1500 В. Длительность фронта импульса tфи = 0.2 мкс. Емкость управляющий электрод – катод – Свх = 50 пФ. Определим мощность которую должен обеспечить модулятор (Рфи), чтобы зарядить входную емкость Свх на 1500 В, за время длительности фронта импульса.
Рфи = (СU)2/2tфи = 300 Вт. (2.2)
Видно, что несмотря на отсутствие тока управляющего электрода, импульсный модулятор должен обеспечивать очень большую мощность для формирования заданного значения длительности фронта импульса.
3. Разработка и обоснование структурной схемы проектируемого устройства
3.1 Структурная схема усилителя
Структурная схема усилителя мощности на ЛБВ приведена на рисунке 3.1. Усиливаемый входной сигнал поступает на вход твердотельного усилителя мощности на ЛПД (ТУ). Коэффициент усиления ТУ 16 дБ. Выходная мощность более 100 мВт. С выхода усилителя СВЧ сигнал поступает на управляемый аттенюатор. Ослабление вносимое аттенюатором выбирается таким образом, чтобы сквозной коэффициент усиления со входа усилителя на его выход не зависел от АЧХ ЛБВ. Для этого измеряется АЧХ ЛБВ и дешифратор программируется таким образом, что вносимое аттенюатором ослабление равно по величине и противоположно по знаку изменению коэффициента усиления ЛБВ, выраженному в дБ. Применение аттенюатора позволяет установить оптимальное значение мощности сигналы на входе ЛБВ, имеющей неравномерную АЧХ. При отсутствии кода частоты возможно некоторое уменьшение мощности выходного сигнала и увеличение фазовых искажений на выходе ЛБВ. При использовании усилителя в передающем устройстве РЛС частота передатчика всегда известна и формирование кода частоты усиливаемого сигнала не вызывает трудностей. С выхода УА сигнал поступает на ЛБВ. Питание ЛБВ осуществляется от высоковольтных источников питания ИП1 и ИП2. ИП1 обеспечивает питание замедляющей системы ЛБВ и имеет напряжение 25 кВ, мощность ИП1 - 40 вт. ИП2 обеспечивает питание коллектора ЛБВ и имеет напряжение 10 –15 кВ, мощность более 300 вТ. Для уменьшения массы и габаритов ИП1 и ИП2 выполнены по схеме высокочастотного преобразователя и работают на частотах 30 – 40 кГц. На управляющий электрод ЛБВ подается импульсный сигнал модулятора. Амплитуда импульса более 1.5 кВ. Для уменьшения влияний пульсаций источников питания и улучшения параметров и электромагнитной совместимости усилителя мощности на ЛБВ, частота высокочастотного преобразователя, должна быть кратна частоте повторения импульсов. Это может быть обеспечено путем синхронизации частот ИП1 и ИП2 сигналом опорного кварцевого генератора РЛС. Это позволяет обеспечить когерентность сигналов РЛС и высокочастотных преобразователей ИП1 и ИП2, частоты которых задаются сигналом с выхода делителя с переменным коэффициентом деления ДПКД1. При таком построении частота следования импульсов на выходе передатчика может задаваться сигналом с выхода ДПКД2. Выбирая требуемые значения коэффициентов деления ДПКД1 и ДПКД2, можно обеспечить необходимое значение частоты импульсов на выходе передатчика. При этом частота высокочастотных преобразователей будет равна 32 – 40 кГц.
 |
Рисунок 3.1 - Структурная схема усилителя на ЛБВ
Рисунок 3.2 - а) Блок схема параллельного включения;
б) Блок схема последовательного включения.
Такое построение передатчика устраняет возможность появления комбинационных составляющих в спектре доплеровских частот принимаемого сигнала, образованных частотой повторения импульсов и частотой источника питания, позволяет снизить требования к коэффициенту пульсаций источника питания. Для работы усилителя мощности при отсутствии сигнала ОКГ, через коммутатор (Ком) в схему подается сигнал собственного генератора ЗГ. Частота генератора ЗГ выбрана равной 10 МГц.
Основное отличие разных реализаций современных бортовых источников питания ЛБВ заключается в способе включения коллекторного источника.
На рисунке 3.2 представлены блок-схемы для двух таких способов.
С точки зрения обеспечения заданных напряжений на электродах ЛБВ, обе схемы совершенно эквивалентны, и обе широко распространены в отечественной и мировой практике, однако имеются соображения к предпочтительному выбору.
Схема на рисунке 3.2 б) более компактна, поскольку около 50-60% напряжения получаем как бы “бесплатно” за счет суммирования коллекторного напряжения. В схеме на рисунке 3.2 а) проще реализуются требования по пульсациям и защитные функции при переходных процессах.
Конкретный выбор обычно зависит от уровня мощности источника и, в некоторой степени, от личного опыта разработчика. Как и при выборе охлаждения и в проблемах с высотностью, здесь мы сталкиваемся с пограничным случаем. Обычно при мощностях УМ ³500 Вт выбирают параллельный вариант.
При отсутствии жестких требований к массе и габаритам источника питания целесообразно использовать раздельные источники питания цепи коллектора и замедляющей системы. При этом защита по току цепей коллектора и замедляющей системы может быть осуществлена в выходных каскадах высокочастотных преобразователей.
Для увеличения времени наработки на отказ питание цепи накала должно осуществляться переменным напряжением 3 В, при частоте источника питания 50 или 400 Гц. Цепь накала ЛБВ обладает индуктивностью. Для частот 50 – 400 Гц этой индуктивностью можно пренебречь, сопротивление цепи накала считается чисто активным, значение индуктивности цепе накала ЛБВ неизвестно и может иметь большой разброс для различных экземпляров ЛБВ одного типа. При питании накала частотой 30 – 40 кГц, значение индуктивного сопротивления цепи накала увеличивается в сотни раз и пренебрегать его значением нельзя. Устранить влияния индуктивности можно путем питания цепи накала от источника тока. Однако источники питания цепей коллектора и замедляющей системы (ИП1 и ИП2) – источники напряжения. Поэтому для увеличения выходного сопротивления источника питания цепи накала напряжением 3 В, на обмотке накала трансформатора ИП2 формируется напряжение 12 В, а ток цепи питание задается резистором, значение которого равно
R = (12 – 3)/Iн, (3.1)
где I – ток накала ЛБВ ( А).
Схема цепи накала ЛБВ приведена на рисунке 3.3.
LRн
Рисунок 3.3 - Схема цепи накала
Для устранения самовозбуждения ЛБВ и улучшения стабильности АЧХ и ФЧХ усилителя при неидеальной нагрузке, на выходе ЛБВ установлен ферритовый вентиль.
3.2 Структурные схемы источника питания и выбор элементной базы
Источник питания цепи коллектора (ИП-1) по мощности относится к ИП средней мощности. С учетом анализа технических требований за основу для предварительного расчета выберем один из известных вариантов структурных схем для ключевого источника питания средней мощности. В ИП (рис.3.4) входит входной выпрямитель, ключевой стабилизатор напряжения, мостовой преобразователь напряжения, высоковольтный трансформаторно-выпрямительный модуль, цепь обратной связи, по которой поступает информация о напряжении и токе в нагрузке, а также служебный маломощный источник питания для питания стабилизированным напряжением схемы управления и защиты +15 В. Такая структурная схема не является окончательной, в процессе отработки режимов работы всего устройства в целом она может претерпевать определенные изменения, но она позволяет провести предварительные расчеты режимов по токам и напряжениям и выбрать необходимую элементную базу для высоковольтного источника питания в целом или сформировать необходимые требования к отдельным компонентам ИП.