Заняття №1 Загальні відомості про передавальні пристрої. Основні типи передавачів та їх характеристики.

Тема 2 Радіопередавальні пристрої ЗРЛ РТВ ППО

1. Призначення, класифікація і характеристики передавальних пристроїв ЗРЛ РТВ ППО.

2. Автогенератори.3. Помножувачі частоти.4. Підсилювачі потужності НВЧ на клістронах.

Питання заняття

Призначення, класифікація і характеристики передавальних пристроїв ЗРЛ РТВ ППО

Передавальні пристрої призначені для створення електромагнітних коливань, які можуть використовуватися (передаватися на відстані у вигляді ЕМ хвиль) в інформаційних або енергетичних цілях.

Передавальні пристрої, що використовуються в інформаційних цілях (ЗРЛ) для передачі радіосигналів називаються радіопередавачами.

В передавальному пристрої за рахунок перетворення енергії джерела живлення (ДЖ) створюються (генеруються) ЕМ коливання певної частоти і потужності. Для отримання інформаційного сигналу ЕМ коливання керуються (модулюються) по одному, або декількох параметрах (амплітуді, фазі, частоті)

Радіопередавальні пристрої (РПерП) можна класифікувати за наступними основними ознаками:

за діапазоном хвиль:метрові;дециметрові;сантиметрові;за видом модуляції:амплітудної (АМ);імпульсної (ІМ); частотної (ЧМ);фазової (ФМ);амплітудно-імпульсної (АІМ);фазоімпульсної (ФІМ);широтноімпульсної (ШІМ);

за типом побудови генераторної частини: однокаскадні;багатокаскадні.

Однокаскадні РПерП працюють в автоколивальних режимах і є потужними автогенератороми.

Багатокаскадні РПерП працюють в режимі підсилення коливань стороннього джерела (задавального генератора) і будуються за схемою - задавальний генератор-підсилювач потужності.

за типом генераторного приладу: лампові (тріоди, тетроди) (НЧ);магнетронні (НВЧ);клістронні (НВЧ);платинотронні (НВЧ);напівпровідникові;транзисторні (тріодні);діодні: а) на тунельних діодах; б) діодах Ганна; в) лавинопролітних діодах;за потужністю:малої;середньої;великої;за мобільністю:стаціонарні;пересувні (бортові);переносні.

Імп.запПідмодулятор

(ПМ)

Імпульсний модулятор

(ІМ)

Генератор НВЧ

(ГНВЧ)

до АФТ

Система управління, захисту і контролю

(СУЗІК)

Джерело живлення(ДЖ)

3ф 380220 В 400 ГцВід промислової мережі або агрегату живлення

Рис. 1. Структурна схема однокаскадного РПерП

Тп (ІЗ)

іПМ

Тп (ПМ)

ІМ

і (ЗС)

ТП (ЗС)

U=(160)кВ

Рис. 2. Часові діаграми роботи однокаскадного РперП

Uіз

Uпм

Uім

UГНВЧ

t

t

t

t

ЗБУДЖУВАЧ

ЗГ ПП ПЧ ПП

ІМ ІМ ІМ

ПМ

ГНВЧ

ІМ

ПМ

СУЗІК

ДЖ

до АФТ

Мережа 3ф 220400Гц(Агрегат живленная)

Рис. 3. Структурна схема багатокаскадного РПерП

ІЗ

від синх-ронізатора

Генераторкварцовий

fгетер

Змішувач(Зм)

ПЧ(в n

разів)

ПЧ(в n

разів)

ПЧ(в n

разів)

Генераторкварцовий

fпр

fг

fпр

fг

(на приймач)

fс=fг+fпр

(на вих. ПП)

fпр

(на приймач,синхронізатор)

Рис. 4. Структурна схема задавального генератора.

Оскільки процес генерування електромагнітних (ЕМ) коливань заключається в перетворенні енергії джерела живлення в енергію коливань електромагнітного поля, то існують різні методи генерування ЕМ коливань і відповідні типи і принципи роботи генераторів НВЧ.

Тому розрізняють такі види генераторів:з самозбудженням (автогенератори);з зовнішнім збудженням (підсилювачі потужності);а також розрізняють три основних класи генераторів:електронні;іонні;квантові.

Найбільший інтерес для ЗРЛ РТВ ППО являють електронні генератори, в зв'язку з цим розрізняють два метода вирішення задачі підтримки незатухаючих НВЧ коливань:

1. Електричне управління електронним потоком.На цьому методі основана робота:лампових ( тріодних,тетродних);транзисторних;діодних генераторів.2. Електродинамічне управління електронним потоком.На цьому методі основана робота:клістронних;магнетронних;ЛБХ, ЛЗХ;гібридних генераторів.

Конструктивні характеристики генераторних приладів.

1. Напруга на аноді (Ua) (колекторі) - визначає розміри і вартість джерела живлення (ДЖ) і ІМ, а також інтенсивність рентгенівського випромінювання, тому необхідно застосовувати спеціальні методи для захисту особового складу.

2. Коефіцієнт підсилення приладу (Кпідс) - визначає в основному ступінь складності підсилювального ланцюжка.

3. Смуга пропускання (f) - визначає складність системи АПЧ.

4. ККД - коефіцієнт корисної дії визначає масу, вартість РПерП, ставить високі вимоги до систем ПО, РО і потужності первинних джерел живлення.

5. Інтенсивність паразитних коливань і шумів - визначає необхідність застосування спеціальних дій для їх зниження на виході тракту на передачу.

Орієнтовні границі досяжних максимальних потужностей різних типів генераторів в неперервному режимі роботи в залежності від діапазону довжин хвиль показані на рис. 5.

Рис. 5. Максимальні потужності різних типів генераторів

(на клістронах, ЛБХ, ЛЗХ, магнетронах)

(на тріодах та тетродах)

(на транзисторах)

(на ЛПД, ДГ)

3 0,3 3•10-2 3•10-2 3•10-4 3•10-5 3•10-6 3•10-7 , м

106

105

104

103

102

10

1,0

0,1

Р, Вт

Більш повні характеристики деяких основних типів електронних автогенераторів і підсилювачів потужності представлені в таблицях 1, 2.

Таблиця 1 Потужні автогенератори

Тип генератора

Діапазони, см

Діапазон перестр.

Середовища 

механіч.

електрон.

ККД Pu, Мвт

.

Тріодні, тетродні

20050 50 - 50 до 1

Магнетронні 501 10 - 3070 до 10

Клістронні 300.1 15 - 615 до 10

Стабілітронні 501 10 - 60 до 10

ЛЗХ М-типу 301.5 - 15 40 до 0,1

Транзисторні 105 50 30 3050 0,001

ЛПД 300,3 50 3040 1020 до 0,01

Діоди Ганна 100,5 50 3040 2012 до 0,001

Таблиця 2 Потужні підсилювачі

Таким чином тип генераторного прибора в основному і визначає технічні (основні) характеристики РПерП.

Тип підсилювача. Діапазон, см

Смугапропускан

ня

Ку, Дб ККД, % Pu, МВт

Тріодні, тетродні 20050 15 510 50 5

Магнетронні 1001 10 1020 60 до 10 та вищ

Клістронні 1501 1 40 40 40

Стабілітронні 1000,6 10 30 30 5

ЛЗХ М-типу 501,5 10 310 6070 10

Транзисторні 101,5 10 510 3050 0,001

ЛПД 70,4 10 510 318 0,001

Діоди Ганна 80,7 10 1030 212 0,0001

Технічні характеристики РПерП.1. Імпульсна потужність (Рi). Визначає дальність дії РЛС

(разом із Fn, і) дальність розвідки противником, а також вимоги до електричної міцності АФТ і впливає на перешкодозахищеність РЛС за умов дії АШП, встановлює вимоги до джерел живлення.

2. Середня потужність (Рсер)Рсер=Рі/Q, де Q=Tn/і (скважність)

визначає середнє значення потужності ЗС за період повторення Tn.

3. Потужність, що споживається (Рспож) - визначає вимоги, що пред’являються до первинних і вторинних джерел живлення (габарити, маса, потужність та ін.), а отже визначає час готовності РЛС і мобільності.

4. Час готовності (tгот) - визначає час готовності РЛС в цілому і залежить в основному від часу готовності первинних джерел живлення і часу готовності генераторного приладу.

5. Довготривала відносна нестабільність несучої частоти (може сягати f10-4) і суттєво впливає на перешкодозахищеність РЛС і на ефективність подавлення ПП в системах СРЦ.

6. Ширина основного пелюстка енергетичного спектра ЗС визначається на рівні 0,25 амплітуди і вимірюється в (МГц) - визначає розмір імпульсного об'єму РЛС по дальності і впливає на роздільну здатність по дальності, а також на перешкодозахищеність РЛС в умовах ПП і точність виміру дальності.

7. Амплітуда бокових пелюстків енергетичного спектра (%) - визначає перешкодозахищеність РЛС.

8. Тривалість ЗС (і) - визначає енергію імпульсу (Eі=Pіі) і при відсутності внутрішньої імпульсної модуляції роздільну здатність і точність визначення дальності (Д, Д), що впливає на перешкодозахищеність, а отже на життєвість РЛС.

9. Довжина хвилі () впливає на:а) перешкодозахищеність за умов ПП, т.я. вiд залежить:кількість сліпих швидкостей в діапазоні можливих

швидкостей польоту цілі (Vrсп=Fn/2);роздільна здатність (Vr=F

2/2) по швидкості;точність виміру;середнє квадратичне розкидування F в спектрі сигналу,

відбитого від джерела ПП;середнє значення ЕПР (ЕВП) гідрометеорів =(l/), де l -

лінійний розмір гідрометеора.

б) дальність визначення, т.я. від залежить:середнє значення ЕПР цілей ц;коефіцієнт шуму Kш (зі збільшенням , Kш зменшується).втрати за рахунок затухання радіохвиль в атмосфері (зі

збільшенням , втрати зменшуються);степінь впливу підстиляючої поверхні на зону виявлення

РЛС (інтерференційний помножувач землі Фг,в()).в) роздільну здатність по кутовим координатам:Lант (Lант - лінійний розмір антени).10. Діапазон перестроювання - визначає можливість РЛС

працювати за умов АШП, тобто її перешкодозахищеність.

Висновок: Таким чином перспективними для РЛС РТВ ППО є багатокаскадні РПерП, які дозволяють забезпечити високу стабільність параметрів ЗС, високу потужність і ремонтоздатність, а отже малий час відновлення.

Перспективними генераторними приладами, що працюють у режимі підсилення є багаторезонаторні прольотні клістрони і, безумовно, напівпровідникові діодні генератори (на діодах Ганна, ЛПД).

Схемне рішення, тип генераторного приладу, технічні характеристики РПерП в цілому мають суттєвий вплив практично на всі основні характеристики (бойові можливості) РЛС.

Рис. 6. Структурна схема автогенератора

Автогенератори

Ланцюгзворотного

зв’язку

Підсилювальнийелемент

ДжерелоUпост

Коливальнасистема

2

2

1

1

3

3Вихід

Автогенератор створює коливання тільки при одночасному виконанні балансу амплітуд і балансу фаз вимушених і власних коливань, що залежить від правильного вибору параметрів ланцюга ЗЗ.

При розірваному ланцюгові ЗЗ коефіцієнт підсилення визначається виразом:

де у - зсув фаз між вхідною і вихідною напругами, причому Uвих=SсрZekUвх, де Sср - середня крутизна ВАХ підсилювального елемента; Zek - модуль опору еквівалентного контуру, тоді:

K

U

U

U

Uey

Bux

Bx

Bux

Bx

j y

K S Z ey cp ekj y

При замкнутому ланцюгові ЗЗ результуючий коефіцієнт передачі визначається виразом:

1Bux

Bx

Bx

Buxззy U

U

U

UKKK

причому зззз joc

j

Bux

Bxзз eKe

U

UK

де зз - зсув фаз в замкнутому ланцюзі ЗЗ, тоді:

З отриманого рівняння отримуємо умову балансу амплітуд:КззSсрZek=1

і умову балансу фазу+зз=2n

1)( ocyj

ekcpзз eZSKK

Внесення енергії в контур еквівалентно внесенню від’ємного опору, завдяки чому зменшуються втрати в контурі.

В зв’язку з цим самозбудженням в автогенераторі наступає тільки в тому випадку, коли внесений за рахунок ланцюга ЗЗ і підсилювального елемента від’ємний опір по абсолютній величині перевищить опір втрат контуру або стане рівним йому.

В коливальний контур може вноситися від’ємний активний опір, якщо між першою гармонікою Uвих1 і вихідною напругою Uвих зсув фаз, що дорівнює 180 (), тобто у=180.

Якщо ця умова виконується, то в коливальний контур вноситься тільки активний від’ємний опір і частота коливань автогенератора відповідає власній резонансній частоті контуру

де, L,C - індуктивність і ємність еквівалентного резонансного контуру.

На практиці у180, відповідно частота коливання відрізняється від власних коливань резонансної частоти W0, що визначається характером реактивної складової опору, що вноситься в коливальну систему автогенератора.

W WLC

ar 0

1

Автогенератори можуть мати декілька режимів самозбудження:

а) з м’яким самозбудженням;б) з жорстким самозбудженням.Для автогенераторів з м’яким збудженням характерна

можливість збудження при появі достатньо малої амплітуди напруги на вході підсилювального елемента, тобто, за рахунок флуктуацій електронного струму.

Для автогенераторів з жорстоким збудженням характерним є те, що малі коливання на вході підсилювального елемента не можуть викликати самозбудження. Забезпечити самозбудження можливо тільки при великій початковій амплітуді вхідної напруги.

На практиці жорсткий режим реалізується шляхом подачі на підсилювальний елемент від’ємної напруги зміщення, яка запирає лампу або транзистор і при якій малі амплітуди вхідної напруги не можуть викликати струму в вихідному ланцюзі.

Від режиму самозбудження залежить форма вихідного струму підсилювального елемента. У випадку а) - підсилювальний елемент працює без відсікання, а в випадку б) - з відсіканням вихідного струму. Відповідно випадок а) більш корисний, оскільки автоколивання виникають і самостійно встановлюються зразу після вмикання автогенератора. Але працювати у встановленому режиму зручніше при малих кутах відсікання , так як при цьому можна отримати:

більш високий ККД; менші теплові втрати; більш високу стабільність частоти автогенератора.Можна знайти і компромісне рішення, при якому в момент

включення автогенератор збуджується в м’якому режимі (подача певного Езм), а потім автоматично переходить в режим жорсткого самозбудження (шляхом зміни Езм в процесі встановлення автоколивань при використанні ланцюжка автозміщення).

Автогенератори на тріодахможуть бути:одноконтурними;двоконтурними.Більшість схем лампових автогенераторів може бути

зведено до узагальненої схеми рис. (7).В цій схемі всі активні і реактивні опори представлені Zі

оскільки лампа під'єднується до коливальної системи в трьох точках, то такі схеми прийнято називати триточковими.

Рис. 7. Узагальнена триточкова схема автогенератора.

Z1

Z2

Z3

+

-

L3

L1

L2

C1

C3

R

C2

Ë

а) Індуктивна триточка

+

-

L1

C2

R

C3

Ë

C1

L2

б) Ємнісна триточка

1

2

210 )(

1

LLKзз

LLCW

2

1

21

210

1

CCKзз

CCCC

LW

Одноконтурні автогенератори

в) з трансформаторним ЗЗ

Ë

C1

C3C2

R

+-

2

210 )(

1

LMKзз

CLLW

Частота генерованих коливань у таких автогенераторів близька до власної частоти контуру і може змінюватися в широких межах. Такі автогенератори надійні, прості і економічні, але через те, що контур є навантаженням і має низьку добротність, такі автогенератори характеризуються невисокою стабільністю частоти, а також працюють на відносно довгих хвилях, т.я. вже на КХ плавне регулювання ланцюга ЗЗ стає неможливим.

Двоконтурні автогенераториВ таких схемах є можливість розділити функції стабілізації

частоти і виділення потужності між двома контурами, причому можливість виділення в другому контурі вищих гармонік, тобто сильна розстройка контурів, сприяє їх розв’язці, а значить стабільності частоти.

Якщо еквівалентний опір першого контуру значно більше опору другого контуру, то в ньому буде виділятися основна доля генерованої потужності, і його ж слід зв’язувати з навантаженням. В наслідок того, що зв’язок між контурами в таких генераторах здійснюється за рахунок загального електронного потоку, вони отримали назву - автогенератори з електронним зв’язком (або з електричним управлінням електронного потоку). Зв’язок контурів відбувається через одну з міжелектродних ємностей, загальна точка контурів, як правило, заземляється по високій частоті і відповідно до цього схеми розрізняють:

а) з загальним катодом

Ë

+

-

б) з загальною сіткою

Ë

-

+

в) з загальним анодом

Л

+ -

В діапазоні метрових і дециметрових хвиль знайшли широке застосування автогенератори з загальною сіткою. Настроювання такого автогенератора проводять анодно-сітковим контуром, регулювання зворотного зв’язку катодно-сітковим.

Автогенератори з загальним анодом і загальним катодом мають більш кращу стабільність частоти, але менший діапазон перестроювання. Крім того, в таких автогенераторах для плавного регулювання ЗЗ потрібен додатковий орган для змінювання ємності, причому перестроювання анодно-катодного контуру змінює не тільки величину ЗЗ, але і опір навантаження, що негативно впливає на вихідну потужність (Рвих) та коефіцієнт корисної дії.

Транзисторні автогенераторихарактеризуються низьким рівнем власних шумів, високою

стабільністю частоти і здатністю змінювати її в широких межах під впливом керуючих сигналів. Такі автогенератори застосовуються в якості опорних (задавальних) генераторів у збуджувачах багатокаскадних РПерП, гетеродинів приймальних пристроїв, контрольно-вимірювальної апаратури та ін.

Корисна потужність складає величину від декількох міліват до десятків ват в залежності від призначення .

Максимальна робоча частота визначається частотою генерації напівпровідникових приладів і може сягати 56 ГГц. Крім того, транзисторні автогенератори мають миттєвий час включення у порівнянні з ламповим, а це дуже важливо, оскільки визначає час готовності РПерП до роботи.

а) індуктивної триточки б) ємнісної триточки

Магнетронні автогенераториВ дециметровому і сантиметровому діапазонах хвиль

ефективним автогенераторним приладом є багаторезонаторний магнетрон (БМ).

БМ дециметрового діапазону мають 812 резонаторів, в міліметровому діапазоні кількість резонаторів зростає до 40.

Крім того, діапазонні магнетрони можуть мати механізм перестроювання частоти. Простір між анодним і катодним блоками називається простором взаємодії. Керування електронами в магнетроні здійснюється шляхом дії на електронний потік постійних електричного і магнітного полів. Ці поля діють в площинах перпендикулярних одна одній (схрещені поля). Постійне електричне поле направлено радіально від анодного блоку до катоду, а постійне магнітне поле є рівномірним в просторі взаємодії і направлено уздовж катода.

Форми ламп (магнетронів)

Катод

Анод

а) Кругла (зворотна)

Анод

Катод

б) Лінійна (зворотна)

Кварцові атогенераториВ задавальних генераторах багато каскадних РПерП

широко використовуються лампові і напівпровідникові генератори з кварцовою стабілізацією частоти.

Кристали кварцу (КК) характеризується ПРЯМИМ і ЗВОРОТНІМ п’єзоелектричним ефектом, тобто здатністю змінювати свої параметри (розміри) під дією різниці потенціалів і навпаки, при наявності деформації виробляти електричні заряди. Ця властивість і дозволяє зв’язати його механічні коливання з електричними. Кварц являється кристалічним мінералом природного або штучного походження. Характерними для КК є сталість властивостей, висока пружність і велика твердість.