3.3.2 Багатокаскадні передаючі пристрої
Високі вимоги до стабільності несучої частоти зондуючих сигналів, необхідність генерації складних і когерентних сигналів привели до появи передаючих пристроїв, виконаних по багатокаскадній схемі. Як перший каскад використовуються малопотужні збудники, а якості подальших - багатокаскадний підсилювач потужності.
У такому передавачі стабільність частоти зондуючого сигналу визначається, в основному, малопотужними задаючими генераторами, частота яких стабілізована відомими методами, наприклад, за допомогою кварцу.
Збудник може бути побудований по схемі, що дозволяє швидке (протягом декількох мікросекунд) перемикання з однієї робочої частоти на іншу. Він може також одним з методів формувати лінійно-частотномодульований або фазокодомодульований сигнал. Детально ці питання будуть розглянуті в подальших підрозділах.
При формуванні сигналу збудника можна передбачити його жорсткий зв'язок з частотою гетеродинного сигналу змішувача, що виключає необхідність застосування АПЧ. Нарешті, в такому передавачі можливе отримання пачки когерентних імпульсів, що дозволяє застосовувати кореляційно-фільтрову компенсацію пасивних перешкод, а також об'єднувати сигнали різних каналів на загальний вхід або розділяти їх на окремі входи для живлення різних елементів фазованих антенних грат.
У загальному випадку структурна схема багатокаскадного передаючого пристрою імпульсної РЛС представлена на рис.3.9.
Рис.3.9. Структурна схема багатокаскадного передаючого пристрою імпульсної РЛС
Потужність коливань збудника повинна бути достатньою для збудження наступного за ним каскаду. Оскільки формування сигналу здійснюється на зниженій потужності, необхідний вихідний рівень потужності зондуючого сигналу досягається покаскадним посиленням.
У імпульсних РЛС імпульсна модуляція здійснюється залежно від рівня вихідної потужності, або в одному каскаді, або в декількох останніх могутніх каскадах посилення.
У ряді випадків формування сигналу зручніше виробляти на зниженій частоті. В цьому випадку до складу попередніх каскадів включають або помножувачі частоти, або змішувачі (см.рис.3.10)
Рис.3.10. Приклад схеми формування сигналу.
Як підсилювальні каскади багатокаскадного передавача широко використовуються прилади з електродинамічним управлінням електронним потоком: клістрони, лампи хвилі (ЛБХ), що біжить, лампи зворотної хвилі (ЛЗХ) і т.д.
Таким чином, багатокаскадні передаючі пристрої застосовуються при високих вимогах до стабільності частоти і будуються за схемою « Задаючий генератор - підсилювач потужності «. Прикладами РЛС, в яких використовуються такі передаючі пристрої є РЛС 55Ж6, 22Ж6М і т.д.
3.3.3 Імпульсні модулятори станцій радіолокації
Модулятори РЛС виробляють могутні відеоімпульси високої напруги заданої тривалості і періоду повторення для живлення анодних ланцюгів генераторних і підсилювальних приладів. Тривалість модулюючих імпульсів різних РЛС складає одиниці-десятки мікросекунд, а період повторення - декілька мілісекунд. Це дозволяє накопичувати енергію під час паузи між посилками і віддавати її в навантаження протягом тривалості імпульсу.
У передаючих пристроях з підсилювачем потужності кількість модуляторів і їх характеристики залежать від схеми підсилювальної лінійки і типу вживаних приладів. Взаємодія модулятора з елементами передаючого пристрою (на прикладі передаючого пристрою з автогенератором у вихідному ступені) показана на рис 3.11.
Рис.3.11. Взаємодія модулятора з елементами передаючого пристрою.
Високовольтний випрямляч перетворить енергію змінної напруги джерела живлення в енергію високої постійної напруги, яка подається в модулятор. Модулятор управляє роботою високочастотного генератора. Якщо в передаючому пристрої застосована анодна модуляція, то він включає анодне живлення генератора СВЧ на якийсь час, рівне тривалості зондуючого імпульсу. Принциповою особливістю модулятора РЛС (на відміну від модуляторів інших радіотехнічних пристроїв) є здійснювана ним трансформація потужності. Модулятор передаючого пристрою РЛС накопичує енергію, що поступає від високовольтного випрямляча, протягом часу, рівного періоду повторення Тп. При цьому
Ем = Рв·Тп, (3.7)
де Ем - енергія, накопичена модулятором; Рв - потужність високовольтного випрямляча.
Накопичена енергія віддається модулятором в навантаження протягом тривалості імпульсу. Отже,
Ем = Рм·tи, (3.8)
де Рм - потужність вихідних імпульсів модулятора.
З формул (3.7) і (3.8) одержуємо
Рв = Рм·tи/Тп. (3.9)
Оскільки tи << Тп, то Рв << Рм. Це дає можливість при конструюванні РЛС вибирати високовольтний випрямляч меншої потужності, а отже, менших габаритів і маси.
Склад модулятора визначається його типом. Проте для всіх подібних пристроїв характерна наявність таких елементів, як зарядний дросель, накопичувач енергії, комутуючий елемент, імпульсний трансформатор, ланцюги захисту і корекції. Розглянемо схеми основних типів імпульсних модуляторів, вживаних в РЛС РТВ.
У передаючих пристроях РЛС РТВ найширше застосування одержали два типи імпульсних модуляторів: з повним розрядом накопичувача енергії; з частковим розрядом накопичувача енергії.
Накопичувачем енергії може бути електричне поле конденсатора або магнітне поле котушки індуктивності. Як накопичувач енергії може використовуватися також штучна довга лінія, яка еквівалентна ємності або індуктивності.
В даний час в більшості випадків використовуються накопичувачі ємностей, оскільки індуктивні накопичувачі характеризуються вельми низьким КПД.
На рис.3.12 показана блок-схема передавача РЛС, що працює в режимі анодної імпульсної модуляції. Як показано на схемі, імпульсний модулятор складається з двох основних елементів: накопичувача енергії і комутуючого пристрою. При розімкненому комутуючому пристрої під час паузи між імпульсами відбувається накопичення енергії в накопичувачі. При замиканні комутатора, накопичена енергія за час тривалості імпульсу витрачається на живлення генератора СВЧ.
Рис.3.12. Блок-схема передавача РЛС.
Як комутуючий пристрій використовується або електронна лампа (тріод) або транзисторний активний комутатор, або газорозрядні (іонні) прилади - тиратрони, або тиристори і керовані іскрові розрядники.
Основною перевагою комутуючих пристроїв на електронних лампах і транзисторах є мала інерційність, що дозволяє включати і вимикати їх на будь-який час за допомогою малопотужного управляючого імпульсу, що подається на управляючий електрод (сітку лампи або базу транзистора) комутатора. Проте електронні лампи володіють великим внутрішнім опором і тому комутатори на електронних лампах мають порівняно низький КПД.
Іонні і тірісторні комутуючі пристрої володіють малим внутрішнім опором і легко пропускають струми в десятки і сотні ампер. Недоліком іонних комутуючих пристроїв є те, що за допомогою управляючого імпульсу можна точно визначити тільки момент початку розряду накопичувача. Управляти ж розмиканням іонного комутатора значно важче. Тому закінчення розряду накопичувача визначається часом розряду накопичувача, тобто залежить від параметрів самого накопичувача.
Модулятори з накопичувачами місткостей. Такі модулятори широко застосовуються в сучасних РЛС. Схема модулятора представлена на рис.3.13.
Позначення на схемі: Сн - конденсатор, що накопичує енергію; До - комутатор, зображений у вигляді вимикача; Rз - обмежувальний або зарядний опір; Rг - опір СВЧ генератора, живлене модулятором.
У паузах між імпульсами комутатор До розімкнений, і конденсатор Сн заряджає від джерела живлення через опір Rз, запасаючи енергію. Напруга на конденсаторі підвищується до напруги джерела Ео. В кінці заряду комутатор До замикається, підключаючи конденсатор Сн до генератора, і конденсатор розряджається на генератор. Після розряду конденсатора комутатор знов розмикається, відбувається новий заряд накопичувальної місткості і т.д.
Рис.3.13. Спрощена схема модулятора.
Опір Rз визначає тривалість заряду і обмежує струм від джерела живлення під час замикання комутатора. Величину цього опору беруть у багато разів більше Rг, для того, щоб заряд конденсатора відбувався порівняно поволі, а струм, що протікає по Rз протягом розряду конденсатора, був нехтує малий.
У розглянутому модуляторі можливі режими повного і часткового розряду накопичувальної місткості. У першому випадку комутатор, замкнувшись, не розмикається до повного розряду накопичувальної місткості, при якому напруга на ній стає рівною нулю. Осцилограми напруг на окремих вузлах модулятора, що працює в режимі повного розряду, зображені на рис.3.14 (жирна лінія).
Недоліком модулятора, що працює в режимі повного розряду накопичувальної місткості, є незадовільна, далека від прямокутної форма імпульсу і низький ККД (близько 50%). Тому вони використовуються украй рідко.
При роботі модулятора в режимі часткового розряду комутатор замикається на короткий час (рівне t) і розмикається, коли конденсатор ще зберігає заряд, а напруга Uс має значну величину. Характер зміни напруги на накопичувальному конденсаторі показаний на рис.3.14 (тонка лінія).
а)
б)
Рис.3.14. Осцилограми напруг на окремих вузлах модулятора.
Модулятори з штучною лінією (лінійні модулятори). Відомо, що розімкнена на кінці лінія, заряджена до напруги Їв, при розряді на опір R = r створює прямокутний імпульс напруги з амплітудою Ел/2 і тривалістю
де l - довжина лінії; L', З' - розподілені індуктивність і місткість лінії.
Використовуючи лінію як накопичувач енергії, можна побудувати модулятори з режимом повного розряду, виробляючі імпульси з хорошою прямокутною формою. Проте довжина лінії виходить неприйнятною для розміщення в передавачах. Замість реальних ліній в модуляторах можна використовувати штучні лінії, складені з окремих індуктивностей і ємностей (рис.3.15).
Імпульсні модулятори з штучними лініями широко використовуються в сучасних передаючих пристроях РЛС (наприклад, РЛС 55Ж6). Вони відрізняються компактністю, високим КПД і дають можливість одержувати імпульси вельми великої потужності з формою, мало відмінною від прямокутної.
Розглянемо процеси в модуляторі з штучною лінією (рис.3.15) ланцюжка, що складається з трьох секцій.
Хвильовий опір лінії рівний опору навантаження r = Rг. При розімкненому комутаторі джерело живлення заряджає лінію до напруги Uл = Ео. Після заряду комутатор замикається і приєднує лінію до генератора (до навантаження). Оскільки опір Rг = r, то при замиканні комутатора на затисках генератора виникає миттєва напруга, рівна Ео/2. Завдяки цьому коливання в генераторі виникають різко і передній фронт імпульсу виходить крутим. Інша половина напруги Ео/2 падає на хвильовому опорі лінії і викликає біжить хвилю напруги, що розповсюджується до розімкненого кінця лінії, частково розряджаючи її у міру розповсюдження. Від розімкненого кінця лінії хвиля відображається без зміни полярності і, повернувшись до початку лінії, повністю поглинається навантаженням.
Рис.3.15. Спрощена схема модулятора з штучною лінією.
У схемі рис.3.15 напруга джерела повинна бути в 2 рази більше напруги живлення генератора. Для усунення цього недоліку застосовується схема рис.3.16,а, в якій лінія заряджає через котушку індуктивності Lз з малим опором втрат. Котушка складає з місткістю лінії контур, і заряд лінії набуває характеру затухаючих коливань (рис.3.16,б). Через половину періоду напруга на лінії підвищується до Uл = 2·Ео. У цей момент замикається комутатор, і напруга на генераторі стає рівною Uл/2 = Ео, тобто напрузі джерела.
а)
б)
Рис.3.16. Схема модулятора з штучною лінією
ККД модулятора при заряді лінії через індуктивність підвищується до 90-95%. Але для реалізації вказаних переваг зарядна котушка повинна мати значний коефіцієнт індуктивності. Крім того, комутатор повинен замикатися точно в моменти максимуму напруги на лінії. Все це істотно ускладнює конструкцію модулятора і схему управління комутатором.
Тому на практиці послідовно із зарядною індуктивністю часто включають діод, як показано на рис.3.17а. При такому доповненні лінія, заряджаючи до максимуму в першу половину періоду (рис.3.17б) через односторонню провідність діода не може розрядитися і напруга на ній зберігається постійним до замикання комутатора.
Таким чином, в розглянутому прикладі відпадає необхідність в узгодженому з коливаннями замиканні комутатора, і схема управління спрощується. При цьому зменшується і коефіцієнт індуктивності зарядної котушки.
Рис.3.17. Епюри, пояснюючі роботу модулятора.
У слідстві втрат напруги на внутрішньому опорі діода і порівняно низької добротності зарядного контура (Q < 10) мінімальна напруга на лінії виявляється не вище (1,7-1,8) Ео, а КПД модулятора 85-90%. Подібна схема модулятора використовується в передаючому пристрої РЛС 55Ж6, П-18, 5Н84А.
Як приклад на рис.3.18 показана принципова схема модулятора з штучною лінією.
У модуляторі такого типу накопичувачем є штучна лінія, а як комутуючий елемент використовується тиратрон або тиристор. Комутуючий елемент відкривається зовнішнім імпульсом, який визначає тільки момент початку розряду накопичувача. Форма і тривалість імпульсу на виході модулятора визначаються параметрами пасивних елементів схеми.
Рис.3.18. Принципова схема модулятора з штучною лінією.
Формування імпульсу закінчується при повному розряді накопичувача через комутатор і імпульсний трансформатор, який погоджує опір навантаження з хвильовим опором формуючої лінії. У разі аварійної роботи модулятора неузгоджено на навантаження передбачаються захисні ланцюги (на рис.3.18 - діод Д2).
Тривалість заднього фронту імпульсу визначається дією багатьох паразитних елементів. Для поліпшення його форми застосовують коректуючі ланцюги (діод Д3).