3.3.1.2. Импульсный модулятор с частичным разрядом накопителя

В модуляторах с частичным разрядом накопителя (рис.3.37.) роль накопителя энергии выполняет конденсатор . Форма импульса такого модулятора близка к прямоугольной. Длительность фронта модулирующего импульса определяется паразитной емкостью анод-катод модуляторной лампы, подавляющего диода (диодов) и монтажа. Величина спада напряжения вершины импульса определяется постоянной времени разряда накопительной емкости *.

Рис.3.37. Принципиальная схема импульсного модулятора с частичным разрядом накопителя

Если лампа закрыта и конденсатор заряжен до напряжения источника питания (), то ток через первичную обмотку импульсного трансформатора на протекает. При поступлении на сетку лампы положительного импульса запуска от подмодулятора лампа открывается, и конденсатор начинает разряжаться через открытую лампу и первичную обмотку импульсного трансформатора. Таким образом, длительность выходного импульса модулятора определяется длительностью импульса запуска, поступающего с подмодулятора. Такой модулятор обеспечивает широкие возможности изменения длительности и частоты повторения импульсов. Максимально возможная длительность импульсов, определяемая допустимым спадом его амплитуды, зависит от емкости накопительного конденсатора . Чтобы не увеличивать емкость , в некоторых модуляторах используют корректирующую цепочку (рис.3.38.), которую включают последовательно с конденсатором .

Рис.3.38. Схема корректирующей цепи

Основными недостатками лампового модулятора с частичным разрядом накопителя являются: жесткие требования к форме импульса подмодулятора; высокая мощность подмодулятора (до нескольких процентов от выходной мощности модулятора); значительное время подготовки к работе (1…5 минут); невысокая эксплуатационная надежность, более низкий КПД.

Мощность модулятора определяется используемой лампой. Разработана серия мощных импульсных тетродов на напряжения до 70 кВ и токи до 1000 А. Параметры некоторых модуляторных ламп приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3.

Тип лампы	Напряжение анода, кВ.	Ток анода импульсный, А.	Длительность импульса, мкс.	Долго-вечн., ч.	Время готовнос. мин.
ГМИ-14Б	36	120	10	250	До 4
ГМИ-34А	40	120	10	1000	До 5
ГМИ-33А	65	60	50	1500	До 5
ГМИ-37А	50	1000	10	1000	До 1

Примером нового модуляторного прибора повышенной мощности является «инжектрон» - специальный модуляторный триод с магнитной фокусировкой луча. Разработаны образцы инжектронов на напряжение до 300 кВ и токи до 300 А.

3.3.2. Генераторные приборы однокаскадных радиопередающих устройств

Процесс генерирования электромагнитных колебаний заключается в преобразовании энергии источников питания в энергию колебания электромагнитного поля. По принципам работы и лежащим в их основе физическим процессам классификации генераторов электромагнитных колебаний представлена на рис.3.39.

Рис.3.39. Классификация генераторных приборов

Различают генераторы с самовозбуждением (автогенераторы) и с внешним возбуждением (усилители мощности).

Для создания передающих устройств РЛС наибольший интерес представляют электронные генераторы. В электронных генераторах энергия источника питания передается электромагнитному полю колебательной системы движущимися электрическими зарядами. Для поддержания незатухающих колебаний энергия передается порциями и в такт с колебаниями электромагнитного поля. Эта задача технически реализуется двумя методами.

Первый метод используется в генераторах с электрическими (электроквазистатическим) управлением электронным потоком или движущимися электрическими зарядами. Такие генераторы содержат раздельные источники энергии, колебательную систему и периодический прерыватель электрических зарядов (управляемый ключ), выполняемый на лампе (триоде, тетроде и др.), транзисторе (биполярном, полевом) или диоде (туннельном, лавинно-пролетном, диоде Ганна и др.) (см. рис.3.40.).

Рис.3.40. Структурная схема генератора

В соответствие с видом ключа генераторы подразделяются на ламповые и полупроводниковые (транзисторные или диодные) рис.3.39. Управляемый ключ замыкается и размыкается под воздействием переменного электрического сигнала, подаваемого либо по цепи положительной обратной связи от колебательной системы (в автогенераторах), либо от внешнего генератора (в генераторах с внешним возбуждением). Колебательные системы, как правило, резонансные: на сосредоточенных () или распределенных (отрезки двухпроводных, коаксиальных и волноводных линий, объемные резонаторы) элементах.

Основными требованиями к любым типам генераторов являются обеспечение максимальных мощностей и КПД, а также стабильности генерируемой частоты колебания. Поэтому в них используется нелинейный (второго рода, с отсечкой тока) режим работы, так как в линейном (первого рода) режиме работы принципиально нельзя получить КПД выше . Известно, что величина

, (3.25)

где - коэффициент формы тока лампового или полупроводникового прибора по первой гармонике;

- коэффициент использования источника питания;

, - амплитуды первых гармоник тока и напряжения;

, - постоянные составляющие тока и напряжения.

В линейном режиме работы , и из (3.25) получаем . В нелинейном режиме работы, например, при угле отсечки тока имеем , и из (3.25) получаем .

Для автогенераторов, в отличие от генераторов с внешним возбуждением, важным является условие самовозбуждения колебаний, которое в данном случае имеет вид

(3.26)

И условие существования стационарных установившихся колебаний

или и (3.27)

где , , - комплексные проводимости электрического ключа в исходной рабочей точке и среднее за период колебаний комплексное эквивалентное сопротивление колебательной системы с учетом нагрузки;

, - фазовые углы проводимости и сопротивления;

- коэффициент.

Физический смысл выражений (3.27) состоит в том, что порции энергии от источника питания через ключ в колебательную систему поступают в такт с колебаниями (цепь обратной связи является положительной) и полностью компенсирует потери энергии в ней и нагрузке за период колебаний.

Поскольку время движения электрических зарядов в управляемых ключах, конечно, то с ростом частоты колебаний состояние колебательной системы за это время может существенно измениться, эффективность действия ключа снижается и возможности применения таких генераторов в верхней части диапазона СВЧ ограничиваются. Эти ограничения преодолеваются при втором методе.

Второй метод используется в генераторах с электродинамическим управлением электронным потоком. Такие генераторы содержат либо объемные резонансные, либо замедляющие колебательные системы, пронизываемые электронным потоком (рис.3.41.). Процесс передачи энергии электромагнитному полю колебательной системы происходит поэтапно.

Рис.3.41.

На первом этапе свободные электроны катода, фокусируемые электронной пушкой, ускоряются напряжением источника питания второго анода (). Это напряжение приложено так же к колебательной системе и к коллектору, в результате чего в пространстве между ними постоянное ускоряющее электрическое поле отсутствует. Такое пространство называется пространством дрейфа.

В ряде генераторов между колебательной системой и коллектором для повышения КПД (режим рекуперации), а так же в отражательном клистроне между колебательной системой и отражателем создаются дополнительные постоянные тормозящие электрические поля. Однако эти частные технические приемы не имеют принципиального значения для рассматриваемого общего метода передачи энергии полю колебательной системы в генераторах с электродинамическим управлением электронным потоком.

В результате полученного ускорения электроды к моменту пролета сечения второго анода приобретают кинетическую энергию, равную потенциальной энергии, которой они обладают у катода , где ,, - масса, электрический заряд и скорость электрона.

На втором этапе при дальнейшем движении в пространстве дрейфа равномерный электронный поток, подвергаясь воздействию переменного напряжения колебательной системы (или модулятора специальной входной части колебательной системы в усилителях), модулируются по скорости. Затем модуляция по скорости преобразуется в модуляцию по плотности, то есть образуются периодические «сгустки» электронов. Последние, непрерывно или дискретно взаимодействуют с электромагнитным полем колебательной системы, отдают этому полю накопленную ранее кинетическую энергию (полностью или частично).

В стационарном режиме должно при этом выполняться условие

(3.28)

где , - мощность взаимодействия электронного потока с полем колебательной системы и мощность выходных колебаний, рассеиваемая в нагрузке. Поскольку , то из (3.28) следует, что . Для элемента объема (рис.3.41.) , а по всему объему колебательной системы , где и - векторы напряженности электрического поля волны и плотности тока электронного потока. Средне значение мощности взаимодействия за время одного периода колебаний

(3.29)

Из (3.28) и (3.29) следует, что эффективное взаимодействие электронного сгруппированного потока с электромагнитным полем и отсутствие затухания или усиление поля будет, если и имеет максимальную величину. Это. Учитывая (3.29), имеет место при следующих условиях:

1. векторы и должны быть коллинеарны и противоположные по направлению (условие торможения электронов полем, для отдачи ими полю накопленной кинетической энергии);

2. вектор должен иметь гармонических составляющую, частота которой в любой точке пространства взаимодействия равна частоте поля (условие равенства скорости электронов в генераторах «О»-типа или переносной скорости электронов - в генераторах «М»-типа фазовой скорости бегущей волны , условие синхронизации или ).

Физический смысл этих условий такой же, как и условий (3.27)

В таких генераторах электронный поток многократно взаимодействует с полем колебательной системы (время полета сгустков электронов от одного момента взаимодействия до другого равно или кратно периоду колебаний). Поэтому передача энергии полю в них в диапазоне СВЧ происходит более эффективно и достигаются более высокие мощности, чем в ламповых или транзисторных генераторах СВЧ.

В генераторах с электродинамическим управлением электронным оттоком описанный выше метод работы реализуется различными способами (см.рис.3.39).

В генераторах бегущей волны электронный поток может взаимодействовать как с прямыми, так и с обратными пространственными гармониками электромагнитного поля колебательных систем. В этой связи они разделяются на генераторы прямой и обратной волны. В первых из них может быть реализован только усилительный режим работы, а во вторых – как усилительный, так и автогенераторный режим работы.

В генераторах прямой волны направление движения высокочастотной энергии поля (групповая скорость), совпадает с направлением движения электронов (скоростью ), а в генераторах обратной волны они ( и ) направлены встречно. Скорости же и в обоих типах генераторов должны обязательно совпадать по направлениям (условия синхронизации). Оба эти типа генераторов могут быть как с разомкнутыми, так и с замкнутыми электронными потоками. В первом случае отработавшие электроны попадают на коллектор, а во втором на анод (колебательную систему).

Генераторы бегущей волны, кроме того, делятся на генераторы «О»-типа, в которых постоянное фокусирующее электронный поток магнитное поле и ускоряющее электроны постоянное электрическое поле совпадают по направлению, и на генераторы «М»-типа, в которых постоянные электрические и магнитные поля взаимно перпендикулярны (скрещенные). Генераторы «О»-типа выполняются только с разомкнутым электронным потоком и плоской (линейной) конструкцией. Генераторы «М»-типа с замкнутым электронным потоком могут иметь только цилиндрическую конструкцию, а с разомкнутым электронным потоком – как цилиндрическую, так и плоскую (линейную) конструкции. Мощность и КПД генераторов «М»-типа выше, чем генераторов «О»-типа, а полоса усиления или диапазон перестройки частоты для генераторов «М»-типа меньше чем «О»-типа.

Классификация генераторов бегущей волны представлена на рис.3.42.

Рис.3.42. Классификация генераторов бегущей волны

Типичным представителем гибридных генераторов с электродинамическим управлением электронным потоком является твистрон, содержащий на входе элементы пролетного клистрона для первоначальной группировки мощного электронного потока, а на выходе – элементы замедляющей системы ЛБВО.

В электронных генераторах с электродинамическим управлением используются как резонансные (объемные резонаторы) так и широкополосные замедляющие колебательные системы. В качестве замедляющих систем используются: цепочки резонаторов типа «щель-отверстие» или диафрагмированный волновод, спираль, «гребенка», «встречные штыри» и др.

Ориентировочные границы достижимых максимальных мощностей различных типов генераторов в непрерывном режиме работы в зависимости от диапазона волн показаны графически на рис.3.43.

Рис.3.43. Графики зависимости генерируемой мощности от длины волны электронными генераторами

Более полные характеристики некоторых основных типов электронных генераторов и усилителей мощности приведены в таблицах 3.4, 3.5, 3.6.

Маломощные автогенераторы Таблица 3.4

Тип генератора	Диапазон волн, см.	Диапазон перестройки, %.		Средняя мощность, Вт.
		Механич.	Электрон.
Триодные автогенераторы	200 ÷ 3	До 50	-	1
Отражательные клистроны	200 ÷ 1	До 50	До 10	0,1
Магнетроны, настраиваемые напряжением	80 ÷ 1	-	До 50	0,1 ÷ 50
ЛОВ «О»-типа	20 ÷ 1	-	До 100	0,1
Генераторы на ЛПД и диодах Ганна	15 ÷ 0,3	До 50	Октава	0,1 ÷ 1
Генераторы на биполярных транзисторах	До 2	-	Октава	~ 1
Генераторы на полевых транзисторах	До 1	-	Октава	~ 1

Мощные автогенераторы Таблица 3.5

Тип генератора	Диапазон волн, см.	Диапазон перестройки, %.		КПД, %	Импульсная мощность
		Механич.	Электрон.
Триодные автогенераторы	200 ÷ 50	~ 50	-	50	ед. МВт.
Тетродные генераторы	200 ÷ 30	~ 50	-	50	ед. МВт.
Магнетроны	50 ÷ 1	~ 10	-	60	До 10 МВт.
Стабитроны	50 ÷ 1	~ 10	-	60	100 кВт.
ЛОВ «М»-типа	30 ÷ 1,5	-	~ 15	40	100 кВт.
Генераторы на ЛПД и диодах Ганна	30 ÷ 3	До 50	30 ÷ 40	10 ÷ 20	ед. МВт. ед. кВт.
Транзисторные автогенераторы	10 ÷ 5	До 50	~ 30	30 ÷ 50	10 ÷ 100 Вт.

Мощные усилители Таблица 3.6

Тип усилителя	Диапазон волн, см.	Полоса пропускания, %	Коэффициент усиления, дБ.	КПД, %.	Импульсная мощность
Триодные	200 ÷ 50	1 ÷ 5	5 ÷ 10	50	5
Тетродные (резнатроны)	200 ÷ 30	1 ÷ 5	10	50	5
ЛБВ	100 ÷ 0,6	10	30	30	5
Клистроны	150 ÷ 1	1	40	40	40
Амплитроны	50 ÷ 1,5	10	3 ÷ 10	60 ÷ 70	10
Магнетрон с длинным анодом и катодом	50 ÷ 10	10	10 ÷ 20	60	Десятки МВт.
Транзисторные	10 ÷ 5	10	5 ÷ 10	30 ÷ 50	10 ÷ 100 Вт.

Достигнутые мощности генератора при разработанных эффективных устройствах суммирования мощности передающих трактов и способов суммирования колебаний в пространстве с помощью активных ФАР позволяют обеспечить требования к современным передающим системам без дальнейшего увеличения мощности генераторных приборов. Уже при этих мощностях основные ограничения связаны с электрической прочностью линии передачи энергии электромагнитных колебаний. Применение газонаполненных волноводных и коаксиальных линий существенно усложняет их эксплуатацию в войсковых условиях. Кроме того, достигнутые мощности генераторов вызвали необходимость решения ряда дополнительных проблем:

биологической защиты личного состава, обслуживающего технику;

электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств снижения уровня внеполосных и побочных излучений;

организация надежного теплоотвода от элементов передающих систем.