6.1. Особенности работы радиопередатчиков короткими импульсами

6.2. Импульсная модуляция

6.3. Общие принципы работы импульсных модуляторов

6.3.1. Требования к импульсным модуляторам

6.3.2. Принципы генерирования мощных модулирующих импульсов

6.3.3. Коммутирующие устройства

6.3.3.1. Коммутирующие устройства на электронных лампах

6.3.3.2. Коммутирующие устройства на газоразрядных приборах

6.3.3.3. Коммутирующие устройства на тиристорах

6.3.4. Накопители энергии

6.3.4.1. Применение конденсатора в качестве ёмкостного накопителя энергии

6.3.4.2.Линии с распределенными постоянными и искусственные линии как емкостные накопители энергии

6.4. Схемы импульсных модуляторов

6.4.1. Модуляторы с частичным разрядом накопительного конденсатора

6.4.1.1. Схема модулятора с шунтирующим нагрузку активным сопротивлением

6.4.1.2. Схема модулятора с шунтирующими нагрузку дросселем и диодом

6.4.1.3. Подмодулятор

6.4.2. Модуляторы с полным разрядом искусственной линии

6.4.2.1. Колебательный заряд линии от источника постоянного тока

6.4.2.2. Схема модулятора с зарядным диодом

6.1. Особенности работы радиопередатчиков короткими импульсами

Рис. 6.1

В ряде областей радиотехники - в радиолокации, радионавигации, радиорелейной связи и др. - применяют импульсные методы передачи, при которых радиопередатчик работает в течение весьма коротких промежутков времени, разделенных длительными паузами. Наиболее широко используют радиоимпульсы с огибающей, форма которой приближается к прямоугольной. Последовательность таких импульсов, показанная на рис.6.1, характеризуется следующими основными параметрами: частотой высокочастотных колебаний f, длительностью импульса t, частотой повторения импульсов F (или периодом повторения Т) и амплитудой импульсов I. Большое значение для характеристики импульсного режима имеет также скважность q, которая при Т>>t равна:

Как известно, полоса частот, принимаемая за ширину спектра прямоугольного импульса, тем шире, чем короче импульс. Для хорошего воспроизведения прямоугольной огибающей радиоимпульса колебательные контуры радиопередатчика должны пропускать без искажений полосу частот . Например, при длительности импульса t=1 мкс полоса пропускания контуров должна быть не менее 2 МГц. Таким образом, импульсные радиопередатчики могут работать только в диапазоне УКВ. Последнее связано ещё и с тем, что на более длинных волнах через цепь, содержащую колебательные контуры, невозможно передать без искажений короткий импульс прямоугольной формы. Анализ переходных процессов показывает, что колебания в контуре можно считать установившимися за число периодов высокой частоты T_вч, приблизительно равное добротности контура Q, т.е. t_уст = QT_вч =Q/f. Так, при Q = 100 и f = 1МГц время установления t_уст = 100 мкс, а при f=100МГц - 1 мкс. На рис.6.2 в качестве примера показан ток в контуре с добротностью Q = 100 при воздействии на него импульсной ЭДС с t < 100 мкс и f =2 МГц. Из рисунка видно, что в этом случае форма огибающей импульса высокочастотного тока очень далека от прямоугольной.

Рис. 6.2

При широкой полосе пропускания колебательных контуров требования к стабильности частоты передатчика могут быть снижены. Из опыта известно, что без принятия специальных мер нестабильность частоты автогенераторов УКВ оказывается порядка 10^-3. Это позволяет строить передатчики радиолокационных и ряда радионавигационных систем, импульсных радиомаяков и др. по однокаскадной схеме, осуществляя модуляцию непосредственно в автогенераторе. Для генерирования метровых и дециметровых волн используются специальные импульсные генераторные лампы, а для генерирования сантиметровых волн - импульсные магнетроны и клистроны.

При импульсной работе радиопередатчиков различают мощность в импульсе Р_~и, то есть мощность, развиваемую во время импульса, и среднюю за период следования импульсов мощность Р_~ср, которая при строго прямоугольной форме импульсов равна:

При скважности порядка сотен иди тысяч единиц средняя мощность в сотни или тысячи раз меньше мощности в импульсе. Поэтому импульсные передатчики, работающие с большой скважностью, характеризуются очень большими мощностями в импульсе - от единиц до тысяч киловатт - и в то же время сравнительно небольшой средней мощностью - от единиц ватт до единиц киловатт. Это обстоятельство накладывает резкий отпечаток на условия работы и конструкцию импульсных передатчиков большой мощности. Малая средняя мощность позволяет применять сравнительно маломощные и малогабаритные источники питания, а также рассчитывать передатчик на малые мощности прогрева деталей и, в частности, на малые средние мощности, рассеиваемые на электродах ламп. Последнее наводит на мысль о возможности форсированного использования генераторной лампы за счёт повышения анодного напряжения и увеличения тока эмиссии.

Предельное анодное напряжение генераторной лампы зависит от её диэлектрической прочности и определяется главным образом состоянием вакуума. Довольно значительное увеличение анодного напряжения во время короткого импульса (в 5 - 10 раз) не создает опасности электрического пробоя.

Форсирование режима лампы по току возможно у многих современных ламп вследствие значительного недоиспользования их по эмиссии. При работе очень короткими импульсами (t<(10¸15)мкс) наиболее выгодно использовать лампы с оксидными катодами. При небольшой мощности, затрачиваемой в катодной цепи, импульсная эмиссия оксидных катодов в десятки раз больше, чем в непрерывном режиме (плотность тока катода в импульсном режиме достигает 100-150 А/см², а в непрерывном - единиц А/см^{2 )}. Однако при работе более длительными импульсами происходит "отравление" катода, и его эмиссионная способность резко снижается. Другим недостатком оксидных катодов является появление катодного искрения при высоких анодных напряжениях. Для работы с импульсами, длительность которых превышает 15мкс, применяются более стойкие катоды из торированного вольфрама и др., устойчиво работающие при высоком анодном напряжении.

Благодаря большим напряжениям между электродами, скорость движения электронов в лампе, работающей в импульсном режиме, гораздо больше, чем в непрерывном. Поэтому эффект инерции электронов в импульсном режиме сказывается слабее, и минимальная длина волны автогенератора, работающего в импульсном режиме, оказывается короче, чем в режиме непрерывной работы.

К недостаткам импульсных режимов работы передатчиков следует отнести увеличение потерь в диэлектриках, которые пропорциональны квадрату амплитуды напряжения, а также конструктивные трудности, связанные с повышением требований к изоляции.

6.2. Импульсная модуляция

При непрерывных методах передачи за основу берут гармонические колебания вида

и затем в соответствии с передаваемым сигналом изменяют тот или иной параметр этих колебаний - амплитуду, фазу или частоту. Такой вид модуляции получил название одноступенчатого. При импульсных методах передачи применяют как одноступенчатую, так и двухступенчатую импульсную модуляцию.

В радиотелефонных импульсных передатчиках, задачей которых является передача звуковых сигналов, применяется двухступенчатая модуляция. Сначала формируют колебания, представляющие собой последовательность радиоимпульсов одинаковой амплитуды, длительности и постоянной скважности. Такие радиоимпульсы можно рассматривать как высокочастотные колебания, модулированные по амплитуде импульсным напряжением. Однако, эти высокочастотные колебания ещё не содержат информации, это - первая ступень импульсной модуляции. Для передачи звукового сигнала осуществляется дополнительная модуляция - вторая ступень импульсной модуляции. В радиотелефонных импульсных передатчиках используются две группы методов импульсной модуляции.

К первой группе относятся методы, при которых низкочастотным сигналом воздействуют на какой-либо параметр высокочастотных колебаний внутри импульсов - на амплитуду (амплитудно-импульсная модуляция - АИМ), или на частоту (высокочастотная импульсная модуляция - ВЧИМ).

Ко второй группе относятся методы, при которых в соответствии с передаваемым сигналом изменяются параметры самих импульсов - их длительность (импульсная модуляция по длительности ДИМ , или ШИМ), фаза следования ( импульсно - фазовая модуляция - ФИМ), частота следования (импульсно-частотная модуляция - ЧИМ).

При амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) высота импульсов изменяется в соответствии с передаваемым сигналом низкой частоты. Приём таких радиоимпульсов должен производиться без амплитудного ограничителя, вследствие чего он оказывается слабо защищенным от помех. В связи с этим предпочтение отдается таким видам импульсной передачи, при которых высота импульсов не меняется. Наибольшее применение получила импульсно-фазовая модуляция, более помехоустойчивая, чем модуляция по длительности.

Повышенной помехоустойчивостью обладает так называемая импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), при которой передаваемый низкочастотный сигнал квантуется по времени и по уровню (рис.6.3а).Для передачи сигнала достаточно передавать один раз за заданный интервал времени группу нескольких одинаковых импульсов - кодовую группу. Различным уровням сигнала соответствуют определенные комбинации, отличающиеся присутствием либо отсутствием тех или иных импульсов кодовой группы. Если группа состоит только из одного импульса, то возможны всего две комбинации: наличие импульса и его отсутствие. На рис.6.3б показаны возможные комбинации для группы из двух импульсов. В общем случае кодовая группа из n импульсов дает 2ⁿ комбинаций. Коэффициент нелинейных искажений, возникающих вследствие квантования сигнала по уровню, быстро уменьшается с увеличением числа импульсов в кодовой группе: при n = 5 (32 уровня) он составляет 3,5%, а при n = 7 (128 уровней) - всего 0,8%. Повышенная помехоустойчивость импульсно-кодовой модуляции объясняется тем, что помеха искажает передаваемый сигнал только в том случае, если она создает в соответствующий момент времени в радиоприемном устройстве ложный импульс или же гасит один из импульсов кодовой группы, передаваемой радиопередающей станцией.

                                                    Рис. 6.4
В радиолокационных, радионавигационных и ряде других передатчиков применяют одноступенчатую модуляцию, при которой передатчик генерирует последовательность прямоугольных радиоимпульсов с неизменными амплитудой, длительностью и периодом повторения. Модулирующим сигналом в этом случае является напряжение, имеющее форму прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды и длительности, следующих один за другим через равные промежутки времени. Это напряжение формируется в специальных устройствах, носящих название импульсных модуляторов.

В дальнейшем будут рассмотрены только импульсные передатчики с одноступенчатой модуляцией типа радиолокационных. Структурная схема такого передатчика показана на рис.6.4. Передатчик состоит из четырёх основных блоков: синхронизирующего устройства, подмодулятора, модулятора и генератора высокой частоты. На выходе генератора высокой частоты должны быть получены радиоимпульсы, по форме близкие к прямоугольным. Для этого необходимо, чтобы импульсы на выходе модулятора - модулирующее напряжение - были близкими к прямоугольным. Синхронизирующее устройство осуществляет синхронизацию работы импульсного передатчика с работой станции в целом. Подмодулятор обеспечивает на входе модулятора управляющее напряжение требуемой величины и формы.

Импульсную модуляцию в ламповых генераторах СВЧ, то есть включение и выключение электронной лампы, можно осуществлять двумя способами:

1) отпирать лампу положительными импульсами на сетку, к которой приложено постоянное запирающее напряжение смещения, при постоянном высоком напряжении на аноде - сеточная модуляция;

2) подавать на анод импульсы высокого напряжения, при этом смещение на управляющей создается обычной цепочкой RC - анодная модуляция.

Достоинством сеточной модуляции, как всегда, является сравнительно малая мощность модулятора, вследствие чего он получается простым и малогабаритным. Тем не менее модуляция импульсных генераторов на анод оказывается более целесообразной, чем на сетку, по двум причинам. Первая причина состоит в том, что электрический пробой в лампе связан с процессом ионизации, обладающим известной инерционностью. Вторая причина заключается в ухудшении температурного режима лампы из-за термотока сетки, который имеет место во время пауз при сеточной модуляции. Все это является починами того, что основное применение в автогенераторах находит анодная модуляция.

В генераторах с внешним возбуждением применяется, как правило, двойная модуляция - на анод и на сетку, так как при одной только анодной модуляции неизбежна перегрузка сетки в момент снятия анодного напряжения.

Для осуществления анодной модуляции в ламповых генераторах СВЧ необходимы мощные импульсные модуляторы. Импульсные высоковольтные модуляторы большой мощности требуются также для магнетронных и клистронных генераторов, которые используются в передатчиках радиолокационных станций, в ускорителях частиц и др. Поскольку такие модуляторы имеют большое практическое значение, их рассмотрению будут посвящены все последующие разделы.

6.3. Общие принципы работы импульсных модуляторов

6.3.1. Требования к импульсным модуляторам

Импульсные модуляторы, используемые в передатчиках с импульсной анодной модуляцией, должны обеспечивать:

• заданную мощность импульсов (достигающую сотен и даже тысяч киловатт) при высоком КПД модулятора;
• требуемую форму импульсов;
• минимальную мощность управления модулятором;
• удобство и надежность эксплуатации, малую зависимость от внешних условий температуры окружающей среды, давления и т.п., а также по возможности малые габариты, вес и стоимость модулирующего устройства в целом.

Рис.6.5

Форма импульсов на выходе модулятора (рис.6.5) имеет большое значение:

от формы импульсов на выходе радиолокационного передатчика зависят точность определения дальности и разрешающая способность станции. Требования к форме импульсов зависят от типа модулируемого генератора СВЧ.

Для обеспечения нормальной работы магнетронного генератора длительность фронта t_ф модулирующего импульса должна быть порядка (0,1¸0,2)t, а длительность спада t_с – (0,2¸0,4) t, где t - длительность импульса. Нестабильность напряжения на вершине импульса не должна превышать 3%, в некоторых случаях для обеспечения малой величины электронного смещения частоты магнетрона даже 1%. Кроме того, недопустимо наличие значительных послеимпульсных осцилляций, так как из-за них на выходе передатчика могут появиться нежелательные высокочастотные импульсы, которые будут иметь место в то время, когда излучение должно отсутствовать.Поскольку у магнетронного генератора заземляется анод (из-за удобства подключения антенного фидера и системы охлаждения, а также из условий безопасности), то полярность модулирующих импульсов должна быть отрицательной относительно земли.

При модуляции триодных генераторов СВЧ требования к форме модулирующих импульсов ниже, чем при модуляции магнетронных генераторов, поскольку частота и мощность триодных генераторов СВЧ значительно меньше зависят от изменения анодного напряжения, чем у магнетронных генераторов, а форма высокочастотных импульсов приблизительно повторяет форму модулирующих импульсов. Поэтому допустимая нестабильность напряжения b на вершине импульса может достигать 1,0¸12%. Длительность фронта и спада модулирующих импульсов определяется требованиями к высокочастотным импульсам и техническими возможностями схемы модулятора. Полярность модулирующих импульсов для триодного генератора СВЧ должна быть положительной относительно земли, поскольку катод генераторной лампы заземляется по постоянному току.

6.3.2. Принципы генерирования мощных модулирующих импульсов

Как указывалось выше, специфика импульсной работы передатчиков заключается в том, что они работают в течение весьма коротких промежутков времени длительностью микросекунды, отдавая мощность, достигающую в ряде случаев десятков мегаватт, после чего следует длительная пауза, когда генератор заперт. Это приводит к идее создания таких схем импульсных модуляторов, которые были бы способны отдаваемую ими в импульсе энергию накапливать за время паузы. Блок-схема такого модулятора показана на рис.6.6. Основными элементами этой схемы являются накопитель энергии и коммутирующий прибор. В схеме можно выделить две главные цепи: зарядную (она показана пунктиром) и разрядную. Во время паузы между импульсами в модуляторе происходит накопление энергии. Эта энергия запасается в накопителе, который при разомкнутом коммутирующем приборе заряжается от источника питания. Управляемый подмодулятором коммутирующий прибор замыкает во время импульса цепь разряда, и накопитель отдает запасенную во время паузы энергию генератору СВЧ. Ограничительное сопротивление в схеме рис.6.6 установлено для того, чтобы в момент замыкания коммутирующего прибора, когда сопротивление последнего очень мало, не закоротить источник постоянного напряжения при разряде накопителя. Цепь заряда должна замыкаться через зарядное устройство, сопротивление которого кратковременным токам разряда много больше эквивалентного сопротивления генератора СВЧ, поэтому накопитель не разражается через параллельную зарядную цепь.

С энергетической точки зрения модулятор является трансформатором мощности. В самом деле, мощность Р_ист, потребляемая накопителем от источника питания, равна:

Р_ист = η_з ,

где W_нак- энергия, получаемая накопителем от источника питания, η_з– КПД зарядной цепи, Т – период следования импульсов. Мощность Р_г, которую получает генератор СВЧ во время импульса, равна:

Р_г= η_рW_нак/τ =η_рη_зР_истT/τ = η_рη_зР_истq ,

где h_р- КПД разрядной цепи, а q – скважность. Таким образом, благодаря применению накопителя энергии мощность Р_г, получаемая генератором СВЧ во время импульса, в (qh_зh_р) раз больше мощности, отдаваемой источником питания. Обычно h_з и h_р= 0,7-0,9, q - порядка 1000. Это даёт возможность использования источников питания малой мощности.

Рассмотрим основные элементы схемы импульсного модулятора - коммутирующие устройства и накопители.

6.3.3. Коммутирующие устройства

Коммутирующие устройства - коммутаторы - в схемах импульсных модуляторов работают либо на замыкание, либо на размыкание. Основное требование, которое предъявляется к коммутатору, заключается в том, что его внутреннее сопротивление должно быть минимальным при замыкании и бесконечно большим при размыкании. Из рис.6.6 видно, что во время разряда накопителя напряжение делится между генератором и внутренним сопротивлением коммутатора, при этом на последнем теряется мощность. При этом в коммутаторе теряется мощность Р_к, которая при прямоугольном импульсе, когда ток во время импульса можно считать постоянным, равна

Р_к=U_кI_{р ,}

где I_р – разрядный ток, U_к – падение напряжения на коммутаторе. Мощность, которая передается генератору равна:

Р_г=U_гI_р =I_р(U_н - U_к) .

Здесь U_н – напряжение на накопителе, U_г- напряжение на генераторе. Тогда КПД разрядной цепи равен:

η_р =

Таким образом, КПД разрядной цепи тем выше, чем меньше падение напряжения на коммутаторе во время разряда, то есть чем меньше его сопротивление при замыкании. Наряду с этим к коммутирующим устройствам предъявляют также следующие технические требования:

• время срабатывания коммутатора и время восстановления его управляющих свойств должны быть как можно меньше, так как от этого зависят длительность фронта импульсов и частота их следования;
• коммутатор должен выдерживать высокие напряжения, достигающие десятков киловольт, и пропускать импульсные токи порядка десятков и сотен ампер;
• коммутатор должен срабатывать от импульсов возможно меньшей мощности;
• параметры коммутатора должны быть стабильными во времени и не зависеть от температуры окружающей среды; и др.

Наиболее широкое применение в качестве коммутаторов имеют электронные лампы и газонаполненные приборы. И те, и другие могут коммутировать большие мощности, достигающие у ламп десятков мегаватт, а у газонаполненных приборов - ста и более мегаватт. В качестве коммутаторов используют также полупроводниковые приборы тиристоры, позволяющие коммутировать мощности до нескольких мегаватт. Рассмотрим особенности этих коммутаторов.

6.3.3.1. Коммутирующие устройства на электронных лампах

Как коммутирующий прибор электронная лампа обладает следующими достоинствами:

1. Электронная лампа является коммутирующим прибором, работающим как на замыкание, так и на размыкание цепи разряда накопителя энергии.

2. Коммутирующие устройства на электронных лампах по существу являются безынерционными. Это позволяет точно управлять началом и окончанием каждого импульса. Благодаря своей безынерционности электронные коммутаторы способны коммутировать импульсы практически любой длительности и частоты повторения. Форма импульсов в модуляторах с электронными коммутаторами определяется главным образом формой управляющих импульсов в цепи сетки электронной лампы и может быть получена весьма близкой к прямоугольной.

3. Электронные лампы выдерживают напряжения достигающие десятков киловольт.

4. Параметры электронных ламп практически не зависят от времени и от температуры окружающей среды.

Наряду с этим электронные коммутаторы обладают и рядом недостатков, главными из которых являются:

1. Сравнительно большое внутреннее сопротивление электронной лампы, что снижает КПД модулятора в процессе разряда.

2. Относительно небольшой ток эмиссии катода, что ограничивает величину пропускаемого импульсного тока. Для увеличения коммутируемого тока приходится включать лампы параллельно (до шести-восьми штук). Поэтому при формировании импульсов большой мощности (более 1000 кВт) схема модулятора усложняется, и надежность ее работы снижается.

3. Для надежного запирания лампы на ее сетку должно быть подано отрицательное напряжение, превышающее напряжение запирания , которое определяется по спрямленной анодносеточной характеристике. Однако, чрезмерное увеличение отрицательного напряжения на управляющей сетке лампы приводит к увеличению необходимой амплитуды импульса, отпирающего лампу, а также к увеличению выходной мощности подмодулятора и напряжения между управляющей сеткой и катодом лампы. Обычно, величину напряжения смещения выбирают в пределах (1,2¸1,5), при этом анодный ток во время паузы не превышает значения 0,001% от импульсного тока. Рабочую точку коммутаторной лампы во время импульса выбирают в граничном режиме - точка В на характеристике лампы (рис.6.7). При работе в перенапряженном режиме (точка А) велик сеточный ток, а следовательно и мощность подмодулятора; при работе в недонапряженном режиме (точка С) велико падение напряжения на лампе. Кроме того, даже небольшое возрастание тока i_а приводит к значительному увеличению падения напряжения на лампе и завалу плоской вершины модулирующего импульса.

Рис.6.7

В качестве коммутаторных ламп обычно используются тетроды, так как у них величина запирающего напряжения и сеточного тока меньше, чем у триодов.

6.3.3.2. Коммутирующие устройства на газоразрядных приборах

Коммутирующие устройства на газоразрядных (ионных) приборах - тиратронах и разрядниках - являются более экономичными, чем на электронных лампах. В отличие от электронной лампы эти приборы способны пропускать импульсные токи, достигающие тысяч ампер при малом падении напряжения на электродах, прячем, цепи их управления (цепь поджига разрядника, сеточная цепь тиратрона) потребляют весьма малую мощность. В результате модуляторы с ионным коммутатором имеют меньшие габариты и более высокий КПД, чем с электронным.

Основной недостаток ионных коммутаторов заключается в том, что они могут работать только на замыкание. После поджига такой коммутатор становится неуправляемым. У модуляторов с ионными коммутаторами форма и длительность импульсов на выходе не зависят от поджигающего импульса, а определяются свойствами цепи разряда, то есть практически свойствами накопителя. Кроме этого, коммутаторы на ионных приборах обладают и рядом других недостатков:

• не выдерживают высоких напряжений, что приводит к необходимости включать их последовательно;
• обладают довольно значительным временем деионизации, что затрудняет их использование при высокой частоте повторения импульсов;
• имеют разброс по времени оформления разряда, а также разброс потенциала зажигания;

Разряд через тиратрон прекращается при уменьшении анодного напряжения более, чем на 20% от начального значения.

Наиболее приспособленными для работы в качестве коммутаторов в импульсных устройствах являются разработанные специально для этой цели водородные тиратроны. Падение напряжения на них при замыкании не превышает 2% от напряжения накопителя; их внутреннее сопротивление в импульсе составляет всего несколько десятков Ом (у электронных ламп оно на порядок выше), поэтому КПД разрядной цепи достигает 98%. Кроме того, водородные тиратроны имеют очень малое время ионизации - от 0,02 до 0,07 мкс - и деионизации - порядка 10мкс. Это позволяет коммутировать импульсы малой длительности (несколько десятых микросекунды) с достаточно высокой частотой повторения (до десятков килогерц). Водородные тиратроны имеют положительную пусковую характеристику, поэтому они не требуют отрицательного напряжения смещения на сетке для запирания во время пауз. Зажигание производится положительными импульсами сравнительно малой мощности с амплитудой напряжения около 200В, причем, имеет значение крутизна фронта этих импульсов, поскольку от нее зависит разброс во времени оформления разряда. При амплитуде поджигающих импульсов 200 В и скорости нарастания напряжения на сетке 300 В/мкс разброс времени оформления разряда не превышает 0,04 мкс. Увеличение скорости нарастания в несколько раз при некотором увеличении управляющего импульса позволяет в необходимых случаях резко уменьшить разброс. Анодный ток тиратрона продолжается до тех пор, пока напряжение на его аноде не уменьшится до значения напряжения погасания, которое у большинства водородных тиратронов не превышает 10-20 В. Параметры и пусковая характеристика водородных тиратронов мало зависят от окружающей температуры. Наибольшее напряжение, допускаемое на аноде водородного тиратрона, достигает десятков киловольт. Для увеличения коммутируемой мощности тиратроны выполняют в металлокерамическом оформлении. Так, металлокерамический водородный тиратрон ТГИI-5000/50 отечественного производства работает при анодном напряжении 50 кВ, коммутируемый ток равен 5000А при среднем токе 10А.

6.3.3.3. Коммутирующие устройства на тиристорах

Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор, основу которого составляет четырехслойная структура типа р-n-р-n (рис.6.8а). Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n-областью называют катодом, а с внешней р-областью - анодом. С внутренней р-областью соединен управляющий электрод. Изготавливают тиристорные структуры из кремния.

Тиристор является управляемым прибором, имеющим два устойчивых состояния - открытое и закрытое. Вольтамперная характеристика тиристора, изображенная на рис.6.8б, имеет S-образную форму. На участке 1 анодный ток весьма мал (от нескольких десятых до 20-30 мА), и прибор можно считать выключенным.

Рис.6.8

Участок 3 аналогичен характеристике обычного полупроводникового диода: прибор находится во включенном состоянии с остаточным напряжением порядка единиц вольт при токах, достигающих тысяч ампер, которые ограничиваются только максимально допустимой мощностью рассеяния. Прямое переключение тиристора имеет место при анодном напряжении, равном (точка перегиба между участком 1 и участком 2, где тиристор имеет отрицательное сопротивление). Это напряжение достигает единиц киловольт. Как видно из рис.10б, при увеличении управляющего (пускового) тока оно уменьшается. Обычно переклюючение тиристора в открытое состояние производится подачей отпирающего импульса тока в цепь управляющего электрода. При обратном переключении тиристора из проводящего состояния в закрытое анодный ток уменьшается до значения тока удержания (рис.6.8б), который невелик - десятки и сотни миллиампер.

При >0, как это обычно бывает на практике, для обратного переключения прибора достаточно уменьшить рабочий ток, протекающий через тиристор, до значения < на время , где - время выключения тиристора. Обратное переключение возможно также при изменении на определенное время полярности напряжения на аноде. Регулировка длительности импульса на нагрузке возможна при запирании тиристора с помощью вспомогательных ключей и дополнительных источников напряжения, а также с помощью коммутирующих реактивных элементов - накопителей энергии (например, энергии предварительно заряженного конденсатора). Включение и выключение так называемого запираемого тиристора производится подачей на его управляющий электрод импульсов положительной (для отпирания) или отрицательной (для запирания) полярности.

Важным параметром тиристора является скорость переключения. Она определяется временем включения к временем выключения. Современные импульсные тиристоры имеют время включения от сотых до единиц микросекунд, а время выключения обычно на порядок больше. Рабочее напряжение у них достигает 2 кВ, а ток - 2000 А. Мощные тиристоры на токи в сотни ампер имеют принудительное охлаждение. Для получения большего напряжения или большего тока тиристоры можно соединять последовательно и параллельно, но при этом должны быть приняты меры, обеспечивающие равномерное распределение токов и напряжений между приборами во избежание их перегрузок.

Достоинством тиристоров является возможность управления не только моментом их включения, но и выключения, что позволяет регулировать длительность импульса в нагрузке. Тиристоры обладают высокой надежностью и долговечностью, постоянно готовы к действию, имеют малые габариты и высокую экономичность.

Недостатками тиристоров является значительно меньшая по сравнению с электронными лампами и водородными тиратронами импульсная мощность, а также большая инерционность.

6.3.4. Накопители энергии

Рис.6.9

Как указывалось выше, в импульсном модуляторе во время пауз между импульсами происходит накопление энергии в накопителе. Энергия в накопителях может запасаться либо в электрическом поле емкости, либо в магнитном поле индуктивности, поэтому в качестве накопителя могут быть использованы емкости, индуктивности, а также различные их комбинации. Наибольшее распространение имеют ёмкостные накопители. Рассмотрим основные типы этих накопителей, обращая при этом внимание на следующее:

• на форму импульса, подаваемого на генератор СВЧ при разряде накопителя;
• мощность, или энергию, отдаваемую накопителем генератору СВЧ;
• КПД накопителя;
• требования к коммутирующему прибору.

6.3.4.1. Применение конденсатора в качестве ёмкостного накопителя энергии

Структурная схема модулятора с конденсатором в качестве емкостного накопителя показана на рис.6.9а. Во время пауз между импульсами коммутирующий прибор разомкнут, и конденсатор С заряжается через сопротивление от источника постоянного тока Е, накапливая энергию. При замыкания коммутатора во время действия импульса конденсатор разряжается на генератор СВЧ, отдавая ему накопленную за время паузы энергию. Возможны два режима работы накопительного конденсатора: режим частичного разряда, когда за время импульса конденсатор разряжается частично, отдавая генератору СВЧ лишь небольшую часть накопленной энергии; режим полного разряда, когда во время импульса конденсатор разряжается полностью, отдавая всю накопленную энергию. Изменение напряжения на накопительном конденсаторе при частичном разряде показано на рис.6.9б. Энергия, получаемая конденсатором во время импульса определяется формулой:

W_c=0,5C(). КПД зарядной цепи равен: η_з = , где W_иcт – энергия, отдаваемая источником питания накопителю – конденсатору - во время паузы. При τ<<Т можно считать, что W_иcт =Eq_зар, где q_зар – заряд, полученный конденсатором от источника питания, он равен: q_зар =С(U_cmax – U_cmin), тогда: W_с= 0,5(U_cmax + U_cmin) q_зар = U_{c ср}/Е.

При этом КПД зарядной цепи равен:

То есть КПД цепи заряда определяется отношением среднего напряжения на конденсаторе к напряжению источника питания.

Для получения импульса на нагрузке, по форме близкого к прямоугольному, относительное изменение напряжения на конденсаторе b должно быть мало:

, (6.1)

где

U_cmax = E (1- ). (6.2)

Поскольку обычно , то при частичном разряде накопительного конденсатора КПД зарядной цепи достигает 90-95%, при этом форма импульса на нагрузке близка к прямоугольной. Можно показать, что емкость накопительного конденсатора определяется формулой:

, (6.3)

где - сопротивление нагрузки (генератора).

Для осуществления режима частичного разряда накопительного конденсатора необходим коммутатор, работающий и на замыкание, и на размыкание. При таких условиях в качестве коммутатора может быть использована электронная лампа.

Режим полного разряда накопительного конденсатора может обеспечить получение модулирующих импульсов большой мощности при более простой схеме подмодулятора и при использовании коммутирующего прибора, работающего только на замыкание. Последнее позволяет использовать в качестве коммутирующего прибора не электронную лампу, а тиратрон. Однако, при полном разряде обычного конденсатора импульс напряжения на нагрузке не прямоугольный, а остроконечный (рис.6.9в), и КПД зарядной цепи, как следует из формул (6.1) и (6.2), получается низким. По этим причинам режим полного разряда накопительного конденсатора не применяется.

6.3.4.2. Линии с распределенными постоянными и искусственные линии как емкостные накопители энергии

Недостатки простого емкостного накопителя, работающего в режиме полного разряда, могут быть устранены при использовании более сложных емкостных накопителей, а именно – накопительных искусственных линий. При этом все преимущества использования полного разряда сохраняются. Импульсные модуляторы с искусственными линиями широко применяются на практике.

Рис.6.10

В однородной линии с распределенными постоянными, заряженной до некоторого напряжения Е, сосредоточен запас электростатической энергии W_c=0,5lE² , где С` -погонная ёмкость линии, l - её длина, то есть С`l=C_л - полная ёмкость линии. Таким образом, эта линия представляет собой емкостный накопитель энергии, как обычный конденсатор.

Известно, что разомкнутая на обоих концах линия с распределёнными постоянными длиной l и волновым сопротивлением r, заряженная до напряжения Е, будучи замкнута на нагрузку R (рис.6.10), выделяет на этой нагрузке напряжение, величина и форма которого зависят от соотношения между величинами R и r. Разрядная волна характеризуется током I₁=I_r= и напряжением U₁= I₁r, или U₁=r. Поскольку при разряде линии напряжение на нагрузке U_r=E-U₁, то нетрудно показать, что

, (6.4)

(6.5)

Последние два выражения показывают, что линия в процессе разряда ведет себя по отношению к нагрузочному сопротивлению R как источник ЭДС E c внутренним сопротивлением r (рис.6.11). Напряжение на линии равно:

Рис.6.11

При t=, где v - скорость распространения волны в линии, после того, как разрядная волна, достигнув разомкнутого конца линии, отразится от него и вернется к началу линии, т.е. после двукратного прохождения разрядной волны, остаточное напряжение на линии станет равным Е' = E - 2U_r, или:

. (6.6)

Из (6.4) и (6.6) следует, что при R =r на нагрузке выделяется прямоугольный импульс с амплитудой U_R=E/2 и длительностью t==, при этом остаточное напряжение на линии Е'=0; когда R >r напряжение на нагрузке U_r, > E/2, остаточное напряжение Е' имеет ступенчатую форму одной полярности, длительность каждой «cтупеньки» равна t; при R< r напряжение U_r < E/2, а Е' имеет знакопеременную ступенчатую форму (рис.6.12).

Итак, если R¹r, то при t=2l/v линия еще заряжена до напряжения , и процесс разряда повторяется до тех пор, пока она не разрядится полностью.

Таким образом, заряженный до некоторого напряжения разомкнутый на конце отрезок линии с распределёнными постоянными позволяет получить при разряде на согласованную нагрузку напряжение, имеющее прямоугольную форму. Амплитуда импульса равна половине величины напряжения, до которого была заряжена линия, а его длительность t - удвоенному времени пробега разрядной волны вдоль линии длиной l, т.е. t=2l/v. Поскольку скорость распространения волны в воздушной линии равна скорости света с=3×10⁸ м/сек, то при заданных значениях U_н, R и t расчет параметров линии не составляет труда. Однако, для получения коротких импульсов длина линии чересчур велика: при t=1мкс l=150м! Поэтому на практике применяются искусственные линии, составленные из ряда ячеек с сосредоточенными параметрами L и C. Наиболее употребительная схема искусственной линии показана на рис.6.13. Свойства искусственных линий отличаются от свойств линий с распределенными постоянными, но приближаются к ним при увеличении числа ячеек, из которых составлена искусственная линия. Для искусственной линии (рис.6.13), составленной из N ячеек, длительность импульса равна:

t = 2l= 2 =2N,

где и- индуктивность и ёмкость одной ячейки, а L_л и C_л - полные индуктивность и ёмкость линии. Волновое сопротивление этой линии равно:

r = .

Тогда:

С_Л= и L_Л= ,

откуда

,

. (6.7)

Рис. 6.12

Обычно искусственные линии проектируют на волновые сопротивления от до 25 до 80 Ом. При больших мощностях выгодно выбирать низкое волновое сопротивление для уменьшения напряжения на линии. Искусственные линии с большими волновыми сопротивлениями не применяются, так как емкости ячеек оказываются очень малыми, соизмеримыми с емкостями монтажа.

Рис.6.13

По этой же причине число ячеек, из которых составлена искусственная линия, обычно не превышает 6.

Рис.6.14

Форма импульсов, создаваемых искусственными линиями на согласованном нагрузочном сопротивлении, заметно отличается от прямоугольной. Нарастание и спад импульса происходят с конечной скоростью. Вершина импульса не плоская, а волнистая, причем, максимальная величина пульсаций достигает 10% и мало зависит от числа ячеек. От числа ячеек N зависят длительности фронта t_ф и длительности спада t_с импульса, которые тем меньше, чем больше ячеек. Число ячеек выбирают, исходя из требуемой длительности фронта:

N @ 0,4 (6.8) Длительность спада импульса равна: t_с @ 2t_ф (6.9) На рис.6.14 показана форма импульсов разряда искусственной линии на согласованную нагрузку при числе ячеек N=2, 3 и 4.

6.4. Схемы импульсных модуляторов

Импульсные модуляторы в зависимости от способа их построения и особенностей работы можно разделить на несколько групп, каждая из которых характеризуется определенными признаками. Основными признаками являются тип накопителя, тип коммутирующего прибора, характер заряда накопителя, место формирования модулирующего импульса. Главным из них следует считать тип накопителя, так как именно им определяется выбор всех элементов схемы импульсного модулятора. По типу накопителя энергии различают два основных вида модуляторов:

• с частичным разрядом накопительного конденсатора;
• с полным разрядом искусственной линии.

6.4.1. Модуляторы с частичным разрядом накопительного конденсатора

Импульсные модуляторы с частичным разрядом накопительного конденсатора весьма широко применяются в радиотехнических устройствах. Такие модуляторы формируют импульсы, близкие по форме к прямоугольным. В качестве коммутирующего прибора в них используются электронные лампы, которые являются безынерционными приборами. Это позволяет формировать импульсы с практически любой частотой следования. Кроме того, имеется возможность легко изменять длительность и частоту следования импульсов.

Рассмотрим два типа схем модуляторов с частичным разрядом накопительного конденсатора, предназначенных для модуляции магнетронного генератора – модулятор с шунтирующим нагрузку активным сопротивлением (рис.6.15а) и модулятор с шунтирующими нагрузку дросселем и параллельным ему диодом (рис.6.15б).

6.4.1.1. Схема модулятора с шунтирующим нагрузку активным сопротивлением

Рис. 6.15

На рис.6.15а пунктиром показаны паразитные емкости схемы. Паразитная ёмкость С₁ образована выходной емкостью монтажа, а паразитная емкость С₂ определяется входной емкостью генератора (магнетрона), емкостью монтажа и др.

Включенное последовательно с источником постоянного напряжения сопротивление R₁ является ограничительным, оно необходимо для того чтобы при открытом коммутаторе источник питания не нагружался его малым сопротивлением, поэтому величина R₁ должна быть достаточно большой. Однако, через это сопротивление происходит заряд накопительного конденсатора, поэтому при чрезмерном увеличении R₁ потребуется увеличение напряжения источника питания и понизится КПД зарядной цепи (см.6.3.4.1). Обычно R₁=(10-20)R_м, где R_м – статическое сопротивление магнетрона в рабочей точке, которое бывает порядка 1000 Ом. Сопротивление R₂ служит для создания цепи заряда накопителя, так как генератор СВЧ обладает односторонней проводимостью. Это сопротивление должно быть достаточно большим, чтобы ток через него был во много раз меньше рабочего тока генератора СВЧ; обычно R₂@ 10 R_м.

Сопротивление R₂ служит для создания цепи заряда накопителя, так как генератор СВЧ обладает односторонней проводимостью. Это сопротивление должно быть достаточно большим, чтобы ток через него был во много раз меньше рабочего тока генератора СВЧ. Работа схемы происходит следующим образом. Во время паузы между импульсами модуляторная лампа заперта большим отрицательным напряжением E_g. В это время накопительный конденсатор С заряжается от источника постоянного напряжения Е через сопротивления R1 и R2, и напряжение на нем U_c возрастает до U_cmax (рис.6.16а). При этом паразитная емкость C₁ заряжается через сопротивление R₁ от источника питания Е. К концу паузы между импульсами напряжения на накопительном конденсаторе C и на паразитной емкости С₁ достигают величин, близких к Е, а напряжение на магнетроне почти равно нулю. С приходом на управляющую сетку модуляторной лампы положительного прямоугольного импульса от подмодулятора (рис.6.16б) модуляторная лампа отпирается, и через нее протекают токи разряда накопительного конденсатора С и паразитной емкости С₁, а также ток от источника питания Е через ограничительное сопротивление R₁.

Рис.6.16

Накопительный конденсатор вначале разряжается через модуляторную лампу, паразитную емкость С₂ и сопротивление R₂. При этом паразитная емкость С₂ быстро заряжается, и напряжение на магнетроне нарастает от нуля до порогового напряжения Е₀. Время нарастания напряжения на магнетроне от нуля до порогового значения называется длительностью фронта импульса напряжения модулятора t_ф0. С того момента, когда напряжение на магнетроне достигает порогового значения, разряд накопительного конденсатора происходит через магнетрон, модуляторную лампу, а также через паразитную емкость С₂ и сопротивление R₂. При этом напряжение на магнетроне быстро увеличивается от порогового Е₀ до его значения Е_а в рабочей, а ток магнетрона нарастает от нуля до значения I_a0 в рабочей точке. Время нарастания тока магнетрона от нуля до значения I_a0 называется длительностью фронта импульса тока магнетрона t_фi (рис.6.16в).

Вследствие разряда накопительного конденсатора напряжение на магнетроне после достижения максимума, равного Е_а, начинает медленно уменьшаться и к концу импульса подмодулятора снижается на небольшую величину DЕ_а; при этом и ток магнетрона уменьшается на величину DI_a (рис.6.16в). Время, в течение которого напряжение на магнетроне изменяется на величину DЕ_{а ,} называется длительностью плоской части (вершины) импульса модулятора t.

После окончания действия положительного импульса подмодулятора модуляторная лампа снова оказывается запертой большим отрицательным напряжением на сетке E_g. С этого момента возобновляются процессы заряда накопительного конденсатора и паразитной емкости С₁, и начинается разряд паразитной емкости С₂. Вначале емкость С₂ разряжается через магнетрон и сопротивление R₂, а также через источник питания Е, ограничительное сопротивление R₁ и накопительный конденсатор С (рис.6.15б). При этом напряжение на магнетроне быстро уменьшается до порогового значения Е₀ , после чего ток магнетрона становится равным нулю. Время спада тока магнетрона от его величины в конце плоской части импульса до нуля называется длительностью спада импульса тока магнетрона t_ci (рис.6.16в). После того, как напряжение на магнетроне стало равным пороговому, а ток магнетрона стал равным нулю, разряд емкости С₂ происходит только через сопротивление R₂ и через источник питания Е, сопротивление R₁ и накопительный конденсатор. Напряжение на магнетроне при этом спадает от величины Е₀ до нуля (рис.6.16в). Время спада напряжения магнетрона от величины Е₀ до нуля называется длительностью спада напряжения модулятора t_с0. Таким образом, длительность импульсов модулятора определяется длительностью импульсов, поступающих на управляющую сетку модуляторной лампы от подмодулятора. При этом, даже в случае, когда импульсы подмодулятора имеют идеально прямоугольную форму, импульсы модулятора будут иметь форму, отличную от прямоугольной.

Рассмотрим основные количественные соотношения, при этом будем считать, что нагрузка модулятора (магнетрон) выбрана.

Ёмкость накопительного конденсатора определяется формулой (6.3), а максимальное напряжение на накопительном конденсаторе - формулой (6.2), где

R_з = R₁ +R₂.

Длительность фронта импульса напряжения равна:

t_ф0 = R₀C₀ln (). (6.10)

Здесь E₀= U_н - напряжение на нагрузке (на магнетроне) при t = t_ф0, R₀=,

R= , R'_i - динамическое сопротивление модуляторной лампы на рабочем участке характеристики, С₀= С₁+С₂ - общая паразитная емкость модулятора, I_amax - максимальное значение анодного тока через модуляторную лампу. Длительность фронта импульса напряжения можно оценить и по приближенной формуле:

t_ф0 » 1,1×(Е_аС₀)/I_amax. (6.10’)

Длительность спада импульса напряжения:

t_с0 = 3RC₀ , (6.11)

где

R ³ 10 R_M . (6.12)

Здесь R_М - статическое сопротивление магнетрона в рабочей точке, которое бывает обычно порядка 1000 Ом, а полная паразитная емкость модулятора C₂, как правило, лежит в пределах 100-200пФ, поэтому согласно выражению (6.9) t_c0=6мкс. Такая большая длительность спада импульса напряжения на магнетроне может оказаться недопустимой. Для получения меньшей длительности спада импульсов напряжения вместо сопротивления R2 параллельно магнетрону ставят дроссель и диод (рис.6.15б).

Следует иметь в виду, что суммарный анодный импульсный ток I_a, протекающий через лампу равен:

I_a = I₁+ I₂ + I_а0 ,

где I₁ - ток от источника анодного напряжения лампы, I₂ - часть разрядного тока через зарядное сопротивление R₂ при работе магнетрона, I_а0 - анодный ток магнетрона в импульсе.

Наибольшее напряжение на лампе в импульсе равно:

e_аmax= e_amin + Е_а ,

где e_amin- падение напряжения лампе в рабочей точке (рис.6.7), Е_а - напряжение на выходе модулятора (на магнетроне). Для повышения надежности при выборе модуляторной лампы рекомендуется брать запас по току не менее 15%, а по напряжению - не менее 20%.

6.4.1.2. Схема модулятора с шунтирующими нагрузку дросселем и диодом

Изображенная на рис 6.15б полная схема модулятора с шунтирующими магнетрон дросселем и диодом (с учётом паразитных ёмкостей) в отличие от предыдущей обеспечивает малую длительность спада модулирующего импульса. Рассмотрим физические процессы в схеме модулятора при наличии индуктивности L в зарядной цепи. Здесь накопительный конденсатор С заряжается от источника питания Е через сопротивление R₁, диод D и дроссель L. Поскольку заряд протекает медленно, индуктивность L не оказывает влияния на этот процесс. Можно считать, что напряжение на магнетроне в интервале между импульсами подмодулятора равно нулю. С приходом положительного импульса на сетку модуляторной лампы она открывается, и начинается формирование фронта импульса напряжения на нагрузке. При этом, как и в предыдущей схеме, паразитная емкость C₁ разряжается, а паразитная емкость C₂ заряжается, и напряжение на ней растет. Влияние индуктивности L и здесь незначительно, так как за время фронта импульса ток не успевает сколько-нибудь заметно нарасти.

Во время действия плоской части импульса напряжение на нагрузке снижается, что обусловлено, во-первых, частичным разрядом накопительного конденсатора С, а во-вторых, нарастанием тока в катушке индуктивности L (рис.6.17б).

Рис.6.17

В начале импульса этот ток равен нулю, так как накопительный конденсатор заряжен. За малое время фронта ток не успевает заметно измениться. При достижении напряжения на нагрузке значения Е_а ток i_L в дросселе начинает практически линейно расти (рис.6.17) по закону:

i_L≈ ,

где r_L- активное сопротивление дросселя. Так как << 1, то к концу импульса он становится равным:

I_Lmax@ (6.13)

Таким образом, форма вершины импульса в этой схеме зависит не только от величины емкости накопительного конденсатора, но и от величины индуктивности L – чем она больше, тем меньше снижение плоской вершины модулирующего импульса.

После окончания импульса подмодулятора лампа запирается, и паразитная емкость C₂ начинает разряжаться. Когда напряжение на магнетроне становится меньше порогового E₀, магнетрон прекращает работать, то есть R_М=¥. После этого за счет запаса электромагнитной энергии в индуктивности L и паразитной емкости C₀ в схеме возникает переходный процесс. Так как характеристическое сопротивление r параллельного контура, образованного индуктивностью L и полной паразитной емкостью схемы C₀ (рис.6.15в), всегда намного меньше параллельных ему сопротивлений запертых диода и магнетрона, то переходный процесс имеет колебательный характер, и спад импульса получается очень крутым, что весьма благоприятно. Если бы диода в схеме не было, этот колебательный процесс продолжался бы достаточно долго (по пунктирной линии рис.6.17а), причем, можно показать, что амплитуда колебаний превышает величину анодного напряжения Е_а, что недопустимо.

Диод Д в схеме рис.6.15в включен таким образом, что во время первого полупериода колебательного напряжения, возникающего вслед за основным импульсом (и имеющего обратную полярность), он проводит и шунтирует контур LC₀ своим малым внутренним сопротивлением R_iд. Если внутреннее сопротивление диода меньше характеристического сопротивления параллельного контура образованного L и C₀ , то оно шунтирует этот контур, переходный процесс становится апериодическим, и напряжение на контуре быстро спадает до нуля по экспоненте (на рис.6.17а это показано сплошной линией).

При формирование плоской вершины импульса ток через индуктивность L достигает заметной величины, которая в конце плоской части импульса становится равным I_L=()t. Поэтому в модуляторе с дросселем и диодом относительное изменение напряжения и тока магнетрона во время плоской части импульса больше, чем в схеме модулятора с шунтирующим магнетрон активным сопротивлением. Это является недостатком схемы модулятора с дросселем и диодом. Наибольший за время импульса ток через дроссель I_Lmax должен быть намного меньше тока магнетрона. Обычно принимают

I_Lmax=(0,005¸0,10) I_ao .

Тогда:

L=(10¸20) R_мt (6.14)

Спад модулирующего импульса можно разбить на три участка. На первом участке напряжение на магнетроне при уже закрытой модуляторной лампе спадает от значения (Е_а - DЕ_а) в конце вершины до Е₀, после чего магнетрон прекращает работать. Это время спада импульса тока магнетрона t_ci. На этом участке, когда модуляторная лампа уже закрыта, а магнетрон еще работает, паразитная емкость С₂ разряжается главным образом через магнетрон, так как токи через сопротивление R₁ и дроссель L малы по сравнению с током магнетрона. Длительность спада импульса тока магнетрона оказывается такой же, как в схеме с шунтирующим магнетрон активным сопротивлением.

На втором участке напряжение на магнетроне спадает от Е₀ до нуля. И магнетрон, и диод при этом не работают. На этом участке спада модулирующего импульса паразитная емкость С₂ разряжается в основном через дроссель L. Как указывалось выше, здесь в схеме имеет место колебательный процесс.

На третьем участке напряжение на магнетроне меняет знак, и диод проводит ток. Здесь разряд должен иметь апериодический характер, поэтому величина внутреннего сопротивления диода должна удовлетворять неравенству

R_iд< . (6.15)

Схема модулятора с дросселем и диодом может обеспечить длительность спада модулирующего импульса t_c0 = (0,1 – 0,2)t. Однако из-за диода увеличивается паразитная емкость C₂ и усложняется схема модулятора. Поэтому иногда вместо диода последовательно с дросселем включают активное сопротивление R. При этом послеимпульсный колебательный процесс в контуре LC₀R сохраняется, однако амплитуда колебаний невелика и имеет резко выраженный затухающий характер.

Если принять, что ток через дроссель в течение времени t»t нарастает линейно, то его эффективное значение может быть вычислено с достаточной степенью точности по формуле:

I_Leff @

Режим работы магнетрона контролирует прибор, измеряющий среднее значение импульсного тока. Этот прибор включают так, как показано на рис.6.15г, где этот прибор измеряет зарядный ток, равный среднему значению импульсного тока магнетрона. В самом деле, за время заряда t_зар @ Т накопительный конденсатор приобретает заряд Dq_зар = CU_c. Среднее значение зарядного тока равно:

i_зар.ср.=

Среднее значение импульсного тока магнетрона (если импульс имеет прямоугольную форму) равно:

i_м.ср. = ,

где I_a - ток магнетрона в импульсе. Но I_at = q_зар, так как во время импульса накопитель отдает весь приобретенный во время паузы заряд. Емкость блокировочного конденсатора С_бл (рис.6.15г) выбирают так, чтобы его сопротивление Х_сбл на частоте F было намного меньше сопротивления r_пр рамки прибора, т.е. 1/Ωt << r_пр.

Модуляторная лампа здесь выбирается так же, как в схеме с резистором в зарядной цепи.

6.4.1.3. Подмодулятор

Для управления электронным коммутатором применяются специальные устройства, называемые подмодуляторами, в которых формируются импульсы напряжения определенной амплитуды, формы и мощности, подаваемые затем на управляющую сетку коммутаторной лампы. Форма этих импульсов должна быть близка к прямоугольной. Длительность и частота следования импульсов подмодулятора определяют длительность и частоту следования модулирующих импульсов. В большинстве случаев основным каскадом подмодулятора является заторможенный блокинг-генератор, хотя в принципе может быть использована любая из многочисленных импульсных схем. В состав подмодулятора могут также входить усилительные, согласующие и развязывающие каскады.

Исходными данными для расчета подмодулятора являются требования к импульсу, отпирающему коммутаторную лампу, и к стабильности длительности и частоты следования импульсов. Длительность импульса подмодулятора обычно принимается t_п @ t_ф0 + t_ci + t (см. рис.6.16а и 6.16б). Так как t_ci << t_ф0 , а t_ф0 @0,1t, то t_п @ 1,1t. Расчет подмодулятора сводится к расчету отдельных каскадов типовых импульсных схем – блокинг-генераторов, усилителей, катодных повторителей и т.п.

6.4.2. Модуляторы с полным разрядом искусственной линии

Рис.6.18

В импульсных модуляторах с полным разрядом ёмкостного накопителя - искусственной линии - в качестве коммутатора используются ионные приборы, главным образом, водородные тиратроны. Мы рассмотрим наиболее распространенную схему модулятора с одинарной искусственной линией в качестве накопителя (рис.6.18).

6.4.2.1. Колебательный заряд линии от источника постоянного тока

Для повышения КПД зарядной цепи искусственных линий, используемых в качестве ёмкостных накопителей энергии и работающих в режиме полного разряда, в этой схеме использован колебательный заряд линии от источника постоянного тока, который мы и рассмотрим. Поскольку заряд искусственной линии происходит во время пауз между импульсами сравнительно медленно, то влияние индуктивных элементов линии на процесс заряда незначительно. Поэтому можно считать, что во время заряда искусственная линия представляет собой емкость , которая для цепочечной линии (рис.6.13) равна сумме емкостей конденсаторов, всех ячеек. Тогда упрощенную эквивалентную схему заряда искусственной линии для рассматриваемого случая можно представить так, как это показано на рис.6.19а, где - зарядный дроссель, Е - источник питания, а - суммарные потери в зарядной цепи. Дифференциальное уравнение для зарядного тока имеет вид:

Е =,

здесь E^’ – напряжение, которое в общем случае могло остаться на линии, оно может быть как положительным, так и отрицательным, Е^’= , где q₀ – остаточный заряд на линии при t=0.

Параметры зарядной цепи выбираются так, чтобы заряд был колебательным. Это имеет место при условии:

r_З < 2ρ_з , (6.16)

где ρ_з– волновое сопротивление зарядной цепи6 ρ_з == ω₀L_з =.

При колебательном заряде линии зарядный ток равен:

, (6.17)

где - декремент затухания цепи, . Напряжение на формирующей линии равно:

U_c= E^’ +.

Обычно d<<w₀ , поэтому напряжение на формирующей линии можно представить выражением

(6.18)

Если линия нагружена сопротивлением, равным волновому, то и

(6.19)

На рис.6.19б показаны графики изменения зарядного тока и напряжения на линии при колебательном заряде. Первый максимум напряжения имеет место при , то есть при , где - период свободных колебаний за рядной цепи. Желательно, чтобы коммутирующий прибор производил коммутацию в момент времени, когда напряжение на накопителе имеет максимальное значение. Для этого период следования коммутирующих импульсов Т должен быть равен половине периода свободных колебаний зарядной цепи:

Отсюда определяется индуктивность зарядного дросселя:

, (6.20)

где F - частота следования импульсов.

Рис.6.19

Если величина индуктивности зарядного дросселя выбрана правильно, то напряжение на накопителе в момент коммутации, когда t=0,5T_з, будет максимальным:

, (6.21)

где = ρ_з/r_з - добротность зарядной цепи. Обычно , поэтому максимальное напряжение на накопителе , то есть почти вдвое больше напряжения источника питания. Это увеличение напряжения объясняется тем, что к концу первой четверти периода собственных колебаний, когда зарядный ток достигает максимума, а напряжение на линии – приблизительно напряжения источника питания (рис.6.19б), индуктивности зарядного дросселя запасается энергия . Эта энергия поддерживает дальнейшее протекание тока заряда в течение следующей четверти периода собственных колебаний, напряжение на накопителе продолжает увеличиваться до величины , пока не израсходуется вся энергия, запасенная в индуктивности , и зарядный ток не изменит своего направления.

КПД зарядной цепи равен:

η_з= ,

где W_ист – энергия, отданная источником питания накопителю – линии – в процессе заряда, W_с - энергия, запасенная накопителем.

W_ист= ЕEq_зар,

Здесь q_зар – заряд, полученный накопителем от источника.

W_с = 0,5С_лU_cmax.

Тогда

η_з =

Обычно Q_зар=10–20, при этом η_з = 0,92–0,96. Таким образом, при колебательном заряде линии от источника постоянного тока КПД зарядной цепи достаточно высок.

6.4.2.2. Схема модулятора с зарядным диодом

Для получения стабильной величины напряжения заряда накопителя требуется высокая точность срабатывания коммутирующего прибора. В схеме модулятора, изображенной на рис.6.18, в зарядной цепи последовательно с зарядным дросселем включен диод Д₁, благодаря которому разряд накопителя будет происходить всегда при одном и том же напряжении, равном максимальному напряжению . Напряжение на накопителе достигает максимального значения при t=T_з/2. При t>T_з /2 зарядный ток изменяет направление на обратное. Так как диод не пропускает тока обратного направления, то разряд накопителя через источник питания при t>T_з/2, невозможен, и напряжение на накопителе остается неизменным и равным вплоть до момента коммутации. Для того чтобы коммутация происходила всегда после того, как напряжение заряда накопителя достигнет максимального значения, обычно принимают равным (0,8¸0,9)Т, поэтому в схеме с фиксирующим диодом индуктивность зарядного дросселя L_з вычисляют по формуле:

(6.22)

Уменьшение индуктивности зарядного дросселя по сравнению с величиной, определяемой формулой ( 6.20) , нежелательно, так как при этом напряжение на линии будет нарастать чересчур быстро и может достигнуть значительной величины раньше, чем произойдет полная деионизация тиратрона. В этом случае возможно повторное зажигание тиратрона задолго до появления на его сетке поджигающего импульса.

Схема модулятора с фиксирующим диодам позволяет изменять частоту следования импульсов. Если период следования импульсов изменяется в пределах от до , то параметры зарядной цепи следует подобрать так, чтобы выполнялось условие . КПД зарядной цепи в схеме с фиксирующим диодом

несколько ниже, так как при включении диода снижается добротность зарядной цепи Q_зар.

Цепь разряда накопителя

Цепь разряда накопителя в схеме рис.6.18 содержит искусственную линию, коммутирующий прибор и нагрузку - генератор СВЧ. В тех случаях, когда в качестве генератора СВЧ используется магнетрон, связь модулятора с генератором осуществляет с помощью выходного импульсного трансформатора.

Импульсный трансформатор

Импульсный трансформатор согласует низкоомное выходное сопротивление

модулятора, равное волновому сопротивлению линии r, с высокоомным входным сопротивлением генератора СВЧ, которое в данном случае принимается равным статическому сопротивлению магнетрона в рабочей точке R_М. Поэтому коэффициент трансформации импульсного трансформатора должен быть равен:

n_и = (6.23)

Для неискаженной трансформации модулирующего импульса величина n_и должна на быть не более пяти. То обстоятельство, что импульсный трансформатор является повышающим, позволяет понизить напряжение источника питания. Кроме того, трансформатор изменяет полярность модулирующего импульса, то есть знак выходного напряжения относительно земли.

Искусственная линия

При выборе числа ячеек N накопительной линии необходимо учитывать возможное искажение формы импульса при его трансформации, поэтому, принимая во внимание (6.8), N рассчитывают по формуле:

N=0,4 , (6.24)

где k=0,5¸0,8.

Цепи коррекции формы импульса

1. Согласующая цепь

Во время формирования фронта модулирующего импульса, когда напряжение на магнетроне еще не достигло величины порогового , искусственная линия разряжается на рассогласованную нагрузку, поскольку сопротивление магнетрона бесконечно велико. При этом в начальной части модулирующего импульса получится значительный выброс, что может привести к перенапряжению в схеме и нарушению стабильной работы. Для обеспечения постоянства нагрузки модулятора при формировании фронта и начальной части вершины импульса на выходе модулятора включается согласующая цепь R₁C₁. При включении этой цепи со стороны первичной обмотки (рис.6.18) сопротивление R₁ должно быть равно волновому сопротивлению искусственной линии:

(6.25)

Емкость конденсатора C₁ выбирается такой величины, чтобы время установления напряжения на нем равнялось времени формирования фронта модулирующего импульса. Если принять , то при этом

(6.26)

2. Цепь снятия послеимпульсного напряжения.

Для уменьшения амплитуды послеимпульсного выброса (обусловленного энергией, накопленной в импульсном трансформаторе) в модуляторах используют специальные цепи. На схеме рис.6.18 показана простейшая цепь снятия послеимпульсного напряжения, состоящая из диода Д₃ и сопротивления R₃. Работа этой цепи аналогична работе диода в рассмотренной выше схеме модулятора с частичным разрядом накопительного конденсатора и параллельными нагрузке дросселем и диодом. Полное активное сопротивление цепи снятия послеимпульсного напряжения должно быть такой величины, чтобы по окончании действия основного импульса переходный процесс в паразитном контуре , где L_m - индуктивность намагничивания импульсного трансформатора, был апериодическим. Для этого требуется, чтобы

, (6.27)

где R_iд3- внутреннее сопротивление диода Д₃; сопротивление R₃ ставится для уменьшения тока через диод.

3. Цепь снятия напряжения перезаряда линии.

  Рис.6.20

Нарушение режима согласования выхода модулятора со входом генератора сказывается главным образом на форме модулирующего импульса и на его величине. Выше было показано, что если сопротивление нагрузки меньше волнового сопротивления линии напряжение на нагрузке имеет знакопеременный характер (рис.6.21в). При работе на рассогласованную нагрузку напряжение на линии при колебательном заряде описывается уравнением (6.18) :

.

В момент коммутации, то есть при , напряжение на линии . Так как при ( R’_г - приведённое к первичной обмотке импульсного трансформатора сопротивление генератора СВЧ) остаточное напряжение на линии отрицательно, то максимальное напряжение на линии равно:

Из формулы (6.6) следует, что при разряде линии на рассогласованную нагрузку остаточное напряжение равно:

,

поэтому при искрении магнетрона, когда , и . Если рассогласование остается и в последующие периоды работы, то напряжение на линии будет увеличиваться (рис.6.20), что может привести к выходу из строя элементов модулятора. Для устранения этого явления используется цепь снятия напряжения перезаряда линии, которая состоит из диода Д₂ и добавочного сопротивления R₂, включенных на входе формирующей линии (рис.6.18). При нарушении согласования эта цепь должна за короткий интервал времени t_сн разрядить линию и обеспечить нормальные начальные условия для следующего зарядного цикла. Время t_сн должно составлять 1-2% времени заряда линии, которое приблизительно равно периоду следования импульсов Т. Если время перезаряда линии t_сн принять равным 3(R_iД2 +R₂) C_д , то

, (6.28)

где R_iД2 - внутреннее сопротивление диода Д₂ , - полная емкость линии. Величина сопротивления R₂, выбирается так, чтобы ток через диод Д₂ был не больше допустимого.

Подмодулятор

Управление ионным коммутатором осуществляется подмодулятором, который в данном случае является генератором поджигающих импульсов. Для поджига водородного тиратрона требуется импульс положительной полярности с амплитудой напряжения до нескольких сотен вольт. Форма поджигающего импульса значения не имеет, к ней предъявляется лишь требование достаточно большой крутизны фронта для уменьшения разброса во времени зажигания водородного тиратрона. Требования к поджигающему импульсу (амплитуда выходного напряжения и выходного тока, длительность импульса t_ип и скорость нарастания фронта) приводятся в паспорте тиратрона.

Генератор поджигающих импульсов водородных тиратронов обычно имеет на выходе катодный повторитель. Между катодным повторителем и тиратроном включают фильтр нижних частот, частота среза которого равна f_ср= 1/ t _ип.

Цепи питания магнетрона

Для того, чтобы вторичная обмотка трансформатора накала магнетрона не находилась под высоким импульсным напряжением, в схеме на рис.6.18 модулирующее напряжение подается на магнетрон через трансформатор с двумя вторичными обмотками, которые по импульсному напряжению соединены параллельно конденсатором С₁ (клеммы 1 и 2) и конденсаторами С₂ и С₃ (клеммы 3 и 4). Причем, клеммы 3 и 4, а следовательно, и клеммы 5 и 6 накального трансформатора, по импульсному напряжению соединены с корпусом, поэтому максимальный потенциал вторичной обмотки по отношению к корпусу практически равен амплитудному значению напряжения накала магнетрона. Особенностью такой схемы является то, что по вторичной обмотке импульсного трансформатора протекает ток накала магнетрона . Конденсатор С₁ предназначен для устранения возможного неравенства импульсного напряжения между секциями вторичной обмотки импульсного трансформатора. Его емкость должна быть выбрана так, чтобы он имел достаточно большое сопротивление для тока накала магнетрона. Обычно C₁»1 мкФ. Емкость конденсаторов С₂ и С₃ должна быть такой, чтобы напряжение DU, нарастающее на этих конденсаторах за время импульса магнетрона, не могло вызвать пробоя в накальном трансформаторе; DU принимают равным 50В. Через каждую из половин вторичной обмотки импульсного трансформатора протекает половина импульсного тока магнетрона i=0,5I_a. Емкости С₂ и С₃ определяются формулой:

(6.29)

Конденсатор С₄ предохраняет прибор, измеряющий среднее значение тока магнетрона I_aср= I_a/q, где q - скважность, от переменных составляющих импульсного тока, эффективное значение которых I_aeff= I_a/, т.е. в раз больше среднего значения. Емкость этого конденсатора выбирают так, чтобы его сопротивление для составляющей с частотой F было во много раз меньше сопротивления рамки прибора, контролирующего средний ток магнетрона.