Модуль 20
advertisement
Уральский Государственный Технический Университет – УПИ Радиотехнический Институт - РТФ Кафедра ВЧСРТ УГФС Устройства генерирования и формирования сигналов ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ Лекторы Харитонов Феликс Васильевич Булатов Лев Иосифович Авторы Булатов Л.И. Гусев Б.В. Лагунов Е.В. УГФС Студент должен знать: основные параметры импульсных сигналов, принцип работы импульсных модуляторов, их достоинства и недостатки. Уметь: рассчитывать элементы импульсных модуляторов по исходным данным: мощность, характеристики импульсной последовательности. УГФС Темы лекций Основные параметры импульсного сигнала Импульсные модуляторы с частичным разрядом емкости Процесс формирования фронта и спада напряжения на генераторной лампе Формирование плоской части импульса Заряд накопительной емкости через индуктивность УГФС Темы лекций Импульсные модуляторы с тиратронным коммутатором Формирование импульса напряжения отрезком длинной линии Расчет элементов цепочечного эквивалента линии Колебательный способ заряда емкостей ЭЛ УГФС Импульсная модуляция генераторов высокой частоты используется в локационных и навигационных передатчиках для создания периодических последовательностей коротких радиоимпульсов, пауза между которыми в сотни и тысячи раз больше длительности импульса. За время паузы в модуляторе накапливается энергия, а во время формирования импульса эта энергия отдается генератору высокой частоты. УГФС Основные параметры импульсного сигнала Для характеристики импульсных последовательностей обычно используют следующие обозначения: - длительность импульса; Т - период следования; q = T/ - скважность УГФС Энергетические соотношения оценивают по формулам Р1 ИМП 0,5U ИМП I1 ИМП - импульсное значение мощности высокочастотного генератора; Р0 ИМП ЕИМП I а 0 ИМП - импульсное значение постоянной составляющей мощности, подводимой к генератору; Р0 СР Р0 ИМП / q - среднее значение мощности, подводимой к генератору; РS СР Р0 СР Р1 СР - среднее значение мощности, рассеиваемой генераторным прибором. УГФС Для ламповых генераторов, если длительность импульса не превышает 15 мкс, значение тока катода может в сотни и тысячи раз превышать его значение в непрерывном режиме. Соответственно во столько же раз может быть больше и значение генерируемой мощности. Модуляция электровакуумных приборов, как правило, осуществляется по аноду. УГФС Параметры модулирующего импульса определим с помощью рисунка, где Ф, С - длительности фронта и спада импульса, отсчитываемые по уровням 0,1-0,9; - длительность импульса, отсчитываемая по уровню 0,5 УГФС Эквивалентная схема с емкостным накопителем энергии В промежутке между импульсами накопительная емкость СН заряжается от источника Е через резисторы R1 и R2, которые определяют время ее заряда. На время замыкается ключ К и емкость разряжается на генератор VL1. УГФС Во время разряда R1 ограничивает ток источника питания через замкнутый ключ. Возможны режимы полного и частичного разряда емкости. При полном разряде на нагрузке формируется импульс «треугольной» формы. Такой режим обычно не используется. Как правило, используется режим частичного разряда емкости, что позволяет получить на нагрузке модулятора импульс напряжения близкий по форме к прямоугольному УГФС Импульсные модуляторы с частичным разрядом емкости УГФС Модулятором (ключом) является электронная лампа VL1. В промежутке между импульсами лампа заперта смещением ЕС, а накопительная емкость СН заряжается по цепи R1, CН, R2 током iЗАР. С приходом импульса, открывающего модуляторную лампу, потенциал ее анода падает и левая обкладка накопительной емкости «подсоединяется» к аноду генераторной лампы VL2. Происходит частичный разряд накопительной емкости через генераторную и модуляторную лампы УГФС Если сопротивление модуляторной лампы близко к нулю, все напряжение, до которого заряжена накопительная емкость, будет являться напряжением анодного питания для генераторной лампы. Длительность модулирующего импульса определяется временем открытого состояния модуляторной лампы, то есть длительностью импульса напряжения uc на ее сетке. УГФС Графики напряжений в схеме ИМ УГФС Оценим энергетические характеристики импульсного модулятора. При заряде накопительной емкости часть энергии источника питания бесполезно расходуется на сопротивлениях R1 и R2, а при разряде – на внутреннем сопротивлении открытой модуляторной лампы и на сопротивлении R2. Определим КПД зарядной и разрядной цепи модулятора. При заряде источник отдает энергию W, которая делится между зарядными сопротивлениями и накопительной емкостью УГФС При разряде накопительная емкость отдает энергию WН генератору. Энергии, полученная емкостью от источника питания, и отданная генератору, равны T T τ τ ηЦЗ WН W W EiЗ (t )dt E iЗ (t )dt Eq где Δq – величина заряда емкости от источника питания. Но q U CН Сн (U C МАКС U C МИН )CН WН WC МАКС WC МИН 2 U C МАКС CН 2 2 U C МИН CН 2 УГФС Подставив соотношения в формулу КПД, получим η ЦЗ СН (U C МАКС U C МИН )(U C МАКС U C МИН ) 2 E (U C МАКС U C МИН )СН (U C МАКС U C МИН ) 2E При Т и 0, UC МАКС E, а UС МИН UС МАКС и ЦЗ 1. Реальные значения КПД достигают значений 0,9-0,98. КПД разрядной цепи не превышает величины 0,8, поэтому общий КПД модулятора равен 0,7 – 0,75 УГФС Процесс формирования фронта и спада напряжения на генераторной лампе Если считать модуляторную лампу безынерционным элементом, то после скачка напряжения на ее сетке также скачком установится ее анодный ток I1 УГФС Источником этого тока является накопительная емкость. Так как паразитные емкости схемы СВЫХ М,СВЫХ Г и СМ перезарядиться мгновенно не могут, в момент времени t = 0 напряжения на катоде генераторной лампы и на аноде модуляторной лампы не изменятся. Весь ток модуляторной лампы в этот момент расходуется на перезаряд паразитных емкостей. УГФС С течением времени напряжения на паразитных емкостях будут возрастать и начнут увеличиваться токи через генераторную лампу, через резисторы R1, R2. УГФС Эти процессы описывают формирование фронта импульса напряжения на аноде генераторной лампы и соответствуют схеме замещения Ri - внутреннее сопротивление модуляторной лампы; RГ=ЕаИМП/Iа0ИМП сопротивление генератора постоянному току; СП=СВЫХ М+СВЫХ Г+СМ - паразитная емкость ИМ УГФС График напряжения на катоде генераторной лампы (на паразитной емкости) УГФС Длительность фронта, отсчитываемую по уровням 0,1-0,9, определяют по приближенному соотношению τФ 2,3RCП 1 1 1 1 1 где R Ri R1 R 2 RГ УГФС Во время формирования фронта рабочая точка перемещается по статической характеристике модуляторной лампы из точки «1» в точку «2». Затем начинается формирование плоской части импульса. Накопительная емкость частично разряжается от UC МАКС до UC МИН, рабочая точка перемещается из точки «2» в точку «3». УГФС Что же произойдет, если мы повысим величину импульса UС? Увеличится ток, которым перезаряжаются паразитные емкости, следовательно, должно сократиться время фронта. Рассмотрим схему, на которой источник тока заменен на эквивалентный генератор ЭДС Е = IR. Большему значению UС соответствуют большие значения I1 и Е. Из временных диаграмм видно, что время фронта (ф < ф) сократилось. Этот процесс называется форсированием фронта. УГФС Однако на длительность спада повлиять таким образом нельзя и, кроме того, форсирование уменьшает коэффициент усиления модуляторной лампы и ее КПД. Для расчета времени спада используют те же соотношения с учетом того, что модуляторная лампы закрыта и Ri = . Следовательно, длительность спада всегда больше длительности фронта. УГФС Формирование плоской части импульса Если нагрузкой модулятора является автогенератор или ГВВ на металлокерамической лампе, можно считать, что его сопротивление постоянному току не зависит от напряжения на нем. RГ f ( Ea ) УГФС Линейная схема замещения цепи разряда с постоянными элементами Постоянная времени цепи разряда равна R2 RГ СН τ Р rНАС R2 RГ УГФС Зависимость напряжения на аноде генераторной лампы от времени определяется соотношением i р (t ) Еа (t ) U С (t ) t р e ЕаМАКС i р МАКС U С МАКС Скалывание G равно G Ea Ea МАКС 1 e р 2 3 1 1 1 1 ... р 2! р 3! р УГФС Используя два первых члена ряда, получим приближенное соотношение G р Тогда для расчета величины накопительной емкости получим формулу СН R 2 RГ G rНАС R 2 RГ ; rНАС 1 / S ГР УГФС Пример Еа ИМП=5 кВ, Iа0 ИМП= 20 А, RГ = 5000/20 = 250 Ом, =2,5 мкс, G = 0,1. Пренебрегая в первом приближении rНАС и R2, получим 2,5 106 7 СН 10 0,1 мкФ 0,1 250 УГФС Заряд накопительной емкости через индуктивность Если нагрузкой ИМ является магнетрон, длительности фронта и особенно спада напряжения на нагрузке значительно возрастают. Причина заключена в том, что после окончания импульса на сетке модуляторной лампы, при снижении напряжения на аноде магнетрона его сопротивление резко возрастает УГФС В соответствии с ранее приведенными выражениями возрастает длительность спада. Для локационной станции это означает увеличение зоны, в которой приемник забит шумами магнетрона. Чтобы уменьшить длительность спада, используют схему с зарядом накопительной емкости через индуктивность УГФС Схема с зарядом накопительной емкости через индуктивность УГФС Во время импульса через индуктивность протекает ток, величина которого к моменту окончания импульса равна τ τ Ea Ea 1 iL u L (t )dt dt τ L0 L 0 L При выводе соотношения принято, что скалыванием можно пренебречь (Еа=const). Энергия, накопленная в индуктивности, равна I L2 L WL 2 УГФС График напряжения на индуктивности УГФС После окончания импульса в контуре LCН за счет энергии, накопленной в индуктивности, возникают затухающие колебания. Скорость изменения напряжения на спаде при этом может быть существенно большей, чем в схеме с зарядом через резистор. При следующей отрицательной полуволне напряжения на контуре генератор может возбудиться вновь. Чтобы этого не произошло, в схему введен демпфирующий диод VL3 УГФС Импульсные модуляторы с тиратронным коммутатором При построении импульсных модуляторов, которые коммутируют мощности более 20 - 50 МВт, электронные лампы приходится заменять на газонаполненные приборы тиратроны. Такие коммутаторы только замыкают ключ. Выключение тиратрона происходит только после падения напряжения между анодом и катодом до нуля и деионизации газа внутри баллона. УГФС Следовательно, при использовании таких коммутаторов накопитель энергии (например, емкость ) в модуляторе разряжается полностью. Если использовать в качестве накопителя конденсатор, форма напряжения на генераторе высокой частоты будет «треугольной», что в большинстве случаев недопустимо. Кроме того, как мы уже знаем, КПД цепи заряда при заряде емкости через резистор и полном разряде не превышает 50 %. УГФС Формирование импульса напряжения отрезком длинной линии Для того чтобы сформировать импульс напряжения прямоугольной формы, можно использовать в качестве накопителя отрезок длинной линии УГФС Рассмотрим процессы разряда отрезка длинной линии на резистивную нагрузку. После замыкания ключа К в линии возникает возмущение, которое будет распространяться по линии от ключа налево. Пока оно не дойдет до правых зажимов линии и, отразившись от них, не вернется к нагрузке, схема замещения линии с нагрузкой будет следующей УГФС При равенстве сопротивлений нагрузки RН и волнового сопротивления линии W напряжение на нагрузке будет равно половине того напряжения, до которого заряжена линия (E/2). Возмущение, которое возникает на зажимах линии и начинает распространяться справа налево, также равно половине напряжения линии. На левых разомкнутых зажимах линии происходит отражение этого напряжения со сменой знака. УГФС Эти процессы и форма напряжения на нагрузке изображены на рисунке УГФС Форма напряжения на нагрузке представляет из себя прямоугольный импульс величиной UН = E/2 и длительностью И = 2l/VФАЗ. Здесь l - длина линии, VФАЗ - фазовая скорость распространения возмущения в линии. УГФС При сопротивлении нагрузки RН > W форма напряжения на нагрузке представляет собой затухающую последовательность ступенек одного знака. УГФС При сопротивлении нагрузки RН < W форма напряжения на нагрузке представляет собой затухающую последовательность разнополярных импульсов. УГФС Для формирования импульсов в модуляторах отрезки реальных длинных линий не используются, так как длины отрезков получаются слишком большими. Предположим, что в качестве линии используется коаксиальный кабель, диэлектрик которого обладает диэлектрической постоянной =2 (полиэтилен). УГФС Вычисляя длину линии по формуле l 0,5τ ИVФАЗ получим для И= 1 мкс и VФАЗ С / ε (С - скорость света 3108 м/с) l = 105 м. Поэтому для формирования импульсов используются «эквиваленты» отрезков длинной линии (ЭЛ), например цепочечный УГФС Расчет элементов цепочечного эквивалента линии Для расчета элементов цепочечного ЭЛ воспользуемся следующими соотношениями LПОГ lLПОГ LЛИН nLЗВ W СПОГ lСПОГ СЛИН nСЗВ где LПОГ, СПОГ - погонные значения индуктивности и емкости длинной линии; LЗВ, СЗВ - индуктивность и емкость звена цепочечного ЭЛ, n - число звеньев цепочечного ЭЛ УГФС Длительность импульса определяется через параметры линии по формуле 2l τИ 2l LПОГСПОГ 2 LЛИН СЛИН 2n LЗВСЗВ VФАЗ где VФАЗ — фазовая скорость распространения сигнала в линии VФАЗ 1 . LПОГСПОГ УГФС Из соотношений получим Wτ И LЗВ ; 2n СЗВ τИ 2nW При использовании цепочечных ЭЛ следует учитывать, что форма импульса напряжения на нагрузке будет приближаться к прямоугольной с увеличением числа звеньев в эквиваленте длинной линии УГФС Колебательный способ заряда емкостей ЭЛ УГФС Заряд емкостей ЭЛ СН = nCЗВ от источника питания происходит через индуктивность L. Процесс заряда можно пояснить следующим образом. После окончания разряда ЭЛ напряжение на ней, тиратроне, импульсном трансформаторе (ИТ) равно нулю. Ток через тиратрон также равен нулю, процесс деионизации закончен, ключ разомкнут. Это эквивалентно подключению источника питания через зарядную индуктивность L УГФС Эквивалентная схема цепи заряда УГФС Напряжение на конденсаторе максимально через половину периода σ ω U C МАКС E 1 e σπ rπ 1 π 2 ω 2L 1 r 2 2Q 1 LC 2 L L1 где Q - добротность цепи заряда C r r УГФС Определяя КПД цепи заряда по ранее найденному соотношению получим η U C МАКС U C МИН 2E 1 e π ( 2 Q ) 2 1 2 УГФС Графики зависимостей i(t), u(t) УГФС Зависимости UC МАКС и КПД модулятора от добротности Q Характеристика UС МАКС/E КПД Добротность 1 1,16 0,58 2 1,44 0,72 3 1,58 0,79 5 1,72 0,86 10 1,85 0,92 Добротность цепи заряда для достижения высокого КПД должна быть достаточно высокой (Q > 10) УГФС Список литературы Устройства генерирования и формирования радиосигналов: Учебник для вузов / Л.А.Белов,В.М.Богачев, М.В. Благовещенский и др.; Под ред. Г.М. Уткина , В.Н. Кулешова, М.В. Благовещенского. – 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1994. – 416 с.
