Курсовая работа: Передатчик СВЧ диапазона

Содержание

радиопередающий устройство электромагнитный волна

Введение

1. Структурная схема и основные соотношения

2. Расчет элементов принципиальной схемы передатчика СВЧ диапазона

2.1 Расчет генератора СВЧ

2.2 Расчет модулятора с частичным разрядом накопителя

2.3 Расчет подмодулятора

Заключение

Литература

Приложение

Введение

Радиопередающее устройство предназначено для создания интенсивного излучения электромагнитных волн, являющихся основными носителями полезной информации. Это излучение создается свободными электронами, совершающими колебательное движение в электрических проводниках различной формы (антеннах) под действием источника переменной ЭДС.

Разрабатываемое в курсовой работе устройство относится к импульсным радиопередающим устройствам СВЧ диапазона.

Импульсную модуляцию применяют при импульсных методах работы радиопередающих устройств и широко используют в диапазоне СВЧ, в радиолокации, радиорелейной, многоканальной связи и др. Основное преимущество импульсной связи - возможность многоканальной радиосвязи, когда один передатчик одновременно передает десятки и сотни разнообразных сигналов.

Простейшая импульсная модуляция используется в передатчиках РЛС, где колебания СВЧ модулируются по амплитуде периодической последовательностью импульсов.

1. Структурная схема и основные соотношения

Исходные данные и основные соотношения используемые при расчете передатчика

Исходные данные:

Структурная схема радиопередатчика строится на основании предъявляемых к нему требований. Чаще всего к таким требованиям относятся рабочая частота или диапазон частот, мощность в антенне, коэффициент отражения от антенны, требование к стабильности параметров выходных колебаний. На основании этих данных рациональное число каскадов высокой частоты между возбудителем и выходом передатчика.

Исходя из анализа требований, предъявляемых к разрабатываемому передатчику, можно ориентировочно определить количество входящих в него каскадов. Структурная схема разрабатываемого передатчика не сложна и содержит последовательно подмодулятор, модулятор и генератор СВЧ, работающий на нагрузку (рисунке 1). Будем также считать, что ухудшение параметров излучаемого сигнала, вызванное малым количеством каскадов обработки сигнала, будет компенсировано увеличением количества каскадов в радиоприемном устройстве.

Исходя из заданной мощности в антенне Ра, определим мощность, которую должен обеспечить выходной каскад [1]:

Рисунок 1

, (1)

где 1>1 - прямое затухание ферритового устройства, Гн - коэффициент отражения нагрузки передатчика. Поскольку в требованиях к передатчику Гн не задан, примем его равным 0,1. - коэффициент полезного действия антенно-фидерного тракта. = 0,85. Подставив имеющиеся значения, получаем:

.

Колебание такой мощности на максимальной частоте диапазона, определяемой как:

,

может обеспечить металлокерамическая лампа типа ГИ-11Б.

Справочные данные выбранного прибора:

Тип прибора - ГИ-11Б

Номинальная мощность Рном, кВт -2,5

минимальная длина волны min, см -12

напряжение питания анода Еа, кВ -4

напряжение накала Umax , В -12,6

ток цепи накала Imax ,А - 1,8

ток накала Ia, А - 5

На вход выбранной нами металлокерамической лампы подается сигнал с модулятора, который предназначен для формирования управляющих импульсов большого напряжения с круглым передним фронтом.

Исходя из данных приведенных в [3], коэффициент усиления по мощности Кр металлокерамических ламп приблизительно равен 17…20 дБ. Тогда используя минимально возможное значение коэффициента усиления по мощности генератора СВЧ, можно определить мощность, необходимую для его возбуждения:

.

Мощность, которую должен отдать модулятор, отличается от мощности Рвх генератора СВЧ на величину КПД его контура. Принимая КПД контура модулятора равным 0,5 вычисляем мощность, которую должна выдать лампа модулятора:

.

Импульсный сигнал такой мощности можно получить на выходе импульсной модуляторной лампы типа ГМИ - 83.

Справочные данные выбранного прибора:

Тип прибора - ГМИ-83

Ток анода = 15А

Напряжение на аноде = 20 кВ

Напряжение запирания = 800В

Напряжение экранной сетки = 1,25кВ

Мощность рассеивания на аноде = 65Вт

Мощность рассеивания на управл. сетки = 3Вт

Длительность импульса = 0,5-2,5мкс

Напряжение на управл. сетке в рабочем режиме = 750В

Напряжение на аноде минимальное = 1,5 кВ

Внутреннее сопротивление лампы в перенапряж. режиме = 90 Ом

Внутреннее сопротивление в граничном режиме = 550Ом

Ток управляющей сетки = 4А

Согласно [3], тип используемого модулятора будет зависеть от выходной мощности передатчика. Так, в диапазоне мощностей, не превышающих 200…250 кВт в импульсе, рекомендуется использовать модулятор с неполным (частичным) разрядом накопителя.

На этом расчет структурной схемы СВЧ передатчика окончен. Все остальные активные элементы, входящие в состав модулятора и подмодулятора будут определены в процессе расчета принципиальной схемы на основе полученных значений.

2. Расчет элементов принципиальной схемы передатчика свч диапазона

2.1 Расчет генератора СВЧ

Электрические параметры металлокерамической лампы ГИ-11Б приведены в приложении. Принципиальная схема генератора СВЧ изображена на рисунке 2.

Рисунок 2

Прежде чем преступить к расчету генератора СВЧ, определим некоторые номинальные параметры, которыми обладает выбранная нами лампа. Амплитуда номинального напряжения на аноде лампы, согласно [2], при =0,9 равна:

Ua = Uao = 0,94103 = 3,6103 В. (2)

Тогда номинальное значение первой гармоники анодного тока будет составлять:

. (3)

Выполним конструктивный расчет анодного контура лампы. Прежде всего определим поперечные размеры анодного, сеточного и катодного цилиндров. Цилиндры таких ламп делают обычно из латуни, стали, алюминиевых сплавов, а иногда из керамики. Поверхности, по которым протекают токи высокой частоты принято серебрить и полировать. Толщина серебряного покрытия несколько микрон, для предохранения от коррозии и повышения износоустойчивости слой серебра иногда покрывают пленкой иридия, толщиной около 2 мкм.

Внутренний диаметр анодного цилиндра Dа должен быть меньше или равен диаметру радиатора dр.

Используя данные приведенные в приложении Dа принимаем равным 97 мм. Толщина стенок а = 2 мм. Внешний диаметр цилиндра

. (4)

Диаметр сеточного цилиндра Dс определяется конструкцией коротко-замыкающего поршня, а также элементами связи с возбудителем и должен быть больше диаметра вывода сетки лампы:

, (5)

Полагаем Dс, равным 50 мм.

Чтобы не возбуждались колебания паразитных типов (радиальные и азимутальные), поперечные размеры цилиндров линий должны быть меньше длины волны:

, (6)

Неравенство выполняется:

0,26 м>0,047 м.

Аналогично:

2>(Dа+Dc)>3,14 (97+50) = 254 мм. (7)

Неравенство удовлетворяется:

0,52 м > 0,254 м.

В мощных усилителях необходимо осуществить проверку на электрическую прочность. Поскольку режим генератора СВЧ не определен, то согласно [2] принимаем

Uас Uа о ном = 4 кВ.

Для коаксиальных резонаторов напряженность электрического поля Е максимальна у поверхности внутреннего (сеточного) цилиндра и определяется как:

, (8)

Согласно [2] напряженность Емакс не должна быть больше 10 … 20 кВ/см.

Рассчитываем анодный контур. Анодный контур состоит из емкости лампы Сас и двух последовательно включенных отрезков короткозамкнутых коаксиальных линий. Одна из них образована сеточным и анодным цилиндрами соответственно с диаметрами Dс и Dа. Ее длина l/ определена от начала цилиндрического вывода сетки до короткозамыкающего поршня. Вторая линия («карман») образована анодным цилиндром с диаметром Dа и цилиндрическим выводом анода лампы. Ее длина l// задана конструкций лампы.

Анодный контур настраивается в резонанс с частотой возбуждения. Сопротивления R/, R//, учитывающие потери в линиях, обычно велики по сравнению с реактивными Х/, Х//.

Прежде всего определим волновые сопротивления отрезков линий, образующих анодный контур:

/ = 138lg(Dа/Dc) = 138 lg(97/50)=40 Ом, (9)

// = 138lg(Dа/dа) = 138 lg(97/25)=81 Ом. (10)

Сопротивление емкости анод - сетка:

. (11)

Входное сопротивление линии, образованной выводами анода и анодным цилиндром («кармана») равно:

. (12)

Входное сопротивление линии, образованной анодным и сеточными цилиндрами:

Х/ = - Хас - Х// = 52- 59,894 = - 7,894 Ом. (13)

Длина линии для обеспечения рабочего диапазона мин … мах генератора СВЧ определяется согласно выражений:

(14)

Учитывая, что на длине линии l/ размещают элемент связи с нагрузкой, целесообразно перестройку контура в заданном диапазоне осуществлять путем перемещения короткозамыкающего поршня. Использования подстрочных емкостей приведет к укорочению линии, что не желательно.

Сопротивление анодного контура в режиме холостого хода Rас нен обусловлено потерями энергии в стенках цилиндров линий, короткозамыкающем поршне, переходных контактах между поршнем и стенками цилиндров, в контактах линии с лампой, в лампе.

Известно, что основная доля энергии теряется в сопротивлениях контактов в лампе. Однако аналитическому расчету эти потери не поддаются, а измерить их довольно трудно. Значительно проще оценить потери в контуре с помощью добротности Qас нен. Чем выше добротность, тем сложнее производство и дороже стоимость контура. Обычно добротности контуров с коаксиальными резонаторами равны Qас нен. = 300 … 600. Зададимся средней добротностью Qас нен.= 600. Тогда

(15)

Для определения оптимального КПД анодного контура найдем сначала значение k, задаемся углом отсечки анодного тока = 90о, при этом 1() = 0,5, g1() = 1,57, принимаем отношение амплитуд первой гармоники сеточного и анодного токов N=0,3, (зависит от напряженности режима и лежит в пределах от 0,2… 0,4), к пк=0,5:

. (16)

Зная k, получим:

(17)

Сопротивление анодного контура с учетом связи с нагрузкой:

Rас=Rас нес(1-к) = 101,07103(1 - 0,762) = 24,054 кОм. (18)

Проверяем генератор СВЧ на устойчивость:

СакRас<2,

23,1411541060,1610-1224,054103 = 1,933 < 2. (19)

Как видно из (19) неравенство выполняется.

Рассчитаем электрический режим генератора СВЧ.

Первая гармоника анодного тока определяется как:

Iа1=(2Pн/ Rас нес к ас опт)0,5 = (21103/101,951030,762)0,5 =0,16 А, (20)

что меньше номинального значения Iа1 ном=5 А.

Постоянная составляющая анодного тока:

. (21)

Высота импульса:

. (22)

Напряжение на анодном контуре:

Uас=Iа1Rас нен = 0,16101,07103=16,171103 В. (23)

Напряжение возбуждения:

(24)

Напряжение между анодом и катодом:

Uа= Uас- Uс = 4103 - 0,192103=3,808103 В. (25)

Напряжение источника питания анода:

Uао= Uа+ iам/Sкр ==3,808103 + 0,32/2510-3= 3,820103 В. (26)

При = 90о напряжение смещения Uco=U/. По статическим характеристикам лампы для Uао=3,820 кВ напряжение U/= -40 В.

Мощность потребляемая от источника в цепи анода:

Рао= IаoUаo =0,1013,820103 = 385 Вт. (27)

Мощность потребляемая от предыдущего каскада:

Рв1=0,5UсIа1Ic1 =0,50,1921033,91,3 = 347 Вт. (28)

Входное сопротивление каскада:

Rвх=Uc/Iа1Ic1 =0,192103/0,160,03 = 40 кОм. (29)

Мощность потребляемая цепью сетки от возбудителя:

Pс1=0,5UcIc1 =0,51920,30,16 = 4,6 Вт. (30)

Мощность источника смещения:

Pсо=UcоIcо = - 400,30,101 = - 1,212 Вт. (31)

Мощность, рассеиваемая сеткой:

Pс рас= Pс1 +Pс0 = 4,6 - 1,212 = 3,388 Вт. (32)

Тепловой режим сетки определяет мощность, усредненная за период повторения импульсов:

Pс рас ср= Pс рас/q = 3,388/160 = 0,02 Вт. (33)

Мощность рассеяния на аноде:

Pа рас = Pо+0,5Ia1 Uc - 0,5Ia1 Uас = 26,971103 +0,53,9137- 0,53,910,67103 = 6,431 кВт. (34)

Усредненное значение:

Pа рас ср= Pа рас/q = 6,431103/160 = 40,702 Вт. (35)

Коэффициент усиления генератора СВЧ по мощности:

К Р= Pн/Рв1 = 33,613103/347 97. (36)

Мощность модулятора при оптимальном значении КПД его контура к мод = 0,5:

P1 мод= Pв1/к мод = 347/0,5 = 694 Вт. (37)

Полученное в (36) значение мощности необходимое для возбуждения генератора СВЧ превышает рассчитанное в первой главе значение на 22 Вт. Однако исходя из справочных данных приведенных в приложении на модуляторную лампу запас по допустимой генерируемой ее мощности позволяет перекрыть полученную величину.

Рассчитаем элементы связи с нагрузкой. Для этого по известному значению мощности в нагрузке Рн найдем напряжение на нагрузке:

U ф=(2Рнф)0,5 =(22010350)0,5 = 1,414 кВ. (38)

В выражении (38) сопротивление нагрузки считаем заданным и равным стандартному значению 50 Ом.

Ток в нагрузке:

I ф=Uф/ф= 1,414103/50 = 28,284 А. (39)

Напряжение на входе подстраиваемой линии:

U /=Uасiам/-Xас=10,671037,8/30,558 = 2,720 кВ. (40)

Напряжение на входе «кармана»:

U //=Uас- U /=10,67103- 2,720103 = 7,95 кВ. (41)

Уточним значение максимальной напряженности поля в обеих линиях. Согласно выражению (8) для подстраиваемой линии получаем:

, (42)

для «кармана»:

, (43)

Выясним возможности применения трансформаторной связи с нагрузкой. Для этого, прежде всего, определим реализуемую площадь S, охваченную петлей. Выбираем петлю прямоугольной формы. Ее длину а находим из условия: