Передатчик импульсный СВЧ диапазона

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ»
Кафедра радиотехническихустройств
Расчётно-пояснительная запискак курсовому проекту по дисциплине «Формирование и передача сигналов»
Тема: Передатчик импульсныйСВЧ диапазона
РС – 071511. КП. 01. 22. 00.11. ПЗПроектировал: студент 4 курса ЗФ
Храпов Владимир Алексеевич.
Шифр: РС-071511
Руководитель: Дивеев В.Н.
Защищён с оценкой ____________Москва — 2010

СОДЕРЖАНИЕ:
1. ВВЕДЕНИЕ
2.ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
2.1 Выбор типа схемы передатчика. Расчетпараметров структурной схемы
2.2 Составление структурной схемыпередатчика
3.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
3.1 Расчет генератора СВЧ
3.2 Расчет импульсного модулятора
3.3 Расчет блокинг-генератора
4. Литература
5. Схема принципиальнаяэлектрическая
6. Перечень элементов

1. ВВЕДЕНИЕ
Управление полетом современных летательных аппаратов (ЛА) — техническисложный процесс, который требует большого количества стабильной и достовернойинформации о параметрах полета, режимах работы двигателей и многочисленныхбортовых устройств и агрегатов, а также о ситуации на маршруте. Основнымисточником этой информации является радиоэлектронное оборудование (РЭО) ЛА.
Радиоэлектронное оборудование решает задачи информационного обеспеченияполета, выбора оптимальных маршрутов, посадки в сложных метеорологических иночных условиях. В состав РЭО входят различные радионавигационные ирадиолокационные устройства, аппаратура посадки и связные радиостанции.
Теория и техника формирования и передачи сигналов продолжают быстроразвиваться. Этому способствует непрерывное совершенствование элементной базы,в частности приборов СВЧ.
Можно выделить три основных направления развития теории и техникиформирования и передачи сигналов:
освоение всё более высокочастотных диапазонов;
развитие функционально-узлового метода конструирования, повышающегонадёжность аппаратуры и её качественные показатели;
широкое применение цифровых устройств.
В данной курсовой работе предлагается спроектировать импульсныйпередатчик для наземной радиолокационной станции.
Радиолокация решает задачи обнаружения, определениякоординат и параметров движения различных объектов с помощью отражения илипереизлучения радоиволн. Технические требования к радиолокационным ирадионавигационным передатчикам определяются точностью определения координат.На точность определения координат, в частности, влияет стабильность фазы иличастоты, амплитудные и частотные искажения, обусловленные неравномерностью АЧХи ФЧХ.
При импульсной модуляции ток в антенне присутствует в течение короткогоотрезка времени, равного длительности импульса. В радиосистемах ГА обычноприменяют импульсы с параметрами 0.1…2 мкс, F = 50…5000 имп/с.
Основным узлом при импульсной модуляции является импульсныймодулятор, основные элементы которого — накопитель энергии икоммутирующий прибор. По типу накопителя энергии импульсные модуляторыподразделяют на модуляторы емкостным накопителем в режиме неполного разряда имодуляторы с емкостным, индуктивным и комбинированным накопителями в режимеполного разряда.
В качестве коммутирующих приборов могут использоваться электронная лампа,транзистор, ионные приборы, тиристор, нелинейная индуктивность.
Из возможных форм импульсов в гражданской авиации применяют, в основном,прямоугольный импульс.
Реальная форма импульса характеризуется длительностью фронта,длительностью спада, спадом плоской вершины.
Импульсы могут быть отрицательными (если используется магнетрон), либоположительными (если используются электронные лампы).
Модуляторы могут строиться по схеме с частичным и с полным разрядомнакопителя.
К достоинствам модулятора с частичным разрядом накопителяотносятся:
возможность получения формы импульса, близкой к прямоугольной,
простота изменения длительности импульса,
высокий КПД цепи заряда.
Существенными недостатками являются:
жёсткие требования, предъявляемые к форме пусковых импульсов, низкий КПДцепи разряда.
2. ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
2.1 Выбор типа схемы передатчика
Исходными данными для проектирования и расчетов являются:
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>Вт.
Прямое затухание ферритового вентиля, лежащее в пределах (0.5… 0.8)дБ, т.е. = (1.12… 1.2)
КПД антенно-фидерного тракта ф = (0.85… 0.95)
Коэффициент отражения нагрузки = (0.1… 0.4)
Коэффициент производственного запаса Kпз = (1.2… 1.4)
К достоинствам импульсного модулятора с полным разрядом накопителяотносятся:
высокий КПД как зарядной так и разрядной цепи накопителя;
отсутствие жёстких требований к форме пусковых импульсов, формируемыхподмодулятором.
К недостаткам модулятора относятся:
отсутствие возможности управления длительностью импульсов;
отличие формы пусковых импульсов от прямоугольной;
относительная сложность схемы.
Обычно передатчики строятся по комбинированной схеме модулятора (т.е вмодуляторе могут использоваться как магнитные так и электровакуумные приборы).Примером такого передатчика может быть передатчик с тиристорномагнитныммодулятором, использующийся в бортовой радиолокационной станции.
Определяем мощность на выходе передатчика.        
Зададимся следующими величинами:
Определим мощность на выходе передатчика:
/>
По величине Рвых и   ,  Гц выбираем тип электронного прибора ГСВЧ намагнетроне.
Из таблицы 1 выбираем магнетрон типа 2J21.

Таблица 1.
/>
Магнетрон 2J21 удовлетворяет заданным требованиям в части: t-длительность импульса и F -частота повторения импульсов
Выпишем параметры магнетрона:
— частота, Гц 24000
— мощность в импульсе, кВт 60
— КПД,% 26
— Uomax, кВ 15
— Io, А 15
Так как импульсная мощность не превышает 200…250 кВт, то модуляторстроим по схеме с частичным разрядом накопителя.
Исходя из значений Еа -напряжение на аноде модуляторной лампы во времяпаузы и Ia — ток через лампу во время импульса — выбираем модуляторную лампу.Таблица 2
Напряжение на аноде модуляторной лампы во время паузы:
/>
Для таких значений тока и напряжения из таблицы 2 выбираем модуляторнуюлампу — тетрод ГМИ-2Б.
/>
/>
/>
Таблица 2.
/>
— ток анода, А                                   90
— напряжение на аноде, кВ                                 32
— напряжение запирания, В                                600
— напряжение экранной сетки, кВ                                2
— мощность рассеивания на аноде, Вт                                   900
— длительность импульса, мкс                                      0.3…2
Параметры этой лампы:
— напряжение на управляющей сетке в рабочем режиме, В                    200
— напряжение на аноде минимальное, кВ                                       2.5
— внутреннее сопр-е лампы в перенапряженном режиме, Ом       30
— внутреннее сопротивление лампы в граничном режиме, Ом     340
— ток управляющей сетки, А                               7.5
— мощность рассеивания на управляющей сетке, Вт                      12
Для обеспечения работы модулятора используем подмодулятор, формирующийзапускающие импульсы. Подмодулятор может быть реализован как достаточно мощныйблокинг-генератор, работающий в автоколебательном режиме (малая и средняямощность передатчика).
2.2 Составление структурной схемы передатчика.
Таким образом, структурная схема передатчика будет иметь вид
/>

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КАСКАДОВ
3.1 Расчет ГВВ СВЧ
Рассчитаем генератор СВЧ по следующим исходным данным:
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Для определения мощности на выходе магнетрона задаем следующиекоэффициенты
прямое затухание ферритового вентиля, лежащее в пределах1 = (1.12… 1.2);
КПД антенно-фидерного тракта ф = (0.85… 0.95);
коэффициент отражения нагрузки передатчика н = (0.1… 0.4);
коэффициент производственного запаса Кпз = (1.2… 1.4)
Находим мощность на выходе магнетрона
В качестве генератора СВЧ используем магнетрон типа 2J21, который имеетследующие параметры
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Рисунок 2.
/>
/>
/>
/>
Схема включения магнетрона показана на рисунке 2.
Характеристическое сопротивление резонаторной системы:
Рассчитываем ряд коэффициентов.
Угловая ширина щели резонаторной системы (в радианах):
Вспомогательный коэффициент:
Проводимость резонаторной системы:
Рассчитываем нагруженную добротность и характеристическое сопротивлениерезонаторной системы.
Пороговое напряжение возбуждения магнетрона
Принимаем собственную добротность Q0 = (900… 1000) резонаторнойсистемы 
Синхронное значение анодного напряжения:
Тогда внешняя добротность будет равна:
Нагруженная добротность:
Максимальная эквивалентная индуктивность резонаторной системы:
Выбираем   />
/>
/>
/>
/>

/>
/>
/>
/>
Отношение массы к заряду электрона:
Радиус втулки пространственного заряда
Определяем вспомогательные коэффициенты:
Коэффициент S = (0.638… 1)
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Амплитуда вч напряжения на щелях резонансной системы:
/>
Вспомогательный коэффициент
/>
Углы рассогласования:
— в радианах:
/>
в градусах:
/> врадианах:
/>
/>

Суммарный угол рассогласования
/>
— в радианах:
/>
— в градусах
/>
Крутизна фазовой характеристики
/>
Суммарная крутизна фазовой характеристики при основном токе I0:
Коэффициент электронного смещения частоты:
/>
Проверяем значения основного напряжения и выходной мощности:
/>
Зададимся коэффициентом полезного действия для магнетрона. Пусть . Тогда
/>
Динамические и статические сопротивления при анодном токе I0:
/>
/>
/>
Определим параметры нестабильности частоты. Для этого зададимсякоэффициентом подавления отражений от неподвижных целей, лежащим в пределах от-20 до -30 дБ (0.1… 0.032):
/>
Кратковременная нестабильность частоты за период следования имп-в:
/>
Нестабильность частоты за время импульса:
/>

Модуляторная лампа была выбрана на этапе предварительного расчета — этолампа ГМИ-2Б. Динамическое сопротивление модуляторной лампы в граничномрежиме   Ом.
Найдем изменение частоты, от импульса к импульсу вызывается дополнительноиз-за непостоянства напряжения сети питания.
Минимальное напряжение на аноде модуляторной лампы в критическом режиме(ориентировочно ek = (0.05… 0.1)U0), примем его равным   В.
Пульсации выпрямленного напряжения из-за непостоянства напряжения сети питания:
/>
Так как для питания магнетрона обычно используют стабилизатор напряжения,то, принимая коэффициент стабильности , находим нестабильность частоты:
/>
Проверяем неравенство f
/> Гц.
Неравенство выполняется, поэтому не нужно применять дополнительныхсредств для стабильности. Определяем общее электронное смещение частоты:

/>
/>
/>
Нестабильность частоты, обусловленная изменением параметров нагрузки привключенном циркуляторе с общим затуханием   дБ, н = (0.2… 0.4):
Проверяем неравенство  
/>
Неравенство fн
Суммарная нестабильность частоты
/>
3.2 Расчет импульсного модулятора
Требуется рассчитать импульсный модулятор для магнетронного генератора последующим исходным данным:
/>
/>
По результатам предварительного расчета для автогенератора СВЧ был выбранмагнетрон типа 2J21. Параметры магнетрона сведены в таблицу 3.
Таблица 3.
/>
Коммутатором в схеме импульсного модулятора с неполным разрядомнакопителя является электронная лампа, а накопителем — конденсатор. Наиболеешироко применяется схема модулятора с шунтирующей нагрузку индуктивностью, чтоуменьшает длительность спада импульса. Эта схема приведена на рисунке 3.
/>
Рисунок 3.
На рисунке 3:
R1 — зарядное сопротивление,
R2 — сопротивление в цепи питания сетки,
СЗ — емкость накопителя,
С2 и С4 — блокировочные конденсаторы,
C1 — разделительный.
По этим данным выбираем тип модуляторной лампы ГМИ-2Б из таблицы. (Сцелью повышения надежности целесообразно брать запас по току и напряжению неменее 15% от рассчитанных величин).
Исходные данные для расчета импульсного модулятора с неполным разрядомнакопителя:

/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Напряжение на выходе модулятора U, равное анодному напряжению магнетронаЕа.
Величины, характеризующие форму импульса, задаем из условий
ф = (0.1…0.2); с = (0.2…0.3); = u / u = (0.03…0.05), где ф — длительность фронта импульса; с — длительность спада импульса; U — изменениенапряжения на плоской части импульса.
3.2.1. Расчет разрядной цепи накопителя
Расчет начинаем с выбора типа модуляторной лампы и режима работы.
Определяем напряжение на аноде лампы:
Для выбранной лампы определяем режим работы. (Чаще всего положениерабочей точки рекомендуется брать в области граничного или слегкаперенапряженного режима). Именно для такого режима приведены данные в таблице4.
Таблица 4.
/>
/>
/>
/>
/>
Выписываем данные режима с учетом, что eа_макс = Eа + eа_мин
Статическое внутреннее сопротивление лампы.
Динамическое внутреннее сопротивление модуляторной лампы.
Напряжение питания управляющей сетки VL1.
/>
/>

/>
3.2.2 Расчет зарядной цепи накопителя
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Относительное снижение напряжения на нагрузке за счет шунтирующегодействия инд-ти L = 0.5(U/U) = 0.5
/>
Напряжение возбуждения магнетрона, определяемое из соотношения Eab = Eа(1 — rг / Rг) = (0.8… 0.9) Eа
/>
Паразитная емкость модулятора, включающая выходную емкость модуляторнойлампы, емкость монтажа, входную емкость магнетрона и составляющая Cп =(100…150) пФ.
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
3.2.3 Расчет цепи шунтирующего диода
Из таблицы 4 проводим выбор шунтирующего диода VL2 по следующимпоказателям:
обратное напряжение диода   />
ток эмиссии катода , />
внутреннее сопротивление диода  , />
мощность рассеивания на аноде диода Paq = PL1.

Таблица 5.
/>
По вычисленным показателям выбираем вакуумный диод типа ВИ2-30/25.
Выбираем источник питания, исходя из следующих значений
/>
/>
/>
/>
/>
/>
3.3 Расчет блокинг-генератора
В качестве подмодулятора возьмём блокинг-генератор (рисунок 4).

/>
Сформулируем требования к блокинг-генератору на основе данных выбраннойлампы-тиратрона — лампы ГМИ-2Б
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Относительное изменение периода колебаний при изменении температуры от-60 до 60oC.
Руководствуясь требованиями к току нагрузки и длительности фронтавыбираем высоковольтный кремниевый транзистор КТ 958 А.
Паспортные данные транзистора КТ 958 А:
/>
/>
/>
/>
/>
/>

/>
/>
Принимаем Eк примерно в 1.5…2 раза меньше максимально допуст.напряжения коллектор-эмиттер при закрытом транзисторе.
/>
Пересчитаем сопротивление и ёмкость нагрузки в первичную обмотку
/>
Оптимальный коэффициент трансформации цепи обратной связи:
/>
Сопротивление стабилизирующего резистора:
/>
/>
Оценим величину длительности фронта выходных импульсов:
Оптимальный коэффициент трансформации цепи обратной связи:
/>
/>
/>

/>
/>
/>
/>
/>
/>
Определим индуктивность первичной обмотки из двух условий
Так как величина паразитной емкости получилось относительно маленькойвеличины, то она не будет влиять на колебательный режим.
/>
/>
/>Ф
/>
Вычисляем сопротевление резистора R:
/>
/>
/>
/>
/>Проверяем, не превышает ли рассеиваемая на коллекторе мощность допустимой величины.
/>
/>
/>
/>
/>
Максимально допустимое обратное напряжение эмитер-база для транзистораКТ-958А составляет 4В. Поэтому, чтобы предотвратить пробой эмитерного переходав цепи базы включим диод. Для этого можно использовать мезадиод 2Д503А, имеющийUобрmax = 30В.
Исходя из заданной длительности импульса рассчитаем емкость хронирующегоконденсатора
Величину Eсм/R определяем из условия надежного запирания транзистора q =Eсм / R = Iкдоп.

4. Литература
/>
/>
/>

Расчёт промышленного КПД импульсного передатчика СВЧ
Промышленный КПД импульсного передатчика рассчитывается делением выходноймощности передатчика на суммарную потребляемую мощность от всех источниковпитания. В данном случае промышленный КПД будет рассчитываться по следующейформуле:
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>