Одночастотный импульсный передатчик. Курсовая работа.

(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
Одночастотный импульсный передатчик. Курсовая
работа.
1
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
2
Введение
Рассматриваемый импульсный передатчик представляет собой автогенератор с анодной
импульсной модуляцией, собранный по схеме с общей сеткой.
В генераторе с общей сеткой частота генерируемых колебаний близка к собственной
частоте анодно-сеточного контура и регулируется изменением его параметров.
Полезная нагрузка связывается с анодно-сеточным контуром.
Исходные параметры
 рабочая частота: f = 250 МГц,
 мощность в антенне (нагрузке): Р = 640 кВт (колебательная мощность),
 коэффициент полезного действия фидера: фидера ηФ = 0,8
 волновое сопротивление фидера: ρф = 100 (С) Ом,
 длительность радиоимпульса t = 5 мкс;
 период повторения радиоимпульсов T = 2500 мкс;
Выбор генераторной лампы и режима работы
При заданном к.п.д. фидера Ф  0,9 и ориентировочном к.п.д. колебательной системы
К0,8 0,9номинальная импульсная мощность лампы составляет
P
6
4
0
1
T
P



8
3
7
к
В
т
Н
О
М
,
9

0
,
8
5
Ф
К0


где P1T - мощность несущей в антенне.
Импульсная мощность, рассеиваемая на аноде при ожидаемом к.п.д. каскада

0
,6 0
,7составит
В
Ы
Х
.
Средняя рассеиваемая мощность равна
Выбираем генераторный триод ГИ-5А. Эта лампа предназначена для работы в качестве
усилителя или генератора высокочастотных колебаний на частотах до 311 МГц в схемах с
общей сеткой или в схемах с нейтрализацией. Основные параметры приведены ниже:
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
Основные параметры
при Uн=6,3 В, Uа=1 кВ, Iа=1 А
Ток накала
Ток анода (при Uа=3 кВ)
Ток эмиссии катода в импульсе (при Uа=Uс=4 кВ)
Ток сетки обратный (при Uс1= -311 В)
Крутизна характеристики
Коэффициент усиления
Выходная мощность в импульсе
(при имп=11 мкс, Uа=26 кВ и скважности 455)
Междуэлектродные емкости, пФ:
входная
выходная
проходная
Долговечность
425  41 А
1,15  3,5 А
 251 А
 411 мкА
25  5 мА/В
35  5
 1211 кВт
 91
 35
 13
 611 ч
Предельные эксплуатационные данные
Напряжение накала
Напряжение анода в импульсе
Ток накала пусковой
Мощность, рассеиваемая анодом
Мощность, рассеиваемая сеткой
Скважность (минимальная)
Температура анода
Температура спая металла со стеклом
Интервал рабочих температур окружающей среды
6 - 6,6 В
27 кВ
641 А
6 кВт
411 Вт
435
171 С
151 С
от -51 до +61 С
Анодно-сеточные и анодные характеристики лампы приведены на рис.1.
Рис.1. Анодно-сеточные и анодные характеристики лампы.
Выбираем работу в критическом режиме.
Критический коэффициент использования анодного напряжения определяется как
3
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
4
8
P
U
1
1

1

E2
2

S
E
Г
Р
Н
О
М
2
1
Г
Р
A
A

A
где 1   - коэффициент разложения импульса анодного тока, SГР – крутизна линии
граничного режима (рис.2), UC – амплитуда первой гармоники, ЕПИТ – напряжение питания.
Рис.2. К определению крутизны SГР.
По анодным характеристикам лампы определяем
1
0
0
S

0
,1
4
А
/В
Г
Р
7
0
0
Зададимся напряжением питания EA12000Ви углом отсечки анодного тока   90 .
0,500и
Тогда 
1
1
1
8

6
4
0

1
0


1
2
2
3
Г
Р

0
,
7
9
0
2
3
0
,
5
0
0

0
,
1

1
2

1
0
 
Определим максимальную амплитуду первой гармоники анодного тока как
IA1 
2P1
UA
где UA EA. Подставив значения, получаем
U
0
,7
9
0
1
2
0
0
0

9
4
7
5
В
A
3
2
6
4
0
1
0
IA


1
7
6
,6
А
1
9
9
5
0
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
5
Постоянная составляющая анодного тока каскада (во время импульса)


0
,
3
1
8
0
I

I
 1
7
6
,
6

1
1
2
A
A
0
A
1
0
,
5
1
Эквивалентное сопротивление нагрузки
Эквивалентное сопротивление нагрузки
U9
4
7
5
R
A


5
4
О
м
Э
I
1
7
6
,
6
A
1
Эквивалентное сопротивление каскада по цепи питания (каскад как нагрузка для
модулятора)
E
2
0
0
0
A1
R

 
1
0
7
О
м
М
О
Д
I
1
2
A
0 1
Мощность, потребляемая от источника питания (во время импульса):
PE
I
1
2
9
0
к
В
т
0A
A
0
Средняя мощность
t
P
P
2
,6
к
В
т
0
0 
T
К.п.д. каскада
1



1
0
0
%

0
,
6
2

1
0
0
%

6
2
%
2
1
m
a
x
0
Динамическая характеристика
Динамическая анодно-сеточная характеристика, определенная по точкам пересечения
нагрузочной прямой со статическими анодными характеристиками и аппроксимированная
полиномом третьей степени,
0
ug

-40


-9
3
-5
2

ia
:=
25.88

0.06099
ug

0.1301
10
ug

0.5632
10
ug
-408

ug
a
ug

72
n




221.6
722

ug

приведена на рис.3.
Входное сопротивление лампы в области сеточных токов полагаем постоянным и
равным Ri = 28 Ом.
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
6
Рис.3. Динамическая анодно-сеточная характеристика.
Эквивалентная схема.
Эквивалентная схема автогенератора показана на рис.3.
L
p
s
C
p
s
C
m
ia
C
a
R
n
C
g
R
i
ug
ua
E
a
uag
L
a
i1
Рис.3. Эквивалентная схема автогенератора. Cm - емкость связи, состоящая из емкости анодкатод Cac и собственно емкости связи. Rn - эквивалентное сопротивление нагрузки, Ri входное сопротивление лампы, Lps - дроссель источника питания, Cps - разделительный
конденсатор.
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
7
В рассматриваемой схеме La - индуктивность аноднго контура, а Cg - емкость катод1
:=
2 2, где f - рабочая частота.
сетка. Значение La определяется по формуле: La
Ca
4
f
Емкость конденсатора анодного контура выбираем (чтобы уменьшить влияние разброса
параметров лампы – емкости анод – сетка Cag)
Ca

3Cag
Емкость конденсатора связи
Cm

Cac
Koc
Cg
Типовые соотношения для цепи питания: Lps>111La, Cps>111Ca.
Дифференциальные уравнения.
Учитывая, что ток через дроссель питания равен
d
uag
(
t
)
ug





ips
ia

:=
i1
(
t
)

Ca
uag
(
t
)



Cg
ug








d
t
Rn
Ri

t
 


а напряжение на сетке равно
ug
:=

uag
(
tKoc
) 
Eg
можно записать
 

Lps
ips

ua

Ea




t 


Полагая, что падение переменного напряжения на блокировочном конденсаторе
пренебрежимо мало, получаем
ua
:=
uag
()
t
Ea
Так как
d
uag
()
t
i1
()
t
d
t
La
то окончательно (с учетом выражения для динамической характеристики) получаем
дифференциальное уравнение второго порядка относительно напряжения на анодном
контуре:
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
8





Lps
{
0
,

uag
(
t
)
Koc

Eg

-408.8





d 
d 


-9
2

0.06099
uag
(
t
)
Koc

0.3903
10
(

uag
(
t
)
Koc

Eg
)
uag
(
t
)
Koc








d
t
d
t




d 


0.00001126
(

uag
(
t
)
Koc

Eg
)
uag
(
t
)
Koc
,



d
t 


-408.8


uag
(
t
)
Koc

Eg
a

uag
(
n
t
)
Koc

d
Eg

7227.
d
uag
(
t
)
2
uag
(
t
) 
d
d
t



Ca
uag
(
t
)

0
,
7227.


uag
(
t
)
Koc

Eg


2 



La
d
t


Rn
d


uag
(
t
)
Koc



2


d
t
d






Cg
uag
(
t
)
Koc

uag
(
tEa
)


Ea


2 
Ri 
d
t


Численные значения для подстановки
Koc
:=0.3
Eg:=-250
Ea:=
12000.
-10
Cg0.90
:= 10
-10
Cag
:=
0.35
10
-10
Cac
:=
0.13
10
9
f :=
0.250
10
Ri :=28.
Rn:=54.
Lps
:=
0.000050
-7
Cps
:=
0.1
10
-9
Ca
:=
0.105
10
-8
La0.3860
:=
10
-10
Cm
:=
0.400
10
Замечание: Проведенное моделирование показало, что значение коэффициента
обратной связи при Кос > 1,1 влияет в первую очередь на время установления (на
длительность фронта радиоимпульса). Величина Кос = 1,3 была признана оптимальной в
процессе моделирования.
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
9
Будем искать численное решение методом Рунге-Кутта.
Начальные условия
uag0  0
d uag0
0
dt
Результаты численного моделирования критического режима - напряжение на анодном
контуре во время переходного процесса, напряжение на сетке и ток анода в установившемся
режиме - показаны на рис.4.
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
10
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
Рис.4. Напряжения и токи в схеме автогенератора.
Выходная мощность и кпд.
Амплитуда напряжения на контуре и тока анода составляет
U111250.

В
I1
165.5
А
0,318и
0
Как видно из рис.4., угол отсечки равен 91. То есть 
I0
105.3
А
Выходная мощность составляет
7
P:=
0.1172
10
Вт
или 1172 кВт.
Потребляемая мощность составляет
7
P0
:=
0.1264
10
Вт
11
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
12
или 1264 кВт.
Коэффициент использования анодного напряжения
0.938
КПД равен
 :=0.737
Как видно, результаты численного моделирования хорошо согласуются с
предварительными аналитическими расчетами.
Согласование генератора с нагрузкой
Анодный контур с помощью двух симметричных катушек связан с выходными
фильтрами. Коэффициент трансформации (отношение числа витков анодной катушки к числу
витков катушки связи) равен 2.
Коэффициент фильтрации определяется по формуле:




1
K
2
A
K
П
К
Б
В
где А = 1,2 – эмпирический коэффициент, КП = 118 – подавление высших гармоник, КБВ = 1,9
– коэффициент бегущей волны. Получаем K 1980 .
Коэффициенты фильтрации для одиночного
П-контура и двух П-контуров можно
определить по приближенному соотношению
K1n3Q,
K2n4Q2
где Q – нагруженная добротность, n – номер гармоники. Задавшись Q = 5, получим для
второй гармоники K1 = 41, K2 = 2125. Таким образом, нашим требованиям удовлетворяет
система из двух контуров.
Эквивалентная схема двух связанных П-контуров показана на рис.5. Сопротивление RH
– сопротивление нагрузки, RЭ – это эквивалентное сопротивление нагрузки.
При расчете системы связанных контуров необходимо решить систему из пяти
уравнений:
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
13
 Условий согласования нагрузок
X12Q
X32Q
1
и 2
;
RЭ
RН
 Условия критической связи

1

2 X
1
X
3
X
2




;
Q
R
R
Э
Н
 Условий резонанса для двух контуров

1
1
X
2
X
и 2X2X3.
(Полагаем, что добротности обоих контуров равны).
Решениями системы будут
1  60, 5 Ом,
 2  36, 3 Ом,
X 1  51,1 Ом,
X 2  9, 38 Ом,
X 3  27, 0 Ом
Определим величины реактивных элементов.
f1  2 5 0 М Г ц
L1  3 8, 5 н Г н
L 2  2 3 ,1 н Г н
C 1  12, 4 пФ
C 2  67,9 пФ
C 3  2 3, 6 п Ф
Регулировка на максимум отдаваемой мощности осуществляется подстройкой катушек
индуктивности.
Модулятор
Модулятор выполнен на импульсном водородном тиратроне ТГИ1-511/16 по типовой
схеме с искусственной накопительной линией и особенностей не имеет.
Модулятор связан с генератором через повышающий импульсный трансформатор с
коэффициентом трансформации 2. Волновое сопротивление накопительной линии при этом
будет в 4 раза меньше сопротивлении RMОД, то есть  = 27 Ом.
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
Для
определения
параметров
элементов
искусственной
линии
14
воспользуемся
соотношениями для времени задержки  и волнового сопротивления Z:
L
C

N LC
Z

C:=
Z N
L :=Z2 C
Получаем
Здесь N – число ячеек линии. Число ячеек определяется как
(3
/
2
)

N:=
1.154


tf


Здесь tf – длительность фронта формируемого импульса. Полагая t/tf = 11, получаем:
N :=36.50
Выберем N = 37.
Так как длительность формируемого импульса t = 2, то для заданных значений
t = 5 мкс, Z = 27 Ом и величины емкости и индуктивности линии составят
L

0.0000111
Гн
-7
C

0.152
10
Ф
Ближайшие стандартные значения L = 11 мкГн, С = 1,115 мкФ.
Заряд линии в промежутках между импульсами осуществляется через дроссель и
отсекающий диод. Индуктивность дросселя определяется из соотношения
0.1
Ld
NC
2
F
Здесь F = 411 Гц – частота радиоимпульсов. Получаем
Ld1.11Гн
С целью уменьшения габаритов дросселя выбираем Ld = 1,1 Гн.
В качестве отсекающего диода используются последовательно соединенные диоды
VD1//VD11 типа КД211А. Данные диоды не требуют шунтирующих резисторов для
выравнивания обратного напряжения.
Модулятор
связан
с
автогенератором
через
импульсный
трансформатор,
обеспечивающий гальваническую развязку.
Запуск
тиратрона
осуществляется
от
внешнего
задающего
генератора
через
стандартный импульсный трансформатор положительным остроконечным импульсом
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
15
амплитудой 311..411 В.
Полная
схема
передатчика
приведена
на
рис.6.
16
L1
0,1Гн
+6500В
VD1
L2
33мкГн
L3
33мкГн
C2
0,047
C3
0,047
L38
33мкГн
VD1..VD10КД210А
VD10
C37
0,047
C38
0,047
L42
39нГн
L39
50мкГн
V1
ТГИ1-500/16
Кнагрузке
Т2
1:1
Запуск
L43
24нГн
С43
10
С45
68
С47
24
2:1:1
Т1
V2
ГИ-5А
-250В
C1
0,01
C41
0,01
C40
5
-250В
C42
56
L41
3,8нГ
L44
39нГн
L45
24нГн
C39
0,01
Кнагрузке
С44
10
L40
50мкГн
Рис.6.
Принципиальная
схема
автогенератора
и
С46
68
тиратронного
С48
24
модулятора.
17
Литература
1. Дробов С.А.. Радиопередающие устройства. – М.: Военное издательство военного
министерства Союза ССР, 1951.
2. Гавриленко И.И. Радиопередающие устройства. Учебник для морех. училищ. - 4-е изд.,
перераб. и доп. - М., Транспорт, 1983, - 368 с.
3. Проектирование радиопередающих устройств. Под ред. В.В.Шахгильдяна. Учеб. пособие
для вузов. М., "Связь", 1976. - 432 с.
4. Кауфман М., Сидман А. Практическое руководство по расчетам схем в электронике. Том
1. - М.: Энергоатомиздат, 1991.
5. Меерович Л.А., Зеличенко Л.Г. Импульсная техникаю – М.: Советское радио, 1954. –
755с.
18
Приложение
Моделирование работы автогенераторf в системt Maple
> restart; with(CurveFitting): Digits:=4:
> 220/177.;
>
BAX:=[[0,22],[500,42],[1000,64],[1500,85],[2000,104],[2500,114],[30
00,130],[3500,140],[4000,150],[4500,159]];
> ia1:=1.25*evalf(LeastSquares(BAX,ug,curve=a*ug^3+b*ug^2+c*ug+d));
> sols_u:=solve(ia1=0,ug); ug_zap:=sols_u[2];
> dia:=diff(ia1,ug);
> sols_i:=solve(dia=0,ug); ug_nas:=sols_i[2];
> i_nas:=subs(ug=ug_nas,ia1);
> ia:=piecewise(ug<ug_zap,0,ug>ug_zap and
ug<ug_nas,ia1,ug>ug_nas,i_nas);
> plot(ia,ug=-500..10000,view=[500..10000,0..250],labels=[`ug`,`Ia`]);
> Ca=3*Cag; La=1/'Ca'/4/Pi^2/f^2; Cm=Cac+Koc*Cg;
> ug:=-uag(t)*Koc+Eg;
> ips:=ia+i1(t)+Ca*diff(uag(t),t)+uag(t)/Rn+ug/Ri+Cg*diff(ug,t);
> ua:=uag(t)-Ea;
> eq1:=Lps*diff(ips,t)+ua=Ea;
> eq2:=subs(diff(i1(t),t)=uag(t)/La,eq1);
> Koc:=0.3; Eg:=-250; Ea:=12e3; Cg:=90e-12; Cag:=35e-12; Cac:=13e12; f:=250e6; Ri:=28.; Rn:=54.; Lps:=50e-6; Cps:=1e-8; Ca:=3*Cag;
La:=evalf(1/Ca/4/Pi^2/f^2); Cm:=Cac+Koc*Cg;
> inits:=uag(0)=0, D(uag)(0)=0;
>
ds:=dsolve({eq2,inits},uag(t),type=numeric,method=rkf45,maxfun=1000
000):
> plots[odeplot](ds,[t,uag(t)],0..1e6,numpoints=10000,axes=BOXED,title=`Напряжение на анодном контуре в
переходном процессе`,labels=["t","uag"]);
> plots[odeplot](ds,[t,uag(t)],0.6e-6..0.61e6,numpoints=10000,axes=BOXED,title=`Напряжение на анодном
контуре`,labels=["t","uag"]);
> plots[odeplot](ds,[t,ug],0.6e-6..0.61e6,numpoints=10000,view=[0.602e-6..0.608e-6,4e3..4e3],axes=BOXED,title=`Напряжение на
сетке`,labels=["t","ug"]);.ia_gr:=subs(ug=-uag(t)*Koc+Eg,ia1);
> plots[odeplot](ds,[t,ia_gr],0.6e-6..0.61e6,numpoints=10000,view=[0.602e-6..0.608e6,0..180],axes=BOXED,title=`импульсы анодного
тока`,labels=["t","ia"]);
> ds(6.035e-7):
> U1:=-uag(t): I1:=ia: I0:=0.318/0.5*I1:
19
> 'U1'=evalf(U1,4); 'I1'=evalf(I1,4); 'I0'=evalf(I0,4);
> P:=U1^2/2/Rn;
> zeta:=U1/Ea; 'zeta'=evalf(zeta,3);
> eta:=evalf(zeta*0.5/0.318/2,3);>