Расчет выходного каскада УСВЧ на амплитроне (импульсная мощность на выходе амплитрона - 144 КВт, импульсная мощность на входе амплитрона - 28 КВт)

2. Расчет выходного каскада.

В качестве выходного каскада разрабатываемого передатчика выбран УСВЧ на амплитроне, т.к. амплитрон обладает достаточной широкополосностью и высоким КПД.

Схема импульсной модуляции амплитрона представлена на рис.2.1.

Рис.2.1

Исходными данными для расчета являются:

импульсная мощность на выходе амплитрона Р_ВЫХ               144 КВт  импульсная мощность на входе амплитрона Р_ВХ                             28 КВт;   

рабочая частота f                                                                      800 МГц;

уровень неиспользованного фона от неподвижных объектов -20дБ;

длительность импульса τ                                                         3 мкс;

частота следования импульсов f_И                                            500 Гц;

период следования импульсов Т                                             2 мс;

коэффициент отражения нагрузки Г_Н                                      0,2.

Тип и параметры амплитрона:

тип                                                                         QKS-1912М;

полоса частот f                                                      0,57-1,2 ГГц;

выходная импульсная мощность P_{ВЫХ.ИМП}          0,15 МВт;

выходная средняя мощности P_ВЫХ.СР                  0,2 КВт;

КПД                                                                       50 %;

коэффициент усиления К                                     8 дБ;

длительность импульса τ                                     1-5 мкс;

напряжение анода U₀                                            25КВ;           ток анода I₀                                                                     7А.

Определение параметров замедляющей системы (ЗС), необходимых для расчета искажений модулированных колебаний.

Для начала определим длину волны колебаний по формуле:

                                                                                         (2.1)

где с = 3∙10⁸ м/с – скорость распространения радиоволн (скорость света).

f = 800 МГц – несущая частот (частота несущего сигнала по входу УСВЧ).

Количество ламелей ЗС N зависит от номера рабочей зоны и номера вида колебаний. Обычно амплитроны работают в первой или второй зоне колебаний, т.е.

или                                                      (2.2)

где     γ – номер вида (зоны) колебаний.

Номер рабочей зоны (первой или второй) производится исходя из следующих соображений. Опытным путем установлено, что в первой зоне обычно работают амплитроны дециметрового диапазона волн, а во второй зоне – амплитроны дециметрового и сантиметрового диапазона волн. Во второй зоне обеспечивается более широкая полоса усиливаемых частот. Отметим, что увеличение числа ламелей N или ячеек N₁=(N-1) ЗС не приводит к увеличению коэффициента усиления амплитрона.

Следовательно, нашему диапазону волн будет соответствовать первая зона. Преобразовав формулу (2.2) для количества ламелей N, получили:

 

Номер вида колебаний γ в ЗС, соответствующий центру рабочей зоны, в зависимости от диапазона волн выбирается из таблицы 6.1. литературы [1].

Итак, для нашего случая λ = 37,5 см γ = 4.

 

Далее рассчитывается отношение радиусов анода и катода:

                                                                                                            (2.3)

Увеличение этого параметра ведет к росту КПД амплитрона. Однако при этом наблюдается уменьшение тока срыва, а следовательно, и значения предельного коэффициента усиления.

                                      

Радиус анода рассчитывается  по соотношению

         

(2.4)

а радиус катода

 

Выбор величины магнитной индукции В производится на основании эмпирического соотношения

(2.5)

Экспериментальные результаты показывают, что выбор величины магнитной индукции может производится в достаточной степени произвольно. Этим обстоятельством необходимо пользоваться при корректировке геометрических размеров пространства взаимодействия (в частности, радиуса анода) для удовлетворения заданного значения выходной мощности.

Согласно соотношению (2.5), принимаем                                откуда находим В:

Радиус анода:

Радиус катода:

Величина сопротивления связи R_СВ, необходимая для расчета волнового сопротивления ЗС, находится из равенства

                    (2.6)

 

где h– высота анодного блока; А=43,2;    параметр a=3 выбирается из таблицы 6.2 [1].

Эта формула определяет значение произведения               при котором амплитрон характеризуется определенным уровнем предельного коэффициента усиления. Обычно высота анодного блока принимается 0,2λ<h<0,4λ. Затем, задавшись значением высоты анодного блока, из уравнения (2.6) находят сопротивление связи. Обычно величина сопротивления связи ЗС амплитрона равна 50…100 Ом. Уменьшение этой величины ниже указанного значения приводит к снижению усиления в приборе. При  увеличении сопротивления связи сужается диапазон усиливаемых частот.

Для нашего случая величина a=3, высоту анодного блока принимаем h=11,25 см, тогда

 

Волновое сопротивление ЗС находится по формуле

 

(2.7)

Коэффициент β определяется из формулы:

                                                                                                                     

(2.8)

Величина параметра μ может меняться в весьма широких пределах без существенного влияния на качество работы амплитрона. Обычно 0,4<μ<0,6.

 

Фазовый сдвиг Ф_П.ГР , соответствующий границам полосы пропускания

 

                                                  (2.9)

где Ф_П0 =2πγ /N– фазовый сдвиг, соответствующий центру рабочей полосы частот.

Фазовый сдвиг Ф_П обычно изменяется в пределах полосы усиливаемых частот от 120˚ до 170˚.

 

Расчет вольт-амперной характеристик.