Расчет генератора СВЧ на магнетроне

2. Расчет генератора СВЧ на магнетроне.

В данной схеме в качестве генератора СВЧ используется магнетрон, работающий в импульсном режиме.

На рис. 2.1 приведена схема импульсной модуляции магнетрона.

 

Рис.2.1

Импульсный трансформатор ИТ имеет двойную обмотку для подачи напряжения от накального трансформатора Тр1. Анодный ток магнетрона измеряется с помощью амперметра А, развязанного по высокой частоте с помощью дросселя L и емкости С4. Модуляция осуществляется подачей отрицательных импульсов на катод магнетрона.

Исходными данными для расчета являются выходная мощность в антенне Р_А                                            0,8кВт;

рабочая частота   f                                                                    3 ГГц;

КСВН                                                                                       1,5;

длительность импульса τ                                                         2,5 мкс;

частота следования F                                                               800 Гц;

уровень использования фона от неподвижных объектов K₀ -20дБ;

1. Передатчик должен обеспечить высокую стабильность частоты, поэтому предусматривается включение циркулятора с прямым затуханием α1=0,5дБ и обратным затуханием α1=25дБ.  КПД антенно-фидерного тракта принимаем η_Ф = 0,9.

Коэффициент отражения от антенны

                                  (2.1)

Импульсная мощность на выходе магнетрона

                         (2.2)

Заданную мощность обеспечит магнетрон типа 724А из литературы [1], имеющий следующие параметры: P₁≥1,5кВт, U₀ =1,1кВ, I₀ = 2,5А, B = 0,25Вб/м², r_К = 0,1см, r_А = 0,195см, N = 12,  h = 0,6см.

2. Рассчитаем  ряд коэффициентов.

Угловая ширина зазора резонаторной системы при μ_р = 2

                                     (2.3)

Коэффициент

                                   (2.4)

3. Расчет нагруженной добротности и характеристического сопротивления резонаторной системы. Принимаем собственную добротность резонаторной системы Q₀ = 900. Внешняя добротность

                           (2.5)

Нагруженная добротность

                          (2.6)

Эквивалентная индуктивность резонаторной системы

             (2.7)

Характеристическое сопротивление резонаторной системы

                           (2.8)

Проводимость резонаторной системы

                  (2.9)

4. Пороговое напряжение

          (2.10)

5. Синхронное значение анодного напряжения

                                  (2.11)

6. Радиус втулки пространственного заряда

                (2.12)

Здесь                                              (2.13)

7. Расчет коэффициентов, входящих в формулу (2.18)

                    (2.14)

                     (2.15)

                  (2.16)

                  (2.17)

        (2.18)

Коэффициент

   (2.19)

8. Нагрузка и магнетрон развязаны с помощью циркулятора с обратным затуханием 25 дБ, что позволяет проводить расчет электрического режима без учета влияния рассогласования на выходные характеристики.

Амплитуда высокочастотного напряжения на щелях резонаторной системы

         (2.20)

Коэффициент                   (2.21)

9. Углы рассогласования θ_τ и θ_ρ соответственно равны

  (2.22)

      (2.23)

Суммарный угол рассогласования  θ = θτ - θρ = -5,705-11,957=-17,662

Крутизна фазовой характеристики

                         (2.24)

Крутизна суммарной фазовой характеристики при анодном токе I₀= 2.5А

          (2.25)

Коэффициент электронного смещения частоты

             (2.26)

11. Проверим значение анодного напряжения и выходной мощности

                   (2.27)

  (2.28)

Здесь принято η_К = 0,75.

12.     Динамическое и статическое сопротивление при анодном токе I₀=2.5А  

(2.29)

                                             (2.30)

13. Обеспечение требуемой нестабильности частоты передатчика.

14. Кратковременная нестабильность частоты за период следования импульсов

          (2.31)

Нестабильность частоты за время импульса

                          (2.32)

Пульсация выпрямленного напряжения

                (2.33)

Динамическое сопротивление модуляторной лампы в критическом режиме принято R_М=500Ом.

Средний ток выпрямителя I_0CР=I₀τF=2.5·2.5·10^-6·800 = 5мА.

Емкость фильтра выпрямителя

              (2.34)

Проектируемый передатчик питается от сети переменного тока частотой f_В = 400Гц. Количество фаз выпрямителя принято m_Ф = 3.

Допустимый спад напряжения на вершине импульса

        (2.35)

Величина емкости накопителя в модуляторе с частичным разрядом

                         (2.36)

.

Изменение частоты от импульса  импульсу вызывается также изменением напряжения выпрямителя, вызванным непостоянством напряжения сети

                   (2.37)

Здесь E_a = U₀ + e_min = 1100+220 = 1320В. – напряжение высоковольтного выпрямителя. Минимальное напряжение на аноде модуляторной лампы в критическом режиме принято e_min =220В.

Стабильность сети обычно недостаточна, и для питания магнетрона необходимо использовать источник питания со стабилизатором напряжения.

Принимаем коэффициент стабилизации напряжения выпрямителя К_СТ=10. Найдем стабильность частоты:

     (2.38)

Температурные уходы частоты не влияют на кратковременную стабильность частоты, поэтому они исключаются из дальнейшего рассмотрения

Проверим выполнение неравенства

Неравенство выполняется, поэтому применение дополнительных мер, повышающих стабильность частот, не требуется.

Определим величину электрического смещения частоты

        (2.39)

нестабильность частоты, обусловленная изменением параметров нагрузки при включенном циркуляторе с общим затуханием α₁+α₂ = 25дБ,

                            (2.40)

Проверяя неравенство    видим, что оно не выполняется, т.е.  Для уменьшения вариации частоты за период следования импульсов, обусловленных быстрым изменением фазы нагрузки, дополнительно включаем ферритовый вентиль с суммарным затуханием α_В = 20дБ. В результате этого получим  Δf_C0 = 3,985 Гц, что выполняет требуемую стабильность частоты.

Суммарная нестабильность частоты

222,853Гц.               (2.41)

Проверяя выполнение неравенства Δf_П∑<0,85Δf_П.ДОП.Т, видим, что оно выполняется.

Полученные выше величины являются исходными данными для расчета импульсного модулятора и источника питания.