Передатчик СВЧ миллиметрового диапазона волн повышенной выходной мощности
MILLIMETER WAVELENGTH RANGE MICROWAVE TRANSMITTER OF INCREASED OUTPUT POWER

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к передающим устройствам, и может быть использовано в радиолокации для создания импульсных малогабаритных передающих устройств с высокой разрешающей способностью, как для применения в летательных аппаратах, так и для применения в мобильных и стационарных объектах.
Из уровня техники известен передатчик СВЧ (патент RU №2208909, МПК: Н04 В 1/00, Н05К 7/20, опубликован 20.07.2003), содержащий задающий генератор, p-i-n аттенюатор, развязывающий прибор, усилитель СВЧ, нагрузку, источник тока, дискриминатор, источник питания и модулятор, систему охлаждения с замкнутым жидкостным контуром. Данный передатчик СВЧ позволяет повысить эффективность работы за счет улучшения отвода тепла от блоков передатчика и улучшения массогабаритных характеристик, но не решает задачу обеспечения работоспособности в миллиметровом диапазоне волн.
Известен передатчик СВЧ (патент RU №2187880, МПК: Н03 В 9/06, опубликован 20.08.2002). В состав передатчика СВЧ между вторым выходом задающего генератора и управляющим входом p-i-n аттенюатора включены частотный дискриминатор и управляемый от дискриминатора источник тока. Источник тока обеспечивает стабилизацию постоянного тока через p-i-n аттенюатор и, как следствие, стабилизирует входную мощность и снижает уровень шумов усилителя СВЧ. Управление источником тока осуществляется от дискриминатора, который формирует частотно-зависимое напряжение управления током p-i-n аттенюатора. Управление оптимальной входной мощностью происходит автоматически и с достаточным быстродействием. К недостаткам данного передатчика СВЧ можно отнести то, что при получении оптимальной выходной мощности в диапазоне частот и снижении уровня амплитудных и фазовых шумов не удается обеспечить улучшение массогабаритных характеристик передатчика.
В качестве прототипа для заявляемого изобретения выбран передатчик СВЧ миллиметрового диапазона волн (патент RU №2457619, МПК: Н04 В 1/00, опубликован 27.07.2012), содержащий модулятор, источник питания модулятора, тракт входной, лампу бегущей волны (ЛБВ), вывод анода которой соединен с корпусом передатчика, тракт выходной, высоковольтный выпрямитель, первый делитель, источник питания, усилитель постоянного тока, устройство контроля. Также в него включены волновод W1 подачи входного сигнала, волноводное соединение W2 тракта входного с ЛБВ, волноводное соединение W3 тракта выходного с ЛБВ, волновод W4 для выходного сигнала, контакт разъема подачи входного импульса запуска передатчика, контакт разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы А, контакт разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы В, контакт разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы С, контакт разъема для контроля высоковольтного напряжения, контакт разъема для контроля выходной мощности и контакт разъема для контроля исправности высоковольтного источника питания. При этом модулятор состоит из четвертого выпрямителя, пятого выпрямителя, второго источника опорного напряжения, второй схемы сравнения, второго усилителя сигнала ошибки, третьего регулирующего элемента, четвертого делителя, коммутатора, первого усилителя, инфракрасного излучателя, первого волоконно-оптического жгута (световода), второго волоконно-оптического жгута (световода), первого инфракрасного приемника, второго инфракрасного приемника, второго усилителя (драйвера), третьего усилителя (драйвера), первого ключевого каскада, второго ключевого каскада, второго устройства защиты, первого фильтра, четвертого регулирующего элемента, второго фильтра, третьего усилителя сигнала ошибки, третьего источника опорного напряжения, пятого делителя. Источник питания состоит из устройства блокировки, трансформатора, первого выпрямителя, второго выпрямителя, первой схемы сравнения, первого усилителя сигнала ошибки, третьего делителя, третьего выпрямителя, элемента гальванической развязки (оптрона), второго регулирующего элемента, накального трансформатора.
Техническая проблема, решаемая созданием данного изобретения, заключается в том, что вышеуказанные аналоги обладают недостаточно высокой выходной импульсной мощностью, а также имеют большую массу и габариты.
Технический результат предлагаемого технического решения направлен на создание передатчика СВЧ, работающего в миллиметровом диапазоне волн в широкой полосе рабочих частот, с увеличенной выходной импульсной мощностью и с уменьшенными массогабаритными характеристиками.
Технический результат достигается тем, что передатчик СВЧ миллиметрового диапазона волн повышенной выходной мощности содержит тракт входной, лампу бегущей волны (ЛБВ), вывод анода которой соединен с корпусом передатчика, тракт выходной, волновод W1 подачи входного сигнала, волноводное соединение W2 тракта входного с ЛБВ, волноводное соединение W3 тракта выходного с ЛБВ, волновод W4 для выходного сигнала, модулятор, источник питания, соединенный своим вторым выходом с выводом катода ЛБВ и с первым входом модулятора, а своим первым выходом с выводом подогревателя ЛБВ, соединенный с третьим входом модулятора контакт разъема подачи входного импульса запуска передатчика, соединенные с первым, вторым и третьим входами источника питания контакт разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы А, контакт разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы В и контакт разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы С соответственно. Также передатчик содержит контакт разъема для контроля высоковольтного напряжения, контакт разъема для контроля выходной мощности и контакт разъема для контроля исправности высоковольтного источника питания. При этом волновод W1 соединен с входом тракта входного, выход тракта входного соединен с входом волноводного соединения W2, выход волноводного соединения W2 соединен с входом ЛБВ, выход ЛБВ соединен с входом волноводного соединения W3, выход волноводного соединения W3 соединен с входом тракта выходного, первый выход тракта выходного соединен с входом волновода W4. Тракт входной содержит аттенюатор, первый циркулятор и первую нагрузку. Тракт выходной содержит вторую нагрузку, ответвитель, детекторную секцию, второй циркулятор и третью нагрузку. Причем вход тракта входного соединен с входом аттенюатора, выход которого соединен с входом первого циркулятора, первый выход которого соединен с первой нагрузкой, а второй его выход соединен с выходом тракта входного. Вход тракта выходного соединен с входом ответвителя, первый выход которого соединен с входом детекторной секции, второй его выход соединен со второй нагрузкой, а третий выход подключен к входу второго циркулятора, второй выход второго циркулятора соединен с третьей нагрузкой, а первый его выход соединен с первым выходом тракта выходного, при этом второй выход тракта выходного подключен к выходу детекторной секции. Модулятор содержит усилитель излучателей, инфракрасные излучатели, световоды Е1 и Е2, инфракрасный приемник верхнего каскада, инфракрасный приемник нижнего каскада, драйвер верхнего ключа, драйвер нижнего ключа, верхний ключевой каскад, нижний ключевой каскад и устройство защиты. При этом выход усилителя излучателей соединен с входом инфракрасных излучателей, первый и второй оптические выходы которых состыкованы с входами световодов Е1 и Е2 соответственно, при этом выходы световодов Е1 и Е2 соответственно состыкованы с первыми входами инфракрасных приемников верхнего и нижнего каскадов, выход инфракрасного приемника верхнего каскада соединен с первым входом драйвера верхнего ключа, выход которого соединен с первым входом верхнего ключевого каскада, выход инфракрасного приемника нижнего каскада соединен с первым входом драйвера нижнего ключа, выход которого соединен с первым входом нижнего ключевого каскада, выходы верхнего и нижнего ключевых каскадов соединены с первым входом устройства защиты, выход устройства защиты соединен с выходом модулятора, подключенным к управляющему электроду ЛБВ. Источник питания содержит схему сравнения и усилитель сигнала ошибки, делитель, первый выпрямительный мост VD1, регулирующий элемент и оптрон. При этом первый и третий выводы первого выпрямительного моста VD1 соединены с первым и вторым входами делителя, выход делителя соединен с входом схемы сравнения и усилителя сигнала ошибки, выход которой соединен с входом оптрона, при этом выход оптрона соединен с третьим входом регулирующего элемента. Кроме этого передатчик дополнительно содержит преобразователь, датчик температуры, коммутатор, резистивный делитель, емкостной делитель, резистор R2, анодный фильтр и индикатор проходящей мощности. Преобразователь содержит в своем составе ключ, ШИМ-контроллер, демпфер, выпрямитель первичной трехфазной сети, трансформатор импульсный, устройство защиты по превышению среднего и импульсного тока анода ЛВБ, коллекторный выпрямитель, анодный выпрямитель и токоизмерительный резистор R1. Модулятор дополнительно содержит стабилизированный источник двухполярного напряжения превышения, стабилизированный источник напряжения смещения и трансформатор развязывающий. Источник питания дополнительно содержит трансформатор низкопотенциальный, второй выпрямительный мост VD2, вспомогательный источник питания и трансформатор высокопотенциальный. Индикатор проходящей мощности состоит из компаратора, источника опорного напряжения и формирователя. Второй выход тракта выходного соединен с входом индикатора проходящей мощности. Первый вход преобразователя соединен с контактом разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы А, второй вход преобразователя соединен с контактом разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы В, третий вход преобразователя соединен с контактом разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы С, контакт разъема для контроля уровня высокого напряжения соединен с первым выходом преобразователя, контакт разъема для контроля исправности высокого напряжения соединен со вторым входом коммутатора, контакт разъема для контроля наличия выходной мощности соединен с выходом индикатора проходящей мощности. Второй выход преобразователя соединен с третьим входом коммутатора, третий выход преобразователя соединен с четвертым входом коммутатора, выход коммутатора соединен со вторым входом модулятора, а к первому входу коммутатора подключен датчик температуры. Четвертый выход преобразователя соединен с входами резистивного и емкостного делителей, а также с одним выводом резистора R2, другой вывод которого подключен к входу анодного фильтра и к выводу катода ЛБВ, выход резистивного делителя соединен с четвертым входом преобразователя, выход емкостного делителя соединен с пятым входом преобразователя, первый выход анодного фильтра соединен с шестым входом преобразователя, второй выход анодного фильтра соединен с корпусом передатчика, вывод коллектора ЛБВ соединен с пятым выходом преобразователя. Третий выход источника питания соединен с четвертым входом модулятора, четвертый выход источника питания соединен с пятым входом модулятора, а пятый выход источника питания соединен с шестым входом модулятора. Первый вход преобразователя соединен с первым входом выпрямителя первичной трехфазной сети, второй вход преобразователя соединен со вторым входом выпрямителя первичной трехфазной сети, третий вход преобразователя соединен с третьим входом выпрямителя первичной трехфазной сети. Выход выпрямителя первичной трехфазной сети соединен с первым выводом трансформатора импульсного и выходом демпфера, второй вывод трансформатора импульсного соединен со вторым входом ключа и входом демпфера, первый вход ключа соединен с первым выходом ШИМ-контроллера, а выход ключа подключен к корпусу передатчика. При этом первый вход ШИМ-контроллера соединен с первым выходом устройства защиты по превышению среднего и импульсного тока анода ЛБВ и со вторым выходом преобразователя, второй его вход соединен с четвертым входом преобразователя, третий вход соединен с пятым входом преобразователя, а его второй выход подключен к первому выходу преобразователя. Шестой вход преобразователя соединен со вторым входом устройства защиты по превышению среднего и импульсного тока анода ЛБВ, первый вход которого соединен с выходом анодного выпрямителя и с одним выводом токоизмерительного резистора R1, другой вывод которого соединен с корпусом передатчика. Третий, четвертый, пятый и шестой выводы вторичной обмотки трансформатора импульсного соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами коллекторного выпрямителя, а седьмой, восьмой, девятый и десятый выводы его вторичной обмотки соединены соответственно со вторым, третьим, четвертым и пятым входами анодного выпрямителя. Первый выход коллекторного выпрямителя соединен с четвертым выходом преобразователя, а второй его выход подключен к первому входу анодного выпрямителя и к пятому выходу преобразователя. Второй выход устройства защиты по превышению среднего и импульсного тока анода ЛБВ соединен с третьим выходом преобразователя. Первый вход модулятора соединен с первыми входами стабилизированного источника двухполярного напряжения превышения и стабилизированного источника напряжения смещения, второй его вход соединен с первым входом усилителя излучателей, третий вход соединен со вторым входом усилителя излучателей. Второй вход устройства защиты подключен к третьему выходу стабилизированного источника двухполярного напряжения превышения, вторые входы инфракрасного приемника верхнего каскада и драйвера верхнего ключа соединены с выходом трансформатора развязывающего, а вторые входы инфракрасного приемника нижнего каскада и драйвера нижнего ключа подключены к входу трансформатора развязывающего и к пятому входу модулятора. Второй вход верхнего ключевого каскада соединен со вторым выходом стабилизированного источника двухполярного напряжения превышения, а второй вход нижнего ключевого каскада подключен к выходу стабилизированного источника напряжения смещения. Второй вход стабилизированного источника напряжения смещения соединен с первым выходом стабилизированного источника двухполярного напряжения превышения, а третий его вход подключен к шестому входу модулятора. Второй вход стабилизированного источника двухполярного напряжения превышения соединен с четвертым входом модулятора. Первый вход источника питания соединен с первым входом трансформатора низкопотенциального, второй вход источника питания соединен со вторым входом трансформатора низкопотенциального и с четвертым выводом второго выпрямительного моста VD2. Третий вход источника питания соединен со вторым выводом трансформатора высокопотенциального и четвертым выводом первого выпрямительного моста VD1. Выводы вторичных обмоток трансформатора низкопотенциального соединены с входами вспомогательного источника питания, выходные напряжения которого используются для питания низкопотенциальных каскадов. Вторые выводы первого VD1 и второго VD2 выпрямительных мостов соединены с первым выводом трансформатора высокопотенциального, первый и третий выводы второго выпрямительного моста VD2 соединены с первым и вторым входами регулирующего элемента. Третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выводы трансформатора высокопотенциального соединены с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым выходами источника питания соответственно. Вход индикатора проходящей мощности соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, выход компаратора соединен с входом формирователя, выход которого соединен с выходом индикатора проходящей мощности.
Увеличение выходной импульсной мощности достигается применением более мощной ЛБВ и соответственно применением более мощного источника питания, так как для питания такой ЛБВ требуются более высокие напряжения и большие токи. Мощность ЛБВ определяется величинами ускоряющего напряжения промежутка анод-катод и тока катода, значительно увеличить который невозможно, так как он ограничивается диаметром пролетного канала, определяемого по результатам расчетов и конструирования. Вторая составляющая увеличения выходной мощности ЛБВ - повышение ускоряющего напряжения. Однако одновременно с повышением ускоряющего напряжения возникает необходимость увеличения запирающего напряжения - напряжения смещения ЛБВ, при этом резко возрастает требование к применяемым материалам, обеспечивающим электропрочность конструкции. Дополнительным ограничением является то, что диапазон изменения напряжения накала применяемой ЛБВ уже диапазона изменения входного питающего напряжения первичной сети, что потребовало введения в конструкцию стабилизатора тока накала. Однако в случае применения стабилизатора напряжения непосредственно в цепи накала последний из-за падения напряжения на выпрямительных диодах, соизмеримого с напряжением накала, имеет очень низкий КПД. Второй недостаток такого построения стабилизатора его низкая надежность в моменты протекания по его элементам, находящихся в цепи катод-подогреватель, экстремальных токов, возникающих в межэлектродных промежутках при высоковольтных пробоях ЛБВ, являющейся высоковольтным вакуумным прибором. В прототипе для разрешения этой проблемы стабилизатор был перенесен в первичную цепь, обеспечивающую питанием первичную обмотку накального трансформатора. В предлагаемом передатчике СВЧ миллиметрового диапазона волн повышенной выходной мощности все высокопотенциальные обмотки, ранее питавшиеся от дополнительного трансформатора, размещены вместе с накальной, обеспечив, таким образом, стабилизацию напряжений на их выходах, а сам трансформатор стал высокопотенциальным. Такое решение позволило снизить требования к элементной базе и получить параметры передатчика фактически независящими от изменения питающего напряжения первичной сети.
Увеличение выходной мощности передатчика за счет использования более мощной ЛБВ также требует применения более мощного высоковольтного источника питания. Применение для этих целей низкочастотного высоковольтного силового трансформатора невозможно без увеличения его габаритов, а значит и габаритов передатчика, так как для увеличения выходного напряжения требуется увеличение количества витков выходных обмоток и применение моточного провода большего сечения, что автоматически увеличивает его размеры и массу. Поэтому в данном передатчике применен высоковольтный источник питания инверторного типа с высокой частотой преобразования напряжения и с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), имеющий преимущество по размерам и по массе используемого в нем трансформатора. При этом высоковольтный источник питания в нашем случае включает в себя преобразователь с ШИМ, который для стабилизации анодного (ускоряющего) напряжения охвачен петлей обратной связи, а для улучшения спектральных характеристик излучаемого зондирующего радиоимпульса применен дополнительный фильтр. При этом по сравнению с прототипом, отпадает необходимость использования высоковольтного стабилизатора напряжения на основе усилителя постоянного тока и высоковольтного регулирующего элемента, с допустимым минимальным напряжением более выходного напряжения высоковольтного выпрямителя. Данное свойство преобразователя существенно повышает КПД высоковольтного источника питания. Также кроме анодного напряжения высоковольтный источник питания формирует и коллекторное напряжение, повышающее КПД ЛБВ.
Структурная схема предлагаемого передатчика СВЧ миллиметрового диапазона волн повышенной выходной мощности приведена на рисунке.
Передатчик СВЧ миллиметрового диапазона волн повышенной выходной мощности включает: тракт входной 1, лампу бегущей волны (ЛБВ) 2, тракт выходной 3, преобразователь 4, датчик температуры 5, коммутатор 6, модулятор 7, резистивный делитель (РД) 8, емкостной делитель (ЕД) 9, резистор R2 10, анодный фильтр 11, источник питания 12, индикатор проходящей мощности 13.
Тракт входной 1 содержит аттенюатор (А) 14, первый циркулятор (Ц1) 15, обеспечивающий согласование с входом ЛБВ 2, и первую нагрузку (HI) 16.
Тракт выходной 3 содержит вторую нагрузку (Н2) 17, ответвитель (О) 18, детекторную секцию (ДС) 19, второй циркулятор (Ц2) 20 и третью нагрузку (НЗ) 21.
Преобразователь 4 содержит в своем составе ключ 22, ШИМ-контроллер 23, демпфер 24, выпрямитель первичной трехфазной сети 25, трансформатор импульсный 26, состоящий из первичной и вторичной обмоток, причем последние выполнены высоковольтными, устройство защиты по превышению среднего и импульсного тока анода ЛВБ 27, коллекторный выпрямитель 28, анодный выпрямитель 29, токоизмерительный резистор R1 30.
Модулятор 7 состоит из усилителя излучателей 31, инфракрасных излучателей 32, световодов Е1 33 и Е2 34, стабилизированного источника двухполярного напряжения превышения 35, стабилизированного источника напряжения смещения 36, инфракрасного приемника верхнего каскада 37, инфракрасного приемника нижнего каскада 38, трансформатора развязывающего 39, драйвера верхнего ключа 40, драйвера нижнего ключа 41, верхнего ключевого каскада 42, нижнего ключевого каскада 43, устройства защиты 44.
Источник питания 12 содержит схему сравнения и усилитель сигнала ошибки 45, трансформатор низкопотенциальный 46, делитель 47, первый выпрямительный мост VD1 48, второй выпрямительный мост VD2 49, вспомогательный источник питания 50, трансформатор высокопотенциальный 51, регулирующий элемент 52 и оптрон 53.
Индикатор проходящей мощности 13 состоит из компаратора 54, источника опорного напряжения 55 и формирователя 56.
Передатчик СВЧ миллиметрового диапазона волн повышенной выходной мощности также содержит волновод W1 57 подачи входного сигнала, волноводное соединение W2 58 тракта входного 1 с ЛБВ 2, волноводное соединение W3 59 тракта выходного 3 с ЛБВ 2, волновод W4 60 для выходного сигнала, контакт разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы А 61, контакт разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы В 62, контакт разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы С 63, контакт разъема для контроля высокого напряжения 64, контакт разъема для контроля исправности высоковольтного источника питания 65, контакт разъема для подачи входного импульса запуска передатчика 66, контакт разъема для контроля выходной мощности 67.
При этом волновод W1 57 соединен с входом тракта входного 1, выход тракта входного 1 соединен с входом волноводного соединения W2 58, выход волноводного соединения W2 58 соединен с входом ЛБВ 2, выход ЛБВ 2 соединен с входом волноводного соединения W3 59, выход волноводного соединения W3 59 соединен с входом тракта выходного 3, первый выход тракта выходного 3 соединен с входом волновода W4 60, второй выход тракта выходного 3 соединен с входом индикатора проходящей мощности 13. Первый вход преобразователя 4 соединен с контактом 61 разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы А и с первым входом источника питания 12, второй вход преобразователя 4 соединен с контактом 62 разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы В и со вторым входом источника питания 12, третий вход преобразователя 4 соединен с контактом 63 разъема для подачи входного переменного напряжения питания фазы С и с третьим входом источника питания 12. Контакт 64 разъема для контроля уровня высокого напряжения соединен с первым выходом преобразователя 4, контакт 65 разъема для контроля исправности высокого напряжения соединен со вторым входом коммутатора 6, контакт 66 разъема для подачи входного импульса запуска передатчика соединен с третьим входом модулятора 7, контакт 67 разъема для контроля наличия выходной мощности соединен с выходом индикатора проходящей мощности 13. Второй выход преобразователя 4 соединен с третьим входом коммутатора 6, третий выход преобразователя 4 соединен с четвертым входом коммутатора 6, выход коммутатора 6 соединен со вторым входом модулятора 7, а к первому входу коммутатора подключен датчик температуры 5. Четвертый выход преобразователя 4 соединен с входами РД 8 и ЕД 9, а также с одним выводом резистора R2 10, другой вывод которого подключен к входу анодного фильтра 11, к выводу катода (К) ЛБВ 2, ко второму выходу источника питания 12 и к первому входу модулятора 7. Выход РД 8 соединен с четвертым входом преобразователя 4, выход ЕД 9 соединен с пятым входом преобразователя 4, первый выход анодного фильтра 11 соединен с шестым входом преобразователя 6, второй выход анодного фильтра 11 соединен с корпусом. Первый выход источника питания 12 соединен с выводом подогревателя (П) ЛБВ 2, вывод коллектора (Кл) ЛБВ 2 соединен с пятым выходом преобразователя 4, вывод управляющего электрода (У) ЛБВ 2 соединен с выходом модулятора 7, а вывод анода (А) ЛБВ 2 соединен с корпусом передатчика. Третий выход источника питания 12 соединен с четвертым входом модулятора 7, четвертый выход источника питания 12 соединен с пятым входом модулятора 7, а пятый выход источника питания 12 соединен с шестым входом модулятора 7.
Вход тракта входного 1 соединен с входом аттенюатора 14, выход которого соединен с входом Ц1 15. Первый выход Ц1 15 соединен с H1 16, а второй его выход соединен с выходом тракта входного 1.
Вход тракта выходного 3 соединен с входом ответвителя 18, первый выход которого соединен с входом ДС 19, второй его выход соединен с Н2 17, а третий выход подключен к входу Ц2 20. Первый выход Ц2 20 соединен с первым выходом тракта выходного 3, а второй его выход соединен с Н3 21. Второй выход тракта выходного 3 подключен к выходу ДС 20.
Первый вход преобразователя 4 соединен с первым входом выпрямителя первичной трехфазной сети 25, второй вход преобразователя 4 соединен со вторым входом выпрямителя первичной трехфазной сети 25, третий вход преобразователя 4 соединен с третьим входом выпрямителя первичной трехфазной сети 25, выход выпрямителя первичной трехфазной сети 25 соединен с первым выводом трансформатора импульсного 26 и с выходом демпфера 24, второй вывод трансформатора импульсного 26 соединен со вторым входом ключа 22 и входом демпфера 24. Первый вход ключа 22 соединен с первым выходом ШИМ-контроллера 23, а выход ключа 22 подключен к корпусу передатчика. При этом первый вход ШИМ-контроллера 23 соединен с первым выходом устройства защиты по превышению среднего и импульсного тока анода ЛБВ 27 и со вторым выходом преобразователя 4, второй его вход соединен с четвертым входом преобразователя 4, третий вход соединен с пятым входом преобразователя 4, а его второй выход подключен к первому выходу преобразователя 4. Шестой вход преобразователя 4 соединен со вторым входом устройства защиты по превышению среднего и импульсного тока анода ЛБВ 27, первый вход которого соединен с выходом анодного выпрямителя 29 и с одним выводом токоизмерительного резистора R1 30, другой вывод которого соединен с корпусом передатчика. Третий, четвертый, пятый и шестой выводы вторичной обмотки трансформатора импульсного 26 соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами коллекторного выпрямителя 28, а седьмой, восьмой, девятый и десятый выходы его вторичной обмотки соединены соответственно со вторым, третьим, четвертым и пятым входами анодного выпрямителя 29. Первый выход коллекторного выпрямителя 28 соединен с четвертым выходом преобразователя 4, а второй его выход подключен к первому входу анодного выпрямителя 29 и к пятому выходу преобразователя 4. Второй выход устройства защиты по превышению среднего и импульсного тока анода ЛБВ 27 соединен с третьим выходом преобразователя 4.
Первый вход модулятора 7 соединен с первыми входами стабилизированного источника двухполярного напряжения превышения 35 и стабилизированного источника напряжения смещения 36, второй его вход соединен с первым входом усилителя излучателей 31, а третий вход соединен со вторым входом усилителя излучателей 31. Выход усилителя излучателей 31 соединен с входом инфракрасных излучателей 32, первый и второй оптические выходы которых состыкованы с входами световодов Е1 33 и Е2 34 соответственно, при этом выходы световодов Е1 33 и Е2 34 соответственно состыкованы с первыми входами инфракрасных приемников верхнего 37 и нижнего 38 каскадов. Выход инфракрасного приемника верхнего каскада 37 соединен с первым входом драйвера верхнего ключа 40, выход которого соединен с первым входом верхнего ключевого каскада 42, выход инфракрасного приемника нижнего каскада 38 соединен с первым входом драйвера нижнего ключа 41, выход которого соединен с первым входом нижнего ключевого каскада 43. Выходы верхнего 42 и нижнего 43 ключевых каскадов соединены с первым входом устройства защиты 44, второй вход которого подключен к третьему выходу стабилизированного источника двухполярного напряжения превышения 35, а его выход соединен с выходом модулятора 7. Вторые входы инфракрасного приемника верхнего каскада 37 и драйвера верхнего ключа 40 соединены с выходом трансформатора развязывающего 39, а вторые входы инфракрасного приемника нижнего каскада 38 и драйвера нижнего ключа 41 подключены к входу трансформатора развязывающего 39 и к пятому входу модулятора 7. Второй вход верхнего ключевого каскада 42 соединен со вторым выходом стабилизированного источника двухполярного напряжения превышения 35, а второй вход нижнего ключевого каскада 43 подключен к выходу стабилизированного источника напряжения смещения 36. Второй вход стабилизированного источника напряжения смещения 36 соединен с первым выходом стабилизированного источника двухполярного напряжения превышения 35, а третий его вход подключен к шестому входу модулятора 7. Четвертый вход модулятора 7 соединен со вторым входом стабилизированного источника двухполярного напряжения превышения 35.
Первый вход источника питания 12 соединен с первым входом трансформатора низкопотенциального 46, второй вход источника питания 12 соединен со вторым входом трансформатора низкопотенциального 46 и с четвертым выводом второго выпрямительного моста VD2 49, третий вход источника питания 12 соединен со вторым выводом трансформатора высокопотенциального 51 и с четвертым выводом первого выпрямительного моста VD1 48. Выходы (выводы вторичных обмоток) трансформатора низкопотенциального 46 соединены с входами вспомогательного источника питания 50, выходные напряжения которого используются для питания низкопотенциальных каскадов передатчика. Вторые выводы первого VD1 48 и второго VD2 49 выпрямительных мостов соединены с первым выводом трансформатора высокопотенциального 51, при этом первый и третий выводы первого выпрямительного моста VD1 48 соединены с первым и вторым входами делителя 47, а первый и третий выводы второго выпрямительного моста VD2 49 соединены с первым и вторым входами регулирующего элемента 52. Выход делителя 47 соединен с входом схемы сравнения и усилителя сигнала ошибки 45, выход которой соединен с входом оптрона 53, при этом выход оптрона 53 соединен с третьим входом регулирующего элемента 52. Третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выводы трансформатора высокопотенциального 51 соединены с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым выходами источника питания 12 соответственно.
Вход индикатора проходящей мощности 13 соединен с первым входом компаратора 54, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения 55. Выход компаратора 54 соединен с входом формирователя 56, выход которого соединен с выходом индикатора проходящей мощности 13.
Рассмотрим работу узлов, входящих в состав заявляемого передатчика СВЧ миллиметрового диапазона волн повышенной мощности.
Принцип работы СВЧ части предлагаемого передатчика, включающей в себя входной 1 и выходной 3 тракты, ЛБВ 2, волноводы W1 57 и W4 60, а также волноводные соединения W2 58 и W3 59, аналогичен принципу работы СВЧ части прототипа. С волноводного входа W1 57 входной СВЧ-сигнал поступает на вход аттенюатора 14 входного тракта 1. Для установки индивидуального паспортного значения входной мощности сигнала на ЛБВ 2, аттенюатор 14 имеет регулировочный винт, глубина погружения которого изменяет коэффициент стоячей волны и, как следствие, величину проходящей мощности. Далее сигнал через Ц1 15 и волноводный соединитель W2 58 поступает на вход ЛБВ 2. Ц1 15 с H1 16 защищают задающий генератор РЛС от обратной волны, отраженной от входа ЛБВ 2. С выхода ЛБВ 2 усиленный СВЧ-сигнал через волноводное соединение W3 59, ответвитель 18, Ц2 20 и волновод W4 60 поступает на выход передатчика. В выходном тракте 3 Ц2 20 производит согласование выхода ЛБВ 2 с нагрузкой. Энергия обратной волны поглощается третьей нагрузкой 21. Вторая нагрузка 17 - это согласованная нагрузка для ответвителя 18.
Для выполнения ЛБВ 2 функции усиления СВЧ-колебаний на ее электроды необходимо подать соответствующие напряжения.
Преобразователь 4 является основой высоковольтного источника питания, формирующего анодное и коллекторное напряжения ЛБВ 2. При этом для стабилизации анодного (ускоряющего) напряжения преобразователь 4 охвачен петлей обратной связи с помощью РД 8 и ЕД 9, а для улучшения спектральных характеристик излучаемого зондирующего радиоимпульса используется дополнительный фильтр - резистор R2 10 и анодный фильтр 11. Для формирования анодного и коллекторного напряжений ЛБВ 2 через первый, второй и третий входы преобразователя 4 с контактов 61, 62 и 63 на первый, второй и третий входы выпрямителя первичной трехфазной сети 25 подается входное трехфазное переменное напряжение питания ~115 В/200 В 400 Гц, соответствующее ГОСТ Р 54073-2010. С выхода выпрямителя первичной трехфазной сети 25 выпрямленное напряжение подается на первый вывод трансформатора импульсного 26 и на выход демпфера 24, предназначенного для устранения колебательных процессов, возникающих в трансформаторе импульсном 26 из-за его паразитных параметров, а также для ограничения амплитуды выбросов на выходе ключа 22. При помощи ключа 22, управление которым осуществляется ШИМ-контроллером 23 по сигналу с его первого выхода, второй вывод трансформатора импульсного 26 имеет возможность соединения с корпусом через второй вход и выход ключа 22. Напряжения с третьего, четвертого, пятого и шестого выходов вторичной обмотки трансформатора импульсного 26 подаются соответственно на первый, второй, третий и четвертый входы коллекторного выпрямителя 28, а с седьмого, восьмого, девятого и десятого выходов - на второй, третий, четвертый и пятый входы анодного выпрямителя 29 соответственно. При этом с выхода анодного выпрямителя 29 вытекающий ток, соответствующий току анода ЛБВ 2 и создающий падение напряжения на токоизмерительном резисторе R1 30, подается на первый вход устройства защиты по превышению среднего и импульсного тока анода ЛБВ 27. С четвертого входа преобразователя 4 постоянная составляющая сигнала обратной связи стабилизатора напряжения анода ЛБВ 2 поступает на второй вход ШИМ-контроллера 23, а с пятого входа преобразователя 4 переменная составляющая сигнала обратной связи стабилизатора напряжения анода ЛБВ 2 поступает на третий вход ШИМ-контроллера 23.
Таким образом, трансформатор импульсный 26, коллекторный 28 и анодный 29 выпрямители, ШИМ-контроллер 23, ключ 22 и демпфер 24 образуют обратноходовой преобразователь напряжения. При этом устройство защиты по превышению среднего и импульсного тока анода ЛБВ 27, включенное в состав преобразователя 4, служит для исключения отказов ЛБВ 2 при протекании экстремальных токов по ее электродам из-за внутренних межэлектродных пробоев, связанных с ухудшением вакуума или нарушением паспортных значений электропитающих напряжений. С первого выхода устройства защиты по превышению среднего и импульсного тока анода ЛБВ 27 на первый вход ШИМ-контроллера 23 выдается сигнал блокировки выходного сигнала передатчика, который одновременно поступает через второй выход преобразователя 4 на третий вход коммутатора 6, который, в свою очередь, посредством подачи сигнала со своего выхода на второй вход модулятора 7 переводит последний в режим запирания ЛБВ 2. При этом со второго выхода ШИМ-контроллера 23 через первый выход преобразователя 4 на контакт разъема для контроля высокого напряжения 64 подается сигнал неисправности высоковольтного источника питания. Со второго выхода устройство защиты по превышению среднего и импульсного тока анода ЛБВ 27 выдает сигнал о срабатывании защиты по превышению импульсного тока анода ЛБВ 2, который через третий выход преобразователя 4 поступает на четвертый вход коммутатора 6. При этом коммутатор 6 сигналом со своего выхода также переводит модулятор 7 в режим запирания ЛБВ 2. На второй вход устройства защиты по превышению среднего и импульсного тока анода ЛБВ 27 через шестой вход преобразователя 4 поступает сигнал пропорциональный импульсному току анода ЛБВ 2. Отфильтрованное анодное напряжение ЛБВ 2 с помощью резистора R2 10 и анодного фильтра 11 подается на вывод К ЛБВ 2.
Коллекторный 28 и анодный 29 выпрямители преобразователя 4 выполнены на основе технологии многослойных печатных плат, на которых расположены выпрямительные диоды и демпфирующие резисторы, а чередующиеся печатные проводники, соединенные через один, образуют сглаживающие конденсаторы, причем высоковольтные выпрямители соединены с соответствующими высоковольтными обмотками и закреплены на трансформаторе импульсном 26. При этом для исключения высоковольтных пробоев на магнитопровод и на близкорасположенные элементы конструкции данные выпрямители залиты высоковольтным диэлектриком.
Источник питания 12 предназначен для питания ЛБВ 2, модулятора 7, а также для питания низкопотенциальных каскадов передатчика. Для стабилизации напряжения на первичной обмотке в разрыв цепи между первым выводом трансформатора высокопотенциального 51 и вторым входом источника питания 12 включен второй выпрямительный мост VD2 49, в диагональ которого помещен регулирующий элемент 52, с помощью которого на первом и втором выводах трансформатора высокопотенциального 51 поддерживается фиксированная амплитуда переменного напряжения. Напряжение переменного тока, приложенное к первому и второму выводам трансформатора высокопотенциального 51, поступает на второй и четвертый выводы первого выпрямительного моста VD1 48, после чего с первого и третьего выводов последнего подается на первый и второй входы делителя 47, осуществляющего согласование по уровням выходного напряжения с первого выпрямительного моста VD1 48 с входным сигналом схемы сравнения и усилителя сигнала ошибки 45. Схема сравнения и усилитель сигнала ошибки 45 реализованы на единой микросхеме, формирующей опорное напряжение и сигнал ошибки с последующим его усилением. Выход схемы сравнения и усилителя сигнала ошибки 45 и вход регулирующего элемента 52 находятся под разными потенциалами, поэтому для согласования и развязки потенциалов применен оптрон 53, имеющий большую электропрочность между своими входом и выходом, причем его вход подключен к выходу схемы сравнения и усилителя сигнала ошибки 45, а выходная цепь управляет внутренним сопротивлением регулирующего элемента 52, замыкая, таким образом, контур регулирования стабилизатора источника питания 12.
В модуляторе 7 драйверы верхнего 40 и нижнего 41 ключей формируют управляющие сигналы, поступающие на первые входы верхнего 42 и нижнего 43 ключевых каскадов. При этом на второй вход верхнего ключевого каскада 42 подается напряжение со второго выхода стабилизированного источника двухполярного напряжения превышения 35, а на второй вход нижнего ключевого каскада 43 подается напряжение с выхода стабилизированного источника напряжения смещения 36. С четвертого входа модулятора 7 на второй вход стабилизированного источника двухполярного напряжения превышения 35 подается стабилизированное низковольтное питающее напряжение переменного тока, из которого формируется двухполярное регулируемое стабилизированное напряжение для управления ЛБВ 2. Аналогичное напряжение с пятого входа модулятора 7 поступает для питания каскадов, причем для минимизации емкости нагрузки модулятора 7 для верхних каскадов оно подается через трансформатор развязывающий 39. Для нормальной работы стабилизированного источника напряжения смещения 36 его второй вход соединен с первым выходом стабилизированного источника двухполярного напряжения превышения 35. Таким образом данная связь обеспечивает общее питание для каскадов стабилизаторов.
Датчик температуры 5 предназначен для защиты ЛБВ 2 от ее перегрева. При превышении температуры корпуса ЛБВ 2, более оговоренной в технических условиях на нее, срабатывает датчик температуры 5, подавая сигнал на первый вход коммутатора 6, который сигналом со своего выхода переводит модулятор 7 в режим запирания ЛБВ 2. Характеристика переключения датчика температуры 5 имеет гистерезис, поэтому повторное включение передатчика на излучение произойдет только при остывании ЛБВ 2 до безопасной температуры, что повышает надежность устройства и исключает дребезжание последовательности излучаемого сигнала.
Для контроля наличия выходной мощности на выходе передатчика с первого выхода ответвителя 18 тракта выходного 3 СВЧ сигнал поступает на детекторную секцию 19, с выхода которой через второй выход тракта выходного 3 видеосигнал, соответствующий огибающей излученного радиоимпульса и пропорциональный выходной мощности передатчика, поступает на вход индикатора проходящей мощности 13. С входа индикатора проходящей мощности 13 видеосигнал поступает на первый вход компаратора 54, на второй вход которого с источника опорного напряжения 55 подается опорное напряжение, соответствующее пороговой мощности передатчика, заданной техническими условиями на передатчик. При превышении амплитуды видеоимпульса на первом входе компаратора 54 уровня опорного напряжения, заданного на его втором входе источником опорного напряжения 55, на выходе формирователя 58, соединенного своим входом с выходом компаратора 55, формируется сигнал наличия мощности, который поступает через выход индикатора проходящей мощности 13 на контакт разъема для контроля выходной мощности 67.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволило увеличить выходную мощность передатчика до 100 Вт против 18 Вт в сравнении с прототипом. Кроме этого для выполнения требования по уменьшению массогабаритных показателей вместо высоковольтного источника питания (по прототипу), состоящего из высоковольтного выпрямителя на основе массивного низкочастотного высоковольтного трансформатора и высоковольтного стабилизатора на основе усилителя постоянного тока, применен высоковольтный источник питания инверторного типа с высокой частотой преобразования напряжения, имеющий преимущество по размерам и по массе благодаря использованию в составе его преобразователя 4 трансформатора импульсного 26. Также применен источник питания 12, формирующий на своих выходах низкопотенциальные и высокопотенциальные стабилизированные напряжения постоянного и переменного тока, предназначенные для питания всех узлов передатчика. При этом использование стабилизированных напряжений переменного тока позволяет более оптимально выполнить схемотехнику узлов.
Для подтверждения возможности реализации технического решения был изготовлен опытный образец передатчика СВЧ миллиметрового диапазона волн повышенной мощности, при этом конструктивно все его узлы реализованы из элементов, выпускаемых промышленностью, и выполнены в соответствии с конкретными техническими требованиями.