Конструктивные особенности антенны

Для преподавателя.Изучение этого вопроса целесообразно проводить в техническом парке, на примере антенной системы НРЗ и РЛС 5Н84. При изучении вопроса обратить внимание на конструкцию вынесенного облучателя основной антенны и антенны ПБО. Рефлектор антенны ПБО имеет выгнутую конструкцию, что обеспечивает формирование ДНА, охватывающей все боковые лепестки основной антенны.

Указать на конструктивные особенности антенны РЛС 5Н84 и антенны НРЗ

Заключительная часть

- Вывод по занятию;

Достигнуты учебные цели;

- Вопросы для контроля усвоения материала

- что характеризует КНД антенны?

- как по линейным размерам антенны определить отношение ширины ДНА во взаимно перпендикулярным плоскостям?

- какими способами устраняется реакция зеркала?

- какие типы антенн применяются в дециметровом диапазоне волн?

Задание на самоподготовку:

Изучить назначение, технические характеристики и принцип действия основных типов антенн.

Калашников, Степук. Колебательные системы. С. 245-265, 269-308.

Окончание занятия;

Руководитель занятия:

Подполковник запаса Ж.Атчабаров

Утверждаю

Начальник цикла ПВО

КазНТУ имени К.И. Сатпаева

полковник запаса О.Степаненко

«__»____________ 2014г.

ПЛАН

РАЗДЕЛ 1 Основы построения и эксплуатации

РТВ ПВО СВО

Тема 4 ТРАКТ ГЕНЕРИРОВАНИЯ И ИЗЛУЧЕНИЯ

ЗАНЯТИЕ 5 ГЕНЕРАТОРЫ МЕТРОВЫХ ВОЛН

1. УЧЕБНЫЕ И ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ ЦЕЛИ:

В результате изучения темы студенты должны:

ЗНАТЬ принцип построения генераторов высокой частоты,условия самовозбуждения, особенности технического решения генераторов метровых волн;

УМЕТЬсоставлять типовые схемы автогенераторов.

2. МЕТОД - групповое занятие.

3. ВРЕМЯ - 2 часа.

4. МЕСТО - аудитория основ построения и эксплуатации РЭТ

5. МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ:

-Слайды, проекционная аппаратура;

6. ЛИТЕРАТУРА:

Калашников, Степук. Радиопередающие и радиоприемные устройства.

Учебные вопросы и распределение времени (слайд №3).

	ВВОДНАЯ ЧАСТЬ	10 мин.
1.	Принцип работы генераторов высокой частоты. Кварцевые генераторы	25 мин.
2.	Особенности работы генераторов СВЧ	20 мин.
3.	Генератор метровых волн	25 мин
	ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ	10 мин.

Ход занятий

Вступительная часть:

· Прием доклада дежурного по взводу;

· Проверка личного состава и готовности к занятию;

· Целесообразно провести контрольный опрос по теме 4/4.

Оценить ответы и объявить оценки. Сделать выводы об усвоении материала.

· Доведения темы, целей занятия и учебных вопросов;

Основная часть.

Первый учебный вопрос.

Принцип работы генераторов высокой частоты. Кварцевые генераторы

Генератором высокой частоты называется устройство, преобразую­щее энергию источников постоянного тока в энергию токов высокой час­тоты.

Принцип работы генераторов заключается в поддержании незатуха­ющих электрических колебаний в колебательной системе путем периоди­ческого введения в неё энергии источников питания.

Для преподавателя. Далее путем беседы, постановкой вопросов выяснить принцип получения колебаний в контуре (ОПиЭ, Т2, занятие 5).

В простейшем случае высокочастотные колебания можно получить с помощью обычного колебательного контура (слайд 28).

При замыкании ключа контур получает запас энергии в виде элек­трического поля конденсатора. После размыкания ключа в контуре воз­никают свободные колебания с частотой, определяемой величинами емкости и индуктивности

.

Однако из-за наличия потерь энергия на нагрев проводников колебания в контуре будут затухающими.

Для получения незатухающих колебаний требуется периодическое пополнение энергии контура синхронно и синфазно с собственными ко­лебаниями контура.

Предположим, что собственная частота контура равна 1 МГц, т.е. напряжение на контуре меняется миллион раз в секунду. Следователь­но, с этой же частотой нужно пополнять энергию в контуре. Исходя из этого, устройство подключения источника питания должно быть безынерционным (электронная лампа или полупроводниковый прибор).

Таким образом, генератор высокой частоты должен состоять из следующих функционально-необходимых элементов:

- источника постоянного тока;

- колебательной системы;

- устройства коммутации (ключа).

Незатухающие колебания можно получить, если с колебательного контура часть энергии через цепь обратной связи подавать на вход усилительного каскада (слайд 29).

Такое устройство называется автогенератором. Усилитель и цепь обратной связи в этой схеме выполняют функции ключа.

При включении источника питания в колебательном контуре воз­никают электрические колебания, которые через цепь обратной связи подаются на вход усилителя, где усиливаются и осуществляются по­полнения энергии колебательного контура.

Колебания на выходе автогенератора будут незатухающими и толь­ко в том случае, если напряжение, созданное цепью обратной связи, после усиления будет достаточным для компенсации потерь в колебательной системе. То есть следует обеспечить равенство (баланс) меж­ду энергией, подаваемой на вход усилителя, и энергией, которая рас­ходуется на потери в контуре. Это условие называется балансом ам­плитуд.

Кроме того, цепь обратной связи должна вызвать также сдвиги фаз, при которых в колебательную систему вносится энергия в такт собственным колебаниям в ней. Это условие называется балансом фаз.

Колебания в автогенераторе будут незатухающими при одновременном выполнении баланса фаз и амплитуд. Условия баланса фаз и ампли­туд называют условиями самовозбуждения и определяются параметра­ми усилителя и цепи обратной связи. Коэффициент передачи цепи об­ратной связи является комплексной величиной.

В качестве усилителей автогенераторов используются ламповые или полупроводниковые приборы.

В зависимости от вида цепи обратной связи различают автогене­раторы с трансформаторной, индуктивной и емкостной обратной свя­зью.

В практике широкое распространение получили трехточечные автогенераторы, в которых три электрода - катод, сетка и анод - подключаются к трем точкам колебательной системы. В этом случае между электродами лампы включаются реактивные сопротивления колебатель­ной системы х_ак,х_аg и х_gк (слайд 30).

Под этими сопротивлениями можно подразумевать любую комбина­цию емкостей, индуктивностей или колебательных контуров, удовлетво­ряющих следующим требованиям:

- колебательная система должна быть настроена на заданную частоту;

- выполнялись условия самовозбуждения по фазе и амплитуде.

Для выполнения баланса фаз и амплитуд необходимо, чтобы коэф­фициент обратной связи был положительным, т.е.

При резонансе в параллельных ветвях колебательного контура токи I_m1 и I_m2 равны по числовому значению и противоположны по направлению (I_m1 = -I_m2), следовательно, коэффициент обратной связи будет положительным (К_ос > 0), если х_gк/х_ак > 0, а это возможно только тогда, когда сопротивления х_ак и х_gк имеют одинаковый характер (или емкости, или индуктивности).

С другой стороны, при резонансе колебательная система носит чис­то активный характер, т.е. реактивное сопротивление контура равно нулю (х_gд+х_gк+х_ак = 0) Отсюда следует, что х_аg = -( х_gк + х_ак ), т.е. сопротивление х_ад должно быть противоположного характера по сравнению с х_gк и х_ак.

Таким образом, возбуждение в трехточечных генераторах возможно только в двух случаях:

- когда сопротивление х_ак и х_gк - индуктивности, а х_аg – емкость (индуктивная трехточка);

- когда сопротивления х_ак и х_gк - емкости, а х_аg - индук­тивность (емкостная трехточка).

Количество энергии, поступающей в контур, должно быть больше энергии потерь и определяется степенью обратной связи. Наименьшая обратная связь, при которой возникают колебания в автогенераторе, называется критической. Величина обратной связи характеризуется коэффициентом обратной связи, который показывает, какая часть переменного анодного напряжения подается на сетку лампы, т.е.

К_ос = -U_mg/U_ma (5.1)

Напряжение U_ma=U_ma1^*R_э,

где I_ma1 – амплитуда тока первой гармоники;

R_э – эквивалентное сопротивление контура.

В свою очередь

I_ma1= μ^*U_mg/(R_i +R_э),

где R_i – внутреннее сопротивление лампы;

μ – коэффициент усиления лампы.

Подставив значения I_m1 и U_ma в выражение (5.1) и проведя преобразования, получим

К_{ос крит.}= Д+(1/SR_э),

где S – крутизна лампы, мА/В;

Д – проницаемость лампы (величина обратная коэффициенту усиления).

Следовательно, амплитудное условие самовозбуждения заключается в том, чтобы коэффициент обратной связи был больше критического.

Таким образом, для самовозбуждения автогенераторов необходимо выполнение условий:

Баланса амплитуд

Баланса фаз

.

Пример схемы индуктивного трехточечного генератора показан на слайде 31.

Эта схема представляет собой автоге­нератор с параллельным анодным питанием и последовательной цепочкой сеточного автосмещения. Условие баланса амплитуд для приведенной схемы выполняется, если

К_ос =(L₂/L₁)> К_крит.

В зависимости от величины коэффициента обратной связи разли­чают два режима работы генератора:

- режим без отсечки анодного тока (режим А);

- режим с отсечкой анодного тока (режим В, С).

В практике наиболее часто используется режим с отсечкой анод­ного тока. Генераторы колебаний, работающие в этом режиме, имеют большой коэффициент полезного действия.

Цепочка автосмещения называется последовательной, потому что резистор R_g включен последовательно с участком сетка-катод лампы.

К участку сетка-катод лампы подводится напряжение обратной связи высокой частоты. При положительном напряжении на сетке кон­денсатор С_g заряжается сеточным током лампы. При действии отрица­тельного напряжения обратной связи конденсатор С_g разряжается че­рез резистор R_g. Постоянная времени разряда конденсатора много больше времени заряда, поэтому конденсатор разряжается незначительно. Вели­чина отрицательного напряжения на конденсаторе С_g практически равна напряжению обратной связи. При изменении амплитуды колебаний изменяется и напряжение смещения.

Цепочка автосмещения обеспечивает автоматический переход из режима колебаний I рода в энергетически выгодный режим II рода. Встречается другая трактовка назначения цепи автосмещения: "Обеспечива­ет «мягкий» режим возбуждения". При включении автогенератора напря­жение на сетке лампы равно нулю, поэтому в первоначальный момент через лампу протекает большой анодный ток (рис.5.4) и малейшие колебания в контуре поддерживаются анодным током. Генератор работа­ет в режиме I рода. При этом в сеточной цепи появляется постоянный ток, которой создает на резисторе R_g напряжение, приложенное ми­нусом к сетке. Рабочая точка смещается в область отрицательного смещения, и генератор переходит в заданный режим работы с отсечкой анодного тока (режим II рода).

В емкостном трехточечном генераторе (слайд 32) напряжение обратной связи снимается с конденсатора С_g, поэтому схему называют также генератором с емкостной обратной связью.

В приведенной схеме автоматическое смещение осуществляется за счет сеточного тока цепочкой L_g, R_g . В данной схеме цепочка смещения может быть только параллельной, так как при последователь­ной цепочке нет цепи для постоянной составляющей сеточного тока. Через резистор R_g протекает только постоянная составляющая сеточ­ного тока, так как индуктивное сопротивление катушки L_g для пе­ременного тока очень велико.

Для самовозбуждения автогенератора необходимо, чтобы

Потребляемая величина емкости C_g определяется из условия самовозбуждения лампового генератора и определяется выражением

.

Автогенераторы с емкостной обратной связью успешно применяют­ся в диапазоне УВЧ, где трудно выполнить отводы от катушки индук­тивности из-за малого количества витков.

В диапазоне СВЧ широко используются двухконтурные схемы автогенераторов, которые будут рассмотрены в третьем учебном вопросе занятия.

Для передачи колебаний ВЧ антенне используются простые и сложные схемы выхода. В простых схемах выхода антенна входит в состав колебательного контура (слайд 33).

В сложной схеме антенный контур является самостоятельным и связан с контуром генератора индуктивно, емкостью или автотрансформаторно (рис.5.6, б).

Для стабилизации частоты применяются кварцевые генераторы, у которых в качестве колебательной системы используется кварцевая пластина. Известно, что кварцевая пластина (двуокись кремния), по­мещенная в переменное электрическое поле, является резонатором элек­тромеханических колебаний определенной частоты. Частота колебаний зависит от размеров и форм кварцевой пластины.

Конструктивно кварцевый резонатор представляет собой кварцевую пластину, помещенную в кварцедержатель, который выполняется путем напыления на пластину тонкого слоя серебра. К кварцедержателю подводится переменное электрическое поле. Эквивалентная электри­ческая схема кварца показана на слайде 34).

L_кв, C_кв, R_кв – эквивалентные индуктивность, емкость и сопротивление потерь кварца.

С₀ - емкость кварцедержателя. Параметры кварца обычно заклю­чены в следующих пределах:

L_кв = 20...2000 МГн;

C_кв = 0,01...0,06 пФ;

R_кв = 30...100 Ом;

С₀ = 10...50 пФ.

Из эквивалентной схемы видно, что у кварцевого резонатора имеются резонансные частоты последовательного f_кв1 и параллельного f_кв2 контуров. Поскольку C_кв«C_o , то эти частоты весьма близки друг и другу (отличаются на десятки-сотни герц). Зависимость реактивно­го сопротивления кварца от частоты показана на рис. 5.7, б. Только в диапазоне частот Δf=f_кв2-f_кв1 кварц имеет индуктивный характер сопротивления, поэтому кварцевый резонатор включают в ту ветвь ко­лебательной системы генератора, которая для самовозбуждения должна быть индуктивностью. Это необходимо помнить при построении или анализе кварцевых автогенераторов.

В практических схемах автогенераторов кварц включается между сеткой и анодом или сеткой и катодом. Пример кварцевых генераторов показан на слайде 35.

При рассмотрении схем кварцевых генераторов обратить внимание на следующие особенности:

- использование последовательного анодного питания (достоин­ство - простота, нет разделительного дросселя и конденсатора; эксплуатационный недо­статок - колебательный контур находится под высо­ким напряжением источника питания);

- в качестве реактивных элементов используются колебательные контуры и междуэлектродные емкости лампы.

Относительная нестабильность (Δf/f₀) частоты для кварцевых генераторов имеет порядок 10^-5...10^-6.

Для преподавателя. Рассмотрение схем использовать для проверки усвоения принципа построения трехточечных автогенераторов и свойств кварца. Путем постановки контрольных вопросов установить, что схемы (рис. 5.9, а, слайд) соответствует индуктивной трехточке, а схема (рис. 5.9, б) емкостной.

В Ы В О Д Ы

1. Для самовозбуждения автогенераторов необходимо выполнение баланса фаз и амплитуд.

2. В практике наиболее широко используются трехточечные автоге­нераторы (индуктивные и емкостные).

3. Для обеспечения высокой стабильности частоты используют кварцевые генераторы.

4. В РЛС автогенераторы используются в качестве гетеродинов приемников, возбудителей и генераторов СВЧ и передатчиков.

Второй учебный вопрос.