Расчет лампового автогенератора дециметрового диапазона волн
Расчет
лампового автогенератора
дециметрового диапазона
волн
Минск 2011
Задание на
курсовую работу
Рассчитать конструкцию колебательной системы автогенератора с общей
сеткой, собранного на лампе ГИ12Б и работающего в непрерывном режиме на длине
волны 
=90 см.
В качестве элементов колебательной системы используются отрезки
коаксиальных линий.
Известны величины 
=0.22 Вт, 
=1.5, 
=1.87, и тип фидера РК-6.
Содержание
1. Методика выбора лампы
.1 Расчет генерируемой мощности, которую должна обеспечивать
лампа
.2 Расчет допустимой мощности, рассеиваемой анодом
.3 Проверка требований по длине волны
.4 Выбор лампы
2. Методика электрического расчета анодной цепи
2.1 Проверка возможности расчета по методу Берга
.2 Расчет амплитуды напряжения на контуре
.3 Расчет амплитуды первой гармоники анодного тока
.4 Расчет эквивалентного сопротивления контура
.5 Проверка обеспечения заданного значения КПД КС
.6 Расчет амплитуды импульсов анодного тока
.7 Расчет постоянной составляющей анодного тока
.8 Расчет мощности, подводимой от источника анодного
напряжения
.9 Расчет мощности рассеяния на аноде
.10 Расчет КПД АГ
.11 Расчет амплитуды напряжения возбуждения
.12 Расчет коэффициента обратной связи
.13 Расчет минимального коэффициента обратной связи
. Методика электрического расчета цепей сеток
.1 Расчет напряжение смещения
.2 Расчет угла отсечки сеточного тока
.3 Расчет амплитуды импульса сеточного тока
.4 Расчет амплитуды первой гармоники сеточного тока
.5 Расчет постоянной составляющей сеточного тока
.6 Расчет суммарной мощности, подводимой к цепи сетки
.7 Расчет мощности, теряемой в источнике смещения
.8 Расчет мощности рассеяния на управляющей сетке
.9 Расчет сопротивления автосмещения (за счет катодного тока)
. Методика электрического и конструктивного расчета КС
.1 Определение поперечных размеров КС
.2 Расчет продольных размеров КС
.2.1 Проверка необходимости использования дополнительной
емкости связи
.2.2 Расчет длин линий
.2.3 Расчет конструктивных размеров коаксиальных труб
Заключение
Список использованных источников
лампа автогенератор электрический анодный
1. Методика выбора лампы
.1 Расчет генерируемой мощности,
которую должна обеспечивать лампа
Мощность 
, которую должна обеспечить лампа, рассчитывается на
основании знания требуемой величины ВЧ мощности в антенне с учетом потерь в фидере, в КС и в
цепи сетки следующим образом (проиллюстрировано на рис. 1):
, (1)
где 
- коэффициент полезного действия (КПД) фидера;
- КПД КС;
- суммарная мощность потерь в сеточной цепи.
Рис.1
При этом КПД фидера может быть определен как
,
где 
- коэффициент затухания фидера в неперах на метр длины на
рабочей частоте; 
- модуль коэффициента отражения; 
- коэффициент стоячей волны в
фидере; 
- длина фидера.
Для упрощения расчетов при 
и 
можно использовать следующую
приближенную формулу:
.
Пусть необходимо рассчитать мощность, которую должна обеспечивать лампа,
работающая на длине волны 
, при 
. Фидером, соединяющим АГ с нагрузкой, является РК-6 с 
длиной 
. Определяем
. Для определения значения
коэффициента затухания фидера в неперах на метр длины. Выбрав соответствующую строку для РК-6, определяем ближайшие
к требуемой (
) значения частоты (
и 
) и соответствующие значения
коэффициента затухания фидера (
и 
). Затем, используя линейно-кусочную аппроксимацию, как
показано на рис. 2, определяем величину 
. С
учетом того, что 
, получаем 
. Поэтому модуль коэффициента отражения 
. Определяем,
что 
, 
, а значит можно использовать
выражение для вычисления приближенного значения 
(использовав выражение для точного
определения , можно получить 
, а значит убедиться в возможности
использования приближенного равенства).
Рис. 2
Величина КПД КС 
для большинства конструкций КС составляет 
(в рассматриваемом случае выбираем 
).
Суммарная мощность потерь в сеточной цепи 
обычно не превышает 5-10% 
(принимаем 
). Следовательно, в данном случае с
учетом (1) получаем
.
1.2 Расчет
допустимой мощности, рассеиваемой анодом
Ориентировочную оценку мощности, выделяемой на аноде в виде тепла,
производят с использованием следующего выражения:
,
где 
- КПД АГ по анодной цепи.
Для полученных результатов расчета 
определяем величину мощности,
выделяемой на аноде. Значение КПД АГ по анодной цепи обычно составляет 
. Выбираем 
, значит
.
1.3 Проверка
требований по длине волны
Что касается требований по длине волны, то должно выполняться неравенство
.
1.4 Выбор
лампы
Выбор лампы осуществляется с использованием характеристик, с целью
определения типа лампы, которая бы удовлетворяла предъявленным требованиям по:
– генерируемой мощности;
– допустимой мощности, рассеиваемой анодом и т.д.
Отмечаем, что заданным требованиям удовлетворяет металлокерамическая
лампа ГИ12Б:
– наименьшая длина волны в непрерывном режиме
;
– генерируемая (выходная) мощность не менее
– 3 Вт>
;
– допустимое значение мощности, выделяемой на аноде в виде тепла
.
2. Методика электрического расчета анодной цепи.
2.1 Проверка
возможности расчета по методу Берга
В результате данной проверки определяется, возможно ли дальнейшие расчеты
режима работы АГ проводить по методу Берга, т.е. без учета инерции электронов.
Это возможно при выполнении следующего условия:
,
где 
- критическая длина волны лампы, т.е. длина волны, при
которой инерция электронов сказывается настолько сильно, что при дальнейшем
уменьшении длины волны мощность и КПД генератора резко падают.
Величина определяется как
,
где 
- расстояние сетка-катод (см. Приложение 5);
- амплитуда напряжения на сетке.
Для ГИ-12Б 
. Следовательно, расчет без учета инерции электронов можно
для ГИ12Б проводить при 
.
Режим работы выбираем критический.
Угол отсечки анодного тока из компромиссных соображений определяем 
, а значит 
.
Для ГИ12Б:
,
,
.
Следовательно
2.2 Расчет
амплитуды напряжения на контуре
Амплитуда напряжения на контуре определяется как 
.
.
2.3 Расчет
амплитуды первой гармоники анодного тока
Амплитуда первой гармоники анодного тока определяется как
.
.
2.3 Расчет
эквивалентного сопротивления контура
Эквивалентное сопротивление контура определяется как
.
.
.5 Проверка
обеспечения заданного значения КПД КС
В нижней части диапазона ДЦВ потребная величина эквивалентного
сопротивления КС 
может оказаться меньше эквивалентного сопротивления
ненагруженного контура 
, а значит оптимальный режим генератора не будет
обеспечиваться. Поэтому при расчете АГ ДЦВ необходимо после определения
требуемой величины сравнить ее с , рассчитав величину требуемого КПД
КС 
, с целью проверки обеспечения
заданного значения КПД КС 
:
.
При этом
,
,
где 
- добротность анодно-сеточного контура;
- круговая частота генерации;
- межэлектродная емкость анод-сетка.
Если 
, то необходимо либо уменьшить 
, что приведет к уменьшению потребной
величины 
и росту , либо задаться меньшим и произвести расчет заново, т.к. при
этом получатся новые значения и 
.
Для рассматриваемого случая 
, 
.
В случае при 
величина требуемого значения КПД КС составляет, 
.
Следовательно, заданное значение обеспечивается на пределе, что
подтверждает предположение о нецелесообразности завышения.
2.6 Расчет
амплитуды импульсов анодного тока
Амплитуда импульсов анодного тока определяется как 
.
.7 Расчет
постоянной составляющей анодного тока
Амплитуда постоянной составляющей анодного тока определяется как 
, где 
- коэффициент Берга для постоянной
составляющей анодного тока. Для угла отсечки (порядок определения величины 
см. выше) 
, значит
.
.8 Расчет
мощности, подводимой от источника анодного напряжения
Мощность, подводимая от источника анодного напряжения определяется как
.
.
.9 Расчет
мощности рассеяния на аноде
Мощность рассеяния на аноде определяется как 
и сравнивается с допустимой 
.
.
.10 Расчет
КПД АГ
Величина КПД АГ определяется как 
, причем полученное значение должно
быть не менее величины , заданной в п. 1.2 (
). В
случае невыполнения неравенства необходимо либо уменьшить , что приведет к уменьшению 
и росту 
, либо задаться меньшим значением и произвести расчет заново.
, 
.
2.11 Расчет
амплитуды напряжения возбуждения
Амплитуда напряжения возбуждения рассчитывается следующим образом:
,
где 
- проницаемость лампы;
-крутизна характеристики.
Для рассматриваемого случая 
, 
, . Следовательно
.
Возвратившись к проверке возможности расчета по методу Берга (см. п.
2.1), удостоверяемся в правомерности использования данного метода, так как 
(при невыполнении данного условия
требуется выбрать другую, более высокочастотную, лампу с меньшим и произвести расчеты заново).
.12 Расчет
коэффициента обратной связи
Величина коэффициента обратной связи рассчитывается как
.
.
.13 Расчет
минимального коэффициента обратной связи
Значение минимального коэффициента обратной связи рассчитывается как
.
Следует при этом отметить, что 
, а значит амплитудное условие
самовозбуждения выполняется и самовозбуждение возможно.
3. Методика
электрического расчета цепей сеток
3.1 Расчет
напряжение смещения
Напряжение смещения рассчитывается как
,
где 
- напряжение сетки отсечки.
Величина определяется с использованием следующего выражения:
,
где 
- известное значение напряжения запирания при некотором
значении анодного напряжения 
.
Для ГИ12Б известно, что проницаемость лампы составляет , 
при 
.
Следовательно, при 
.
В рассматриваемом случае 
().
3.2 Расчет
угла отсечки сеточного тока
Угол отсечки сеточного тока определяется как 
.
. При этом 
, 
.
3.3 Расчет
амплитуды импульса сеточного тока
Амплитуда импульса сеточного тока составляет обычно 
.
Принимаем 
.
3.4 Расчет
амплитуды первой гармоники сеточного тока
Амплитуда первой гармоники сеточного тока рассчитывается как
.
.
.5 Расчет
постоянной составляющей сеточного тока
Постоянная составляющая сеточного тока определяется
.
.
.6 Расчет
суммарной мощности, подводимой к цепи сетки
Суммарная мощность, подводимая к цепи сетки рассчитывается как
.
.
3.7 Расчет
мощности, теряемой в источнике смещения
Мощность, теряемая в источнике смещения составляет 
.
.
.8 Расчет
мощности рассеяния на управляющей сетке
Мощность рассеяния на управляющей сетке равна 
. Результат вычислений сравнивается с
допустимым значением 
.
.
.9 Расчет
сопротивления автосмещения (за счет катодного тока)
Сопротивления автосмещения определяется как
.
4. Методика электрического и конструктивного расчета КС
Методика электрического и конструктивного расчета КС состоит из:
– определения поперечных размеров КС;
– расчет продольных размеров КС.
.1
Определение поперечных размеров КС
При определении поперечных размеров коаксиальных линий необходимо
исходить из следующих соображений:
удобства сочленения их с лампой (учитываются поперечные размеры лампы);
возможности расположения регулируемых элементов (конструктивных элементов
настройки и подстройки, связи с нагрузкой, обратной связи);
обеспечения минимальных потерь и электрической прочности (зависит от
амплитуды колебаний).
Минимальное затухание линии 
получается при соотношении
поперечных размеров 
( - внутренний диаметр наружной трубы, 
- наружный диаметр внутренней
трубы). При этом следует отметить, что при изменении размера данного отношения
в пределах 
затухание возрастает не более чем на 10%, а значит
зависимость затухания от отношения диаметров не критична.
В большинстве случаев поперечные размеры линий определяются поперечными
размерами самой выбранной лампы. Конфигурация КС и обозначения, принятые при
выводе расчетных соотношений, показаны на рис. 22.
Выбор поперечных размеров КС состоит из следующих этапов:
расчет поперечных размеров КС;
проверка электрической прочности линий;
проверка возможности самовозбуждения в КС более сложных типов
электромагнитных волн (ЭМВ).
Рис. 22
Судя по габаритным размерам выбранной лампы ГИ12Б, поперечные размеры
вводов лампы:
;
;
;
пружинные контакты принимаем 
;
диэлектрические вставки с пружинным контактом - 
;
толщина стенок труб 
.
Поперечные размеры анодно-сеточной линии:
внутренний диаметр внешней трубы
;
- внешний диаметр внутренней трубы
.
Поперечные размеры сеточно-катодной линии:
внутренний диаметр внешней трубы
;
- внешний диаметр внутренней трубы
.
В рассчитываемом АГ используется схема с общей сеткой, поэтому амплитуда
колебаний напряжения, действующего на анодно-сеточной линии составляет
;
для сеточно-катодной линии -
.
Напряженность электрического поля
в анодно-сеточной линии:
- в сеточно-катодной линии:
.
В связи с тем, что расчет проводится для генератора, работающего на
фиксированной длине волны 
, принимаем 
.
для анодно-сеточного контура 
,
для сеточно-катодного контура 
.
.2 Расчет
продольных размеров КС
Расчет продольных размеров КС подразделяется на следующие этапы:
проверка необходимости использования дополнительной емкости связи;
расчет длин линий;
расчет конструктивных размеров коаксиальных труб.
4.2.1
Проверка необходимости использования дополнительной емкости связи
Иногда, межэлектродной емкости лампы недостаточно для реализации
требуемого коэффициента обратной связи. Потребное значение емкости связи
определяют из соотношения
.
В случае, если 
, требуется дополнительная емкость связи, рассчитываемая как 
.
В рассчитываемом генераторе
.
В связи с тем, что 
, требуется дополнительная емкость связи 
.
.2.2 Расчет
длин линий
Для однородной линии (по всей ее длине волновое сопротивление 
постоянно):
длина анодно-сеточной линии рассчитывается как
,
где 
- волновое сопротивление анодно-сеточной линии;
длина сеточно-катодной линии составляет
,
где 
- волновое сопротивление сеточно-катодной линии.
Длина анодно-сеточной линии:
волновое сопротивление линии
;
.
Длина сеточно-катодной линии:
волновое сопротивление линии
;
.
.2.3 Расчет
конструктивных размеров коаксиальных труб
Размеры труб должны быть такими, что бы была возможность изменения
значений 
и 
для подстройки параметров
автогенератора, а также была возможность конструктивно закрепить все
коаксиальные трубы в одной плоскости для придания конструкции КС жесткости.
Длины катодной, сеточной и анодной труб рассчитываются с учетом высоты
поршней 
и высоты радиатора 
. Значения же 
и 
определяются из конструктивного
рисунка лампы. Тогда
.
На основании габаритных размеров выбранной лампы определяем 
, 
. Принимаем при этом 
, 
;
;
.
.
Заключение
Современный уровень развития радиопередающих устройств
и требования, предъявляемые к ним, обусловлены усложняющимися задачами, решаемыми
радиотехническими системами, в состав которых те входят. Это определяет высокие
требования к лицам, эксплуатирующим данные устройства в части, касающейся
знаний о принципах и особенностях функционирования как отдельных блоков, так и
аппаратуры в целом, навыков расчета, способности всесторонне анализировать
полученные результаты, делать грамотные выводы и т.д.
В ходе выполнения РГР мы получили возможность:
. Углубить свои знания по темам "Общие принципы генерирования
высокочастотных колебаний. Основы теории генераторов с электростатическим
управлением электронным потоком" и "Автогенераторы с
электростатическим управлением электронным потоком" раздела
"Генерирование высокочастотных колебаний" учебной дисциплины
"Радиопередающие устройства".
. Применяя приведенную выше методику, рассчитать АГ ДЦВ по заданным для
каждого варианта исходным данным, критически оценивая полученные результаты,
анализируя их и делая соответствующие выводы.
. Упрочить навыки и повысить эффективность работы с технической и справочной
литературой.
Полученные в ходе РГР знания и навыки помогут нам лучше освоить
особенности ламповых автогенераторов дециметрового диапазона волн.
Список
использованных источников
1. Гейхман М.З., Ельчанинов А.М., Шаров Д.А.
Радиопередающие устройства РЭС. В 2-х частях. - Минск: МВИЗРУ, 1986.
2. Ельчанинов А.М., Шаров Д.А., Омельчук А.П.
Радиопередающие устройства радиоэлектронной техники. - М.: Воениздат, 1991.
. Павловский А.В., Макаров И.В., Шаров Д.А.
Радиопередающие устройства. В 2-х частях. - Минск: ВА РБ, 2006.
. Галин А.С., Гейхман М.З. Проектирование и расчет
радиолокационной и телеметрической аппаратуры. - Минск: МВИРТУ, 1959.