Máy phát của một trạm radar tàu biển bao gồm các phần tử cơ bản như trong hình vẽ 1.10
Hình 1.10.Sơ đồ khối của máy phát radar.
Mạch tạo sóng siêu cao là một bộ tạo dao động siêu cao, công suất tự kích. Trong dải sóng centimet và milimet người ta dùng một đèn điện tử chân không hai cực đặc biệt gọi là manhetron làm bộ dao động siêu cao. Dao động của bộ dao động dùng manhetron được điều khiển bằng cách khống chế điện áp của đèn. Manhetron chỉ tạo ra các dao động siêu cao khi anode được cấp áp, các dao động này chấm dứt khi điện áp anode không còn nữa.
Điều chế xung Tạo sóng siêu cao Nguồn nuôi Đi anten
Như vậy, mạch cấp áp anode cho manhetron có thể coi như một mạch điều chế biên độ và các xung điều chế chính là các xung điện áp cấp cho anode đèn. Đương nhiên, bộ điều chế xung được khống chế bởi các xung vuông có độ rộng và tần số lặp lại tương ứng với các thang đo khác nhau của trạm radar cho trước.
Các xung khống chế này được gọi là các xung đồng bộ vì chúng thường được tạo ra từ một bộ tạo xung chuẩn và dùng để khống chế hoạt động của nhiều mạch khác nhau trong trạm radar. Nguồn cung cấp cho máy phát radar bao gồm nguồn cao áp của mạch điều chế và nguồn điện áp nung nóng cho sợi đốt của đèn manhetron.
1.5. TỔNG QUÁT VỀ ĐÈN MANHETRON 1.5.1. Cấu trúc của đèn manhetron đồng bộ
Manhetron đồng bộ là một đèn điện tử hai cực chân không đặc biệt, đóng vai trò quan trọng trong mạch tạo dao động siêu cao công suất xung lớn được điều khiển bởi một trường điện từ. Sơ đồ cấu trúc của đèn được mô tả như hình 1.11a., và 1.11b, theo mặt cắt dọc B-B và ngang A-A .
Hình 1.11a Cấu trúc của đèn manhetron
Khối anode (1) là một khối trụ bằng đồng thau chắc chắn có khoét một số chẵn các hộp cộng hưởng (2), ở giữa tâm của lõi rỗng khối anode là khối trụ katode đồng trục (5) có bán kính phù hợp để có thể phát xạ đủ lượng dòng điện tử khi bị nung nóng.
Các hốc cộng hưởng liên hợp với nhau bởi các khe thông với không gian tác động. Katode được định vị ở giữa không gian tác động bởi giá đỡ (6) đồng thời cũng là các đường dẫn dòng sợi đốt được cách điện với khối anode bởi vật liệu bọc thuỷ tinh, các đường dẫn này là các ống xoắn ruột gà có tác dụng như các cuộn chặn cao tần để khỏi tổn hao công suất cao tần trên nguồn sợi đốt.
Ở hai đầu katode có các đĩa đỡ ngăn các điện tử ở vùng tác dụng gây ảnh hưởng đến từ tính của các khối nam châm ép hai mặt của các cực A-K. Từ phía khối anode có các dây dẫn nối nối các phần của anode với nhau.
Hình 1.11b Cấu trúc của đèn manhetron
9 - đáy đèn
10- vỏ bọc thủy tinh kín chân không cho mạch ghép cửa ra 11- vùng tương tác 12- đáy katode 13- vòng khuyên cân bằng 14- mấu chỉnh dung kháng 1- khối anode . 2 - các hốc cộng hưởng 3 - móc ghép cửa ra 4 - đường đồng trục 5 - katode
15- màng đàn hồi kín chân không , 16- cơ cấu điều chỉnh dung kháng .
Để làm mát manhetron ở mặt ngoài của đèn có các cánh toả nhiệt được thổi nguội bằng quạt gió. Để dễ toả nhiệt, an toàn thao tác, dễ dẫn năng lượng cao tần ra khối đèn anode được nối với đất, và điện áp nguồn nuôi được đưa vào katode với cực tính âm. Trường từ tính được tạo ra do hai khối nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ các hợp kim nóng chảy đặc biệt và ép sát vào hai mặt đáy của katode và anode.
Manhetron được ghép nối với tải ngoài bằng một móc câu bằng đồng. Việc dẫn công suất dao động trong phụ thuộc tần số và loại đường truyền. Trong các đèn đặc trưng ở dải sóng dm người ta dùng một móc câu đặt trong hoặc trên một hốc cộng hưởng nào đó của anode và dẫn ra bằng một đoạn ống đồng trục như trên hình 2.2.
Các hốc cộng hưởng được khoét liên tiếp trên thành của khối anode hình trụ rỗng, hình thành một dây trễ khép kín, mỗi một hốc là 1/4 bước sóng có trở kháng sóng thay đổi theo độ dài bước sóng dao động trong đèn. Vì vậy độ dài bước sóng cộng hưởng trong hốc thường lớn hơn độ dài vật lý thực của mỗi hốc.
Độ dài bước sóng cộng hưởng còn được tăng lên nhờ các vòng xuyến cân bằng. Các hốc cộng hưởng của đèn được ghép với nhau nhờ dung kháng hình thành bởi khe hở nối khoảng không gian trong các hốc với không gian tương tác A-K và từ trường ghép giữa các hốc. Các mối ghép từ này được minh họa qua hình 1.12 a và sơ đồ điện tương đương của chúng trên hình 1.12 b
Hình 1.12. a) Ghép từ tính giữa các hốc cộng hưởng kề cạnh nhau b) Sơ đồ mạch điện tương đương của chúng
Cấu trúc cửa ra của manhetron có thể là biến áp đồng trục hoặc dạng biến áp khe một phần tư bước sóng, phối hợp trở kháng lối ra của đèn với đường truyền.
Trong cả hai cấu trúc trên nhất thiết phải dùng một vật liệu điện môi lấp kín đường thông giữa hốc và đường truyền để đảm bảo độ chân không cần thiết trong đèn. Khối trụ katode đồng trục với anode rỗng của đèn được đặt giữa tâm đèn và được giữ vững nhờ các giá đỡ đồng thời là các dây dẫn điện áp sợi đốt cho katode. Đây là các giá đỡ cao áp do điện áp Uak hàng chục KV và cũng là một dây dẫn điện áp cao cho đèn (từ bộ điều chế xung).
1.5.2. Nguyên lý hoạt động
Khi anode của manhetron được cấp áp, dao động siêu cao tần hình thành do sự xáo trộn điện tích trong các hốc cộng hưởng. Các dao động này có xu thế tắt dần giống trong khung dao động LC bình thường. Vì thế, để duy trì dao động đó cần một cơ chế bù năng lượng nào đó cho các dao động đang tắt dần trong các hốc cộng hưởng, giống như trong các mạch dao động hình sin dùng mạch khuếch đại có phản hồi dương.
Cơ chế bù năng lượng cho các dao động siêu cao tần trong các hốc cộng hưởng trên anode của đèn thực hiện thông qua đám mây điện tử phát xạ từ katode. Đám mây điện tử này chỉ trao năng lượng cho dao động trong hốc khi nó bay tới khe của hốc và gặp pha âm của trường điện từ dao động trong hốc, Đây chính là điều kiện pha của các mạch dao động nói chung. Điều kiện biên độ trong mạch tạo dao động bằng đèn manhetron có thể hiểu chính là động năng có được của chùm tia điện tử và vận tốc bay của đám mây điện tử (mv2/2). Để giải thích sự hình thành dao động trong đèn manhetron trên, chúng ta phân tích sự hình thành và chuyển động của đám mây điện tử trong không gian tương tác của đèn
Hình 1.13. Cấu trúc đường dẫn năng lượng ra của manhetron: kiểu đồng trục(a), kiểu khe (b).
Dao động cao tần trong manhetron được thực hiện thông qua dòng điện tử được điều khiển bởi hai trường là điện và từ tính.
Các điện tử phát xạ từ katode rơi vào khoảng không gian tác động A-K dưới tác dụng của trường điện từ chuyển động theo quỹ đạo các đường elip xoắn. Dưới tác dụng của trường động sinh ra trong hốc cộng hưởng, đám mây điện tử tạo thành một hình sao biển quay tròn quanh katode với vận tốc phụ thuộc vào độ biến thiên của trường điện từ động trong hốc, số cánh bằng nửa số hốc cộng hưởng trên anode của đèn
Để đám mây điện tử liên tiếp gặp pha âm của các dao động điện từ trong các hốc khi quay quanh katode, vận tốc góc của “sao biển “ phải đồng bộ với tốc độ biến đổi pha của các dao động điện từ trong các hốc kế tiếp.
Do các điện tử ngoài thành phần vận tốc hướng tâm còn có thành phần tiếp tuyến nên trên thành của anode và thành các hốc cộng hưởng xuất hiện các điện tích biến đổi kích thích dao động điện từ trong thành hốc. Tần số của các dao động này do kích thước của các hốc quyết định.
Hình 1.14. Chuyển động của điện tử tro ng đèn manhetron: quỹ đạo chuyển động (a), đám mây điện tử (b).
Do hiệu ứng lân cận trường điện từ trong các hốc cộng hưởng lan sang vùng tác động có thể tăng tốc hoặc kìm hãm vận tốc chuyển động của điện tử. Khi gặp trường hãm điện tử sẽ trao động năng (m.v2)/2 của mình cho trường còn khi gặp trường gia tốc chúng sẽ lấy năng lượng của trường.
Nếu năng lượng trao cho trường lớn hơn năng lượng lấy của trường, điều kiện cân bằng biên độ thoả mãn dao động trong hốc cộng hưởng được duy trì.
Do hệ thống dao động trong đèn mang tính chất khép kín, các hốc cộng hưởng liên tiếp được khoét trên thành anode hình thành một đường dây khép kín như hình vẽ 1.15
Hinh 1.15. Sơ đồ tương đương của đền manhetron
Do hệ thống dao động mang tính chất khép kín, sự lệch pha giữa các hốc φn thoả mãn điều kiện:
Nφn = 2Пn (1.25) n=1,2,3,4, Từ đó: φn =2Пn/N (1.26)
Mỗi giá trị lệch pha φn tương ứng với một tần số xác định của hệ thống, có thể tính được từ biểu thức: 0 k n (1 2 os )[1+ ] 2c.(1-cos ) c n M c L = − ω ω ϕ ϕ (1.27)
Trong đó: 0
1
LC
=
ω .
Vì thế vào hệ thống đối xứng lí tưởng có N hốc ta có được N/2 tần số cộng hưởng. Trong thực tế người ta sử dụng các dao động có sự lệch pha φn =П, tương ứng với n =N/2 và các dao động ở các hốc tiếp theo là đảo pha nhau và dạng dao động này có tính trội hơn các dạng dao động khác và cho phép mạch dao động dùng đèn manhetron có công suất cao hơn.
Trong các hệ thống dao động đối xứng, đảo pha các hốc cộng hưởng kề cận có các khoảng tần số rất nhỏ, số lượng các hốc càng tăng thì khoảng tần số này càng giảm do đó manhetron hoạt động rất không ổn định. Nếu có một sự thay đổi ngẫu nhiên chế độ làm việc của đèn có thể thấy được sự nhảy cóc của các dao động dạng đảo pha này sang dạng đảo pha khác, và như vậy tần số dao động sẽ thay đổi và công suất hiệu dụng của manhetron sẽ suy giảm.
Chương II
CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ XUNG TRONG RADAR
2.1. DẠNG XUNG ĐIỀU CHẾ VÀ YÊU CẦU 2.1.1. Chế độ công tác xung của đèn manhetron
Manhetron đồng bộ thường hay được sử dụng nhất trong các mạch tạo dao động siêu cao bị điều chế xung, công suất lớn và ở tầng cuối của các máy phát radar. Xung điều chế có biên độ đủ lớn thường được tạo ra trong các mạch điều chế xung dùng đường dây dài nhân tạo. Xung điện áp cấp cho đèn thường có dạng như trong hình 2.1a.
Lúc đầu xung dòng chưa hề xuất hiện, chỉ khi điện áp anode của đèn vượt ngưỡng Ua=U0, bắt đầu xuất hiện dao động trong đèn đồng thời xung dòng anode cũng xuất hiện. Điều này đảm bảo chế độ công tác ổn định của manhetron ở dạng π.
) b t a U t a I t a U a) t a U t a I ) c t a U t a I ) d
Hình 2.1. Dạng xung điện áp trên tải tuyến tính (a) và các xung dòng,
Tuy nhiên, nếu sườn trước của xung điện áp cấp cho anode không đủ dốc, hoặc katode của đèn không phát xạ đủ lượng điện tích cần thiết và trở kháng cửa ra của mạch điều chế đủ lớn, khi đó xung điện áp có thể vượt qua ngưỡng tương ứng với dạng π và rơi
vào vùng dao động dạng N/ 2 1− , hoặc thậm chí rơi vào vùng xuất hiện dòng tĩnh anode. Hiện tượng này có thể gây nên hoặc mất dao động hoàn toàn hoặc chuyển sang dạng dao động khác có chu kỳ ngắn hơn ở sườn trước của xung hoặc liên tiếp chuyển dạng dao động.
Chỉ số bất ổn định loại này có thể thấy rõ qua hình dạng xung dòng và xung áp quan sát được trên màn hiện sóng. Hình 2.1 mô tả các xung dòng và xung áp liên quan đến trạng thái công tác không ổn định của manhetron. Hình 2.1b mô tả trường hợp bắt đầu dao động dạng π, sau đó nhẩy qua dao động dạng N/ 2 1− . Hình 2.1c mô tả sự hình thành các dao động dạng không mong muốn ở đầu và cuối chu kỳ. Các dạng bất ổn định khác có thể là ở thời đoạn này hình thành dao động dạng này, ở thời đoạn khác xuất hiện các dao động dạng khác. Dạng bất ổn loại này, có thể được quan sát trên màn hiện sóng như trên hình 2.1d, chúng thường xảy ra khi điều kiện cấp nguồn thay đổi.
Sự bất ổn trong chế độ công tác của đèn manhetron không chỉ biểu hiện trong sự sụt giảm công suất, hiệu suất, mà ngay cả độ rộng và dạng của phổ của dao động được sinh ra.
2.1.2. Dạng xung điều chế
Mạch điều chế xung trong máy phát radar có nhiệm vụ cung cấp các xung điện áp hình vuông cho anode đèn. Vì đèn chỉ tạo dao động khi anode được cấp áp, nên các dao động siêu cao hình thành là những chùm dao động được bao bọc bởi các xung điều khiển, có dạng biến điệu biên độ. Còn mạch tạo ra các xung điều khiển trên gọi là mạch điều chế xung. Dạng thực tế của các xung , bằng các xung điều chế có dạng thực tế như hình 2.2.
Trong mạch điều chế xung, các xung điện áp có biên độ lớn, có độ rộng xác định được hình thành. Các xung này được đưa tới cấp áp cho trường AK của đèn manhetron và ở cửa ra của nó có các chùm sóng cao tần biên điệu biên độ theo hình dạng và tần số của xung.
Để bảo đảm chế độ làm việc bình thường của manhetron và loại bỏ các dao động không mong muốn, độ dài của sườn xung được giữ trong giới hạn tf = (0,1- 0,2)τ
x, trong đó τx là độ rộng của xung. Độ dài của sườn xung sau có thể lớn hơn một chút. Người ta chọn nó trong giới hạn tc = (0,2-0,3)τx. Yêu cầu đặc biệt cao đối với xung điều chế là độ bằng phẳng đỉnh xung. Độ sụt đỉnh tương đối.
max 1 2% u U γ = ∆ < ÷ (2.1) Hình 2.2. Dạng xung điều chế
Cực tính của xung điều chế đối với dao động siêu cao dùng đèn manhetron phải âm so với đất (vỏ máy) vì anot của đèn manhetron được nối với vỏ máy.
Để tạo ra các xung điện áp có độ rộng và biên độ xác định, phù hợp với các thang đo (tầm xa) của trạm radar, có hai loại mạch:
+ Dựa trên nguyên lý tích thoát năng lượng của các phần tủ tích năng.
+ Các mạch khuếch đại xung dùng các phần tử khóa mềm như các transistor trường MOSFET .
Nguyên lí hoạt động của mạch điều chế xung dựa trên cơ sở tích năng lượng từ từ vào một phần tử đặc biệt trong khoảng thời gian giữa hai xung, sau đó phóng thật nhanh qua tải, đó chính là bộ dao động dùng đèn manhetron, thời gian phóng chính bằng độ rộng của xung điều chế. Sơ đồ khối của mạch điếu chế xung được mô tả trên hình 2.3.
Hình 2.3. Sơ đồ khối mạch điều chế xung.
Bộ điều chế bao gồm: Nguồn điện áp cao, phần tử hạn chế dòng nạp, phần tử tích năng lượng (NL), khoá K, phần tử Sun, và tải là bộ tạo sóng dùng đèn manhetron. Khi khoá K hở mạch, phần tử tích năng lượng được nạp qua phần tử phần tử hạn chế và phần tử Sun. Khi khoá K đóng mạch, phần tử tích năng lượng phóng điện lúc đầu qua khoá K, phần tử Sun, sau đó khi đèn manhetron dẫn thì dòng phóng qua manhetron, khoá K và về cực dương của phần tử tích. Kết quả trong quá trình phóng