بخشی از مقاله
چکیده
یکی از عوامل جهت حذف کالتر در خروجی گیرنده رادار و افزایش ضریب بهبود 1MTIدر رادار ردگیر کاهش ریپل تغذیه کاتد است. راه حل قرار دادن یک مدار پس رگوالتور 2، سری با تغذیه کاتد المپ تقویت کننده است.در این مقاله مدار پس رگوالتور برای کاهش ریپل درون پالسی تغذیه کاتد یک فرستنده المپی توان باال برای رسیدن به ضریب بهبود 50 دسی بل طراحی، شبیه سازی، ساخته و نتایج تست ارائه گردیده است. ویژگی کار حاضر رسیدن به افت درون پالس کمتر از 0.05 درصد در تغذیه کاتد المپ کالیسترون توان باال با دامنه ولتاژ حدود20 کیلوولت و جریان پالسی20 آمپر با زمان وظیفه 7 درصد است تا محدودیت ضریب بهبود MTI به واسطه ی ریپل تغذیه کاتد 50 دسیبل شود. طراحی مدار با فن آوری نیمه هادی است که در نوع خود نوآوری می باشد.
کلمات کلیدی– پس رگوالتور، فرستنده، تغذیه کاتد، افت درون پالسی بسیار کم
-1 مقدمه
در فرستنده های رادارهای پسیو یک المپ وظیفه تقویت سیگنال مایکروویو فرکانس باال را برعهده دارد. در رادارهای MTI مهمترین مشخصه، افزایش نسبت سیگنال به کالتر در خروجی گیرنده است.در رادارهای MTI فاز سیگنال RF ارسالی مبنای مقایسه فاز دریافتی در گیرنده است تا بتوان با مقایسه آنها و استفاده از فیلترهای MTI کالتر را حذف یا بسیار تضعیف کرد. در نتیجه نیاز به استفاده از تقویت کننده نیمه هادی یا المپهای تقویت کننده کالیسترون یا 3TWT برای همدوسی بین فرستنده و گیرنده است. مهمترین اثر نامطلوب یک المپ میزان تغییر شیفت فاز در خروجی المپ نسبت به ورودی آن است که باعث عبور کالتر از فیلترهای MTI و کاهش نسبت سیگنال به کالتر در خروجی گیرنده رادار خواهد شد.
در جهت کاهش تغییرات فاز المپ باید منبع تغذیه کاتد ریپل پالس به پالس و درون پالسی کمی داشته باشد. میزان این ریپل متناسب با میزان ضریب بهبود MTI تعیین می شود این فاکتور با حرف I نمایش داده می شود و توسط طراح رادار مشخص و به عنوان پارامتر ورودی برای طراحی تغذیه کاتد و گرید المپ داده خواهد شد. منبع تغذیه کاتد در فرکانسها و عرض پالسهای مختلف رادار - با حفظ دوره کار 7 درصد - طبق محاسباتی که در ادامه ذکر می گردند باید حداکثر افت درون پالس کمتر از 0.05 درصد داشته باشد.برای ساخت منبع تغذیه کاتد مقاالت زیادی وجود دارد و راه حلهای زیاد پیشنهاد شده است ولی حفظ افت درون پالسی تغذیه کاتد به میزان 0.05 درصد در المپ کالیسترون با ولتاژ کاتد 20 کیلوولت و جریان پالس 20 آمپر چالشی است که در این مقاله به آن پرداخته می شود.
از طرفی حداکثر انرژی قابل تحمل کاتد المپ به خاطر جرقه داخلی احتمالی باید کمتر از 10 ژول باشد که باعث می شود نتوانیم ریپل را با افزایش بسیار زیاد ظرفیت خازن در خروجی تغذیه کاتد جبران نمود.رگوالسیون خطی روشی است که در مقاالت برای ولتاژها و جریان های پایین برای مدارات پس رگوالتور پیشنهاد می شود که به علت تلفات ذاتی زیاد ی که روی سوییچ قرار می گیرد برای توان های پایین پیشنهاد می شود ]1[و .]2[ در توانهای باال یک منبع تغذیه با سرعت جبرانسازی باال استفاده می شود]3[و ]4[ و ]5[ که ریپل درون پالس تا 0.1 درصد دارند. در رادارهای ردگیر با عرض پالس باال معموال یک المپ خالء از جنس تترود یا تریود نقش سوییچ در ناحیه تریودی را بازی می کند.
بهطور مثال در تغذیه کاتد المپ TWT رادار هواپیمای F14 یک المپ تترود سری با تغذیه کاتد وظیفه پس رگوالتور را بر عهده دارد که چالش خنک کاری و تهیه المپ و عمر نسبی کم آن نکاتی است که نیروی بهره بردار با آن روبروست.]6[ طرح ارائه شده کامال نیمه هادی بوده و فقط مطلوب بارهای با جریان ثابت نیست.در فصل دوم با توجه به ضریب بهبود MTI مقدار درصد ریپل درون پالسی تغذیه کاتد المپ مشخص می شود و در فصل سوم با پیشنهاد یک مدار پس رگوالتور سری با تغذیه کاتد المپ ریپل درون پالسی کاتد جبرانسازی می شود.و در پایان نتایج ساخت آورده شده است.
-2 مشخص کردن پارامترهای تغذیه کاتد بر اساس ورودی سیستمی
ورودی سیستمی طرح یک رادار برد بلند با ضریب بهبود 50MTI دسی بل و توان باالی 50 کیلووات با زمان وظیفه 7 درصد و عرض پالس 200 مایکرو ثانیه می باشد. با جستجو بر روی المپهای محدود در نهایت یک المپ کالیسترون با ولتاژ کاتد 20 کیلو ولت و جریان 20 آمپر با مشخصات طرح سازگار بود و معیار طراحی مدار پس رگوالتور شد.
-1-2 محاسبه ریپل درون پالسي
یکي از مهمترین عوامل مؤثر بر کارایي رادارMTI افت درون پالسي ولتاژ کاتد است. افت ولتاژ در مدت زمان عرض پالس باعث ميشود تا فاز RF خروجي المپ نسبت به ورودي متفاوت باشد. ضریب بهبود MTI مقدار مجاز این شیفت فاز را مشخص ميکند. دستیابي به حداقل شیفت فاز مناسب تابعي از مشخصات ولتاژ کاتد، ولتاژ گرید و ویژگيهاي المپ مایکروویو است.
رابطه شیفت فاز و ضریب بهبود عبارتست از:]7[طول الکتریکي المپ کالیسترون - فاصله بین موجبر ورودي تا موجبر خروجي - حدود 6 سانتي متر است. با توجه به طول موج حدود 3 سانتيمتري در باندX، طول المپ حدود 2 طول موج ميشود. از طرفي هر طول موج معادل 2 رادیان است. بنابر این:
یعني افت ولتاژ کاتد در مدت زمان وجود پالس نباید بیشتر از حدود 10 ولت باشد. البته باید توجه داشت که دستیابي به چنین کیفیت ولتاژي در کاتد کار پیچیده و دشواري است؛ که به راحتي قابل دستیابي نیست. روش مرسوم در این موارد استفاده از مدار پس رگوالتور است. پس رگوالتور نوعی رگوالتور خطی سریع جهت کاهش افت درون پالس المپ است. این رگوالتورها به خاطر تلفات باال عمدتا با استفاده از المپهاي تترود و یا تریود پیاده سازي ميشوند. نوع نیمه هادي آنها نیز درحال توسعهاند. از طرفي استفاده از منابع تغذیه فرکانس باال و با قدرت جبرانسازي باال یکي از روشهاي درحال توسعه است.
با توجه به اینکه امکان پیاده سازی مقدار ریپل درون پالسی کمتر از 0.05 درصد با منابع تغذیه سوئیچینگ ولتاژ مستقیم4 به علت داشتن سلف نشتی و خازن پارازیتی ترانس تغذیه دشوار است تنها روش استفاده از یک منبع تغذیه سوئیچینگ ولتاژ باال برای تامین توان متوسط با سرعت جبرانسازی پایین است که وظیفه تامین توان متوسط المپ و جبرانسازی ریپل پالس به پالس را دارد و سری با آن یک مدار پس رگوالتور است که انتهای به زمین وصل شده است. مدار پس رگوالتور بین خازن لینک اولیه - خازنهای منبع تغذیه 20 کیلو ولت - و خازن لینک ثانویه - خازن بعد از مدار پس رگوالتور - قرار دارد. هدف پس رگوالتور ثابت نگه داشتن ولتاژ خازن لینک ثانویه با پیش خور کردن جریان است که در ادامه شبیه سازی و پیاده سازی آن آورده شده است.
-3 طراحی و شبیه سازی مدار پس رگوالتور مهمترین بخش مدوالتور، تغذیه کاتد آن است.
منبع تغذیه کاتد از دو بخش اصلی زیر تشکیل شده است:
• بخش مربوط به توان پایه مدوالتور
•بخش مربوط به جبران سازی ریپل درون پالس - رگوالتور خطی سریع -
بهمنظور جبران سریع افت پالس از یک رگوالتور خطی سریع استفاده شده است. مبنای این رگوالتور، چند ماسفت موازی قدرت است که در ناحیه تریودی کنترل میشوند. در این ناحیه رابطه ولتاژ و جریان ماسفت شبیه یک مقاومت متغیر عمل می کند. در واقع در این ناحیه با افزایش جریان گیت اهم درین سورس ماسفت کاهش می یابد.حلقه کنترل این رگوالتور، بر مبنای پیشخور کردن جریان بار است. که در شکل - 1 - نمایش داده شده است.در ساختار طراحی شده، از پیشخور کردن جریان بار برای تسریع در فرآیند جبران افت پالس استفاده شده است. در لحظه شروع پالس و جریان کشیدن المپ، ضریبی از جریان بار به خروجی کنترل کننده ولتاژ تزریق میشود.در حلقههای کنترلی، این امر برای افزایش سرعت دینامیکی انجام میشود.
بدین ترتیب، بهمحض جاری شدن جریان بار، ولتاژ خازن با یک شیبی افت می کند،در این حالت یا تاخیر بسیار پایین مدار پیشخور به خاطر تزریق جریان به گیت ماسفتها که در ناحیه خطی قرار گرفته اند و کاهش اهم درین سورس آنها شروع به تزریق جریان به خازن لینک ثانویه می کند. در نتیجه این فرآیند، ولتاژ پالس ثابت میماند.البته چنین فرآیندی ممکن است به خطای ماندگار منجر شود. زیرا بازخوردی از ولتاژ بار در مقدار جریان تزریقی ماسفتها وجود ندارد. به همین دلیل نیاز است تا یک حلقه ولتاژ خارجی تصحیح ولتاژ خروجی را بر عهده بگیرد.
•فیدبک ولتاژ
•قرائت کننده جریان بار
-1-3 تولید کننده ولتاژ گیت ماسفت5 در ناحیه تریودی
برای اینکه ماسفت در ناحیه تریودی قرار بگیرد و همانند یک منبع جریان متغیر رفتار کند الزم است تا یک مدار راه انداز برای آن طراحی شود. مدار راه انداز از یک تقویت کننده تفاضلی6 تشکیل شده است. خروجی تقویت کننده تفاضلی به گیت ماسفت وصل میشود و با توجه به اختالف ولتاژ پایانههای آن جریان گیت ماسفت و جریان بار تعیین میگردد. تقویت کننده تفاضلی استفاده شده باید دارای سرعت زیاد و جریان دهی خوبی باشد به همین دلیل در شبیهسازیها از قطعه LM7171 استفاده شده است.مدار طراحی شده در شکل - - 2 نمایش داده شده است. برای درایو ماسفت در ناحیه تریودی از LM7171 استفاده شده است. جریان بار توسط یک مقاومت 0.4 اهمی قرائت شده و به پایه ی منفی آپ امپ متصل میشود. ولتاژ پایه ی مثبت از جمع کننده خروجی کنترل کننده ولتاژ و جریان بار - کاتد المپ - تأمین میشود.
