НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ КОРОТКОВОЛНОВЫХ РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 007.51

Новое поколение коротковолновых радиопередающих устройств большой мощности

Калинин А.Л.

Аннотация. В статье рассмотрены пути создания, варианты построения транзисторных передатчиков коротковолнового диапазона нового поколения мощностью 20 кВт и более. Подробно описаны варианты построения высокочастотного тракта радиопередающего устройства, особенности, которые должны учитываться при эксплуатации, а именно - наличие или отсутствие в составе изделия антенно-согласующих устройств, их влияние на выходные параметры изделия; приведены принципы построения модульных усилителей мощности. Приведена информация о разработанных и серийно изготавливаемых АО «РИМР» транзисторных передающих устройствах коротковолнового диапазона; проведено сравнение серийных радиопередающих устройств мощностью 5 кВт по ряду показателей. Особое внимание уделено вновь разработанному передающему модулю мощностью 20 кВт. Приведены его характеристики, рассмотрены его устройство и принципы работы. Показаны преимущества данного радиопередающего устройства в сравнении с аналогом, выпускаемым другим производителем.

Ключевые слова: коротковолновое радиопередающее устройство, антенно-согласующее устройство, коэффициент бегущей волны, высокочастотный тракт.

Введение

При создании передатчиков мощностью 20 кВт и более коллектив акционерного общества «Российский институт мощного радиостроения» (АО «РИМР») нашел технические решения для обеспечения существующих требований к параметрам разрабатываемых устройств. Найденные решения, реализованные с применением современной элементной базы и программного обеспечения, позволили создать транзисторный передатчик коротковолнового (КВ) диапазона нового поколения.

1 Два варианта построения высокочастотного тракта радиопередающего устройства

При разработке радиопередающих устройств (РПДУ) мощностью 20 кВт применяются два варианта построения мощного высокочастотного (ВЧ) тракта. Первый вариант с использованием одного или нескольких антенно-согласующих устройств (АнСУ) на разных ступенях сложения мощности, второй вариант без применения АнСУ [1].

Вариант с применением АнСУ обеспечивает гарантированный уровень выходной мощности 20 кВт при ухудшении КБВ антенны с 1 вплоть до значения 0,25 (рис. 1). Вариант без АнСУ обеспечивает гарантированный уровень выходной мощности 20 кВт при ухудшении КБВ антенны от 1 до 0,7 при работе с антеннами с КБВ ниже 0,7 уровень выходной мощности может снижаться в 2-3 раза в зависимости от значения коэффициента бегущей волны (КБВ) и особенностей передатчика (его запаса по мощности, что сказывается на его габаритах, энергопотреблении и цене).

Обычно используемые антенны имеют КБВ на уровне 0,5-0,25, поэтому реальная излучаемая мощность с использованием передатчиков без АнСУ находится на уровне 10 кВт, а в некоторых случаях снижается и более.

Дополнительным преимуществом РПДУ с АнСУ по сравнению с РПДУ без АнСУ являются меньшее энергопотребление (больший КПД), меньшие габариты, меньшая себестоимость.

Для обеспечения мощности 20 кВт в передатчике «Водопад 20» были применены 6 мощных радиочастотных ламп, включенных параллельно, и АнСУ со ступенчатой настройкой с помощью переключаемых цепей коррекции. Внедрение ступенчатой настройки с использованием мощных вакуумных реле позволило сократить время настройки с 30 с при механической настройке до 5 с.

Недостатком РПДУ с АнСУ по сравнению с РПДУ без АнСУ является большее время выхода на рабочую частоту (время настройки), невозможность использования РПДУ в режимах работы псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ).

□ □□□

Рис. 1. Передатчик «ВОДОПАД 20». Во втором слева шкафу на переднем плане блок АнСУ

с согласующими длинными линиями, в третьем слева шкафу блок усиления мощности с радиолампами с жидкостным охлаждением

В ходе разработки передатчика, размещаемого на автомобильном шасси, был найден вариант создания модульного усилителя мощности. В качестве модулей усиления использовались четыре независимых усилителя высокой частоты на двух мощных радиолампах мощностью 5 кВт каждый.

ВЧ мощность от них складывалась в устройстве сложения. Все эти устройства удалось скомпоновать в кузове автомобиля. Для обеспечения быстрого переключения по частоте от АнСУ пришлось отказаться, и при низких КБВ антенн мощность снижалась.

1.1 Серийные образцы двух типов РПДУ, изготавливаемые АО «РИМР»

Использование радиочастотных ламп в конструкции передатчиков требовало обеспечения высоковольтного питания до 2500 В, усложняло конструкцию, кроме того, надежность самих устройств и их взаимозаменяемость начали уступать твердотельным устройствам нового поколения.

В рамках повышения надежности и долговечности изделий и замены радиоламп с малым сроком наработки на отказ на транзисторы АО «РИМР» разработало и серийно изготавливает транзисторные передатчики КВ диапазона мощностью 5 кВт с АнСУ и без АнСУ в составе (рис. 2).

а) б)

Рис. 2. Транзисторные передатчики 5 кВт: а) РПДУ без АнСУ, время переключения по частоте 50 мс; б) РПДУ с АнСУ, время переключения по частоте 5с в режиме настройки

При сравнении характеристик серийных РПДУ 5 кВт наиболее предпочтительным для применения в составе передатчика 20 кВт является транзисторный вариант с АнСУ [2] (табл. 1).

Таблица 1 - Сравнение серийных РПДУ 5 кВт

Параметр Ламповый РПДУ 5 кВт без АнСУ Транзисторный РПДУ 5 кВт с АнСУ Транзисторный 5 кВт без Ансу

Мощность излучения при КБВ антенны 0,3 3 кВт 5 кВт 3кВт

Объем 3 0,79 м 3 0,85м 2.2 м3

Количество воздуха для охлаждения 3 2000 м /ч 3 1400 м /ч 3 2000 м /ч

Время наработки на отказ оконечного усилителя мощности 750 ч (2 лампы) 20 До 2400 В >19000 ч (расчетная по статистике эксплуатации транзисторных блоков прототипов) >38 48 В >19000 ч 25 48 В

КПД(Уо) Напряжение питания оконечных элементов усиления (безопасность эксплуатации)

Устойчивость при передаче сигналов с особо высоким пик-фактором высокая средняя высокая

Время настройки на частоту 50мс 5 с с АнСУ предыдущего поколения 150 мс АнСУ нового поколения 50мс

Возможность блочной замены Частичная, при замене ламп требуется дополнительное жестчение Да Да

Возможность экономного режима с отключением части усилителей и экономии электроэнергии нет нет Есть, работа на четверти мощности.

Наличие нескольких поставщиков мощных элементов усиления, их надежность. Единственный поставщик ПАО «Светлана», малые возобновляемые серии. Несколько иностранных поставщиков, большие постоянные серии поставок. Несколько иностранных поставщиков, большие постоянные серии поставок

Исходя из требований по эксплуатации и развития элементной базы, при разработке передатчика 20 кВт могут быть предложены рекомендации:

- использование в качестве оконечных элементов усиления транзисторов;

- модульное построение, упрощающее эксплуатацию, регулировку, ремонт изделия;

- обеспечение режимов работы как на полную мощность на одном из выходов передатчика, так и одновременную работу с пониженной мощностью на нескольких выходах в разных родах работ на разных частотах;

- воздушное охлаждение;

- обеспечение номинальной выходной мощности при КБВ антенны равно 0,3 и более;

- время перестройки по частоте во всем рабочем диапазоне 2,9999 - 29,99999 МГц не более 200 мс;

- электропитание изделия от промышленной сети напряжением 380 В, частотой (50 ±2) Гц;

- потребляемая от сети мощность - не более 80 кВт (КПД 25 %).

2 Новая разработка - передающий модуль 20 кВт

В ходе дальнейшей модернизации парка изготавливаемых передатчиков КВ диапазона АО «РИМР» провело разработку АнСУ нового поколения, в котором решение о выборе согласующих элементов принималось на основе расчета после измерения параметров антенны. Это решение обеспечило время настройки не более 150 мс. Также была проведена модернизация устройства сложения 20 кВт. Проведенные работы позволили создать транзисторный передающий модуль КВ диапазона. Модуль имеет воздушное охлаждение и обеспечивает выходную мощность 20 кВт при КБВ антенны не хуже 0,25, с временем настройки не более 150 мс.

Дополнительно модуль обеспечивает возможность автономной работы каждого из входящих в его состав 4-х 5-киловаттных транзисторных передатчиков, а также их попарное сложение. Габариты модуля сравнимы с габаритами передатчика на автомобильном шасси, что обеспечивает возможность создания мобильного транзисторного передатчика нового поколения. Промышленно изготовленный макет модуля проходит испытания на стенде предприятия. Внешний вид модуля приведен на рис. 3.

Рис. 3. Внешний вид макета передающего модуля КВ диапазона мощностью 20 кВт

При необходимости создания средства связи с обеспечением режимов ППРЧ, можно использовать возможность АнСУ нового поколения обеспечивать согласование с антенной в более широком диапазоне. Дополнительно вместо передатчиков с АнСУ в модуле возможно применение 4-х передатчиков без АнСУ, но это приведет к увеличению габаритов не менее чем в 1,5 раза.

2.1 Назначение передающего модуля 20 кВт

Изделие может использоваться при организации сетей или линий связи в симплексном режиме и дуплексном режиме с приемом информации с помощью отдельного приемника, обеспечивающего прием сигналов в классах излучения, аналогичных классам излучения изделия, а также для передачи цифровой информации в режиме передачи данных.

Изделие может работать в режиме дистанционного управления (ДУ) с автоматизированного рабочего места комплекса или в режиме местного управления (МУ) с лицевой панели блока управления (БУ).

2.2 Характеристики передающего модуля 20 кВт

Изделие обеспечивает работу в диапазоне частот от 3,00000 до 29,99999 МГц с шагом перестройки частоты 10 Гц.

Относительное отклонение рабочей частоты - не более ± 1 • 10-7 в рабочем диапазоне частот в нормальных условиях после 3-х минут прогрева опорного генератора.

Номинальная мощность в режиме излучения в телеграфных режимах работы и номинальная мощность в режиме излучения в телефонных режимах работы на активную нагрузку (75 ± 5) Ом составляет 20 кВт (± 1 дБ), в диапазоне от 20,00000 до 29,99999 МГц допускается снижение мощности до 18 кВт (± 1 дБ).

В изделии реализована возможность установки выходной мощности на уровне 50 % и 25 % от номинального значения при точности установки ± 2 дБ.

При работе на антенный фидер с коэффициентом бегущей волны (КБВ) не ниже 0,25 выходная мощность изменяется по отношению к номинальному значению не более чем на ± 1 дБ.

В случае возникновения рассогласования нагрузки, в том числе в результате обрыва или короткого замыкания в антенном тракте, обеспечивается плавное снижение выходной мощности до значения, гарантирующего безаварийную работу изделия без его выключения. Выходная мощность при этом не нормируется.

Изделие обеспечивает формирование режимов излучения H3E, R3E, J3E, A3E, A1A, F1B, GIB, J7B, J2D.

Неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в полосе однополосного тракта не превышает 3 дБ относительно максимального уровня.

Вход телефонного канала - симметричный с сопротивлением (600 ± 30) Ом.

Номинальное значение напряжения сигнала частотой 1000 Гц на входе телефонного канала, обеспечивающее номинальное значение выходной мощности, составляет 0,775 В (0 дБ).

Номинальный уровень входного телеграфного сигнала составляет от 14 до 25 В -«посылка» и от минус 14 до минус 25 В - «пауза».

Уровень нелинейных комбинационных искажений в классе излучения J3E составляет не более минус 30 дБ при измерении двухтоновым равноамплитудным испытательным сигналом и работе на согласованную нагрузку с номинальной мощностью.

Ослабление гармоник рабочей частоты (выше третьей) составляет не менее 60 дБ; ослабление второй и третьей гармоник - не менее 50 дБ.

Уровень дискретных побочных составляющих в выходном сигнале - не более значений, указанных в табл. 2.

Табл. 2. Уровень дискретных побочных составляющих в выходном сигнале

Отстройка относительно рабочей частоты Норма относительно номинального уровня сигнала, дБ, не более

От 6 кГц до± 25 кГц Минус 70

От ± 25 кГц до ± 0,03/н Минус 75

от ± 0,03/н до ± 0,1/н Минус 90

От ± 0,1/н до плюс 1/ и до минус 0,5/н Минус 110

Примечание: fн - несущая частота

Уровень излучения на рабочей частоте при запирании изделия - не более минус 150 дБ.

Относительный уровень шума в выходном сигнале изделия в диапазоне частот от 1,5 до 6,0 МГц при отстройке от частоты основного излучения на ± 500 кГц не превышает

минус 165 дБ/Гц и в диапазоне от 6,00000 до 29,99999 МГц при отстройке на ± 10 % не превышает минус 165 дБ/Гц.

Уровень фоновых составляющих (отношение фон/сигнал), измеренный в полосе частот отстройки от 50 до 300 Гц относительно несущей, не превышает минус 50 дБ.

Охлаждение изделия принудительное воздушное.

Электропитание изделия осуществляется от трехфазной сети переменного тока

+ 10%

частотой (50,0 ± 5,0) Гц и напряжением 380 В).

Изделие имеет местное управление с лицевой панели БУ со следующими функциями:

- переключение режима управления (ДУ/МУ);

- включение/отключение изделия;

- включение/выключение излучения;

- контроль исправности изделия;

- контроль проходящей мощности и КБВ;

- настройка параметров;

- установка рабочей частоты;

- установка градаций мощности;

- установка класса излучения;

- установка сдвига частоты и скорости телеграфирования;

- установка состояния антенно-согласующего устройства (АнСУ) (включение в тракт/выключение);

- перестройка на фиксированный канал;

- вызов SELCAL (если эта функция активирована на заводе изготовителе).

Время автоматической настройки на любую частоту и антенну (настройка канала) не превышает 150 мс.

Время перестройки изделия на заранее подготовленный канал, включая время перестройки АнСУ, не превышает 100 мс (пауза в излучении высокочастотного (ВЧ) сигнала). Количество заранее программируемых каналов - не менее 1000.

Дистанционное управление изделием осуществляется по одному из возможных интерфейсов: RS-232, интерфейс радиально-последовательный (ИРПС), Ethernet по протоколу информационно-технического сопряжения изделия с аппаратурой дистанционного управления.

2.3 Устройство и работа передающего модуля 20 кВт

Модуль состоит из 4-х транзисторных РПДУ с АнСУ, стойки сложения мощности и стойки управления и питания, в которой располагается главный блок управления (БУ), задающий режимы работы как стойки сложения, так и каждого передатчика 5 кВт.

В зависимости от режима работы ВЧ сигнал может формироваться в блоке управления для дальнейшего усиления в каждом из РПДУ 5 кВт, либо при автономной работе ВЧ сигналы формируются непосредственно возбудителями из состава РПДУ 5 кВт. Усиленные в каждом из РПДУ 5 кВт сигналы поступают на 4 входа стойки сложения и с помощью ВЧ коммутатора направляются либо в устройство сложения и после устройства сложения мощный ВЧ сигнал направляется в АнСУ 20 кВт, либо на соответствующие выходы стойки. Возможны режимы с выходной мощностью 20 кВт на одном из выходов стойки, либо два ВЧ сигнала с мощностью по 10 кВт на двух выходах стойки, либо один сигнал 10 кВт и два сигнала по 5 кВт, либо 4 сигнала мощностью по 5 кВт каждый.

Комплексное управление РПДУ 5 кВт, устройством сложения мощности, АнСУ 20 кВт, выходным коммутатором в стойке сложения, контакторами силового питания стоек, системой охлаждения (СО) с рециркуляцией (при наличии в составе) осуществляет БУ. Информационные сигналы, сигналы ДУ и контроля поступают в БУ, где

обрабатываются и коммутируются по заданным алгоритмам для формирования в соответствии с режимами работы.

3 Преимущества передатчика нового поколения

К преимуществам передатчика нового поколения можно отнести: высокую надежность, безопасность работы, уменьшение энергопотребления, уменьшение стоимости оборудования, высокую ремонтопригодность за счет использования транзисторных РПДУ, имеющих в составе АнСУ.

Структура построения РПДУ 20 кВт с использованием 4-х РПДУ 5 кВт с АнСУ с воздушным охлаждением обеспечивает:

- номинальную выходную мощность ВЧ при КБВ антенн равно 0,3 или более;

- возможность одновременной работы на четыре выхода;

- возможность автономной работы каждого из 4-х передатчиков с выходной мощностью 5 кВт при КБВ антенн не хуже 0,3 при возникновении нештатной ситуации;

- упрощение ремонтных и регламентных работ;

- возможность использовать типовой вариант установки в кунге на автомобильном базовом шасси;

- возможность применять передатчик без дополнительной системы рециркуляции в помещениях, имеющих свою систему охлаждения, обеспечивающую необходимый объем охлаждающего воздуха.

Применение в составе передатчика расчетных АнСУ нового поколения обеспечивает:

- время переключения частоты не более 150 мс;

- полную скрытность настройки при использовании алгоритма настройки по соседним частотам;

- согласование антенны с РПДУ в диапазоне частот 1 МГц до уровня КБВ не хуже 0,65 при использовании алгоритма настройки в диапазоне, что обеспечивает работу в режимах ППРЧ без дополнительных переключений АнСУ при изменении частоты в указанном диапазоне;

- быстрое (на уровне 1 мин.) определение настроек АнСУ для заданной таблицы частот для работы по заранее запрограммированным частотам.

Заключение

Разработанная АО «РИМР» структура построения твердотельного передающего модуля 20 кВт с воздушным охлаждением позволяет конфигурировать состав изделия в соответствии с конкретными задачами, поставленными при разработке радиопередающего комплекса, обеспечивая максимальную унификацию применяемых устройств и возможность использования в качестве усилительных модулей устройства с различным типом согласования с антенной.

Применение АнСУ в каждом из модулей 5 кВт и на выходе устройства сложения 20 кВт обеспечивает выходную мощность в каждом из формируемых модулем каналов на уровне номинальной при КБВ подключенных антенн, начиная с 0,3.

Примененное в модуле воздушное охлаждение позволяет использовать модуль на объектах заказчика с различной организацией СО, в том числе с размещением на автомобильном шасси.

Литература

1. Лузан Ю.С., Петров Е.Н., Щеков П.В., Юрков А.С. Особенности работы КВ радиопередатчиков на несогласованную нагрузку // Техника радиосвязи. 2003. Вып 8. С. 70-83.

2. Головин О.В. Декаметровая радиосвязь. - М.: Радио и связь, 1990. - 240 с.

References

1. Luzan Yu.S., Petrov E.N., Schekov P.V., Yurkov A.S. Osobennosti raboty KV radioperedatchikov na nesoglasovannuyu nagruzku [Operational aspects of HF radio transmitters with unbalanced load]. Tehnika radiosvazi 2003 Issue 8. Pp. 70-83.

2. Golovin OV Dekametrovaja radiosvjaz' [Decameter radio communication]. Moscow.: Radio i svjaz', 1990. 240 p. (in Russian)

Статья поступила 11 августа 2021 г.

Информация об авторах

Калинин Андрей Леонардович - Начальник научно-технической лаборатории Акционерного общества «Российский институт мощного радиостроения». Область научных интересов: мощные устройства сложения мощностей КВ диапазона. Тел.: 8(812)328-46-35, доб. 402. E-mail: andei021966@yandex.ru.

Адрес: 199178, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, 11-я линия В.О., д. 66.

A new generation of high-power short-wave radio transmitting devices

Kalinin A.L.

Annotation. The article discusses the ways of development and design of a new generation of HF transistor transmitters for 20 kW and above. The article provides a detailed description of design options of radio-frequency transmission line for radio transmitting device, the article underlines features that must be taken into account in device operation, in particular whether or not the antenna tuning units are present in the device, their effect on device output parameters; the article sets out design principles for power amplifier units. It contains information on HF transistor transmitters developed and serially produced by JSC "RIMR"; The article provides comparison of 5 kW radio transmitting devices for a number of figures. Particular attention has been paid to the newly developed 20 kW transmitting unit, which characteristics, design and operation principles have been examined in the article. The advantages of this transmitter are shown in comparison with an analogue devices produced by another manufacturer.

Keywords: shortwave radio transmitting device, antenna matching device, travelling wave coefficient, high-frequency path.

Information about Authors

Andrey Leonardovich Kalinin - Head of Research and Technology Laboratory «Russian Institute for Power Radioengineering», JSC. Research interests: Power HF combining electronic devices. Tel.: 8(812) 328-46-35, ext. 402. E-mail: andei021966@yandex.ru. Postal address: 66, 11 Liniya V.I., St. Petersburg, Russia, 199178.

Для цитирования: Калинин А.Л. Новое поколение коротковолновых радиопередающих устройств большой мощности // Техника средств связи. 2021. № 3 (155). С. 10-17.

For citation: Kalinin A.L. A new generation of high-power short-wave radio transmitting devices. Means of communication equipment. 2021. No 3 (155). Pp. 10-17 (in Russian).