Устройство формирования мощных широкополосных сигналов на амплитудных модуляторах
DEVICE FOR GENERATING POWERFUL BROADBAND SIGNALS ON AMPLITUDE MODULATORS

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в радиотехнических комплексах в длинноволновом и ультракоротковолновом дипазонах длин волн для повышения технических характеристик в части увеличения дальности обнаружения, точности определения координат целей, их скоростей, ускорений, помехоустойчивости, надежности и получения информации о габаритах и форме объекта.
Изобретение относится к технике устройств генерации мощного импульсного излучения. Сюда относятся клистроны, магнетроны, ЛОВ, генераторы на эффекте Черенкова. Наиболее близкими прототипами 1 и 2 представляемого изобретения являются мощные широкополосные устройства СВЧ диапазона описанные в работах:
- Н.В. Воробьев, В.Л. Грязнов и др. «Принцип пространственно-временного преобразования многочастотного сигнала для формирования мощных сверхширокополосных радиоимпульсов», Радиотехника, 1998 г., №2;
- Н.В. Воробьев, В.А. Грязнов и др. «Устройство формирования мощных широкополосных импульсных сигналов на антенной решетке отражательного типа», патент №2285317, заявка 2004106579/09 от 09.03.2004;
- А.В. Ключник, Н.Г. Моторин, А.И. Свиридонов, В.Н. Тюльпаков «Многочастотные системы с фазовой синхронизацией», Антенны, 2006, выпуск 7(110);
- А.В. Ключник, Д.И. Свиридонов. В.Н. Тюльпаков «Устройство формирования мощных широкополосных радиоимпульсов на волноводно-щелевых мостах», патент №2662051, заявка 2016126450 от 01.07.2016. В этих работах рассмотрены методы формирования сигналов за счет суммирования фазируемых синусоидальных колебаний большой мощности. Обобщенная структурная схема прототипов 1 и 2 приведена на фиг. 1.
2
0
0
Устройство прототипов 1 и 2 состоит из системы формирования сетки n частот (1), синхронизуемых по фазе фазовращателями (2), подсистемы усиления мощности в каналах (3), n-канального сумматора сигналов разных, частот (4), линий задержки (5) и фазируемой антенной решетки (6). Основой построения этих устройств являются сумматоры разночастотных сигналов. Устройство прототипа 2 отличается от устройства прототипа 1 только заменой сумматора на базе многочастотной антенной решетки и приемной антенны сумматором на волноводно-щелевых мостах. Линии задержки обеспечивают одновременный приход сигналов к выходным элементам ФАР. Это позволяет увеличить импульсную мощность, но приводит к дополнительным потерям энергии и увеличению веса формирователя. В этих устройствах изменяя частоты в каналах, их число, разнос частоты Δf между каналами, можно изменять многочастотность, ширину полосы сигнала, частоту его следования и управлять длительностью формируемых импульсов. Суммарная пиковая мощность излучения всех выходных каналов без учета потерь будет равна nP, длительность импульсных излучений по уровню нулевой мощности , где n - число каналов в формирователе; Р - мощность одного канала. Когда требуется увеличить многочастотность сигнала, эти методы требует пропорционально увеличивать число мощных усилителей в системе и число входных каналов в сумматоре генерируемых колебаний. Габариты и вес системы растут пропорционально наращиванию канальности. Вес системы, приходящийся на один канал, в основном определяется канальными усилителями мощности и требуемой для них системой питания и охлаждения. Трудоемкость изготовления сумматоров колебаний, их настройка и вес также зависят от числа каналов в системе. Это ограничивает возможности широкого применения изобретений, реализуемых в прототипах 1 и 2 при большой пиковой мощности и многочастотности сигнала.
Раскрытие изобретения
0
к
к
Целью настоящего изобретения является уменьшение габаритов и веса формирователя, увеличение многочастотности формируемого сигнала и снижение потерь. Поставленная цель достигается тем, что многоканальное формирование мощного многочастотного сигнала на основе прямого параллельного суммирования частотных составляющих с предварительным усилением их мощности, заложенное в основу построения формирователей прототипов 1 и 2, заменяется последовательным преобразованием исходного синусоидального сигнала s(t) многокаскадным амплитудным модулятором в многочастотный сигнал s(t) с равномерным распределением мощности по спектру на малом уровне мощности с дальнейшим усилением сигнала s(t). Это дает возможность перейти от многоканальной схемы формирователя к одноканальной, что приводит к уменьшению габаритов и веса формирователя, увеличению многочастотности формируемого сигнала и снижению потерь. Структурная схема предложенного устройства последовательного формирования многочастотного сигнала на амплитудных модуляторах показана на фиг. 2.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 Обобщенная структурная схема устройств формирования мощных широкополосных радиоимпульсов на сумматорах колебаний прототипов 1 и 2. Здесь: 1 - система формирования сетки частот; 2 - фазовращатели; 3 - подсистема усиления мощности в n каналах; 4 - n-канальный сумматор разных частот; 5 - линии задержки; 6 - фазируемая антенная решетка.
Фиг. 2 Структурная схема предложенного устройства, последовательного одноканального формирования многочастотного сигнала на амплитудных модуляторах.
Здесь: 1 - формирователь сетки из k+1 частот; 2 - фазовращатели; 3 - k - каскадный амплитудный модулятор; 4 - подсистема усиления мощности; 5 - антенна.
Осуществление изобретения
0
i
0
j
j
пр
кпр
j
пр
j
j
0
j
j
пр
j-1
j-1
j
0
0
0
0
1
1
j
пр
j
пр
кпр
кпр
0
Блок-схема предлагаемого устройства, состоящего из формирователя (1) синусоидальных сигналов s(t) и u(t)=Ecos(ωt+θ), j=1, 2, …, к, фазовращателей (2), многокаскадного амплитудного модулятора (3), подсистемы усиления мощности (4) и антенны (5) показана на фиг 2. Для обеспечения равномерного распределения мощности по спектру формируемого сигнала s(t) модуляторы M, j=1, 2, …, к, работают с глубиной модуляции равной двум. Каждый модулятор M модулирует колебание u(t)=Ecos(ωt+θ), j=1, 2, …, к сигналом s(t), вырабатываемым каскадом M, преобразуя его в сигнал s(t). Модулирующая функция s(t)=Ecos(ωt+θ) первого каскада модулятора модулирует колебание u(t) преобразуя его в исходный сигнал s(t). Исходный сигнал, за счет изменения и переноса спектров промежуточных сигналов s(t), j=1, 2, к, преобразуется каскадами M модулятора, j=1, 2, …, к, в сигнал s(t), спектр которого состоит из  спектральных составляющих с разносом частот равным f. Далее сигнал s(t) поступает на подсистему усиления мощности (4) с оконечным усилителем, имеющим полосу пропускания F=αf, усиление k дБ и мощность Р.
пр
0
Предельное число каскадов в модуляторе к определим минимальным целым числом, при котором удовлетворяется неравенство  Выразив f через параметры формирователя и сигнала, находим  и  где {z} - наименьшее целое число не меньшее z.
max
0
max
Максимальное число частотных составляющих n сигнала, которые пройдут полосу пропускания подсистемы усиления, определяется условием αf≥(n-1)f. Отсюда следует  где |z| - целая часть z.
кпр
кпр
После усиления сигнала s(t) на выходе формирователя получим сигнал v(t).
к
3
к
кпр
к
где ω=(β+2-1)Ω;  t - задержка сигнала s(t) подсистемой усиления мощности. Пиковые значения сигнала V(t) наступают в моменты времени  р=0, 1, 2, …
при ϕ=±2πl, l=0, 1, 2, …,
пик пр
к
пр
пик пр
max
пик пр
max
1
1
max
2
при ϕ=±π(2l+1), l=0, 1, 2,… и β=2γ, где γ - натуральное число. Отсюда следует предельная пиковая мощность Р сигнала V(t) Р=nP или Р=nP, где P=Р/n - мощность, приходящаяся на одну частотную составляющую.
к пр
Остальные параметры сигнала V(t):
max
- полоса, занимаемая сигналом Δf=(n-1)f;
- многочастотность сигнала
- граничные частоты спектра сигнала:
min
min
кпp
- несущая частота сигнала  где {z} наименьшее целое число не меньшее z; β - натуральное число, удовлетворяющее условию ω=βΩ, ω - минимальная круговая частота в спектре сигнала s(t);
max
- длительность главного импульса сигнала τ=2/n f;
- период сигнала Т=1/f.
пр
0
0
0
0
j
0
j
j
пр
Параметр формирователя к, фазы и частоты колебаний s(t)=Ecos(ωt+θ), u(t)=Ecos(ωt+θ), j=1, 2, …, к, определяются спектром формируемого сигнала и полосой усилителя. Их значения приводятся ниже:
0
0
j
пр
j
пр
j
j
θ=ϕ; ω=Ω где Ω=2πf - расстояние между смежными линиями в спектре сигнала. θ=2ϕ, j=1, 2, …, к; ω=2Ω, j=1, 2, …, к-1;
Оценка эффективности изобретения
Сравнение прототипов 1 и 2 и устройства, представленного на изобретение по весу и габаритам.
ix
ix
ix
У прототипов 1 и 2 наращивание многочастотности сигнала ограничено ростом веса и габаритов и сложностью изготовления сумматоров при большом числе разночастотных колебаний. У предлагаемого устройства габариты и вес не растут пропорционально росту числа частотных составляющих в сигнале. Оценим, насколько вес и габариты прототипов 1 и 2 превышают вес и габариты устройства, представленного на изобретение. Обозначим выигрыш в весе и габаритах для предлагаемого устройства относительно прототипов 1 и 2 величинами Δw, ΔS, ΔV, а через W, S, V вес, площадь и объем аппаратных средств, реализующих функцию узла i, где х=пр - для прототипов 1 и 2, фиг. 1; х=из, фиг. 2 для устройства, представленного на изобретение. Имеем:
6пр
5из
4пp
Т.к. W>W, a w - вес сумматора (и габариты его) не учитываем, то приходим к оценке
пp
из
3пр
5пр
4из
Δw=W-W>W+W-W.
1
0
1
1
0
0
пик изобр
max
0
пик прот 1,2
0
3пp
1
Обозначим через W вес усилительной системы, мощностью Р, приходящийся на один канал в прототипах 1 и 2, и через S и V площадь и объем, требуемые для ее размещения. Если формирователь, представленный на изобретение, усиливает сигнал до мощности Р=ξР, a n - канальные прототипы 1 и 2 имеют суммарное усиление мощности nP, то при одинаковых КПД преобразования пиковые мощности сформированных сигналов будут Р=n (ξР); Р=n(nP). При равенстве пиковых мощностей сигналов  где {z} - наименьшее целое число не меньшее z. Тогда w=nw;  Отсюда следуют нижние оценки:
max
кпp
max
0
к пр
пик из
пик пр 1,2
Если увеличить плотность спектральных линий в спектре формируемого сигнала (уменьшить модуль частоты f), то можно увеличить число частотных составляющих nсигнала s(t), которые попадут в полосу пропускания подсистемы усиления. При n≥n, это позволит при Р=Р сформировать сигнал V(t), который будет иметь Р≥Р. Предлагаемый формирователь с такими характеристикам, и даже без у чета линий задержки, будет иметь в n раз меньшие весовые и габаритные характеристики в сравнении с прототипами 1 и 2. Отсюда следуют верхние оценки
max
Формирователи прототипов 1 и 2 будут тяжелее на Δw и требовать больших на ΔS и ΔV площади и объема для размещения оборудования относительно устройства, представленного на изобретение. Кроме этого, формирователь, представленный на изобретение, будет выигрывать в  раза в информативности сигнала, враз  в многочастотности у формирователей прототипов 1 и 2. При этом прототипы 1 и 2 будут потреблять в  раз больше энергии. Здесь n - количество частот в сигнале формирователя, представленного на изобретение; n - количество частот в сигнале прототипов 1 и 2.