УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ РАДИОПРИЕМА В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ КОРАБЛЯ, СУДНА

Полезная модель относится к области электрорадиотехники и может быть использована для защиты входных цепей приемопередающего радиоэлектронного оборудования, работающего в сложной электромагнитной обстановке в составе судовых и корабельных РЭС.
Известен газонаполненный разрядник, патент РФ №2096855, кл. H01J 17/00, H01T 1/00. Газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, образованную металлическим цилиндрическим корпусом и изолятором в виде полого усеченного конуса, два электрода, один из которых расположен на внутренней поверхности одного из торцов корпуса, а другой на меньшем основании конического изолятора, большее основание которого закреплено с другого торца корпуса, причем электрод, расположенный на внутренней поверхности одного из торцов корпуса, выполнен с диаметром рабочей поверхности, по меньшей мере, в 1,5 раза большим, чем диаметр рабочей поверхности электрода, расположенного на коническом изоляторе.
Известен газонаполненный разрядник, патент РФ №2120153, кл. H01J 17/02. Газонаполненный разрядник, содержащий, по меньшей мере, один электрод, расположенный на меньшем основании конического изолятора, и манжету, одна поверхность которой соединена с торцевой поверхностью конического изолятора, отличающийся тем, что манжета выполнена с дисковым или плоским кольцевым участком, другая поверхность манжеты соединена с внутренней плоской поверхностью электрода, причем электрод, конический изолятор и манжета выполнены из материалов с близкими по значению коэффициентами термического расширения.
Основным недостатком аналогов является низкая эффективность выполнения функции защиты радиоэлектронного оборудования от воздействия мощных электромагнитных импульсов как грозовой активности, так и первичного излучения близкорасположенных судовых антенн передающих устройств и вторичного излучения металлических конструкций верхнепалубных устройств.
Базовым объектом является патент №128951 РФ (по заявке №2013100924 МПК H04B 1/62) под названием «Устройство защиты радиоприема от мощных электромагнитных импульсов грозовой активности», содержащее высоковольтный газонаполненный разрядник на входе приемного устройства, отличающееся тем, что дополнительно введены трехсекционный симметрирующий автотрансформатор, запирающая катушка, мостовая схема и нагрузочная емкость, при этом антенна подключена параллельно разряднику к средней клемме последовательно соединенных двух секций симметрирующего автотрансформатора, а к крайним клеммам, последовательно соединенных двух секций симметрирующего автотрансформатора, параллельно подсоединены мостовая схема и последовательное соединение образованное первичной обмоткой запирающей катушки, нагрузочной емкостью и вторичной обмоткой запирающей катушки; параллельно емкостной нагрузки соединен симметричный вход радиоприемного устройства; к одной из крайних клемм, последовательно соединенных двух секций симметрирующего автотрансформатора, подсоединена одна из клемм третьей секции, а вторая клемма третьей секции заземлена; мостовая схема содержит два плеча идентичных элементов; при этом каждое плечо есть последовательное соединение параллельного колебательного контура с индуктивностью; точка соединения параллельного колебательного контура с индуктивностью заземлена через последовательное соединение стабилитрона и нагрузочной индуктивности для стабилитрона.
Основным недостатком базового объекта является отсутствие постоянной защиты входных цепей приемных устройств от нагрева и последующего выгорания от наведенных ЭДС первичного излучения близкорасположенных судовых антенн мощных передающих устройств и широкополосного вторичного излучения металлических конструкций верхнепалубных устройств.
Целью полезной модели является сохранение защита входных цепей приемника приемопередающего радиоэлектронного оборудования при работе РЭС в сложной электромагнитной обстановке судов и надводных кораблей, а также сохранение защищенности от воздействия на них мощных электромагнитных импульсов грозовой активности.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство защиты от мощных электромагнитных импульсов грозовой активности, содержащее высоковольтный газонаполненный разрядник, симметрирующий автотрансформатор, запирающую катушку, мостовую схему, нагрузочную емкость дополнительно введены преобразователь частоты, преобразователь частота-напряжение, преобразователь активного сопротивления (гиратор), преобразователь реактивного сопротивления (гиратор)
3
3
Функциональная схема устройства защиты радиоприема приведена на Фиг. 1. Устройство защиты содержит: 1 - антенну, R - ограничительное сопротивление, 2 - высоковольтный газонаполненный разрядник, 3 - симметрирующий автотрансформатор, состоящий из двух секций: симметрирующих секций - первичной ab и вторичной bc, а также индуктивной нагрузки симметрирующих секций - cd, 4 - запирающую катушку с первичной обмоткой - mk и вторичной обмоткой - np, 5 - мостовую схему и нагрузочную емкость C, радиоприемное устройство - 6, преобразователь частоты - 7, преобразователь частота-напряжение - 8, преобразователь активного сопротивления (гиратор) - 9, преобразователь реактивного сопротивления (гиратор) - 10; при этом антенна 1 соединена параллельно с заземленным разрядником 2, с первым входом преобразователя активного сопротивления (гиратор) - 9 и через ограничительное активное сопротивление R со вторым входом преобразователя активного сопротивления (гиратор) - 9 и со средней точкой клеммы b симметрирующего автотрансформатора, клемма b соединена через первую секцию ba симметрирующего автотрансформатора с клеммой a, а через вторую секцию bc симметрирующего автотрансформатора с клеммой c; противоположные точки симметрирующих секций клеммы a и c соединены между собой через параллельные цепи: первой из них является первый и второй входы мостовой схемы - 5, а вторая цепь состоит из последовательного соединения первичной обмотки mk запирающей катушки 4, нагрузочной емкости C и вторичной обмотки np запирающей катушки 4; выходные клеммы kp запирающей катушки 4 соединены с симметричным входом (РПУ); вторичная секция bc симметрирующего автотрансформатора клеммой с соединена через индуктивную нагрузку cd на землю; выход радиоприемного устройства соединен через преобразователь частоты 7, через преобразователь частота-напряжение 8 со вторым входом преобразователя активного сопротивления (гиратор) 9.
1
1
2
2
3
4
1
2
1
1
3
2
2
4
1
2
1
2
2
2
1
1
На Фиг. 2 представлена мостовая схема 5 содержащая: CL - емкость и индуктивность - элементы первого параллельного колебательного контура, CL - емкость и индуктивность - элементы второго параллельного колебательного контура, L - первая индуктивность, L - вторая индуктивность, два стабилитрона - 11 и 13, две индуктивные нагрузки стабилитронов - 12 и 14, являющиеся первичными обмотками трехобмоточного трансформатора Тр. 1, два преобразователя реактивного сопротивления (гиратор) - первый 10 и второй 10, настроечное сопротивление R; при этом мостовая схема 5 состоит из двух цепей, подключенных к клеммам ac через первый и второй входы мостовой схемы 5; первая цепь - последовательное соединение первого параллельного колебательного контура CL и параллельного соединения первой индуктивности L и первого стабилитрона 11 и индуктивную нагрузку стабилитрона 12 - заземленную первую первичную обмотку трансформатора Тр. 1; вторая цепь - есть последовательное соединение второго параллельного колебательного контура CL и параллельного соединения второй индуктивности L и второго стабилитрона 13 и индуктивной нагрузки стабилитрона 14 заземленной второй первичной обмотки трансформатора Тр. 1; вторичная обмотка трансформатора 15 Тр. 1 с одной стороны заземлена а с другой стороны соединена с выходом мостовой схемы 5; третий вход мостовой схемы 5 соединен параллельно с входом первого преобразователя реактивного сопротивления (гиратор) 10 и с входом второго преобразователя реактивного сопротивления (гиратор) 10 через настроечное сопротивление R; параллельный выход первого преобразователя реактивного сопротивления (гиратор) 10 соединен параллельно второму параллельному колебательному контуру из элементов CL; параллельный выход второго преобразователя реактивного сопротивления (гиратор) 10 соединен параллельно первому параллельному колебательному контуру из элементов CL.
На Фиг. 3 представлена преобразователь активного сопротивления (гиратор) 9 содержащий первый ОУ1 и второй ОУ2 оперативные усилители, резисторы первый R1, второй R2, третий R3 и четвертый R4, пятый нагрузочный резистор R5 и вентиль В. 1 и фильтр LC; при этом третий вход преобразователь активного сопротивления (гиратора) 9 соединен с плюсовой клеммой второго оперативного усилителя ОУ2 через фильтр LC и вентиль В. 1, минусовая клемма второго оперативного усилителя ОУ2 параллельно соединена с минусовой клеммой первого оперативного усилителя ОУ1, через четвертый резистор R4 с выходом первого оперативного усилителя ОУ1, с первым входом преобразователь активного сопротивления (гиратора) 9 и через третий резистор третий R3 с земляным проводом; выход первого оперативного усилителя ОУ1 соединен через второй резистор R2 параллельно с плюсовой клеммой второго оперативного усилителя ОУ2 и через пятый нагрузочный резистор R5 с выходом второго оперативного усилителя ОУ2, второй вход преобразователя активного сопротивления (гиратора) 9 соединен параллельно с плюсовой клеммой первого оперативного усилителя ОУ1 и через первый резистор R1 с выходом второго оперативного усилителя ОУ2.
1
2
На Фиг. 4 представлена преобразователь реактивного сопротивления (гиратор) 10 (10 и 10) содержащий первый ОУ1 и второй ОУ 2 оперативные усилители, резисторы первый R1, второй R2, третий R3 и четвертый R4, варикап Вп., нагрузочную емкость C; при этом третий вход преобразователя реактивного сопротивления (гиратора) 10 соединен с плюсовой клеммой второго оперативного усилителя ОУ2 через варикап Вп, минусовая клемма второго оперативного усилителя ОУ2 параллельно соединена с минусовой клеммой первого оперативного усилителя ОУ1 через четвертый резистор R4, с выходом первого оперативного усилителя ОУ1, с первым входом преобразователь реактивного сопротивления (гиратора) 10 и через третий резистор третий R3 с земляным проводом; выход первого оперативного усилителя ОУ1 соединен через второй резистор R2 параллельно с плюсовой клеммой второго оперативного усилителя ОУ2 и через нагрузочную емкость C с выходом второго оперативного усилителя ОУ2, второй вход преобразователя реактивного сопротивления (гиратора) 10 соединен параллельно с плюсовой клеммой первого оперативного усилителя ОУ1 и через первый резистор R1 с выходом второго оперативного усилителя ОУ2.
Принцип работы преобразователя импеданса (гиратора) представлен в литературе авторов У. Титце, К. Шенк «Полупроводниковая схемотехника», - М:, изд. Мир, 1983 г., раздел 12.6, стр. 180-183.
Преобразователь активного сопротивления (гиратор) 9 позволяет преобразовать сопротивление пятого нагрузочного резистора R5 в активное сопротивление на симметричном входе 1-2 преобразователя активного сопротивления (гиратор) 9, причем это сопротивление зависит от величины напряжения, подаваемого через третий вход преобразователя 9, через сглаживающий фильтр LC и вентиль В. 1 на плюсовую клемму второго оперативного усилителя ОУ2. Пятый нагрузочный резистор R5 является настроечным и обеспечивает наименьшую величину входного сопротивления преобразователя 9 и следовательно, наименьшие потери вносимые преобразователем 9 для наведенной ЭДС в антенне 1. При увеличении напряжения на третьем входе преобразователя 9 повышается сопротивление входа преобразователя и, следовательно, уменьшается наведенная ЭДС, поступающая от антенны 1 на вход радиоприемного устройства 6 и снижается нагрев входных контуров приемного устройства 6. Таким образом, осуществляется регулировка сопротивление входа преобразователя активного сопротивления (гиратора) 9. Чтобы величина входного сопротивления (фиг. 1) параллельно включенных ограничительного сопротивления R и входа (входов 1 и 2) преобразователя активного сопротивления (гиратора) 9 была управляемой сопротивлением ограничительного сопротивления R имеет большую величину в мегомах, а сопротивление входа (входов 1 и 2) преобразователя активного сопротивления (гиратора) 9 переменной и зависела от среднего уровня помех. Средний уровень помех определяется напряжением, наведенным в антенны от первичных излучателей, которыми являются близкорасположенные корабельные, судовые передающие антенны мощных передающих устройств (например, повсеместно имеемые 5 и 10 кВт для диапазонов от 1 до 30 МГц). Причем передающих антенн одновременно работающих на излучение может несколько. Длина волны превышает или близка к размерам кораблей и судов, что говорит о мощном электростатическом электромагнитном поле ближней волны, участвовавшим в образовании электромагнитной обстановки и в которой находятся приемные антенны. Одновременно токи первичных излучателей, антенн, возбуждают в верхнепалубных металлических конструкциях и устройствах наведенные ЭДС, которые приводят к появлению в металлах токи и, следовательно, переизлучению частот первичных излучателей. Такие излучатели называются вторичными излучателями на корабле. При движении корабля, судна металлические конструкции подвергаются деформации, что приводит к расширению спектра частот переизлучаемых вторичными излучателями. Совокупность полей первичных и вторичных излучателей создает сложную электромагнитную обстановку для организации радиоприема в условиях кораблей и судов. Поэтому на входе радиоприемного устройства присутствует наведенная ЭДС первичных и вторичных излучателей. Эта ЭДС вызывает протекание тока по входным контурам приемника. Ток входных цепей нагревает их и приводит к выгоранию входных цепей, если приемное устройство работает непрерывно. Для снижения величины тока во входных цепях к приемной антенне подключены ограничительное сопротивление R большой величины и регулируемое сопротивление входа преобразователя сопротивлений 9, которое изменяет сопротивление в зависимости от электромагнитной обстановки в которой работает приемная антенна 1 (фиг. 1). Сопротивление входа преобразователя сопротивления зависит от сопротивления переменного образованного нагрузочным резистором R5 и управляющим ЭДС подаваемым по третьему входу преобразователя 9 через фильтр LC и вентиль В. 1 на плюсовую клемму второго оперативного усилителя ОУ2 (фиг. 3). Переменная ЭДС на третий вход преобразователя 9 поступает с выхода мостовой схемы 5 (фиг. 1 и фиг. 2). Выход мостовой схемы соединен с вторичной (третьей) обмоткой 15 трансформатора Тр. 1. Нагрузочная индуктивности 12 стабилитрона 11 и нагрузочная индуктивности 14 стабилитрона 13 образуют первичную обмотку трансформатора Тр. 1. По этим первичным обмоткам 12 и 14 протекает ток частот вне полосы радиоприема приемного устройства, а наведенный ток во вторичной обмотке 15 трансформатора через выход мостовой схемы 5 (фиг. 2) поступает на третий вход преобразователя сопротивления 9, чем обеспечивается управление входным сопротивлением преобразователя 9 по его входу 1-2. При высоком уровне шума внеполосного для радиоприема сопротивление входа преобразователя сопротивлений 9 увеличивается, чем достигается уменьшение уровня энергии наведенной ЭДС в антенне проникающей во входные контура приемного устройства. И наоборот, при уменьшении уровня мощности внеполосного для радиоприема сопротивление входа преобразователя 9 уменьшается и большая мощность поступает на вход РПУ.
1
1
2
2
3
4
СИГ
1
1
2
2
РАЗ
СИГ
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
РАЗ
СИГ
Токи же полосы радиоприема за счет повышения сопротивления параллельных колебательных контуров CL и CL не протекают по индуктивностям L и L и, следовательно, не возбуждают разрядный ток через стабилитроны 11 и 12 и не протекают по нагрузочным индуктивностям 12 и 14 стабилитронов. Происходит разделение полос частот радиоприема и частот внеполосных радиоприему. Полоса частот радиоприема 2Δfприведена на фиг. 5. На фиг. 5 показаны частоты настройки двух параллельных контуров. Так первый параллельный колебательный CL настроен на частоту резонанса , а второй параллельный колебательный CL настроен на частоту резонанса , разнос между частотами настройки . Частота разноса f определяет полосу радиоприема 2Δf. Подключение преобразователя реактивного сопротивления 10 параллельно первому параллельному колебательному контуру CL позволит обеспечить, прежде всего, автоматическую перестройку контура CL на частоту радиоприема и второе, создаст острый резонанс, учитывая, что вносимая индуктивность преобразователем не обладает потерями и имеет высокую добротность. Как следствие, контур имеет узкую полосу пропускания. Для увеличения полосы пропускания на входе радиоприемного устройства создается заданный разнос, определяемый настроечным сопротивление R, включенным между преобразователями реактивности 10 и 10. Подобное подключение преобразователя реактивного сопротивления 10 параллельно второму параллельному колебательному контуру CL позволит обеспечить, прежде всего, автоматическую перестройку контура CL на частоту радиоприема и второе, создаст острый резонанс, учитывая, что вносимая индуктивность преобразователем не обладает потерями и имеет высокую добротность. Таким образом, на фиг. 5 показаны полосы пропускания каждого из двух параллельных колебательных контуров, их частоту разноса f относительно резонансных  и , уровень 0,707 определяемый полосу пропускания двух контуров 2Δf, относительно уровня равного единице.
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
2
Управление преобразователями реактивного сопротивления 10 и 10 осуществляется напряжением частоты опорного генератора, расположенного в радиоприемном устройстве 6. Напряжение опорного генератора с выхода радиоприемного устройства 6 поступает на вход преобразователя понижения частоты 7 (фиг. 1). Понижение частоты необходимо для устойчивой работы преобразователей реактивного сопротивления 10 и 10, их работа критична к разности фаз операционных усилителей ОУ1 и ОУ2 (фиг. 4). Понижение частоты не сказывается на их работу, так как после преобразователя понижения частоты 7 (фиг. 1) установлен преобразователь частота-напряжение 8. Следовательно, важно для создания заданной индуктивности в контурах CL и CL преобразователями реактивного сопротивления 10 и 10 и настройки на частоту приема радиоприемником 6 является заданный уровень напряжения поступаемый на вход преобразователей 10 и 10закодированного для создания необходимой индуктивности в контурах (фиг. 4). Таким образом, напряжение частоты опорного генератора с выхода радиоприемного устройства 6 преобразуется в пониженную частоту преобразователем частоты 7 (фиг. 1), затем преобразуется в кодированный уровень напряжения преобразователем частота-напряжение 8. Установленный уровень напряжения поступает через третий вход мостовой схемы 5. Третий вход мостовой схемы соединен с входом первого преобразователя реактивного сопротивления 10 непосредственно, а на вход второго преобразователя реактивного сопротивления 10 через резистор R (фиг. 2). Отличие кодированного уровня напряжения, за счет включения резистора R, на преобразователях 10 и 10 позволяет обеспечить заданный разнос по частоте настройки  параллельных колебательных контуров CL и CL (фиг. 5).
1
2
0
Преобразователи реактивного сопротивления 10 и 10 или два гиратора идентичны по построению и позволяют преобразовать емкость нагрузочной емкости C (фиг. 4) в индуктивность на выходе гиратора. Создать такую индуктивность достаточно сложно, так как будет иметь большой вес и очень значительные габариты. Расчет необходимой индуктивности L параллельного колебательного контура для приема диапазона рабочих частот радиоприема электромагнитных полей проводится в соответствии с формулой , то зная емкость C у гиратора (фиг. 4) можно определить индуктивность исходя из параметров гиратора
0
0
L=(R1·R2·RА·C)/R3, где L - в Гн, R - в Омах, C - в нФ.
Параллельно емкости C включен варикап Вп, который позволяет изменять нагрузочную емкость в зависимости от подаваемого напряжения подаваемого на варикап в пределах до 300 пФ, при необходимости увеличения емкости следует включать блок варикапов вместо одного. Работа варикапа представлена на стр. 24, раздел 3.3, в литературе авторов У. Титце, К. Шенк «Полупроводниковая схемотехника», - М:, изд. Мир, 1983 г.. Принцип управления изменением индуктивного сопротивления на выходе гиратора, показан в журнале «Радио» №11, за 1996 г., автором Петин Г.П. «Применение гиратора в резонансных усилителях и генераторах».
На Фиг. 4 представлен преобразователь реактивного сопротивления (гиратор) 10 содержащий первый ОУ1 и второй ОУ 2 оперативные усилители, резисторы первый R1, второй R2, третий R3 и четвертый R4, нагрузочную емкость C и варикап Вп. Принцип работы преобразователя импеданса (гиратора) представлен в литературе авторов У. Титце, К. Шенк «Полупроводниковая схемотехника», - М:, изд. Мир, 1983 г., раздел 12.6, стр. 180-183. Гиратор позволяет преобразовать емкость нагрузочной емкости C (фиг. 4) в индуктивность на выходе гиратора, регулировка суммарной емкости нагрузочной С и емкости варикапа Вп, измененной от величины кодированного напряжения, обеспечивает настройку контура на частоту приема. Принцип управления изменением индуктивного сопротивления на выходе гиратора, показан в журнале «Радио» №11, за 1996 г., автором Петин Г.П. «Применение гиратора в резонансных усилителях и генераторах».
Эффективность от использования такого предложения будет заключаться в повышении устойчивости функционирования приемопередающего радиоэлектронного оборудования при воздействии на них мощных электромагнитных импульсов грозовой активности, первичного излучения близкорасположенных корабельных, судовых антенн передающих устройств и вторичного излучения металлических конструкций верхнепалубных устройств.