Передающее устройство

Предлагаемое техническое решение относится к области спецтехники и может быть использовано в многоканальных передающих гидроакустических (ГА) станциях локации, связи, оповещения, миноискания и т.п. корабельных и береговых систем.
Одним из основных требований, предъявляемых к ГА передавшем трактам, работающим на фазированную систему излучателей с заданной диаграммой направленности излучения, является стабильность фазовых характеристик выходных каналов тракта. Усиление по мощности сигналов в таких системах осуществляется ключевыми усилителями, что обусловлено требованиями максимальной эффективности, минимальных габаритов и большого уровня мощности (до 10…100 кВт) излучаемых сигналов.
Известен способ генерации ГА сигнала, основанный на сравнении мгновенных значений входного сигнала и сигнала обратной связи, формировании по результату сравнения импульсного сигнала, последующем его усилении по мощности и выделении на ГА излучателя полезных низкочастотных составляющих импульсного сигнала в виде квазигармонического ГА сигнала.
Устройство для реализации известного способа содержит последовательно соединенные схему сравнения, формирователь импульсов, ключевой усилитель низкой частоты и ГА излучатель.
Необходимым условием нормальной работы передающего устройства в соответствии с известным способом генерации является значительное превышение (в 10…20 раз) частотной коммутации ключевого усилителя частоты излучаемого FA сигнала. Известные устройства работают в режиме автоколебаний и позволяют стабилизировать фазу низкочастотных составляющих импульсного сигнала, выделяемых на излучателе с точностью до периода переключений. Требование высокой частоты переключений (100…200 кГц при частоте излучаемого сигнала Ω≤10 кГц), приводит к повышенным потерям мощности в ключевом усилителе (т.е. понижению его КПД). Кроме того, при изменении входных импедансов нагрузок передающих трактов в широких пределах, что является характерной особенностью ГА излучателей, в известных устройствах значительно изменяется частота переключений и, соответственно, ухудшаются их фазовые характеристики. В частности, при острорезонансном характере нагрузки такие устройства переходят в "одноимпульсный" режим работы, что приводит к изменению фазы их выходного сигнала в широких пределах.
Отмеченные недостатки не позволяют использовать устройства, осуществляющие известный способ, в многоканальных ГА станциях различного назначения с фазированной системой излучателей при большом уровне мощности излучаемых сигналов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ генерации ГА сигнала, основанный на преобразовании опорного сигнала в импульсный сигнал с той же частотой следования, последующем его ключевом усилении по мощности и выделении на излучателе полезных составляющих импульсного сигнала.
Способ-прототип предполагает использование для ключевого усиления высокоэффективных, например, тиристорных генераторов с заданной частотой переключения, равной частоте Ω опорного сигнала, либо ключевых усилителей с частотой переключений, незначительно (в 2…4 раза) ее превышающей. Указанное обстоятельство позволяет существенно повысить КПД и увеличить надежность устройств, осуществляющих способ-прототип (по сравнению с рассмотренными ранее), и использовать их для генерации ГА сигнала на большом уровне мощности.
Устройство (фиг.1) для осуществления способа-прототипа содержит соединенные последовательно формирователь 1 импульсов, ключевой усилитель 2, фильтрующую систему 3, ГА излучатель 4.
Работает устройство-прототип следующим образом. При поступлении на вход формирователя 1 опорного сигнала (несущего, например, информацию о начале каждого полупериода переключений) на его выходе формируется сигнал, требуемый для управления ключевым усилителем 2.
В частности, при ключевом усилителе, выполненном на тиристорном генераторе, в качестве опорного сигнала используется напряжение вида "меандр" генерируемой частоты, а формирователь 1 импульсов формирует короткие импульсы, соответствующие фронту и спаду опорного напряжения. Эти импульсы поступают на запуск соответствующего канала тиристорного генератора, в качестве нагрузки которого используется резонансная фильтрующая система 3 и ГА излучатель 4. Таким образом, на выходе ключевого усилителя 2 формируется импульсное напряжение вида "меандр", первая гармоника которого выделяется фильтрующей системой 3 на ГА излучателе 4, преобразующем энергию электрического колебания в ГА сигнал.
Недостатком известного ГА передающего устройства, реализующего способ генерации, принятый за прототип, является существенная зависимость фазы электрического колебания, выделяемого на излучателе как от параметров самого излучателя, так и от частоты входного сигнала, что вызвано наличием резонансной фильтрующей цени (как правило, содержащей LC колебательный контур совместно с выходным сопротивлением ГА излучателя, имеющим емкостной характер).
с
с
Типичная амплитудно-частотная (А) и фазочастотная  характеристка фильтрующей системы 3 с излучателем 4 (выполненным на пьезокерамическом преобразователе) в окрестности рабочей частоты показана на фиг.2. Из приведенных зависимостей можно видеть, что при резонансной фильтрующей системе даже незначительное отклонение генерируемой частоты от резонансной - ω (либо изменение параметров излучателя - пунктирные линии на фиг. 2, соответствующие изменению резонансной частоты ω) приводит к резкому изменению фазы  электрического колебания, амплитудные изменения которого при этом сравнительно незначительны.
В устройстве, реализующем способ-прототип, фазовый сдвиг сигнала на излучателе, а следовательно, и фаза ГА сигнала, практически повторяет фазовую характеристику фильтрующей системы. Наличие такого фазового сдвига выходного колебания относительно опорного сигнала, изменяющегося под воздействием дестабилизирующих факторов, ограничивает возможность использования способа-прототипа при реализации многоканальных систем с фазированной системой излучателей. Для создания необходимой диаграммы направленности и максимального ГА давления многоканальной ГА антенны требуется, с учетом ее геометрии, обеспечить определенное фазовое распределение сигналов на входах отдельных ГА излучателей. Изменение параметров ГА излучателей в рабочей полосе частот и от положения их в "пятне" излучения, а также технологический разброс параметров излучателей приводит к различной расстройке фильтрующих систем в каждом канале. При этом использование способа-прототипа при реализации многоканального передающего тракта нарушает заданное фазовое распределение и не позволяет получить достаточно узкую диаграмму направленности антенны, что приводит к уменьшению ГА давления, избирательной способности и скрытности передачи сообщений в режиме звукоподводной связи, а также ограничивает ГА давление и точность обнаружения объектов в: режимах гидролокации и минопискания.
Цель изобретения - стабилизация фазы мощного выходного сигнала на ГА излучателе.
Поставленная цель достигается в известном способе генерации сигналов, основанном на формировании опорного сигнала, преобразованием его в импульсный сигнал, последующем ключевом усилении импульсного сигнала по мощности и выделении на ГА излучателе его полезных низкочастотных составляющих в виде квазигармонического ГА сигнала, посредством выделения на излучателе сигнала обратной связи, соответствующего ГА сигналу, временное положение переходов которого через нуль сравнивают с временным положением переходов через нуль опорного сигнала, полученный таким образом временной сдвиг между ними запоминают и пропорционально ему формируют задержку опорного сигнала, чем компенсируют фазовый сдвиг между опорным сигналом и низкочастотными составляющими импульсного сигнала, выделяемыми на излучателе. Совокупность вновь введенных действий позволяет скомпенсировать фазовый сдвиг сигнала на излучателе, изменяющийся под воздействием дестабилизирующих факторов, относительно заданной величины посредством дополнительной задержки опорного сигнала во времени. Величину дополнительной задержки изменяют в соответствии с изменением фазы выходного сигнала таким образом, чтобы суммарный фазовый сдвиг в каналах передающего тракта поддерживался равным 2π. Наличие такого постоянного фазового сдвига не оказывает влияния на фазовое распределение сигналов на входах каждого из каналов. Указанное обстоятельство позволяет эффективно использовать предлагаемый способ генерации ГА сигнала при многоканальной системе излучателей с заданным фазовым распределением.
Совокупность действий, осуществляемых в соответствии с предлагаемым способом генерации в системах рассматриваемого класса, ранее не использовалась. Следовательно, предлагаемое техническое решение является новым и приводит к достижению положительного эффекта, а именно к улучшению основных тактико-технических характеристик многоканальных ГА станций (повышение ГА давления, а следовательно, дальности и точности обнаружения объектов, избирательности и скрытности передачи сообщений).
Осуществление предлагаемого способа генерации позволяет скомпенсировать фазовый сдвиг между опорным сигналом и сигналом обратной связи, соответствующим ГА сигналу, выделенному на излучателе. В качестве сигнала обратной связи может быть использовано непосредственно входное напряжение излучателя. В этом случае использование предлагаемого способа генерации позволяет стабилизировать фазу электрического колебания на выходе канала передающего тракта, которое в дальнейшем преобразуется излучателем в ГА сигнал.
Для стабилизации фазы непосредственно ГА сигнала можно использовать его обратное преобразование в электрический сигнал обратной связи. Причем в обоих случаях предлагаемый способ генерации позволяет обеспечить высокую стабильность фазы излучаемого ГА сигнала и тем самым получить требуемые ГА давление и диаграмму направленности антенны в многоканальных системах.
Предлагаемый способ генерации сигнала с заданным фазовым распределением осуществляется в устройстве, содержащем последовательно соединенные формирователь импульсов, ключевой усилитель, филирующую систему и излучатель, посредством введения в его состав управляемой схемы задержки, запоминающего устройства, детектора временного сдвига и датчика сигнала обратной связи, вход которого подключен к выходу фильтрующей системы, а выход - к первому входу датчика временного сдвига, второй вход которого подключен к шине опорного сигнала и входу схемы задержки, а выход - к ее управляющему входу, причем выход управляемой схемы задержки соединен со входом формирователя импульсов.
Стабилизация фазы непосредственно ГА сигнала, формируемого излучателем, может быть достигнута в устройстве для осуществления предлагаемого способа генерации посредством введения в его состав соответствующего датчика ГА давления, включенного между дополнительным выходом излучателя и входом датчика сигнала обратной связи.
Введение дополнительных блоков и связей позволило в заявляемом устройстве осуществить предлагаемый способ генерации ГА сигнала и тем самым стабилизировать фазу излучаемого колебания посредством введения дополнительной задержки опорного сигнала, компенсирующей изменение фазы под воздействием дестабилизирующих факторов. Указанное обстоятельство дает возможность использовать предлагаемое устройство в многоканальных передающих трактах для обеспечения достаточно узкой диаграммы направленности фазированной системы излучателей.
Совокупность вновь введенных блоков и связей в системах рассматриваемого класса ранее не применялась. Их использование в предлагаемом устройстве является новым и приводит к достижению положительного эффекта.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства-прототипа, а на фиг.2 - типичные зависимости фазы его выходного сигнала от излучаемой частоты, обусловленные резонансным характером фильтрующей системы.
На фиг. 3 приведена структурная схема предлагаемого устройства, а на фиг.4 - диаграммы сигналов, поясняющие его работу.
Предлагаемое устройство (фиг.3) содержит управляемую схему 4 задержки, формирователь 1 импульсов, ключевой усилитель 2, фильтрующую систему 3, ГА излучатель 4, датчик 8 сигнала обратной связи, детектор 7 временного сдвига, запоминающее устройство 6.
0
1
0
2
3
4
1
2
1
2
1
0
4
2
1
На фиг.4 показаны опорный сигнал U, формируемый на входе устройства, задержанный сигнал U(t) = U (t-τ), выделяемый на выходе управляемой схемы 4 задержки, напряжение U на выходе формирователя 1 импульсов, напряжение U, формируемое ключевым усилителем 2 на входе фильтрующей системы 3, которая выделяет на излучателе 4 напряжение U, сигнал S на выходе детектора 7 временного сдвига и выходной сигнал запоминающего устройства S. Причем сигналы S и S имеют условный вид, т.к. они могут представлять собой как управляющие напряжения, так и цифровой сигнал (в зависимости от реализации блоков 5 и 6). Сигнал S пропорционален разности временных сдвигов переходов через ноль напряжений U и U. Сигнал S пропорционален интегральному значению сигнала S.
Формирователь 1 служит для преобразования опорного сигнала в импульсную последовательность, вид которой определяется конкретным выполнением ключевого усилителя 2.
0
1
При выполнении ключевого усилителя 2 на основе тиристорного генератора формирователь 1 преобразует опорный сигнал V в последовательность коротких импульсов U, которые используются для запуска соответствующих тиристоров. При построении ключевого усилителя на базе транзисторов формируется либо сигнал вида "меандр", либо сигнал с широтно-импульсной модуляцией. Соответственно, формирователь 1 может быть выполнен в виде схемы укорочения импульсов либо в виде широтно-импульсного модулятора с известным законом модуляции.
3
1
Ключевой усилитель 2 может быть выполнен по двухтактной (мостовой или полумостовой) схеме и предназначен для усиления импульсного сигнала по мощности. Для случая использования тиристоров вид выходного импульсного напряжения U повторяет по форме опорный сигнал генерируемой частоты и задержанный схемой 5 задержки U.
4
3
Фильтрующая система 3 предназначена для выделения на излучателе 4 полезных составляющих U генерируемой частоты выходного напряжения U ключевого усилителя 2. В случае использования в качестве излучателя 4 пьезокерамического преобразователя фильтрующая система может быть выполнена в виде дросселя, величина которого определяется из обеспечения совместно с емкостью преобразователя резонанса в заданном частотном диапазоне.
4
Излучатель 4 представляет ГА антенну и предназначен для преобразования энергии электрического колебания U в акустическую волну.
Датчик 8 сигнала обратной связи предназначен для определения переходов через нуль первой гармоники генерируемой частоты сигнала, поступающего на его вход, либо со входа излучателя, либо с датчика ГА давления. В простейшем случае датчик 8 сигнала обратной связи может быть выполнен в виде усилителя-ограничителя на основе компаратора с нулевым порогом срабатывания.
1
Детектор 7 временного сдвига предназначен для формирования сигнала S, пропорционального, например, величине временного сдвига переходов через нуль сигнала обратной связи относительно фронта опорного напряжения (фиг.4).
4
0
Детектор 7 может быть выполнен на диодно-резистивном сумматоре, формирующим сигнал положительной полярности при опережении и отрицательной полярности при отставании переходов через нуль сигнала U относительно спада опорного напряжения U.
2
1
Такое выполнение детектора 7 соответствует использованию в качестве запоминающего устройства интегратора, выходное напряжение S которого пропорционально интегральному значению сигнала S.
При выполнении запоминающего устройства на цифровых схемах, например на реверсивных счетчиках I33ИЕ7, детектор 7 временного сдвига может быть также выполнен на логических схемах совпадения.
o
Управляемая схема 5 задержки предназначена для задержки фронта и спада опорного напряжения U генерируемой частоты на временной интервал, пропорциональный выходному сигналу запоминающего устройства 7.
Управляемая схема задержки также может быть выполнена на основе одновибраторов, длительность импульсов которых определяется управляющим напряжением, либо на цифровых счетчиках, коэффициент деления которых определяется двоичным кодом, формируемым запоминающим устройством 6.
Реализация вновь введенных блоков не связана с техническими трудностями и их введение в состав предлагаемого устройства не приводит к сколь-либо существенному изменению его габаритов, т.к. массогабаритные показатели передающего устройства мощностью порядка 10 кВт более чем на 90% определяются габаритом ключевого усилителя.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
1
2
0
2
1
3
1
В исходном состоянии сигналы (S и S) на выходах блоков 7 и 6 отсутствуют, и блок 5 передает опорный сигнал U на вход формирователя 1 без задержки (τ = 0). Формирователь 1 обеспечивает управление ключевым усилителем 2, например, короткими запускающими импульсами U (совпадающими с фронтом и спадом напряжения U) таким образом, что импульсное напряжение U на выходе ключевого усилителя инверсно напряжению U на выходе схемы задержки, чем обеспечивается начальный фазовый сдвиг первой гармоники напряжения на входе фильтрующей системы относительно входного сигнала равный -π, что соответствует временному сдвигу Т/2.
4
В результате на излучателе 4 формируется напряжение U, близкое к синусоидальному (благодаря резонансному характеру фильтрующей системы 3).
4
0
4
2
4
В общем случае переходы через нуль этого напряжения U (соответствующее, например, переходу от отрицательной к положительной полуволне) отстают на величину T-Δτ (где Т - период опорного напряжения, T/2 - Δτ - временной сдвиг, вносимый фильтрующей системой и ГА излучателем). Детектор 7 временного сдвига формирует по результату сравнения переходов через нуль опорного сигнала U и сигнала U, импульсный сигнал, пропорциональный (например, по длительности) Δτ. В соответствии с этим сигналом запоминающее устройство 6 формирует сигнал S, который поступает на вход управления схемы 5 задержки. При этом схема 5 задержки осуществляет задержку опорного сигнала на временной интервал Δτ. Тем самым суммарная задержка сигнала, вносимая ГА излучателем 4, фильтрующей системой 3, инвертирующим ключевым усилителем 2 и схемой 5 задержки обеспечивается равной периоду Т генерируемого колебания, что соответствует суммарному фазовому сдвигу электрического сигнала U относительно опорного, равному 2π.
0
4
2
В установившемся режиме работы переходы через нуль опорного сигнала U и сигнала обратной связи U совпадают и сигнал на выходе детектора 7 временного сдвига равен нулю. При этом выходной сигнал S запоминающего устройства 6 не изменяется, что соответствует задержке опорного сигнала схемой 5, компенсирующей фазовый сдвиг, вносимый резонансной фильтрующей системой 3.
4
1
2
2
При воздействии дестабилизрующего фактора (например, изменении генерируемой частоты либо изменении импеданса излучателя) изменяется фаза электрического колебания на входе излучателя U и соответственно на входе датчика сигнала обратной связи. Это приводит к формированию сигнала S детектором временного сдвига, в соответствии с которым возрастает либо уменьшается сигнал S на выходе запоминающего устройства. Пропорционально сигналу S изменяется длительность задержки опорного сигнала блоком 5, чем обеспечивается компенсация фазового сдвига, обусловленного воздействием дестабилизирующего фактора.
Таким образом, в предлагаемом устройстве обеспечивается компенсация фазового сдвига, вносимого фильтрующей системой и излучателем, посредством введения дополнительной задержки опорного сигнала на величину, соответствующую фазовому сдвигу 2π.
Тем самым осуществляется заявляемый способ генерации ГА сигнала в заданной фазе, что позволяет использовать его в многоканальных передающих трактах для формирования заданного фазового распределения сигналов на многоканальной системе излучателей. При этом, использование предлагаемого способа и устройства для его осуществления позволяют подучить достаточно узкую диаграмму направленности и тем самым значительно повысить дальность и точность обнаружения объектов в режимах гидролокации и миноискания, а также увеличить избирательность и скрытность передачи сообщений в режимах звукоподводной связи.
Введение в состав заявляемого устройства совокупности новых блоков и связей позволяет осуществить предлагаемый способ генерации ГА сигнала и тем самым обеспечить высокую стабильность (до 1°…3°) фазы выходного сигнала, тогда как в устройстве и способе-прототипе нестабильность фазы может превышать ±30…60°. Указанное преимущество предлагаемого способа и устройства для его осуществление позволяет существенно улучшить основные тактико-технические показатели ГА систем локации и связи.
На предприятии собран макет и проведены испытания устройства, осуществляющего предлагаемый способ генерации, результаты которых подтвердили преимущества заявляемого технического решения по сравнению с известными.