Параметрический передающий тракт

Изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для использования в передающей аппаратуре гидроакустических комплексов, работающих в режимах гидролокации, миноискания и т.д.
Известны передающие тракты (ПТ), предназначенные для возбуждения в гидроакустической антенне низкочастотного (НЧ) сигнала, который после прохождения в среде и отражения от цели обрабатывается приемным устройством. Достоинством известных трактов является применение ключевых усилителей мощности, чем обеспечивается их эффективная работа и удовлетворительные массогабаритные характеристики передающей аппаратуры. Вместе с тем такие передающие тракты имеют общий недостаток, связанный с необходимостью излучения НЧ сигнала, что требует использования излучаюшей гидроакустической антенны большого габарита. Диаграмма направленности такой антенны имеет широкий лепесток (до 30°), что ухудшает скрытность излучения и понижает точность обнаружения цели гидроакустической станции (ГАС), основанной на применении ПТ такого типа.
Известны принципы построения параметрических ИГ, например, описанные в книгах П.Т. Мюир и другие Акустика дна океана, М.: Мир, 1984, с. 287-289; Б.К. Новиков, О.В. Руденко, В.И. Тимошенко. Нелинейная гидроакустика. Ленинград. Судостроение, 1961, с. 138-146. В параметрических передающих трактах излучается высокочастотный (ВЧ) сигнал, НЧ огибающая которого выделяется в среде, вследствие ее нелинейных свойств, в виде НЧ сигнала. В этом случае для излучения сигнала используется ВЧ гидроакустические антенны небольшого габарита, а диаграмма направленности НЧ излучения, формируемая в среде, имеет узкий лепесток (порядка 3…5°), чем обеспечивается скрытность излучения и высокая точность обнаружения цели.
Для реализации параметрических передающих трактов могут быть использованы известные устройства, например, описанные в пат. США №№4008427, 4190882, А.С. СССР №1354388, пат. Великобритании №1.596.378 с раздельным усилением НЧ огибающей и ВЧ составляющих выходного сигнала. Известные устройства содержат ключевой регулятор напряжения, усиливающий НЧ сигнал огибающей, выходное напряжение которого подается на шину электропитания ключевого усилителя ВЧ сигнала, чем обеспечивается формирование амплитудно-модулированного сигнала на выходе согласующего устройства, подключенного к нагрузке. Достоинством таких устройств является использование ключевых звеньев преобразования для реализации параметрического режима работы ПТ. Однако необходимость включения двух таких звеньев (ключевого регулятора и ключевого усилителя) заметно ухудшает массогабаритные характеристики передающей аппаратуры, основанной на методе раздельного усиления НЧ и ВЧ составляющих выходного сигнала. К недостаткам устройств такого типа следует также отнести их направленность на формирование амплитудно-модулированного сигнала, менее эффективного для параметрического режима работы, чем бигармонический сигнал (см. книгу Б.К. Новиков, О.В. Руденко, В.И. Тимошенко. Нелинейная гидроакустика, Ленинград, Судостроение, 1981, с. 138-146).
1
2
0
нч
Бигармонический сигнал (сигнал биений) представляется в виде суммы двух колебаний с частотами ω и ω, симметрично сдвинутыми относительно центральной ω на величину Ω
где:
m - относительная амплитуда колебаний.
Низкочастотная огибающая сигнала биений 2m/cosΩt/ имеет широкий спектральный состав, что затрудняет ее формирование ключевым регулятором с ограниченной полосой частот выходного сигнала. В силу этого известные устройства с раздельным усилением обладают повышенными искажениями при формировании на нагрузке сигнала биений.
Известен передающий тракт, работающий на сканирующую передающую антенну, описанный в пат. США №4190818.
Известный параметрический передающий тракт содержит источник НЧ сигнала, выпрямитель, двухканальный широтно-импульсный модулятор, выходы которого через фазовращатели, управляемые переходами через ноль НЧ сигнала, поступают на входы ключевых усилителей, соединенных через суммирующее и согласующее устройство со входами передающей антенны.
Достоинством известного устройства является формирование сигнала биений непосредственно на выходе ключевого усилителя без дополнительных звеньев ключевого преобразования электроэнергии, что позволяет обеспечить наилучшие массогабаритные характеристики передающей аппаратуры. К недостаткам известного устройства следует отнести повышенный уровень комбинационных составляющих сигнала с частотами осцилляции , проникающих в область низких частот от 0 до 2Ω. Наличие таких составляющих приводит к дополнительному ненаправленному излучению НЧ составляющих, что значительно ухудшает скрытность работы ГАС.
К факторам, определяющим повышенный уровень таких составляющих в выходном сигнале известного устройства, следует отнести нелинейность амплитудной характеристики, вызванную наличием выпрямителя в цепи прохождения сигнала, неидеальностью широтно-импульсного преобразования и наличием нелинейного внутреннего сопротивления ключевых элементов усилителя и конечным временем их переключения.
Последний фактор усугубляется возможностью реализации в известном устройстве только последовательного электрического сложения мощности каналов ключевого усилителя, что соответствует максимальным комбинационным НЧ искажениям, уровень которых достигает -40…-36 дБ.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является передающий тракт, описанный в заявке №62-21402, Япония, МКИ H03C 1/00, реализующий формирование на нагрузке амплитудно-модулированного сигнала посредством суммирования сигнала биений с колебанием центральной частоты.
0
Устройство-прототип (фиг. 1) содержит генератор 1 импульсов центральной частоты ω, симметричный фазоимпульсный модулятор 2, фазосдвигающую цепь 3, четыре ключевых усилителя 4,5,6,7, два двухканальных сумматора 8,9. Применительно к использованию известного устройства в гидроакустическом ПГ в нем по известным правилам могут быть использованы двухканальные согласующие устройства 10,11, включенные между выходами сумматоров 8,9 и входом нагрузки 12. Причем нагрузка в этом случае может выполняться также двухканальной, что предполагает акустическое сложение мощности колебаний центральной частоты и сигнала биений в среде.
Устройство-прототип работает следующим образом.
1
0
Ω
Генератор 1 формирует последовательность импульсов U центральной частоты ω, которая поступает на входы симметричного фазоимпульсного модулятора 2 и фазосдвигающей цели 3. Под воздействием НЧ сигнала U(t), поступающего на вход управления модулятора 2, импульсная последовательность симметрично сдвигается по фазе и далее усиливается по мощности ключевыми усилителями 4, 5.
где  - соответственно
нормированные величины сигналов  и , как функции от аргумента t.
При изменении  для  суммарный сигнал  представляет импульсный процесс, определяющий сигнал биений (I) на выходе согласующего устройства 10.
Фазосдвигающая цепь 3 обеспечивает фазовый сдвиг импульсов на 90° и 270°, чем достигается формирование на выходах ключевых усилителей 6, 7 импульсных напряжений
0
В результате на выходе сумматора 9 формируется последовательность импульсов центральной частоты  удвоенной амплитуды с фазовым сдвигом  относительно исходного сигнала . Это напряжение приводит к возбуждению на выходе согласующего устройства II колебаний частоты ω, которые совместно с выходным сигналом биений согласующего устройства 10 приводят к формированию в нагрузке 12 колебательного процесса, амплитудно-модулированного НЧ воздействием
Использование ключевого метода усиления импульсных сигналов при отсутствии дополнительных звеньев преобразования позволяет достичь в устройстве-прототипе высоких энергетических характеристик и тем самым улучшить массогабаритные показатели ИГ.
/
0
К недостаткам устройства-прототипа следует отнести повышенные комбинационные искажения выходного сигнала, связанные с необходимостью использования фазоимпульсного модулятора, управляемого непосредственно НЧ сигналом . При этом неидеальность фазоимпульсного модулятора, реализующего функцию  приводит к значительным НЧ искажениям сигнала биений (до -30 дБ), что заметно ухудшает скрытность работы параметрического ПТ. Кроме того, в устройстве-прототипе используется электрическое сложение составляющих сигнала биений, что также связано с ростом НЧ искажений. Следует также отметить, что в известном устройстве выход сумматора 8, формирующего сигнал биений с полосой частот  (где  - верхняя частота НЧ сигнала ) необходимо согласовывать с передающей антенной(нагрузка 12), имеющей, как правило, явно выраженный резонансный характер. При  до 0,2 ω решение этой задачи затруднено, что приводит к понижению эффективности передающей аппаратуры.
Целью настоящего изобретения является уменьшение комбинационных искажений и улучшение скрытности при повышении энергетической эффективности параметрического передающего тракта.
1
2
0
Поставленная цель достигается в известном параметрическом передающем тракте, содержащем генератор импульсов, первый симметричный фазоимпульсный модулятор, подключенный выходами ко входам первого и второго ключевых усилителей, выходы которых через первый сумматор и первое согласующее устройство соединены с первым выводом нагрузки, а также третий и четвертый ключевые усилители, выходы которых через второй сумматор и второе согласующее устройство соединены со вторым выводом нагрузки, посредством введения в его состав второго симметричного фазоимпульсного модулятора и симметричного частотно-импульсного модулятора, вход которого соединен с выходом генератора импульсов, вход управления подключен к шине управления частотой сигнала биений, а выходы - к соответствующим входам первого и второго симметричных фазоимпульсных модуляторов, входы управления которых соединены с шиной управления амплитудой сигнала биений, причем выходы второго симметричного фазоимпульсного модулятора подключены ко входам третьего и четвертого ключевых усилителей. Введение в состав известного передающего тракта второго фазоимпульсного модулятора и симметричного частотно-импульсного модулятора позволило обеспечить формирование двух последовательностей импульсов с частотами ω и ω следования, симметрично сдвинутыми от центральной частоты ω на величину Ω, равную частоте сигнала биений. Это значительно упрощает согласование выходов ключевых усилителей с заданными частотными диапазонами  и  с нагрузкой, что позволяет улучшить энергетические характеристики передающего тракта. При этом изменение амплитуды колебаний отдельных частот и, соответственно, суммарного сигнала биений на нагрузке обеспечивается соответствующими симметричными фазоимпульсными модуляторами, управляемыми медленно изменяющимся напряжением, пропорциональным амплитуде НЧ сигнала, что не связано с искажениями огибающей сигнала биений. Кроме того, новая совокупность блоков и связей позволяет реализовать суммирование мощностей колебаний отдельных частот непосредственно в среде, чем также обеспечиваются минимальные комбинационные искажения сигнала биений и тем самым повышается скрытность параметрического излучения.
Предлагаемое устройство имеет отличную от прототипа совокупность вновь введенных блоков и связей, приводящую к достижению положительного эффекта и, следовательно, обладает новизной. При этом авторам и заявителю не известны технические решения, в которых бы использовались введенные в предлагаемое устройство отличительные признаки, обеспечивающие уменьшение комбинационных искажений при повышении энергетической эффективности и скрытности параметрического излучения. Таким образом, отличительные признаки заявляемого технического решения являются существенными.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства-прототипа. На фиг. 2 приведена структурная схема предлагаемого параметрического тракта, а на фиг. 3 иллюстрируются временные диаграммы сигналов, поясняющие его работу.
Предлагаемый параметрический передающий тракт (фиг. 2) содержит генератор 1 импульсов, два симметричных фазоимпульсных модулятора 2, 3, симметричный частотно-импульсный модулятор 13, четыре ключевых усилителя 4, 5, 6, 7, два сумматора 8, 9, два согласующих устройства 10, 11 и двухканальную нагрузку 12.
1
0
0
Генератор 1 импульсов предназначен для формирования импульсной последовательности U центральной частоты ω. В случае выполнения частотного модулятора на управляемых счетчиках импульсов генератор может обеспечивать формирование импульсов с частотой Nω, где N определяется разрядностью счетчиков.
13.1
13.2
1
2
0
1
2
Симметричный частотно-импульсный модулятор обеспечивает преобразование выходных импульсов генератора 1 в две импульсные последовательности U и U с частотами ω и ω, симметрично сдвинутыми относительно центральной частоты ω на величину Ω, определяемую величиной сигнала, поступающего по шине управления частотой сигнала биений. Частотно-импульсный модулятор 13 может быть выполнен, в частности, на амплитудном модуляторе и схемах выделения боковых составляющих амплитудно-модулированного сигнала. При выполнении частотно-импульсного модулятора на управляемых двоичных счетчиках импульсов в качестве управляемого сигнала используется двоичный код периодов колебаний с частотами и ω и ω.
13.1
13.2
1
2
Фазоимпульсные модуляторы 2 и 3 предназначены для симметричного сдвига по фазе импульсных сигналов U и U. Фазовый сдвиг между выходными сигналами модуляторов 2 и 3 с частотами соответственно ω и ωопределяется уровнем сигнала А, поступающего на шину управления амплитудой сигнала биений.
Ключевые усилители 4, 5, 6, 7 служат для высокоэффективного усиления по мощности выходных импульсов типа меандр фазоимпульсных модуляторов 2 и 3 с минимальными искажениями их длительности и амплитуды. Ключевые усилители выполняются на полумостовых, мостовых, либо двухтактных транзисторных усилителях, использующих ключевой режим работы полупроводниковых приборов.
4
5
6
7
1
2
Суммирующие устройства 8 и 9 предназначены для суммирования сдвинутых по фазе импульсных напряжений U, U и U, U с частотами ω и ω и относительным фазовым сдвигом , определяемым фазоимпульсными модуляторами 2 и 3. Суммирующие устройства могут быть выполнены на трансформаторах, первичные обмотки которых подключены к выходам соответствующих ключевых усилителей 4, 5 и 6, 7, а вторичные обмотки соединены последовательно.
Согласующие устройства 10, 11 предназначены для согласования выходов сумматоров 8 и 9 со входами двухканальной нагрузки, а также для компенсации ее реактивной составляющей в полосе частот  и  соответственно. В простейшем случае согласующие устройства могут быть выполнены на дросселях, индуктивность которых рассчитывается из условия резонансной частоты с емкостью нагрузки на частотах  и .
Нагрузка выполняется на двух пьезоэлектрических преобразователях, преобразующих выходные электрические сигналы, согласующих устройств в акустические колебания, сложение которых осуществляется в среде.
Предлагаемый параметрический передающий тракт работает следующим образом.
1
0
0
13.1
13.2
1
2
0
Генератор 1 импульсов формирует импульсную последовательность U центральной частоты ω (либо дополнительно частоты Nω), которая поступает на вход симметричного частотно-импульсного модулятора 13, где преобразуется в два импульсных сигнала U, U, с частотами ω и ω, сдвинутыми относительно ω на величину Ω, определяемую значением сигнала F на шине управления частотой сигнала биений.
4
5
6
7
8
9
10
11
8
9
10
11
н
1
2
Далее эти сигналы подаются на входы соответствующих фазоимпульсных модуляторов 2, 3, обеспечивающих формирование на выходах двух пар последовательностей импульсов U, U и U, U, симметрично сдвинутых по фазе на величину , определяемую уровнем сигнала А на шине управления амплитудой сигнала биений. Выходные импульсы фазоимпульсных модуляторов 2 и 3, после высокоэффективного усиления по мощности ключевыми усилителями 4, 5 и 6, 7; попарно складываются сумматорами 8 и 9, напряжения на выходе которых U и U представляют собой знакопеременные последовательности импульсов, длительность которых и, следовательно, действующее значение определяются величиной относительного фазового сдвига. Согласующие устройства 10 и 11 выделяют на входах нагрузки первые гармоники U, U импульсных напряжений U, U, амплитуда которых изменяется в соответствии с величиной  и, следовательно, определяется значением сигнала управления А. Принимая во внимание, что частотный диапазон сигналов U, U равен соответственно  и , в предлагаемом устройстве можно обеспечить значительно лучшее согласование выходов сумматоров с нагрузкой при практически полной компенсации ее реактивной составляющей, что выгодно отличает заявляемое техническое решение от известных устройств и позволяет существенно повысить энергетические характеристики передающего тракта. Так,  ( - фазовый сдвиг между выходным током и напряжением сумматоров 8 и 9) в предлагаемом устройстве обеспечивается не менее 0,8, а в устройстве-прототипе не превышает 0,6…0,7. В предлагаемом устройстве, так же, как в известном, может быть обеспечена работа на одноканальный преобразователь, что соответствует формированию суммарного импульсного напряжения , под воздействием которого на нагрузке возбуждается сигнал биений U. Вместе с тем заявляемое техническое решение обеспечивает высокоэффективную работу параметрического передающего тракта на двухканальный преобразователь, что выгодно его отличает от известных устройств. При этом сигнал биений формируется в среде в результате сложения мощности акустических колебаний с частотами ω и ω. Такой режим работы позволяет обеспечить минимальные комбинационные искажения сигнала биений, так как в этом случае через ключевые элементы усилителей 4, 5 и 6, 7 протекает ток с частотой, равной частоте их переключений, и наличие нелинейности их внутреннего сопротивления, а также инерционности переключений не приводит к появлению дополнительных НЧ составляющих в спектре выходных сигналов.
Таким образом, в предлагаемом параметрическом передающем тракте достигается существенное уменьшение искажений сигнала биений и, следовательно, улучшение скрытности его работы при известном увеличении энергетической эффективности передающей аппаратуры.
Введение в состав известного устройства новой совокупности блоков и связей позволило в предлагаемом передающем тракте обеспечить достижение положительного эффекта, выражающегося в улучшении основных технических характеристик передающей аппаратуры.
0
в
Так, если в устройстве прототипе при частотах ω = 15 кГц и Ω=3 кГц электронный КПД тракта не превышает 60%, а комбинационные искажения, проникающие в область частот менее 6 кГц, достигают 10%, то в предлагаемом устройстве при тех же условиях КДЦ достигает 85%, а комбинационные искажения обеспечиваются менее 1%, чем обеспечивается значительно более высокая скрытность параметрического излучения.
На предприятии изготовлен опытный образец предлагаемого параметрического тракта, результаты испытания которого подтвердили его преимущества по сравнению с известными устройствами.