Ключевое радиопередающее устройство
KEY RADIO TRANSMITTER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области генерирования и излучения радиосигналов в системах связи, радионавигации и цифрового радиовещания.
Уровень техники
Известны радиопередающие устройства (РПдУ) (фиг. 1), в которых для получения в антенне требуемого уровня мощности излучаемого сигнала входящие в их состав усилители мощности реализуют в виде совокупности относительно маломощных модулей, выходные сигналы (мощности) которых складываются путем последовательного или параллельного соединения выходных цепей этих модулей [1]. Для отключения неисправных модулей в схеме на фиг. 1 используются размыкатели, посредством которых сигнал возбуждения снимается с управляющих электродов генераторных ламп.
Недостатком данных радиопередающих устройств является то, что при отключении одного или нескольких неисправных модулей их колебательные контуры остаются связанными с нагрузочным контуром и не только изменяют его настройку, что приводит к возрастанию рассеиваемой мощности в генераторных лампах продолжающих функционировать модулей, но и превращаются в потребителей мощности нагрузочного контура, что вызывает снижение КПД усилителя мощности в целом, а также появление перенапряжений и перегрузок по току в элементах этих колебательных контуров.
1
N
1
N
1
N
Известно радиопередающее устройство (фиг. 2) [2], построенное на основе модульного принципа, в котором для повышения коэффициента полезного действия (КПД) усилитель мощности выполнен в виде совокупности модулей(2-2) (см. фиг. 2), работающих в ключевом режиме. При этом каждый ключевой модуль содержит мостовую схему на полевых транзисторах (9-12) и узел управления указанными транзисторами (13-13), вход которого служит управляющим входом ключевого модуля, входная диагональ мостовой схемы подключена к входам ключевого модуля, а к выходной диагонали подключена первичная обмотка трансформатора (14-14), вторичные обмотки трансформаторов всех модулей соединены в последовательную цепочку, один вывод которой через согласующий элемент(7) подключен к антенне (6), а второй вывод через датчик тока (8) заземлен, выход датчика тока подключен к входу блока управления (5). Количество ключевых модулей N выбирается из условия получения в антенне требуемой мощности и может быть достаточно большим (N≥12).
К недостаткам данного радиопередающего устройства следует отнести:
1
N
1) в вышедших из строя ключевых модулях из набора модулей (2-2) трансформаторы остаются включенными в контур, состоящий из элемента согласования (7) и антенны (6), при этом их индуктивности намагничивания приводят к изменению настройки контура нагрузки и нарушению работы радиопередающего устройства;
1
N
1
N
1
N
2) вышедшие из строя ключевые модули из набора модулей (2-2) остаются подключенными к источнику питания (1) и соответствующему накопительному конденсатору из набора конденсаторов (4-4). При этом если причиной нарушения работоспособности модулей был пробой любого из транзисторов в мостовой схеме, образованной транзисторами (9-12), то в этих модулях будут протекать токи короткого замыкания (так называемые «сквозные» токи), которые обусловлены разрядом накопительного конденсатора (4) через одновременно открытые пары транзисторов (9)-(11) и/или (10)-(12) на землю. Поскольку токи короткого замыкания достигают очень большой величины, во много раз превышающей допустимый ток транзисторов, то они способны вывести из строя остававшиеся до этого исправными транзисторы соответствующего ключевого модуля, в котором возникла неисправность, а также источник питания (1) и соответствующие накопительные конденсаторы из набора конденсаторов (4-4);
3) при большом количестве ключевых модулей процесс определения вышедших из строя транзисторных ключей требует больших затрат времени.
Указанные выше недостатки приводят к снижению надежности радиопередающего устройства, а также обуславливают большие затраты времени и средств на выявление вышедших из транзисторных ключей и восстановление работоспособности радиопередающего устройства.
Наиболее близким по техническому существу аналогом, выбранным в качестве прототипа к заявке на изобретение, является радиопередающее устройство (фиг. 3) [3], включающее усилитель мощности, формирующий амплитудно-модулированные навигационные сигналы в соответствии со спецификацией системы Loran, а также обеспечивающий рекуперацию энергии в источник питания из электрически короткой антенны с повышенной добротностью. Радиопередающее устройство содержит (фиг. 3): источник входного сигнала (100), возбудитель/модулятор (102), источник радиочастотного сигнала (104), усилитель (106), устройство сложения сигналов (108), фильтр гармоник (110), антенну (112), контроллер (114), источник питания (118).
Усилитель (106) состоит из набора модулей (фиг. 4), количество которых равно N. К выходам каждого из модулей подключена первичная обмотка трансформатора, а вторичные обмотки группы из N трансформаторов, образующей устройство сложения сигналов (108), соединены в последовательную цепь и подключены к фильтру гармоник (110) и антенне (112). Модули (121)-(126) усилителя (106) выполнены по мостовой схеме (фиг. 5) и включают: транзисторы 650, 660, 670, 680; трансформаторы 630 и 640, обеспечивающие гальваническую развязку транзисторов верхних плеч моста; блок управления 602 с четырьмя входами, соответственно, (604), (606), (608) и (610), и выходами для управления транзисторами (по количеству транзисторов в мосте).
Недостатки данного радиопередающего устройства:
1) при выходе из строя любого из N модулей (121)-(126) (фиг. 4) трансформатор этого модуля остается включенным в цепь, образованную последовательно-соединенными вторичными обмотками трансформаторов других модулей, фильтром гармоник (110) и антенной (112), что приводит к изменению настройки контура нагрузки и искажению формы выходного сигнала. В совокупности оба указанных обстоятельства служат причиной нарушения работы радиопередающего устройства;
2) вышедшие из строя модули из набора N модулей (121)-(126) (фиг. 4) остаются подключенными к источнику питания посредством вывода 600 (фиг. 5), поскольку никаких средств защиты в усилителе (106) не предусмотрено. При этом если причиной нарушения работоспособности модулей был пробой любого из транзисторов в мостовой схеме (фиг. 5), то в этих модулях будут протекать токи короткого замыкания, которые могут привести к выходу из строя источника питания (118) (фиг. 3) и, в конечном итоге, нарушить работу радиопередающего устройства;
3) поскольку блок управления (602) (фиг. 5) не имеет входов, по которым к нему могла бы поступать информация о состоянии транзисторов, при большом количестве модулей процесс определения вышедших из строя транзисторных ключей требует больших затрат времени.
Указанные выше недостатки приводят к снижению надежности радиопередающего устройства, а также обуславливают большие затраты времени и средств на выявление вышедших из транзисторных ключей и восстановление работоспособности радиопередающего устройства.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является:
- повышение надежности радиопередающего устройства путем защиты усилительных модулей, входящих в состав усилителя мощности, от перегрузки по току и сохранения его работоспособности за счет отключения вышедших из строя усилительных модулей от общего источника питания и общей нагрузочной цепи;
- снижение затрат времени и средств при восстановлении работоспособности усилителя мощности радиопередающего устройства за счет автоматизации процедуры выявления вышедших из строя усилительных модулей.
Поставленная задача достигается тем, что в радиопередающем устройстве, содержащем источник питания, блок управления радиопередающим устройством, N усилительных модулей, выполненных по мостовой схеме из ключевых элементов и в совокупности образующих его усилитель мощности, каждый из которых имеет два вывода по цепи питания и два выходных вывода, а также входы управления по числу ключевых элементов в мостовой схеме, блоки управления усилительными модулями по числу этих модулей, трансформаторы, число которых также равно количеству усилительных модулей, при этом первичные обмотки трансформаторов подключены к выходным выводам каждого усилительного модуля, а вторичные обмотки соединены в последовательную цепь, один вывод которой подключен к антенному согласующему устройству и антенне, а второй вывод, с которого снимается сигнал на датчик тока, заземлен, согласно изобретению в состав радиопередающего устройства в количестве, равном числу входящих в него усилительных модулей, введены блоки защиты усилительных модулей от перегрузок, блоки контроля исправности усилительных модулей и электрические реле, при этом пара, состоящая из блока защиты усилительного модуля от перегрузок и блока контроля исправности усилительного модуля, включена между источником питания и входом питания усилительного модуля, а входные и выходные выводы силовой цепи этих блоков соответственно соединены между собой, входы управления каждой пары соединенных между собой блоков защиты усилительных модулей от перегрузок и блоков контроля исправности усилительных модулей подключены к соответствующим выходам связанного с ним блока управления усилительным модулем, а сигнальные выходы блоков защиты усилительных модулей от перегрузок и блоков контроля исправности усилительных модулей соединены с соответствующими входами связанного с ним блока управления усилительным модулем, дополнительные входы которого соединены с выходами ключевых элементов, выходные контакты каждого электрического реле подключены параллельно первичной обмотке трансформатора соответствующего усилительного модуля, а вход управления электрического реле соединен с соответствующим выводом блока управления данным усилительным модулем.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлены последовательная (а) и параллельная (б) схемы сложения мощностей усилительных модулей [1], на которых:
1
i
N
Л, …, Л, …, Л - генераторные приборы усилительных модулей;
В - возбудитель;
н
н
С, r - емкость и сопротивление контура нагрузки;
L, С- индуктивность и емкость колебательных контуров усилительных модулей;
св
Z - катушки связи, предназначенные для согласования усилительных модулей с нагрузкой.
На фиг. 2 представлена схема радиопередающего устройства для длинноволновой станции дальней радионавигации, в которой;
1 - источник питания;
1
N
2-2 - ключевые модули;
1
N
3-3 - развязывающие вентили;
1
N
4-4 - накопительные конденсаторы;
5 - блок управления;
6 - антенна;
7 - согласующий элемент;
8 - датчик тока;
9 - 12 - полевые транзисторы;
1
N
13-13 - узел управления полевыми транзисторами;
1
N
14-14 - трансформаторы.
На фиг. 3 - радиопередающее устройство, генерирующее навигационные сигналы в соответствии со спецификацией системы Loran, в котором:
100 - источник входного сигнала;
102 - возбудитель/модулятор;
104 - источник радиочастотного сигнала;
106 - усилитель;
108 - устройство сложения сигналов;
110 - фильтр гармоник;
112 - антенна;
114 - контроллер;
118 - источник питания.
На фиг. 4 представлен усилитель радиопередающего устройства, построенный по принципу сложения мощностей N модулей, включающий 106 - усилитель радиопередающего устройства;
121-126 - модули 1…N, входящие в состав усилителя, к выходам каждого их которых подключен индивидуальный трансформатор;
110 - фильтр гармоник;
112 - антенна.
На фиг. 5 - модуль усилителя (106). Обозначения на рисунке
126 - модуль усилителя (количество модулей равно N);
600 - вывод для подключения к источнику питания;
602 - блок управления;
604 - вход для радиочастотного управляющего сигнала;
606 - вход для сигнала, разрешающего работу модуля;
608 - вход для сигнала, останавливающего работу модуля
610 - вход для сигнала фазирования (сигнала тактовых импульсов);
630, 640 - трансформаторы;
650, 660, 670, 680 - транзисторы.
На фиг. 6 представлена блок-схема ключевого радиопередающего устройства с защитой от перегрузок и автоматическим контролем исправности усилительных модулей, включающая:
1 - источник питания;
2 - блок управления РПдУ;
3.1-3.N - усилительные модули;
4 - ключевые элементы;
5 - усилитель мощности РПдУ;
6.1-6.N - блоки управления усилительными модулями;
7.1-7.N - трансформаторы;
8 - антенное согласующее устройство;
9 - антенна;
10 - датчик тока;
11.1-11.N - блоки защиты усилительных модулей от перегрузок;
12.1-12.N - блоки контроля исправности усилительных модулей;
13.1-13.N - электрические реле.
Блок-схема предлагаемого устройства представлена на (фиг. 6). Устройство содержит: источник питания (1), блок управления радиопередающим устройством (2), усилитель мощности (5), состоящий из усилительных модулей (3.1-3.N) с ключевыми элементами (4), каждый из которых состоит из драйвера и транзистора, блоки управления усилительными модулями (6.1-6.N), трансформаторы (7.1-7.N), антенное согласующее устройство (8), антенну (9), датчик тока (10). Для достижения указанной выше цели в радиопередающее устройствов количестве, равном числу усилительных модулей, дополнительно введены:
- блоки защиты усилительных модулей от перегрузок (11.1-11.N),
- блоки контроля исправности усилительных модулей (12.1-12.N),
- электрические реле (13.1-13.N).
Каждый усилительный модуль (3.1)-(3.N) выполнен по мостовой схеме и имеет два вывода по цепи питания и два выходных вывода для подключения к нагрузочной цепи, а также входные и выходные выводы управления по числу ключевых элементов в мостовой схеме. Выходные выводы каждого усилительного модуля (3.1)-(3.N) подключены к первичной обмотке трансформатора (7.1-7.7N), число которых равно количеству усилительных модулей, при этом параллельно каждой первичной обмотке подключено электрическое реле (13.1-13.N), вход управления которого соединен с соответствующим выводом блока управления данным усилительным модулем (6.1-6.N). Вторичные обмотки трансформаторов соединены в последовательную цепь, один вывод которой подключен к антенному согласующему устройству (8) и антенне (9), а второй вывод, с которого снимается сигнал на датчик тока (10), заземлен. Входы управления ключевых элементов (4) каждого из модулей (3.1)-(3.N) подключены к соответствующим выходам блоков управления усилительными модулями (6.1-6.N). Выходы ключевых элементов (4) подключены к соответствующим входам блоков управления усилительными модулями (6.1)-(6.N) и служат для передачи сигналов о перегрузке транзисторов. Блок управления радиопередающим устройством (2) имеет N выходов и N входов, каждый из которых соединен соответственно со входом и выходом одного из блоков управления усилительными модулями (6.1-6.N). Кроме того, блок управления радиопередающим устройством (2) имеет дополнительный вход, который соединен с выходом датчика тока (10) и служит для контроля параметров излучаемого сигнала. Силовые входы блоков защиты усилительных модулей от перегрузок (11.1-11.N) и блоков контроля исправности усилительных модулей (12.1-12.N) подключены к выходу источника питания (1), а соответствующие пары соединенных между собой силовых выходов этих блоков подключены к первому выводу цепи питания каждого из усилительных модулей (3.1)-(3.N), вторые выводы по цепи питания которых заземлены. Входы управления каждой пары блоков защиты усилительных модулей от перегрузок (11.1-11.N) и блоков контроля исправности усилительных модулей (12.1-12.N) подключены к соответствующим выходам связанного с ним блока управления усилительным модулем (6.1-6.N). Сигнальные выходы блоков защиты усилительных модулей от перегрузок (11.1-11.N) соединены с соответствующими входами связанного с ним блока управления усилительным модулем (6.1-6.N) и служат для передачи сигналов о срабатывании блоков защиты вследствие возникшей перегрузки по току. Сигнальные выходы блоков контроля исправности усилительных модулей (12.1-12.N) соединены с соответствующими входами связанного с ним блока управления усилительным модулем (6.1-6.N) и предназначены для передачи сигналов, формируемых в процессе автоматического тестирования ключей (4) в соответствующем усилительном модуле из набора модулей (3.1)-(3.N), по результатам обработки которых блок управления усилительным модулем (6.1-6.N) принимает решение о том, является ли тестируемый модуль исправным или он вышел из строя.
Повышение надежности радиопередающего устройства достигается путем защиты усилительных модулей (3.1)-(3.N) от перегрузки по току и сохранения работоспособности усилителя мощности (5) за счет отключения вышедших из строя усилительных модулей с помощью блоков (11.1-11.N) от общего источника питания (1) и с помощью электрических реле (13.1-13.N) - от общей нагрузочной цепи, образованной трансформаторами (7.1-7.N), антенным согласующим устройством (8) и антенной (9). Это позволяет радиопередающему устройству продолжать формирование сигналов на пониженном уровне мощности.
Снижение затрат времени и средств при восстановлении работоспособности усилителя мощности (5) радиопередающего устройства достигается за счет автоматизации процедуры выявления вышедших из строя усилительных модулей за счет применения блоков контроля исправности усилительных модулей (12.1-12.N), передающих сигналы с результатами автоматического тестирования ключей (4) в соответствующем усилительном модуле из набора модулей (3.1)-(3.N) в соответствующий блок управления усилительным модулем (6.1-6.N), который затем передает их в блок управления радиопередающим устройством (2).
Осуществление изобретения
Устройство работает следующим образом.
С выхода блока управления радиопередающим устройством (2) (фиг. 6) сигналы управления поступают на входы блоков (6.1-6.N), осуществляющих формирование по заданному алгоритму сигналов управления усилительными модулями (3.1-3.N), блоками защиты усилительных модулей от перегрузок (11.1-11.N), блоками контроля исправности усилительных модулей (12.1-12.N), а также электрическими реле (13.1-13.N).
Сигналы, поступающие с одного из выходов блоков управления (6.1-6.N) на соответствующие входы блоков защиты усилительных модулей от перегрузок (11.1-11.N), переводят их во включенное состояние и напряжение источника питания (1) через блоки (11.1-11.N) подается на силовые входы усилительных модулей (3.1-3.N). Сигналы управления, сформированные по заданному алгоритму, поступают с четырех других выходов каждого из блоков управления (6.1-6.N) на входы ключевых элементов (4), состоящих из драйвера и транзистора, соответствующих усилительных модулей (3.1-3.N).
При поступлении напряжения от источника питания (1) через открытые блоки защиты от перегрузок (11.1-11.N) в усилительные модули (3.1-3.N), куда также поступают сигналы управления ключевыми элементами (4), последние начинают переключаться в заданной последовательности, которая определяется алгоритмом, задаваемым устройствами управления ключевыми модулями (6.1-6.N) и к первичным обмоткам трансформаторов (7.1-7.N) прикладываются усиленные по мощности сигналы, которые передаются во вторичные обмотки, где происходит их сложение. Контакты электрических реле (13.1-13.N) при этом разомкнуты.
Усиленный по мощности сигнал, параметры которого задаются блоком управления радиопередающим устройством (2) и алгоритмом управления ключевыми элементами (4), реализуемым в блоках управления ключевыми модулями (6.1-6.N), через антенное согласующее устройство (8) поступает в антенну (9) и излучается. Контроль параметров излученного сигнала осуществляется блоком управления радиопередающим устройством (2), куда по цепи обратной связи поступает напряжение с выхода датчика тока (10), включенного в цепь антенны (9).
В штатном режиме работы усилителя мощности (5) блоки защиты усилительных модулей от перегрузок (11.1-11.N) не блокируют подачу напряжения питания от источника питания (1) в усилительные модули (3.1-3.N), а контакты электрических реле (13.1-13.N) находятся в разомкнутом состоянии, обеспечивая передачу усиленных по мощности сигналов из соответствующих модулей во вторичные обмотки трансформаторов (7.1-7.N).
При возникновении перегрузки ключевых элементов (4) по току в любом из усилительных модулей (3.1-3.N), например, в модуле с номером (3.x), с выхода ключевых элементов (4) этого модуля соответственно на вход блока управления (6.x) передается импульс, при поступлении которого устройство управления этим модулем (6.x) вырабатывает сигнал, обеспечивающий быстродействующую блокировку подачи напряжения питания от источника питания (1) к ключевым элементам (4) модуля (3.x) с помощью блока защиты (11.x). Кроме того, блоки защиты усилительных модулей от перегрузок (11.1-11.N) отключат соответствующий усилительный модуль (3.1-3.N) в случае пробоя любого из ключевых элементов (4), поскольку это повлечет за собой возрастание тока, потребляемого от источника питания (1) вследствие короткого замыкания в этом модуле. При этом с выхода сработавшего в результате возрастания потребляемого тока блока защиты усилительных модулей от перегрузок (11.x) на соответствующий вход связанного с ним блока управления усилительным модулем (6.x) поступит сигнал о возникшей перегрузке по току.
После срабатывания блока защиты (11.x) поступающий с выхода устройства управления модулем (6.x) сигнал переводит контакты электрического реле (13.x) в замкнутое состояние, что позволяет зашунтировать первичную обмотку трансформатора (7.x) и сохранить неизменным согласование антенны (9) с помощью антенного согласующего устройства (8). Таким, образом, при возникновении перегрузки в усилительном модуле (3.x) он отключается от общего источника питания и общей нагрузочной цепи (антенны), не нарушая работу оставшихся усилительных модулей, что позволяет радиопередающему устройству продолжать формирование сигналов на пониженном уровне мощности.
После срабатывания блока защиты (11.х), защитившего ключевые элементы (4) усилительного модуля (3.x) от перегрузки, с выхода устройства управления (6.x) на вход блока контроля исправности усилительных модулей (12.x) поступает сигнал управления, запускающий процедуру определения работоспособности ключевых элементов (4) этого усилительного модуля.
При определении хотя бы одного вышедшего из строя ключевого элемента в модуле (3.x) его блок управления (6.x) передает сигнал в устройство управления радиопередающим устройством (2), означающий, что усилительный модуль (3.x) вышел из строя и подлежит замене.
Источники информации
1. Заенцев В.В., Катушкина В.М., Лондон С.Е., Модель З.И. Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний / Под ред. З.И. Моделя. М: Сов. Радио. 1980, стр. 6 и рис. 1.1. УДК 621.37/39.
2. Патент №148832 на полезную модель «Радиопередающее устройство для длинноволновой станции дальней радионавигации» Н04В 1/38. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей 05.06.2015. Дата публикации: 27.06.2015.
3. HardyT., CovillD.Amplifierprovidingpowerrecoveryfromanarrow-bandantenna / Pub.No.: US 2009/0289710 A1. Pub. Date: Nov. 26, 2009. Int. C1. H03F 3/217 (2006.01). US. C1. 330/251.