МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ АНТЕННЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ ДИСКРЕТНЫЙ ЦИФРОВОЙ МОДУЛЬ Российский патент 2017 года по МПК H04R1/44 

Изобретение относится к области гидроакустики, а более конкретно к элементам гидроакустических антенн шумопеленгования, и может быть использовано в дискретных линейных или двумерных плоских антенных решетках, в том числе и фазированных.

Известен антенный модуль с цифровым выходом, выполненный конструктивно в виде единого модуля, совмещающего функции приема гидроакустических сигналов и функции предварительной обработки сигналов: усиление аналоговых сигналов, их фильтрацию и преобразование аналогового сигнала в цифровой код [1]. Гидроакустические преобразователи закреплены на несущем плоском основании, на тыльной части которого размещен герметичный аппаратурный контейнер с блоком обработки сигналов, в горловинах на тыльной части блока гидроакустических преобразователей и соединяющейся с ней частью аппаратурного контейнера размещены гермовводы с соответствующими частями входных электрических соединителей, обеспечивающие при установке контейнера на блок гидроакустических преобразователей автоматическое электрическое соединение блока гидроакустических преобразователей с аппаратурным контейнером, соединение аппаратурного контейнера с выходным кабелем осуществляется через установленный в горловине тыльной части контейнера аналогичный входному гермовводу с электрическим соединителем, ответная часть которого находится в корпусе герметичного кабельного ввода выходного кабеля.

Недостатками этого антенного модуля является то, что

- соединение гидроакустических датчиков с блоком обработки сигналов осуществляется кабельными линиями;

- герметизация модуля осуществляется отдельно для гидроакустических преобразователей и для аппаратурного контейнера;

- блок обработки сигналов, корпус контейнера, гермовводы, электрические соединители и элементы герметизации занимают большой объем;

- большое количество разнородных элементов конструкции приводит к усложнению изготовления в серийном производстве;

- гидроакустические преобразователи имеют разброс характеристик до 10% и малоэффективны при преобразовании спектра воздействия в области низких частот в широкой полосе частот.

- гидроакустические преобразователи дороги и сложны в изготовлении.

Известна также гибкая протяженная гидроакустическая цифровая антенна [2], принятая за прототип.

Гибкая протяженная гидроакустическая цифровая антенна содержит силовой элемент типа кевларового троса, кабель питания и кабель линии связи с изоляцией из полимерного материала, чувствительные элементы в виде пар одинаковых пьезопленочных преобразователей с противоположной поляризацией и электронные блоки, расположенные с определенным интервалом вдоль антенны, причем каждый электронный блок подключен к кабелю питания и содержит размещенные на плате последовательно соединенные дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок подготовки и передачи информации, при этом входы дифференциальных усилителей соединены с соответствующими выходами чувствительных элементов, а выходы блоков подготовки и передачи информации соединены с линией связи, силовой трос размещен в центре антенны, кабель питания и кабель линии связи выполнены каждый из двух витых проводников, в промежутках между отрезками пар кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала расположены платы электронных блоков, а все элементы антенны помещены во внешнюю кабельную оболочку, заполненную герметизирующим электроизоляционным материалом в качестве герметизирующего электроизоляционного материала использована резиновая смесь на основе каучука.

Недостатками этого устройства, обусловленными использованием отрезков круглых жил кордовых элементов и пьезопленочных преобразователей, являются большой диаметр и вес модуля из-за использования кабельных соединений между элементами модуля, снижения эффективности преобразования в низкочастотной области спектра воздействий, при измерениях в низкочастотной области чувствительность пьезопленочных преобразователей резко падает за счет утечек выходного сигнала, обусловленных конечным значением выходного сопротивления пьезопреобразователя и конечного значения входного сопротивления первого каскада электронного усилителя, низкой идентичности чувствительных элементов (на уровне 10%), зависимости электроакустических характеристик модуля от изменения статического давления и температуры. Кроме того, такая антенна имеет сложную конструкцию, не технологична, ее изготовление и сборка трудоемки при серийном производстве из-за большого числа разнокалиберных деталей и технологических процессов.

Задачей изобретения является разработка многоэлементного антенного линейного дискретного цифрового модуля с улучшенными характеристиками направленности модуля.

Технический результат заключается в повышении эффективности работы модуля в низкочастотной области спектра воздействия.

Дополнительным преимуществом разработанного изобретения является снижение затрат при изготовлении и тиражировании модуля, обеспечение идентичности каналов и, как следствие, улучшение характеристики направленности модуля, уменьшение массы, повышение эффективности преобразования в низкочастотной области спектра воздействия.

Для достижения указанного технического результата в многоэлементный линейный антенный дискретный цифровой модуль, содержащий приемники давления, выходы которых соединены с входами соответствующих устройств обработки сигналов, расположенные с определенным интервалом вдоль модуля. Выходы устройств обработки сигналов соединены с входами устройства передачи информации, а его выход соединен с линией связи, при этом многоэлементный линейный антенный дискретный цифровой модуль выполнен герметичным.

Новизна разработанного модуля заключается в том, что в качестве приемников давления используют емкостные датчики, установленные на печатной плате, на которой в непосредственной близости расположены устройства обработки сигнала, выполненные в виде одной микросхемы, выполняющей дополнительно функцию прямого измерения изменения емкости, при этом печатные платы закреплены к несущему основанию коробчатого типа, электропитание устройств обработки сигналов и приемника давления, а также подача импульса синхронизации и выходной цифровой код осуществляют по проводникам печатной платы

Конструктивно наилучший результат получается, если закрепление печатных плат выполнено с помощью держателей, приклеенных к несущему основанию, выполненному в виде коробчатой конструкции, электрическое соединение печатных плат осуществляют с помощью пайки соединителями, коробчатая конструкция заполнена герметизирующим материалом, в одну из концевых заглушек коробчатой конструкции герметично введен выходной кабель, а в качестве герметизирующего материала использован акустически прозрачный полимерный материал на основе полиуретана СУРЕЛ 27-II (ТУ 2253-027-13175942-2011).

Екостные датчики обладают простотой и компактной конструкцией, малым размером и весом, способностью функционировать в широких рабочих пределах (включая рабочий частотный и температурный диапазон), низкую цену.

От пьезопленочных датчиков емкостные датчики давления выгодно отличает высокая чувствительность к перемещениям (способность под действием акустического давления регистрировать перемещения до 10^-14 м), малый разброс значения опорной емкости, высокое разрешение на уровне первичных преобразователей (до 5⋅10^-18 Ф), малое время срабатывания, практически полное отсутствие сигнальных шумов, температурная стабильность, малое энергопотребление (3, 4).

Таким образом, обеспечивается повышение эффективности работы в низкочастотной области спектра воздействия.

Емкостные датчики легко интегрируются на печатную плату, в непосредственной близости от датчика расположена микросхема обработки сигнала. Основным назначением схемы обработки сигналов является преобразование изменений емкости под воздействием акустического давления в цифровой код.

В предложенной конструкции преобразование изменения внешнего акустического давления в изменение емкости, а изменение емкости в цифровой код осуществляется с помощью сигма-дельта АЦП.

Печатные платы с размещенными на них с определенным шагом датчиками при их соединении соединителями образуют эквидистантную антенную решетку заданного размера. Размер шага составляет половину длины волны верхней частоты заданного диапазона частот.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1. На фиг. 1 представлен пример конструктивной компоновки предлагаемого многоэлементного линейного дискретного цифрового модуля.

Предлагаемая конструкция многоэлементного антенного линейного дискретного цифрового модуля содержит некоторое количество печатных плат 1, на каждой из которых размещены два емкостных датчика 2 и микросхемы обработки сигнала 3, а на одной из них дополнительно размещена микросхема уплотнения сигналов 4, печатная плата закреплена с помощью держателей 5, приклеенных к основанию 6, выполненному в виде коробчатой конструкции швеллерного типа, электрическое соединение печатных плат осуществляется с помощью пайки соединителями 7, по торцевым концам модуля расположены глухая заглушка 8 и заглушка с отверстием 9 для кабеля 10, содержащим жилы питания, синхронизации, выходного уплотненного цифрового потока информации, конструкция герметизируется упругим акустически прозрачным полимерным материалом 11.

Подобная единая конструкция позволяет снизить затраты при изготовлении и тиражировании модуля, обеспечить высокую идентичность каналов, существенно снизить массу, повысить эффективность преобразования в низкочастотной области спектра воздействия, а при добавлении в конструкцию модуля устройства уплотнения цифрового потока снизить количество информационных жил до двух.

Конструкция герметизируется упругим акустически прозрачным полимерным материалом.

Работа заявленного антенного модуля происходит следующим образом. Гидроакустические сигналы, проходя через звукопрозрачный слой эластомера 11, воздействуют на емкостные датчики 2, вызывая изменение значения емкости, которое преобразуется в изменение тока на входе микросхемы 3, выполняющей функции малошумного усилителя, аналого-цифрового преобразователя и цифрового фильтра.

Цифровой код с выходов цифровых фильтров поступает на ту плату, где расположена микросхема уплотнения сигналов 4. Сигнал с этой микросхемы через кабель 10 поступает на дальнейшую обработку. Через кабель 10 на микросхемы обработки сигналов 3 и микросхему уплотнения сигналов 4 поступает напряжение питания и импульс синхронизации.

В зависимости от заданных углов обзора и диапазона частот геометрическое расположение емкостных датчиков в антенной решетке обеспечивает возможность формирования веера о дно лучевых характеристик направленности.

Результаты испытаний макета, заявленного многоэлементного антенного модуля, демонстрируют уменьшение поперечных габаритов и массы модуля в 5 раз по сравнению с прототипом, повышение эффективности работы в низкочастотной области спектра воздействия, снижение зависимости от изменения статического давления и температуры. Компоновка модуля с помощью деталей одного типа позволяет снизить трудозатраты при ее тиражировании и изготовлении, повысить технологичность особенно при серийном производстве.

Источники информации

1. Патент РФ №2366104, МПК H04R 1/44.

2. Патент РФ №2426146, МПК G01S 7/52, 15/00.

3: Компоненты и технологии №4, 2006 г. kit-e.ru.

4. http://fb.ru/article/164324/emkostnoy-datchik-ustroystvo-i-printsip-rabotyi-emkostnyie-datchiki-primenenie

Изобретение относится к элементам гидроакустических антенн шумопеленгования и может быть использовано в дискретных линейных или двумерных плоских антенных решетках, в том числе и фазированных. Многоэлементный линейный антенный дискретный цифровой модуль, содержащий приемники давления, выходы которых соединены с входами соответствующих устройств обработки сигналов, расположенные с определенным интервалом вдоль модуля, причем выходы устройств обработки сигналов соединены с входами устройства передачи информации, а его выход соединен с линией связи, при этом многоэлементный линейный антенный дискретный цифровой модуль выполнен герметичным. В качестве приемников давления используют емкостные датчики, установленные на печатной плате, на которой в непосредственной близости расположены устройства обработки сигнала, выполненные в виде одной микросхемы, выполняющей дополнительно функцию прямого измерения изменения емкости, при этом печатные платы закреплены к несущему основанию коробчатого типа, при этом по проводникам печатной платы осуществляют электропитание устройств обработки сигналов и приемника давления, подачу импульса синхронизации и выходной цифровой код. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности преобразования в низкочастотной области спектра воздействия. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Многоэлементный линейный антенный дискретный цифровой модуль, содержащий приемники давления, выходы которых соединены с входами соответствующих устройств обработки сигналов, расположенные с определенным интервалом вдоль модуля, причем выходы устройств обработки сигналов соединены с входами устройства передачи информации, а его выход соединен с линией связи, при этом многоэлементный линейный антенный дискретный цифровой модуль выполнен герметичным отличающийся тем, что в качестве приемников давления используют емкостные датчики, установленные на печатной плате, на которой в непосредственной близости расположены устройства обработки сигнала, выполненные в виде одной микросхемы, выполняющей дополнительно функцию прямого измерения изменения емкости, печатные платы закреплены к несущему основанию коробчатого типа, при этом по проводникам печатной платы осуществляют электропитание устройств обработки сигналов и приемника давления, подачу импульса синхронизации и выходной цифровой код.

2. Антенный модуль по п. 1 отличающийся тем, что закрепление печатных плат выполнено с помощью держателей, приклеенных к несущему основанию, выполненному в виде коробчатой конструкции, электрическое соединение печатных плат осуществляется с помощью пайки соединителями, коробчатая конструкция заполнена герметизирующим материалом, а в одну из концевых заглушек коробчатой конструкции герметично введен выходной кабель

3. Антенный модуль по п. 1, отличающийся тем, что в качестве герметизирующего материала использован акустически прозрачный полимерный материал на основе полиуретана.