Устройство формирования мощных широкополосных сигналов на амплитудных модуляторах Российский патент 2022 года по МПК H01Q21/29 

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в радиотехнических комплексах в длинноволновом и ультракоротковолновом дипазонах длин волн для повышения технических характеристик в части увеличения дальности обнаружения, точности определения координат целей, их скоростей, ускорений, помехоустойчивости, надежности и получения информации о габаритах и форме объекта.

Изобретение относится к технике устройств генерации мощного импульсного излучения. Сюда относятся клистроны, магнетроны, ЛОВ, генераторы на эффекте Черенкова. Наиболее близкими прототипами 1 и 2 представляемого изобретения являются мощные широкополосные устройства СВЧ диапазона описанные в работах:

- Н.В. Воробьев, В.Л. Грязнов и др. «Принцип пространственно-временного преобразования многочастотного сигнала для формирования мощных сверхширокополосных радиоимпульсов», Радиотехника, 1998 г., №2;

- Н.В. Воробьев, В.А. Грязнов и др. «Устройство формирования мощных широкополосных импульсных сигналов на антенной решетке отражательного типа», патент №2285317, заявка 2004106579/09 от 09.03.2004;

- А.В. Ключник, Н.Г. Моторин, А.И. Свиридонов, В.Н. Тюльпаков «Многочастотные системы с фазовой синхронизацией», Антенны, 2006, выпуск 7(110);

- А.В. Ключник, Д.И. Свиридонов. В.Н. Тюльпаков «Устройство формирования мощных широкополосных радиоимпульсов на волноводно-щелевых мостах», патент №2662051, заявка 2016126450 от 01.07.2016. В этих работах рассмотрены методы формирования сигналов за счет суммирования фазируемых синусоидальных колебаний большой мощности. Обобщенная структурная схема прототипов 1 и 2 приведена на фиг. 1.

Устройство прототипов 1 и 2 состоит из системы формирования сетки n частот (1), синхронизуемых по фазе фазовращателями (2), подсистемы усиления мощности в каналах (3), n-канального сумматора сигналов разных, частот (4), линий задержки (5) и фазируемой антенной решетки (6). Основой построения этих устройств являются сумматоры разночастотных сигналов. Устройство прототипа 2 отличается от устройства прототипа 1 только заменой сумматора на базе многочастотной антенной решетки и приемной антенны сумматором на волноводно-щелевых мостах. Линии задержки обеспечивают одновременный приход сигналов к выходным элементам ФАР. Это позволяет увеличить импульсную мощность, но приводит к дополнительным потерям энергии и увеличению веса формирователя. В этих устройствах изменяя частоты в каналах, их число, разнос частоты Δf между каналами, можно изменять многочастотность, ширину полосы сигнала, частоту его следования и управлять длительностью формируемых импульсов. Суммарная пиковая мощность излучения всех выходных каналов без учета потерь будет равна n²P₀, длительность импульсных излучений по уровню нулевой мощности , где n - число каналов в формирователе; Р₀ - мощность одного канала. Когда требуется увеличить многочастотность сигнала, эти методы требует пропорционально увеличивать число мощных усилителей в системе и число входных каналов в сумматоре генерируемых колебаний. Габариты и вес системы растут пропорционально наращиванию канальности. Вес системы, приходящийся на один канал, в основном определяется канальными усилителями мощности и требуемой для них системой питания и охлаждения. Трудоемкость изготовления сумматоров колебаний, их настройка и вес также зависят от числа каналов в системе. Это ограничивает возможности широкого применения изобретений, реализуемых в прототипах 1 и 2 при большой пиковой мощности и многочастотности сигнала.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является уменьшение габаритов и веса формирователя, увеличение многочастотности формируемого сигнала и снижение потерь. Поставленная цель достигается тем, что многоканальное формирование мощного многочастотного сигнала на основе прямого параллельного суммирования частотных составляющих с предварительным усилением их мощности, заложенное в основу построения формирователей прототипов 1 и 2, заменяется последовательным преобразованием исходного синусоидального сигнала s₀(t) многокаскадным амплитудным модулятором в многочастотный сигнал s_к(t) с равномерным распределением мощности по спектру на малом уровне мощности с дальнейшим усилением сигнала s_к(t). Это дает возможность перейти от многоканальной схемы формирователя к одноканальной, что приводит к уменьшению габаритов и веса формирователя, увеличению многочастотности формируемого сигнала и снижению потерь. Структурная схема предложенного устройства последовательного формирования многочастотного сигнала на амплитудных модуляторах показана на фиг. 2.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 Обобщенная структурная схема устройств формирования мощных широкополосных радиоимпульсов на сумматорах колебаний прототипов 1 и 2. Здесь: 1 - система формирования сетки частот; 2 - фазовращатели; 3 - подсистема усиления мощности в n каналах; 4 - n-канальный сумматор разных частот; 5 - линии задержки; 6 - фазируемая антенная решетка.

Фиг. 2 Структурная схема предложенного устройства, последовательного одноканального формирования многочастотного сигнала на амплитудных модуляторах.

Здесь: 1 - формирователь сетки из k+1 частот; 2 - фазовращатели; 3 - k - каскадный амплитудный модулятор; 4 - подсистема усиления мощности; 5 - антенна.

Осуществление изобретения

Блок-схема предлагаемого устройства, состоящего из формирователя (1) синусоидальных сигналов s₀(t) и u_i(t)=E₀cos(ω_jt+θ_j), j=1, 2, …, к_пр, фазовращателей (2), многокаскадного амплитудного модулятора (3), подсистемы усиления мощности (4) и антенны (5) показана на фиг 2. Для обеспечения равномерного распределения мощности по спектру формируемого сигнала s_кпр(t) модуляторы M_j, j=1, 2, …, к_пр, работают с глубиной модуляции равной двум. Каждый модулятор M_j модулирует колебание u_j(t)=E₀cos(ω_jt+θ_j), j=1, 2, …, к_пр сигналом s_j-1(t), вырабатываемым каскадом M_j-1, преобразуя его в сигнал s_j(t). Модулирующая функция s₀(t)=E₀cos(ω₀t+θ₀) первого каскада модулятора модулирует колебание u₁(t) преобразуя его в исходный сигнал s₁(t). Исходный сигнал, за счет изменения и переноса спектров промежуточных сигналов s_j(t), j=1, 2, к_пр, преобразуется каскадами M_j модулятора, j=1, 2, …, к_пр, в сигнал s_кпр(t), спектр которого состоит из спектральных составляющих с разносом частот равным f. Далее сигнал s_кпр(t) поступает на подсистему усиления мощности (4) с оконечным усилителем, имеющим полосу пропускания F=αf₀, усиление k дБ и мощность Р.

Предельное число каскадов в модуляторе к_пр определим минимальным целым числом, при котором удовлетворяется неравенство Выразив f₀ через параметры формирователя и сигнала, находим и где {z} - наименьшее целое число не меньшее z.

Максимальное число частотных составляющих n_max сигнала, которые пройдут полосу пропускания подсистемы усиления, определяется условием αf₀≥(n_max-1)f. Отсюда следует где |z| - целая часть z.

После усиления сигнала s_кпр(t) на выходе формирователя получим сигнал v_кпр(t).

где ω_к=(β+2^к-1)Ω; t₃ - задержка сигнала s_к(t) подсистемой усиления мощности. Пиковые значения сигнала V_кпр(t) наступают в моменты времени р=0, 1, 2, …

при ϕ=±2πl, l=0, 1, 2, …,

при ϕ=±π(2l+1), l=0, 1, 2,… и β=2γ, где γ - натуральное число. Отсюда следует предельная пиковая мощность Р_{пик пр} сигнала V_{к пр}(t) Р_{пик пр}=n_maxP или Р_{пик пр}=n²_maxP₁, где P₁=Р/n_max - мощность, приходящаяся на одну частотную составляющую.

Остальные параметры сигнала V_{к пр}(t):

- полоса, занимаемая сигналом Δf=(n_max-1)f;

- многочастотность сигнала

- граничные частоты спектра сигнала:

- несущая частота сигнала где {z} наименьшее целое число не меньшее z; β - натуральное число, удовлетворяющее условию ω_min=βΩ, ω_min - минимальная круговая частота в спектре сигнала s_кпp(t);

- длительность главного импульса сигнала τ=2/n_max f;

- период сигнала Т=1/f.

Параметр формирователя к_пр, фазы и частоты колебаний s₀(t)=E₀cos(ω₀t+θ₀), u_j(t)=E₀cos(ω_jt+θ_j), j=1, 2, …, к_пр, определяются спектром формируемого сигнала и полосой усилителя. Их значения приводятся ниже:

θ₀=ϕ; ω₀=Ω где Ω=2πf - расстояние между смежными линиями в спектре сигнала. θ_j=2^jϕ, j=1, 2, …, к_пр; ω_j=2^jΩ, j=1, 2, …, к_пр-1;

Оценка эффективности изобретения

Сравнение прототипов 1 и 2 и устройства, представленного на изобретение по весу и габаритам.

У прототипов 1 и 2 наращивание многочастотности сигнала ограничено ростом веса и габаритов и сложностью изготовления сумматоров при большом числе разночастотных колебаний. У предлагаемого устройства габариты и вес не растут пропорционально росту числа частотных составляющих в сигнале. Оценим, насколько вес и габариты прототипов 1 и 2 превышают вес и габариты устройства, представленного на изобретение. Обозначим выигрыш в весе и габаритах для предлагаемого устройства относительно прототипов 1 и 2 величинами Δw, ΔS, ΔV, а через W_ix, S_ix, V_ix вес, площадь и объем аппаратных средств, реализующих функцию узла i, где х=пр - для прототипов 1 и 2, фиг. 1; х=из, фиг. 2 для устройства, представленного на изобретение. Имеем:

Т.к. W_6пр>W_5из, a w_4пp - вес сумматора (и габариты его) не учитываем, то приходим к оценке

Δw=W_пp-W_из>W_3пр+W_5пр-W_4из.

Обозначим через W₁ вес усилительной системы, мощностью Р₀, приходящийся на один канал в прототипах 1 и 2, и через S₁ и V₁ площадь и объем, требуемые для ее размещения. Если формирователь, представленный на изобретение, усиливает сигнал до мощности Р=ξР₀, a n - канальные прототипы 1 и 2 имеют суммарное усиление мощности nP₀, то при одинаковых КПД преобразования пиковые мощности сформированных сигналов будут Р_{пик изобр}=n_max (ξР₀); Р_{пик прот 1,2}=n(nP₀). При равенстве пиковых мощностей сигналов где {z} - наименьшее целое число не меньшее z. Тогда w_3пp=nw₁; Отсюда следуют нижние оценки:

Если увеличить плотность спектральных линий в спектре формируемого сигнала (уменьшить модуль частоты f), то можно увеличить число частотных составляющих n_max сигнала s_кпp(t), которые попадут в полосу пропускания подсистемы усиления. При n_max≥n, это позволит при Р=Р₀ сформировать сигнал V_{к пр}(t), который будет иметь Р_{пик из}≥Р_{пик пр 1,2}. Предлагаемый формирователь с такими характеристикам, и даже без у чета линий задержки, будет иметь в n раз меньшие весовые и габаритные характеристики в сравнении с прототипами 1 и 2. Отсюда следуют верхние оценки

Формирователи прототипов 1 и 2 будут тяжелее на Δw и требовать больших на ΔS и ΔV площади и объема для размещения оборудования относительно устройства, представленного на изобретение. Кроме этого, формирователь, представленный на изобретение, будет выигрывать в раза в информативности сигнала, враз в многочастотности у формирователей прототипов 1 и 2. При этом прототипы 1 и 2 будут потреблять в раз больше энергии. Здесь n_max - количество частот в сигнале формирователя, представленного на изобретение; n - количество частот в сигнале прототипов 1 и 2.

Изобретение относится к радиотехнике и может применяться в радиотехнических комплексах в длинноволновом и ультракоротковолновом диапазонах длин волн для повышения помехоустойчивости. Техническим результатом является уменьшение габаритов и веса устройства, увеличение многочастотности формируемого сигнала. Технический результат достигается тем, что устройство формирования мощных широкополосных сигналов на амплитудных модуляторах, включающее формирователь синусоидальных сигналов, управляемых по фазе фазовращателями, указанные фазовращатели, передающие сигналы после фазового сдвига на многокаскадный амплитудный модулятор, формирующий последовательный одноканальный многочастотный сигнал на малом уровне мощности и передающий суммарный сигнал на систему усиления мощности, выход которой соединен с передающей антенной. 2 ил.

Устройство формирования мощных широкополосных сигналов на амплитудных модуляторах, включающее формирователь синусоидальных сигналов, управляемых по фазе фазовращателями, указанные фазовращатели, передающие сигналы после фазового сдвига на многокаскадный амплитудный модулятор, формирующий последовательный одноканальный многочастотный сигнал на малом уровне мощности и передающий суммарный сигнал на систему усиления мощности, выход которой соединен с передающей антенной.