Результат интеллектуальной деятельности: Устройство формирования мощных широкополосных сигналов на амплитудных модуляторах

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.