CN1565077A - 无线脉冲通信系统 - Google Patents

Abstract

用于快速增加和降低无线电波脉冲串的无线频率脉冲内的频率的调频开关装置，该脉冲串由具有串联电感和电容器的天线发送，该装置包括：一个固态四端子整流器电桥电路，该电桥电路具有多对相对的电桥端子，其中一对相对端子用于分路所述的电感和所述的电容器；和连接在该电桥电路的另一对相对端子之间的串连的饱和与线性电感以及SCR开关，由此，该SCR的高速触发导通实现无线频率脉冲内频率的相应高速增加或降低以提供期望的调频。

Description

无线脉冲通信系统

技术领域

本发明涉及无线脉冲通信系统及类似的系统，更具体而言，涉及被罗伦-C型无线导航信号脉冲及类似脉冲运载并与之同步发送的数字信号，这些信号优选为由信号脉冲的调频信号所携带。

背景技术

已经提出并应用了各种类型的系统来增加上述无线导航信号的通信性能，例如，具有共同受让人的专利号为4,800,341和4,821,038的美国专利中就描述了这种系统。

在申请人2000年4月11日提交的较早的悬而未决的序列号为09/833,022的专利申请中描述了一个在扩展被增加到罗伦-C导航脉冲串和类似脉冲的用于通信的数字比特率(至少70bps到高于250bps)方面的重大改进，而不会影响系统的导航能力和完整性。

在该悬而未决的申请中，应用快速、高功率的固态开关，通过逐步改变天线上的串联电感和串联电容器来调节或清除预定的期望频率之间的高Q(high-Q)罗伦-C天线频率，从而调制罗伦-C信号的频率。

本申请公开了一个适用于这种罗伦-C频率调制及类似调制的新颖的固态开关方法和装置。

发明目的

本发明的主要目的是提供一种新的、改进的高功率开关方法，其用于对罗伦-C信号和类似信号进行频率调制。

本发明的另一个目的是提供特别适用于扩展被增加到这种信号的用于通信的数字比特率的方法。

本发明的其他和进一步的目的将在下文中说明并在所附的权利要求书中进行更详细地描述。

发明内容

总之，本发明包括用于快速增加和降低由具有串联电感和电容器的天线发送的无线电波脉冲串的无线频率脉冲内的频率的调频开关装置，该装置具有一个固态四端子整流器电桥电路，该电桥电路具有与该电桥电路具有多对相对的电桥端子，其中一对相对端子用于分路所述的电感和所述的电容器；和连接在该电桥电路的另一对相对端子之间的串连的饱和与线性电感以及和一个半导体可控整流器(SCR)开关，由此，该SCR的高速触发会影响无线频率脉冲内频率的相应高速增加或降低以提供期望的调频。

以下将描述优选的和最佳的配置模式和设计。当SCR电流下降到低于保持电流时，该开关在射频脉冲拖尾的末端断开。

附图说明

现在参考附图描述本发明，其中：

图1所示为跨接或分路一个电感的优选的固态开关装置的电路图，该电感与该开关一起被串联连接到天线端子上以实现上述的根据本发明的方法的调频；

图2示出了与图1中的电感型开关产生的且在图3中示出的实际电压和电流波形比较，如果用串联电阻器代替图1所示开关的串连饱和电感与线性电感时，在开关操作过程中所产生的示意性的电流波形；

电感图4所示为类似于图1的电路图，但是其中所示的开关用于分路一个电容器，再与天线端子串联连接；

图5所示为图4中的电路操作过程中产生的电压和电流波形。

优选实施例

参见图1，其中示出了一个用于分路固态电桥开关电路的端子A和B的电感L，其中该固态电桥开关电路具有端子A、B、C和D，电感L与天线端子A′和B′串连。因此，当该开关闭合时，电感L被短路，且天线电流频率的增加如下：

$\mathrm{\Δf}=\frac{1}{2}\frac{L}{L_A}{f}_A$

其中L_A＝总天线串联电感，f_A＝额定天线电流频率。

罗伦-C无线脉冲的天线电流i_A在对称臂电桥开关的相对的端子A和B上产生电压。这个全波二极管电桥(二极管臂D1、D2、D3和D4)对电感L的交流(AC)电压(射频ω)进行整流。经整流的电压出现在电桥的另一对相对的端子C和D上。如图中所示，在端子C和D之间串联有一个饱和电感L_s1、一个线性电感L_s2、一个高速可触发闸流管SCR。当SCR未导通时，没有电流流过开关，即：

          i_S＝i_D1＝i_D2＝i_D3＝i_D4＝0

因此，该开关是断开的。

但是，当SCR接通时，该全波整流电感L的电压出现在电感L_S1和L_S2上。如果L_S1和L_S2是两个电阻器而不是电感，那么电压和电流波形如图2所示；i_A表示天线电流，i_scr表示穿过SCR₁的电流，e_CD表示电桥端子C和D之间的电压。但是，为了获得所需的开关操作，这些电阻器的阻值必须很低，因此导致很高的di_SCR/dt-大大高于SCR的额定值。SCR的接通问题在题目为“Method and Apparatus ForEliminating Priming and Carrier Sweep-out Losses in SCR SwitchingCircuit and the Like”的美国专利4230955中有所描述。

但是，当应用饱和电感与线性电感取代电阻器时，饱和电感L_S1可有效地延迟SCR电流的涌入，直到SCR的大部分结区都被接通为止。这种将饱和电感作为一个延时开关装置的应用在过去已经被广泛地应用以增加SCR的di/dt额定值，这种技术被称为“起动(priming)”，如以上的参考专利中所述。但是即使具有这种增加的di/dt性能，其也远远低于本申请中装置的需求。而通过与L_S1串联连接另一个线性电感L_S2，di/dt就可被降低到一个可接受的值。

作为一个例子，如果使(L_S1)_sat+L_S2等于L，当SCR在时刻0及天线峰值电流I_A处接通时，就可得到图3中所示的电压和电流波形。然后天线电流分为两部分-流过L的电流和流过SCR的电流i_CD。在从0到t＝π/ω的时间间隔内，e_L为负值，使二极管D₂和D₃导通。由于电感(L_S1)_sat+L_S2等于L，则L上的电压就被减少1/2。在时间0处，电感的电流等于天线电流I_A。在从0到π/ω的时间间隔中，电感的电流降低到0，SCR的电流i_CD从0增加到I_A，如图3所示。在时间t＝π/2处，电感的电压从负值变为正值，则二极管D₁和D₄导通。此时，天线电流的幅度开始降低而SCR电流保持不变。只要i_A＜i_CD，所有的二极管都被导通，且电桥上的电压很小，等于这些导通二极管的压降。因此，电感的电流在很低的值上保持不变，且所需的开关操作在小于天线电流的半周期内发生。SCR的最大di/dt为：

${\left(\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{SCR}}}{\mathrm{dt}}\right)}_{\max }=\frac{1}{2}{I}_A\mathrm{\ω}(\mathrm{amps}/\sec )$

从这些波形中应该注意到，在本发明的开关调谐处理过程中没有产生谐波，并且本发明可以提供期望的调频频率上所需的调谐增加量。

为了降低本发明的调频的频率调谐，通过短路天线串联电容器C之一来增加天线的串联电容，如图4所示。该开关也被跨接在串联电容器C两端，当该开关在天线峰值电流处闭合时，可得到如下的电压和电流波形：

             i_A(t)＝I_Acosωt

$I_A\left(s\right)=I_A\frac{s}{s^2+{\mathrm{\ω}}^2}$

$E_C\left(s\right)=I_A\left(s\right)x{Z}_{\mathrm{in}}\left(s\right)=I_A\frac{s}{s^2+{\mathrm{\ω}}^2}x\frac{1}{C}\frac{s}{s^2+\frac{1}{\mathrm{LC}}}$

其中

L＝L_S1+L_S2

通过使

$\frac{1}{\mathrm{LC}}={\mathrm{\ω}}^2$

可得到：

$E_C\left(s\right)=\frac{1}{C}{I}_A\frac{s^2}{{(s^2+{\mathrm{\ω}}^2)}^2}$

和

$\frac{1}{2\mathrm{\ωC}}$

$e_c\left(t\right)=\frac{1}{C\left(2\mathrm{\ω}\right)}{I}_A(\sin \mathrm{\ωt}+\mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ωt})$

$i_c\left(t\right)=C\frac{d}{\mathrm{dt}}{e}_c\left(t\right)=\frac{1}{2}{I}_A(2\cos \mathrm{\ωt}-\mathrm{\ω}t\sin \mathrm{\ωt})$

可得到图5中所示的电压和电流曲线，当SCR在时间0处接通时，电流i_A和i_C相等，从而使：

             i_C(0)＝i_A(0)＝I_A

二极管电桥的起始电流i_cd(0)和电容器C的起始电压都为0。随着SCR的接通，电压e_C(t)在时间t₁处上升到峰值：

$t_1=\frac{60}{\mathrm{\ω}}$

然后在时间t₂处返回到0：

$t_2\≈\frac{116}{\mathrm{\ω}}$

这个正电压波产生的二极管电桥电流为：

$i_{\mathrm{CD}}\left(t\right)=\frac{1}{2}{I}_A\mathrm{\ω}t\sin \mathrm{\ωt}$

在时间t₂处：

$t_2=\frac{116}{\mathrm{\ω}}$

二极管电桥电流到达最大值：

        i_CD(t₂)≈0.9I_A

当t＞t₂时，

        i_c(t)＝0

        e_c(t)≈0

        i_CD(t)≈.9I_A

二极管电桥的导通直到天线电流i_A(t)超过二极管电桥电流i_CD(t)时为止。该过程发生在时间t₃处：

$t_3=\frac{176}{\mathrm{\ω}}$

此时，二极管电流为：

        i_D1(t₃)＝i_D4(t₃)＝0

        i_D2(t₃)＝i_D3(t₃)＝.9I_A

因此，当t＞t₃时，二极管D₁和D₄停止导通，L_S1和L_S2上产生一个电压。

但是，选择用于根据本发明电桥的二极管是速度慢、一般目的的整流器。少数载流子重组时间大于5微秒，以致于二极管结点的几乎所有少数载流子都必须由反向二极管电流所清除。因此，SCR电流可以远小于天线峰值电流，且该开关仍执行本发明该阶段期望的开关操作。该开关时间小于天线电流的半周期。则SCR的最大di/dt值为：

${\left(\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{SCR}}}{\mathrm{dt}}\right)}_{\max }=.32I_A\mathrm{\ω}[\mathrm{amps}/\sec ]$

因此，利用本发明的快速、高功率固态电桥开关，通过逐步地改变天线上串联电感L和串联电容器C，本发明的技术和电路提供了一个有效的频率开关，实现了馈送到天线的罗伦-C无线脉冲的期望频率之间的调频。

虽然本发明是结合重要的罗伦-C应用进行描述，但是其也可以应用于增加其他无线发射系统的通信性能，且本领域的技术人员也可对本发明进行进一步的修改。但是这些其他的应用和修改也被认为是落入了如所附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围之内。

Claims (7)

1、一种用于快速增加和降低无线电波脉冲串的无线频率脉冲内的频率的调频开关装置，该脉冲串由具有串联电感和电容器的天线发送，该装置包括：一个固态四端子整流器电桥电路，该电桥电路具有多对相对的电桥端子，其中一对相对端子用于分路所述的电感和所述的电容器；和连接在该电桥电路的另一对相对端子之间的串连的饱和电感、线性电感以及SCR开关，由此，该SCR的高速触发导通实现无线频率脉冲内频率的相应高速增加或降低以提供期望的调频。

2.根据权利要求1所述的装置，其中该无线电波脉冲串是罗伦-C导航脉冲。

3.根据权利要求2所述的装置，其中这些电桥整流器被对称地放置在电桥的每个臂上。

4.根据权利要求2所述的装置，其中根据被增加到罗伦-C导航发送中的用于通信的数字比特来实现该SCR的触发，而不会影响其导航应用。

5.一种在由具有串联电感和电容器的天线发射的无线频率脉冲内提供调频的方法，该方法包括，连接一个具有两对相对的电桥端子的固态四端子整流器电桥，所述端子中的一对分路所述的天线电感和电容器；在该电桥电路的另一对相对端子之间插入串连的饱和电感、线性电感以及一个SCR开关；高速触发该SCR以实现无线频率脉冲内频率的相应高速增加或降低，从而提供期望的调频。

6.根据权利要求5所述方法，其中该无线电波脉冲串是罗伦-C导航脉冲。

7.根据权利要求6所述的方法，其中根据被增加到罗伦-C导航发送中的用于通信的数字比特来实现该SCR的触发，而不会影响其导航应用。

Images