CN218886827U - 一种多波束相控发射系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种多波束相控发射系统，属于电路领域，包括信号源和若干个功放电路，所述信号源对每个功放电路分别传输一个正低压驱动信号和一个负低压驱动信号；相邻两个正低压驱动信号之间、相邻两个负低压驱动信号之间的时间间隔τ为根据相控角度得到的两个功放电路之间的延时时间。本实用新型的多波束相控发射系统，采用了改变占空比调节发射信号幅度、全桥功放和阻抗匹配等技术，从而实现了带幅度加权的多波束相控电路，实现了相控发射，改善了主旁瓣比。

Description

一种多波束相控发射系统

技术领域

本实用新型涉及电路技术领域，特别涉及一种多波束相控发射系统。

背景技术

多波束测深仪是一种高效的海底地形测绘设备，它一次测量能给出与航行方向垂直的垂面内几十个甚至上百个海底被测点的水深值，或者一条一定宽度的全覆盖水深条带；所以它能准确地、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，从而比较精细地描绘出海底地形地貌的精准特征。

多波束相控发射电路的功能是将外部信号源给出的相控信号进行功率放大，驱动发射换能器并对发射换能器各阵元发射的相位进行精准控制，使发射换能器发射的声信号在预定方向获得指向性。对于一个发射系统，具有指向性意味着发射能量可以集中到某一方向，这样一是可以用较小的发射功率探测更远距离的目标，二是可以根据横摇的变化改变发射指向性的方向，使得发射阵的声信号保持在垂直水平面的方向上获得指向性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种多波束相控发射系统，以解决背景技术中的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种多波束相控发射系统，包括信号源和若干个功放电路，所述信号源对每个功放电路分别传输一个正低压驱动信号和一个负低压驱动信号；相邻两个正低压驱动信号之间、相邻两个负低压驱动信号之间的时间间隔τ为根据相控角度得到的两个功放电路之间的延时时间；

所述功放电路包括依次相连的光耦隔离电路、门电路、驱动电路、全桥功放、阻抗匹配电路和换能器第一振元；所述光耦隔离电路起到信号的隔离作用，所述门电路将外部电路的相控信号进行电平拉升，所述驱动电路用于驱动所述全桥功放，所述阻抗匹配电路进行调谐匹配和阻抗匹配。

在一种实施方式中，所述光耦隔离电路包括双路光耦芯片HCPL2630、电阻R1～R4、电容C1～C2；

所述双路光耦芯片HCPL2630的第一Anode端连接信号源信号A+，第一Cathode端通过电阻R1接地，第二Cathode端连接信号源信号A-，第二Anode端通过电阻R2接地，VCC端连接电阻R3和R4的第一端，第一output端通过电阻R3的第二端连接外界信号GA1+，第二output端连接外界信号GA1-，GND端接地；

电阻R3的第二端通过电容C1接地，电阻R4的第二端通过电容C2接地。

在一种实施方式中，所述电阻R3、R4为上拉电路，所述电容C1、C2实现滤波。

在一种实施方式中，所述门电路包括非门N4_1D和N4_1E、与门N1_1C和N1_1D、电阻R6和R7、电容C6和C7；

非门N4_1D和N4_1E的输入端分别接入外界信号GA1+和GA1-，两个输出端分别连接与门N1_1C和N1_1D的一个输入端；与门N1_1C和N1_1D的另一个输入端分别连接外界信号GA1-和GA1+，两个输出端分别输出驱动信号HIN1和LIN1；

电阻R6的一端连接与门N1_1C的输出端，另一端接地；电阻R7的一端连接与门N1_1D的输出端，另一端接地；电容C6和C7分别与电阻R6和R7并列。

在一种实施方式中，所述电阻R6、R7分别为下拉电阻，所述电容C6、C7起滤波作用。

在一种实施方式中，所述驱动电路包括驱动芯片IR2110、电阻R9～R11、电容C3～C5、二极管V1～V2；

电容C3和C4的一端接地，另一端接15V电压；二极管V1的正极接15V电压，负极连接驱动芯片IR2110的VB端和电容C5的一端，电容C5的另一端连接二极管V2的负极，二极管V2的正极连接驱动芯片IR2110的VSS端；

驱动芯片IR2110的LO端连接电阻R9，VS端连接电阻R10，HO端连接电阻R11。

在一种实施方式中，所述全桥功放包括二极管V5～V8、电阻R15～R18、NMOS管V9～V12；

NMOS管V9的漏端、NMOS管V11的漏端、二极管V5的负极和二极管V7的负极相连，NMOS管V10的漏端、NMOS管V12的漏端、二极管V6的正极和二极管V8的正极相连；NMOS管V9的源端连接NMOS管V10的源端，NMOS管V11的源端连接NMOS管V12的源端；

电阻R15的两端分别连接NMOS管V9的栅端和源端，电阻R17的两端分别连接NMOS管V11的栅端和源端，电阻R16的两端分别连接NMOS管V10的栅端和漏端，电阻R18的两端分别连接NMOS管V12的栅端和漏端；

二极管V6的负极连接二极管V5的正极，二极管V8的负极连接二极管V7的正极。

在一种实施方式中，所述NMOS管V9、V10、V11、V12构成全桥功放，所述电阻R15、R16、R17、R18为场效应管的泄漏电阻，所述二极管V5、V6、V7、V8构成四个场效应管的保护电路。

在一种实施方式中，所述阻抗匹配电路包括电感L1、电阻R33～R34、电容C21、二极管V5～V6和换能器Y1；

电阻R34的第一端连接电感L1的第一端，电阻R34的第二端同时连接电阻R33的第一端、二极管V5的正极和二极管V6的负极，电阻R33的第二端、二极管V5的负极和二极管V6的正极相连；

电容C21的一端连接电感L1的第二端，另一端连接换能器Y1的第一端，换能器Y1的第二端连接电感L1的第二端。

在一种实施方式中，所述电感L1和电容C21构成阻抗匹配电路，所述电阻R33、R34、二极管V5、V6构成发射指示电路，在正常发射时，二极管V5、V6两个LED灯闪烁，发射峰峰值越高，指示灯越亮。

本实用新型提供的一种多波束相控发射系统，通过幅度加权后还可以进一步改善发射阵的方向性，主要是改善主旁瓣的相对幅度，即在给定主瓣宽度要求下获得最低的旁瓣，从而降低旁瓣测到目标信号强度，有利于后续信号处理中降低旁瓣的影响，得到高质量的目标信号。本实用新型的多波束相控发射系统，采用了改变占空比调节发射信号幅度、全桥功放和阻抗匹配等技术，从而实现了带幅度加权的多波束相控电路，实现了相控发射，改善了主旁瓣比。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种多波束相控发射系统结构示意图。

图2是信号源给出的两路信号示意图。

图3是幅度加权示意图。

图4是光耦隔离电路的结构原理图。

图5是门电路的结构原理图。

图6是驱动电路的结构原理图。

图7是全桥功放的结构原理图。

图8是阻抗匹配电路的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种多波束相控发射系统作进一步详细说明。根据下面说明，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

本实用新型提供一种多波束相控发射系统，

多波束相控发射电路的系统框图如图1所示。信号源产生二十路相控信号提供给功放电路。这里信号源选用Xilinx公司XC9500XL3.3VISP系列XC95288XL-7TQ144I芯片，它是一个3.3V的低电压、高效的CPLD，内部资源和IO数量能够满足正常需求。

光耦隔离电路起到信号的隔离作用，因为后级电路为高压大功率电路，而信号源为低压电路，通过所述光耦隔离电路可以实现信号的单向传输，使得后级电路和信号源实现电气隔离，在大功率发射时减少了后级电路对信号源的干扰，从而让信号源工作稳定。

功放电路中的门电路由非门和与门构成，所起到的作用一个是将外部电路的相控信号进行电平拉升，另一个是进入驱动器件的两个信号不会出现同时为高的情况，从而防止全桥功放出现误导通的现象。

驱动电路用来驱动功率放大管，本实用新型采用美国IR公司生产的IR2110驱动器，兼有体积小和速度快的优点。

考虑到体积大小，不使用变压器，所以在功放形式上选择全桥功放形式。考虑到工作电流和工作电压，选用四片IRF640芯片来构成全桥功放。

阻抗匹配电路有很重要的作用：一是调谐匹配，即通过所述阻抗匹配电路调节换能器阻抗，使换能器尽量接近纯阻状态，减少无功分量；二是阻抗匹配，即改变换能器的阻抗，使之与电源达到阻抗匹配，保证换能器获得最大的电功率。考虑到换能器阻抗为容性并且为防止换能器短路引起仪器损坏，所以采用串联电感及并联电容来进行匹配。

充电电路和放电电路所起到的作用是利用电解电容充电电路来存储能量供功放电路使用，利用放电电路使电路在仪器关机后快速释放电解电容中残余的能量。

在实际使用由于纵摇的原因，如果不采用相控发射，则此时发射阵的指向性方向会随纵摇角度θ改变而改变，所以如果希望发射阵╭指向性不改变，则需要利用相控发射形成相反方向θ角方向的发射波束。则第i+1个阵元与第i个阵元发射的时间差τ为：

τ＝d×sinθ/c  (1.1)

其中d为阵元之间的间距，c为声波在水中的传播速度。当时间差τ为正时，第i+1个阵元比第i个阵元延时发射；当τ为负时，第i+1个阵元比第i个阵元超前发射。

对于一个N阵元的等间隔线阵，第i个阵元的发射波形应较第1个阵元的发射波形落后或超前的时间差τ_i为：

其中，τ_i为正时是落后，为负时是超前；d为阵元之间的间距，c为声波在水中的传播速度。

在本实用新型中采用了二十路阵元，阵元间距为0.024m，相控角度范围从-7.5°到7.5°(每增加0.75°为一个相控角度，共21个相控角度)，以其中的0.75°相控角度为例，则第i+1个阵元与第i个阵元发射的时间差为：

τ＝d×sinθ/c＝0.024×sin0.75/1500＝209(ns)

如图2所示，因为采用的是全桥功放，所以对应每一路功放电路有两个信号，两个信号不能同时为高，图2中A1+及A1-为信号源给出的功放第一路低压驱动信号，A2+及A2-为功放第二路低压驱动信号，其中A1+与A2+以及A1-与A2-之间的时间间隔τ为根据相控角度得到的两路功放电路之间的延时时间，以其中的0.75°相控角度为例，则此时τ为209ns。图2中b为发射频率对应的周期时间，通过调整a的脉冲大小即低压驱动信号的占空比来决定最终加在换能器两端的电压峰峰值。

在等间隔线阵的情况下，最常用的幅度加权法是道夫-契比雪夫加权，根据公式可以算得20路功放电路每路需要对应的加权值，进而得到各路之间的发射峰峰值之比，从而来确定每路的占空比。根据相控角得到每路之间的延时后，通过改变每路的占空比就可以实现幅度加权的相控发射。还以刚才两路位例，如图3所示，A1+和A2+以及A1-与A2-之间的时间间隔τ和刚才一样，实现相控角0.75°，此时通过调整A2+和A2-的占空比，使得发射能量增大，从而第一路功放电路的发射峰峰值也会比第二路功放电路的发射峰峰值大，从而实现幅度加权。

因为每一路功放电路对应一对信号，以第一路为例分别为A1+和A1-，所以采用了双路光耦芯片HCPL2630，如图4所示为光耦隔离电路的结构示意图，包括双路光耦芯片HCPL2630、电阻R1～R4、电容C1～C2。所述双路光耦芯片HCPL2630的第一Anode端连接信号源信号A+，第一Cathode端通过电阻R1接地，第二Cathode端连接信号源信号A-，第二Anode端通过电阻R2接地，VCC端连接电阻R3和R4的第一端，第一output端通过电阻R3的第二端连接外界信号GA1+，第二output端连接外界信号GA1-，GND端接地。电阻R3的第二端通过电容C1接地，电阻R4的第二端通过电容C2接地。电阻R3、R4为上拉电路，电容C1、C2实现了滤波，通过该光耦隔离电路实现了信号源信号A1+、A1-和GA1+、GA1-不共地，从而降低后级电路对信号源的干扰。

所述门电路如图5所示，包括非门N4_1D和N4_1E、与门N1_1C和N1_1D、电阻R6和R7、电容C6和C7。非门N4_1D和N4_1E的输入端分别接入外界信号GA1+和GA1-，两个输出端分别连接与门N1_1C和N1_1D的一个输入端；与门N1_1C和N1_1D的另一个输入端分别连接外界信号GA1-和GA1+，两个输出端分别输出驱动信号HIN1和LIN1。电阻R6的一端连接与门N1_1C的输出端，另一端接地；电阻R7的一端连接与门N1_1D的输出端，另一端接地；电容C6和C7分别与电阻R6和R7并列。所述电阻R6、R7分别为下拉电阻，电容C6、C7起滤波作用。

通过将GA1+经过非门后再与GA1-相与得到驱动信号HIN1，通过将GA1-经过非门后再与GA1+相与得到驱动信号LIN1，确保了无论外界信号GA1+、GA1-是怎样的电平，提供给全桥功放的驱动信号HIN1、LIN1不会同时出现为高的现象，从而避免了因为对管误导通而导致器件损坏。正常驱动时和图3所示相同，此时外界信号GA1+经过非门后再与GA1-相与得到的HIN1波形和外界信号GA1-相同；外界信号GA1-经过非门后再与GA1+相与得到的LIN1波形和GA1+相同。假如外界信号GA1+和GA1-因未知原因出现全为高的时候，经过门电路后，驱动信号HIN1和LIN1全为低，从而功放管不导通，起到了保护作用。

对全桥功放来说，左右驱动电路原理完全一样，左驱动电路原理如图6所示，包括驱动芯片IR2110、电阻R9～R11、电容C3～C5、二极管V1～V2。电容C3和C4的一端接地，另一端接15V电压；二极管V1的正极接15V电压，负极连接驱动芯片IR2110的VB端和电容C5的一端，电容C5的另一端连接二极管V2的负极，二极管V2的正极连接驱动芯片IR2110的VSS端。驱动芯片IR2110的LO端连接电阻R9，VS端连接电阻R10，HO端连接电阻R11。

左右驱动电路接收门电路的传来的发射波正半周脉冲信号HIN1、负半周脉冲信号LIN1，输出驱动信号RH、RV、RL。当HIN1信号有效时，左驱动电路输出的RH信号和右驱动工电路的LL信号(图中未示出)有效；当LIN1信号有效时，左驱动电路输出的RL信号和右驱动工电路的LH信号(图中未示出)有效。

所述全桥功放如图7所示，包括二极管V5～V8、电阻R15～R18、NMOS管V9～V12。NMOS管V9的漏端、NMOS管V11的漏端、二极管V5的负极和二极管V7的负极相连，NMOS管V10的漏端、NMOS管V12的漏端、二极管V6的正极和二极管V8的正极相连。NMOS管V9的源端连接NMOS管V10的源端，NMOS管V11的源端连接NMOS管V12的源端。电阻R15的两端分别连接NMOS管V9的栅端和源端，电阻R17的两端分别连接NMOS管V11的栅端和源端，电阻R16的两端分别连接NMOS管V10的栅端和漏端，电阻R18的两端分别连接NMOS管V12的栅端和漏端。二极管V6的负极连接二极管V5的正极，二极管V8的负极连接二极管V7的正极。其中NMOS管V9、V10、V11、V12构成了全桥功放电路，电阻R15、R16、R17、R18为场效应管的泄漏电阻，二极管V5、V6、V7、V8构成四个场效应管的保护电路。

所述全桥功放的通断是由驱动芯片IR2110输出的RL、RH、LL、LH信号控制的，其中RH和LH信号形式一致，RL和LL信号形式一致。当RH和LH为高，RL和LL为低时，NMOS管V9、V12导通，NMOS管V10、V11截止，电流从换能器的正极流向负极，形成发射正半周，当RL和LL为高，RH和LH为低时，NMOS管V9、V12截止，NMOS管V10、V11导通，电流从换能器的负极流向正极，形成发射负半周。

所述阻抗匹配电路如图8所示，包括电感L1、电阻R33～R34、电容C21、二极管V5～V6和换能器Y1。电阻R34的第一端连接电感L1的第一端，电阻R34的第二端同时连接电阻R33的第一端、二极管V5的正极和二极管V6的负极，电阻R33的第二端、二极管V5的负极和二极管V6的正极相连。电容C21的一端连接电感L1的第二端，另一端连接换能器Y1的第一端，换能器Y1的第二端连接电感L1的第二端。其中电感L1和电容C21构成阻抗匹配电路。电阻R33、R34、二极管V5、V6构成发射指示电路，在正常发射时，可以看到二极管V5、V6两个LED灯闪烁，发射峰峰值越高，指示灯越亮。

所述阻抗匹配电路的作用为：一是调谐匹配，即通过阻抗匹配电路调节换能器阻抗，使发射负载尽量接近纯阻状态，减少无功分量；二是阻抗匹配，即改变换能器电路的阻抗，使之与电源达到阻抗匹配，保证换能器获得最大的电功率。同时采用串并联匹配电路也能防止因为换能器短路而引起仪器损坏。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种多波束相控发射系统，其特征在于，包括信号源和若干个功放电路，所述信号源对每个功放电路分别传输一个正低压驱动信号和一个负低压驱动信号；相邻两个正低压驱动信号之间、相邻两个负低压驱动信号之间的时间间隔τ为根据相控角度得到的两个功放电路之间的延时时间；

所述功放电路包括依次相连的光耦隔离电路、门电路、驱动电路、全桥功放、阻抗匹配电路和换能器第一振元；所述光耦隔离电路起到信号的隔离作用，所述门电路将外部电路的相控信号进行电平拉升，所述驱动电路用于驱动所述全桥功放，所述阻抗匹配电路进行调谐匹配和阻抗匹配。

2.如权利要求1所述的多波束相控发射系统，其特征在于，所述光耦隔离电路包括双路光耦芯片HCPL2630、电阻R1～R4、电容C1～C2；

所述双路光耦芯片HCPL2630的第一Anode端连接信号源信号A+，第一Cathode端通过电阻R1接地，第二Cathode端连接信号源信号A-，第二Anode端通过电阻R2接地，VCC端连接电阻R3和R4的第一端，第一output端通过电阻R3的第二端连接外界信号GA1+，第二output端连接外界信号GA1-，GND端接地；

电阻R3的第二端通过电容C1接地，电阻R4的第二端通过电容C2接地。

3.如权利要求2所述的多波束相控发射系统，其特征在于，所述电阻R3、R4为上拉电路，所述电容C1、C2实现滤波。

4.如权利要求1所述的多波束相控发射系统，其特征在于，所述门电路包括非门N4_1D和N4_1E、与门N1_1C和N1_1D、电阻R6和R7、电容C6和C7；

非门N4_1D和N4_1E的输入端分别接入外界信号GA1+和GA1-，两个输出端分别连接与门N1_1C和N1_1D的一个输入端；与门N1_1C和N1_1D的另一个输入端分别连接外界信号GA1-和GA1+，两个输出端分别输出驱动信号HIN1和LIN1；

电阻R6的一端连接与门N1_1C的输出端，另一端接地；电阻R7的一端连接与门N1_1D的输出端，另一端接地；电容C6和C7分别与电阻R6和R7并列。

5.如权利要求4所述的多波束相控发射系统，其特征在于，所述电阻R6、R7分别为下拉电阻，所述电容C6、C7起滤波作用。

6.如权利要求1所述的多波束相控发射系统，其特征在于，所述驱动电路包括驱动芯片IR2110、电阻R9～R11、电容C3～C5、二极管V1～V2；

电容C3和C4的一端接地，另一端接15V电压；二极管V1的正极接15V电压，负极连接驱动芯片IR2110的VB端和电容C5的一端，电容C5的另一端连接二极管V2的负极，二极管V2的正极连接驱动芯片IR2110的VSS端；

驱动芯片IR2110的LO端连接电阻R9，VS端连接电阻R10，HO端连接电阻R11。

7.如权利要求1所述的多波束相控发射系统，其特征在于，所述全桥功放包括二极管V5～V8、电阻R15～R18、NMOS管V9～V12；

NMOS管V9的漏端、NMOS管V11的漏端、二极管V5的负极和二极管V7的负极相连，NMOS管V10的漏端、NMOS管V12的漏端、二极管V6的正极和二极管V8的正极相连；NMOS管V9的源端连接NMOS管V10的源端，NMOS管V11的源端连接NMOS管V12的源端；

电阻R15的两端分别连接NMOS管V9的栅端和源端，电阻R17的两端分别连接NMOS管V11的栅端和源端，电阻R16的两端分别连接NMOS管V10的栅端和漏端，电阻R18的两端分别连接NMOS管V12的栅端和漏端；

二极管V6的负极连接二极管V5的正极，二极管V8的负极连接二极管V7的正极。

8.如权利要求7所述的多波束相控发射系统，其特征在于，所述NMOS管V9、V10、V11、V12构成全桥功放，所述电阻R15、R16、R17、R18为场效应管的泄漏电阻，所述二极管V5、V6、V7、V8构成四个场效应管的保护电路。

9.如权利要求1所述的多波束相控发射系统，其特征在于，所述阻抗匹配电路包括电感L1、电阻R33～R34、电容C21、二极管V5～V6和换能器Y1；

电阻R34的第一端连接电感L1的第一端，电阻R34的第二端同时连接电阻R33的第一端、二极管V5的正极和二极管V6的负极，电阻R33的第二端、二极管V5的负极和二极管V6的正极相连；

电容C21的一端连接电感L1的第二端，另一端连接换能器Y1的第一端，换能器Y1的第二端连接电感L1的第二端。

10.如权利要求9所述的多波束相控发射系统，其特征在于，所述电感L1和电容C21构成阻抗匹配电路，所述电阻R33、R34、二极管V5、V6构成发射指示电路，在正常发射时，二极管V5、V6两个LED灯闪烁，发射峰峰值越高，指示灯越亮。

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