JP2004538700A - ラジオパルス通信システム - Google Patents
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Abstract
直列のインダクタンスとキャパシタンスを有するアンテナによって送信される電波パルス列の無線周波数パルス内で周波数を急速に増減するための周波数変調スイッチング装置である。その装置は、前記インダクタンスと前記キャパシタンスを分路する対向する1つの端子対に接続された対向するブリッジ端子対を有するソリッドステートの四端子整流ブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の対向する他の端子対の間に直列に接続された、可飽和インダクターと線形インダクターとSCRスイッチとの組合せを有し、それにより前記SCRのオンの高速トリガリングが、所望の周波数変調を前記無線周波数パルス内に提供するために、前記無線周波数パルス内で対応する周波数の高速の増加又は減少をもたらす。
【選択図】図1
【選択図】図1
Description
【技術分野】
【0001】
本発明は、ラジオパルス通信システム等に関し、より詳細には、好適には信号パルスの周波数変調によって搬送される信号のようなロランCタイプ等の無線航法信号パルスで同時に伝達されるデジタル信号に関する。
【0002】
背景
例えば、本願と共通の譲受人の米国特許第4,800,341号及び米国特許第4,821,038号、並びにそれらの中で説明されている刊行物に説明されているように、種々のタイプのシステムが提案されており、無線航法信号に通信の機能を追加するために使用されている。
【0003】
ロランC無線航法パルス列などに対して航法の能力とその保全性に影響を与えずに追加される通信のために、デジタルビットレート(少なくとも70bpsから250bpsを超える)の拡張における大幅な改善は、2000年4月11日に出願された本出願人の先の同時係属特許出願番号第09/833,022号に説明されている。
【0004】
この同時係属出願において、ロランC信号は、高速でハイパワーのソリッドステートスイッチを用いて、アンテナの直列インダクタンスと直列キャパシタンスを段階的に変更することにより所定の所望の周波数間で高QのロランCアンテナ周波数を同調または掃引することによって周波数変調される。
【0005】
本出願は、係るロランC周波数変調等に理想的に適した新規なソリッドステートのスイッチングの方法と装置を開示する。
【0006】
発明の目的
従って、本発明の主な目的は、ロランC信号等を周波数変調するためのハイパワーのスイッチングに関する新規な改善された方法を提供することである。
【0007】
更なる目的は、係る信号に追加される通信のためにデジタルビットレートを拡張することに特に適合された係る方法を提供することである。
【0008】
他の、および更なる目的は、以下に説明され、とりわけ添付の特許請求の範囲で詳述される。
【0009】
概要
しかしながら、以上のことをまとめると、本発明は、直列のインダクタンスとキャパシタンスを有するアンテナによって送信される電波パルス列の無線周波数パルス内で周波数を急速に増減するための周波数変調スイッチング装置を包含する。その装置は、前記インダクタンスと前記キャパシタンスを分路する対向する1つの端子対に接続された対向するブリッジ端子対を有するソリッドステートの四端子整流ブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の対向する他の端子対の間に直列に接続された、可飽和インダクターと線形インダクターとSCRスイッチとの組合せを有し、それにより前記SCRのオンの高速トリガリングが、所望の周波数変調を前記無線周波数パルス内に提供するために、前記無線周波数パルス内で対応する周波数の高速の増加又は減少をもたらす。
【0010】
好適なベストモードの構成と設計は後述される。スイッチは、SCR電流が保持電流より下に低下する場合、rfパルス列の終端でターンオフする。
【0011】
さて、本発明は、添付図面に関連して説明される。
【0012】
本発明の好適な実施形態
図1を参照すると、端子A、B、CおよびDを有するソリッドステートのブリッジスイッチング回路の端子AとBを分路するインダクターLが示される。インダクターLは、アンテナ端子A’とB’に直列に接続されている。従って、スイッチが閉じる場合、インダクターLは短絡し、アンテナ電流周波数は、Δf=(1/2)(L/LA)fAだけ増加する。ここで、LAは、アンテナの直列インダクタンスの合計であり、fAは公称のアンテナ電流周波数である。
【0013】
ロランCラジオパルスiAのアンテナ電流は、対称辺のブリッジスイッチの対向する端子対AとBの間に電圧を発生する。この全波ダイオードブリッジ(ダイオードの辺D1、D2、D3およびD4)は、インダクターLの両端のAC電圧(無線周波数ω)を整流する。この整流された電圧は、ブリッジの対向する他の端子対CとDの間に現れる。端子CとDとの間には、図示されるように可飽和インダクターLS1、線形インダクターLS2、および高速トリガー可能なサイリスターSCRが直列に接続されている。SCRが導通しない場合、電流はスイッチに流れることができず、iS=iD1=iD2=iD3=iD4=0の状態にする。従って、スイッチは開く。
【0014】
しかしながら、SCRがターンオンする場合、全波整流されたインダクターLの電圧がインダクターLS1とLS2の間に現れる。LS1とLS2がインダクターの代わりに2つの抵抗であった場合、電圧波形と電流波形は図2に示されるようになる。ここで、iAはアンテナ電流を表し、iSCRはSCRを通る電流を表し、eCDはブリッジ端子CとDとの間の電圧を表す。しかしながら、必要なスイッチング動作を得るために、係る抵抗の抵抗値は非常に低くなければならず、結果として非常に高いdiSCR/dtとなり、恐らくSCRの定格を超える。SCRのこのターンオンの問題は、「Method and Apparatus For Eliminating Priming and Carrier Sweep-out Losses in SCR Switching Circuits and the Like」と題する米国特許第4,230,955号に説明されている。
【0015】
しかしながら、抵抗の代わりに可飽和インダクターと線形インダクターを使用する場合、可飽和インダクターLS1は、SCRの接合領域の大部分がターンオンされるまで、SCRの突入電流を有効に遅延させる。時間遅延スイッチング手段として可飽和インダクターをそのように使用することは、上記の参照される米国特許において発見されているように、SCRのdi/dt定格を増すために過去に大々的に使用されており、この技術は「プライミング」と呼ばれている。di/dt能力の係る増大を用いても、それは、本用途の装置に必要とされているものにはほど遠い。しかしながら、LS1に別の線形インダクターLS2を直列に接続することにより、di/dtは、許容できる値に低減され得る。
【0016】
一例として、(LS1)SAT+LS2がLに等しい状態にされる場合、SCRが時間0でターンオンしてアンテナのピーク電流がIAである時に、図3に示されるような電圧波形と電流波形が得られる。そして、アンテナ電流は、Lを流れる電流とSCRを流れる電流(iCD)の2つの成分に分流される。0からt=π/ωまでの期間において、eLはダイオードD2とD3を導通させるマイナスである。インダクタンス(LS1)SAT+LS2がLに等しい状態にされるので、Lの両端の電圧は1/2に減少する。時間ゼロにおいて、インダクターの電流はアンテナ電流IAに等しい。図3に示されるように、0からπ/ωまでの時間期間中、インダクターの電流はゼロに減少し、SCRの電流iCDはゼロからIAまで増加する。時間t=π/2において、インダクターの電圧はマイナスからプラスの値に移行し、それによりダイオードD1とD4が導通する。この時点で、アンテナ電流の大きさは、減少し始め、一方でSCR電流は一定のままである。全てのダイオードは、iA<iCDである限り導通し、ブリッジの両端の電圧は非常に小さく、導通しているダイオードの電圧降下に等しい。従って、インダクターの電流が非常に低い値で一定のままであり、所望のスイッチング動作が、アンテナ電流の半サイクル未満で生じる。SCRの最大のdi/dtは、
(diSCR/dt)MAX=(1/2)IAω(アンペア/秒)となる。また、波形から留意すべきは、本発明のこのスイッチング同調プロセス中に、高調波は発生せず、所望の周波数変調の周波数において必要な同調の増加が提供されることである。
【0017】
本発明の周波数変調に対する周波数同調を増加させるために、アンテナの直列キャパシタンスは、図4のようにアンテナの直列キャパシタCのうちの1つを短絡することにより増加される。また、スイッチはこの直列キャパシタCの両端に接続され、スイッチがアンテナ電流のピークで閉じられる場合、電圧波形と電流波形は次のように得られる。即ち、
【0018】
【数1】
【0019】
ここで、L=LS1+LS2
1/LC=ω2とすることにより、結果として次に通りになる。
【0020】
【数2】
【0021】
SCRが時間ゼロでターンオンされ、電流iAとiCが、iC(0)=iA(0)=IAのように等しい場合、図5にプロットされた電圧と電流が得られれる。
【0022】
ダイオードブリッジの初期電流iCD(0)とキャパシタCの初期電圧は、共にゼロである。SCRのターンオンに続いて、電圧eC(t)は、時間t1=60/ωでピークの値まで正弦曲線的に上昇し、時間t2≒116/ωでゼロに戻る。この正の電圧波は、時間t2=116/ωにおいて、iCD(t)=(1/2)IAωtsinωtのダイオードブリッジ電流を生じる。ダイオードブリッジ電流は、iCD(t2)≒0.9IAの最大値に達する。
t>t2の場合、
iC(t)=0
eC(t)≒0
iCD(t2)≒0.9IAである。
【0023】
ダイオードブリッジは、アンテナ電流iA(t)がダイオードブリッジ電流iCD(t)を超えるまで導通する。この事象は、t3=176/ωで生じる。この時点で、ダイオード電流は、
iD1(t3)=iD4(t3)=0
iD2(t3)=iD3(t3)=0.9IAである。
従って、t>t3の場合、ダイオードD1とD4は導通を停止し、LS1とLS2の両端に電圧が発生する。
【0024】
しかしながら、本発明に従ってブリッジのために選択されるダイオードは、低速の汎用整流器である。少数担体の再結合時間は5μsと比較して長く、そのため、ダイオード接合のほとんど全ての少数担体は、逆ダイオード電流により一掃されなければならない。従って、SCR電流は、ピークのアンテナ電流よりもかなり低くなることができ、依然としてスイッチは、本発明の局面(phase)に対して所望のスイッチング動作を行う。スイッチング時間はアンテナ電流の半サイクル未満である。そして、SCRの最大のdi/dtは、
(diSCR/dt)MAX=0.32IAω(アンペア/秒)となる。
【0025】
従って、本発明の技術と回路は、本発明の高速でハイパワーのソリッドステートのブリッジスイッチングによりアンテナの直列インダクタンスLと直列キャパシタンスCの段階的な上述の変更によって、周波数の有効なスイッチングを提供し、所望の周波数間でアンテナに供給されるロランCラジオパルスの周波数変調を達成する。
【0026】
本発明はその重要なロランCの用途に関連して説明されたが、他の無線送信システムに通信を追加するためにも有用である。また、当業者ならば、更なる修正も行うことができ、係る修正は、添付の特許請求の範囲に規定されるような本発明の思想と範囲内に入ると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】本発明の方法に従って、インダクターの両端に接続された、又はインダクターを分路する好適なソリドステートスイッチング装置の回路図であり、そのインダクターが、そのスイッチと共に、上述した周波数変調をもたらすためにアンテナ端子に直列に接続されている回路図である。
【図2】直列抵抗が図1のスイッチの直列接続された可飽和インダクターと線形インダクターとにとって代わった場合に、スイッチの動作において生じる例示的な電流波形を示す図であり、図1のインダクタースイッチングによって生じる図3の実際の電圧波形と電流波形と比較される図である。
【図3】図1のインダクタースイッチングによって生じる実際の電圧波形と電流波形の図である。
【図4】図1に類似した回路であるが、やはりアンテナ端子に直列に接続され、キャパシタを分路する本発明のスイッチを示す図である。
【図5】図4の回路の動作において生じる電圧波形と電流波形の図である。
【0001】
本発明は、ラジオパルス通信システム等に関し、より詳細には、好適には信号パルスの周波数変調によって搬送される信号のようなロランCタイプ等の無線航法信号パルスで同時に伝達されるデジタル信号に関する。
【0002】
背景
例えば、本願と共通の譲受人の米国特許第4,800,341号及び米国特許第4,821,038号、並びにそれらの中で説明されている刊行物に説明されているように、種々のタイプのシステムが提案されており、無線航法信号に通信の機能を追加するために使用されている。
【0003】
ロランC無線航法パルス列などに対して航法の能力とその保全性に影響を与えずに追加される通信のために、デジタルビットレート(少なくとも70bpsから250bpsを超える)の拡張における大幅な改善は、2000年4月11日に出願された本出願人の先の同時係属特許出願番号第09/833,022号に説明されている。
【0004】
この同時係属出願において、ロランC信号は、高速でハイパワーのソリッドステートスイッチを用いて、アンテナの直列インダクタンスと直列キャパシタンスを段階的に変更することにより所定の所望の周波数間で高QのロランCアンテナ周波数を同調または掃引することによって周波数変調される。
【0005】
本出願は、係るロランC周波数変調等に理想的に適した新規なソリッドステートのスイッチングの方法と装置を開示する。
【0006】
発明の目的
従って、本発明の主な目的は、ロランC信号等を周波数変調するためのハイパワーのスイッチングに関する新規な改善された方法を提供することである。
【0007】
更なる目的は、係る信号に追加される通信のためにデジタルビットレートを拡張することに特に適合された係る方法を提供することである。
【0008】
他の、および更なる目的は、以下に説明され、とりわけ添付の特許請求の範囲で詳述される。
【0009】
概要
しかしながら、以上のことをまとめると、本発明は、直列のインダクタンスとキャパシタンスを有するアンテナによって送信される電波パルス列の無線周波数パルス内で周波数を急速に増減するための周波数変調スイッチング装置を包含する。その装置は、前記インダクタンスと前記キャパシタンスを分路する対向する1つの端子対に接続された対向するブリッジ端子対を有するソリッドステートの四端子整流ブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の対向する他の端子対の間に直列に接続された、可飽和インダクターと線形インダクターとSCRスイッチとの組合せを有し、それにより前記SCRのオンの高速トリガリングが、所望の周波数変調を前記無線周波数パルス内に提供するために、前記無線周波数パルス内で対応する周波数の高速の増加又は減少をもたらす。
【0010】
好適なベストモードの構成と設計は後述される。スイッチは、SCR電流が保持電流より下に低下する場合、rfパルス列の終端でターンオフする。
【0011】
さて、本発明は、添付図面に関連して説明される。
【0012】
本発明の好適な実施形態
図1を参照すると、端子A、B、CおよびDを有するソリッドステートのブリッジスイッチング回路の端子AとBを分路するインダクターLが示される。インダクターLは、アンテナ端子A’とB’に直列に接続されている。従って、スイッチが閉じる場合、インダクターLは短絡し、アンテナ電流周波数は、Δf=(1/2)(L/LA)fAだけ増加する。ここで、LAは、アンテナの直列インダクタンスの合計であり、fAは公称のアンテナ電流周波数である。
【0013】
ロランCラジオパルスiAのアンテナ電流は、対称辺のブリッジスイッチの対向する端子対AとBの間に電圧を発生する。この全波ダイオードブリッジ(ダイオードの辺D1、D2、D3およびD4)は、インダクターLの両端のAC電圧(無線周波数ω)を整流する。この整流された電圧は、ブリッジの対向する他の端子対CとDの間に現れる。端子CとDとの間には、図示されるように可飽和インダクターLS1、線形インダクターLS2、および高速トリガー可能なサイリスターSCRが直列に接続されている。SCRが導通しない場合、電流はスイッチに流れることができず、iS=iD1=iD2=iD3=iD4=0の状態にする。従って、スイッチは開く。
【0014】
しかしながら、SCRがターンオンする場合、全波整流されたインダクターLの電圧がインダクターLS1とLS2の間に現れる。LS1とLS2がインダクターの代わりに2つの抵抗であった場合、電圧波形と電流波形は図2に示されるようになる。ここで、iAはアンテナ電流を表し、iSCRはSCRを通る電流を表し、eCDはブリッジ端子CとDとの間の電圧を表す。しかしながら、必要なスイッチング動作を得るために、係る抵抗の抵抗値は非常に低くなければならず、結果として非常に高いdiSCR/dtとなり、恐らくSCRの定格を超える。SCRのこのターンオンの問題は、「Method and Apparatus For Eliminating Priming and Carrier Sweep-out Losses in SCR Switching Circuits and the Like」と題する米国特許第4,230,955号に説明されている。
【0015】
しかしながら、抵抗の代わりに可飽和インダクターと線形インダクターを使用する場合、可飽和インダクターLS1は、SCRの接合領域の大部分がターンオンされるまで、SCRの突入電流を有効に遅延させる。時間遅延スイッチング手段として可飽和インダクターをそのように使用することは、上記の参照される米国特許において発見されているように、SCRのdi/dt定格を増すために過去に大々的に使用されており、この技術は「プライミング」と呼ばれている。di/dt能力の係る増大を用いても、それは、本用途の装置に必要とされているものにはほど遠い。しかしながら、LS1に別の線形インダクターLS2を直列に接続することにより、di/dtは、許容できる値に低減され得る。
【0016】
一例として、(LS1)SAT+LS2がLに等しい状態にされる場合、SCRが時間0でターンオンしてアンテナのピーク電流がIAである時に、図3に示されるような電圧波形と電流波形が得られる。そして、アンテナ電流は、Lを流れる電流とSCRを流れる電流(iCD)の2つの成分に分流される。0からt=π/ωまでの期間において、eLはダイオードD2とD3を導通させるマイナスである。インダクタンス(LS1)SAT+LS2がLに等しい状態にされるので、Lの両端の電圧は1/2に減少する。時間ゼロにおいて、インダクターの電流はアンテナ電流IAに等しい。図3に示されるように、0からπ/ωまでの時間期間中、インダクターの電流はゼロに減少し、SCRの電流iCDはゼロからIAまで増加する。時間t=π/2において、インダクターの電圧はマイナスからプラスの値に移行し、それによりダイオードD1とD4が導通する。この時点で、アンテナ電流の大きさは、減少し始め、一方でSCR電流は一定のままである。全てのダイオードは、iA<iCDである限り導通し、ブリッジの両端の電圧は非常に小さく、導通しているダイオードの電圧降下に等しい。従って、インダクターの電流が非常に低い値で一定のままであり、所望のスイッチング動作が、アンテナ電流の半サイクル未満で生じる。SCRの最大のdi/dtは、
(diSCR/dt)MAX=(1/2)IAω(アンペア/秒)となる。また、波形から留意すべきは、本発明のこのスイッチング同調プロセス中に、高調波は発生せず、所望の周波数変調の周波数において必要な同調の増加が提供されることである。
【0017】
本発明の周波数変調に対する周波数同調を増加させるために、アンテナの直列キャパシタンスは、図4のようにアンテナの直列キャパシタCのうちの1つを短絡することにより増加される。また、スイッチはこの直列キャパシタCの両端に接続され、スイッチがアンテナ電流のピークで閉じられる場合、電圧波形と電流波形は次のように得られる。即ち、
【0018】
【数1】
【0019】
ここで、L=LS1+LS2
1/LC=ω2とすることにより、結果として次に通りになる。
【0020】
【数2】
【0021】
SCRが時間ゼロでターンオンされ、電流iAとiCが、iC(0)=iA(0)=IAのように等しい場合、図5にプロットされた電圧と電流が得られれる。
【0022】
ダイオードブリッジの初期電流iCD(0)とキャパシタCの初期電圧は、共にゼロである。SCRのターンオンに続いて、電圧eC(t)は、時間t1=60/ωでピークの値まで正弦曲線的に上昇し、時間t2≒116/ωでゼロに戻る。この正の電圧波は、時間t2=116/ωにおいて、iCD(t)=(1/2)IAωtsinωtのダイオードブリッジ電流を生じる。ダイオードブリッジ電流は、iCD(t2)≒0.9IAの最大値に達する。
t>t2の場合、
iC(t)=0
eC(t)≒0
iCD(t2)≒0.9IAである。
【0023】
ダイオードブリッジは、アンテナ電流iA(t)がダイオードブリッジ電流iCD(t)を超えるまで導通する。この事象は、t3=176/ωで生じる。この時点で、ダイオード電流は、
iD1(t3)=iD4(t3)=0
iD2(t3)=iD3(t3)=0.9IAである。
従って、t>t3の場合、ダイオードD1とD4は導通を停止し、LS1とLS2の両端に電圧が発生する。
【0024】
しかしながら、本発明に従ってブリッジのために選択されるダイオードは、低速の汎用整流器である。少数担体の再結合時間は5μsと比較して長く、そのため、ダイオード接合のほとんど全ての少数担体は、逆ダイオード電流により一掃されなければならない。従って、SCR電流は、ピークのアンテナ電流よりもかなり低くなることができ、依然としてスイッチは、本発明の局面(phase)に対して所望のスイッチング動作を行う。スイッチング時間はアンテナ電流の半サイクル未満である。そして、SCRの最大のdi/dtは、
(diSCR/dt)MAX=0.32IAω(アンペア/秒)となる。
【0025】
従って、本発明の技術と回路は、本発明の高速でハイパワーのソリッドステートのブリッジスイッチングによりアンテナの直列インダクタンスLと直列キャパシタンスCの段階的な上述の変更によって、周波数の有効なスイッチングを提供し、所望の周波数間でアンテナに供給されるロランCラジオパルスの周波数変調を達成する。
【0026】
本発明はその重要なロランCの用途に関連して説明されたが、他の無線送信システムに通信を追加するためにも有用である。また、当業者ならば、更なる修正も行うことができ、係る修正は、添付の特許請求の範囲に規定されるような本発明の思想と範囲内に入ると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】本発明の方法に従って、インダクターの両端に接続された、又はインダクターを分路する好適なソリドステートスイッチング装置の回路図であり、そのインダクターが、そのスイッチと共に、上述した周波数変調をもたらすためにアンテナ端子に直列に接続されている回路図である。
【図2】直列抵抗が図1のスイッチの直列接続された可飽和インダクターと線形インダクターとにとって代わった場合に、スイッチの動作において生じる例示的な電流波形を示す図であり、図1のインダクタースイッチングによって生じる図3の実際の電圧波形と電流波形と比較される図である。
【図3】図1のインダクタースイッチングによって生じる実際の電圧波形と電流波形の図である。
【図4】図1に類似した回路であるが、やはりアンテナ端子に直列に接続され、キャパシタを分路する本発明のスイッチを示す図である。
【図5】図4の回路の動作において生じる電圧波形と電流波形の図である。
Claims (7)
- 直列のインダクタンスとキャパシタンスを有するアンテナによって送信される電波パルス列の無線周波数パルス内で周波数を急速に増減するための周波数変調スイッチング装置であって、その装置が、
前記インダクタンスと前記キャパシタンスを分路する対向する1つの端子対に接続された対向するブリッジ端子対を有するソリッドステートの四端子整流ブリッジ回路と、および
前記ブリッジ回路の対向する他の端子対の間に直列に接続された、可飽和インダクターと線形インダクターとSCRスイッチとの組合せを有し、
前記SCRのオンの高速トリガリングが、所望の周波数変調を前記無線周波数パルス内に提供するために、前記無線周波数パルス内で対応する周波数の高速の増加又は減少をもたらす、装置。 - 前記電波パルス列がロランC航法のパルスである、請求項1の装置。
- 前記ブリッジの整流器が、前記ブリッジの各辺に対称的に配置されている、請求項2の装置。
- 前記SCRのトリガリングが、ロランC航法の送信に追加されるべき通信を構成するデジタルビットに従って、ロランC航法の利用に影響を与えずに行われる、請求項2の装置。
- 直列のインダクタンスとキャパシタンスを有するアンテナによって送信される無線周波数パルス内で周波数変調を行う方法であって、
2つの対向するブリッジ端子対を有するソリッドステートの四端子整流器ブリッジを、前記端子対の一方でもって前記アンテナのインダクタンスとキャパシタンスに並列に接続するステップと、
直列接続された可飽和インダクターと線形インダクターとSCRスイッチを、ブリッジ回路の対向する他方の端子対の間に挿入するステップと、および
所望の周波数変調を前記無線周波数パルス内に提供するように、前記無線周波数パルス内で対応する周波数の高速の増加又は減少をもたらすために、前記SCRをオンさせるように高速トリガリングするステップを含む、方法。 - 前記電波パルスがロランC航法のパルスである、請求項5の方法。
- 前記SCRが、ロランC航法の送信に追加されるべき通信を構成するデジタルビットに従って、ロランC航法の利用に影響を与えずにトリガリングされる、請求項6の方法。
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