KR20040043179A - 주파수 변조 스위칭 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직렬의 인덕턴스 및 커패시턴스를 갖는 안테나에 의해서 전달되는 무선파 펄스 트레인의 무선 주파수 펄스 내에서 주파수를 신속하게 증감하는 주파수 변조 스위치 장치로서, 이 주파수 변조 스위칭 장치는, 마주보는 2 개의 브릿지 단자쌍을 가지며 인덕턴스 및 커패시턴스에서 분기하는 마주보는 1 개의 단자쌍에 연결되는 고체 상태의 4 단자형 브릿지 정류기 회로와, 이 브릿지 정류기 회로 중에서 마주보는 다른 1 개의 단자쌍 사이에 연결되는 직렬 연결의 포화형 인덕터 및 선형 인덕터와 사이리스터(SCR) 스위치를 구비하고, SCR은 원하는 주파수 변조를 행하기 위해서 무선 주파수 펄스 내에서 주파수를 고속 주파수 증가 또는 감소시키는 것에 상응하는 동작을 행하도록 고속 트리거링되는 것인 주파수 변조 스위칭 장치를 제공한다.

Description

주파수 변조 스위칭 장치 및 방법{RADIO PULSE COMMUNICATIONS SYSTEMS}
무선 내비게이션 신호에 통신 기능을 부가하는 각종 시스템(예컨대, 이건 출원의 양수인이 동일하고 이건 명세서에 언급되는 미국 특허 제4,800,341호 및 제4,821,038호에 설명된 것)이 제안 및 사용되고 있다.
내비게이션 기능과 그의 완전성에 영향을 끼치는 일 없이 Loran-C 무선 내비게이션 펄스 트레인 등에 부가된 통신용 디지털 비트 레이트를 확장(적어도 70 bps 내지 250 bps 이상)함에 있어서 중요한 개선은 본 출원인의 2000년 4월 11일자 미국 특허 출원 제09/833,022호에 설명되어 있다.
이 계류중인 미국 특허 출원에서, Loran-C 신호는 고속의 고전력 고체 상태 스위치로 직렬의 인덕턴스 및 직렬 커패시턴스를 단계적으로 변화시킴으로써 원하는 예정 주파수들 사이에 하이-Q Loran-C 안테나 주파수를 조정(튜닝) 또는 제거함으로써 주파수 변조된다.
본 출원은 이러한 Loran-C 주파수 변조 등에 이상적으로 적합한 진보적인 고체 상태 스위칭 방법 및 장치를 개시한다.
본 발명은 무선 펄스 통신 시스템 등에 관한 것으로서, 특히 Loran-C 타입 등의 무선 내비게이션 신호 펄스와 함께 그리고 그 무선 내비게이션 신호 펄스로 전달되는 디지털 신호에 관한 것이며, 이러한 신호는 신호 펄스를 바람직하게는 주파수 변조하여 반송된다.
도 1은 본 발명의 방법에 따라서 전술한 주파수 변조를 발현하도록 스위치와 함께 안테나 단자와 직렬 연결된 인덕터에 걸쳐 있는, 즉 그 인덕터에 분기되어 연결된 바람직한 고체 상태 스위칭 장치의 회로도를 도시하고 있다.
도 2는 직렬 저항이 도 1에 있는 스위치의 직렬 연결된 포화형 인덕터 및 선형 인덕터를 대신한다면 스위치의 동작 시에 생성될 수 있는 전류 파형을 도시하고 있다.
도 3은 도 1의 인덕터형 스위칭에 의해서 생성되는 실제의 전압 및 전류의 파형을 도시하고 있다.
도 4는 도 1과 유사하지만, 본 발명의 스위치가 커패시터에서 분기하고 또한 안테나 단자와 직렬 연결된 회로도를 도시하고 있다.
도 5는 도 4에 있는 회로의 동작 시에 생성된 전압과 전류의 파형을 도시하고 있다.
따라서, 본 발명의 주목적은 Loran-C 신호 등을 주파수 변조하기 위한 고전력 스위칭의 신규하고 개선된 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 이러한 신호에 부가된 통신용 디지털 비트 레이트를 확장시키기에 특히 적합하도록 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 이하에서 설명될 것이며, 특허청구범위에 더욱 구체적으로 개시되어 있다.
그러나, 요약하면, 본 발명은 직렬의 인덕턴스 및 커패시턴스를 갖는 안테나에 의해서 전달되는 무선파 펄스 트레인의 무선 주파수 펄스 내에서 주파수를 신속하게 증감하는 주파수 변조 스위치 장치로서, 상기 주파수 변조 스위칭 장치는, 마주보는 2 개의 브릿지 단자쌍을 가지며 상기 인덕턴스 및 상기 커패시턴스에서 분기하는 마주보는 1 개의 단자쌍에 연결되는 고체 상태의 4 단자형 브릿지 정류기 회로와, 상기 브릿지 정류기 회로 중에서 마주보는 다른 1 개의 단자쌍 사이에 연결되는 직렬 연결의 포화형 인덕터 및 선형 인덕터와 사이리스터(SCR) 스위치를 구비하고, 상기 SCR은 원하는 주파수 변조를 행하기 위해서 상기 무선 주파수 펄스 내에서 상기 주파수를 고속 주파수 증가 또는 감소시키는 것에 상응하는 동작을 행하도록 고속 트리거링되는 것인 주파수 변조 스위칭 장치를 제공한다.
양호한 실시예 및 최상 실시예의 구성과 설계에 관해서는 후술한다. SCR 전류가 홀딩 전류 아래로 떨어질 때 스위치는 rf 펄스 테일(pulse tail)의 종료 시에 턴 오프한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1에서, 인덕터(L)는 단자(A, B, C 및 D)를 구비하는 고체 상태 브릿지 스위칭 회로의 분기 단자 A 및 B에서 분기하고, 고체 상태 브릿지 스위칭 회로는 안테나 단자(A' 및 B')를 갖는 인턱터(L)와 직렬 연결되어 있다는 것을 도시하고 있다. 따라서, 스위치가 닫혀 있을 때, 인덕터(L)는 쇼트되고 안테나 전류 주파수는 수학식 1만큼 증가된다.
여기서, LA는 총 안테나 직렬 인덕턴스이고 fA는 공칭의 안테나 전류 주파수이다.
Loran-C 무선 펄스의 안테나 전류(iA)는 아암 대칭형 브릿지 스위치의 마주보는 단자쌍 A와 B 양단에 전압을 발생시킨다. 이 전파(全波) 다이오드 브릿지[다이오드 아암(D1, D2, D3 및 D4)]는 인덕터(L)에서 AC 전압(무선 주파수 ω)을 정류한다. 이 정류 전압은 브릿지의 마주보는 다른 단자쌍 C와 D 양단에 나타난다. 두 단자(C와 D) 사이에는 포화형 인덕터(Ls1), 선형 인덕터(Ls2) 및 고속 트리거형 사이리스터(SCR)가 직렬 연결되어 있다. SCR이 비도통인 경우에는 스위치에 전류가 흐르지 않으므로 수학식 2가 된다.
따라서, 스위치는 오픈된다.
그러나, SCR이 온으로 되면 전파 정류된 인덕터(L)의 전압이 두 인덕터(LS1과 LS2) 양단에 나타난다. LS1과 LS2가 인덕터가 아니고 저항이라면 전압과 전류의 파형은 도 2에 도시한 바와 같을 것이다. 여기서, iA는 안테나 전류이고, iSCR은 SCR을 흐르는 전류이며, eCD는 브릿지의 두 단자(C와 D) 사이에 걸리는 전압이다. 그러나, 필요한 스위칭 동작을 얻기 위해서는 이러한 저항의 저항값이 매우 낮고, 그 결과, SCR 레이팅 이상으로 diSCR/dt가 매우 높아야 한다. 이 SCR의 턴온 문제는 미국 특허 제4,230,955호(발명의 명칭 "Method and Apparatus For Eliminating Priming and Carrier Sweep-out Losses in SCR Switching Circuits and the Like")에 개시되어 있다.
그러나, 저항 대신에 포화형 인덕터 및 선형의 인덕터를 사용하면, 포화형 인덕터(LS1)는 대부분의 접합 영역이 온으로 될 때까지 SCR 전류의 진입을 효과적으로 지연시킨다. 이처럼 포화형 인덕터를 시간 지연 스위치 수단으로 사용하는 것은 과거에 SCR의 di/dt 레이팅을 증가시키는 데 폭넓게 사용되었다. 이 기술을 "프라이밍(priming)"이라고 하며, 전술한 특허에 개시되어 있다. 이러한 di/dt의 증가에도, 본 출원의 장치에서는 더욱 적은 것이 요구된다. 그러나, 다른 선형 인덕터(Ls2 )를 Ls1에 직렬 연결시키면 di/dt를 수용 가능한 값까지 감소시킬 수 있다.
일 예로서, (Ls1)sat+Ls2를 L과 같게 하면, SCR가 시각 0과 최대 안테나 전류(iA)에서 온으로 될 때 도 3에 도시한 전압과 전류의 파형이 얻어진다. 이어서,안테나 전류는 두 개의 성분, 즉 L을 흐르는 전류와 SCR을 흐르는 전류(iCD)로 나뉜다. t=0 ∼ π/ω의 기간에는, eL이 음의 값이 되어 두 개의 다이오드(D2와 D3)를 도통시킨다. 인턱턴스 (Ls1)sat+L은 Ls2와 같게 하였으므로, L 양단의 전압은 2배 증가한다. 시각 0에서, 인덕터 전류는 안테나 전류(IA)와 같다. 0 내지 π/ω의 기간에는 도 3에서 도시하는 바와 같이 인덕터 전류가 0으로 감소하고 SCR 전류(iCD)는 0에서 IA로 증가한다. 시각 t=π/2에서는 인덕터 전압이 음의 값에서 양의 값으로 되어, 두 개의 다이오드(D1과 D4)를 도통시킨다. 이 시점에서, 안테나 전류는 크기가 증가하기 시작하지만 SCR 전류는 일정하게 유지된다. iA< iCD인 한 모든 다이오드는 도통하고, 브릿지 양단의 전압은 매우 작다(이 도통 다이오드들의 전압 강하량과 같다). 따라서, 인덕터 전류는 매우 낮은 값에서 일정하게 유지되고, 원하는 스위칭 동작은 안테나 전류의 1/2 사이클 이내에 발생한다. SCR의 최대 di/dt는 수학식 3과 같다.
또한, 파형으로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 이러한 스위칭 조정 프로세스 기간 중에는 고조파가 생성되지 않고, 이 프로세스는 원하는 주파수 변조의 주파수에서요구되는 튜닝 증가를 제공한다는 점을 주목하여야 한다.
본 발명의 주파수 변조에 대한 주파수 조정량을 감소시키기 위해서, 안테나의 직렬 커패시턴스는 안테나의 직렬 커패시터(C) 중 하나를 쇼트시킴으로써 증가된다(도 4). 또한, 스위치는 이 직렬 커패시터(C)의 양단에 연결되며, 스위치가 최대 안테나 전류에서 닫히는 경우에는 전압과 전류의 파형은 수학식 4와 같이 얻어진다.
여기서, L=Ls1+Ls2이다.
로 함으로써 다음의 수학식 5와 수학식 6을 얻는다.
도 5에 도시한 전압과 전류를 얻으며, SCR이 시각 0에서 온으로 되면 전류 iA와 iC가 같게 되어 수학식 7이 된다.
다이오드 브릿지의 초기 전류[icd(0)]와 커패시터(C)의 초기 전압은 모두 0이다. SCR이 온으로 된 후, 전압[ec(t)]은 정현파 형태로 시각 t1=60/ω에서 최대 값까지 상승하고, 이어서 시각 t2≒116/ω일 때 0으로 복귀한다.
이 양의 값의 전압파는 다음의 수학식 8의 다이오드 브릿지 전류를 생성한다.
시각 t2=116/ω에서, 다이오드 브릿지의 전류는 iCD(t2)≒0.9IA의 최대값에 도달한다.
t>t2의 경우에는 ic(t)=0, ec(t)=0, iCD(t)=0.9IA이다.
안테나 전류[iA(t)]가 다이오드 브릿지 전류[iCD(t)]를 초과할 때까지 다이오드 브릿지는 도통한다. 이러한 상황은 시각 t3=176/ω일 때 발생한다.
이 시점에서는 다이오드 전류가 iD1(t3)=iD4(t3)=0, iD2(t3)=tD3(t3)=0.9IA로 된다.
따라서, t>t3인 경우에는 두 개의 다이오드(D1과 D4)는 도통을 멈추고 Ls1과 Ls2의 양단에는 전압이 발생된다.
그러나, 본 발명에 따라서 브릿지에 대해서 선택된 다이오드는 저속의 범용 정류기이다. 소수 캐리어 재결합 시간은 5 ㎲보다 길고, 따라서 다이오드 접합부에 있는 거의 모든 소수 캐리어는 역방향 다이오드 전류에 의해서 제거되어야 한다. 따라서, SCR 전류는 최대 안테나 전류보다 상당히 작을 수 있고, 여전히 스위치는 본 발명의 양상(phases)에 대해서 원하는 스위칭 동작을 수행한다. 이어서, SCR의 최대 di/dt는 수학식 9이다.
따라서, 본 발명의 기술과 회로는 본 발명의 고속 고전력 고체 상태 브릿지 스위칭을 사용하여 안테나에서의 직렬 인덕턴스(L)와 직렬 커패시턴스(C)를 단계적으로 전술한 바와 같이 변화시킴으로써 주파수를 효율적으로 스위칭시키고, 그 결과, 원하는 주파수들 사이에서 안테나에 공급되는 Loran-C 무선 펄스의 주파수 변조를 달성한다.
중요한 Loran-C의 적용과 연계하여 설명하였지만, 본 발명은 통신을 다른 무선 전송 시스템에 부가하는 데에도 유용하며, 당업자에게는, 특허청구범위에 저으이된 바와 같이 본 발명의 정신 및 범주에 속하는 것으로 간주되는 부가적인 변형도 발생할 것이다.

Claims (7)

  1. 직렬의 인덕턴스 및 커패시턴스를 갖는 안테나에 의해서 전달되는 무선파 펄스 트레인의 무선 주파수 펄스 내에서 주파수를 신속하게 증감하는 주파수 변조 스위치 장치로서,
    상기 주파수 변조 스위칭 장치는, 마주보는 2 개의 브릿지 단자쌍을 가지며 상기 인덕턴스 및 상기 커패시턴스에서 분기하는 마주보는 1 개의 단자쌍에 연결되는 고체 상태의 4 단자형 브릿지 정류기 회로와, 상기 브릿지 정류기 회로 중에서 마주보는 다른 1 개의 단자쌍 사이에 연결되는 직렬 연결의 포화형 인덕터 및 선형 인덕터와 사이리스터(SCR) 스위치를 구비하고,
    상기 SCR은 원하는 주파수 변조를 행하기 위해서 상기 무선 주파수 펄스 내에서 상기 주파수를 고속 주파수 증가 또는 감소시키는 것에 상응하는 동작을 행하도록 고속 트리거링되는 것인 주파수 변조 스위칭 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 무선파 펄스 트레인은 Loran-C 내비게이션 펄스인 것인 주파수 변조 스위칭 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 브릿지 정류기는 상기 브릿지의 각 아암에 대칭적으로 배치되는 것인 주파수 변조 스위칭 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 SCR의 트리거링은 Loran-C 내비게이션 전송에 부가될 통신으로 이루어지는 디지털 비트에 따라서 그리고 그의 내비게이션 활용에 충격을 주는 일이 없이 발효되는 것인 주파수 변조 스위칭 장치.
  5. 직렬의 인덕턴스 및 커패시턴스를 갖는 안테나에 의해서 전달되는 무선파 무선 주파수 펄스 내에서 주파수 변조를 행하는 방법으로서, 상기 방법은, 마주보는 2 개의 브릿지 단자쌍을 갖는 고체 상태의 4 단자형 브릿지 정류기 회로를 상기 안테나의 인덕턴스 및 커패시턴스에서 분기되어 있는 상기 4 단자 중 1 개의 단자쌍에 연결시키는 단계와, 상기 브릿지 정류기 회로 중에서 마주보는 다른 1 개의 단자쌍 사이에 직렬 연결된 포화형 인덕터 및 선형 인덕터와 사이리스터(SCR) 스위치를 배치시키는 단계와, 원하는 주파수 변조를 행하도록 상기 무선 주파수 펄스 내에서 상기 주파수를 고속 주파수 증가 또는 감소시키는 것에 상응하는 동작을 행하도록 상기 SCR을 고속 트리거링하는 단계를 구비하는 것인 주파수 변조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 무선파 펄스는 Loran-C 내비게이션 펄스인 것인 주파수 변조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 SCR의 트리거링은 Loran-C 내비게이션 전송에 부가될 통신으로 이루어지는 디지털 비트에 따라서 그리고 그의 내비게이션 활용에 충격을 주는 일이 없이 발효되는 것인 주파수 변조 방법.
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