NO138426B - Apparat for utvikling av radiofrekvenssignaler som er underkastet magnetisk pulskompresjon - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et apparat for utvikling av radiofrekvenssignaler som er underkastet magnetisk pulskompresjon, hvor det blir anvendt puls-sekvens-teknikk.

Utviklingen av radioffekvenseffekt ved puls-sekvens-teknikk er beskrevet i US-patentskrift 2.786.132. Senere utførelser med bruk av styrte silisiumlikerettere (SCR) for radiofrekvenssignaler er beskrevet i US-patentskrift 3.243.728.

Den pulsteknikk og det tilhørende apparat som beskrives i US-patentskrift 2.787.132 blir ofte kalt "sekvens-vekselretter", og den er særlig anvendelig når man benytter styrte silisiumlikerettere i frekvensområdet over ca 20 kHz. Hovedgrunnen for å benytte puls-sekvens-teknikk når man anvender styrte silisiumlikerettere ligger i den lange gjenvinningstid sammenliknet med innkoplingstiden for disse enheter.

Et hovedproblem ved sekvensvekselréttere med styrte silisiumlikerettere er imidlertid di/dt-forholdet (forandringshas-tigheten til strømmen i lederetningen). Fordi di/dt står i forhold til frekvensen blir pulsstrømforholdet til styrte silisiumlikerettere sterkt redusert ved høye frekvenser. Dette reduserte forhold begynner ved omtrent 10 kHz for sterkstrøms likerettere. Det er kjent at ved å benytte magnetisk pulskompresjon kan

slike likerettere som benyttes for andre formål drives ved maksimalt pulsstrømforhold. For eksempel kan for anvendelser over 100 kHz oppnås en størrelsesøkning i utgangseffekten. Kon-vensjonelle kretser for magnetisk pulskompresjon kan imidler-

tid ikke benyttes for sekvensvekselréttere. Utgangssignalet fra en enkel krets for pulskompresjon er en unipolar eller likestrøms-. puls, mens utgangssignalet fra en sekvensvekselretter har vekslende polaritet. For å oppnå vekslende polaritet på utgangssignalet og å utvikle sekvenspulsrekken, blir pulsgeneratorene

parallellkoplet ved utgangen. Den vekselvirkning som oppstår ved slik sammenkopling har hittil gjort vanlige koplinger for magnetisk pulskompresjon uanvendelige for disse formål.

Formålet med oppfinnelsen er å skaffe et apparat for magnetisk pulskompresjon, som fjerner disse ulemper og som gjør det mulig å benytte slike apparater sammen i sekvensvekselréttere samt som er velegnet for utvikling av et radiofrekvens-signal.

Dette er ifølge oppfinnelsen oppnådd med et apparat som er kjennetegnet ved at det omfatter

a) sekvensvekselréttere som omfatter et antall energi-lagrings- og utladningskretser som er anbrakt på en rekke steder

og som hver omfatter en krets for magnetisk pulskompresjon, b) en innretning for tilkopling av kretsene for magnetisk pulskompresjon til en felles belastning, samt c) triggerinnretninger ved hver lagrings- og utladnings-krets for styring av impedansen til den tilhørende pulskompresjonskrets for utvikling i rekkefølge av sammentrykte pulser i pulskompresjonskretsene for tilførsel til den felles belastning, idet hver lagringskrets i sekvensvekselretterne omfatter kaskadekoplete første og andre resonansladekretser som hver er utstyrt med triggerinnretningen for styring av overføringen av den lagrete ladning, idet triggerinnretningen i den andre resonansladekrets er utstyrt med en anordning for tilførsel av like-strøm for omvendt forspenning av triggerinnretningen for å holde denne ikke-ledende i et tidsrom etter at den er blitt gjort ledende.

Oppfinnelsen blir i det følgende beskrevet nærmere under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et( sjcjematisk koplings skjema for en foretrukket utførelsesform av apparatet. Fig. 2 viser et bølgeform-diagram som illustrerer spenning-og strømbølgene til apparatet ifølge fig. 1 for magnetisk puls-kompres jon.

Ifølge oppfinnelsen er det frembrakt et apparat med en krets for magnetisk pulskompresjon med styrte silisiumlikerettere, som har vist seg å ha lav utgangsimpedans i det inter-vall den utgående puls utvikles og høy impedans i intervallet mellom utgående pulser. Det kan således ikke oppstå skadelige vekselvirkninger som beskrevet foran mellom pulskretsene, og de kan koples tilfeldig sammen på utgangene uten innbyrdes påvirkning ved drift som sekvensvekselréttere. En foretrukket utførelses-form av en slik kopling for magnetisk pulskompresjon er vist i fig. 1 og den omfatter ladekretser I. til I nmed styrte silisiumlikerettere, som er kaskadekoplet og fulgt av respektive magnetiske pulskompresjonskretser . Ethvert antall n slike ladekretser og magnetiske pulskompresjonskretser kan benyttes, men det to-kretssystem som er vist i fig. 1 har det minimale antall ladekretser og kompresjonskretser for å gjennomføre oppfinnelsen.

Ladekretsene I ... I med styrte silisiumlikerettere er vist med lik oppbygning og hver er forsynt med inngangsinduk-tanser, henholdsvis L.. 1 og L^n i serie og triggeraktiverte, styrte silisiumlikerettere (SCR), som er betegnet med SCR^ og SCR^n, forbundet med den positive klemme + til en likestrøms-kilde E^c- Første ladekretser for energilagring er dannet av elementene L,, - SCR,, og L, - SCR., i kombinasjon med respek-11 11 ln ln . J c . tive kondensatorer og C^n, idet hver er forbundet med^ÉLke-strømkildens E^c negative klemme. Andre ladekretser er koplet slik at de følger de første ladekretser og omfatter respektive likerettere SCR21 og SC<R>2n, serieinduktanser L ^ og L2n samt kondensatorer C og C2n- Pulskompresjonsreaktorer, henholdsvis SRj^ og SR^n som er forsynt med dioder henholdsvis D.. 1 og D^n

er koplet til de andre ladekretser i kretsene I ... I og mater en belastning Z T over respektive utgangstransformatorer Tj_]_**'Ti'n*

Den grunnleggende virkemåte til denne krets vil i det følgende bli beskrevet ved hjelp av de spennings- og strømbølge-former som er vist i fig. 2 i tilknytning til kretsene I-l1, idet det skulle være klart at de øvrige tilsvarende kretser i systemet virker på samme måte. I begynnelsen blir kondensatorene C 11 og C2^ ladet med negative spenninger B-^ og B~2 gjennom tilsvarende motstander henholdsvis R^ og-.R^,-hvor B-^ er større tallmessig enn B~2. På et tidspunkt t (fig. 2) påtrykkes et triggersignal på .SCR^, og kondensatoren blir derved ladet med en spenning som er litt mindre enn 2-E^" + B-^. Avviket fra denne verdi (som representerer det tapsfrie tilfelle) oppstår på grunn av tap i induktansen L,, , likeretteren SCR^1 og kondensatoren C^ under energioppladingen. Tidsintervallet for lading av kondensatoren C^ er betegnet med x^, og det vil fremgå at ladestrømmen L er en halv sinusbølge og at spenningen på kondensatoren C, .. er en negativ kosinusbølge som er forskjøvet omtrent Edc-^ (B~1). Tidsintervallet t1 er lik halvparten av perioden til resonans-vinkelfrekvensen / 1 . Ladetil-

V Ln <c>ii

standen er illustrert med +- og -tegn i fig. 1 ved siden av kondensatorene C^^ og C.?1 (samt og C2n) vertikalt på linje med tilstandsbetegnelsen 1. Denne ladeperiode ender på tidspunktet t^, og kretsen forblir i hviletilstand i det tidsrom som i fig. 2 er betegnet med 2.

I løpet av dette tidsintervall blir likeretteren SCR^ omvendt forspent, idet intervallet varer i en tid T-^- , som er tilstrekkelig til å tillate at likeretteren vender tilbake til "utkoplet" tilstand. For vanlige styrte silisiumlikerettere er dette tidsintervall i størrelsesorden 40 til 50 u-sekund,

og for likerettere med hurtigere gjenvinningstid kan det reduseres til 10 til 20 u-sekund. Gjenvinningstiden ender på tidspunktet t2 når likeretteren SCR.^ gjøres ledende eller koples på ved hjelp av et triggersignal, for eksempel som beskrevet i US-patentskrift 2.786.132. Kondensatoren blir følgelig ut-ladet eller dens ladning overført til kondensatoren C2^ og omvendt. Denne veksling i ladning er perfekt dersom kondensatorene har samme kapasitet og det ikke finner sted tap under lad-ningsoverføringen. Intervallet for ladningsutvekslingen er betegnet med x2 i fig. 2, og dets lengde bestemmes av to forhold: først optimaliseringen av pulsstrøm-forholdet til likeretteren SCR21°^ dernest minimaliseringen av den magnetiske pulskom-pres jon som kreves av den mettbare reaktor SR^ i den følgende magnetiske pulskompresjonskrets I<*>. Som vist er t2 noe mindre enn x^ selv om dette ikke alltid trenger å være tilfelle.

Forut for intervallet x2 blir reaktoren SR^, som for eksempel kan bestå av en magnetisk toroidal kjerne med rektangel-formet hysteresesløyfe (dvs. 50% jern og 50% nikkel), (for eksempel som markedsført under varemerkene "Deltamax" eller "Orthonol") forspent til negativ metning av forspenningsstrømmen 1^ som påtrykkes den øverste vinding av reaktoren SR^ på kjent måte. I løpet av intervallet x2 vendes polariteten til spenningen på kondensatoren C21, og den blir positiv ved t2'. I tidsinter-vallet fra t2' til t^ er spenningen på kondensatoren C21 positiv, og det skraverte spenning-tid-område (betegnet med Je^ dt i fig. 2), driver reaktoren SR-^ fra negativ til positiv metning. Det skal bemerkes at dette integral er proporsjonalt med den magnetiske fluks i kjernen. På tidspunktet t^ går reaktoren i metning og får en meget lav induktans. Derved vil ladningen på kondensatoren C- 2\ utlades meget hurtig til belastningen i det forholds-vis korte tidsintervall som er betegnet med t 3 og som begynner ved den tilstand som er betegnet med 3. Også for dette tilfelle er ladningstilstanden på kondensatorene vist vertikalt over tilstandsbetegnelsen 3 i fig. 1. Dette tilsvarer den skraverte negative utgangspuls mellom svingningen 36 og 2 (tilstanden 4)

i den nederste bølge i fig. 2. Den resulterende pulskompresjon blir representert ved forholdet X2^ T3'

Utgangstrinnet er utformet slik at den resonanskrets som dannes av kondensatoren C2l, den mettete induktans til reaktoren SR^ og belastningen er underdempet. Spenningen på kondensatoren C bytter derfor polaritet, og når belastningsstrømmen i,^ blir null på tidspunktet t^, er dioden D^ omvendt forspent og danner derved en høy impedans overfor belastningen. Derved oppnås isolasjon mellom pulskretsene. Det må dessuten iakttas at den omvendte spenning & q2± er litt mindre enn ec^, noe som sikrer at likeretteren SCR2^ blir omvendt forspent slik at den kan gjenvinne seg.

Når likeretteren SCR2± har vendt tilbake til utgangstil-standen i løpet av perioden T_„_, , er pulskretsen igjen klar til

REC2

å starte utviklingen av en puls. Kretsens driftsperiode (T~peri0(je) er således summen av tidsintervallene x,, T-.^^,<,> x0, x_ og T__0 . Antallet pulskretser n som kreves for å utvikle en kon-KtiC2 tinuerlig bølge ved sekvensvis utladning av lagret energi på suk-sessive steder I-l'... I -I' , er lik forholdet mellom

n n

T . , og x .

periode 3

Dersom pulskretsene er koplet til en belastning Z med høy Q-verdi og de høyere harmoniske på deri- utgående bølgeform er til-fredsstillende, trenger pulskretsene ikke å utvikle hver halv-bølge. På denne måte kan antallet pulskretser reduseres. Disse pulskretser kan også benyttes til å utvikle RF-pulser med forut-bestemt form, for eksempel slik det benyttes ved "Loran" naviga-sjonssystemer og liknende, hvor antallet n pulskretser bestemmes av lengden og formen på RF-pulsen.

Claims (7)

1. Apparat for utvikling av radiofrekvenssignaler som er underkastet magnetisk pulskompresjon, karakterisert, ved at det omfatter a) sekvensvekselréttere som omfatter et antall energilag-rings- og utladningskretser (L-^-SCR^) som er anbrakt på en rekke steder og som hver omfatter en krets n) for magnetisk pulskompresjon, b) en innretning for tilkopling av kretsene n) for magnetisk pulskompresjon til en felles belastning (ZXTj), samt c) triggerinnretninger ved hver lagrings- og utladnings-krets for styring av impedansen til den tilhørende pulskompresjonskrets (I '-I 1 ) for utvikling i rekkefølge av sammentrykte pulser i pulskompresjonskretsene for tilførsel til den felles belastning (Z^) 1 idet hver lagringskrets i sekvensvekselretterne omfatter kaskadekoplete første (L-L1,SCR11,C11) og andre (L2±' SCR21'C21^ resonansladekretser som hver er utstyrt med triggerinnretningen for styring av overføringen av den lagrete ladning, idet triggerinnretningen i den andre resonansladekrets er utstyrt med en anordning for tilførsel av likestrøm for omvendt forspenning av triggerinnretningen for å holde denne ikke-ledende ' i et tidsrom etter at den er blitt gjort ledende.

2. Apparat i samsvar med krav 1, karakterisert ved at hver av de andre ladekretser (I-l ) er koplet sammen n med en tilhørende krets (I'-J'n) for magnetisk pulskompresjon som omfatter en mettbar reaktor (SR,,-SRn ) og en diode (D,,-D, ) 11 ln 11 ln og en utgangstransformator (Tii-Tln)•

3. Apparat i samsvar jned krav 2, karakterisert ved at det omfatter anordninger for først å trigge triggerinnretningen til den første: resonansladekrets (L^^ , SCR^.^ ,C^±) i hver krets for energilagring, slik at det oppnås lagring av ladningsenergi i et tidsintervall x-^ og deretter å trigge triggerinnretningen til den andre ladekrets »^CR21,<C>21^ for ^ bevirke ytterligere lagring i et tidsintervall x^, slik at impedansen til kretsen for magnetisk pulskompresjon (1<1>) reduseres1 til en lav verdi, samt en anordning som bevirker utladning av den ytterligere lagrete energi fra den andre ladekrets gjennom kretsen for magnetisk pulskompresjon med lav impedans til den' felles belastning (Z ■Li ) i løpet av et tidsintervall x J0 som er kortere enn intervallene °9 t^..

4. Anordning i samsvar med krav 3, karakterisert ved at triggerinnretningene omfatter styrte silisiumlikerettere (SCR) .

5. Apparat i samsvar med krav 1., karakterisert ved at den første resonansladekrets (I) omfatter en induktans / en styrt halvleder-likeretter (SCR.^ samt en kapasitans (C^) i serie over en energikilde (E^c) , at den andre resonansladekrets omfatter en styrt halvlederlikeretter (SCR2l), en induktans (L2x) sanvt en kapasitans (C2l) i serie over kapasitansen (C^-^) i den første krets, samt at hver av de magnetiske pulskompresjonskretser (I'-I,n) omfatter en mettbar reaktor (SR-^-SR^) i serie med en likeretter over kapasitansen (c21_) i den andre krets.

6. Apparat i samsvar med krav 5, karakterisert ved at energikilden (E^ ) omfatter innretninger som er koplet til kapasitansene for opplading av kapasitansene til spenninger med motsatt polaritet i forhold til polariteten for spenningene som kapasitansen i den første krets opplades til og som er av relativ størrelse til å påtrykke den sistnevnte triggerinnretning en motspenning.

7. Apparat i samsvar med krav 1, karakterisert ved at hver av de magnetiske pulskompresjonskretser (I'-I' ) omfatter en mettbar reaktor (SR,,-SR, ) i serie med en like-11 ln retter (SCR-^-SCR.^) og at nevnte triggerstyreinnretning omfatter en anordning for reduksjon av reaktorens og likeretterens serieimpedans til en lav verdi for utladning av den lagrete energi gjennom pulskompresjonskretsen til belastningen (Z^) og for etterfølgende tilbakeforspenning av likeretteren for isoler-ing av pulskompresjonskretsen fra belastningen.