自導(dǎo)系統(tǒng)右放大裝置分析與替代化研究＊

許慶芬 杜 軍

（1.海軍七○二廠 上海 200434）（2.海裝軍械保障部 北京 100081）

1 引言

接收裝置如何更大程度的濾除混響與噪聲的干擾，提高目標(biāo)檢測(cè)能力，直接影響到裝備自導(dǎo)系統(tǒng)性能的好壞，是體現(xiàn)該型裝備性能的重要指標(biāo)之一［1］。該放大裝置組件由左－上放大裝置、右－下放大裝置、保護(hù)裝置、頻率形成器等四個(gè)功能與結(jié)構(gòu)相聯(lián)系的裝置構(gòu)成，右放大裝置則是右－下放大裝置的一部分。基陣在接收時(shí)用于進(jìn)行目標(biāo)回波的聲電能量轉(zhuǎn)換，并按一定規(guī)律形成接收方向特性，形成的上、下、左、右四個(gè)波束進(jìn)入放大裝置，左－上、右－下放大裝置分別對(duì)應(yīng)接收這四路信號(hào)。右放大裝置負(fù)責(zé)接收右路來(lái)的信號(hào)，其主要作用是選頻放大與抑制混響干擾，由于上、下、左、右四個(gè)放大裝置在結(jié)構(gòu)與原理上完全一致，本文對(duì)右放大裝置電路進(jìn)行具體分析與替代化設(shè)計(jì)研究，即可完全獲得四個(gè)放大裝置的工作特性，同時(shí)為該型自導(dǎo)系統(tǒng)故障診斷及替代化設(shè)計(jì)與研究進(jìn)一步奠定基礎(chǔ)。

2 右放大裝置設(shè)計(jì)原理

右放大裝置的主要作用是降低混響干擾，采用的主要技術(shù)為ODN抗混響原理［2］。系統(tǒng)采用固定中心頻率的窄帶抗混響陷波器來(lái)抑制混響干擾，以利于檢測(cè)目標(biāo)，提高自導(dǎo)的檢測(cè)和抗干擾性能。ODN調(diào)整，實(shí)際上是一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程。它由發(fā)射機(jī)、基陣、接收機(jī)、頻率自動(dòng)調(diào)整控制電路等共同完成。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)射一個(gè)聲脈沖之后，接收機(jī)首先對(duì)混響進(jìn)行采樣，通過(guò)頻率自動(dòng)調(diào)控電路頻率鑒別后，根據(jù)混響相對(duì)陷波器中心頻率的偏差情況，給出頻率指示信號(hào)給發(fā)射機(jī)，使發(fā)射機(jī)對(duì)所發(fā)頻率進(jìn)行必要的修正，在下一個(gè)發(fā)射周期中改變發(fā)射載頻，這樣反復(fù)一定次數(shù)的采樣、鑒頻、頻率修正，就能保證混響頻率基本上對(duì)準(zhǔn)陷波器的中心頻率。

3 右放大裝置分析

3.1 右放大裝置組成與工作原理

右放大裝置的方框圖如圖2所示。

圖1 ODN調(diào)整閉環(huán)

圖2 右放大裝置（前半部分）方框圖

其中：Fon為基準(zhǔn)頻率B；СИ6為放大裝置同步脈沖；РФ為抑制混響濾波器。

右放大裝置由基陣輸入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和放大器組成，放大器帶有抑制混響濾波器，并且其輸入端帶有雙位轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)K4，用于按СИ6指令向輸入端輸送基準(zhǔn)頻率，進(jìn)行頻率自動(dòng)調(diào)整。

對(duì)于主動(dòng)自導(dǎo)來(lái)說(shuō)，由于發(fā)射功率較大，基陣輸入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)用于保證自導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)時(shí)接收機(jī)系統(tǒng)不受發(fā)射功率影響［3］；在接收信號(hào)時(shí)，基陣輸入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)作為寬帶通濾波器，其主要作用是抑制海洋噪聲對(duì)回波信號(hào)的影響［4］。在接收機(jī)正常工作時(shí)，雙位轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)根據(jù)СИ6控制信號(hào)，控制右放大裝置在選頻放大與頻率自動(dòng)調(diào)整之間切換。通過(guò)帶РФ的放大器與頻率自動(dòng)調(diào)整的共同作用，最終使混響頻率落入陷波器中心頻率上，達(dá)到抑制混響的目的。

3.2 基陣輸入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和雙位轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電路分析

基陣輸入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和雙位轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)具體電路如圖3所示。

1）基陣輸入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)

該發(fā)射機(jī)和接收機(jī)與換能器基陣的耦合電路采用變壓器方式，變壓器的初級(jí)繞組有兩個(gè)，一個(gè)與發(fā)射機(jī)相接，另一個(gè)與接收機(jī)相接，變壓器的次級(jí)繞組則始終與換能器基陣相連接。為了防止發(fā)射時(shí)的大功率信號(hào)損壞接收機(jī)，在接收機(jī)的輸入電路中采取了耐高壓的保護(hù)電路［5］。

圖3 基陣輸入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和雙位轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電路

如圖3所示電路圖，放大器每一個(gè)輸入端與基陣輸出端經(jīng)過(guò)基陣輸入開(kāi)關(guān)相連接，該開(kāi)關(guān)包括電容C1，C2，C3，二極管V1，V2和電感器L1。在發(fā)射期間基陣輸入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)可預(yù)防擊穿帶РФ放大器中的晶體三極管V3。在接收期間，由于接收信號(hào)幅度較小，不足以使V1，V2導(dǎo)通，此時(shí)基陣輸入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)起寬帶濾波器的作用。濾波器電路由L1，C4，R1組成，電容C1，C2，C3加入到輸入回路是使其調(diào)諧到工作頻率。

圖4 寬帶濾波器頻率特性

若自導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)射脈沖載頻為B＝30kHz，不考慮接收回波時(shí)產(chǎn)生的多卜勒頻移，根據(jù)：ω0＝2πf＝ 1／，L＝0.1μF，可 求 得：L＝0.28mH；品 質(zhì) 因 數(shù)：Q＝ω0L／R＝0.002。該寬帶濾波器的頻率特性如圖4所示，上限頻率約為120kHz，下限頻率約為7kHz，通頻帶約為120kHz，其品質(zhì)因數(shù)反映了濾波器的濾波特性，Q值愈高，頻率選擇性越好，通頻帶愈窄；Q值愈低，頻率選擇性越差，通頻帶愈寬［6］。

2）雙位轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)

雙位轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)型號(hào)為143KT1。其主要參數(shù)為：（1）開(kāi)啟電壓：≥2.4V；（2）電源要求：＋15V與－24V。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中：5，4為輸入端；8，2為其對(duì)應(yīng)輸入端；11，12為控制端。

圖5 143KT1電子開(kāi)關(guān)

當(dāng)СИ6控制信號(hào)為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)全部合上，從基陣輸入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)4與2接地，基準(zhǔn)頻率Fon經(jīng)過(guò)5與8進(jìn)入帶РФ的放大器，進(jìn)行頻率自動(dòng)調(diào)整；當(dāng)СИ6控制信號(hào)為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)全部斷開(kāi)，回波信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻R2進(jìn)入帶РФ的放大器中晶體三極管V3的基極。

3.3 帶抑制混響濾波器的放大器電路分析

帶抑制混響濾波器的放大器具體電路如圖6所示。本節(jié)所涉及的陷波器是實(shí)現(xiàn)ODN抗混響的主要裝置之一，它主要用于實(shí)現(xiàn)基本的選頻與放大功能［7］。

根據(jù)圖6所示，該放大器由抑制混響濾波器與射極跟隨器兩部分組成，從而實(shí)現(xiàn)陷波與放大的作用。抑制混響濾波器由電感器L2，電阻R3，電容C8，C9，C10，C12組成，通過(guò)L2的抽頭與電源相連，有利于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。它接在晶體三極管V3的集電極上。晶體三極管V3與電阻R4，R5，R6，電容C8構(gòu)成射極跟隨器，其主要作用是提高輸出阻抗，增強(qiáng)帶負(fù)載的能力［8］。電阻R4，R3以及＋15V電源電壓為V3提供直流偏置。R6用于調(diào)整抑制深度。射極跟隨器的輸出阻抗和二極管V9，V10形成限幅器，使右放大裝置后半部分的三極管總是工作在線性狀態(tài)。

圖6 帶РФ的放大器

圖7為抑制混響濾波器的簡(jiǎn)圖，其中C＝0.038μF，R＝6.18KΩ。假設(shè)航速VT為40節(jié)，發(fā)射頻率f0＝30kHz，則：

圖7中，電路的總阻抗［9］為

圖7 抑制混響濾波器簡(jiǎn)圖

4 替代化研究

由于該型裝備屬國(guó)外引進(jìn)，從研仿設(shè)計(jì)、維修保障等角度考慮，需對(duì)其進(jìn)行替代化研究。

1）基陣輸入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)主要起保護(hù)接收通道、抑制海洋自噪聲的作用，對(duì)它的技術(shù)指標(biāo)要求并不太高，因此，在替代化研究中，仍采用原電路圖，其缺點(diǎn)是電路中含有電感L，而電感在電路中易受其他因素的影響，電感值不穩(wěn)定，會(huì)造成帶寬與中心頻率同原電路圖不一致，但這給后續(xù)電路造成的影響并不大；

2）雙位轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)143KT1用DG201替代，DG201為四輸入模擬開(kāi)關(guān)，這里只用它的兩個(gè)輸入端；

3）對(duì)于帶抑制混響濾波器的放大器，采用雙T帶阻濾波電路進(jìn)行替代，其原理電路見(jiàn)圖9。

圖9 雙T帶阻濾波原理電路

由節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納方程不難導(dǎo)出電路的傳遞函數(shù)為

式中，AVF＝1＋R4／R5，Q＝1／2（2－AVF）。如果AVF＝1，則Q＝0.5，增加AVF，Q將隨之升高。當(dāng)AVF趨近2時(shí)，Q趨向于無(wú)窮大。因此，AVF愈接近2，｜｜愈大，帶阻濾波的選頻特性愈好，即阻帶的頻率范圍愈窄。

圖10 雙T帶阻濾波器頻率特性

選取R1＝R2＝R＝2.06KΩ，R3＝1KΩ，C1＝C3＝C＝2500PF，C2＝2C1＝5000PF，則其中心頻 率 為：f0＝30.9kHz，這與混響中心頻率基本一致。由于Q值影響帶阻濾波的選頻特性，經(jīng)過(guò)多次取值并計(jì)算仿真，得出當(dāng)R5＝27K，R4＝25.92K時(shí)，AVF＝1.96，Q＝12.5。此時(shí)，其下截止頻率fL＝30.43kHz，上截止頻率fH＝31.38kHz，帶寬為950Hz。其頻率特性如圖10，其中X表示頻率（kHz），Y表示放大倍數(shù)｜｜。

由于原電路圖中總放大倍數(shù)｜｜＝1，故在雙T帶阻濾波電路后又加上了比例運(yùn)算電路，使總放大倍數(shù)滿足原條件。

4）電路中的集成運(yùn)放均采用OP27A低噪聲精密運(yùn)放，這種運(yùn)放的特點(diǎn)是內(nèi)部噪聲低，這對(duì)于自導(dǎo)系統(tǒng)的工作是很有好處的，同時(shí)在替代時(shí)也注意消除運(yùn)放的誤差［10］；電路中的二極管V1、V2、V9、V10用2CK75D代替，其管耗、正向工作電壓、額定正向整流電流等參數(shù)與原有器件基本相同。

目前正在開(kāi)展實(shí)際電路設(shè)計(jì)與測(cè)試工作，通過(guò)測(cè)試對(duì)比，進(jìn)一步完善替代化設(shè)計(jì)，以達(dá)到原有右放大裝置的性能指標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)自導(dǎo)系統(tǒng)右放大裝置組件工作原理、組成及其具體電路進(jìn)行了分析研究，包括基陣輸入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、雙位轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、帶抑制混響濾波器的放大器電路等，并對(duì)基陣輸入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、帶抑制混響濾波器的放大器的頻率特性進(jìn)行了研究，最后對(duì)右放大裝置電路進(jìn)行了替代化研究，分析了替代化電路的中心頻率、放大倍數(shù)及相應(yīng)的替換件特性，所得結(jié)論有利于掌握上、下、左、右四個(gè)放大裝置的工作特性，同時(shí)為該型自導(dǎo)系統(tǒng)故障診斷及替代化設(shè)計(jì)研究進(jìn)一步奠定基礎(chǔ)。

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