4. ПЕРЕДАТЧИКИ ДИАПАЗОНА VLF/LF

 

4.1. ОБЩИЙ ОБЗОР

Все передатчики, которые когда-либо использовались на VLF радиостанциях связи с подводными лодками, укладываются в единую хронологическую линейку передатчиков большой мощности, подразделяемую по принципу реализации источника электрических колебаний, питающего антенну, на две основные категории - на элементах электротехники и на элементах радиоэлектроники. К первой категории относятся искровые, дуговые и электромашинные передатчики, ко второй - ламповые, ключевые тиратронные и ключевые полупроводниковые.

основные исторические типы VLF передатчиков

Рис.4.1. Основные исторические типы VLF передатчиков

 

Достоверных сведений о применении на VLF станциях для связи с подводными лодками самых первых в истории радио передатчиков - искровых, которые использовались еще в экспериментах Генриха Герца, не обнаружено, хотя, скорей всего, именно этот тип мог первоначально использоваться на самых «древних» модификациях радиостанций Aguada (запущена в 1904 году) и Summit (запущена в 1915 году). Данные передатчики работали на принципе возбуждения электромагнитных колебаний высоковольтным электрическим разрядом, вследствие чего обладали целым рядом недостатков, в первую очередь крайне низким качеством сигнала и, соответственно, чрезвычайно широкой полосой излучения.

Применение для связи с подводными лодками следующего поколения VLF передатчиков уже документально прослеживается по летописи американской радиостанции Annapolis (запущена в 1918 году), где с самого начала были установлены два ультрасовременных по тогдашним меркам дуговых передатчика Поульсена мощностью по половине миллиона ватт каждый. В дуговых передатчиках использовалось явление самовозбуждения узкополосных стабильных колебаний в электрической дуге, вследствие чего отсутствовали упомянутые выше недостатки, присущие искровым передатчикам. Этот тип передатчиков применялся вплоть до тридцатых годов.

С дуговыми передатчиками соперничали еще более совершенные - электромашинные, именовавшиеся альтернаторами. Они по сути представляли собой мощные многополюсные генераторы переменного тока, приводимым во вращение электроприводом с регулируемой скоростью вращения, и обеспечивали высокую точность и стабильность поддержания частоты. Альтернаторами была оснащена радиостанция Yosami - гордость японской нации (запущена в 1928 году), и даже построенная на Гавайях уже в разгар эры ламповых передатчиков американская радиостанция Haiku (запущена в 1943 году).

Ламповые передатчики с усилителями иощности, работающими в аналоговых режимах AB, B и C, стали массово применяться с конца двадцатых - начала тридцатых годов. Сначала они уступали по мощности альтернаторам, но со временем полностью вытеснили последние и на многих радиостанциях успешно трудятся до сих пор.

Однако технический прогресс неумолим - в конце семидесятых - начале восьмидесятых годов в СССР и США активизировались работы по разработке передатчиков с выходными каскадами, работающими в ключевом режиме, в т.ч. на газоразрядных приборах - мощных водородных тиратронах и на полупроводниковых элементах - транзисторах и тиристорах.

Далее подробно остановимся на передатчиках недавнего прошлого и на современных - ламповых, ключевых тиратронных и ключевых полупроводниковых, а детальное описание и анализ передатчиков начала XX века оставим для обзора по истории радио.

 

4.2. ЛАМПОВЫЕ VLF ПЕРЕДАТЧИКИ

Структурная схема

Типовая структурная схема лампового VLF передатчика для связи с подводными лодками приведена на рис.4.2. Со времен запуска радиостанции Goliath она практически не изменилась и включает:

  • синтезатор С;
  • предусилитель ПУ;
  • один или несколько включенных на общую нагрузку усилителей мощности УМ;
  • выходной фильтр нижних частот ФНЧ;
  • устройство согласования с антенной УС;
  • вторичный источник питания ВИП.

типовая структурная схема лампового VLF передатчика

Рис.4.2. Типовая структурная схема лампового VLF передатчика

 

Синтезатор

Синтезатор формирует предназначенный для передачи в эфир радиочастотный сигнал с требуемой частотой, промодулированный входным двухпозиционным сигналом по частоте (F1B - телетайп или цифровые данные) или амплитуде (A1A - код Морзе). Он должен обеспечивать задание частот сигнала с нужным дискретом и с требуемой точностью в соответствии с регламентом ITU. Схемотехническая реализация синтезатора может быть различной - от аналогового синтезатора, работающего на принципе смешения сигналов с фиксированной и перестраиваемой частотами с модуляцией результирующего сигнала частотным модулятором, до различных цифровых синтезаторов с возможностью прямой фазовой манипуляции. Данных по синтезаторам рассмотренных в обзоре передатчиков, за исключением передатчика радиостанции Goliath, нет и о их возможной реализации можно судить лишь косвенно по патентам (см., например схему синтезатора 70-х годов одного из разработчиков VLF передатчиков компании Collins Radio Co, рис.4.3). Подробнее о FSK/MSK модуляции в диапазоне VLF см. в главе, посвященной канальному уровню.

схема синтезатора FSK сигнала фкомпании Collins Radio Co по патенту US-3794928

Рис.4.3. Cхема синтезатора FSK сигнала компании Collins Radio Co по патенту US-3794928

 

Предусилитель

Предусилитель необходим для усиления сформированного синтезатором радиочастотного модулированого сигнала по амплитуде и мощности для раскачки выходного усилителя мощности. Он обычно имеет двухтактный выходной каскад класса AB или B.

Фильтр нижних частот

Фильтр нижних частот предназначен для подавления высших гармоник в выходном сигнале передатчика. Обычно используется один или два последовательных П-фильтра.

Устройств согласования

Устройство согласования служит для согласования импедансов передатчика и антенны, что необходимо для передачи максимума активной мощности передатчика в антенну и минимизации потерь в антенно-фидерном тракте, являющихся следствием образования в нем стоячих волн. На большинстве станций используются устройства согласования с фиксированной настройкой на заданную частоту, однако имеются и примеры устройств, автоматически настраивающихся на частоту частотно-манипулированного сигнала, что позволяет раширить полосу излучаемых частот и повысить скорость передачи данных. Подробнее о согласующих устройствах см. в отдельной главе.

Усилитель мощности

Усилитель мощности является главным элементом VLF передатчика, характеризующим его с принципиальной стороны. Все ламповые усилители мощности передатчиков, схемы которых вошли в настоящий обзор, построены по двухтактной (пушпульной) схеме с трансформаторным выходом, в каждом плече которой используются от 1 до 25 ламп, которые работают параллельно в классе B или C и имеют водяное охлаждение.

примеры схем усилителей мощности ламповых VLF передатчиков

Рис.4.4. Примеры схем усилителей мощности ламповых VLF передатчиков

1 - радиостанция Goliath, 2 - радиостанция Cutler, 3 - радиостанция Harold E.Holt

 

Это стандартные двухтактные ламповые усилители, не требующие особых комментариев. Более подробные сведения о них и об аналогичных усилителях мощности приведены в приложениях, касающихся радиостанций Goliath, Cutler, Annapolis, Jim Creek, Lualualei, Harold E.Holt, Rhauderfehnn.

 

4.3. КЛЮЧЕВЫЕ ПЕРЕДАТЧИКИ

Основной недостаток ламповых аналоговых усилителей мощности заключается в их низком КПД, который для класса C теоретически хотя и может доходить до 75%, но на практике, с учетом требований по линейности, по данным их ведушего разработчика компании Continental Electronics составляет не более 60%, а по данным подразделения SPAWAR System Center ВМФ США всего 40-50%.

Недостаточно высокий КПД ограничивает максимально достижимую мощность ламповых передатчиков, а также требует обязательного устройства весьма громоздких и затратных систем водяного охлаждения. Единственным путем повышения КПД усилителей мощности VLF/LF передатчиков является переход от аналогового режима усиления к импульсному, который реализуется в усилителях класса D. Данный принцип сначала нашел применение в АМ передатчиках, в т.ч. в ламповых, но прошел достаточно долгий путь отработки его разных модификаций - от применения класса D только в НЧ модуляторах, на долю которых приходится значительная часть потерь мощности, до прямой ШИМ-модуляции в выходном каскаде, а потом и до различных комбинированных схем.

AM передатчик класса D по патенту US-3363199 компании Telefunken

Рис.4.5. AM передатчик класса D по патенту US-3363199 компании Telefunken с прямой ШИМ модуляцией в выходном каскаде

слева - базовая схема, справа - модифицированный вариант

В передатчиках с FSK манипуляцией выходной каскад усилителя мощности работает при постоянном напряжении питания, поэтому, в отличие от передатчиков c АМ модуляцией, единственным решением является перевод в режим класса D выходного каскада. Однако из-за низких ключевых свойств электронных ламп это решение не нашло применения в ламповых VLF усилителях мощности и перевод последних в режим класса D пошел на базе более совершенных ключевых элементов - газоразрядных и полупроводниковых.

По данным отечественных источников (см. приложение N) в СССР в 70-х - 80-х годах были разработаны соответствующие решения на базе применения мощных водородных тиратронов, и на их основе НПО им.Коминтерна (ныне РИМР) была создана линейка VLF передатчиков мощностью от 500 до 4000 кВт с КПД до 80%, заменивших на ряде станций ламповые модели. В конце 80-х годов в СССР уже появились мощные VLF передатчики на тиристорах, КПД которых достиг уже 85%. Однако какой-либо информации, проливающей свет на принципы их технической реализации в открытых источниках, включая патенты РФ и авторские свидетельства СССР, обнаружить не удалось, что, предположительно, связано с уровнем секретности разработок. По этой причине реализация этих передатчиков здесь не рассматривается

В зарубежных разработках мощные тиратроны и тиристоры не нашли применения, и все ключевые передатчики класса D с самого начала строились и строятся на транзисторах. На момент написания настоящего обзора в открытых источниках упоминаются всего четыре зарубежных ключевых VLF/LF передатчика - три американских (AN/FRT-95A, LaMour и Type 124) и один французский (на радиостанции Sainte-Assise). Далее первые три будут рассмотрены более подробно, по последнему информации не обнаружено.

 

4.4. ПЕРЕДАТЧИК AN/FRT-95A

Единственным источником информации о данном передатчике является технический документ A Short History of Navy VLF Solid-State Transmitter Development. R.E.Hammond. Maritime Serveillance Division. SPAWAR System Center. Technical document 3122 July 2001. Согласно данному документу полупроводниковый передатчик AN/FRT-95A разрабатывался в рамках программы SSPAR - Solid State Power Amplifier Programm, начатой в конце 70-х в недрах SSC (SPAWAR System Center) с целью оценки перспектив полупроводниковых VLF. На первом этапе собственными силами центра был изготовлен экспериментальный образец 100-киловаттного усилителя мощности VLF сигнала диапазона 15-30 кГц. Он содержал цепочку соединенных последовательно двухтактных коммутаторов с трансформаторным выходом, выполненных по мостовой схеме на биполярных транзисторах (рис.4.6). Мостовая схема была выбрана потому, что в ней транзисторы используются наилучшим образом как по току, так и по напряженю, а биполярные, а не МДП, транзисторы - из-за отсутствия опыта работы с последними.

Экспериментальный VLF усилитель мощности класса D, созданный в лаборатории SPAWAR System Center

Рис.4.6. Экспериментальный VLF усилитель мощности класса D, созданный в лаборатории SPAWAR System Center ВМФ США (слева - схема ячейки мостового коммутатора, справа - лабораторный образец)

источник иллюстраций - упомянутый выше Technical document 3122 July 2001

Несмотря на ряд выявленных в процессе работы над образцом проблем, в частности со сквозными токами в транзистороах моста, он показал принципиальную реализуемость полупроводникового ключевого VLF передатчика. В связи с положительным результатом первого этапа был начат второй этап работ, получивший название HESSA - High-Efficiency Solid-State Amplifier, на котором планировалось создание уже промышленного образца VLF передатчика с выходной мощностью 500 кВт, КПД не менее 80% и уровнем подавления гармоник в выходном сигнале не менее 60 дБ. Подрядчиком была выбрана Continental Electronics Mfg, ведущий мировой производитель мощных ламповых передатчиков, к тому времени уже заработавшая себе положительную репутацию изготовлением мегаваттных ламповых VLF передатчиков, успешно эксплуатировавшихся на радиостанциях ВМФ США Jim Creek, Cutler, Lualualei и Harold.E.Holt.. Однако в связи с отсутствием опыта создания мощных передатчиков на полупроводниках Continental провалила разработку, контракт с ней был разорван и она после этой неудачи «выпала в осадок» и долгое время не могла выйти на перспективный рынок мощных полупроводниковых передатчиков и военного, и коммерческого назначения.

От краха проект SSPAR спасли две менее известные компании - Instruments Inc. из того же San Diego, что и лаборатория SPAWAR System Center, и другая, тоже калифорнийская, Electrospace Systems Inc. У первый был взят главный узел - мостовой коммутатор на МДП транзисторах, который она разработала и уже выпускала для сонаров по заказу ВМФ США, а вторая взяла на себя всю остальную разработку, предложив создать полный аналог уже находящегося в эксплуатации лампового передатчика AN/FRT95 меньшей мощности (250 кВт) и более высокой частоты (30-60 кГц). Данный вариант был уже существенно более реален, чем первоначальный, т.к. требования по частоте и мощности были облегчены и планировалось использовать промышленно выпускавшийся модуль транзисторного моста.

В результате, хотя и со срывом сроков и превышением сметы, передатчик AN/FRT95A был создан и четыре его экземпляра были установлена на радиостанциях Awase, Grindavik, Niscemi и Aguada. В первые годы его эксплуатации выявился дефект цепей управления транзисторными мостами - деградация оптоэлектронных развязок. Однако дефект был быстро устранен путем замены оптоэлектронных развязок трансформаторными.

 

4.5. ПЕРЕДАТЧИК LA MOURE

Репутация проекта SSPAR, подмоченная неудачей компании Continental, была временно реанимирована проектом AN/FRT-95A, но ее конечная цель - создание полупроводникового передатчика для замены существующих ламповых VLF передатчиков большой мощности и низкой частоты достигнута не была, и работы по техзаданию на передатчик HESSA были продолжены. На этот раз в качестве подрядчика снова был выбран гигант радиоотрасли - компания Rockwell, еще не объединенной с компанией Collins Radio.

Для достижения требуемых параметров по мощности и частоте Rockwell привнесла в уже успешно использованные в ASN/FRT-95A решения ряд новшеств, в т.ч. последовательно-параллельное включение транзисторных мостов, в каждом из которых использовалось параллельное включение 16-ти МДП транзисторов того же типа, за счет чего мощность моста была увеличена до 30 кВА. Кроме того, Rockwell снабдила свой передатчик HESSA супернавороченной компьютерной системой управления и мониторинга, намного более сложной, чем у модели 95A. В результате модель Rockwell намного превзошла по габаритам и сложности модель 95A.

Для натурных испытаний передатчик был установлен на VLF радиостанции La Moure навигационной системы Омега, которая использовалась одновременно как испытательный полигон при создании новых образцов VLF техники. Там он несколько лет находился в опытной эксплуатации, при этом не получил высоких оценок из-за отсутствия явных достоинств на фоне повышенной сложности и стоимости эксплуатации. Кроме того, сам по себе передатчик получился намного дороже, чем предполагалось. В итоге, как написано в Техническом документе 3122, ВМФ США вместо желаемого неприхотливого и доступного по цене VLF- Шевроле получил фешенебельный и непомерно дорогой VLF-Кадиллак.

Итогом программы SSPAR стала удачная разработка полупроводникового передатчика для узкой ниши, а именно для LF диапазона и средней мощности. Вопрос же модернизации мощных ламповых VLF станций был отодвинут на неопределенную перспективу и они до сих пор успешно решают свои задачи в своей первозданной ипостаси, опираясь на такие свои очевидные преимущества, как надежность, простота эксплуатации и потенциальная устойчивость к таким факторам средств нападения или диверсии вероятного противника, как радиация, электромагнитный импульс и хакерские атаки.

итоги программы SSPAR ВМФ США

Рис.4.7. Итоги программы SSPAR ВМФ США

 

4.6. ПЕРЕДАТЧИК TYPE 124

После неудачи с разработкой полупроводникового VLF передатчика по программе SSPAR компания Continental Electronics сумела перестроиться и выйти на рынок коммерческих полупроводниковых передатчиков большой мощности, а в 2014 году поставила ВМФ Индии для модернизации VLF радиостанции INS Kattabomman полупроводниковый передатчик TYPE 124 с рекордной мощностью в 6 мегаватт и КПД порядка 80%, напичканный массой различных новшеств.

VLF передатчик Type 124

Рис.4.8. VLF передатчик Type 124

Слева - шкафы усилителей мощности с магистралями воздушного охлаждения, справа - пост управления и мониторинга (источник иллюстраций - contelec.com)

В передатчике предусмотрены следующие функции и возможности:

  • адаптивная автоматическая настройка согласования с антенной и упреждающая коррекция частотных и нелинейных искажений, обусловленных узкополосностью антенны, что позволяет в 2 - 4 раза расширить полосу передаваемого сигнала и увеличить скорость передачи в режиме MSK модуляции с 200 до 400 - 800 бод;
  • рекуперрация реактивной энергии в источник питания;
  • развитая система самоконтроля с диагностикой с точностью до резервируемого / заменяемого модуля;
  • конфигурируемое пользователем резервирование и простота замены отказавших элементов без потери функционирования;
  • мониторинг высоковольтных узлов и цепей на предмет наличия или возможности возникновения высоковольтных искровых, дуговых или коронных разрядов.

В передатчике применена система воздушного охлаждения. Архитектура передатчика, в т.ч. решения, обеспечивающие повышение скорости передачи, защищены блоком патентов в США, Канаде и Евросоюзе. Решения, обеспечивающие повышение скорости передачи, будут рассмотрены в двух последующих главах, касающихся согласования передатчика с антенной и канального уровня систем связи диапазона VLF.

структурная схема VLF передатчик Type 124 по патенту US-8355460

Рис.4.9. Структурная схема VLF передатчик Type 124 по патенту US-8355460

* * * * * * * * *

 

 

Опубликовано 24.10.2021 Последнее изменение - нет

© Janto 2021 Все права защищены