DE3715901A1

DE3715901A1 - Generator for feeding an ELF antenna

Info

Publication number: DE3715901A1
Application number: DE19873715901
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dipl Ing Emmerich; Ralf Dr Ing Esprester; Albert Dr Ing Essmann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1987-05-13
Filing date: 1987-05-13
Publication date: 1988-11-24

Abstract

In a generator for feeding an ELF transmitting antenna with a short-duration transmitting signal, a multiplicity of series-connected NiCd accumulators is provided as power source. The series circuit exhibits a plurality of taps which can be connected to the antenna terminals via controllable semiconductor switches. The switches are operated by a control device as determined by the desired transmitting signal in such a manner that the transmitting signal is approximated by a staircase-like step variation. Simple filter means can be used for suppressing unwanted higher-frequency signal components and thus for smoothing the stepped variation.

Description

Die Erfindung betrifft einen Generator zur Speisung einer ELF- Antenne.The invention relates to a generator for feeding an ELF Antenna.

Längstwellen(ELF)-Sendesignale werden bevorzugt eingesetzt zur Informationsübertragung an unter Wasser befindlichen Empfängern, beispielsweise in getauchten U-Booten. Wegen der extrem niedri gen Signalfrequenz weisen auf diese Frequenzen abgestimmte Re sonanzkreise im Sender hohes Gewicht und Volumen auf. Die zur Informationsübermittlung erforderliche Zeit ist in der Regel kurz, die in dieser kurzen Zeit benötigte Leistung aber erheb lich. Die Anforderung an den Sendergenerator nach hoher verfüg barer Leistung wirkt sich aber gleichfalls ungünstig auf Gewicht und Volumen des Generators aus. Vor allem bei Generatoren für mobilen Einsatz stellen aber hohes Gewicht und Volumen gravie rende Nachteile dar.Longest wave (ELF) transmit signals are preferred for Transmission of information to underwater receivers, for example in submerged submarines. Because of the extremely low The signal frequency indicates re tuned to these frequencies resonance circles in the transmitter high weight and volume. The for Information transfer time is usually required in short, but the performance required in this short time is considerable Lich. The requirement for the transmitter generator after high avail but performance also has an unfavorable effect on weight and volume of the generator. Especially with generators for mobile use, however, represent high weight and volume disadvantages.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen derarti gen Generator zur Speisung einer ELF-Antenne mit einem Sende signal kurzer Dauer anzugeben, der sich durch geringes Gewicht und Volumen auszeichnet und dadurch besonders für mobilen Ein satz geeignet ist.It is therefore an object of the present invention to such a generator for feeding an ELF antenna with one transmission Signal to indicate short duration, which is characterized by light weight and volume and is therefore particularly suitable for mobile use sentence is suitable.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteran sprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil dungen der Erfindung.The invention is described in claim 1. The Unteran sayings contain advantageous refinements and refinements end of the invention.

Die Erfindung macht vorteilhaften Gebrauch von der Erkenntnis, daß zwar die benötigte Sendeleistung hoch, die Sendedauer aber nur kurz ist, indem die Sendeenergie einer Reihenschaltung von NiCd-Akkumulatoren entnommen wird. Der Innenwiderstand dieser Akkumulatoren ist auch bei hohen Strömen sehr gering, so daß in den Akkumulatoren kaum Leistungsverluste entstehen. Da bei der relativ niedrigen Schalthäufigkeit, mit welcher die Halb leiterschalter ein- bzw. ausgeschaltet werden, auch die Ver luste in den Halbleiterschaltern gering sind und die Halblei terschalter vorteilhafterweise als GTO-Thyristoren ausgeführt sind, ergibt sich für den Generator ein Gesamtwirkungsgrad von mehr als 95%, bezogen auf die aus den Akkumulatoren entnomme ne Energie. Die geringe Verlustleistung kann durch aufwands günstige Luftkühlung des Generators abgeführt werden. NiCd- Akkumulatoren zeigen darüber hinaus kaum eine Abhängigkeit der Ausgangsspannungen vom Entladezustand oder von Lastschwan kungen, so daß während der gesamten Sendedauer eine Energie quelle mit kostanten Eigenschaften verfügbar ist. Der Energie inhalt der Akkumulatoren braucht nur nach der relativ kurzen Sendedauer bemessen zu sein. Da in der Regel die Wiederholzeit für Sendungen, d. h. die Länge der Sendepausen, wesentlich größer ist als die Sendezeit, steht ausreichend Zeit zur Wie deraufladung der Akkumulatoren zur Verfügung. Dementsprechend kann die Ladeleistung z. B. eines Stromaggregats oder eines an das öffentliche Energieversorgungsnetz anschließbaren La degeräts wesentlich geringer gehalten werden als die erforder liche Sendeleistung.The invention makes advantageous use of the knowledge that the required transmission power is high, but the transmission time is only short by the transmission energy of a series connection of NiCd batteries is removed. The internal resistance of this Accumulators are very low even at high currents, so that There are hardly any losses in performance in the batteries. There with the relatively low switching frequency with which the half switch can be switched on or off, including the ver losses in the semiconductor switches are low and the half lead terschalter advantageously designed as GTO thyristors are, the overall efficiency of the generator is more than 95%, based on that taken from the accumulators ne energy. The low power loss can be caused by expenditure favorable air cooling of the generator can be dissipated. NiCd Accumulators also show little dependency the output voltages from the discharge state or from the load swan kung, so that an energy during the entire transmission period source with costly properties is available. The energy the contents of the accumulators need only after the relatively short To be measured. As a rule, the repetition time for shipments, d. H. the length of the transmission breaks, essential is greater than the broadcasting time, there is sufficient time for how recharging the batteries. Accordingly can the charging power z. B. a generator or one connectable to the public power grid La devices are kept much lower than required transmission power.

Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Abbil dungen noch an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erläutert. Dabei zeigt:The invention is below with reference to the Abbil tion explained in a preferred embodiment. It shows:

Fig. 1 den schematischen Aufbau des Generators, Fig. 1 shows the schematic design of the generator,

Fig. 2 den Verlauf der Generatorausgangsspannung, Fig. 2 shows the course of the generator output voltage,

Fig. 3 das Leistungsspektrum des Generatorausgangssignals. Fig. 3 shows the power spectrum of the generator output signal.

Eine Vielzahl von in Reihe geschalteten NiCd-Akkumulatoren 1 bildet in Reihenschaltung eine Spannungsquelle mit der Gesamt spannung U _B. Die Reihenschaltung weist eine Mehrzahl von An zapfungen auf verschiedenen Spannungsstufen auf, die über steuerbare Halbleiterschalter (GTO(gate-turn-off)-Thyristoren) 2 bis 7 mit einer ersten Anschlußleitung L 1 verbindbar sind. Über zwei weitere steuerbare Halbleiterschalter 8, 9, die als Polwendeschaltung arbeiten, ist abwechselnd einer der beiden Endpole der Akkumulator-Reihenschaltung mit einer zweiten An schlußleitung L 2 verbindbar, die im dargestellten Beispiel als Masseleitung eingezeichnet ist. Die GTO-Schalter 2 bis 9 wer den von einer Steuereinrichtung 10 betätigt, welche nach Maß gabe der gewählten Sendesignal-Trägerfrequenz f ₀ und des Mo dulationssignals Mod Ein- bzw. Ausschaltimpulse für die Schal ter liefert. Die Arbeitsweise ist für einen unmodulierten Trä gersignalabschnitt wie in Fig. 2 skizziert beschrieben.A plurality of NiCd accumulators 1 connected in series forms a voltage source in series with the total voltage U _B. The series circuit has a plurality of taps at different voltage levels, which can be connected to a first connecting line L 1 via controllable semiconductor switches (GTO (gate turn-off) thyristors) 2 to 7 . About two further controllable semiconductor switches 8 , 9 , which work as a pole reversing circuit, alternately one of the two end poles of the battery series circuit can be connected to a second connection line L 2 , which is shown in the example shown as a ground line. The GTO switches 2 to 9 who actuated the by a control device 10 , which, depending on the given transmission signal carrier frequency f ₀ and the modulation signal Mod delivers on or off pulses for the switch ter. The mode of operation is described for an unmodulated carrier signal section as outlined in FIG. 2.

Für die positive Halbwelle (bezüglich Masse) ist der Minuspol der Akku-Reihenschaltung über den Schalter 9 mit der Masseleitung L 2 verbunden, der Schalter 8 sperrt. Nacheinander werden die Schalter 4, 3 und 2 geschlossen, so daß die Spannung U(t) an L 1 stufenweise bis U(t) = U _B erhöht wird, danach wird die Spannung durch reversierte Schalterbetätigung stufenweise wieder redu ziert. Im Nulldurchgang wird der Schalter 9 geöffent und (mit geringem zeitlichem Versatz) der Schalter 8 geschlossen, so daß jetzt der Pluspol der Reihenschaltung an Masse liegt. Durch sukzessives Betätigen der Schalter 5, 6 und 7 wird auf der Lei tung L 1 die negative Halbwelle in stufenförmiger Annäherung er zeugt. Das dargestellte Beispiel ist besonders einfach dadurch, daß jede der Anzapfungen nur über einen Halbleiterschalter mit der Leitung L verbindbar ist und daß für die positive und die negative Halbwelle jeweils ein getrennter Satz von Schaltern vorhanden ist. Das so erzeugte stufenförmige Signal (durchge zogene Kurve in Fig. 2) wird durch eine Ladedrossel 11 und einen Ladekondensator 12 geglättet (unterbrochene Kurve in Fig. 2) und durch das aus Luftspule 13 und Kondensator 14 gebildete Oberwellenfilter werden höhere harmonische Signalanteile ge dämpft, so daß an den Antennenanschlüssen A ein weitgehend si nusförmiges Signal anliegt.For the positive half-wave (with respect to ground), the negative pole of the battery series connection is connected to the ground line L 2 via switch 9 , switch 8 blocks. The switches 4 , 3 and 2 are closed in succession, so that the voltage U (t) on L 1 is gradually increased to U (t) = U _B , after which the voltage is gradually reduced again by reversing the switch operation. At the zero crossing, switch 9 is opened and (with a slight time offset) switch 8 is closed, so that the positive pole of the series circuit is now connected to ground. By successive actuation of the switches 5 , 6 and 7 , the negative half-wave in step-wise approximation is generated on the line L 1 . The example shown is particularly simple in that each of the taps can only be connected to line L via a semiconductor switch and that a separate set of switches is provided for the positive and negative half-waves. The step-shaped signal generated in this way (solid curve in FIG. 2) is smoothed by a charging inductor 11 and a charging capacitor 12 (broken curve in FIG. 2), and higher harmonic signal components are damped by the harmonic filter formed from air coil 13 and capacitor 14 , so that a largely si nusiform signal is present at the antenna connections A.

In Fig. 3 ist das Leistungsspektrum des in Fig. 2 skizzierten Signals mit und ohne Tiefpaßwirkung des Oberwellenfilters für die niedrigste Trägerfrequenz f _0min, für welche der Generator vorgesehen sein soll, eingetragen. Neben dem Nutzsignalanteil bei f _0min treten Oberwellen nur bei ungeraden Harmonischen auf. Bereits bei der groben dreistufigen Unterteilung (Fig. 1 und 2) der Gesamtspannung U _B durch die mehreren Anzapfungen liegen die Signalanteile bei der 3. und 5. Harmonischen bei vernachlässig bar geringen Pegeln, so daß eine Tiefpaßfilterung erst für die 7. Harmonische notwendig wird. Hierdurch kann das Oberwellen filter mit wesentlich geringem Volumen und Gewicht ausgeführt werden als beispielsweise für die Dämpfung der 3. Harmonischen. Für höhere Trägerfrequenzen ist dasselbe Filter auch für die niedrigeren Harmonischen wirksam, so daß über einen weiten Fre quenzbereich ein einziges Oberwellenfilter eingesetzt werden kann. Für weiter ausgedehnte Frequenzbereiche können auch zwei oder mehr Oberwellenfilter für verschiedene Frequenzteilbe reiche umschaltbar vorgesehen sein. Gegenüber einem mit hoher Frequenz getakteten Schaltwandler kann der Ladekondensator bei dem erfindungsgemäßen Generator deutlich kleiner gehalten werden. Außerdem entfallen beim vorliegenden Generator die bei einem Schaltwandler auftretenden Probleme hinsichtlich der Ab strahlung hochfrequenter Störwellen.In Fig. 3, the power spectrum of the sketched in Fig. 2 signal with and without low-pass effect of the harmonic filter for the lowest carrier frequency f _0min for which the generator is to be provided entered. In addition to the useful signal _component at f _0min , harmonics only occur with odd harmonics. Even with the rough three-stage subdivision ( FIGS. 1 and 2) of the total voltage U _B through the multiple taps, the signal components at the 3rd and 5th harmonics are at negligibly low levels, so that low-pass filtering is only necessary for the 7th harmonic . As a result, the harmonic filter can be designed with a significantly smaller volume and weight than, for example, for the attenuation of the 3rd harmonic. For higher carrier frequencies, the same filter is also effective for the lower harmonics, so that a single harmonic filter can be used over a wide frequency range. For wider frequency ranges, two or more harmonic filters for different frequency sub-ranges can also be switched. Compared to a switching converter clocked at high frequency, the charging capacitor in the generator according to the invention can be kept significantly smaller. In addition, the present generator eliminates the problems that occur with a switching converter with regard to the radiation of high-frequency interference waves.

Es ist leicht ersichtlich, daß die Erfindung nicht auf das ge zeigte Beispiel beschränkt ist, sondern sich insbesondere hin sichtlich der Anordnung der Anzapfungen und der steuerbaren Halbleiterschalter und deren Ansteuerung viele Varianten der Ausgestaltung im einzelnen ergeben, so daß der erfindungsgemäße Generator auch leicht an verschiedene Einsatzbedingungen, z. B. unterschiedliche Antennentypen, anpaßbar ist.It is readily apparent that the invention is not based on the ge showed example is limited, but especially towards visually the arrangement of the taps and the controllable Semiconductor switches and their control many variants of the Design in detail, so that the invention Generator also easily adapt to different operating conditions, e.g. B. different antenna types, is customizable.

Claims

1. Generator for supplying an ELF transmission antenna with a transmission signal of short duration with the following features:

a) a large number of NiCd batteries ( 1 ) are connected in series,
b) the series connection of the accumulators has several taps at different voltage levels,
c) the taps can be connected to the antenna connections ( A ) via controllable semiconductor switches ( 2 to 9 ),
d) a control device ( 10 ) controls the semiconductor scarf ter in accordance with the frequency and modulation of the transmission signal so that at the outputs of the semiconductor switch an approximation of the transmission signal step signal is available.

2. Generator according to claim 1, characterized in that the antenna is a harmonic filter ( 13 , 14 ) upstream.

3. Generator according to claim 2, characterized in that the cutoff frequency of the harmonic _filter is between the 5th and 7th harmonic of the lowest intended transmission frequency ( f _0min ).

4. Generator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the semiconductor switches are followed by a charging capacitor ( 12 ).

5. Generator according to one of claims 1 to 4, characterized in that two semiconductor switches ( 8 , 9 ) as Polwendeschal device with a common output switch the end connections of the accumulator series connection for the zero crossing of the transmission signal.

6. Generator according to one of claims 1 to 5, characterized records that used as a semiconductor switch GTO thyristors are.