Антенно-согласующее устройство с повышенным быстродействием

Полезная модель относится к антенно-фидерным устройствам KB диапазона и предназначена для компенсации отклонений входного импеданса антенны от значения, при котором обеспечивается оптимальный режим работы усилителя мощности радиопередатчика. Основной технической задачей является повышение быстродействия АнСУ. АнСУ содержит согласующий контур, образуемый длинной линией с дискретно коммутируемой длиной и магазином конденсаторов, шунтирующих вход длинной линии, микроконтроллер, три буферных каскада, три детектора, а также высокочастотный датчик, выполненный в виде волновода с отверстиями в узкой стенке, в каждое из которых погружено три измерительных зонда. В предлагаемом устройстве ВЧ-датчик является частью фидерного тракта, что исключает необходимость проведения дополнительных подключений и позволяет повысить быстродействие устройства. Кроме того, повышена точность обеспечиваемого согласования, так как в конструкции предлагаемого устройства отсутствуют элементы (линии задержки на отрезках длинных линий), которые на практике вносят наибольший вклад в погрешность измерений.

Настоящая полезная модель относится к радиоэлектронике, а именно к антенно-фидерным устройствам KB диапазона, и предназначено для компенсации отклонений входного импеданса антенны от значения, при котором обеспечивается оптимальный режим работы усилителя мощности радиопередающего устройства (РПДУ).

Известны антенно-согласующие устройства (АнСУ) с поисковым (патент РФ на изобретение 2282284) и измерительно-вычислительным методом настройки (патенты РФ на полезную модель 78999, 114244). К числу недостатков АнСУ с поисковым методом настройки можно отнести следующее: низкое быстродействие, обусловленное необходимостью перекоммутации элементов согласующего контура после каждой итерации настройки, а также снижение ресурса коммутационных реле при обеспечении перебора. В настоящее время с разработкой различных видов связи, в том числе и для организации помехо- и разведзачищенных радиолиний, актуальной является задача повышения быстродействия АнСУ. Наиболее перспективными для решения этой задачи являются АнСУ с измерительно-вычислительным методом настройки. Один из возможных вариантов устройств такого типа описан в патенте РФ на полезную модель 78999. Для определения параметров согласующих элементов в данном устройстве используются данные таблиц значений активной и реактивной составляющей входного сопротивления длинной линии при различной электрической длине, а также массив отсчетов мгновенных значений тестового сигнала на входе аттенюатора и втором входе коммутатора, измеряемый во время настройки. Быстродействие данного устройства существенно выше, чем у устройств с поисковым методом настройки, однако при этом основная часть времени, необходимого на настройку, тратится на накопление массива отсчетов, что оставляет возможность для дальнейшего повышения быстродействия путем отказа от накопления массива отсчетов и осуществления настройки по результатам однократного измерения.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является антенно-согласующее устройство по патенту РФ на полезную модель 114244, принятое за прототип.

Прототип содержит согласующий контур, образуемый длинной линией с дискретно коммутируемой длиной и магазином конденсаторов, шунтирующих вход длинной линии, коммутатор, микроконтроллер, первый, второй, третий, четвертый и пятый буферные каскады, первый, второй, третий, четвертый и пятый детекторы, а также первый, второй и третий измерительные участки, каждый из которых представляет собой последовательное соединение резистора и отрезка длинной линии. Выход коммутатора подключен к входу согласующего контура. Портом управления является первый последовательный порт микроконтроллера, при этом выходы первого, второго и третьего параллельных портов подключены к соответствующим управляющим входам коммутатора и согласующего контура. Первый, второй, третий, четвертый и пятый буферные каскады последовательно соединены с одноименными детекторами. Напряжения с детекторов, подключенных через буферные каскады к контрольным точкам, поступают на соответствующие аналого-цифровые входы микроконтроллера, при этом с выхода первого детектора на вход аналого-цифрового порта микроконтроллера подается напряжение Ua, с выхода второго детектора- Ub, с выхода третьего детектора - Uab, с выхода четвертого детектора - Uab1, с выхода пятого детектора - Uab2. Вторые выводы резисторов первого и второго измерительных участков соединены со вторым входом коммутатора, третий вход которого подключен к свободному концу отрезка длинной линии первого измерительного участка и к первым входам первого, третьего, четвертого и пятого буферных каскадов. Свободные концы отрезков длинных линий второго и третьего измерительных участков соединены между собой и подключены к первому входу второго и второму входу третьего буферных каскадов. Точки соединения отрезка длиной линии и резистора второго и третьего измерительных участков подключены ко вторым входам четвертого и пятого буферных каскадов соответственно, а второй вывод резистора третьего измерительного участка и вторые входы первого и второго буферных каскадов заземлены. При этом радиочастотным входом и радиочастотным выходом являются соответственно первый вход коммутатора и выход согласующего контура.

Функционально первый, второй и третий измерительные участки представляют собой высокочастотный (ВЧ) датчик, предназначенный для измерения напряжений (Ua, Ub, Uab, Uab1, Uab2), используемых для определения параметров тракта и номиналов элементов согласующего контура, необходимых для обеспечения согласования. При этом ВЧ-датчик совместно с буферными каскадами и детекторами представляет собой измерительный блок, подключаемый к тракту посредством коммутатора при получении команды на согласования от вышестоящей системы управления РПДУ и отключаемый из тракта после окончания процедуры согласования.

Недостатком прототипа является необходимость затрачивать производить подключение/отключение измерительного блока, что приводит к дополнительным временным затратам на обеспечение коммутации и снижает быстродействие устройства.

Основной технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое устройство, является повышение быстродействия АнСУ.

Для этого предложено АнСУ с повышенным быстродействием, содержащее согласующий контур, образованный длинной линией с дискретно коммутируемой длиной и магазином конденсаторов, шунтирующих вход длинной линии, цифровой микроконтроллер, высокочастотный датчик, первый, второй и третий буферные каскады и детекторы по числу буферных каскадов, при этом первый, второй и третий буферные каскады последовательно соединены с одноименными детекторами, выходы которых подключены к соответствующим входам аналого-цифрового порта микроконтроллера, первый последовательный порт которого является портом управления, а выходы первого и второго параллельных портов которого подключены к соответствующим управляющим входам согласующего контура, выход которого является радиочастотным выходом устройства, при этом вторые входы первого и второго буферных каскадов заземлены, отличающееся тем, что высокочастотный датчик выполнен в виде волновода, в узкой стенке которого выполнены три контрольных отверстия, в каждое из которых погружены первые концы первого, второго и третьего измерительных зондов, вторые концы которых соединены с первыми входами первого, второго и третьего буферных каскадов соответственно, при этом вход волновода является радиочастотным входом устройства, выход волновода соединен со входом согласующего контура, а второй вход третьего буферного каскада заземлен.

Структурная схема предлагаемого устройства изображена на фиг. 1.

Антенно-согласующее устройство с повышенным быстродействием, содержащее согласующий контур 1, образованный длинной линией с дискретно коммутируемой длиной 2 и магазином конденсаторов 3, шунтирующих вход длинной линии, цифровой микроконтроллер 4, высокочастотный датчик 5, первый 6(1), второй 6(2) и третий 6(3) буферные каскады и детекторы 7(1)7(3) по числу буферных каскадов. Высокочастотный датчик 5 выполнен в виде волновода 8, в узкой стенке которого выполнены три контрольных отверстия, при этом для обеспечения корректной работы устройства контрольные отверстия должны отстоять друг от друга на расстояние не менее 10 электрических градусов для максимальной длины волны, соответствующей рабочему диапазону частот. В каждое из контрольных отверстий погружены и закреплены при помощи фиксаторов первые концы первого 9(1), второго 9(2) и третьего 9(3) измерительных зондов, вторые концы которых соединены с первыми входами первого 6(1), второго 6(2) и третьего 6(3) буферных каскадов соответственно. Вторые входы буферных каскадов 6(1)6(3) заземлены, при этом их выходы последовательно соединены со входами одноименных детекторов 7(1)7(3), выходы которых подключены к соответствующим входам аналого-цифрового порта микроконтроллера 4. Первый последовательный порт микроконтроллера 4 является портом управления, а выходы первого и второго параллельных портов подключены к соответствующим управляющим входам согласующего контура. При этом радиотехническим входом устройства является вход волновода 8, а выходом - выход согласующего контура 2.

В предлагаемом устройстве буферные каскады 6(1)6(3) и детекторы 7(1)7(3) могут быть выполнены с использованием микросхемы фирмы AnalogDevice, например, AD8099 или AD8054. Для организации математических вычислений и осуществления управления, могут быть применены микроконтроллеры фирмы Freescale, в частности, микроконтроллер MC9S12DT256CPVE.

Длинная линия линий с дискретно коммутируемой длиной 2 содержит длинные линии различной электрической длины, при этом каждая линия с помощью вакуумных переключателей может быть подключена последовательно к остальным линиям или отключена от них, таким образом, суммарная электрическая длина линий может меняться ступенями.

Магазин конденсаторов 3 выполнен в виде набора емкостей, соединенных в самостоятельные узлы, подключаемые с помощью вакуумных переключателей.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом:

Изначально параметры согласующего контура 1 установлены следующим образом: длинная линия с дискретно коммутируемой длиной 2 состоит из одного отрезка длинной линии с наименьшей длиной, к ее входу из магазина конденсаторов 3 подключен элемент с наименьшим значением емкости. В память микроконтроллера 4 заранее внесены используемые в расчетах константы (, k и т.п.). После получения от вышестоящей системы управления РПДУ на осуществление настройки на вход волновода 8 подается сигнал с выхода усилителя мощности (на фиг. 1 не показан), при этом на порт управления микроконтроллера 4 поступают данные о текущем значении рабочей частоты. Напряжения с детекторов 7(1)7(3) поступают на соответствующие аналого-цифровые входы микроконтроллера 4, при этом с выхода детектора 7(1) на вход аналого-цифрового порта микроконтроллера 4 подается напряжение U₁, с выхода детектора 7(2)-U₂, с выхода детектора 7(3)-U₃. Микроконтроллер 4 осуществляет оцифровку и запоминание U₁, U₂, U₃ и производит следующие вычисления:

1) амплитуды падающей волны в линии в соответствии с формулой (1):

где a, b, c - вспомогательные коэффициенты, определяемые следующим образом:

a=1;

;

.

- фаза комплексного коэффициента отражения, °;

x₁, x₂, x₃ - расстояние между контрольными точками, м;

U₁, U₂, U₃ - амплитуды напряжений в контрольный точках, В;

2) комплексного коэффициент отражения в соответствии с формулой (2):

где

3) комплексного сопротивления антенны соответствии с формулой (3):

где Z_лин - волновое сопротивление линии, Ом.

4) Преобразованного после прохождения согласующего контура комплексного сопротивление антенны преобразуется в соответствии с формулой (4):

где f - рабочая частота, МГц;

C - емкость конденсатора согласующего контура, Ф;

L - суммарная длина отрезков длинных линий согласующего контура, м;

k - волновое число.

5) номиналов элементов согласующего контура (длины отрезка длинной линии (L) и величины емкости конденсатора (С)), необходимых для обеспечения согласования, для чего помощью известных численных методов производится решение системы уравнений:

По окончании вычислений микроконтроллер 4 выдает команды на подключение элементов длинной линий с дискретно перестраиваемой длинной 2 и магазина конденсаторов 3 с номиналами, наиболее близкими к вычисленным значениям L и C.

Предлагаемое устройство по сравнению с устройством-прототипом обладает следующими преимуществами:

- в предлагаемом устройстве ВЧ-датчик является частью фидерного тракта, что исключает необходимость проведения дополнительных подключений и позволяет повысить быстродействие устройства на 10 мс;

- повышена точность обеспечиваемого согласования, так как в конструкции предлагаемого устройства отсутствуют элементы (линии задержки на отрезках длинных линий), которые на практике вносят наибольший вклад в погрешность измерений.

Антенно-согласующее устройство с повышенным быстродействием, содержащее согласующий контур, образованный длинной линией с дискретно коммутируемой длиной и магазином конденсаторов, шунтирующих вход длинной линии, цифровой микроконтроллер, высокочастотный датчик, первый, второй и третий буферные каскады и детекторы по числу буферных каскадов, при этом буферные каскады последовательно соединены с одноимёнными детекторами, выходы которых подключены к соответствующим входам аналого-цифрового порта микроконтроллера, первый последовательный порт которого является портом управления, а выходы первого и второго параллельных портов которого подключены к соответствующим управляющим входам согласующего контура, выход которого является радиочастотным выходом устройства, при этом вторые входы первого и второго буферных каскадов заземлены, отличающееся тем, что высокочастотный датчик выполнен в виде волновода, в узкой стенке которого выполнены три контрольных отверстия, в каждое из которых погружены первые концы первого, второго и третьего измерительных зондов, вторые концы которых соединены с первыми входами первого, второго и третьего буферных каскадов соответственно, при этом вход волновода является радиочастотным входом устройства, выход волновода соединен со входом согласующего контура, а второй вход третьего буферного каскада заземлен.

РИСУНКИ