Датчик падающей и отраженной волн (варианты)

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в радиосвязи, в частности, в устройствах защиты усилителей мощности радиопередатчиков от рассогласования с нагрузкой и стабилизации их выходной мощности. Технический результат выражается в снижении погрешности измерения величин напряжений первых гармоник падающей и отраженной волн сигналов, имеющих высокий уровень гармонических составляющих. Для этого в датчик падающей и отраженной волны (первый вариант) введены два фильтра-диплексера (2) и (3), входы которых подсоединены к соответствующим измерительным выходным портам направленного ответвителя (1), их первые выходы соединены с входами амплитудных детекторов (6) и (7) соответственно, а ко вторым выходам фильтров-диплексеров (2) и (3) подсоединены соответствующие балластные резисторы (4) и (5). Во втором варианте в датчик падающей и отраженной волны введены два резистивных аттенюатора (8) и (9) и два фильтра низких частот (10) и (11), выходы которых подключены к входам соответствующих амплитудных детекторов (6) и (7) соответственно, при этом входы резистивных аттенюаторов (8) и (9) подсоединены к соответствующим выходным портам С и D направленного ответвителя (1), а выходы резистивных аттенюаторов (8) и (9) - к входам фильтров низких частот (6) и (7).

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в радиосвязи, в частности, в устройствах защиты усилителей мощности радиопередатчиков от рассогласования с нагрузкой и стабилизации их выходной мощности.

Для стабилизации выходной мощности и защиты выходных каскадов усилителей мощности радиопередатчиков при рассогласовании с нагрузкой широко используются схемы автоматической регулировки, датчиками напряжений падающей и отраженной от нагрузки волн которых являются направленные ответвители с амплитудными детекторами [Каганов В.И. Транзисторные радиопередатчики. Изд. 2-е, переб. И доп. М., «Энергия», 1976,. Устройство для защиты усилителя мощности от перегрузки / Титов А.А., Ильюшенко В.Н., патент US 3852669, US 4754231, US 6417732, US 20070026838, US 7250818.

Недостатком таких датчиков является большая погрешность измерения величин напряжений первых гармоник падающей и отраженной волн при работе с негармоническими сигналами, например при установке датчика между выходом широкополосного усилителя мощности и фильтром гармоник [патент US 4011512, ЕР 0414352, US 5966645]. Особенно сильно это проявляется в высокоэффективных усилителях мощности, работающих в перенапряженном или ключевом режимах и генерирующих сигналы, по форме приближающиеся к прямоугольной, поскольку в этом случае выходные сигналы датчиков не индицируют содержание первой гармоники в импульсах напряжения падающей и отраженной волны, что необходимо для схем защиты и стабилизации, а характеризуют только амплитуду этих импульсов.

Для уменьшения погрешности измерения величин напряжений первых гармоник падающей и отраженной волн в известных устройствах [патент US 5629653, «PLASMA PROBLEMS?». Solving the myths of RF plasma processing. David Larner reports on the problems of measuring the power used in RF plasma equipment. European Semiconductor, May 2000, патент US 6791274] используют фильтры низких частот или полосовые фильтры, установленные между выходами направленного ответвителя и соответствующими входами соответствующих амплитудных детекторов.

Недостатком такого технического решения является то, что входные импедансы фильтров низких частот (или полосовых фильтров) на частотах гармоник усиливаемого сигнала оказываются несогласованными с импедансами выходных портов направленного ответвителя, в результате чего утрачивается направленность последнего на этих частотах, что при большом уровне гармоник не позволяет устранить погрешность в измерении напряжений падающей и отраженной волн.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, представленное в статье: Титов А.А. Широкополосный датчик падающей и отраженной волны. Радиолюбитель. - 2006. 8, стр.44-48, принятое за прототип (для первого варианта).

Устройство-прототип содержит направленный ответвитель, выполненный на двух широкополосных трансформаторах, намотанных на ферритовых сердечниках, создающий на своих измерительных выходных портах высокочастотные сигналы с амплитудами, пропорциональными уровням напряжений падающей и отраженной волн и два амплитудных детектора, входы которых подключены к измерительным выходам направленного ответвителя, а выходы являются выходами датчика, на которых формируются постоянные напряжения, пропорциональные напряжениям падающей и отраженной волн.

Недостатком устройства-прототипа является большая погрешность измерения величин напряжений первых гармоник падающей и отраженной волн сигналов, имеющих высокий уровень гармонических составляющих.

Задача предлагаемого технического решения - снижение погрешности измерения величин напряжений первых гармоник падающей и отраженной волн сигналов, имеющих высокий уровень гармонических составляющих.

Для решения поставленной задачи в датчик отраженной и падающей волны, содержащий направленный ответвитель, входом измеряемого сигнала которого является порт А, выходом - порт В, создающий на своих измерительных выходных портах С и D высокочастотные сигналы, пропорциональные напряжениям падающей и отраженной волн, а также два амплитудных детектора, выходы которых являются выходами постоянных напряжений, пропорциональных напряжениям соответственно падающей и отраженной волн датчика, согласно полезной модели, введены два фильтра-диплексера, входы которых подсоединены к соответствующим измерительным выходным портам направленного ответвителя, первые выходы фильтров-диплексеров соединены с входами соответстветствующих амплитудных детекторов, а ко вторым выходам фильтров-диплексеров подсоединены соответствующие балластные резисторы, другие выводы которых подключены к общей шине.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства, где обозначено:

1 - направленный ответвитель;

2, 3 - фильтры-диплексеры;

4, 5 - балластные резисторы;

6, 7 - амплитудные детекторы.

Предлагаемое устройство содержит направленный ответвитель 1, имеющий вход (порт А) и выход (порт В) измеряемого сигнала, измерительные выходы (порт С и порт D) которого соединены с входами фильтров-диплексеров 2 и 3 соответственно, первые выходы которых соединены с входами амплитудных детекторов 6 и 7 соответственно. Ко вторым выходам фильтров-диплексеров 2 и 3 подсоединены соответственно балластные резисторы 4 и 5, другие выводы которых подключены к общей шине. При этом выходы амплитудных детекторов 6 и 7 являются выходами датчика соответственно падающей и отраженной волны.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

Сигнал, параметры которого (напряжения падающей и отраженной волн) подлежат измерению, подается на вход направленного ответвителя 1 (порт А) и передается в нагрузку через порт В направленного ответвителя 1 практически без потерь мощности. При этом на выходах направленного ответвителя 1 формируются высокочастотные сигналы, пропорциональные напряжениям падающей (порт С) и отраженной от нагрузки (порт D) волн. Указанные сигналы поступают соответственно на входы фильтров-диплексеров 2 и 3. Отфильтрованные сигналы с выходов фильтров-диплексеров 2 и 3 подаются соответственно на входы амплитудных детекторов 6 и 7, на выходах которых, являющихся выходами устройства, образуются постоянные напряжения, пропорциональные напряжениям соответственно падающей и отраженной волн измеряемого сигнала. Гармонические составляющие сигналов, проходящих через фильты-диплексеры 2 и 3, рассеиваются в соответствующих балластных резисторах 4 и 5.

Фильтры-диплексеры представляют собой вилки фильтров и могут быть выполнены по известным схемам вилки фильтров Баттерворта, Чебышева или Кауэра [Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме./В.Б.Козырев, В.Г.Лаврушенков, В.П.Леонов и др.; Под ред. И.А.Попова. М.: Радио и связь, 1985]. Входные импедансы фильтров-диплексеров представляют собой постоянное активные согласованные сопротивления во всем диапазоне частот, что обеспечивает режим согласования выходных портов (С, D) направленного ответвителя 1 по всем частотам, включая частоты гармоник. Кроме того, указанные фильтры-диплексеры 2 и 3 обеспечивают фильтрацию сигналов, поступающих на входы амплитудных детекторов 6 и 7. В результате этого обеспечивается максимальная точность измерения величин напряжений первых гармоник падающей и отраженной от нагрузки волн сигналов, имеющих высокий уровень гармонических составляющих.

Второй вариант.

Известны схемы автоматической регулировки, датчиками напряжений падающей и отраженной от нагрузки волн которых являются направленные ответвители с амплитудными детекторами, например, приведенные в следующих источниках информации: Радиопередающие устройства / В.В.Шахгильдян, В.Б.Козырев, А.А.Ляховкин и др.; Под ред. В.В.Шахгильдяна. -М.: Радио и связь, 2003, патентах РФ 2217861 Н03F 1/52, US 4353037, US 4375051, US 4122400.

Недостатком известных датчиков является большая погрешность измерения величин напряжений первых гармоник падающей и отраженной волн при работе с негармоническими сигналами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является датчик падающей и отраженной волны, входящий в измерительный прибор, представленный в журнале Amateur Radio, April 2002 «The P & SWR meter», Kees Heuvelman, стр.17-18, фигура 2, принятый за прототип.

Устройство-прототип содержит направленный ответвитель, выполненный на основе двух широкополосных трансформаторов на торроидальных ферритовых сердечниках, создающий на своих выходных портах высокочастотные сигналы, пропорциональные напряжениям падающей и отраженной волн и двух амплитудных детекторов, входы которых подключены к выходам направленного ответвителя, а выходы являются выходами датчика падающей и отраженной волны. Кроме того, датчик помещен в экранированный корпус, вход и выходы высокочастотных сигналов направленного ответвителя выведены на высокочастотные разъемы. Выходы каждого амплитудного детектора выведены через проходные конденсаторы за экранированный корпус.

Недостатком устройства-прототипа является большая погрешность измерения величин напряжений первых гармоник падающей и отраженной волн сигналов, имеющих высокий уровень гармонических составляющих.

Задача предлагаемого технического решения - снижение погрешности измерения величин напряжений первых гармоник падающей и отраженной волн сигналов, имеющих высокий уровень гармонических составляющих.

Для решения поставленной задачи в датчик падающей и отраженной волны, содержащий направленный ответвитель, входом измеряемого сигнала которого является порт А, выходом - порт В, создающий на своих измерительных выходных портах С и D высокочастотные сигналы, пропорциональные напряжениям соответственно падающей и отраженной волн, а также два амплитудных детектора, выходы которых являются выходами постоянных напряжений, пропорциональных напряжениям соответственно падающей и отраженной волн датчика, согласно полезной модели, введены два резистивных аттенюатора и два фильтра низких частот, выходы которых подключены к входам соответствующих амплитудных детекторов, при этом входы резистивных аттенюаторов подсоединены к соответствующим выходным портам направленного ответвителя, а выходы резистивных аттенюаторов - к входам фильтров низких частот.

На фиг.2 представлена схема предлагаемого устройства (второй вариант), где обозначено:

1 - направленный ответвитель;

6, 7 - амплитудные детекторы;

8, 9- резистивные аттенюаторы;

10, 11 - фильтры низких частот.

Предлагаемое устройство содержит направленный ответвитель 1, имеющий вход (порт А) и выход (порт В) измеряемого сигнала, измерительные выходы (соответственно порт С и порт D) которого соединены с входами резистивных аттенюаторов 8 и 9 соответственно, выходы которых соединены соответственно с входами фильтров низких частот 10 и 11, выходы которых соединены с входами амплитудных детекторов 6 и 7 соответственно. При этом выходы амплитудных детекторов 6 и 7 являются соответственно выходами датчика падающей и отраженной волны, на которых образуются постоянные напряжения, пропорциональные напряжениям соответственно падающей и отраженной волн измеряемого сигнала.

Фильтры низких частот могут быть выполнены по известным схемам фильтров Баттерворта, Чебышева или Кауэра [Р.Зааль. Справочник по расчету фильтров. Перевод с немецкого Ю.В.Камкина под редакцией Н.Н.Слепова. М.: Радио и связь, 1983]. Резистивные аттенюаторы обеспечивают демпфирование изменения входного сопротивления фильтров низких частот за их частотой среза. В результате входные импедансы аттенюаторов остаются близкими к номинальной величине, что обеспечивает практически согласованную нагрузку для выходных портов направленного ответвителя за частотой среза фильтров низких частот. В то же время фильтры низких частот обеспечивают фильтрацию сигналов, поступающих на входы амплитудных детекторов, на выходах которых образуются постоянные напряжения, пропорциональные напряжениям первых гармоник соответственно падающей и отраженной волн измеряемого сигнала.

В результате реализуется максимальная точность измерения величин напряжений первых гармоник падающей и отраженной волн сигналов, имеющих высокий уровень гармонических составляющих.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

Сигнал, параметры которого (уровень падающей и отраженной волны) подлежат измерению, подается на вход направленного ответвителя 1 (порт А) и передается в нагрузку через порт В практически без потерь мощности. При этом на выходах направленного ответвителя 1 формируются высокочастотные сигналы, пропорциональные напряжениям падающей (порт С) и отраженной от нагрузки (порт D) волн. Указанные сигналы поступают на входы аттенюаторов 8 и 9. За счет диссипативных потерь мощности в аттенюаторах их входной импеданс на частотах гармоник, где возрастает КСВ входов фильтров низких частот 10 и 11, подключенных к выходам соответствующих аттенюаторов 8 и 9, остается близким к номинальной величине, что обеспечивает практически согласованную нагрузку для выходных портов направленного ответвителя за частотой среза фильтров низких частот.

Расчеты показывают, что при коэффициенте передачи аттенюатора минус 10 дБ КСВ на его входе не превышает 1,22 при КСВ на его выходе равном 1000, что обеспечивает согласованный режим работы выходных портов С и D направленного ответвителя 1. Отфильтрованные сигналы с выходов фильтров низких частот 10 и 11 подаются на входы соответствующих амплитудных детекторов 6 и 7, на выходах которых, являющихся выходами устройства, образуются постоянные напряжения, пропорциональные напряжениям падающей и отраженной волн измеряемого сигнала.

Таким образом, в предлагаемом датчике достигается снижение погрешности измерения величин напряжений первых гармоник падающей и отраженной волн сигналов, имеющих высокий уровень гармонических составляющих.

1. Датчик падающей и отраженной волн, содержащий направленный ответвитель, входом измеряемого сигнала которого является порт А, выходом - порт В, создающий на своих измерительных выходных портах С и D высокочастотные сигналы, пропорциональные напряжениям падающей и отраженной волн, а также два амплитудных детектора, выходы которых являются выходами постоянных напряжений, пропорциональных напряжениям соответственно падающей и отраженной волн датчика, отличающийся тем, что введены два фильтра-диплексера, входы которых подсоединены к соответствующим измерительным выходным портам направленного ответвителя, первые выходы фильтров-диплексеров соединены с входами соответстветствующих амплитудных детекторов, а ко вторым выходам фильтров-диплексеров подсоединены соответствующие балластные резисторы, другие выводы которых подключены к общей шине.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что направленный ответвитель выполнен на широкополосных трансформаторах.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что направленный ответвитель выполнен на связанных полосковых линиях.

4. Датчик падающей и отраженной волн, содержащий направленный ответвитель, входом измеряемого сигнала которого является порт А, выходом - порт В, создающий на своих измерительных выходных портах С и D высокочастотные сигналы, пропорциональные напряжениям соответственно падающей и отраженной волн, а также два амплитудных детектора, выходы которых являются выходами постоянных напряжений, пропорциональных напряжениям соответственно падающей и отраженной волн датчика, отличающийся тем, что введены два резистивных аттенюатора и два фильтра низких частот, выходы которых подключены к входам соответствующих амплитудных детекторов, при этом входы резистивных аттенюаторов подсоединены к соответствующим выходным портам направленного ответвителя, а выходы резистивных аттенюаторов - к входам фильтров низких частот.

5. Датчик по п.4, отличающийся тем, что направленный ответвитель выполнен на широкополосных трансформаторах.

6. Датчик по п.4, отличающийся тем, что направленный ответвитель выполнен на связанных полосковых линиях.