Антенно-согласующее устройство
Полезная модель относится к антенно-фидерным устройствам коротковолнового диапазона и предназначена для компенсации отклонений входного импеданса антенны от значения, при котором обеспечивается оптимальный режим работы усилителя мощности радиопередатчика. Антенно-согласующее устройства (АнСУ) содержит согласующий контур, образуемый длинной линией с дискретно коммутируемой длиной и магазином конденсаторов, шунтирующих вход длинной линии, коммутатор, микроконтроллер, пять буферных каскадов, пять детекторов, а также три измерительных участка, каждый из которых представляет собой последовательное соединение резистора и отрезка длинной линии. В АнСУ отсутствует процедура накопления массива отсчетов, что позволяет сократить время настройки по сравнению с устройством-прототипом в два раза (с 64 мс до 32 мс). Кроме того, производится измерение только пиковых значений напряжений, что упрощает измерения и повышает помехоустойчивость АнСУ.
Полезная модель относится к радиоэлектронике, а именно к антенно-фидерным устройствам коротковолнового (КВ) 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), описанные в патентах РФ 
2282284, 2359402 и заявке США 2009046030, в которых согласующий контур образован наборами сосредоточенных реактивных элементов. Недостатком таких устройств, построенных с применением только реактивных элементов с сосредоточенными параметрами, выполненных в виде отдельных катушек индуктивности и конденсаторов, является необходимость индивидуального проектирования для объектов, параметры антенн которых имеют значительный разброс, а также сложный алгоритм настройки на рабочую частоту.
Известны также устройства, в которых при построении согласующего контура совместно с сосредоточенными реактивными элементами, или полностью замещая их, используются отрезки линий передач. Например, в авторском свидетельстве СССР 1646012 описано согласующее устройство, в конструкцию которого с целью расширения диапазона рабочих частот при одновременном повышении надежности введены дополнительно два одинаковых отрезка линии передач. В свидетельстве РФ на полезную модель 31082 описано устройство, согласующее усилитель мощности с антенной по сопротивлению и КБВ путем изменения длины тракта прохождения сигнала, без использования реактивных элементов с сосредоточенными параметрами.
Наиболее близким является антенно-согласующее устройство по патенту РФ на полезную модель 78999, принятое за ближайший аналог (прототип).
Устройство-прототип содержит согласующий контур, образуемый длинной линией с управляемой электрической длиной (дискретно коммутируемой длиной) и магазином конденсаторов, шунтирующих вход длинной линии. Устройство включает также коммутатор, подключенный выходом к входу согласующего контура, аттенюатор, подключенный входом к первому входу коммутатора, измерительный резистор, включенный между выходом аттенюатора и вторым входом коммутатора, синтезатор частот и микроконтроллер. Микроконтроллер подключен выходом первого порта параллельного интерфейса к соответствующим управляющим входам коммутатора и согласующего контура, а выходами второго порта последовательного интерфейса - к входам порта управления синтезатора частот. При этом радиочастотным входом и радиочастотным выходом являются соответственно первый вход коммутатора и выход согласующего контура, а портом дистанционного управления является первый порт последовательного интерфейса микроконтроллера. Кроме того, в устройство входят первый и второй дифференциальные усилители, подключенные входами соответственно к выходу аттенюатора и второму входу коммутатора, первый и второй преобразователи «аналог-цифра», подключенные аналоговыми входами соответственно к выходам дифференциальных усилителей, а входами синхронизации подключенные к выходу синтезатора частот, первое и второе оперативные запоминающие устройства, подключенные цифровыми входами соответственно к цифровым выходам преобразователей «аналог-цифра», а цифровыми выходами подключенные к входам второго порта параллельного интерфейса микроконтроллера, а также синтезатор частот, подключенный выходом к входам синхронизации преобразователей «аналог-цифра», а портом управления подключенный к второму порту последовательного интерфейса микроконтроллера.
Для определения параметров согласующих элементов в устройстве-прототипе 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.
Недостатком устройства-прототипа является необходимость затрачивать значительное время на накопление необходимого массива отсчетов, что увеличивает общее время настройки.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое устройство, является снижение времени настройки АнСУ.
Для этого в антенно-согласующее устройство, содержащее согласующий контур, образуемый длинной линией с дискретно коммутируемой длиной и магазином конденсаторов, шунтирующих вход длинной линии, а также коммутатор, подключенный выходом к входу согласующего контура, и микроконтроллер, выходы первого, второго и третьего параллельных портов которого подключены к соответствующим управляющим входам коммутатора и согласующего контура, введены первый, второй, третий, четвертый и пятый буферные каскады, детекторы по числу буферных каскадов, а также первый, второй и третий измерительные участки, каждый из которых состоит из последовательно соединенных резистора и отрезка длинной линии, буферные каскады последовательно соединены с одноименными детекторами, выходы которых подключены к соответствующим входам аналого-цифрового порта микроконтроллера, 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, а точки соединения отрезков длинных линий и резисторов второго и третьего измерительных участков подключены соответственно ко вторым входам четвертого и пятого буферных каскадов. При этом второй вывод резистора третьего измерительного участка и вторые входы первого и второго буферных каскадов заземлены, радиочастотным входом и радиочастотным выходом являются соответственно первый вход коммутатора и выход согласующего контура, а портом управления является первый последовательный порт микроконтроллера.
Структурная схема предлагаемого устройства изображена на фиг.1.
Антенно-согласующее устройство (см. фиг.1) содержит согласующий контур 1, образуемый длинной линией с дискретно коммутируемой длиной 2 и магазином конденсаторов 3, шунтирующих вход длинной линии 2, коммутатор 4, подключенный выходом к входу длинной линии с дискретно коммутируемой длинной 2 согласующего контура 1, микроконтроллер 5, выходы первого, второго и третьего параллельных портов которого подключены к соответствующим управляющим входам коммутатора 4 и согласующего контура 1. При этом радиочастотным входом и радиочастотным выходом являются соответственно первый вход коммутатора 4 и выход согласующего контура 1, а портом управления является первый последовательный порт микроконтроллера 5. В устройство введены первый 6(1) , второй 6(2), третий 6(3), четвертый 6 (4) и пятый 6(5) буферные каскады, первый 7 (1), второй 7(2), третий 7(3), четвертый 7(4) и пятый 7(5) детекторы, а также первый 8(1), второй 8(2) и третий 8(3) измерительные участки. Каждый измерительный участок представляет собой последовательное соединение резистора 9(1), 9(2), 9(3) и соответствующего отрезка длинной линии 10(1), 10(2), 10(3), т.е. резистор 9(1) последовательно соединен с отрезком длинной линии 10(1), резистор 9(2) - с отрезком длинной линии 10(2), резистор 9(3) - с отрезком длинной линии 10(3). Буферные каскады 6(1), 6(2), 6(3), 6(4) , 6(5) последовательно соединены с одноименными детекторами 7(1), 7(2), 7(3), 7(4) , 7(5). Напряжения с детекторов 7(1), 7 (2), 7(3), 7(4), 7(5), подключенных через буферные каскады 6(1), 6(2) , 6(3), 6(4), 6(5) к контрольным точкам, обозначенным на фиг.1 «А», «В», «B1», «B2», поступают на соответствующие аналого-цифровые входы микроконтроллера 5, при этом с выхода детектора 7(1) на вход аналого-цифрового порта микроконтроллера 5 подается напряжение Ua, с выхода детектора 7(2)-U b, с выхода детектора 7(3)-Uab, с выхода детектора 7(4)-Uab1, с выхода детектора 7(5)-Uab2. Вторые выводы резисторов 9 (1), 9(2) первого и второго измерительных участков 8(1), 8(2) соединены со вторым входом коммутатора 4, третий вход которого подключен к свободному концу отрезка длинной линии 10(1) первого измерительного участка 8(1) и к первым входам буферных каскадов 6(1) , 6(3), 6(4), 6(5). Свободные концы отрезков длинных линий 10(2), 10(3) соединены между собой и подключены к первому входу второго 6 (2) и второму входу третьего 6(3) буферных каскадов. Точки соединения отрезка длиной линии 9(2) с резистором 10(2) и отрезка длиной линии 9(3) с резистором 10(3) подключены соответственно ко вторым входам четвертого 6(4) и пятого 6(5) буферных каскадов, при этом второй вывод резистора 9(3) и вторые входы первого 6(1) и второго 6(2) буферных каскадов заземлены.
Функционально измерительные участки 8(1) , 8(2), 8(3), буферные каскады 6(1) , 6(2), 6(3), 6(4), 6(5) и детекторы 7(1), 7(2), 7(3) , 7(4), 7(5) представляют собой измерительный блок.
Буферные каскады 6(1), 6 (2), 6(3), 6(4), 6(5) и детекторы 7(1), 7(2), 7(3) , 7(4), 7(5) могут быть выполнены с использованием микросхемы фирмы Analog Device, например, AD8099 или AD8054. Для организации математических вычислений и осуществления управления, могут быть применены микроконтроллеры фирмы Free-scale, 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 АнСУ осуществляется следующим образом.
1. По команде микроконтроллера 5 ко второму и третьему входам коммутатора 4 подключается измерительный блок. Параметры согласующего контура 1 установлены следующим образом: длинная линия с дискретно коммутируемой диной 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 5 заранее внесены используемые в расчетах константы (
, k и т.п.).
2. На вход коммутатора 4 подается сигнал с выхода усилителя мощности (на фиг.1 не показан), при этом данные о текущем значении рабочей частоты поступают на порт управления микроконтроллера 5 от системы управления РПДУ.
3. Напряжения с детекторов 7(1), 7 (2), 7(3), 7(4), 7(5) поступают на соответствующие аналого-цифровые входы микроконтроллера 5, осуществляющего оцифровку и запоминание Ua, U b, Uab, 
, 
.
4. Микроконтроллер 5 осуществляет вычисление оптимальных параметров согласующих элементов (суммарной длины в метрах отрезков линий L и суммарной емкости конденсатора C) в соответствии с формулами (1) и (2):
,
где:
k - коэффициент укорочения длины волны в линии;
Ua, Ub , Uab, , - напряжения, поступающие с выходов детекторов на аналого-цифровые входы микроконтроллера;
f - рабочая частота, Гц;
z0 - волновое сопротивление линии, Ом.
Формулы (1) и (2) выведены с использованием метода круговых диаграмм Вольперта-Смита следующим образом:
- напряжения Ua, Ub, Uab, , представляются на круговой диаграмме векторами, при этом углы между соответствующими векторами напряжений можно определить как:
Приведенные выше выражения для нахождения углов 
, 
можно преобразовать, воспользовавшись разложением функции arccos(x) в ряд Маклорена. Тогда, ограничившись первыми тремя членами ряда, получим:
Суммарная электрическая длина отрезков длинных линий, коммутируемых из магазина длинных линий, при которой обеспечивается согласование, определяется по формуле:
,
где 
Физическая длина отрезка линии, необходимая для обеспечения согласования:
При подстановке в формулу (9) соотношений (3)
(8) получаем формулу (1) для нахождения суммарной физической длины отрезков линий L, при которой обеспечивается согласование.
5. Микроконтроллер 5 выдает команды на подключение элементов длинной линии 2 и магазина конденсаторов 3 с параметрами, наиболее близкими к определенным по формулам (1) и (2), и команду коммутатору 4 на отключение измерительного блока.
Суммарное время, требуемое на настройку предлагаемого устройства на заданную рабочую частоту Тнастр, определяется следующим образом:
где:
Туст - время установления сигнала, которое практически составляет около 10 мс;
Твыч - время обработки данных микроконтроллером, составляющее около 2 мс;
Тдискр - время переключения дискрет (элементов согласования), не превышающее 20 мс.
Предлагаемое устройство по сравнению с устройством-прототипом обладает следующими преимуществами:
- отсутствует процедура накопления массива отсчетов, что позволяет сократить время настройки по сравнению с устройством-прототипом. Суммарное время настройки предлагаемого устройства на заданную рабочую частоту не превышает 32 мс, в то время как для устройства-прототипа оно составляет 64 мс;
- производится измерение только пиковых значений напряжений, что упрощает процесс измерений и повышает помехоустойчивость устройства;
- сокращено необходимое время пребывания передатчика в эфире в ходе снятия параметров: для устройства-прототипа это время составляет порядка 30 мс, в то время как для предлагаемого устройства порядка 10 мс;
- используется современная элементная база, отвечающая требованиям стандартизации и унификации.
Антенно-согласующее устройство, содержащее согласующий контур, образуемый длинной линией с дискретно коммутируемой длиной и магазином конденсаторов, шунтирующих вход длинной линии, коммутатор, подключенный выходом к входу длинной линии согласующего контура, и микроконтроллер, выходы первого, второго и третьего параллельных портов которого подключены к соответствующим управляющим входам коммутатора и согласующего контура, при этом радиочастотным входом и радиочастотным выходом являются соответственно первый вход коммутатора и выход согласующего контура, а портом управления является первый последовательный порт микроконтроллера, отличающееся тем, что в устройство введены первый, второй, третий, четвертый и пятый буферные каскады, детекторы по числу буферных каскадов, а также первый, второй и третий измерительные участки, каждый из которых состоит из последовательно соединенных резистора и отрезка длинной линии, микроконтроллер выполнен цифровым, при этом буферные каскады последовательно соединены с одноименными детекторами, выходы которых подключены к соответствующим входам аналого-цифрового порта микроконтроллера, 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, а точки соединения отрезков длинных линий и резисторов второго и третьего измерительных участков подключены соответственно ко вторым входам четвертого и пятого буферных каскадов, при этом второй вывод резистора третьего измерительного участка и вторые входы первого и второго буферных каскадов заземлены.
