Антенно-согласующее устройство с измерительно-вычислительным методом настройки

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, образованный длинной линией с дискретно коммутируемой длиной и магазином конденсаторов, шунтирующих вход длинной линии, микроконтроллер, семь буферных каскадов, шесть детекторов, два резистора, три конденсатора, а также высокочастотный датчик, выполненный в виде трансформатора с двумя выводами первичной обмотки и тремя выводами вторичной обмотки. 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 измерительной части предлагаемого устройства отсутствуют отрезки длинных линий, которые на практике вносят наибольший вклад в погрешность измерений.

Настоящая полезная модель относится к радиоэлектронике, а именно к антенно-фидерным устройствам коротковолнового диапазона, и предназначена 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, образованный 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, т.е. первый резистор и первый отрезок длинной линии образуют первый измерительный участок, второй резистор и второй отрезок длинной линии - второй и т.д. 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 согласующего контура и коммутатора. 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 одноименные аналого-цифровые входы микроконтроллера, при этом с выхода первого детектора на первый вход аналого-цифрового порта микроконтроллера подается напряжение Ua, с выхода второго детектора - на второй вход аналого-цифрового порта напряжение Ub, с выхода третьего детектора - на третий вход аналого-цифрового порта напряжение Uab, с выхода четвертого детектора - на четвертый вход аналого-цифрового порта напряжение Uab1, с выхода пятого детектора - на пятый вход аналого-цифрового порта напряжение 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, 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 ПДУ 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 в АнСУ, содержащее согласующий контур, образованный длинной линией с дискретно коммутируемой длиной и магазином конденсаторов, шунтирующих вход длинной линии, цифровой микроконтроллер, высокочастотный датчик, первый и второй резисторы, первый, второй, третий, четвертый и пятый буферные каскады и детекторы по числу буферных каскадов, при этом первый, второй, третий, четвертый и пятый буферные каскады последовательно соединены с одноименными детекторами, выходы которых подключены к одноименным 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 второй вход первого буферного каскада заземлен, введены шестой детектор, шестой и седьмой буферный каскады, первый, второй и третий конденсаторы и линия задержки, при этом высокочастотный датчик выполнен в виде трансформатора, первый вывод первичной обмотки которого соединен с первым выводом второго конденсатора и радиочастотным входом устройства, а второй вывод первичной обмотки - с первым выводом первого конденсатора, при этом первый вывод вторичной обмотки соединен с первым выводом первого резистора, первыми входами четвертого и шестого и вторым входом второго буферных каскадов, второй вывод вторичной обмотки - со входом согласующего контура, вторыми выводами первого резистора и первого и второго конденсаторов, а также с первыми выводами второго резистора и третьего конденсатора и первыми входами первого и второго буферных каскадов, а третий вывод вторичной обмотки - со вторым выводом второго резистора, первым входом третьего и вторым входом шестого буферных каскадов, к первому входу седьмого буферного каскада подключен выход линии задержки, а ко второму - выход четвертого и первый вход пятого буферных каскадов, при этом второй вход пятого буферного каскада подключен к выходу шестого буферного каскада и входу линии задержки, а выход седьмого буферного каскада соединен со входом шестого детектора, выход которого подключен к одноименному входу аналого-цифрового порта микроконтроллера, при этом вторые входы третьего и четвертого буферных каскадов заземлены.

Структурная схема предлагаемого устройства изображена на фиг. 1.

Антенно-согласующее устройство с измерительно-вычислительным методом настройки содержит согласующий контур 1, образованный длинной линией 2 с дискретно коммутируемой длиной и магазином конденсаторов 3, шунтирующих вход длинной линии 2, цифровой микроконтроллер 4, высокочастотный датчик 5, два резистора 6(1) и 6(2), семь буферных каскадов 7(1)7(7), шесть детекторов 8(1)8(6), три конденсатора 9(1)9(3) и линию задержки 10. Первый 7(1), второй 7(2), третий 7(3), четвертый 7(4) и пятый 7(5) буферные каскады последовательно соединены с одноименными детекторами 8(1)8(5), выходы которых подключены к одноименным входам аналого-цифрового порта микроконтроллера 4, первый последовательный порт которого является портом управления, а выходы первого и второго параллельных портов которого подключены к соответствующим управляющим входам согласующего контура 1, выход которого является радиочастотным выходом устройства. При этом высокочастотный датчик 5 выполнен в виде трансформатора, первый вывод первичной обмотки которого соединен с первым выводом второго конденсатора 9(2) и радиочастотным входом устройства, а второй вывод первичной обмотки - с первым выводом первого конденсатора 9(1), в то время как первый вывод вторичной обмотки соединен с первым выводом первого резистора 6(1), первыми входами четвертого 7(4) и шестого 7(6) и вторым входом второго 7(2) буферных каскадов, второй вывод вторичной обмотки - со входом согласующего контура 1, вторыми выводами первого резистора 6(1) и первого 9(1) и второго 9(2) конденсаторов, а также с первыми выводами второго резистора 6(2) и третьего 9(3) конденсатора и первыми входами первого 7(1) и второго 7(2) буферных каскадов, а третий вывод вторичной обмотки - со вторым выводом второго 6(2) резистора, первым входом третьего 7(3) и вторым входом шестого 7(6) буферных каскадов. К первому входу седьмого 7(7) буферного каскада подключен выход линии задержки 10, а ко второму - выход четвертого 7(4) и первый вход пятого 7(5) буферных каскадов. При этом второй вход пятого 7(5) буферного каскада подключен к выходу шестого 7(6) буферного каскада и входу линии задержки 10, а выход седьмого 7(7) буферного каскада соединен со входом шестого 8(6) детектора, выход которого подключен к одноименному входу аналого-цифрового порта микроконтроллера, при этом вторые входы первого 7(1), третьего 7(3) и четвертого 7(4) буферных каскадов заземлены.

В предлагаемом устройстве буферные каскады 7(1)7(7) и детекторы 8(1)6(6) 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 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 2 с дискретно коммутируемой длиной 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 радиочастотный вход устройства 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 8(1)8(6) поступают на одноименные аналого-цифровые входы микроконтроллера 4, при этом с выхода детектора 8(1) на первый вход аналого-цифрового порта микроконтроллера 4 подается напряжение U₁, с выхода детектора 8(2) на первый вход аналого-цифрового порта микроконтроллера 4 подается напряжение U₂ и т.д. Микроконтроллер 4 осуществляет оцифровку и запоминание напряжений U₁U₆ и производит следующие вычисления:

1) Коэффициента стоячей волны (КСВ) в тракте в соответствии со следующей формулой:

где U₃, U₄ - амплитуды измеренных напряжений, В.

2) Фазы полного комплексного сопротивления антенны в соответствии со следующей формулой:

где U₁, U₂, U ₃, U₄, U₅, U₆ - амплитуды измеренных напряжений, В.

3) Модуля полного комплексного сопротивления антенны в соответствии со следующей формулой:

где

Z_л - волновое сопротивление линии, Ом;

U₁, U₂, U ₃, U₄, U₅, U₆ - амплитуды измеренных напряжений, В;

- фаза полного комплексного сопротивления антенны, °

4) Полного комплексного сопротивления антенны в соответствии со следующей формулой:

где - модуль полного комплексного сопротивления антенны;

- фаза полного комплексного сопротивления антенны, °.

5) Преобразованного после прохождения согласующего контура комплексного сопротивление антенны в соответствии с формулой:

где f - рабочая частота, МГц;

C - емкость конденсатора согласующего контура, Ф;

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

k - волновое число;

Z_л - волновое сопротивление линии, Ом.

6) Номиналов элементов согласующего контура (длины отрезка длинной линии (L) и величины емкости конденсатора (C)), 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 2 с дискретно перестраиваемой длиной 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 предлагаемого устройства по сравнению с прототипом на 10 мс;

- повышена точность обеспечиваемого согласования, так как в конструкции измерительной части предлагаемого устройства отсутствуют отрезки длинных линий, которые на практике вносят наибольший вклад в погрешность измерений.

Антенно-согласующее устройство с измерительно-вычислительным методом настройки, содержащее согласующий контур, образованный длинной линией с дискретно коммутируемой длиной и магазином конденсаторов, шунтирующих вход длинной линии, цифровой микроконтроллер, высокочастотный датчик, первый и второй резисторы, первый, второй, третий, четвертый и пятый буферные каскады и детекторы по числу буферных каскадов, при этом первый, второй, третий, четвертый и пятый буферные каскады последовательно соединены с одноимёнными детекторами, выходы которых подключены к одноименным 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 второй вход первого буферного каскада заземлен, отличающееся тем, что введены шестой детектор, шестой и седьмой буферный каскады, первый, второй и третий конденсаторы и линия задержки, при этом высокочастотный датчик выполнен в виде трансформатора, первый вывод первичной обмотки которого соединен с первым выводом второго конденсатора и радиочастотным входом устройства, а второй вывод первичной обмотки - с первым выводом первого конденсатора, при этом первый вывод вторичной обмотки соединен с первым выводом первого резистора, первыми входами четвертого и шестого и вторым входом второго буферных каскадов, второй вывод вторичной обмотки - со входом согласующего контура, вторыми выводами первого резистора и первого и второго конденсаторов, а также с первыми выводами второго резистора и третьего конденсатора и первыми входами первого и второго буферных каскадов, а третий вывод вторичной обмотки - со вторым выводом второго резистора, первым входом третьего и вторым входом шестого буферных каскадов, к первому входу седьмого буферного каскада подключен выход линии задержки, а ко второму - выход четвертого и первый вход пятого буферных каскадов, при этом второй вход пятого буферного каскада подключен к выходу шестого буферного каскада и входу линии задержки, а выход седьмого буферного каскада соединен со входом шестого детектора, выход которого подключен к одноименному входу аналого-цифрового порта микроконтроллера, при этом вторые входы третьего и четвертого буферных каскадов заземлены.

РИСУНКИ