Антенно-согласующее устройство

Полезная модель относится к технике связи и может использоваться в широкодиапазонных радиопередатчиках для компенсации отклонений входного импеданса антенны от значения, при котором обеспечивается оптимальный режим работы усилителя мощности радиопередатчика. Задачей полезной модели является значительное сокращение времени настройки. Антенно-согласующее устройство содержит согласующий контур, образуемый элементами четырех магазинов реактивностей, первый коммутатор, подключенный первым выходом к входу согласующего контура, аттенюатор, подключенный входом ко второму выходу первого коммутатора, трансформатор тока, подключенный первым выводом первичной обмотки к первому выходу аттенюатора, дискриминатор фазы, подключенный напряженческим входом ко второму выходу аттенюатора, а входом и выходом токовой обмотки подключено соответственно ко второму выводу первичной обмотки трансформатора тока и второму входу первого коммутатора, микроконтроллер, подключенный выходами параллельного интерфейса к соответствующим управляющим входам первого коммутатора и согласующего контура, в котором первый вход первого коммутатора и выход согласующего контура являются соответственно ВЧ входом и ВЧ выходом устройства, а порт последовательного интерфейса микроконтроллера является портом дистанционного управления устройства, введены калибровочный резистор, подключенный к третьему выходу первого коммутатора, первый и второй логарифмические усилители, подключенные входами соответственно к первому выходу аттенюатора и к выходу трансформатора тока, первый и второй амплитудные детекторы, подключенные входами соответственно к выходам логарифмических усилителей, второй коммутатор, подключенный соответствующими сигнальными входами к выходу дискриминатора фазы, выходам первого и второго амплитудных детекторов и к выходу фазового детектора, а управляющими входами подключенный к

соответствующим выходам параллельного интерфейса микроконтроллера, и преобразователь «аналог-цифра», подключенный аналоговым входом к выходу второго коммутатора, а цифровыми выходами подключенный к соответствующим входам параллельного интерфейса микроконтроллера, логарифмические усилители, амплитудные и фазовый детекторы, второй коммутатор, преобразователь «аналог-цифра» и контроллер являются элементами двух больших интегральных схем.

Полезная модель относиться к технике связи и может использоваться в широкодиапазонных радиопередатчиках для компенсации отклонений входного импеданса антенны от значения, при котором обеспечивается оптимальный режим работы усилителя мощности радиопередатчика.

Известно антенно-согласующее устройство [1], содержащее согласующий контур, образуемый элементами четырех магазинов реактивностей, аттенюатор, блок датчиков дискриминаторов контроля характеристик рассогласования, коммутатор и микроконтроллер, причем вход согласующего контура подключается через коммутатор к ВЧ входу устройства или непосредственно или через последовательно включенные аттенюатор и блок датчиков-дискриминаторов, информационные выходы датчиков-дискриминаторов подключены к соответствующим входам параллельного интерфейса микроконтроллера, управляющие входы согласующего контура (управляющие входы магазинов реактивностей) и управляющий вход коммутатора подключенные к соответствующим выходам параллельного интерфейса микроконтроллера, выход согласующего контура является ВЧ выходом устройства, а порт последовательного интерфейса микроконтроллера является портом дистанционного управления устройства. Блок датчиков-дискриминаторов включает в себя:

датчик Z (Z - модуль комплексного входного сопротивления), определяющий знак разности амплитуд двух сигналов, пропорциональных соответственно напряжению и току на входе согласующего контура. Указанная разность положительна, если Z>R ₀, (R₀ - величина оптимальной нагрузки усилителя мощности радиопередатчика);

датчик ( - фаза комплексного входного сопротивления), определяющий знак сдвига фаз сигналов, пропорциональных напряжению и току на входе

согласующего контура. Знак сдвига фаз положительный, если комплексного входное сопротивление имеет индуктивный характер, и отрицательный, если входное сопротивление имеет емкостной характер;

датчик КБВ, определяющий знак разности амплитуд двух сигналов, получаемых суммированием сигнала, пропорционального напряжению на входе согласующего контура, соответственно с сигналами, пропорциональными току на входе согласующего контура и сдвинутыми по фазе друг относительно друга на 180 градусов.

Указанная разность положительна, если она не меньше некоторой величины С, являющейся критерием настройки.

Во всех указанных выше датчиках для получения сигнала, пропорционального току на входе согласующего контура, используются измерительный трансформатор тока, включенный первичной обмоткой последовательно с согласующим контуром.

Настройка устройства на заданную рабочую частоту производиться в следующей последовательности.

Вначале при отключенных реактивностях согласующего контура на вход антенны через блок датчиков-дискриминаторов на короткое время Т_уст , достаточное для установления показаний датчиков, подается тестовый сигнал, представляющий собой немодулированное колебание с частотой f_p (Т_уст включает в себя так же и время установления уровня тестового сигнала).

При отрицательных показаниях датчика КБВ в зависимости от показаний датчиков Z и в отсутствии тестового сигнала производиться включение минимальной дискреты одного из четырех магазинов реактивностей согласующего контура, за время Т_перекл, после чего вновь подается тестовый сигнал и проверяются показания датчиков. Если показания датчиков не изменились, производиться подключение следующей дискреты в том же магазине реактивностей. Процедура переключения дискрет данного магазина реактивностей с контролем показаний датчиков производиться до получения положительных показаний датчика КБВ,

свидетельствующих о завершении настройки, или до изменения показаний датчиков Z и . В соответствии с новыми показаниями датчиков Z и выбирается очередной магазин реактивностей и производится описанная выше процедура переключения его дискрет.

Известны так же другие антенно-согласующие устройства [2, 3, 4], аналогичные по структурной схеме и алгоритму работы описанному выше устройству выбранному в качестве прототипа.

Недостатком рассматриваемого согласующего устройства является большое время настройки согласующего контура в связи с последовательным (поочередным) набором малыми приращениями необходимых значений реактивностей, образующих контур, а так же в связи с большим временем переключения дискрет в магазинах реактивностей.

Задачей полезной модели является значительное сокращение времени настройки.

Для этого в антенно-согласующее устройство, содержащее согласующий контур, образуемый элементами четырех магазинов реактивностей, первый коммутатор, подключенный первым выходом к входу согласующего контура, аттенюатор, подключенный входом ко второму выходу первого коммутатора, трансформатор тока, подключенный первым выводом первичной обмотки к первому выходу аттенюатора, дискриминатор фазы, подключенный напряженческим входом ко второму выходу аттенюатора, а входом и выходом токовой обмотки ко второму выводу первичной обмотки трансформатора тока и второму входу первого коммутатора, соответственно, микроконтроллер, подключенный выходами параллельного интерфейса к соответствующим управляющим входам первого коммутатора и согласующего контура, в котором первый вход первого коммутатора и выход согласующего контура являются соответственно ВЧ входом и ВЧ выходом устройства, а порт последовательного интерфейса микроконтроллера является портом дистанционного управления устройства, введены калибровочный резистор, подключенный к третьему выходу первого

коммутатора, первый и второй логарифмические усилители, подключенные входами соответственно к первому выходу аттенюатора и к выходу трансформатора тока, первый и второй амплитудные детекторы, подключенные входами соответственно к выходам логарифмических усилителей, фазовый детектор, подключенный первым и вторым входами соответственно к выходам логарифмических усилителей, второй коммутатор, подключенный соответствующими сигнальными входами к выходам дискриминатора фазы, амплитудных и фазового детекторов, а управляющими входами - к соответствующим выходам параллельного интерфейса микроконтроллера, и преобразователь «аналог-цифра», подключенный аналоговым входом к выходу второго коммутатора, а цифровыми выходами - к соответствующим входам параллельного интерфейса микроконтроллера.

Структурная схема подключаемого устройства изображена на фиг.1. Устройство содержит согласующий контур 11, образуемый элементами четырех магазинов реактивностей, первый коммутатор 4, подключенный первым выходом к входу согласующего контура, аттенюатор 2, подключенный входом ко второму выходу первого коммутатора, трансформатор тока 6, подключенный первым выводом первичной обмотки к первому выходу аттенюатора, дискриминатор фазы 5, подключенный напряженческим входом ко второму выходу аттенюатора, а входом и выходом токовой обмотки - ко второму выводу первичной обмотки трансформатора тока и второму входу первого коммутатора, соответсвенно, калибровочный резистор 12, подключенный к третьему выходу первого коммутатора, первый 1 и второй 13 логарифмические усилители, подключенные входами соответственно к первому выходу аттенюатора и к выходу трансформатора тока, первый 3 и второй 14 амплитудные детекторы, подключенные входами соответственно к первому выходу аттенюатора и к выходу трансформатора тока, первый 3 и второй 14 амплитудные детекторы, подключенные входами соответственно к выходам дискриминатора фазы

первого и второго амплитудных детекторов и выходу фазового детектора, преобразователем «аналог-цифра» 9, подключенный аналоговым входом к выходу второго коммутатора 8, микроконтроллер 10, подключенный соответствующими входами параллельного интерфейса к выходу дискриминатора фазы и цифровым выходам преобразователя «аналог-цифра», а соответствующими выходами параллельного интерфейса - к управляющим входам первого и второго коммутатора и согласующего контура, причем первый вход первого коммутатора и выход согласующего контура являются соответственно ВЧ входом и ВЧ выходом устройства, а порт последовательного интерфейса микроконтроллера является портом дистанционного управления устройства.

Настройка устройства на заданную рабочую частоту производиться в следующей последовательности.

Вначале определяются исходные значения характеристик входного импеданса антенны. Для этого к ВЧ входу устройства через аттенюатор 2, трансформатор тока 6 и дискриминатор фазы 5 поочередно подключаются калибровочный резистор 12 или вход согласующего контура 11, который на это время подключается непосредственно ко входу антенны, и при подаче на ВЧ вход тестового сигнала производится поочередный отсчет уровней сигналов на выходах амплитудных детекторов 3 и 14 (пропорциональных соответственно логарифму амплитуды напряжения и тока на калибровочном резисторе и на входе антенны), сигнала на выходе фазового детектора 7 (пропорционального сдвигу фаз тока и напряжения на входе антенны), и сигнала на выходе дискриминатора фазы 5 (соответствующего знаку сдвига фаз тока и напряжения на входе антенны). Отключение калибровочного резистора и подключение входа согласующего контура производиться в отсутствие тестового сигнала.

Все отсчеты оцифровываются с помощью преобразователя «аналог-цифра» 9 и запоминаются в микроконтроллере 10.

Полученные отсчеты используются для вычисления значений активной Ra и реактивной Ха составляющих комплексного входного сопротивления антенны по формулам

R_a =Z_a·cos()

±X_a=Z _a·sin()

Z_a=R_k ·10^{Ан+Атк-Анк-Ат}

=K·U

Здесь:

R_k - сопротивление калибровочного резистора;

U - отсчет сигнала фазового детектора;

A _н, А_нк - отсчеты сигналов, соответствующих напряжению на входе антенны и на калибровочном резисторе;

А_т, А_тк - отсчеты сигналов, соответствующих току на входе антенны и в калибровочном резисторе;

К - коэффициент пропорциональности фазового детектора.

Условием согласования является выполнение неравенства

, где

Ro - величина оптимальной нагрузки усилителя мощности радиопередатичика;

С - минимальное допустимое значение КБВ нагрузки усилителя мощности.

При не выполнении указанного неравенства вычисляются необходимые значения сопротивлений реактивностей согласующего контура и определяется набор дискрет соответствующих магазинов реактивностей, реализующих эти значения сопротивлений.

Если и Ха>0, согласование достигается включением последовательно с антенной «укорачивающей» емкости с сопротивлением гдe

f_p - рабочая частота;

С_i - емкость i-ой дискреты магазина «укорачивающих» емкостей.

Если и Ха0, последовательно с антенной включается «удлиняющая» индуктивность с сопротивлением ,

где L_i - индуктивность i-ой дискреты магазина «удлиняющих» индуктивностей.

Если Ra<С·Ro, Ха>0 и , для согласования используются «укорачивающая» емкость и емкость «связи», шунтирующая вход согласующего контура. При этом Хук и Хсв вычисляются по формулам Xук=Xa-Ro·cos(₁)·sin(₁) и где

С_i - емкость i-ой дискреты магазина емкостей «связи».

Если Ra<C·Ro, Xa>0 и для согласования используются «удлиняющая» индуктивность и емкость «связи» с сопротивлениями

Xудл=Ro·cos(₁)·sin(₁)-Xa, .

Если Ra<C·Ro и Xa<0, сопротивление Хсв определяется по формуле, указанной в предыдущем случае, а сопротивление Худл - по формуле Худл=Хсв+Ro·cos(₁)·sin(₁).

Если , Xa>0, согласование производится «удлиняющей» индуктивностью и емкостью, шунтирующей вход антенны. Сопротивление Худл и Хш при этом определяются по формулам

где

C_i - емкость i-ой дискреты магазина емкостей шунта.

Если и Ха<0, сопротивление Худл определяется по формуле, указанной в предыдущем случае, а сопротивление Хш - по формуле .

Определенные в результате указанных выше расчетов наборы дискрет из соотвествующих магазинов реактивностей включаются одновременно. В результате время настройки Т_настр предлагаемого устройства на заданную рабочую частоту определяется как

, где

- время установления уровня тестового сигнала и взятия отсчетов, при подключении калибровочного резистора и согласующего контура, соответственно ;

Т_выч - время вычисления необходимых значений реактивностей в

согласующем контуре и определения набора дискрет, реализующих эти значения реактивностей. Т _выч0,3 мс;

- время отключения калибровочного резистора и время включения дискрет, соответственно. .

Время настройки прототипа определяется как

Т_настр=N₁·Т _уст+N₁·Т_перекл , где:

N₁ - количество переключений дискрет, которое практически находиться в пределах 10-150.

В соответствии с приведенными выражениями время настройки прототипа лежит в пределах 0,4...6 сек., а время настройки предлагаемого устройства не превышает 81 мс, что свидетельствует о достижении поставленной цели.

С целью повышения точности и надежности устройства и точности измерений характеристик антенны в предлагаемой полезной модели используются большие интегральные (БИС) схемы типа AD8302 фирмы Analog Devices [5] и HD64F2633TE фирмы Renesas Technology [6].

БИС AD8302 включает в себя два логарифмических усилителя с амплитудными детекторами и фазовый детектор.

БИС HD64F2633TE включает в себя мультиплексор (коммутатор), преобразователи «аналог-цифра» и собственно контроллер.

Источники информации.

1. Руководство по эксплуатации блока АнСУ-1000П, ОНИИП, г.Омск, 2005 г. (прототип).

2. Техническое описание блока АСУ-Бк, НПП «Полет» г.Н.Новгород, 2001 г.

3. Repair Manual 6045.5874.62.02 Antenna Tuning Unit FK 2100, ф. «Rohde&Schwarz», 1995 г.

4. Mantenimiento DEL RF-5800H-MP, ф. «Harris», 2001 г.

5. AD8302 Data Sheets, Rev. 0, Analog Devices, Inc., 2002

1. Антенно-согласующее устройство, содержащее согласующий контур, образуемый элементами четырех магазинов реактивностей, первый коммутатор, подключенный первым выходом к входу согласующего контура, аттенюатор, подключенный входом ко второму выходу первого коммутатора, трансформатор тока, подключенный первым выводом первичной обмотки к первому выходу аттенюатора, дискриминатор фазы, подключенный напряженческим входом ко второму выходу аттенюатора, а входом и выходом токовой обмотки подключено соответственно ко второму выводу первичной обмотки трансформатора тока и второму входу первого коммутатора, микроконтроллер, подключенный выходами параллельного интерфейса к соответствующим управляющим входам первого коммутатора и согласующего контура, в котором первый вход первого коммутатора и выход согласующего контура являются соответственно ВЧ входом и ВЧ выходом устройства, а порт последовательного интерфейса микроконтроллера является портом дистанционного управления устройства, отличающееся тем, что в него введены калибровочный резистор, подключенный к третьему выходу первого коммутатора, первый и второй логарифмические усилители, подключенные входами соответственно к первому выходу аттенюатора и к выходу трансформатора тока, первый и второй амплитудные детекторы, подключенные входами соответственно к выходам логарифмических усилителей, второй коммутатор, подключенный соответствующими сигнальными входами к выходу дискриминатора фазы, выходам первого и второго амплитудных детекторов и к выходу фазового детектора, а управляющими входами подключенный к соответствующим выходам параллельного интерфейса микроконтроллера, и преобразователь «аналог-цифра», подключенный аналоговым входом к выходу второго коммутатора, а цифровыми выходами подключенный к соответствующим входам параллельного интерфейса микроконтроллера.

2. Антенно-согласующее устройство по п.1, отличающееся тем, что логарифмические усилители, амплитудные и фазовый детекторы, второй коммутатор, преобразователь «аналог-цифра» и контроллер являются элементами двух больших интегральных схем.