Согласующее антенное устройство ДМКВ диапазона для сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты
ANTENNA MATCHING DEVICE UMW RANGE FOR SIGNALS WITH PSEUDO-RANDOM TUNING OF THE OPERATING FREQUENCY

Изобретение относиться к согласующим антенным устройствам и может быть использовано в схемах, позволяющих производить автоматическое преобразование входного сопротивления антенны для обеспечения оптимальной работы усилителя мощности передатчика в диапазоне декаметровых волн (ДМКВ) с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ).
Технический результат заключается в уменьшении времени переходного процесса при формировании коротких импульсов, снижающего энергию импульсов.
Известны согласующие антенные устройства (САУ).
1. Патент РФ №2308145 от 10.10.2007. Антенно-согласующее устройство.
2. Патент РФ №2698507 от 12.04.2018. Антенное согласующее устройство. 3. Патент РФ №2694136 от 09.07.2019. Согласующее антенное устройство ДМКВ диапазона для сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты.
Недостатком всех известных антенно-согласующих устройств является отсутствие учета постоянной времени этих устройств. Это приводит к снижению энергии передаваемого сигнала из-за переходного процесса при формировании переднего фронта сигнала. Потери энергии сигнала тем существеннее, чем больше постоянная времени антенно-согласующего устройства. Это особенно важно при работе в режиме ППРЧ из-за малой длительности импульсов излучения высокой частоты.
Наиболее близким по технической сущности является согласующее антенное устройство ДМКВ диапазона для сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, представленное в патенте РФ №2694136 от 09.07.2019.
С целью снижения энергетических потерь при передаче коротких импульсов с высокочастотным заполнением при ППРЧ предложено согласующее устройство, содержащее центральный процессор, трансивер, первый вход-выход которого служит для связи посредством одного интерфейса с блоком управления приемопередатчика, а его второй вход-выход посредством другого интерфейса - с первым входом-выходом центрального процессора, флэш-память, драйверы реле, связанные посредством собственного третьего интерфейса соответственно со вторым и третьим входами-выходами центрального процессора, аналого-цифровой преобразователь, связанный посредством четвертого интерфейса с четвертым входом-выходом центрального процессора, причем выход драйверов реле соединен через первый вход переключаемых реле к входу блока LC звеньев, выход которого соединен со вторым входом переключаемых реле, двунаправленный ответвитесь, выполненный во вторичных его линиях с двумя детекторами для измерения падающей волны и отраженной волны, причем первичная линия двунаправленного ответвителя через его первый вход-выход служит, с одной стороны, для соединения с радиочастотным каналом передачи от приемопередатчика, а с другой стороны, через его второй вход-выход и через первый и второй входы-выходы блока LC звеньев - для соединения с радиочастотным каналом передачи к приемопередающей антенне, фазовый детектор и измеритель мощности, первый и второй входы фазового детектора соединены соответственно с вторичными линиями двунаправленного осветителя для измерения падающей волны, а вход измерителя мощности соединен с вторичной линией двунаправленного осветителя для измерения падающей (ПАД) волны, выход фазового детектора и выход измерителя мощности соответственно соединены с первым и вторым входами аналого-цифрового преобразователя, выполненного с возможностью поочередного подсоединения фазового детектора и измерителя мощности, при этом центральный процессор выполнен обеспечивающим расчет коэффициента стоячей волны (КСВ), ere дисперсии, среднего значения КСВ, зашумленности в радиочастотном канале передачи от приемопередатчика к приемопередающей антенне и расчет импеданса приемопередающей антенны, блок LC звеньев реализован из набора конденсаторов и катушек индуктивностей, подключенных друг к другу по Г-образной схеме, при этом ряд индуктивностей катушек выполнен в убывающей прогрессии, в которой каждая последующая индуктивность в 1,8 раза меньше предыдущей, и ряд емкостей конденсаторов выполнен в убывающей прогрессии, в которой каждая последующая емкость в 2 раза меньше предыдущей, причем катушки подсоединены последовательно относительно приемопередающей антенны, а конденсаторы - параллельно приемопередающей антенне или параллельно второму входу-выходу направленного осветителя, при этом если измеренный импеданс приемопередающей антенны выше 50 Ом на частоте согласования псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ), то посредством переключаемых реле соответствующий конденсатор выполнен с возможностью параллельного подключения к приемопередающей антенне, а если ниже - параллельно второму входу-выходу направленного осветителя, отличающееся тем, что дополнительно введен блок коррекции постоянной времени входного сопротивления блока LC звеньев, при этом, высокочастотный вход блока коррекции соединен с высокочастотным входом блока LC звеньев, а высокочастотный выход блока коррекции соединен с входом двунаправленного осветителя, вход цепи управления блока коррекции соединен с выходом блока переключаемых реле, а его выход по цепи управления соединен с входом переключаемых реле.
Структурная схема САУ представлена на Фиг. 1.
Обозначения принятые на Фиг. 1.
1. Центральный процессор.
2. Трансивер UART<->RS422.
3. Флэш-память (EEPROM).
4. Драйверы реле.
5. Аналого-цифровой преобразователь.
6. Переключаемые реле.
7. Блок LC звеньев.
8. Двунаправленный ответвитесь.
9. Фазовый детектор.
10. Измеритель мощности.
11. Блок коррекции постоянной времени входного сопротивления.
Коррекция величины постоянной времени входного сопротивления блока LC звеньев необходима из-за влияния этой характеристики на переходной процесс при формировании фронта импульса с высокочастотным заполнением при передаче очередной частоты в радиолинии с ППРЧ [Белецкий А.Ф. Основы теории линейных электрических цепей. - М.: Связь, 1967. Муравченко В.Л. Корабельные радиопередатчики ВМФ. - СПб: Отраслевые журналы, 2017].
вх
вх
Реализация изменения величины постоянной времени переходного процесса осуществляется путем включения на входе блока с LC звеньями переключаемых конденсаторов. При входном сопротивлении LC блока, содержащем, активную R и емкостную Х составляющие, постоянная времени определяется выражением:
При индуктивном характере входного сопротивления LC блока постоянная времени определяется выражением:
где:
ƒ - рабочая частота;
с
τ - постоянная времени при емкостном характере нагрузки;
L
τ - постоянная времени при индуктивном характере нагрузки.
1
N
1
N
1
N
1
N
Условное представление блока LC звеньев и вновь введенного блока коррекции постоянной времени входного сопротивления блока LC звеньев представлено на Фиг. 2. Обозначения, принятые на Фиг. 2, следующие: 1. - Блок LC звеньев; 2. - вновь введенный блок коррекции постоянной времени входного сопротивления блока LC звеньев; C…C - набор конденсаторов, количество и номиналы которых должны определяться по результату процесса предварительной настройки САУ по критерию минимума постоянных времени входной цепи блока LC звеньев при работе на различных частотах рабочего диапазона. Номера ключей коммутации конденсаторов C…C К1…К1 и К2…К2 должны быть внесены в память Блока 3 (флэш-память).
с
L
ВХ
с
L
ВХ
ВХ
ВХ
ВХ
Из приведенных выше выражений для постоянной времени τ и τ видно, что этот параметр может быть изменен за счет изменения величины Х. Поскольку необходимо минимизировать величины τ и τ, то в случае емкостного характера нагрузки (формула 1) целесообразно увеличить величину Х, а при индуктивном характере нагрузки (формула 2) целесообразно уменьшить величину Х. Это значит, что в первом случае, с целью увеличения емкостного сопротивления, необходимо добавить последовательно с нагрузкой (Х+R) конденсатор, вносящий дополнительное сопротивление. В случае индуктивного характера нагрузки (формула 2) целесообразно уменьшить величину индуктивного сопротивления нагрузки включением последовательно с нагрузкой также емкостного сопротивления т.е. дополнительного конденсатора.
1
N
с.
Величина емкости дополнительного конденсатора (C…C) может быть определена при заданной максимально допустимой величине постоянной времени τ При емкостном характере нагрузки справедливо соотношение:
Д
1
N
ВХ
Д
с
с
ВХ
ВХ
Д
где Х - емкостное сопротивление дополнительного конденсатора из набора C…C. (Примечание. В формуле 3. использованы абсолютные значения емкостных сопротивлений Х к Х, т.к. отрицательная величина постоянной времени τ не имеет смысла.) При известных величинах τ, ƒ, R, Х не представляет труда определить величину требуемого емкостного сопротивления Х:
Д
1
N
Определив величину Х при емкостном характере нагрузки, находим величину требуемой емкости конденсатора группы C…C:
L
При индуктивном характере нагрузки и заданной максимально допустимой величиной постоянной времени τ справедливо соотношение:
L
Д
ВХ
ВХ
Д
1
N
ВХ
Из соотношения 6. видно, что величина τ будет минимальной, если сопротивление Х будет противоположным по знаку и близким по абсолютному значению величине индуктивного сопротивления Х. По этой причине должен быть последовательно с индуктивным сопротивлением Х включено емкостное сопротивление Х из конденсаторной группы C…C, величина сопротивления которого на, используемой в данном случае рабочей частоте, равняется сопротивлению Х.
Д
Находим величину требуемого емкостного сопротивления - Х:
1
N
Далее находим величину требуемой емкости конденсатора группы C…C:
ВХ
Пример расчета емкости дополняющего конденсатора в случае емкостного характера величины Х.
Зададимся величинами:
с
-3
- максимально допустимое значение постоянной времени τ=10 С;
6
- номинал рабочей частоты f=4⋅10 Гц;
ВХ
- величина реактивной составляющей Х =-400 Ом;
ВХ
- величина активной составляющей R=30 Ом.
Д
Рассчитанное по формуле 4 значение величины сопротивления дополняющей емкости: Х≈-400 Ом.
-10
Рассчитанное по формуле 5 значение величины емкости конденсатора блока коррекции постоянной времени входного сопротивления: 1⋅10 Ф.
ВХ
Пример расчета емкости дополняющего конденсатора в случае индуктивного характера величины Х.
Зададимся величинами:
с
-3
- максимально допустимое значение постоянной времени τ=10 С;
6
- номинал рабочей частоты f=8⋅10 Гц;
ВХ
- величина реактивной составляющей Х=25 Ом;
ВХ
- величина активной составляющей R=160 Ом.
-10
Рассчитанное по формуле 8 значение величины емкости конденсатора блока коррекции постоянной времени входного сопротивления: 7,966⋅10 Ф.
Работа согласующего антенного устройства.
Трансивер 2 предназначен для принятия, преобразования команд управления (КУ) по внешнему интерфейсу RS485/422 во внутренний интерфейс управления UART, также выдачи в приемопередатчик подтверждений правильности приема КУ от центрального процессора 1. Трансивер 2 обеспечивает гальваническую развязку по внешнему интерфейсу обмена, прием КУ от приемопередатчика, загрузку КУ в центральный процессор 1 с кодовыми последовательностями включения реле блока 7 и передачу телеметрической информации (параметров состояния всех функциональных блоков САУ) от центрального процессора 1 в приемопередатчик.
Флэш-память блока 3 хранит первоначальные параметры настройки переключаемых реле блока 6 и блока 11, Г-образных LC звеньев блока 7 и дополняющих конденсаторов блока 11, идентификатор процессора 1, дату разработки и порядковый номер программного обеспечения.
2
2
Центральный процессор 1 служит для обработки КУ от трансивера 2, сбора телеметрической информации с ключевых модулей трансивера 2, флэш-памяти 3 по интерфейсу SPI, драйверов 4 реле по интерфейсу SPI и Аналого-цифрового преобразователя интерфейсу IC, формирования ответных квитанций и выдачу их в трансивер 2 интерфейсов UART-RS422 для преобразования. Также центральный процессор 1 выдает управляющие команды по интерфейсу SPI на драйверы 4 реле для коммутации LC звеньев блока 7 и дополняющих конденсаторов блока 11, переключаемых реле блока 6. Центральный процессор 1 обеспечивает расчет КСВ, его дисперсии, среднего значения КСВ и зашумленности в радиочастотном канале передачи от приемопередатчика к приемопередающей антенне по данным поступающим с аналого-цифрового преобразователя 5 по интерфейсу IC, а также производит текущее значение импеданса приемопередающей антенны.
Двунаправленный ответвитель 8 отводит часть энергии из первичной линии, поступающей от приемопередатчика, во вторичные линии, откуда сигналы (амплитуды и фазы) падающей (ПАД) волны и отраженной (OTP) волны поступают соответственно на первый и второй входы фазового детектора 9, а на вход измерителя мощности 10 поступают параметры падающей волны (ПАД).
Фазовый детектор 9 определяет разность фаз между двумя сигналами, поданными на первый и второй входы, и на своем выходе формирует напряжение пропорциональное отношению двух величин напряжений (прямой и падающей волны) и выдает его на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 5.
2
АЦП 5 преобразовывает, сигналя с фазового детектора 9 и измерителя мощности 10 в цифровые значения и выдает их для дальнейшей обработки в центральный процессор 1 по интерфейсу IC. Эти значения используются центральным процессором 1 для определения характера импеданса (емкостной или индуктивный), подключенной в САУ приемопередающей антенны и вычисления величины импеданса.
Функцией центрального процессора 1 является также переключение рабочих режимов работы по командам от приемопередатчика.
САУ функционирует в одном из трех режимов работы:
- «дежурный режим»;
- режим «малой мощности»;
- режим «работа».
В «дежурном режиме» центральный процессор 1 переводит все функциональные блоки 2 - 10 в режим наименьшего энергетического потребления и сам переходит в режим ожидания команд управления от приемопередатчика.
При режиме «малой мощности» центральный процессор 1 проводит вычисление КСВ приемопередающей антенны, рассчитывает и подбирает кодовые последовательности включения или выключения переключаемых реле блока 6 и блока 11 с учетом обеспечения наименьшего значения КСВ и постоянной времени входной цепи высокочастотного тракта на заданной частоте передачи сигнала с ППРЧ.
Изменение состояния переключаемых реле 6 производиться в режиме «малой мощности». Затем САУ переходит в режим «работа».