АНТЕННОЕ СОГЛАСУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
ANTENNA MATCHING DEVICE

Изобретение относится к радиотехнике, а именно, к антенным согласующим устройствам ВЧ диапазона (3-30 МГц).
Известно устройство по способу согласования передающего антенно-фидерного тракта с антенной с помощью нескольких дискретно перестраиваемых антенных согласующих устройств [1]. Расчет элементов, входящих в их состав, основан на методе круговых диаграмм.
Недостаток устройства в том, что при работе в широком диапазоне частот, необходимо большое число дискретных элементов, сложный алгоритм настройки на рабочую частоту и, как следствие, требуют больших трудовых затрат на настройку, регулировку при отработке на объекте.
Известно устройство [2], в котором осуществляется автоматическая настройка его параметров за счет подбора его элементов.
Однако датчик фазы радиосигнала, устраняющий неоднозначность в процессе автонастройки антенного согласующего устройства, имеет низкую чувствительность при значительных расстройках колебательного контура. Это связано с большим динамическим диапазоном изменения токов в согласующем контуре при расстройке, особенно при его высокой добротности. Это устройство сложное в настройке, что приводит к большим трудозатратам при регулировке и отработке антенного согласующего устройства на объекте.
Наиболее близким по существу является адаптивное антенное согласующее устройство [3], которое и принято за прототип. В устройстве у входного сигнала ВЧ диапазона измеряют уровень напряжений в соседних плечах каждого звена подключенного согласующего контура (СК) и сравнивают их с помощью сравнивающих устройств между собой, если напряжение в левом плече U(i) меньше напряжения в правом плече U(i+1) на величину, большую уровня нечувствительности сравнивающего устройства, то посредством устройства управления на левом плече отключают емкости С21, С31 и подключают емкость С11=C1(min), если напряжение в левом плече больше напряжения в правом плече на величину, большую уровня нечувствительности сравнивающего устройства, то посредством устройства управления на левом плече отключают емкости С11, С21 и подключают емкость С31=С1(max), а, если напряжения в соседних плечах равны или отличаются на величину, меньшую уровня нечувствительности сравнивающего устройства, на левом плече подключают только одну емкость С21=С1(0), для второго П-образного звена все процедуры идентичны вышеописанным, только подключают или отключают емкости С12, С22, С32. Сравнение уровней напряжений проводят в компараторах устройства управления, часть которых имеет отрицательный порог срабатывания (U(i)<U(i+1), часть - положительный (U(i)>U(i+1). Полученные результаты сравнения напряжений в устройстве управления преобразуются в соответствующие напряжения, которые через выходные каскады подают на узлы коммутации, состоящие из ВЧ переключателей, например, реле, и в соответствии с описанным выше алгоритмом осуществляют коммутацию конденсаторов и устройство настраивают на каждую конкретную частоту в пределах рабочего диапазона частот.
Антенное согласующее устройство, реализующее указанный способ, выполнено на основе двух согласующих контуров распределенного типа на сосредоточенных элементах, переключаемых посредством двух реле, одно из которых соединено с высокочастотным входом согласующего контура, а другое - с высокочастотным выходом согласующего контура. В каждом из контуров индуктивности соединены последовательно, а между ними параллельно включено по несколько конденсаторов, из которых только три емкости указаны на фигуре. Конденсаторы коммутируются с помощью реле, управляемых сигналами устройства управления по заданному алгоритму на основе сравнения напряжений на соседних звеньях устройства.
К недостаткам прототипа следует отнести то, что переключение емкостей в согласующем контуре осуществляется с помощью высокочастотных реле, выполняемых за несколько последовательных операций. Время переключения каждого высокочастотного реле составляет десятки миллисекунд, что в сумме может составить сотни миллисекунд, что значительно выше требований, задаваемых на современное антенное согласующее устройство, работающие в системах связи с псевдослучайной перестройкой частоты для работы в каналах с замираниями. Поэтому такое устройство не подходит для работы в некоторых режимах, например, при псевдослучайной перестройке частоты.
Цель изобретения - уменьшение суммарного времени настройки устройства за счет введения операции начала предварительной подстройки устройства к следующей рабочей частоте во время сеанса связи на предыдущей частоте и сокращения времени переключения емкостей и контуров за счет использования высокочастотных коммутационных узлов.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в антенное согласующее устройство, выполненное на основе первого согласующего контура, в котором индуктивности соединены последовательно, а между ними параллельно включено по три емкости C1(i)=C1(min), C2(i)=С(0), C3(i)=C(max) с возможностью их подключения с помощью устройства управления на основе сравнения по заданному алгоритму напряжений на соседних плечах каждого звена первого согласующего контура, которое осуществляется во входных элементах устройства управления, имеющих отрицательный порог срабатывания для подключения емкостей C1(i) и C2(i) и положительный порог срабатывания для подключения емкости C3(i), к выходу последнего звена первого согласующего контура подключен первый широкополосный согласующий контур (ШСК), дополнительно введены второй согласующий контур, аналогичный первому, к выходу последнего звена второго согласующего контура подключен второй широкополосный согласующий контур, приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с антенной и блок записи программ с внешним входом, подключенные двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам устройства управления, пульт управления, выход которого подключен к входу блока записи программ, генератор рабочей частоты, выход которого соединен с входом третьего высокочастотного коммутационного узла, а управляющий вход третьего высокочастотного коммутационного узла подключен к первому управляющему выходу устройства управления, первый выход третьего высокочастотного коммутационного узла подключен к первому выходу первого высокочастотного коммутационного узла и к входу первого согласующего контура, а второй выход - к второму выходу первого высокочастотного коммутационного узла и к входу второго согласующего контура, причем в том случае, когда по команде с устройства управления передающий радиочастотный кабель через выход первого высокочастотного коммутационного узла подключается к первому согласующему контуру, второй выход третьего высокочастотного коммутационного узла подключается к второму согласующему контуру, а том случае, когда передающий радиочастотный кабель по команде с устройства управления через первый высокочастотный коммутационный узел подключается к второму согласующему контуру, генератор рабочей частоты через третий высокочастотный коммутационный узел подключается к первому согласующему контуру, устройство управления соединено двухсторонними связями по шинам управления высокочастотными коммутационными узлами и контроля напряжения на соседних звеньях первого и второго согласующих контуров с соответствующими входами/выходами первого и второго согласующих контуров, входы первого и второго согласующих контуров подключаются к передающему радиочастотному кабелю посредством первого высокочастотного коммутационного узла по команде со второго управляющего выхода устройства управления, первый и второй согласующие контуры через первый и второй широкополосные согласующие контуры соответственно подключены к первому и второму входу второго высокочастотного коммутационного узла, выход которого, соединен через антенный радиочастотный кабель с антенной, третий и четвертый входы/выходы устройства управления соединены двухсторонними связями с соответствующими входами/выходами первого и второго широкополосных согласующих контуров, третий управляющий выход устройства управления подключен к входу управления второго высокочастотного коммутационного узла, устройство управления имеет вход для выбора программы, соответствующей типу подключаемой антенны, внешний вход блока записи программ является входом устройства.
На чертеже приведена структурная схема антенного согласующего устройства, где введены обозначения:
1, 4 - первый и второй узлы подключения емкостей и контроля напряжений на границах L, С звеньев, которые находятся в точке соединения начала и конца индуктивностей в первом и втором согласующих контурах 12 и 13;
2 - устройство управления;
3, 5 - первый и второй широкополосные согласующие контуры (СК);
6, 7 - передающий и антенный радиочастотные кабели;
8, 9 и 21 - первый, второй и третий высокочастотные коммутационные узлы;
10 - подключаемая антенна;
11 - вход устройства управления для выбора программы, соответствующей типу подключаемой антенны;
14 - приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с антенной;
15 - блок записи программ с внешним входом 17;
16 - пульт управления;
18 и 19 - шины управления с высокочастотными коммутационными узлами и контроля напряжения на соседних звеньях первого и второго согласующих контуров 12 и 13 соответственно;
20 - генератор рабочей частоты:
L1(i) и L2(i) - индуктивности i-го звена первого и второго контуров согласующего устройства;
емкости первого и второго согласующих контуров имеют разные номиналы, так как они настраиваются на разные частоты:
C11(i)=C11(i+1)=C1(min), C21(i)=C21(i+1)=C1(0),
C31(i)=C31(i+1)=C1(max),
C12(i)=C12(i+1)=C2(min), C22(i)=C22(i+1)=C2(0),
C32(i)=C32(i+1)=C2(max),
Данные равенства верны для всех звеньев устройства.
Устройство 2 управления представляет собой вычислитель (процессор) и состоит из первой, второй, третьей, четвертой групп выходных каскадов (для коммутации емкостей соответственно первых контуров (ближних к передающему радиочастотному кабелю и первому высокочастотному коммутационному узлу первого и второго согласующих контуров, вторых контуров первого и второго согласующих контуров), подключенных к первым четырем выходам процессора, первый и второй выходные каскады (для коммутации первого и второго высокочастотного реле - к пятому и шестому выходам процессора соответственно, первой, второй, третьей, четвертой цепочек последовательно соединенных детекторов, компараторов (схем сравнения), подключенных между соответствующими первыми четырьмя входами процессора и концами индуктивностей в первых контурах (ближних к передающему радиочастотному кабелю и первому высокочастотному реле) первого и второго согласующих контуров, вторых контурах первого и второго согласующих контуров соответственно, перепрограммируемое устройство подключено к процессору.
Перед началом процедуры согласования измеряют характеристики всех типов антенн 10 или берут их из технических условий. Затем определяют характер реактивности и другие характеристики подключаемой антенны (индуктивный или емкостной). Все данные, необходимые для настройки, записываются в память устройства 2 управления. В зависимости от характера реактивности подключаемой антенны командой управления с устройства 2 управления подключают первый или второй согласующие контуры 12 или 13 через первое и второе высокочастотные коммутационные узлы 8 и 9 соответственно. Настройку начинают с выбора исходных данных из памяти устройства 2 управления путем подачи на вход 11 устройства 2 управления соответствующей команды, одной из нескольких. Согласование начинают с соответствующего СК - первого или второго в зависимости от того, в каком положении находятся первый и второй высокочастотные коммутационные узлы 8 и 9. Такой порядок настройки необходим для компенсации реактивной составляющей и повышения коэффициента бегущей волны (КБВ) устройства. Далее настраивают параметры второго звена подключенного согласующего контура с помощью узлов 2, 19 или 2, 18, ближнего к антенне, а затем переходят к настройке первого звена. Для обеспечения электромагнитной совместимости и дополнительного повышения КБВ корпус входного радиочастотного кабеля подключают к сигнальным корпусам первого и второго согласующих контуров 12 и 13, а выходного (антенного) радиочастотного кабеля 7 - к корпусной шине антенны 10. Для каждого согласующего контура 12 и 13 начальная емкость C1(i), индуктивность L(i) и величины изменения емкости ΔC(i) каждого звена фильтра нижних частот на L, С элементах выбираются по известным формулам [4-7].
Подключение дополнительных емкостей при автоматической настройке каждого контура производят с помощью устройства 2 управления по следующему алгоритму. Если напряжения, измеренные с помощью аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) в устройства 2 управления на выходах шины управления и контроля 18 или 19 на границах соседних звеньев отличаются друг от друга меньше, чем на величину, определяемую ценой младшего разряда АЦП, то емкость C(i) не изменяет своей величины. Если напряжение на предыдущем звене больше, чем в последующем, то необходимо подключить емкость C(i) максимальной величины, в противном случае подключается емкость C(i) минимальной величины.
Для настройки неработающей в данный момент времени цепочки состоящей из последовательно соединенных узлов 13 и 5 или 12 и 3 используются генератор 20 рабочей частоты, устройства 2 управления, третий высокочастотный коммутационный узел 21, шины 18 или 19. Основу генератора 20 рабочей частоты составляет высокостабильный генератор опорной частоты (синтезатор частот), выполненный, например, на термостабилизированном кварцевом генераторе. Коэффициенты деления в генераторе рабочей частоты выбираются таким образом, чтобы его рабочие точки перекрывали бы всю совокупность частот, номиналы и последовательность установки во времени которых введены по входу 17 или с пульта 16 управления при записи плана связи в блок 15. Генератор рабочей частоты необходим для настройки неработающих узлов 13 и 5 или 12 и 3 на частоту, которая будет в следующем (по времени) сеансе связи. Для реализации этой процедуры выход генератора 20 рабочей частоты соединен с входом третьего высокочастотного коммутационного узла 21, а управляющий вход которого подключен к первому управляющему выходу устройства 2 управления. Первый выход третьего высокочастотного коммутационного узла 21 подключен к первому выходу первого высокочастотного коммутационного узла 8, а второй выход - к второму выходу первого высокочастотного коммутационного узла 8. При поступлении команды с устройства 2 управления на управляющий вход первого высокочастотного коммутационного узла 8 передающий антенно-фидерный тракт о подключении радиочастотного кабеля 6 к первому согласующему контуру 12, вход третьего высокочастотного коммутационного узла 21 подключается к второму согласующему контуру 13. В следующем сеансе связи передающий радиочастотный кабель 6 через первый высокочастотный коммутационный узел 8 подключают к второму согласующему контуру 13, а генератор 20 рабочей частоты через третий высокочастотный коммутационный узел 21 - к первому согласующему контуру 12. Итак продолжается до конца работы устройства. Установка рабочей частоты на следующий сеанс связи в узле 21 осуществляется с помощью команды, подаваемой с пятого выхода устройства 2 управления, которая формируется в соответствии с планом связи, записанным в блок 15.
Высокочастотные коммутационные узлы 8 и 9 в зависимости от команд устройства 2 управления коммутируют один из двух согласующих контуров 12 или 13, который в текущий момент времени настроен на рабочую частоту, заданную программно с помощью блока 15 записи программ по исходным данным, введенным заранее по входу 17. Второй из двух согласующих контуров 12 или 13 в это же время настраивается на следующую известную рабочую частоту в соответствии с исходными данными, введенными в блок 15 заранее по входу 17, которая должна присутствовать в эфире в течение заданного интервала времени, синхронизированного метками точного времени с приемника 14 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с антенной. После программного переключения в следующем сеансе связи высокочастотных коммутационных узлов 8 и 9 в зависимости от команд с устройства 2 управления подключают другой согласующий контур 12 или 13, который в текущий момент времени уже настроен на рабочую частоту, заданную программно с помощью блока 15 записи программ, а первый согласующий контур по исходным данным, введенным заранее по входу 17 начинает настраиваться на следующую по времени рабочую частоту и так далее.
Первый и второй узлы 1 и 4 подключения емкостей и контроля напряжений на границах L, С звеньев необходимо ставить с обеих сторон индуктивностей для исключения паразитного влияния неработающей (отключенной) в данный момент индуктивности.
При переходе частоты из нижней части ВЧ диапазона в верхнюю номиналы емкостей должны уменьшиться. По известным методикам [4-7] можно подобрать такие номиналы емкостей, что они позволят перекрыть всю полосу рабочих частот ВЧ диапазона. Для этого возможно установить в каждом плече фильтра нижних частот (ФНЧ) не по 3 емкости, как показано на фигуре, а более четырех емкостей, причем каждая со своими узлами подключения емкостей. При предварительных расчетах, закладываемых программно в устройство 2 управления, необходимо стремиться к минимальному количеству емкостей, при котором выполняются требования по времени перестройки устройства на новую рабочую частоту, например, в течение заданного интервала времени (текущего сеанса связи), чтобы в точный заданный момент времени, определяемый совместно блоками 2, 14 и 15, выполнить требования по обеспечению требуемого коэффициента бегущей волны (КБВ). Повысить качество согласования можно также за счет минимизации длины антенного радиочастотного кабеля 7.
При прохождении радиосигнала в режиме настройки осуществляется снятие поочередно уровней напряжений в соседних плечах каждого звена подключенного согласующего контура и сравнение их с помощью АЦП, находящихся, например, в устройстве 2 управления.
Устройство 2 управления предназначено для управления подключением емкостей в узлах 1 и 4, подключением узлов 12, 13, 3, 5 с помощью высокочастотных коммутационных узлов 8, 9 и 21 в соответствии с алгоритмом настройки и в зависимости от команды выбора типа подключаемых антенн на входе 11 устройства 2 управления для обеспечения эффективной работы устройства на всех частотах рабочего диапазона, детектирование передаваемых радиосигналов, аналогово-цифровое преобразование полученных видеосигналов и сравнение на выходах АЦП уровней напряжений на концах индуктивностей первого и второго согласующих контуров 12 и 13. АЦП работают с положительными и отрицательными напряжениями. При полученном положительном значении осуществляется увеличение подключаемой емкости, при отрицательном - уменьшение емкости. В память устройства 2 управления вводятся данные о измеренных параметрах подключаемых антенн 10 и соответствующие алгоритмы работы. При необходимости параметры новых подключаемых антенн и новый алгоритм вводятся в устройство 2 управления, данные которой используются при формировании управляющих команд для перестройки на новую частоту по данным блока 15 и ввода новых данных. Параллельные входы/выходы устройства 2 управления соединены двухсторонними связями по шинам управления высокочастотными коммутационными узлами и контроля напряжения на соседних звеньях 18 и 19 с первым и вторым узлами 1 и 4 подключения емкостей и контроля напряжений на границах L, С звеньев первого и второго согласующих контуров 12 и 13. Для получения необходимых значений КБВ, например, не менее 0,8 на всех рабочих частотах ВЧ диапазона, разбивают весь рабочий диапазон минимум на три поддиапазона, например (3-9) МГц, (9-15) МГц, (15-30) МГц. Автоматически программным методом в соответствии с заложенной в память устройства 2 управления программы смены частот на выходе генератора 20 рабочих частот формируются соответствующие радиосигналы.
При установке на объект антенного согласующего устройства проводится его предварительная настройка, например по следующей методике. По внешнему входу 17 с технологической ЭВМ или с пульта управления 16 в блок 15 записи программ поочередно вносятся номиналы рабочих частот, которые будут использованы в сеансе связи. На каждую рабочую частоту в устройство 2 управления с блока 15 записи программ поступает команда на поочередную настройку звеньев первого и второго согласующих контуров 12 и 13 соответственно. С выхода устройства 2 управления на генератор 20 рабочей частоты подается команда, по которой устанавливается требуемая частота, и с использованием первого, второго и третьего высокочастотных коммутационных узлов 8, 9, 21 осуществляются соответствующие переключения и по рассмотренному ранее алгоритму производится настройка. Как только настройка закончена, по шинам 18 или 19 управления высокочастотными коммутационными узлами и контроля напряжения на соседних звеньях первого и второго согласующих контуров 12 и 13 в устройство 2 управления поступают квитанции о состоянии всех переключателей первого или второго узлов 1 или 4 подключения емкостей и контроля напряжений на границах L, С звеньев, которые находятся точке соединения начала и конца индуктивностей в первом и втором согласующих контурах 12 и 13, которые затем транслируются в блок 15 записи программ. Записанные данные используются в работе для уменьшения времени настройки устройства на новую рабочую частоту.
В зависимости от уровня мощности передаваемого сигнала в качестве элементов согласующего контура 12 или 13 можно использовать конденсаторы типа К10-47 и катушки индуктивности на проводе ПЭВ-2 без сердечника, в качестве элементов коммутации можно применять, например, двухпозиционные малогабаритные реле фирмы OMRON (например, G2RL-1) при мощности не более 50 Вт или мощные реле фирмы TYKO (Kilovac) при больших уровнях мощности. В устройство управления входят компараторы, например, LM139AD фирмы STM, диоды (для детектирования) 2Д522, транзисторы, нагрузкой которых является обмотка реле, (для выходных каскадов) типа IRF7103 фирмы IR. Устройство 2 управления и блок 15 записи программ могут быть выполнены, например, на плате процессорной 5066-586-133MHz-1MB, 2 MB Flash CPU Card фирмы Octagon Systems с ответствующими дополнительными модулями. Первый и второй узлы подключения емкостей и контроля напряжений на границах L, С звеньев, высокоскоростные коммутационные узлы, построенные на базе полупроводниковых электронных радиоэлементов, работающих в импульсном режиме, с применением в качестве переключающих элементов pin-диодов, которые имеют время переключения единицы микросекунд [8], что позволяет обеспечить настройку согласующего контура на следующую по времени рабочую частоту во время сеанса связи. Переключение осуществляется при подаче на pin-диод внешнего постоянного напряжения смещения [9], Диапазон переключаемых частот - от 0,2 до 18 ГГц.
Антенное согласующее устройство:
- работать в широком диапазоне частот и с антеннами различных типов, как наземных, так и самолетных, например, щелевых, вибраторных и других, в различных режимах, в том числе с псевдослучайной перестройкой частоты для борьбы с замираниями в радиоканале связи;
- повысить оперативность настройки параметров устройства за счет использования высокоскоростных коммутационных полупроводниковых элементов, построенных, например, на базе pin-диодов, и времени сеанса связи для настройки второго согласующего контура под следующую рабочую частоту.
Литература:
1. О.Я. Воробьев, С.В. Козин. К вопросу о построении дискретно перестраиваемого контура. // Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника радиосвязи, Вып. 5, 1970 г., стр. 48-54.
2. Авторское свидетельство СССР №487447.
3. Патент РФ №2359402 (прототип).
4. Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ: Учебное пособие для вузов / О.В. Алексеев, А.А. Головков, А.Я. Дмитриев и др.; Под ред. О.В. Алексеева. - М.: Радио и связь, 1987. - 392 с.
5. Г.А. Филиппович. Метод широкополосного согласования сопротивлений. «Радиотехника и электроника». Мн., Вып. 25, 2000 г., стр. 153-159.
6. Г.А. Филиппович. Синтез передаточных функций для комплексных нагрузок. «Физика волновых процессов и радиотехнические системы». Том 6, №1, 2003 г., стр. 73-76.
7. Г.А. Филиппович. Разрешимость системы ограничений в задачах широкополосного согласования. // Радиотехнические устройства и системы, 2003.
8. Физические основы полупроводникового диода в импульсном режиме. Носов Ю.Р. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1968. 263 с. (рис. 6.5. стр. 212).
9. Использование PIN-диодов в широкополосных управляемых аттенюаторах. http//www.club155.ru Commutators-pin.