АНТЕННО-СОГЛАСУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫМ АЛГОРИТМОМ НАСТРОЙКИ

Настоящая полезная модель относится к радиоэлектронике, а именно к антенно-фидерным устройствам КВ 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 разведзащищенных 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, образуемый 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. 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 коммутатора и согласующего контура. 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 соответствующие аналого-цифровые входы микроконтроллера, при этом с выхода первого детектора на вход аналого-цифрового порта микроконтроллера подается напряжение Ua, с выхода второго детектора - Ub, с выхода третьего детектора - Uab, с выхода четвертого детектора - Uab1, с выхода пятого детектора - 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 (Ua, Ub, Uab, Uab1, Uab2), 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 РПДУ и отключаемый из тракта после окончания процедуры согласования.
Недостатком прототипа является то, что в конструкции устройства присутствуют элементы (линии задержки на отрезках длинных линий), которые на практике вносят вклад в погрешность измерений, что снижает точность согласования (оценивается по уровню коэффициента бегущей волны (КБВ) в тракте после согласования).
Основной технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое устройство, является повышение точности согласования, то есть повышение уровня коэффициента КБВ в тракте после согласования.
Для этого в АнСУ, содержащее согласующий контур, образованный длинной линией с дискретно коммутируемой длиной и магазином конденсаторов, шунтирующих вход длинной линии, выход которого является радиочастотным выходом устройства, и цифровой микроконтроллер, первый последовательный порт которого является портом управления, к которому подключены управляющие входы согласующего контура, введены усилитель опорной частоты, первый и второй генераторы сигналов, усилитель высокой частоты (ВЧ), резистивный делитель, квадратурный демодулятор и плата смещения, при этом управляющие входы первого и второго генераторов сигналов подключены к порту управления микроконтроллера, выход внутреннего генератора тактовых импульсов микроконтроллера соединен со входом усилителя опорной частоты, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами первого и второго генераторов сигналов, при этом выход первого генератора сигналов подключен ко входу гетеродина квадратурного демодулятора, а выход второго генератора сигналов - ко входу усилителя ВЧ, выход которого подключен ко входу резистивного делителя, при этом первый и второй выходы резистивного делителя соединены с первым и вторым входами квадратурного демодулятора, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами платы смещения, а первый и второй выходы платы смещения подключены к соответствующим входам аналого-цифрового порта микроконтроллера.
Структурная схема предлагаемого устройства изображена на фиг. 1.
АнСУ содержит согласующий контур 1, образованный длинной линией с дискретно коммутируемой длиной 2 и магазином конденсаторов 3, шунтирующих вход длинной линии, цифровой микроконтроллер 4, усилитель опорной частоты 5, первый 6 и второй 7 генераторы сигналов, усилитель ВЧ 8, резистивный делитель 9, квадратурный демодулятор 10 и плату смещения 11. Управляющие входы первого и второго генераторов сигналов, а также согласующего контура подключены к порту управления микроконтроллера. Выход согласующего контура 1 является радиочастотным выходом устройства. Выход внутреннего генератора тактовых импульсов микроконтроллера 4 соединен со входом усилителя опорной частоты 5, первый и второй выходы которого соединены соответственно со входами первого 6 и второго 7 генераторов сигналов. Выход первого 6 генератора сигналов подключен ко входу гетеродина квадратурного демодулятора 10, а выход второго генератора сигналов - ко входу усилителя ВЧ 8, выход которого подключен ко входу резистивного делителя 9. При этом первый и второй выходы резистивного делителя 9 соединены с первым и вторым входами квадратурного демодулятора 10, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами платы смещения 11. Первый и второй выходы платы смещения 11 подключены к соответствующим входам аналого-цифрового порта микроконтроллера 4.
В предлагаемом устройстве квадратурный демодулятор, первый и второй генераторы сигналов, а также усилитель ВЧ могут быть выполнены с использованием микросхем фирмы AnalogDevice, в частности соответственно: AD8333, AD9854, AD8009. Для организации математических вычислений и осуществления управления, применен микроконтроллер фирмы «Миландр», а именно 1986 ВЕ91Т.
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:
Для формирования измерительного сигнала используются тактовые импульсы внутреннего генератора микроконтроллера 4. Для согласования высокоомного выхода микроконтроллера 4 с низкоомными входами генераторов 6, 7 используется усилитель опорной частоты 5. У правление первым и вторым генераторами сигналов 6, 7 и согласующим контуром 1 осуществляется микроконтроллером 4 по последовательному интерфейсу RS-232 с использованием дополнительных управляющих сигналов.
1
2
н
1
2
Сигнал со второго генератора сигналов 7 поступает на усилитель ВЧ 9, на выходе которого формируется измерительный сигнал. Усилитель ВЧ 9, резистивный делитель 8 и измеряемая нагрузка формируют два высокочастотных сигнала - U и U, которые поступают на входы квадратурного демодулятора 10. С первого генератора сигналов 6 прямоугольный сигнал с частотой 4(F-df) поступает на вход демодулятора, где делится на 4, сдвигается по фазе и перемножается с входными сигналами U и U, образуя 4 выходных сигнала с частотой df.
ref
ref
В целях совместимости с аналого-цифоровыми входами микроконтроллера 4, выходные сигналы с помощью платы смещения 11 смещаются на 0,5U (U составляет от 0 до 3,6 В), амплитуды выходных сигналов при этом не изменяется.
Сигналы, поступившие на аналого-цифровые входы микроконтроллера, преобразуются в код и передаются на последующую обработку. Основная формула для расчета сопротивления нагрузки следующая:
,
0
1
2
где коэффициенты х, х, х расситываются для каждой рабочей частоты при калибровке измерителя, при этом используются эталонные меры XX, КЗ и НАГРУЗКА.
нагр
На основе полученных данных о текущем Z микроконтроллер 4 производит вычисление номиналов элементов согласующего контура, необходимых для обеспечения согласования и выдает команды на подключение элементов длинной линий с дискретно перестраиваемой длинной 2 и магазина конденсаторов 3 с номиналами, наиболее близкими к вычисленным значениям L и С.
Предлагаемое устройство по сравнению с устройством-прототипом обладает следующими преимуществами:
- повышена точность обеспечиваемого согласования, КБВ в тракте после согласования обеспечивается на уровне не ниже 0,75;
- при измерении КБВ была достигнута точность 1% в диапазоне частот 1,5…3 0 МГц;
- устройство обладает высоким быстродействием, суммарное время настройки не превышает 30 мс.