УСТРОЙСТВО ШИРОКОПОЛОСНОГО СОГЛАСОВАНИЯ АНТЕННЫ С ПЕРЕДАТЧИКОМ

Полезная модель относится к области радиотехники и может найти применение для согласования передающих и приемных антенн радиосвязи, радиовещания, телевидения, телеметрии и согласования каскадов приемно-передающей аппаратуры.
Известно устройство согласования антенны с усилителем мощности, содержащее N реле и блок управления, N отрезков коаксиального кабеля дискретно-переменной длины, а также N двухпроводных линий управления и N линий готовности, при этом в качестве реле использованы электромагнитные высокочастотные реле с контактными группами на коммутацию и на переключение, причем контактные группы на коммутацию, соединяющие посредством коаксиального кабеля реле между собой, с усилителем мощности и с антенной, подключены к отрезкам коаксиального кабеля дискретно-переменной длины, а контактные группы на переключение подключены посредством двухпроводных линий управления и линий готовности к блоку управления (RU 31082, Н03Н 7/40, 05.12.2002).
Недостатком данного устройства согласования антенны с усилителем мощности является узкая полоса частот согласования и недостаточная надежность устройства из-за наличия механических реле.
Известно также устройство согласования антенны, представляющее собой ступенчатый переход в виде трансформатора, который применяется для соединения линий с различным волновым сопротивлением и устранения возникающего при этом рассогласования (Г.З.Айзенберг и др., Коротковолновые антенны, Москва, «Радио и связь», 1985 г., с.31, 37). Трансформатор в устройстве выполняется в виде ряда последовательных отрезков линий одинаковой длины с различными волновыми сопротивлениями. Один из вариантов трансформатора представляет собой четвертьволновый трансформатор, состоящий из одной ступени, длина которой равна четверти длины волны, а волновое сопротивление равно среднему геометрическому соединяемых линий.
Недостатком данного устройства согласования антенны является узкая полоса частот. При согласовании в диапазоне частот необходимо применение нескольких ступеней, что приводит к увеличению размеров трансформатора. При согласовании комплексных нагрузок необходимо создание дополнительного ступенчатого перехода для преобразования комплексного сопротивления нагрузок в активное сопротивление в диапазоне частот с дальнейшей трансформацией, что значительно усложняет конструкцию согласующего устройства.
Известно также устройство согласования антенны на связанных линиях, представляющий собой направленный ответвитель, включаемый в фидерный тракт передающей антенны, таким образом, чтобы отраженная волна гасилась в балластном сопротивлении ответвителя (Труды НИИР, №2, 1968 г. Н.Б.Аблин «К расчету систем питания антенн с направленными ответвителями»). Недостатком данного устройства является большие потери мощности в балластном сопротивлении.
Наиболее близким техническим решением является устройство широкополосного согласования антенны с передатчиком, выход которого соединен с входом антенного фидера, выход которого соединен с входом первичной линии двухлинейного направленного ответвителя, выход первичной линии двухлинейного направленного ответвителя подключен к антенне, а выход нерабочего плеча вторичной линии нагружается на согласованную поглощающую нагрузку (Сборник трудов Гос. НИИ Министерства связи СССР, 1966 г., выпуск 4 (44), А.А.Рябков, «Матрицы рассеяния несогласованного направленного ответвителя с волной ТЕМ»). При подключении к рабочему плечу вторичной линии согласованной нагрузки или нагрузки идентичной согласуемой отраженные волны складываются синфазно в поглощающей нагрузке и противофазно на входе четвертьволнового направленного ответвителя. Недостатком данного устройства широкополосного согласования антенны является уменьшение коэффициента полезного действия фидерной системы более чем на 50% из-за большой связи между линиями направленного ответвителя при необходимости значительного подавления отраженной волны и увеличение коэффициента стоячей волны.
Технический результат полезной модели заключается в снижении коэффициента стоячей волны до 2-2,5 в диапазоне частот без дополнительных потерь на согласование.
о
п
п
п
Технический результат достигается тем, что в устройстве широкополосного согласования антенны с передатчиком, содержащем двухлинейный направленный ответвитель, вход и выход первичной линии которого соединены с фидерами соответственно для подключения передатчика и антенны, согласно предложению вторичная линия двухлинейного направленного ответвителя выполнена на входе короткозамкнутой, а на выходе разомкнутой, при этом длина вторичной линии двухлинейного направленного ответвителя (l) выбирается в пределах от 0,02 λ до 0,15 λ, где λ длина волны передатчика, а электромагнитная связь вторичной линии двухлинейного направленного ответвителя с первичной линией установлена в пределах от минус 3 дБ до минус 1 дБ.
На чертеже (Рисунок 1) представлена схема устройства широкополосного согласования антенны с передатчиком.
п
п
п
Устройство широкополосного согласования антенны 1 с передатчиком 2 содержит двухлинейный направленный ответвитель 3, вход и выход первичной линии которого соединены с фидерами 4 и 5 соответственно для подключения передатчика 2 и антенны 1, вторичная линия двухлинейного направленного ответвителя 1 выполнена на входе короткозамкнутой, а на выходе разомкнутой, для этого использованы соответственно заглушка 6 и инверсная заглушка 7, длина вторичной линии двухлинейного направленного ответвителя 1о выбирается в пределах от 0,02 λ до 0,15 λ, где λ длина волны передатчика, а электромагнитная связь (k) вторичной линии двухлинейного направленного ответвителя с первичной линией установлена в пределах от минус 3 дБ до минус 1 дБ.
Устройство широкополосного согласования антенны с передатчиком реализуется следующим образом.
вх
Коэффициент отражения Р на входе направленного ответвителя может быть представлен выражением:
где:
α=2π/λ
λ - длина волны,
1
0
k - коэффициент связи (k=P/P),
1
P - ответвленная мощность,
0
P - подводимая мощность,
е - основание натурального логарифма,
i - мнимая единица,
0
l - длина вторичной линии двухлинейного направленного ответвителя,
min
min
P - коэффициент отражения в узле питающей линии (P<0).
Эффект широкополосного согласования достигается за счет векторного несинфазного сложения в первичной линии электрических волн - отраженных нагрузкой и внесенных вторичной линией направленного ответвителя.
Расчеты, приведенные в Трудах НИИР, №2, 1968 г. Н.Б.Аблин «К расчету систем питания антенн с направленными ответвителями» показали, что в результате многократных отражений энергии от несогласованных входов связанной с фидером линии коэффициент стоячей волны в фидере уменьшается на 10-20% в 5-7 кратном диапазоне частот. Согласование антенны с фидером улучшается при уменьшении рабочего диапазона.
Расчет коэффициента отражения антенного фидера (р4) с включенным направленным ответвителем рассчитывается по следующей формуле:
отр1
пад1
отр1
пад1
p1 - коэффициент отражения на входе вторичной линии направленного ответвителя (p1=U/U на входе вторичной линии направленного ответвителя; U - напряжение отраженной волны в рассматриваемой точке, U - напряжение падающей волны в рассматриваемой точке);
отр2
пад2
отр2
пад2
р2 - коэффициент отражения на выходе первичной линии направленного ответвителя (p2= U/U; U - напряжение отраженной волны в рассматриваемой точке на выходе НО, U - напряжение падающей волны в рассматриваемой точке);
отр31
пад31
отр31
пад31
р31 - коэффициент отражения на выходе вторичной линии направленного ответвителя (p31= U/ U; U - напряжение отраженной волны в рассматриваемой точке, U - напряжение падающей волны в рассматриваемой точке).
Расчет входного сопротивления антенного фидера Z рассчитывается по следующей формуле:
W - волновое сопротивление фидера;
р4 - коэффициент отражения на выходе передатчика.
Результирующий коэффициент стоячей волны антенного фидера на выходе передатчика рассчитывается по следующей формуле:
р4 - коэффициент отражения на выходе передатчика.
Результаты расчета коэффициента стоячей волны приведены в таблице для 50-омного фидера с направленным ответвителем длиной 2 метра при коэффициенте связи k=0,8. В таблице обозначены: λ - длина волны частоты передатчика, КСВ2 - коэффициент стоячей волны в фидере без использования направленного ответвителя.
Таблица
λ, мКСВ2
КСВ
2,5
1,67
1,25
1,0
200
2,46
1,64
1,23
1,02
150
2,4
1,62
1,22
1,03
100
2,35
1,57
1,18
1,06
80
2,28
1,5
1,14
1,1
75
2,26
1,51
1,13
1,1
60
2,15
1,44
1,11
1,2
50
2,06
1,39
1,15
1,3
Технический результат изобретения заключается в снижении коэффициента стоячей волны в диапазоне частот без дополнительных потерь на согласование.