УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛНОГО КОМПЛЕКСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ АНТЕНН

Настоящая полезная модель относится к радиоэлектронике, предназначена для определения полного комплексного сопротивления антенн (величины вещественной и мнимой частей сопротивления и знака мнимой части) и коэффициента стоячей волны (КСВ) в тракте и может быть использована при построении антенно-согласующих устройств.
В литературе [1] рассмотрены некоторые способы построения устройств измерения полного сопротивления антенн и КСВ в тракте на основе резистивных мостовых схем.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является измерительный блок, входящий в устройство по патенту РФ на полезную модель №114244 [2], принятый за прототип.
Устройство-прототип содержит первый, второй и третий измерительные участки, каждый из которых образован последовательно соединенным резистором и отрезком длинной линии, а также первый, второй, третий, четвертый и пятый буферные каскады, детекторы по числу буферных каскадов и цифровой микроконтроллер. При работе в составе антенно-согласующего устройства по патенту РФ на полезную модель №114244 измерительный блок включается в тракт при помощи коммутатора, к первому контакту которого подсоединена точка соединения свободных выводов резисторов первого и второго измерительных участков, а ко второму - точка соединения первых входов первого, третьего, четвертого и пятого буферных каскадов со свободным концом отрезка длинной линии первого измерительного участка. При этом выходы всех буферных каскадов последовательно соединены с входами одноименных детекторов, выходы которых подключены к соответствующим входам аналого-цифрового порта микроконтроллера, при этом первый последовательный порт микроконтроллера является портом управления. Вторые входы четвертого и пятого буферных каскадов подключены к точке соединения резисторов и отрезков длинных линий второго и третьего измерительных участков соответственно. Первый вход второго и второй вход третьего буферных каскадов подключены к точке соединения свободных концов отрезков длинных линий второго и третьего измерительных участков. При этом второй вывод резистора третьего измерительного участка и вторые входы первого и второго буферных каскадов заземлены.
Измерительный блок, принятый за прототип, используется в антенно-согласующем устройстве для измерения полного сопротивления антенн и КСВ в тракте. Вычисление величин вещественной и мнимой частей сопротивления антенны производится микроконтроллером на основании измерения напряжений на резисторах первого, второго и третьего измерительных участков. Решение о знаке мнимой части сопротивления принимается микроконтроллером на основе сравнения разностей амплитудных значений двух пар измеряемых сигналов, при этом один из сравниваемых сигналов является опорным и одинаковым для обеих пар, а второй берется с разным фазовым сдвигом. Два разных фазовых сдвига второго сигнала обеспечиваются различной длиной прохождения сигнала по отрезкам длинных линий второго и третьего измерительных участков.
На практике на точность определения знака мнимой части оказывает существенное влияние наличие потерь в отрезках длинных линий, зависящих от длины линии и рабочей частоты. Как было сказано выше, для обеспечения разного фазового сдвига второй сигнал пропускают через отрезки длинной линии разной длины, что приводит к различному ослаблению сдвинутых по фазе сигналов. Вследствие этого в сравниваемых разностях двух пар сигналов опорный сигнал является одинаковым, а сдвинутые по фазе вторые сигналы имеют неодинаковое амплитудное значение, что приводит к появлению погрешности при сравнении разностей амплитудных значений пар сигналов и ошибок при определении знака мнимой части.
Задачей предлагаемого устройства является повышение точности определения знака мнимой части полного комплексного сопротивления антенны.
Для этого в устройство измерения полного комплексного сопротивления антенн, содержащее пять детекторов, пять буферных каскадов и цифровой микроконтроллер, введены высокочастотный (ВЧ) датчик, первая и вторая согласующая цепь и первый и второй отрезки длинных линий. Выходы буферных каскадов подключены ко входам одноименных детекторов, выходы которых соединены с соответствующими входами аналого-цифрового порта цифрового микроконтроллера, первый последовательный порт которого является портом управления. В предлагаемом устройстве вторые входы первого и второго буферных каскадов заземлены, а к первому и второму выводам ВЧ датчика, вход и выход которого являются радиочастотными входом и выходом устройства, подключены первые входы первого и второго буферных каскадов соответственно. Первый конец первого отрезка длинной линии подключен ко входу второй согласующей цепи, первому входу третьего буферного каскада и выходу первого буферного каскада. При этом первый конец второго отрезка длинной линии соединен со входом первой согласующей цепи, вторым входом третьего буферного каскада и выходом второго буферного каскада. Первые входы пятого и четвертого буферных каскадов подключены ко вторым концам первого и второго отрезков длинных линий соответственно, а вторые входы упомянутых буферных каскадов соединены с выходами первой и второй согласующих цепей соответственно.
Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1.
Устройство измерения полного комплексного сопротивления антенн содержит первый 1(1), второй 1(2), третий 1(3), четвертый 1(4) и пятый 1(5) детекторы и буферные каскады 2(1)…2(5) по числу детекторов, цифровой микроконтроллер 3, ВЧ датчик 4, первую 5(1) и вторую 5(2) согласующие цепи, а также первый 6(1) и второй 6(2) отрезки длинной линии. Выходы буферных каскадов подключены ко входам одноименных детекторов, выходы которых соединены с соответствующими входами аналого-цифрового порта цифрового микроконтроллера 3, первый последовательный порт которого является портом управления. Первые входы первого 2(1) и второго 2(2) буферных каскадов подключены к первому и второму выводам ВЧ датчика 4, вход и выход которого являются радиочастотными входом и выходом устройства, при этом вторые входы упомянутых буферных каскадов заземлены. Первый конец первого отрезка длинной линии 6(1) подключен ко входу второй согласующей цепи 5(2), первому входу третьего 2(3) буферного каскада и выходу первого 2(1) буферного каскада. При этом первый конец второго отрезка длинной линии 6(2) соединен со входом первой согласующей цепи 5(1), вторым входом третьего буферного каскада 2(3) и выходом второго 2(2) буферного каскада. Первые входы пятого 2(5) и четвертого 2(5) буферных каскадов подключены ко вторым концам первого 6(1) и второго 6(2) отрезков длинных линий соответственно, а вторые входы упомянутых буферных каскадов соединены с выходами первой 5(1) и второй 5(2) согласующих цепей соответственно.
В предлагаемом устройстве для построения ВЧ датчика могут быть использованы различные устройства, например:
- резистивный мост, тогда для вычисления полного сопротивления антенн производится детектирование напряжений на резисторах моста (как в прототипе);
- токовый трансформатор, в этом случае детектированию и дальнейшей микроконтроллерной обработке подвергаются напряжения с выводов вторичной обмотки трансформатора.
Детекторы могут быть выполнены с использованием микросхемы фирмы Analog Device, например, AD8099 или AD8361, обладающими хорошей линейностью в широком диапазоне частот. Для организации математических вычислений и осуществления управления, могут быть применены микроконтроллеры фирмы Freescale, в частности, микроконтроллер MC9S12DT256CPVE.
1
2
3
4
5
Работа устройства осуществляется следующим образом: к РЧ входу измерительного блока подключается источник тестового сигнала (на Фиг. 1 не показан), а к РЧ выходу - антенно-фидерный тракт. Гармонический сигнал, снятый с контрольных точек ВЧ датчика, подается на вход буферных каскадов 2(1), 2(2), 2(3), 2(4), 2(5), обеспечивающих развязку по сопротивлению, а затем на входы соответствующих детекторов 1(1), 1(2), 1(3), 1(4), 1(5). Выпрямленные напряжения U, U, U, U, U с выходов детекторов поступают на аналого-цифровые входы микроконтроллера 3. В память микроконтроллера заранее внесены используемые в расчетах константы, а также формулы для определения величин вещественной и мнимой части сопротивления и КСВ в тракте, определяемые типом используемого ВЧ датчика 4. Например, в случае, если в качестве ВЧ датчика выступает резистивный измерительный мост, формулы для определения КСВ, вещественной (R) и мнимой (X) частей полного комплексного сопротивления антенны будут следующими:
l
R=(2·cos(β)-Ko)·Z/Ko
,
где Ko, cos(β) - вспомогательные коэффициенты;
R - действительная часть полного комплексного сопротивления антенны, Ом;
X - мнимая часть полного комплексного сопротивления антенны, Ом;
sign - знак мнимой части полного комплексного сопротивления антенны;
1
2
3
4
5
U, U, U, U, U - детектированные значения напряжений, поступающие на вход микроконтроллера, В;
l
Z - волновое сопротивление линии, Ом.
4
5
Напряжения, необходимые для определения знака мнимой части полного сопротивления (U и U) снимаются с четвертого 2(4) и пятого 2(5) буферных каскадов, и пропорциональны разности амплитудных значений двух пар сигналов, приходящих на вход данных буферных каскадов. При этом на вход данных буферных каскадов сигналы подаются через отрезки длинной линии 6(1) и 6(2), обеспечивающие фазовый сдвиг сравниваемых сигналов, и согласующие цепи 5(1) и 5(2), сформированные таким образом, чтобы коэффициент передачи согласующей цепи в рабочем диапазоне частот был пропорционален ослаблению сигнала в отрезках длинной линии 6(1), 6(2). Благодаря введению в схему согласующих цепей амплитуды сравниваемых сигналов изменяются в диапазоне частот пропорционально друг другу, что позволяет избежать присутствующего в прототипе частотно зависимого расхождения амплитуд сравниваемых сигналов, приводящее к неточному определению знака мнимой части сопротивления.
Предлагаемое устройство по сравнению с устройством-прототипом обладает следующими преимуществами:
- повышена точность определения знака мнимой части полного комплексного сопротивления антенны;
- число буферных каскадов, подключенных к высокочастотной части тракта, снижено с пяти до двух, что уменьшает вносимые искажения.
Список литературы:
1. И.В. Гончаренко. Антенны КВ и УКВ. Часть вторая. Основы и практика - М.:ИП РадиоСофт, журнал «Радио», 2005.
2. А.А. Бурова А.Л. Калинин, В.Р. Леппа. Антенно-согласующее устройство. Патент РФ на полезную модель №114244 от 25.08.2011.