Помехозащищенная передающая система с цифровым блоком селекции и автоматическим устройством согласования с непрерывной подстройкой импеданса
INTERFERENCE-FREE TRANSMISSION SYSTEM WITH A DIGITAL SELECTION UNIT AND AN AUTOMATIC MATCHING DEVICE WITH CONTINUOUS IMPEDANCE ADJUSTMENT

Изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано в радиостанциях коротковолнового (КВ) диапазона, а также в радиостанциях других диапазонов, работающих в условиях сосредоточенных помех.
В радиосвязи большую роль играет вопрос согласования антенны с передатчиком. Задача согласования актуальна для различных диапазонов и решается для разных диапазонов различными способами. Согласование имеет ряд особенностей для радиостанций коротковолнового (КВ) диапазона, которые активно используются в настоящее время в гражданской и военной связи.
Известны радиопередающие устройства, например, опубликованные в Шахгильдян В.В., Карякин В.Л. Проектирование устройств генерирования и формирования сигналов в системах подвижной связи: Учебное пособие для вузов. М: СОЛОН-Пресс, 2011. - 400 с. стр.308 рис.4.2, стр.309 рис.4.3. Также известно радиопередающее устройство, опубликованное в Шахгильдан В.В., Шумилин В.С., Козырев В.Б. и др. под ред. В.В. Шахгильдяна - 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 2000 - 656 с. Стр. 377 рис.5.6. Однако данные радиопередающие устройства предназначены для работы на согласованную нагрузку и в них не предусмотрена цепь согласования с антенной.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому, является устройство, описанное в статье «Концепция согласования радиопередающих устройств с нагрузками»,T-Comm, №9-2013 с.127-131, рис.2.
Схема устройства-прототипа изображена на фиг.1, где обозначено:
1 - генератор высокой частоты (ВЧ);
2 - генератор синусоидального сигнала (ГСС);
3 - ключ;
4 - усилитель мощности (УМ);
5 - двунаправленный ответвитель (ДНО);
6 - блок подстройки;
7 - цепь согласования (ЦС);
8 - нагрузка передающей системы Rн (антенна).
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные генератор высокой частоты 1, двунаправленный ответвитель 5, цепь согласования 7 и нагрузка передающей системы Rн (антенна) 8. Причем генератор ВЧ 1 состоит из генератора синусоидального сигнала 2 и усилителя 4, выходы которых соединены с соответствующими входами ключа 3, выход которого является выходом генератора ВЧ 1.Первый и второй выходы двунаправленного ответвителя 5 соединены с входами блока подстройки 6 соответственно. Четыре выхода ДНО 5 соединены с соответствующими входами цепи согласования 7.
Устройство-прототип работает в двух режимах - в режиме настройки и в режиме передачи. Поскольку нагрузкой выступает антенна 8, то у нее будет некоторое комплексное сопротивление, зависящее от частоты Z(f). Для обеспечения работы в режиме передачи УМ 4 на согласованную нагрузку в режиме предварительной настройки производится настройка ЦС 7. В режиме настройки используется сигнал ГСС 2, который подается через ключ 3 на ДНО 5 и далее через ЦС 7 в Rн 8. При этом ГСС 2 формирует гармонический сигнал на частоте f1, на которой в дальнейшем будет производится работа на передачу. Поскольку в начальном состоянии тракт передачи является рассогласованным, то в нем образуется падающая и отраженная волна. С ДНО 5 в блок подстройки 6 будет поступать ответвленное напряжение падающей мощности Uп и Uотр - ответвленное напряжение отраженной мощности. Далее блок подстройки 6 исходя из значений Uп и Uотр, а также фазы между ними производит вычисление значений управляющих напряжений ЦС 7. После чего ЦС 7 на основе полученных управляющих напряжений осуществляет трансформацию комплексного сопротивления нагрузки Rn 8 к выходу генератора высокой частоты 1. Данный процесс повторяется до тех пор, пока процесс настройки не придет в установившееся состояние. В установившимся состоянии Uотр будет иметь малое или нулевое значение, а тракт передачи энергии от генератора высокой частоты 1 до нагрузки 8 будет согласован на частоте f1.
В режиме передачи производится коммутация ключом 3 усилителя мощности 4 к ДНО 5. Поскольку выходные сопротивления ГСС 1 и УМ 4 одинаковые, то усилитель мощности 4 будет осуществлять передачу выходной мощности в согласованную нагрузку.
Антенна имеет реактивное сопротивление, которое зависит от частоты Z(f). Рассмотрим случай, при котором присутствуют 2 сигнала: первый - полезный сигнал, источником которого является в режиме настройки ГСС 2 на частоте f1, второй сигнал является помехой, наведенной в антенну (Rн) 8, на частоте f2. При этом значение мощности полезного сигнала в режиме настройки, как правило, небольшое 0,02…0,1 Вт. Мощность сигнала помехи от вблизи расположенного передатчика может быть значительно большей. В реальных условиях развязка между вблизи расположенными антеннами КВ диапазона может иметь значение 30 дБ. В УКВ диапазоне значение развязки может достигать меньших значений до 10 дБ. Таким образом, при мощности соседнего передатчика 1 кВт, наведенная от него в антенну мощность может достигать 1 Вт. В результате значения падающей и отраженной мощности в двунаправленном ответвителе 5 Uп и Uотр будут в большей степени определяться сигналом помехи, действующим на частоте f2, который более чем на 10 дБ превосходит полезный сигнал, действующий на частоте f1. Учитывая, что соседний передатчик работает на другой частоте f2, то и процесс настройки ЦС 7 будет производиться на частоте f2. Кроме того, у некоторых типов антенн при отстройке по частоте сильно меняется значение реактивного сопротивления Z(f), поэтому при работе устройства-прототипа произойдет настройка на комплексной сопротивление Z(f2) вместо Z(f1).
Как следствие в режиме передачи усилитель мощности 4 будет работать на частоте f1 на рассогласованную нагрузку со сбросом мощности.
При работе радиопередающей системы на антенну могут наводиться помехи от вблизи расположенных работающих мощных радиопередающих устройств. При этом в тракте передачи осуществляется измерение падающей и отраженной мощности (как в режиме настройки, так и в режиме передачи). Наличие мощных помех с антенн, которые наводятся на частоте отличной от частоты работы радиопередающего устройства (РПДУ), приводят к искажению измеряемых значений падающей и отраженной мощности. При этом из-за аномальных показаний датчиков падающей и отраженной мощности могут достигать таких значений, при которых работа РПДУ окажется невозможной.
Недостаток устройства-прототипа - низкая помехозащищенность от наводок на антенну сигналов мощных радиопередающих устройств.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение помехозащищенности работы радиопередающего устройства к помехам, наведенным в антенну от сигналов мощных радиопередающих устройств.
Для решения поставленной задачи в помехозащищенную передающую систему с цифровым блоком селекции и автоматическим устройством согласования с непрерывной подстройкой импеданса, содержащую последовательно соединенные генератор высокой частоты (ГВЧ), двунаправленный ответвитель, цепь согласования и антенну, а также блок подстройки, при этом ГВЧ содержит генератор синусоидального сигнала (ГСС), усилитель мощности, выходы которых соединены с соответствующими входами ключа, выход которого является выходом ГВЧ, согласно изобретению, введены цифровой блок селекции и четыре цифроаналоговых преобразователя (ЦАП), выходы которых соединены с входами цепи согласования соответственно, причем цепь согласования выполнена на дискретных элементах; два выхода двунаправленного ответвителя соединены с соответствующими входами цифрового блока селекции, два выхода которого подключены к соответствующим входам блока подстройки, четыре выхода которого соединены с входами четырех ЦАП соответственно, кроме того, цифровой блок селекции выполнен с возможностью выделения полезного сигнала и подавления других спектральных составляющих с сохранением фазовых соотношений полезного сигнала с обоих выходов двунаправленного ответвителя.
На фиг.2 приведено заявляемое устройство, где обозначено:
1 - генератор высокой частоты (ГВЧ);
2 - генератор синусоидального сигнала (ГСС);
3 - ключ;
4 - усилитель мощности (УМ);
5 - двунаправленный ответвитель (ДНО);
6 - блок подстройки (БП);
7 - цепь согласования (ЦС);
8 - антенна (нагрузка передающей системы);
9, 10 - первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП);
11, 12 - первый и второй цифровые приемные устройства (ЦПУ);
13 - цифровой блок селекции;
14, 15, 16, 17 - с первого по четвертый цифроаналоговые преобразователи (ЦАП).
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные генератор высокой частоты 1, двунаправленный ответвитель 5, цепь согласования 7 и антенну 8. Причем генератор ВЧ 1 состоит из генератора синусоидального сигнала 2 и усилителя 4, выходы которых соединены с соответствующими входами ключа 3, выход которого является выходом генератора ВС 1.Первый и второй выходы двунаправленного ответвителя 5 соединены с соответствующими входами цифрового блока селекции 13, выходы которого соединены с соответствующими входами блока подстройки 6, четыре выхода которого соединены с входами соответствующих ЦАП 14, 15, 16, 17. Выход каждого ЦАП соединен с соответствующим входом цепи согласования 7. Цифровой блок селекции 13 содержит две цепочки из последовательно соединенных первого АЦП 9 и первого ЦПУ 11, и второго АЦП 10 и второго ЦПУ 12. Причем входы первого 9 и второго 10 АЦП являются входами цифрового блока селекции 13, выходы первого 11 и второго 12 ЦРПУ - выходами цифрового блока селекции 13.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Для получения аналоговых значений из цифровых значений управляющих напряжений, в устройство введены цифроаналоговые преобразователи 14, 15, 16, 17, с выходов которых подается напряжение, управляющее цепью согласования 7.
В режиме настройки используется сигнал ГСС 2, который подается через ключ 3 на ДНО 5 и далее через ЦС 7 в антенну 8. При этом ГСС 2 формирует гармонический сигнал на частоте f1, на которой в дальнейшем будет производиться работа на передачу. Поскольку в начальном состоянии тракт передачи является рассогласованным, то в нем образуется падающая и отраженная волна. В результате с ДНО 5 на цифровой блок селекции 13 поступает ответвленное напряжение падающей Uп и отраженной мощности Uотр. Цифровой блок селекции 13 настроен на частоту приема полезного сигнала f1. В устройстве селекции 13 производится оцифровка отсчетов двумя аналого-цифровыми преобразователями 9 и 10. Затем полученные отсчеты поступают на цифровые приемные устройства 11, 12 соответственно, ЦПУ 11 и 12 настроены на частоту приема f1 и пропускают гармонический сигнал на частоте f1 без ослабления, а сигналы помехи на частоте f2 ослабляются на 60 или более дБ. На выходе ЦПУ 11 и 12 наведенный сигнал помехи на частоте f2 будет иметь мощность менее 1 мВт и не будет оказывать влияния на работу блока подстройки БП 6. На БП 6 будет поступать Uп - ответвленное напряжение падающей мощности, и Uотр - ответвленное напряжение отраженной мощности на частоте f1 в цифровом виде. БП 6 исходя из значений Uп и Uотр, а также фазы между ними производит вычисление значений емкостей и индуктивностей в ЦС 7. Полученные значения поступают на цифроаналоговые преобразователи 14, 15, 16, 17, в которых цифровые значения управляющих напряжений преобразуются в аналоговые значения. После чего ЦС 7 осуществляет трансформацию комплексного сопротивления нагрузки антенны 8 к выходу генератора ВЧ 1. Данный процесс повторяется до тех пор, пока процесс настройки не придет в установившееся состояние.
В режиме передачи производится коммутация ключом 3 усилителя мощности 4 к двунаправленному ответвителю 5. Поскольку выходные сопротивления ГСС 1 и УМ 4 одинаковые, то усилитель мощности 4 будет осуществлять передачу выходной мощности в согласованную нагрузку (антенну).
Реализация блоков 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8 в заявляемом устройстве аналогична реализации соответствующих блоков устройства-прототипа.
Цепь согласования 7, представляющая собой набор дискретных элементов, состоящих из магазинов емкостей и индуктивностей, может быть выполнена, например, как описано в патенте РФ 2282284.
Аналого-цифровые преобразователи могут быть выполнены, например, как описаны в патенте на полезную модель RU 78999 фиг.1. блоки 3, 8. Реализация цифроаналоговых преобразователей известна и приведена в книге П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. Изд. 5-е перераб. М.: Мир. 1998 г.704 с. на стр.642.
Таким образом, в предлагаемой передающей системе по сравнению с прототипом достигается повышение помехоустойчивости работы радиопередающего устройства к помехам, наведенным в антенну от сигналов мощных радиопередающих устройств за счет согласования нагрузки (антенны) генератора высокой частоты.