Помехозащищённая передающая система с автоматическим устройством согласования, использующим широкополосный сигнал
INTERFERENCE-PROOF TRANSMISSION SYSTEM WITH AUTOMATIC MATCHING DEVICE USING A WIDEBAND SIGNAL

Изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано в радиостанциях коротковолнового (КВ) и ультракоротковолнового (УКВ) 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 Шахгильдян 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.
Известно радиопередающее устройство, описанное в статье «Концепция согласования радиопередающих устройств с нагрузками», T-Comm, №9-2013 с. 127-131. В него введены специальные цепи настройки.
Недостатком этого устройства является высокая степень подверженности результатов настройки воздействию помех, наводимых в антенну.
H04B 1/02, H03H 7/40, H03H 11/30
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является устройство по патенту RU2747564, , принятое за прототип.
Схема устройства-прототипа изображена на фиг. 1, где обозначено:
1 - генератор высокой частоты (ГВЧ);
2 - генератор синусоидального сигнала (ГСС);
5 - усилитель мощности (УМ);
6 - ключ;
11.1 - первое двухканальное радиоприёмное устройство (РПУ);
12 - блок подстройки (БП);
13 - двунаправленный ответвитель (ДНО);
15 - цепь согласования (ЦС);
16 - антенна (нагрузка передающей системы).
Устройство-прототип содержит последовательно соединённые генератор ВЧ 1, двунаправленный ответвитель 13, цепь согласования 15 и антенну 16. Причём генератор ВЧ 1 состоит из генератора синусоидального сигнала 2 и усилителя мощности 5, выходы которых соединены с соответствующими входами ключа 6, выход которого является выходом генератора ВЧ 1. Два выхода двунаправленного ответвителя 13 соединены с соответствующими входами первого двухканального радиоприёмного устройства 11.1, два выхода которого соединены с соответствующими входами блока подстройки 12, четыре выхода которого соединены с соответствующими входами цепи согласования 15, при этом выходы могут быть выполнены шиной.
Устройство-прототип работает следующим образом.
В режиме настройки используется сигнал ГСС 2, который подается через ключ 6 на ДНО 13 и далее через ЦС 15 в антенну 16. 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 выхода ДНО 13 на входы первого двухканального радиоприемного устройства 11.1поступает ответвленное напряжение падающей и отраженной мощности: Uп - ответвленное напряжение падающей мощности, и Uотр - ответвленное напряжение отраженной мощности. РПУ 11.1 настроен на частоту приема полезного сигнала f1 и пропускает гармонический сигнал на частоте f1 без ослабления.
На входы БП 12 будут поступать Uп - ответвленное напряжение падающей мощности, и Uотр - ответвленное напряжение отраженной мощности на частоте f1. БП 12, исходя из значений Uп и Uотр, а также фазы между ними производит вычисление значений управляющих напряжений ЦС 15. После чего ЦС 15 осуществляет трансформацию антенны (комплексного сопротивления нагрузки) 16 к выходу генератора высокой частоты 1. Данный процесс повторяется до тех пор, пока процесс настройки не придет в установившееся состояние.
В режиме передачи производится коммутация ключом 6 усилителя мощности 5 к ДНО 13. Поскольку выходные сопротивления ГСС 2 и УМ 5 одинаковые, то УМ 5 будет осуществлять передачу выходной мощности в согласованную нагрузку.
Недостаток устройства-прототипа состоит в том, что паразитные сигналы, частоты которых расположены близко к частоте настройки, и тем более совпадают с ней, подавляются недостаточно эффективно, и поэтому искажают величины ответвлённых напряжений падающей Uп и отражённой Uотр мощностей, внося тем самым существенные погрешности в результат настройки.
Так, например, если на расстоянии L=10м от антенны настраиваемого передатчика находится другой передатчик, излучающий мешающий узкополосный сигнал мощностью P=100 Вт, напряжённость поля, действующего на антенну настраиваемого передатчика, может быть найдена по формуле, предложенной в книге Долуханов М. П. Распространение радиоволн. -М.: Советское радио, 1972, 152 с., стр. 11, (1.7) и составляет
,
где E - напряжённость поля, В/м; P - излучаемая мощность передатчика, Вт; L - расстояние до излучающей антенны, м.
Если принять, что значение антенного фактора антенны настраиваемого передающего средства AF=3, то под влиянием полученной величины напряжённости поля узкополосной помехи, на клеммах антенны настраиваемого передающего средства разовьётся паразитное колебание, действующее значение которого равно
C
L
Z
U
0
П
Если принять, что фидер, соединяющий ЦС 15 с антенной 16 представляет собой длинную линию с параметрами: погонная ёмкость =116 пФ/м, погонная индуктивность =220 нГн/м, волновое сопротивление =50 Ом, то в точке настройки на рабочую частоту напряжение падающей волны будет примерно равно напряжению на выходе УМ 5, что совпадает с напряжением падающей волны  при отсутствии помех. А ответвлённое напряжение отражённой волны будет иметь только значение, обусловленное действием помехи
,
l
Z
Z
f
U
U
н
0
н
0
отр_ш
отр
g
ГВС
отр
где γ - коэффициент распространения фидерной линии;  - длина фидерной линии;  - импеданс АФУ, Z - волновое сопротивление фидерной линии. (Данная формула получена на основе представления длинной линии как четырёхполюсника так, как это предложено в книге Улахович Д. А. Основы линейных электрических цепей: Учеб. пособие. - СПб.: БХВ-Петербург, 2009 - 816 с, на стр. 380, формула (24.19). В формуле учтён тот факт, что ЦС 15 соединяется с антенной 16 фидером, представляющем собой длинную линию). Для указанных выше параметров длинной линии при условии, что импеданс АФУ  = 41 Ом, частота настройки, например,  = 12МГц, действующее значение отражённого напряжения составит =1,98 В, в то время как в случае отсутствия помех =0. Данное обстоятельство вынуждает БП 12 во время настройки ошибочно продолжать поиск точки настройки. Результат этого процесса оказывается неопределённым и состоит в неверном выборе точки настройки. Так, имея ввиду, что выходное сопротивление УМ 5 составляет Z=50 Ом, приняв, что во время настройки с выхода ГВС 1 поступает полезный сигнал напряжением U=5В, воспользовавшись определённым выше действующим значением отражённого напряжения в случае воздействия помехи U=1,98В, применив формулу вычисления коэффициента отражения, представленную в книге Радиопередающие устройства: Учебник для вузов /Л. А. Белов, М. В. Благовещенский, В. М. Богачёв и др.: Под ред. М. В. Благовещенского, Г. М. Уткина. -М.: Радио и связь, 1982. - 408 с, на стр. 85 под номером (4.37) и имеющую следующий вид
,
g
ЦС
где Z - выходное сопротивление УМ 5; Z - входное сопротивление цепей согласования, учтя, что по определению, данному в книге Улахович Д.А. Основы теории линейных электрических цепей: Учебное пособие. - СПб, БХВ-Петербург, 2009. -816 с, на стр. 378 в виде формулы (24.15), коэффициент отражения есть отношение отраженного напряжения к падающему
,
отр
отр_ш
и, приняв во внимание, что к значению напряжения отражённой волны U добавляется ещё и напряжение помехи U, после чего коэффициент отражения становится следующим:
,
где, согласно принятым исходным данным
,
СЦ
воспользовавшись тем фактом, что отношение мощности, передаваемой УМ 5 в нагрузку Z, к максимально возможной мощности, которую можно получить от УМ 5 в случае оптимального согласования, вычисляется по формуле
СЦ
(эта формула позаимствована из книги Радиопередающие устройства: Учебник для вузов/Л. А. Белов, М. В. Благовещенский, В. М. Богачёв и др.: Под ред. М. В. Благовещенского, Г. М. Уткина. -М.: Радио и связь, 1982. -408с, стр. 85, номер формулы (4.38)), изменяя значение входного импеданса Z, получаем, что входное сопротивление ЦС 15, на котором уровень напряжения в канале отражённой волны станет равен нулю, составит около 115 Ом. При этом мощность, передаваемая из УМ 5 в ЦС 15, составит около 84% от максимально достижимой. Снижение полезной мощности будет равно 16%.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение помехозащищённости работы передающей системы к помехам, наводимым в антенну от сигналов мощных радиопередающих устройств, в том числе и для случаев, когда частоты мешающих сигналов расположены близко к частоте настройки или совпадают с ней.
согласно изобретению
Для решения поставленной задачи в помехозащищённую передающую систему с автоматическим устройством согласования, использующим широкополосный сигнал, содержащую последовательно соединенные генератор высокочастотного сигнала (ГВС), двунаправленный ответвитель, цепь согласования, антенну, а также первое радиоприемное устройство, выход которого соединен с первым входом блока подстройки, выход которого шиной соединен со вторым входом цепи согласования, при этом ГВС состоит из генератора синусоидального сигнала (ГСС), а также последовательно соединенных усилителя мощности и ключа, выход которого является первым выходом генератора высокочастотного сигнала, , введены: в генератор высокочастотного сигнала - генератор широкополосного сигнала (ГШПС), выход которого соединен с одним входом модулятора, другой вход которого подключен к выходу ГСС, выход модулятора соединен со вторым входом ключа, причем выход ГШПС является вторым выходом ГВС и соединен с входами первого и второго блоков задержки; выход ответвленного напряжения падающей волны двунаправленного ответвителя соединен с первым входом анализатора уровня канала падающей волны, являющийся первым входом первого умножителя, выход которого соединен с входом первого радиоприёмного устройства, при этом выход первого блока задержки соединен со вторым входом анализатора уровня канала падающей волны, являющимся вторым входом первого умножителя, кроме того, выход ответвленного напряжения  отраженной волны двунаправленного ответвителя соединен с первым входом второго анализатора уровня канала отраженной волны, являющимся первым входом второго умножителя, выход которого соединен с входом второго радиоприемного устройства, выход которого соединен со вторым входом блока подстройки, при этом выход второго блока задержки соединен со вторым входом анализатора уровня канала отраженной волны, являющимся вторым входом второго умножителя.
На фиг. 2 приведена схема заявляемого устройства, где обозначено:
1 - генератор высокочастотного сигнала (ГВС);
2 - генератор синусоидального сигнала (ГСС);
3 - модулятор (М);
4 - генератор широкополосного сигнала (ГШПС);
5 - усилитель мощности (УМ);
6 - ключ (Кл);
7 - первый блок задержки (для канала падающей волны);
8 - второй блок задержки (для канала отражённой волны);
9 - анализатор уровня канала падающей волны (ПВ);
10.1, 10.2 - первый и второй умножители;
11.1, 11.2 - первый и второй радиоприёмные устройства (РПУ);
12 - блок подстройки (БП);
13 - двунаправленный ответвитель (ДНО);
14 - анализатор уровня канала отражённой волны(ОВ);
15 - цепь согласования (ЦС);
16 - антенна (нагрузка передающей системы).
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединённые генератор высокочастотного сигнала (генератор высокой частоты) 1, двунаправленный ответвитель 13, цепь согласования 15 и антенну 16. Причём генератор высокочастотного сигнала 1 содержит генератор синусоидального сигнала 2, выход которого соединен с первым входом модулятора 3, выход которого соединен с одним входом ключа 6, другой вход которого подключен к выходу усилителя мощности 5. Выход генератора широкополосного сигнала 4 соединен со вторым входом модулятора 3 и входами первого 7 и второго 8 блоков задержки, и является вторым выходом ГВС 1. Выход ключа 6 является первым выходом ГВС 1. Выход ответвленного напряжения падающей волны (Uп) двунаправленного ответвителя 13 соединен с первым входом анализатора уровня канала падающей волны 9, являющимся первым входом первого умножителя 10.1, выход которого соединен с входом первого РПУ 11.1, выход которого является выходом анализатора уровня канала ПВ 9 и соединен с первым входом блока подстройки 12. Выход ответвленного напряжения отраженной волны Uотр двунаправленного ответвителя 13 соединен с первым входом анализатора уровня канала отражённой волны 14, являющимся первым входом второго умножителя 10.2, выход которого соединен с входом второго РПУ 11.2, выход которого является выходом анализатора уровня канала ОВ 14 и соединен со вторым входом блока подстройки 12, выход которого шиной соединен со вторым входом цепи согласования 15. При этом выход первого блока задержки 7 соединен со вторым входом анализатора уровня канала ПВ 9, являющимся вторым входом первого умножителя 10.1. Выход второго блока задержки 8 соединен со вторым входом анализатора уровня канала ОВ 14, являющимся вторым входом второго умножителя 10.2.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В режиме настройки используется широкополосный сигнал с выхода модулятора 3, который подаётся через ключ 6 на ДНО 13 и далее через ЦС 15в антенну 16. Модулятор 3 формирует широкополосный сигнал путём изменения фазы или частоты синусоидального сигнала, генерируемого ГСС 2 по закону, задаваемому ГШПС 4. При этом широкополосный сигнал имеет центральную частоту, равную частоте настройки f0, на которой в дальнейшем будет производиться работа на передачу. В результате с выходов ДНО 13 на входы анализаторов уровня канала ПВ 9 и канала ОВ 14поступает ответвлённое напряжение падающей и отражённой волн: Uп - ответвлённое напряжение падающей волны, и Uотр - ответвлённое напряжение отражённой волны соответственно. Входящий в состав анализатора уровня каналаПВ9 первый умножитель 10.1 осуществляет перемножение сигнала Uп с сигналом, сгенерированным ГШПС 4 и задержанным первым блоком задержки 7. Результат перемножения поступает на вход первого РПУ 11.1, где происходит его фильтрация и детектирование. Полученный на выходе первого РПУ 11.1 сигнал является одновременно выходным сигналом анализатора уровня канала ПВ 9, в котором уровень мешающих сигналов, поступивших в смеси с полезным сигналом с выхода Uп ДНО 13, уменьшен пропорционально отношению ширины полосы пропускания первого РПУ 11.1 к ширине полосы, занимаемой модулированным сигналом помехи. Этот сигнал подается на первый вход БП 12 для дальнейшего анализа его уровня с целью принятия решения об изменении параметров ЦС 15. Аналогично производится обработка сигнала Uотр в анализаторе уровня канала ОВ 14. Блок БП 12, исходя из значений откликов, появляющихся на выходах анализатора уровня канала ПВ 9 и анализатора уровня канала ОВ 14 устанавливает значения управляющих воздействий на перестраиваемые элементы ЦС через n каналов, объединённых в шину, в результате чего ЦС переходит в настроенное состояние. В режиме передачи производится коммутация ключом 3 усилителя мощности 5 к ДНО 13. Поскольку выходные сопротивления модулятора 3 и УМ 5 одинаковые, то УМ 5 будет осуществлять передачу выходной мощности в согласованную нагрузку.
Построение блоков 2, 5, 6, 13, 12, 15, 16 в заявляемом устройстве общеизвестно и аналогично реализации блоков 2, 5, 6, 13, 12, 15, 16 устройства прототипа соответственно.
Генератор широкополосного сигнала ГШПС 4 может быть собран как генератор псевдослучайной последовательности, например, в виде генератора М-последовательности, описанного в Варакин Л. Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. -384 с. рис. 3.17, стр. 54.
В качестве модулятора 3 может быть использовано устройство, описанное в Соколинский В. Г., Шейнкман В. Г. Частотные и фазовые модуляторы и манипуляторы. - М.: Радио и связь, 1983. -192 с., рис. 6.1а, стр. 117. Блоки задержки 7 и 8 могут быть построены по схеме многоотводной электрической линии задержки так, как это приведено в Варакин Л. Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, - 383 с., стр. 353, рис. 21.9. Используется один из выводов линии задержки. В блоке задержки 7 вывод задержки выбирается на основе знания о времени прохождения сигнала от ГШПС 4 до умножителя 10.1, при прохождении через модулятор 3 и ДНО 13.
В блоке задержки 8 его вывод выбирается исходя из равенства времени задержки в блоке 8 и времени прохождения сигнала от ГШПС 4 до входа умножителя 10.2 через модулятор 3, ключ 6, ДНО 13, ЦС 15, антенну 16, и далее, после отражения обратно через ЦС 15 и ДНО 13.
В качестве умножителей может быть применено устройство, описанное в книге Поляков В. Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. - М.: Патриот, 1990 - 264 с. на рис. 55, стр. 117.
Радиоприёмные устройства, входящие в состав АНУ, могут быть построены по схеме классического узкополосного приёмника, например, так, как это приведено в книге Поляков В. Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. - М.: Патриот, 1990 - 264 с. на рис. 133, стр. 206. Входные селективные цепи этого устройства должны быть настроены на частоту настройки, а полоса пропускания должна быть минимальной.
Таким образом, в предлагаемой системе достигнуто повышение помехозащищённости передающей системы к помехам, наведённым в антенну от сигналов мощных радиопередающих устройств, в том числе и для случаев, когда частоты мешающих сигналов расположены близко к частоте настройки или совпадают с ней в процессе настройки согласующих цепей за счёт введения в ГВС генератора широкополосного сигнала и модулятора, а так же подключения выходов падающей и отражённой волн ДНО ко входам анализаторов уровня каналов ПВ и ОВ, состоящих из умножителя и РПУ.
о
у
Эффект достигается благодаря тому, что действующая на входе АНУ 9 смесь широкополосного полезного сигнала и узкополосной помехи претерпевает следующие изменения. Пройдя через умножитель 10.1 широкополосный полезный сигнал демодулируется, в силу чего на выходе умножителя 10.1 на частоте настройки появляется синусоидальное колебание, амплитуда которого пропорциональна амплитуде ПВ. В то же время узкополосная помеха, пройдя через умножитель 10.1, модулируется, в силу чего её спектр расширяется в B раз. Если, например, ГШПС 4 формирует М-последовательность на тактовой частоте Fт, которая модулирует в умножителе 10.1 узкополосную помеху, то несущая частота мешающего колебания уменьшается по амплитуде в  раз, где B - база М-последовательности, а полоса основного лепестка спектра, отмеренная по нулям его спектральной огибающей, составит 2Fт. Энергия же мешающего сигнала после расширения спектра остаётся такой же, как и до модуляции. После прохождения через узкополосные селектирующие входные цепи РПУ 11.1 широкополосная помеха теряет бльшую часть энергии. (Если полоса пропускания входного фильтра РПУ составит, например, 1% от полосы широкополосного сигнала, то энергия помехи уменьшится в 100 раз). Оставшаяся доля энергии пропорциональна отношению полосы пропускания входного узкополосного фильтра РПУ 11.1 к полосе, занимаемой сигналом помехи после расширения её спектра, и оказывается существенно меньше, чем энергия помехи на входе АНУ 9. Это отношение тем лучше, чем же полоса пропускания входного узкополосного фильтра РПУ 11.1 и, одновременно, чем шире полоса широкополосного сигнала, генерируемого ГШПС 4. Вместе с тем, полезный сигнал, принявший после демодуляции в умножителе 10.1 форму синусоидального колебания, пройдёт через РПУ 11.1 без искажений и потерь энергии. Благодаря этому помехозащищённость (т. е. отношение энергии сигнала к энергии шума) канала ПВ может быть улучшена. В рассматриваемом примере снижения мощности помех в 100 раз улучшение помехозащищенности достигает10⋅lg(100)=20 дБ.
Такие же процессы протекают и в канале ОВ по отношению к смеси, действующей на вход АНУ 14, где также достигается повышение помехоустойчивости до 20 дБ для рассматриваемого примера.
В результате уровень помехи уменьшается в раз, и для рассмотренного выше примера составляет 0,198 В. Воспользовавшись моделью расчёта, которая была описана выше при определении характеристик прототипа, и позволившей вычислить значение входного сопротивления ЦС 15, ошибочно получаемого под действием узкополосной помехи, а также отношения выдаваемой на это сопротивление мощности УМ 5 к величине мощности, выдаваемой на согласованную нагрузку, можно вычислить, что появление помехи, имеющей уровень 0.198 В, приведёт к ошибочному установлению входного сопротивления ЦС 15 равным 54 Ом, что обеспечит передачу в ЦС 15 из УМ 5 99,8% мощности. Снижение полезной мощности относительно максимально достижимой составит всего 0,2%, что в 80 раз лучше, чем в устройстве-прототипе.