УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ФЕРРИТОВЫМ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕМ

Полезная модель относится к импульсной технике и может быть использована при построении фазированных антенных решеток с ферритовыми фазовращателями, магнитный материал которых имеет прямоугольную петлю гистерезиса.
Известно устройство управления ферритовым фазовращателем (Авторское свидетельство SU №1448395, опубликовано 30.12.1988 г., МПК: H03K 5/01), содержащее обмотку набора фазы, ключи, общую шину, шину питания, шину запуска, шину кода управления, шину опорной частоты, обмотку сброса фазы, обмотку обратной связи, интегратор, ключ начальных условий, компараторы, триггеры, элемент ИЛИ-НЕ, элемент задержки, параллельно-последовательный ключ, шины опорного напряжения и сброса, шину уровня сброса, резистор. При этом начало обмотки набора фазы соединено через первый ключ с общей шиной, конец - с шиной питания и с началом обмотки сброса фазы, конец которой соединен с выходом второго ключа, начало обмотки обратной связи через интегратор соединено с входом ключа начальной установки и с общей шиной, выход - с входом сброса первого триггера, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ-НЕ и с входом управления первого ключа, а вход установки через элемент задержки - с шиной запуска и с входом запуска преобразователя кода во временной интервал, кодовые входы которого соединены с шинами кода управления, тактовый вход - с шиной опорной частоты, выход - с входом управления параллельно-последовательного ключа и с вторым входом элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к входу управления ключа начальных условий, выход параллельно-последовательного ключа соединен с концом обмотки обратной связи, первый и второй входы - соответственно, с шиной опорного напряжения и с общей шиной, шина сброса соединена с входом установки второго триггера, выход которого соединен с входом управления второго ключа, вход сброса - с выходом второго компаратора, первый вход которого соединен с шиной уровня сброса, второй вход - с входом второго ключа и с первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной.
Известно устройство управления ферритовым фазовращателем (Авторское свидетельство SU №1599794, опубликовано 15.10.1990 г., МПК: G01R 25/00), содержащее блок управления, два логических элемента ИЛИ, сдвигающий регистр, преобразователь код-время, блок коммутации. При этом первый вход преобразователя код-время подключен к выходу сдвигового регистра, второй вход логического элемента ИЛИ соединен с выходом преобразователя код-время, первый вход блока коммутации подключен к соединенным между собой первому входу логического элемента ИЛИ и второму входу преобразователя код-время и является первым управляющим входом устройства, второй и третий входы являются соответственно вторым и третьим управляющими входами устройства, четвертый вход подключен к выходу логического элемента ИЛИ, а выход является входом устройства, вход блока управления соединен с первым управляющим входом устройства, а первый выход подключен к третьему входу преобразователя код-время.
К недостаткам данных устройств управления ферритовым фазовращателем можно отнести то, что проверку и настройку ферритовых фазовращателей осуществляют непосредственно в составе антенной решетки, что значительно снижает надежность и стабильность ее работы.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство управления ферритовым фазовращателем (Авторское свидетельство SU №1774282, опубликовано 07.11.1992 г., МПК: G01R 25/00, H01P 1/32), которое выбрано в качестве прототипа. Устройство содержит суммирующий счетчик, преобразователь код-время, первый логический элемент ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом преобразователя код-время, и блок коммутации, первый вход которого подключен к соединенным между собой первому входу первого логического элемента ИЛИ и второму входу преобразователя код-время. Вход блока управления соединен с первым управляющим входом устройства, а его первый выход соединен с третьим входом преобразователя код-время. Первый вход второго логического элемента ИЛИ соединен с вторым входом блока управления, а его выход подключен к входу суммирующего счетчика. Выход сдвигового регистра подключен к входу преобразователя код-время через введенный сумматор-вычитатель, к другому входу которого подсоединен информационный выход введенного блока памяти.
К недостаткам данного устройства можно отнести невозможность обеспечения автоматизации процесса компенсации систематической составляющей погрешности производственного разброса характеристик ферритовых фазовращателей, недостаточную надежность работы ферритовых фазовращателей, за счет осуществления их проверки и настройки после установки в антенную решетку.
В настоящее время широким спросом пользуются современные СВЧ и ВЧ фазоуправляемые антенные решетки из-за их способности управлять волновым сигналом в пространстве без физического перемещения элементов антенны, что необходимо для быстрого перенаправления сигнала или его формирования. Типовая современная фазированная антенная решетка состоит из нескольких тысяч элементов, каждый из которых управляется фазовращателем, что позволяет получать практически любое результирующее направление сигнала. Поэтому для таких антенных решеток просто необходимы легкие фазовращатели, обладающие малыми потерями и низкой стоимостью. Благодаря тому, что ферритовые фазовращатели имеют малый вес и размеры, они широко используются в фазированных антенных решетках. Все фазовращатели, входящие в фазированную антенную решетку, должны иметь очень близкие и однотипные амплитудно-частотные характеристики для возможности формирования фазированной антенной решеткой требуемых диаграмм направленности.
Технический результат полезной модели заключается в повышении надежности и стабильности характеристик антенной решетки, за счет компенсации систематической составляющей погрешности производственного разброса характеристик ферритовых фазовращателей с помощью электронной вычислительной машины, на этапе их предварительной проверки, настройки и испытаний перед установкой в антенную решетку.
Технический результат достигается тем, что устройство управления ферритовым фазовращателем содержит микроконтроллер с функциями устройства управления, блок коммутации. При этом оно отличается от прототипа тем, что включает интерфейс устройства USB, блок преобразования сигналов, блок преобразования напряжения, при этом блок коммутации состоит из коммутатора сопротивлений, коммутатора температурного режима, коммутатора выходных уровней. Причем первый вход-выход интерфейса устройства USB выполнен с возможностью подключения к входу-выходу электронной вычислительной машины (ЭВМ), второй вход-выход интерфейса устройства USB подключен к первому входу-выходу блока преобразования сигналов, первый выход интерфейса устройства USB подключен к второму входу блока преобразования сигналов. Второй вход-выход блока преобразования сигналов связан с первым входом-выходом микроконтроллера сигналами параллельного интерфейса. Первый выход микроконтроллера соединен с первым входом коммутатора сопротивлений, второй выход микроконтроллера соединен с первым входом коммутатора температурного режима, третий выход микроконтроллера соединен с первым входом коммутатора выходных уровней. Первый выход коммутатора сопротивлений выполнен с возможностью подключения к первому входу фазовращателя, первый выход коммутатора температурного режима соединен с третьим входом коммутатора выходных уровней, первый выход которого выполнен с возможностью подключения к второму входу фазовращателя. Первый вход блока преобразования напряжения выполнен с возможностью подключения к выходу источника питания. Первый выход блока преобразования напряжения соединен с первым входом микроконтроллера. Второй выход блока преобразования напряжения соединен со вторым входом коммутатора сопротивлений, а также со вторым входом коммутатора температурного режима и вторым входом коммутатора выходных уровней.
Проверяемый ферритовый фазовращатель состоит из обмотки управления, обмотки обнуления, ферритового сердечника, защитного диода и настроечного резистора, включенного последовательно в цепь с обмоткой управления. На амплитудно-частотные характеристики фазовращателя влияет величина номинала настроечного резистора. Выбор номинала данного резистора для каждого ферритового фазовращателя осуществляется при их проверке и настройке.
Принцип действия ферритовых фазовращателей основан на взаимодействии электромагнитных волн с движением электронов в намагниченных ферритах. Приложенное магнитное поле изменяет магнитную проницаемость ферритов, что сказывается на движении электронов. Поэтому, управляя приложенным магнитным полем, можно регулировать постоянную распространения электромагнитных волн, и, соответственно менять их фазы, что осуществляется посредством устройства управления ферритовым фазовращателем на этапе проверки и настройки фазовращателей путем формирования управляющих сигналов подмагничивания.
Для оценки качества ферритовых сердечников, применяемых в фазовращателях, используют метод имитации температурного режима боевого источника питания антенной системы, от которого питается проверяемый ферритовый фазовращатель. Данная имитация учитывает изменение формируемого напряжения в зависимости от температуры окружающей среды и позволяет оценить эти изменения и сделать выводы по полученным амплитудно-частотным характеристикам о качестве применяемых ферритовых сердечников. Это позволит на раннем этапе изготовления фазированной антенной решетки выявить некачественные и бракованные ферритовые сердечники, что увеличит надежность и долговечность всей фазированной антенной решетки.
Сущность полезной модели поясняется рисунками Фиг. 1 - Фиг. 2.
Фиг. 1 - структурная схема устройства управления ферритовым фазовращателем,
Фиг. 2 - временная диаграмма выходных сигналов подмагничивания.
Устройство управления ферритовым фазовращателем, конструктивно выполненное в едином корпусе, включает интерфейс устройства USB 1, блок преобразования сигналов 2 интерфейса USB в сигналы параллельного интерфейса, микроконтроллер 3, коммутатор сопротивлений 4, коммутатор температурного режима 5, коммутатор выходных уровней 6, блок преобразования напряжения 7. Второй вход-выход интерфейса устройства USB подключен к первому входу-выходу блока преобразования сигналов, первый выход интерфейса устройства USB подключен к второму входу блока преобразования сигналов, второй вход-выход блока преобразования сигналов связан с первым входом-выходом микроконтроллера сигналами параллельного интерфейса, первый выход микроконтроллера соединен с первым входом коммутатора сопротивлений, второй выход микроконтроллера соединен с первым входом коммутатора температурного режима, третий выход микроконтроллера соединен с первым входом коммутатора выходных уровней, первый выход коммутатора температурного режима соединен с третьим входом коммутатора выходных уровней, первый выход блока преобразования напряжения соединен с первым входом микроконтроллера, второй выход блока преобразования напряжения соединен со вторым входом коммутатора сопротивлений, а также со вторым входом коммутатора температурного режима и вторым входом коммутатора выходных уровней. Посредством первого входа-выхода интерфейса устройства USB устройство подключают к входу-выходу электронной вычислительной машины (ЭВМ). Посредством первого выхода коммутатора сопротивлений устройство подключают к первому входу проверяемого фазовращателя, а первого выхода коммутатора выходных уровней - к второму входу проверяемого фазовращателя. Первый вход блока преобразования напряжения подключают к выходу источника питания.
Блок преобразования сигналов 2, реализованный на интегральной микросхеме FT245RL, преобразует команды от ЭВМ 8 в сигналы параллельного интерфейса микроконтроллера 3.
Микроконтроллер 3, реализованный на микросхеме ATMega8515-16, в зависимости от поступившей команды, выполняет одну из следующих операций: передает с первого выхода на первый вход коммутатора сопротивлений 4 управляющие сигналы выбора шкалы точности подключаемого сопротивления, передает со второго выхода на первый вход коммутатора температурного режима 5 управляющие сигналы перестройки уровней питающих напряжений +24 В, +27 В фазовращателя 10, формирует на третьем выходе управляющие сигналы для формирования импульсной последовательности подмагничивания ферритового фазовращателя, подаваемую на первый вход коммутатора выходных уровней 6.
Коммутатор сопротивлений 4 конструктивно представляет собой плату, с размещенными на ней резисторами и элементами коммутации, и предназначен для определения на этапе настройки требуемого номинала резистора, устанавливаемого в цепь управления фазовращателя 10, для обеспечения необходимых амплитудно-частотных характеристик фазовращателя 10. Коммутатор сопротивлений содержит две шкалы сопротивлений: шкала точного подбора (представляет собой 8 коммутируемых сопротивлений номиналом от 1 Ом до 8,2 Ом), шкала грубого подбора (представляет собой 16 коммутируемых сопротивлений номиналом от 38,3 Ом до 111 Ом). Каждая из шкал содержит «нулевое» сопротивление. Подключение сопротивлений из указанных шкал может происходить в любых комбинациях. С первого выхода коммутатора сопротивлений 4 на первый вход фазовращателя 10 коммутируется сумма сопротивлений из грубой и точной шкал.
В устройстве управления ферритовым фазовращателем реализована имитация одного из трех температурных режимов работы фазовращателя: в режиме нормальной температуры окружающей среды питающие напряжения устанавливаются равными +24 В, +27 В, что имитирует температуру от +15 до +35°C, в режиме пониженной температуры окружающей среды питающие напряжения устанавливаются равными +23,7 В, +26,2 В, что имитирует температуру -60°C, в режиме повышенной температуры окружающей среды питающие напряжения устанавливаются равными +24,3 В, +27,8 В, что имитирует температуру от +125°C. Данная имитация используется при проведении климатических испытаний ферритовых фазовращателей и позволяет учитывать влияние температуры окружающей среды на работу боевого источника питания антенной системы от которого питается проверяемый ферритовый фазовращатель. Перестройка уровней питающих напряжений +24 В, +27 В фазовращателя 10 осуществляется с помощью коммутатора температурного режима 5, с первого выхода которого формируются сигналы, поступающие на третий вход коммутатора выходных уровней 6.
Коммутатор выходных уровней 6 отвечает за подачу выходных сигналов подмагничивания на контактные площадки проверяемого фазовращателя 10 с амплитудой, зависящей от выбранного температурного режима работы, и длительностями импульсов, сформированными микроконтроллером 3. Коммутатор выходных уровней 6 также формирует требуемую полярность выходных сигналов: сигналы, поступающие в цепь +24 В фазовращателя 10 имеют положительную полярность и используются для подмагничивания ферритового сердечника фазовращателя 10, сигналы, поступающие в цепь +27 В фазовращателя 10 имеют отрицательную полярность и используются для снятия подмагничивания ферритового сердечника фазовращателя 10. Указанные сигналы поступают с первого выхода коммутатора выходных уровней 6 на второй вход фазовращателя 10.
Напряжение питания +5 В от интерфейса устройства USB 1 поступает на второй вход блока преобразования сигналов 2. Напряжение питания +30 В от источника питания 9 поступает на первый вход блока преобразования напряжения 7, где формируются питающие напряжения +5 В, +24 В, +27 В. Напряжение +5 В с первого выхода блока преобразования напряжения 7 поступает на первый вход микроконтроллера 3. Напряжения +24 В, +27 В со второго выхода блока преобразования напряжения 7 поступают на второй вход коммутатора сопротивлений 4, на второй вход коммутатора температурного режима 5, на второй вход коммутатора выходных уровней 6.
Работа устройства управления ферритовым фазовращателем осуществляется следующим образом.
Устройство управления ферритовым фазовращателем принимает через интерфейс устройства USB 1 управляющие двухбайтовые команды от ЭВМ 8, сформированные с помощью специализированного программного обеспечения, которое использует понятную для устройства систему команд. С помощью блока преобразования сигналов 2 два байта управляющей команды сигналами параллельного интерфейса поступают на первый вход-выход микроконтроллера 3. В зависимости от первого принятого байта, микроконтроллер 3 выбирает режим работы устройства управления ферритовым фазовращателем: формирование управляющих сигналов выбора шкалы точности подключаемого сопротивления, формирование управляющих сигналов перестройки уровней питающих напряжений +24 В, +27 В фазовращателя 10, формирование импульсной последовательности, поступающей на коммутатор выходных уровней 6, запись длительности импульса управления в регистр микроконтроллера 3. Второй принятый микроконтроллером 3 байт определяет конкретный параметр для выбранного ранее режима. Для режима формирования управляющих сигналов выбора шкалы точности подключаемого сопротивления второй байт определяет тип шкалы точности (грубая или точная шкала) и величину коммутируемого сопротивления. Для режима формирования управляющих сигналов перестройки уровней питающих напряжений +24 В, +27 В фазовращателя 10 второй байт определяет температурный режим работы проверяемого фазовращателя 10. Для режима формирования импульсной последовательности, поступающей на коммутатор выходных уровней 6, второй байт определяет количество циклов формирования импульсной последовательности (может быть однократное формирование, циклическое формирование с периодом 3 мс, остановка формирования временных характеристик и перевод микроконтроллера 3 в состояние инициализации). Внешний вид однократно сформированной импульсной последовательности приведен на Фиг. 2. Для снятия остаточной намагниченности сердечника ферритового фазовращателя на обмотку обнуления первым подается импульс обнуления длительностью 60 мкс и отрицательной полярностью с амплитудой 27 В.
Через небольшую задержку после окончания импульса обнуления на один из входов обмотки управления подается импульс питания длительностью 85 мкс и положительной полярностью с амплитудой 24 В. Импульсный характер питания фазовращателя связан с необходимостью уменьшения токовой нагрузки источника питания.
Через небольшую задержку от начала переднего фронта импульса питания на второй вход обмотки управления подается импульс управления с переменной длительностью от 0 до 52 мкс и отрицательной полярностью с амплитудой 24 В. При поданном импульсе управления через обмотку управления протекает ток, который подмагничивает ферритовый сердечник и меняет постоянную распространения электромагнитных волн, проходящих через фазовращатель.
Для режима записи длительности импульса управления в регистр микроконтроллера 3 второй байт определяет длительность импульса управления (от 0 до 52 мкс). После анализа и выполнения принятых команд микроконтроллер 3 с помощью блока преобразования сигналов 2 через интерфейс устройства USB 1 передает на ЭВМ 1 два байта информации, подтверждающие успешный результат выполненной работы. Получив эти данные, ЭВМ 1 может приступать к измерению характеристик проверяемого фазовращателя 10 и отправке в устройство импульсного подмагничивания ферритового фазовращателя новой управляющей команды.
Таким образом, устройство управления ферритовым фазовращателем позволяет обеспечить возможность управления импульсным подмагничиванием ферритового фазовращателя для обеспечения настройки и проверки ферритового фазовращателя с помощью персональной электронной вычислительной машиной (ЭВМ) в составе автоматизированного рабочего места, возможность подключения в цепь управления проверяемого ферритового фазовращателя сопротивления для получения требуемых амплитудно-частотных характеристик, возможность имитации температурных режимов работы проверяемого фазовращателя. Тем самым упрощается процесс осуществления компенсации систематической составляющей погрешности производственного разброса характеристик ферритовых фазовращателей, используемых в антенных решетках, за счет предварительной проверки, настройки и испытаний ферритовых фазовращателей с использованием ЭВМ в составе автоматизированного рабочего места, перед установкой в антенную решетку. Что позволяет повысить надежность и стабильность характеристик антенных решеток, в состав которых входят ферритовые фазовращатели.