Помехозащищенная передающая система с аналоговым блоком селекции и автоматическим устройством согласования на дискретных элементах
INTERFERENCE-FREE TRANSMISSION SYSTEM WITH ANALOG SELECTION UNIT AND AUTOMATIC MATCHING DEVICE ON DISCRETE ELEMENTS

Изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано в радиостанциях коротковолнового (КВ) диапазона, а также в радиостанциях других диапазонов, работающие 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 Ш ахгильдан 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 - 656с. 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 6соответственно. 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 производиться 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 придёт 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, наведённая от него в антенну мощность может достигать 1 Вт. В результате значения падающей и отражённой 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 производится 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 передающей системы к помехам, наведенным в антенну от сигналов мощных радиопередающих устройств.
Для решения поставленной задачи в помехозащищенную передающую систему с аналоговым блоком селекции и автоматическим устройством согласования на дискретных элементах, 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 блок аналоговой селекции, выполненный с возможностью выделения полезного сигнала и подавления других спектральных составляющих с сохранением фазовых соотношений полезного сигнала с обоих выходов двунаправленного ответвителя, соединенных с входами блока аналоговой селекции, а также четыре аналого-цифровых преобразователя, выходы которых соединены с соответствующими четырьмя входами микропроцессорного устройства, выход которого соединен со вторым входом цепи согласования, при этом два выхода блока аналоговой селекции соединены с входами блока подстройки соответственно.
На фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства, 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 - двухканальное радиоприемное устройство (РПУ);
10 - блок аналоговой селекции;
11, 12, 13, 14 - с первого по четвертый аналого-цифровые преобразователи (АЦП);
15 - микропроцессорное устройство (MCU).
Заявляемое устройство содержит последовательно соединенные генератор ВЧ 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. Выходы двунаправленного ответвителя 5 соединены с соответствующими входами блока аналоговой селекции 10, два выхода которого соединены с соответствующими входами блока подстройки 6, четыре выхода которого соединены с входами соответствующих АЦП 11, 12, 13, 14, выходы которых соединены с соответствующими входами микропроцессорного устройства 16, выход которого соединен со вторым входом цепи согласования 7. При этом блок аналоговой селекции 10 выполнен в виде двухканального радиоприемного устройства 9, входы которого являются входами блока аналоговой селекции 10, а выходы РПУ - выходами блока 10.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
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 блок селекции 10 поступает Uп - ответвленное напряжение падающей мощности, и Uотр - ответвленное напряжение отраженной мощности. Блок селекции 10 настроен на частоту приема полезного сигнала f1. Двухканальное радиоприемное устройство 9 пропускает гармонический сигнал на частоте f1 без ослабления, а сигналы помехи на частоте f2 ослабляет на 60 или более дБ. На выходе двухканального радиоприемного устройства 9 наведенный сигнал помехи на частоте f2, будет иметь мощность менее 1 мВт, и не будет оказывать влияния на работу блока подстройки 6. На БП 6 будет поступать Uп - ответвленное напряжение падающей мощности, и Uотр - ответвленное напряжение отраженной мощности на частоте f1. БП 6 исходя из значений Uп и Uотр, а также фазы между ними производит вычисление значений управляющих напряжений. Полученные управляющие напряжения проходят оцифровку с помощью АЦП 11, 12, 13, 14 и поступают в MCU 15. Микропроцессорное устройство MCU 15 определяет, какие именно дискретные элементы нужно подключить в цепи согласования для обеспечения требуемых значений индуктивности и емкости ЦС 7 и формирует соответствующие команды управления в ЦС 7. После чего ЦС 7 осуществляет трансформацию комплексного сопротивления нагрузки (антенны) 8 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 3 усилителя мощности 4 к ДНО 5. Поскольку выходные сопротивления ГСС 1 и УМ 4 одинаковые, то УМ 4 будет осуществлять передачу выходной мощности в согласованную нагрузку.
Построение блоков 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 в заявляемом устройстве общеизвестно и аналогично реализации соответствующих блоков 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 устройства-прототипа.
Аналого-цифровые преобразователи 11 - 14 могут быть построены, например, как описаны в патенте на полезную модель RU 78999 фиг 1. блоки 3, 8.
Микропроцессорное устройство MCU 15 может быть таким, как описано, например, в патенте на полезную модель RU 78999 фиг 1. блок 5.
Двухканальное радиоприемное устройство 9 может быть выполнено, например, как представлено в патенте РФ 2225990.
Структурная схема двухканального приемного устройства изображена на фиг. 3, где обозначено:
У9.1, У9.2, У9.3, У9.4, У9.5, У9.6 - с первого по шестой усилители;
ПФ9.1.1, ПФ9.1.2, ПФ9.1.3, ПФ9.1.4 - с первого по четвертый полосовые фильтры;
СМ9.2.1, СМ9.2.2, СМ9.2.3, СМ9.2.4 - с первого по четвертый смесители аналогового сигнала;
СЧ9.7 - перестраиваемый синтезатор частот;
Г9.8 - генератор синусоидального колебания на фиксированной частоте.
Двухканальное аналоговое приемное устройство содержит два канала. Первый канал состоит из последовательно соединенных первого усилителя У9.1, первого смесителя СМ9.2.1 первого ПФ9.1.1, третьего усилителя У9.3, третьего ПФ9.1.3 и пятого усилителя У9.5, выход которого является первым выходом РПУ 9. Второй канал состоит из последовательно соединенных второго усилителя У9.2, второго смесителя СМ9.2.2, второго ПФ9.1.2, четвертого усилителя У9.4, четвертого смесителя СМ9.2.4, четвертого ПФ9.1.4 и шестого усилителя У9.6, выход которого является вторым выходом РПУ 9. Кроме того, выход перестраиваемого синтезатора частот СЧ9.7 соединен со вторыми входами первого СМ9.2.1 и второго СМ9.2.2 смесителей; Выход генератора синусоидального колебания на фиксированной частоте Г9.8 соединен со вторыми входами третьего СМ9.2.3 и четвертого СМ9.2.4 смесителей. Входы первого У9.1 и второго У9.2 усилителей являются соответственно первым и вторым входами РПУ 9.
Работает двухканальное аналоговое приемное устройство следующим образом.
Сигнал подается на первый и второй входы, далее усиливается первым У9.1 и вторым У9.2 усилителями, после чего подается на первый вход первого СМ9.2.1 и второго СМ9.2.2 смесителей, в которых он переносится на промежуточную частоту. На промежуточной частоте сигнал фильтруется соответствующими полосовыми фильтрами промежуточной частоты ПФ9.1.1 и ПФ9.1.2. При этом на второй вход обоих смесителей СМ9.2.1 и СМ9.2.2 подается один и тот же сигнал синтезатора частот СЧ9.7 для сохранения разности фаз между сигналами обоих каналов. После первого ПФ9.1.1 и второго ПФ9.1.2 фильтров сигнал через третий У9.3 и четвертый У9.4 усилители подается на первый вход третьего СМ9.3 и четвертого СМ9.2.4 смесителей, при этом на их вторые входы подается сигнал с генератора синусоидального сигнала Г9.8.
Сигнал в третьем СМ9.3 и четвертом СМ9.2.4 смесителях переносится на вторую промежуточную частоту после чего фильтруется третьим ПФ9.1.3 и четвертым ПФ9.1.4 полосовыми фильтрами и затем усиливается пятым У9.5 и шестым У9.6 усилителями. Учитывая, что на третий СМ9.2.3 и четвертый СМ9.2.4 смесители подается один и тот же гармонический сигнал, сохраняется разность фаз полезного сигнала между каналами.
Усилители У9.1 - У9.6 могут быть выполнены, например, как приведены в книге П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. Изд. 5-е перераб. М.: Мир. 1998г. 704 с. на стр. 181.
Реализация полосовых фильтров ПФ1, ПФ2, ПФ3, ПФ4 известна и приведена в книге П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. Изд. 5-е переаб. М.: Мир. 1998 г., 704 с. на стр. 293.
Реализация смесителей СМ1, СМ2, СМ3, СМ4 известна, и может быть осуществлена, например, как приведена в книге В.В. Палшков. Радиоприёмные устройства. Учебное пособие - М.: Радио и связь, 1984. - 392 с. ил. на стр.116-120.
Реализация генератора Г9.8 известна и приведена в книге П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. Изд. 5-е перераб. М.: Мир. 1998 г., 704 с. на стр. 318.
Построение синтезатора частот СЧ1 известно, например, из публикации С.К. Романов, Н.М. Тихомиров, Д.Н. Рахманин, А.В. Гречишкин. Теория и техника радиосвязи, 2013, №1, стр.64.
Таким образом, в предлагаемой системе достигнуто повышение помехозащищенности передающей системы к помехам, наведенным в антенну от сигналов мощных радиопередающих устройств, за счет введения двухканального приемного устройства, в котором работа обоих приемных каналов происходит на одной частоте и от одного синтезатора частот - это обеспечивает сохранение разности фаз между сигналами падающей Uп и отраженной мощности Uотр.