Измеритель входного и взаимного сопротивления антенн в диапазоне частот

Полезная модель относится к технике антенных измерений и радиоизмерений и предназначена для автоматизированного измерения входного и взаимного сопротивления антенн в широком диапазоне частот.
Известны устройства измерения входного сопротивления антенн с использованием мостовой схемы - измерительные мосты (Попов О.В., Сосунов Б.В., Фитенко Н.Г., Хитров Ю.А. Методы измерения характеристик антенно-фидерных устройств. - Л.: ВАС, 1990, с. 47-48.). Данные устройства включают в свой состав генератор синусоидального сигнала, подключаемый к мосту; регулируемые емкости и сопротивление (в симметричном мосту), которыми уравновешиваются активная и реактивная составляющие входного сопротивления антенны; индикатор баланса моста. Мосты предполагают два цикла проведения измерений: балансировку моста перед началом проведения измерений (измеряемая антенна отключена) и балансировку моста после подключения измеряемой антенны, с последующим вычислением активной и реактивной составляющих сопротивления антенны по значениям перестраиваемых элементов, полученных при достижении баланса моста.
Недостатком измерительных мостов является то, что для их реализации требуется использование громоздких и дорогостоящих перестраиваемых элементов, и точность проведения измерений напрямую связана с качеством этих элементов. Также присутствует необходимость балансировки измерительного моста для каждого конкретного измерения на заданной частоте и проведения двух циклов измерения, что сильно увеличивает время проведения измерения и затрудняет процесс автоматизации, а также измерительные мосты обладают низкой помехоустойчивостью, связанной с отсутствием частотной избирательности проведения измерений.
Известен измеритель входной проводимости антенн (патент на изобретение RU2166767C1, G01R 27/06, 10.05.2001).
Устройство содержит измерительный контур, состоящий из индуктивности и конденсатора постоянной емкости; перестраиваемый генератор синусоидального сигнала с согласующим резистором; индикатор; амплитудный детектор и емкости связи. Процесс измерения состоит в следующем. При постоянной емкости и индуктивности измерительного контура определяют резонансную частоту и полосу пропускания измерительного контура при подключенной антенне и без нее. По этим данным вычисляют реактивную и активную составляющие входной проводимости испытуемой антенны.
Недостатком данного устройства является наличие измерительного контура, состоящего из конденсатора и катушки индуктивности, который, для получения малой погрешности измерений должен быть высокодобротным (Q>>1). Поэтому в измерителе необходимо использовать высокодобротные конденсатор и индуктивность, и так как добротность конденсатора обычно выше чем добротность катушки индуктивности, то сопротивление потерь контура близко к сопротивлению потерь индуктивности, которыми являются потери на токи проводимости. Величина удельного поверхностного сопротивления проводников, как известно, пропорциональна , поэтому с увеличением частоты добротность измерительного контура будет уменьшаться и, соответственно, увеличиваться погрешность проведения измерения. Данный измеритель, как и большинство резонансных измерителей входного сопротивления антенн (Попов О.В., Сосунов Б.В., Фитенко Н.Г., Хитров Ю.А. Методы измерения характеристик антенно-фидерных устройств. - Л.: ВАС, 1990, с. 39-46.) предполагает проведение двух циклов проведения измерений с выполнением перекоммутаций схемы для проведения измерения на каждой частоте исследуемого диапазона, что также ограничивает использование измерителей при автоматизации, и низкая помехоустойчивость проведения измерений, определяемая низкой частотной селективностью.
Из известных устройств для измерения входного сопротивления наиболее близким к заявленной полезной модели является устройство для измерения входного импеданса антенно-согласующего устройства, описанное в патенте на изобретение RU2312367C1, G01R 27/08, 10.12.2007, выбранное в качестве прототипа.
В устройстве-прототипе сигналы с датчиков тока и напряжения, подключенных к антенно-согласующему устройству, возбуждаемому генератором синусоидального сигнала на заданной частоте, поступают на два идентичных устройства преобразования и фазовый детектор, выходы устройств преобразования и выход фазового детектора через масштабный усилитель подключены к аналоговым входам аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выход которого является выходом устройства и подключен к процессору, в котором производится расчет входного сопротивления - выходной сигнал с фазового детектора пропорционален аргументу сопротивления, а отношение сигналов от устройств преобразования пропорционально модулю сопротивления.
Недостатком данного устройства является то, что данное устройство, как и вышеупомянутые, позволяет проводить измерения только на одной фиксированной частоте рабочего диапазона - частоте синусоидального генератора, а для проведения измерения в диапазоне частот требуется перестройка генератора, что увеличивает время проведения измерений в диапазоне частот и затрудняет процесс автоматизации. Другими недостатками являются: пониженная помехоустойчивость, обусловленная низкой частотной избирательностью, и то, что фазовый сдвиг между сигналами тока и напряжения определяется при помощи фазового детектора, что усложняет схему проведения измерений и требует использования дополнительного (третьего) аналогового входа АЦП.
Техническим результатом от использования предлагаемой полезной модели является сокращение времени и автоматизация процесса проведения измерений в рабочем диапазоне частот, повышение помехоустойчивости, упрощение схемы проведения измерений (исключение фазового детектора), а также возможность использования унифицированного устройства для измерения входного и взаимного сопротивления антенн.
Указанный технический результат достигается тем, что в измерителе входного и взаимного сопротивления антенн в диапазоне частот, содержащем генератор сигналов, измерители тока и напряжения и аналого-цифровой преобразователь, выход которого является выходом измерителя, генератор сигналов является управляемым генератором биполярных прямоугольных импульсов, кроме того, в измеритель дополнительно введен управляемый коммутатор, один вход которого подключен к управляемому генератору биполярных прямоугольных импульсов, а остальные - к первой и второй антеннам и измерительным устройствам тока и напряжения.
Заявленная полезная модель поясняется чертежом, представленным на фиг. 1, на котором показана структурная схема измерителя входного и взаимного сопротивления антенн в диапазоне частот.
Полезная модель, показанная на фиг. 1, состоит из управляемого генератора биполярных прямоугольных импульсов (1), выход которого подключен к управляемому коммутатору (2), к выходам которого подключены первая и вторая антенны, и измерительные устройства тока (3) и напряжения (4), выходы которых подключены к АЦП (5), выход которого является выходом измерителя.
Входящие в структурную схему измерителя входного и взаимного сопротивления антенн в диапазоне частот, представленную на фиг. 1, элементы имеют следующее назначение.
Управляемый генератор биполярных прямоугольных импульсов (1) - является управляемым источником измерительного сигнала - последовательности биполярных прямоугольных импульсов, регулируемых по частоте, скважности и амплитуде (параметры импульсов выбираются исходя из максимального гармонического состава колебаний в исследуемом диапазоне частот), которым, через управляемый коммутатор (2), возбуждается первая антенна. Существует множество вариантов реализации управляемого генератора биполярных прямоугольных импульсов (1), один из вариантов показан на фиг. 2. Предлагаемый управляемый генератор биполярных прямоугольных импульсов (1) имеет возможность управления от ПЭВМ через интерфейс USB. Управляемый генератор биполярных прямоугольных импульсов (1), приведенный на фиг. 2, состоит из преобразователя интерфейса USB-UART (1.1), выход которого подключен к генератору однополярных прямоугольных импульсов (1.2), выход которого подключен к преобразователю (1.3), выход которого подключен к выходному усилителю (1.4), который является выходом управляемого генератора биполярных прямоугольных импульсов (1), выходной усилитель (1.4) подключен к выходу ЦАП (1.5), подключаемого к ПЭВМ через интерфейс USB.
Преобразователь интерфейса USB-UART (1.1) предназначен для сопряжения генератора однополярных прямоугольных импульсов (1.2) с ПЭВМ через интерфейс USB, и является преобразователем интерфейса USB в UART с логическими уровнями ТТЛ. В качестве преобразователя интерфейса USB-UART (1.1) предлагается использовать, например, модуль PL2303HX MODULE или любой аналогичный преобразователь.
Генератор однополярных прямоугольных импульсов (1.2) является источником последовательности однополярных прямоугольных импульсов, регулируемых по частоте и скважности. В качестве генератора однополярных прямоугольных импульсов (1.2) предлагается использовать, например, модуль XY-LPWM, который построен на базе микросхемы N76E003AT20 (аналог: STM8S003F3Pb) и имеет возможность управления по UART. Диапазон регулирования частоты модуля XY-LPWM от 1 Гц до 150 кГц, коэффициент заполнения от 0 до 100%. Допускается использовать любой аналогичный модуль, например, построенный на микросхеме NE555 (аналог: КР1006 ВИ1) или на базе микросхемы CD40106 (описанный в статье М. Шустов «Генератор импульсов с независимой регулировкой частоты и скважности» // РадиоЛоцман. - 2018. - №5. - С. 52-53).
Преобразователь (1.3) предназначен для получения последовательности биполярных импульсов из последовательности однополярных. Известно множество вариантов реализации преобразователя (1.3), например, описанный в статье В. Васильев «Задающий генератор преобразователя напряжения» // Радио. - 2006. - №10. - С. 47.
Выходной усилитель (1.4) с регулировкой амплитуды выходного сигнала предназначен для получения выходного сигнала требуемой амплитуды. Регулировка амплитуды осуществляется напряжением, формируемым ЦАП (1.5). Варианты реализации выходного усилителя представлены, например, в Г.В. Войшвилло «Усилительные устройства» М.: Радио и связь, 1983.
ЦАП (1.5) - подключаемый через интерфейс USB цифро-аналоговый преобразователь, предназначенный для формирования аналогового сигнала (напряжения) управления амплитудой выходного сигнала выходного усилителя (1.4). В качестве ЦАП (1.5) можно использовать, например, модуль Е14-440 с установленным ЦАП модулем разрядностью 12 Бит и выходным напряжением от минус 5 до 5 В.
11
12
Управляемый коммутатор (2) - управляемый от ПЭВМ, через интерфейс USB, коммутатор, обеспечивающий подключение измерительных устройств тока (3) и напряжения (4) к первой или второй антеннам в зависимости от измерения входного или взаимного сопротивления антенн. Управляемый коммутатор (2), структурная схема которого приведена на фиг. 3, состоит из управляемого релейного модуля (2.1) с интерфейсом USB, к которому подключены обмотки реле К1, К2, К3, при помощи которых осуществляется подключение измерительных устройств напряжения (4) и тока (3) к первой и второй антеннам. При измерении входного сопротивления первой антенны Z измерительные устройства напряжения (4) и тока (3) подключаются к первой антенне (реле К1: нормально-разомкнутый контакт К1.2 - разомкнут; реле К2: нормально-разомкнутые контакты К2.2, К2.3 - разомкнуты, нормально-замкнутые контакты К2.4, К2.5 - замкнуты; реле К3: нормально-разомкнутые контакты К3.2, К3.3 - разомкнуты, нормально-замкнутые контакты К3.4, К3.5 - замкнуты). При измерении взаимного сопротивления связанных антенн, наводимого первой антенной во вторую - Z измерительное устройство напряжения (4) подключается ко второй антенне, а измерительное устройство тока (3) к первой (реле К1: нормально-разомкнутый контакт К1.2 - разомкнут; реле К2: нормально-разомкнутые контакты К2.2, К2.3 - разомкнуты, нормально-замкнутые контакты К2.4, К2.5 - замкнуты; реле К3: нормально-разомкнутые контакты К3.2, К3.3 - замкнуты, нормально-замкнутые контакты К3.4, К3.5 - разомкнуты). При измерении взаимного сопротивления, наводимого второй антенной в первую - Z21 измерительное устройство напряжения (4) подключается к первой антенне, а измерительное устройство тока (3) ко второй (реле К1: нормально-разомкнутый контакт К1.2 - замкнут; реле К2: нормально-разомкнутые контакты К2.2, К2.3 - замкнуты, нормально-замкнутые контакты К2.4, К2.5 - разомкнуты; реле К3: нормально-разомкнутые контакты К3.2, К3.3 - разомкнуты, нормально-замкнутые контакты К3.4, К3.5 - замкнуты). В качестве управляемого релейного модуля (2.1) можно использовать, например, USB модуль KE-USB24R, а в качестве реле K1, К2, К3 - на низких частотах, до 100 кГц, можно использовать, например, реле РНЕ 22 (на частотах выше 100 кГц, следует применять более высокочастотные реле).
ПТ
Измерительное устройство тока (3) - устройство, предназначенное для измерения тока протекающего в первой и второй антеннах с коэффициентом передачи К (f), подключаемое к антеннам при помощи управляемого коммутатора (2). В качестве измерительного устройства тока (3), например, можно использовать датчик тока LTSP 25-NP, производства LEM, с диапазоном измерения тока от минус 25 до 25 А (и частотой от 0 до 200 кГц).
ПН
Измерительное устройство напряжения (4) - устройство, предназначенное для измерения падения напряжения на зажимах первой и второй антенн с коэффициентом передачи К (f), подключаемое к антеннам при помощи управляемого коммутатора (2). В качестве измерительного устройства напряжения (4), например, можно использовать датчик напряжения CV 3-500, производства LEM, с измеряемым напряжением от минус 500 до 500 В (и частотой от 0 до 300 кГц).
АЦП (5) - аналогово-цифровой преобразователь, предназначенный для преобразования аналоговых сигналов тока и напряжения, поступающих с измерительных устройств (3) и (4), в цифровой вид (числовые последовательности данных во временной области u[n] и i[n]). В качестве АЦП можно использовать, например, модуль Е14-440, представляющий собой подключаемый через USB модуль, имеющий 16 дифференциальных входов с разрядностью 14 Бит, и суммарной частотой преобразования до 400 кГц.
Заявленная полезная модель работает следующим образом.
сиг
д
сиг
д
Возбуждение первой антенны осуществляется последовательностью биполярных прямоугольных импульсов длительностью Т от управляемого через интерфейс USB генератора биполярных прямоугольных импульсов (1), через управляемый коммутатор (2). Управляемый через интерфейс USB коммутатор (2) обеспечивает подключение измерительных устройств тока (3) и напряжения (4) к первой или второй антеннам в зависимости от требуемого режима измерения входного или взаимного сопротивления антенн. С помощью измерительных устройств напряжения (4) и тока (3), подключенных к первой и второй антеннам, производится измерение входного напряжения и тока в обеих антеннах. Сигналы с измерительных устройств поступают на, подключаемый через интерфейс USB, АЦП (5), который производит аналого-цифровое преобразование измеренных величин напряжения и тока с частотой дискретизации F в исходные числовые последовательности данных во временной области u[n] и i[n], далее исходные числовые последовательности данных во временной области через интерфейс USB поступают в ПЭВМ, где применяется быстрое преобразование Фурье для обеих последовательностей, представляющее обе величины в виде числовых последовательностей данных в частотной области U[k] и I[k], где n и k - целочисленные индексные переменные, изменяющиеся в пределах от 0 до (T⋅F-1), вычисление модуля и аргумента входного/взаимного сопротивления антенн, следующим образом:
сиг
где f = k/T - частота, на которой определяется сопротивление;
ПТ
ПН
К (f), К (f) - коэффициенты передачи измерительных устройств тока (3) и напряжения (4) соответственно;
д
- время задержки между каналами измерения тока и напряжения АЦП (5), так как опрос каналов АЦП (5) происходит последовательно с частотой 2F;
С(f) - разность фазовых сдвигов, вносимая измерительными устройствами тока (3) и напряжения (4).
ПТ
ПТ
Коэффициенты передачи измерительных устройств тока (3) К (f) и напряжения (4) К (f) и разность фазовых сдвигов С(f), вносимая этими устройствами, в общем случае имеют зависимость от частоты. Для определения этих коэффициентов передачи и разности фазовых сдвигов необходимо откалибровать измерительный тракт в исследуемом диапазоне частот на эталонное активное сопротивление и занести полученные результаты в память ПЭВМ (калибровка измерительного тракта проводится однократно). Применение в качестве измерительных устройств датчиков, предлагаемых в заявленной полезной модели, позволяет пренебречь частотными зависимостями коэффициентов передачи и разности фазовых сдвигов при проведении измерений в рабочем диапазоне частот антенн.
Последовательность биполярных прямоугольных импульсов, в качестве измерительного сигнала возбуждающего исследуемую антенну, выбрана исходя из того, что данная последовательность имеет наибольшее количество гармонических составляющих в исследуемом диапазоне частот, что позволяет проводить измерения не только на несущей частоте, но и на высших гармониках измерительного сигнала.
Пример формы и спектрального состава импульсов напряжения и тока при работе управляемого генератора биполярных прямоугольных импульсов (1) на антенну низкочастотного диапазона на частоте 8 Гц, имеющую в рабочем диапазоне частот (8 - 200 Гц) входное сопротивление индуктивного характера, приведены на фиг. 4 (форма импульсов напряжения и тока), фиг. 5 (спектральный состав импульсов напряжения) и фиг. 6 (спектральный состав импульсов тока). Из рисунков видно, что при работе управляемого генератора биполярных прямоугольных импульсов (1) на антенну индуктивного характера форма импульсов тока приближается к треугольной, и что, даже при такой форме измерительного сигнала, амплитуд гармонических составляющих кратных частоте сигнала 8 Гц (нечетные гармоники) достаточно для проведения измерения в рабочем диапазоне частот антенны 8 - 200 Гц.
В приведенном примере, при измерении входного сопротивления антенны в диапазоне частот от 8 до 200 Гц, при проведении измерений, выбирались следующие значения параметров:
д
F = 400 Гц - удвоенная (из-за эффекта симметрии спектра) максимальная частота исследуемого диапазона;
сиг
Т = 1/8 с - величина обратная частоте генератора (разрешающая способность по частоте при этом будет 8 Гц, измерения будут проводиться только на частотах кратных 8 Гц - частоте генератора и гармониках);
сиг
д
N = T⋅F = 50 - объем выборки;
n и k - изменяются от 0 до N-1 (от 0 до 49).
При этом максимальная частота исследуемого диапазона будет равняться (8⋅(N-l))/2 Гц = 196 Гц, а в действительности 192 Гц (частота кратная 8 Гц, 24-я гармоника), а с учетом того, что в спектре биполярной прямоугольной последовательности импульсов присутствуют только нечетные гармоники, то для проведения измерений в диапазоне до 200 Гц (25-я гармоника) частоту дискретизации следует выбирать равной 408 Гц.
Применение в качестве измерительного сигнала, возбуждающего первую антенну, последовательности биполярных прямоугольных импульсов и указанного алгоритма обработки данных позволяют проводить измерение входного/взаимного сопротивления антенн в широком диапазоне частот (на несущей частоте и высших гармониках сигнала) за один цикл (одно измерение) без изменения частоты управляемого генератора биполярных прямоугольных импульсов (1) и перекоммутации схемы.
Применение управляемого коммутатора (2) позволяет использовать заявленную полезную модель для измерения входного и взаимного сопротивления антенн.
Таким образом, заявленная полезная модель позволяет сократить время проведения измерений входного/взаимного сопротивления антенн в рабочем диапазоне частот до режима «реального» (с задержкой на запись выборки и обработку данных) времени. Применение быстрого преобразования Фурье при обработке данных позволяет повысить частотную избирательность (селективность) измерений по сравнению с аналогичными устройствами и, соответственно, повысить помехоустойчивость проведения измерений. Заявленная полезная модель позволяет упростить схему проведения измерений, автоматизировать процесс проведения измерений и унифицировать устройство для проведения измерений входного и взаимного сопротивлений антенн.