АНТЕННО-СОГЛАСУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫМ МЕТОДОМ НАСТРОЙКИ

Настоящая полезная модель относится к радиоэлектронике, а именно к антенно-фидерным устройствам коротковолнового диапазона, и предназначена для компенсации отклонений входного импеданса антенны от значения, при котором обеспечивается оптимальный режим работы усилителя мощности радиопередающего устройства (РПДУ).
Известны антенно-согласующие устройства (АнСУ) с поисковым (патент РФ на изобретение №2282284) и измерительно-вычислительным методом настройки (патенты РФ на полезную модель №78999, №114244). К числу недостатков АнСУ с поисковым методом настройки можно отнести следующее: низкое быстродействие, обусловленное необходимостью перекоммутации элементов согласующего контура после каждой итерации настройки, а также снижение ресурса коммутационных реле при обеспечении перебора. В настоящее время с разработкой различных видов связи, в том числе и для организации помехо- и разведзачищенных радиолиний, актуальной является задача повышения быстродействия АнСУ. Наиболее перспективными для решения этой задачи являются АнСУ с измерительно-вычислительным методом настройки. Один из возможных вариантов устройств такого типа описан в патенте РФ на полезную модель №78999. Для определения параметров согласующих элементов в данном устройстве используются данные таблиц значений активной и реактивной составляющей входного сопротивления длинной линии при различной электрической длине, а также массив отсчетов мгновенных значений тестового сигнала на входе аттенюатора и втором входе коммутатора, измеряемый во время настройки. Быстродействие данного устройства существенно выше, чем у устройств с поисковым методом настройки, однако при этом основная часть времени, необходимого на настройку, тратится на накопление массива отсчетов, что оставляет возможность для дальнейшего повышения быстродействия путем отказа от накопления массива отсчетов и осуществления настройки по результатам однократного измерения.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является антенно-согласующее устройство по патенту РФ на полезную модель №114244, принятое за прототип.
Прототип содержит согласующий контур, образованный длинной линией с дискретно коммутируемой длиной и магазином конденсаторов, шунтирующих вход длинной линии, коммутатор, микроконтроллер, первый, второй, третий, четвертый и пятый буферные каскады, первый, второй, третий, четвертый и пятый детекторы, а также первый, второй и третий измерительные участки, каждый из которых представляет собой последовательное соединение резистора и отрезка длинной линии, т.е. первый резистор и первый отрезок длинной линии образуют первый измерительный участок, второй резистор и второй отрезок длинной линии - второй и т.д. Выход коммутатора подключен к входу согласующего контура. Портом управления является первый последовательный порт микроконтроллера, при этом выходы первого, второго и третьего параллельных портов подключены к соответствующим управляющим входам согласующего контура и коммутатора. Первый, второй, третий, четвертый и пятый буферные каскады последовательно соединены с одноименными детекторами. Напряжения с детекторов, подключенных через буферные каскады к контрольным точкам, поступают на одноименные аналого-цифровые входы микроконтроллера, при этом с выхода первого детектора на первый вход аналого-цифрового порта микроконтроллера подается напряжение Ua, с выхода второго детектора - на второй вход аналого-цифрового порта напряжение Ub, с выхода третьего детектора - на третий вход аналого-цифрового порта напряжение Uab, с выхода четвертого детектора - на четвертый вход аналого-цифрового порта напряжение Uab1, с выхода пятого детектора - на пятый вход аналого-цифрового порта напряжение Uab2. Вторые выводы резисторов первого и второго измерительных участков соединены со вторым входом коммутатора, третий вход которого подключен к свободному концу отрезка длинной линии первого измерительного участка и к первым входам первого, третьего, четвертого и пятого буферных каскадов. Свободные концы отрезков длинных линий второго и третьего измерительных участков соединены между собой и подключены к первому входу второго и второму входу третьего буферных каскадов. Точки соединения отрезка длиной линии и резистора второго и третьего измерительных участков подключены ко вторым входам четвертого и пятого буферных каскадов соответственно, а второй вывод резистора третьего измерительного участка и вторые входы первого и второго буферных каскадов заземлены. При этом радиочастотным входом и радиочастотным выходом являются соответственно первый вход коммутатора и выход согласующего контура.
Функционально первый, второй и третий измерительные участки представляют собой высокочастотный (ВЧ) датчик, предназначенный для измерения напряжений, используемых для определения параметров тракта и номиналов элементов согласующего контура, необходимых для обеспечения согласования. При этом ВЧ-датчик совместно с буферными каскадами и детекторами представляет собой измерительный блок, подключаемый к тракту посредством коммутатора при получении команды на согласования от вышестоящей системы управления ΡПДУ и отключаемый из тракта после окончания процедуры согласования.
Недостатком прототипа является необходимость затрачивать производить подключение/отключение измерительного блока, что приводит к дополнительным временным затратам на обеспечение коммутации и снижает быстродействие устройства.
Основной технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое устройство, является повышение быстродействия АнСУ.
Для этого в АнСУ, содержащее согласующий контур, образованный длинной линией с дискретно коммутируемой длиной и магазином конденсаторов, шунтирующих вход длинной линии, цифровой микроконтроллер, высокочастотный датчик, первый и второй резисторы, первый, второй, третий, четвертый и пятый буферные каскады и детекторы по числу буферных каскадов, при этом первый, второй, третий, четвертый и пятый буферные каскады последовательно соединены с одноименными детекторами, выходы которых подключены к одноименным входам аналого-цифрового порта микроконтроллера, первый последовательный порт которого является портом управления, а выходы первого и второго параллельных портов которого подключены к соответствующим управляющим входам согласующего контура, выход которого является радиочастотным выходом устройства, при этом второй вход первого буферного каскада заземлен, введены шестой детектор, шестой и седьмой буферный каскады, первый, второй и третий конденсаторы и линия задержки, при этом высокочастотный датчик выполнен в виде трансформатора, первый вывод первичной обмотки которого соединен с первым выводом второго конденсатора и радиочастотным входом устройства, а второй вывод первичной обмотки - с первым выводом первого конденсатора, при этом первый вывод вторичной обмотки соединен с первым выводом первого резистора, первыми входами четвертого и шестого и вторым входом второго буферных каскадов, второй вывод вторичной обмотки - со входом согласующего контура, вторыми выводами первого резистора и первого и второго конденсаторов, а также с первыми выводами второго резистора и третьего конденсатора и первыми входами первого и второго буферных каскадов, а третий вывод вторичной обмотки - со вторым выводом второго резистора, первым входом третьего и вторым входом шестого буферных каскадов, к первому входу седьмого буферного каскада подключен выход линии задержки, а ко второму - выход четвертого и первый вход пятого буферных каскадов, при этом второй вход пятого буферного каскада подключен к выходу шестого буферного каскада и входу линии задержки, а выход седьмого буферного каскада соединен со входом шестого детектора, выход которого подключен к одноименному входу аналого-цифрового порта микроконтроллера, при этом вторые входы третьего и четвертого буферных каскадов заземлены.
Структурная схема предлагаемого устройства изображена на фиг. 1.
Антенно-согласующее устройство с измерительно-вычислительным методом настройки содержит согласующий контур 1, образованный длинной линией 2 с дискретно коммутируемой длиной и магазином конденсаторов 3, шунтирующих вход длинной линии 2, цифровой микроконтроллер 4, высокочастотный датчик 5, два резистора 6(1) и 6(2), семь буферных каскадов 7(1)…7(7), шесть детекторов 8(1)…8(6), три конденсатора 9(1)…9(3) и линию задержки 10. Первый 7(1), второй 7(2), третий 7(3), четвертый 7(4) и пятый 7(5) буферные каскады последовательно соединены с одноименными детекторами 8(1)…8(5), выходы которых подключены к одноименным входам аналого-цифрового порта микроконтроллера 4, первый последовательный порт которого является портом управления, а выходы первого и второго параллельных портов которого подключены к соответствующим управляющим входам согласующего контура 1, выход которого является радиочастотным выходом устройства. При этом высокочастотный датчик 5 выполнен в виде трансформатора, первый вывод первичной обмотки которого соединен с первым выводом второго конденсатора 9(2) и радиочастотным входом устройства, а второй вывод первичной обмотки - с первым выводом первого конденсатора 9(1), в то время как первый вывод вторичной обмотки соединен с первым выводом первого резистора 6(1), первыми входами четвертого 7(4) и шестого 7(6) и вторым входом второго 7(2) буферных каскадов, второй вывод вторичной обмотки - со входом согласующего контура 1, вторыми выводами первого резистора 6(1) и первого 9(1) и второго 9(2) конденсаторов, а также с первыми выводами второго резистора 6(2) и третьего 9(3) конденсатора и первыми входами первого 7(1) и второго 7(2) буферных каскадов, а третий вывод вторичной обмотки - со вторым выводом второго 6(2) резистора, первым входом третьего 7(3) и вторым входом шестого 7(6) буферных каскадов. К первому входу седьмого 7(7) буферного каскада подключен выход линии задержки 10, а ко второму - выход четвертого 7(4) и первый вход пятого 7(5) буферных каскадов. При этом второй вход пятого 7(5) буферного каскада подключен к выходу шестого 7(6) буферного каскада и входу линии задержки 10, а выход седьмого 7(7) буферного каскада соединен со входом шестого 8(6) детектора, выход которого подключен к одноименному входу аналого-цифрового порта микроконтроллера, при этом вторые входы первого 7(1), третьего 7(3) и четвертого 7(4) буферных каскадов заземлены.
В предлагаемом устройстве буферные каскады 7(1)…7(7) и детекторы 8(1)…6(6) могут быть выполнены с использованием микросхемы фирмы Analog Device, например, AD8099 или AD8054. Для организации математических вычислений и осуществления управления, могут быть применены микроконтроллеры фирмы Freescale, в частности, микроконтроллер MC9S12DT256CPVE.
Длинная линия линий с дискретно коммутируемой длиной 2 содержит длинные линии различной электрической длины, при этом каждая линия с помощью вакуумных переключателей может быть подключена последовательно к остальным линиям или отключена от них, таким образом, суммарная электрическая длина линий может меняться ступенями.
Магазин конденсаторов 3 выполнен в виде набора емкостей, соединенных в самостоятельные узлы, подключаемые с помощью вакуумных переключателей.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом:
1
2
1
6
Изначально параметры согласующего контура 1 установлены следующим образом: длинная линия 2 с дискретно коммутируемой длиной состоит из одного отрезка длинной линии с наименьшей длиной, к ее входу из магазина конденсаторов 3 подключен элемент с наименьшим значением емкости. В память микроконтроллера 4 заранее внесены используемые в расчетах константы (π, k и т.п.). После получения от вышестоящей системы управления РПДУ на осуществление настройки на радиочастотный вход устройства подается сигнал с выхода усилителя мощности (на фиг. 1 не показан), при этом на порт управления микроконтроллера 4 поступают данные о текущем значении рабочей частоты. Напряжения с детекторов 8(1)…8(6) поступают на одноименные аналого-цифровые входы микроконтроллера 4, при этом с выхода детектора 8(1) на первый вход аналого-цифрового порта микроконтроллера 4 подается напряжение U, с выхода детектора 8(2) на первый вход аналого-цифрового порта микроконтроллера 4 подается напряжение U и т.д. Микроконтроллер 4 осуществляет оцифровку и запоминание напряжений U…U и производит следующие вычисления:
1) Коэффициента стоячей волны (КСВ) в тракте в соответствии со следующей формулой:
3
4
где U, U - амплитуды измеренных напряжений, В.
2) Фазы ψ полного комплексного сопротивления антенны в соответствии со следующей формулой:
1
2
3
4
5
6
где U, U, U, U, U, U - амплитуды измеренных напряжений, В.
3) Модуля  полного комплексного сопротивления антенны в соответствии со следующей формулой:
где
л
Z - волновое сопротивление линии, Ом;
1
2
3
4
5
6
U, U, U, U, U, U - амплитуды измеренных напряжений, В;
ψ - фаза полного комплексного сопротивления антенны, °
4) Полного комплексного сопротивления антенны  в соответствии со следующей формулой:
где  - модуль полного комплексного сопротивления антенны;
Ψ - фаза полного комплексного сопротивления антенны, °.
5) Преобразованного после прохождения согласующего контура комплексного сопротивление антенны  в соответствии с формулой:
где f - рабочая частота, МГц;
C - емкость конденсатора согласующего контура, Ф;
L - суммарная длина отрезков длинных линий согласующего контура, м;
k - волновое число;
л
Z - волновое сопротивление линии, Ом.
6) Номиналов элементов согласующего контура (длины отрезка длинной линии (L) и величины емкости конденсатора (C)), необходимых для обеспечения согласования, для чего помощью известных численных методов производится решение системы уравнений:
По окончании вычислений микроконтроллер 4 выдает команды на подключение элементов длинной линий 2 с дискретно перестраиваемой длиной и магазина конденсаторов 3 с номиналами, наиболее близкими к вычисленным значениям L и C.
Предлагаемое устройство по сравнению с устройством-прототипом обладает следующими преимуществами:
- в предлагаемом устройстве ВЧ-датчик является частью фидерного тракта, что исключает необходимость проведения дополнительных подключений и позволяет повысить быстродействие предлагаемого устройства по сравнению с прототипом на 10 мс;
- повышена точность обеспечиваемого согласования, так как в конструкции измерительной части предлагаемого устройства отсутствуют отрезки длинных линий, которые на практике вносят наибольший вклад в погрешность измерений.