Способ последовательного согласования импедансов в диапазоне дискретных частот

 

Способ последовательного согласования импедансов в диапазоне дискретных частот относится к радиосвязи и технике СВЧ и может быть использован при согласовании антенны и передатчика (приемника ), эквивалентов антенн и фильтрующих устройств. Целью изобретения является упрощение согласования при одновременном расширении класса согласуемых импедансов . Между согласующими элементами 1 и 2 со стороны входа и выхода включают 2N гальванически соединенных независимых постоянных реактивных элементов 3 типа L, С, где N - число дискретных частот, и один элемент 4 с переменным импедансом, который включают между Третьим и четвертым, считая от входа, независимыми постоянными реактивными элементами. Значения всех элементов типа L, С определяют по соотношениям, приведенным в формуле изобретения, и осуществляют согласование путем изменения импеданса элемента 4 с переменным импедансом. 3 ил. сл С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 Н 01 Р 1/00, Н 03 J 3/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг,1

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4766552/09 (22) 04.12.89 (46) 30.11.92. Бюл. Рв 44 (71) Воронежское конструкторское бюро радиосвязи (72) А. А. Головков, Ю. Б. Нечаев и Н. Н, Винокурова (56) 1. Проектирование радиопередающих устройств с применением 3B M / Под ред. О.

В..Алексеева, М.: Радио и связь, 1987, с.

82-113.

2. Проектирование радиопередающих устройств/ Под ред В. В. Шахгильдяна. М.:

Радио и связь, 1984, с. 90, 216 — 217. (54) СПОСОБ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СОГЛАСОВАНИЯ ИМПЕДАНСОВ В ДИАПАЗОНЕ ДИСКРЕТНЫХ ЧАСТОТ (57) Способ последовательного согласования импедансов в диапазоне дискретных частот относится к радиосвязи и технике

„„5U 1778827 А1.СВЧ и может быть использован при согласовании антенны и передатчика (приемника), эквивалентов антенн и фильтрующих устройств. Целью изобретения является упрощение согласования при одновременном расширении класса согласуемых импедансов. Между согласующими элементами 1 и 2 со стороны входа и выхода включают 2N гальванически соединенных независимых постоянных реактивных элементов 3 типа, С, где N — число дискретных частот, и один элемент 4 с переменным импедансом, который включают между 1 ретьим и четвертым, считая от входа, независимыми постоянными реактивными. элементами. Значения всех элементов типа L, С определяют по соотношениям, приведенным в формуле изобретения, и осуществляют согласование путем изменения импеданса элемента 4 с переменным импедансом. 3 ил.

1778827 стороны входа и согласуемым элементом со стороны выхода включают постоянные ре- 30

Изобретение относится к радиосвязи и технике СВЧ и может быть использовано при проектировании согласующих устройств нагрузки и линии передачи, в частности антенны и передатчика (приемника), а также эквивалентов антенн и фильтрующих устройств.

Известен способ последовательного согласования импедансов (1), заключающийся в том, что между согласуемым элементом со стороны входа и согласуемым элементом со стороны выхода включают постоянные реактивные элементы, выбирают количество и значения элементов типа ), Ср:.схемы согласующего устройства из условйя идеального согласования импедансов на фиксированной частоте и изменяют вручную значения этих элементов при изменении частоты.

Недостатками способа являются низкая скорость (большое время) переключения, связанная с переключением вручную, и узость класса согласуемых импедансов, обусловленная методологией выбора количества и значений элементов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному является способ, заключающийся в том, что между согласуемым элементом со активные элементы, выбирают количество и значения элементов типа L, С из условия согласования импедансов, один из которых чисто активный и не зависит от частоты, на фиксированной частоте и автоматически изменяют, значения этих элементов при необходимости согласования на любой из рабочих частот согласования (2).

Несмотря на автоматическое изменение элементов, этому способу также присуща малая скорость переключения, т.к. в качестве изменяемых элементов выбраны .элементы типа L, С, что предполагает наличие в схеме электромеханического или электрического реле, а время их переключений составляет доли и единицы секунд. При применении в прототипе быстродействующих переключателей (например, на р-i-пдиодах) время переключения значительно уменьшается. Однако в данном случае (при применении р-i — и-диодов) их количество должно быть не меньше количества N частот, так как возникает необходимость последовательного подключения согласующих устройств, что ведет к усложнению способа. Кроме того, из-за недостаточно развитой методологии выбора количества и значений элементов способ позволяет согласовать импедансы, один из

20 которых чисто активный и не зависит от частоты.

Целью изобретения является упрощение согласования при одновременном расширении класса согласуемых импедансов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе последовательного согласования импедансов в диапазоне дискретных частот, заключающемся в том, что между согласуемым элементом со стороны входа и сагласуемым элементом со стороны выхода включают гальванически соединенные независимые постоянные реактивные элементы в количестве-2N, где N — количество дискретных частот; между третьим и четвертым независимыми постоянными реактивными элементами от согласуемого элемента со стороны входа включают элемент с переменным импедансом, при этом входной импеданс 2N независимых постоянных реактивных элементов, элемента с переменным импедансом и согласуемого элемента со стороны выхода определяют по соотношению Евх = (aW) + )Ä/(1 + )) Ю)), где

a, P, y действительные коэффициенты, зависящие от первых от согласуемого элемента со стороны входа трех постоянных независимых реактивных элементов и равные:

P,p, 1Л„, X,) R, И, p I R (n„, @,+y,- ), к,/ф,; ф!л -р gл)()ф g ),R,(,t Хр-ХiI

Wj = ц + i vj — входной импеданс 2N — 3 независимых постоянных реактивных элементов, начиная с 4-го от согласуемого элемента со стороны входа независимого постоянного реактивного элемента, элемента с переменным импедансом и согласуемого элемента со стороны выхода, причем

rj u q определяются из следующих равенств: где R) — Х) — действительные и мнимые составляющие согласуемого импеданса со стороны входа, j — индекс, определяющий номер частот, и осуществляют согласование

1778827 путем изменения импеданса элемента с переменнымм импедансом.

На фиг. 1 приведена схема согласующего устройства, реализующего предлагаемый способ последовательного согласования иимпедансов íà N частотах; на фиг. 2 — то же, на двух частотах; на фиг. 3 приведены типичные дискретные зависимости входного импеданса согласующего устройства в месте включения изменяемого элемента и согласуемого импеданса частоты, Устройство содержит импедансы 1, 2, 2N неуправляемых элементов 3 типа L, С, один управляемый элемент 4, например варикап ГА402Г, а также управляющее устройство 5. Управляемый элемент 4 включен параллельно или последовательно между произвольным образом расположенными первыми тремя от входа согласующего устройства неуправляемыми элементами 3 и остальными 2N-3 элементами 3 и подключен к выходу управляющего устройства 5, связанного с источником 6 сигнала с частотой согласования.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Согласующее устройство (фиг. 1), включенное между двумя импедансами 1 и 2, которые необходимо согласовать благодаря указанному выбору количества и значений элементов 3 типа L, С и места включения управляемого элемента 4 при одном уровне сигнала управляющего устройства 5 обеспечивает согласование импедансов 1 и 2 на одной фиксированной частоте и, например в1 . При изменении частоты сигнала источником 6 управляющее устройство 5 изменяет ток (напряжение) сигнала управляющего . устройства 5 до значения, обеспечивающего значение импеданса диода, которое использовалось для определения значений

2N-3 элементов с индексом )=2, при этом обеспечивается согласование импедансов

1,2 на частоте cuz ит.д.

Покажем справедливость этих положений. Воспользуемся для этого методом определения минимального количества параметров управляемых СВЧ-устройств . их значений, при которых обеспечивается согласование (см. Михайлов Г. Д., Головков

А. А. Синтез активно-пассивной плоскослоистой среды с переключаемым коэффициентом отражения. — Радиоэлектроника, 1987, М 2, с. 39-45)..Представим входной импеданс согласующего устройства в виде дробно-линейного преобразования (можно показать, что это справедливо для любых электрических схем): а Ю + i (5) вч 1+1 где a, P, у — действительные коэффициенты, зависящие от значений первых трех элементов 3 типа L, С, включенных в схему между диодом и выходом согласующего устройства:

Запишем условие согласования произвольных импедансов 2н2 и Z =RJ |X 1/Z

1О импеданс, подключенный ко входу согласующего устройства на фиксированной частоте а

ReZexRJl l AlZexX1 ° Р)

Подставляя (5) в (7), получим соотношение. а=(Ц.-Х1)У+ Е1, P=F>y+D>+X>, (8) где D = — у) Rj/rj, Е1 = и lг1, Fj = R) (г + vf)/ю).

Система уравнений (8) означает, что для обеспечения согласования импедансов 2 2н и Z на фиксированной частоте и необхо1 димо и достаточно наличие в схеме согласующего устройства двух независимых

25 параметров типа L, С; удовлетворяющих этой системе. Если имеются M параметров, то значения любых двух из них должны быть решениями этой системы, а остальные М-2 могут быть выбраны произвольным обра3О зом, например, использованы для обеспечения согласования на других частотах при переключении диода.

Очевидно, что для выполнения условий согласования (8) последовательно на N час35 татах достаточно, чтобы коэффициенты

Q P,y принимали одинаковые значения на этих частотах.

Приравняем правые части выражения (8) при)=1 последовательно с правыми час4р тями при J=2, 3...N. Получим систему 2N-3 независимых уравнений

У=(Е1 — Е 1)(01-01+X — Х 1)=

=(0(-01+Х)-Х1)(Р1-F)), (9)

45 которые сводятся к следующей системе: <(X, ;) «. ;()(,-,, ° =Q )=5 q „g (1>,Q > I K„(u>)=0; j=e,9... М где

К, (г>ц) = 81/ I + rI>/S1+ (Xj Х1))г/Р1 В частотные свойства согласующего устройства и импеданса Z1, определяющие закон дискретного изменения импеданса от частоты, Таким образом, из формул (10), (11) следует, что для обеспечения заданных условий согласования на N частотах необходимо, чтобы частотные качества согласующего устройства по любым двум из N произвольно выбранным частотам были равны. При этом у определяется через одну иэ равнозначных дробей, входящих в (9) при j=const, например:

y =-(E — Е 1)/(01-Dг+Хг-X 1) (12) а а, Р - из (8) при J=-соим.

Полученная систел1а 2й уравнения (8), (10), (11), (12) означает, что для обеспечения согласования произвольных импедансов последовательно на И частотах необходимо и достаточно наличие в схеме переключательного согласующего устройства 2N параметров типа L, С, удовлетворяющих этой системе. Причем значения трех параметров, располагаемых между входом и диодом, определяются из решения системы уравнений (8}, (12), а значения остальных 2N — 3 параметров — из решения системы уравнений (10), (11), При ограничении класса согласуемых импедансов число полученных уравнений сокращается. Например, если BI-=const u

Х;=О, т.е. импеданс эквивалентной нагрузки чисто активный и не зависит от частоты, то уравнение (11) означает, что входной импеданс согласующего устройства в сечении 2—

2 также не должен зависеть от частоты (законы изменения импеданса от частоты одинаковы). Уравнения (10) при этом выполняются автоматически, Это означает, что в случае согласования произвольного импеданса с активным сопротивлением, не зависящим от частоты, между диодом и выходом согласующего устройства должно быть не менее N — 1 параметров L, С или всего N+2 параметров, Этот случай теоретически имеет место, например, при согласовании антенны и передатчика, когда обычно полагают волновое сопротивление передатчика не зависящим от частоты и чисто активным. Однако, как показывают эксперименты, и в этом случае волновое сопротивление также зависит от частоты, Кроме того, если случай В =const, X =0 действительно имеет место, то все равно для практики бывает часто необходимым обеспечение на каждой из N частот требуемого КСВФ1, т.е. необходимо в выражениях полагать R

2N параметров.

По описанному алгоритму были рассчитаны значения параметров схемы (фиг. 3), обеспечивающей при переключении тока диода КА 535Б, последовательное согласование на двух (N=2) частотах нормированных импедансов ZH=0.8-I 2,6 (f1=34 МГц) и

Z =1,6-I0,3 (тг=56 МГц) с импедансом

Z =1,05+I0,1 на частоте f1 и Z =0,9+l0,06 на частоте 1г.

Выражения для определения параметров оказались следующие:

L1 =-(а+,Ву+Я/ш 3у; С1 =-1/вф;

Сг =уф/вф(вф+ ма), а значение 1г находилось из выражения: г

-"+" + -- -,, <1 t2 гн и1г где t =гд+ г „+ (а> (г + Х„)г

30 .р у +rнcu -г+Хнcu =г си1г+Хи г

r и + (г > -г + X„) гд+1Хд — импеданс р — I — n-диода на соответствующих частотах.

Значения параметров схемы получи35 лись следующие:

С1=-4,056 10 Ф; L1=1,0506 10 Гн;

Сг=8,405 10 Ф; M=1,576 10 7 Гн;

Быстродействие переключения современных р — — n-диодов составляет единицы

40 микросекунд(см. М. С. Гусятинер, А. № Горбачев, Полупроводниковые сверхвысокочастотные диоды. — M. Радио и связь, 1983, с.

1И-142).

Для обеспечения последовательного

45 согласования на двух частотах по способупрототипу необходимо переключать одновременно .два параметра (, С, т.е, необходимо иметь два блока по два параметра в каждом, что обуславливает исполь50 эование электромеханических реле с быстродействием, равным примерно десятым долям секунды. При использовании в прототипе быстродействующих переключателей на р-1-и-диодах их количество должно

55 быть равно 2, что усложняет схему управления. Способ-прототип позволяет определить значения параметров только в случае, когда один из согласуемых импедансов чисто активный.

1778827

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить согласование произвольных импедансов последовательно на произвольном количестве N частот с помощью одного согласующего устройства вместо N блоков путем переключения одного диода вместо N переключений блоков, что существенно упроща-, ет согласование и расширяет класс согласующих импедансов.

Формула изобретения

Способ последовательного согласования импедансов в диапазоне дискретных частот, заключающийся в том, что между согласуемым элементом со стороны входа и согласуемым элементом со стороны выхода включают постоянные реактивные элементы, о т л и ч а- ю шийся тем, что, с целью упрощения согласования при одновременном расширении класса согласуемых импедансов, включают гальванически соединенные независимые постоянные реактивные элементы в количестве 2N, где N — количество дискретных частот, между третьим и четвертым независимыми постоянными реактивными элементами от согласуемого элемента со стороны входа включают элемент с переменным импедансом, при этом входной импеданс 2N независимых постоянных реактивных элементов, элемента с переменным импедансом и согласуемого элемента со стороны выхода определяют по соотношению

2,„=(аЩ+!Д/(1 +! уЩ), где aP, g- действительные коэффициенты, зависящие от.первых от согласуемого элемента со стороны входа трех постоянных независимых реактивных элементов и равные

ЧЧ1 =rj + fg- входной импеданс 2N-3

10 независимых постоянных реактивных элементов, начиная с 4-го от согласуемого элемента со стороны входа независимого постоянного реактивного элемента. элемента с переменным импедансом и согласуемо18 го элемента со стороны выхода, причем т) и 11 определяются из следующих равенств:

30 где R, -Х1 — действительные и мнимые составляющие согласуемого импеданса со стороны входа: ) — индекс, определяющий номер частоты, и осуществляют согласова-.

36 ние путем изменения импеданса элемента с переменным импедансом.

1778827

Составитель А,Головков

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М.Петрова

Редактор Т.Орловская

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4197 Тираж Подписное

ВНИИПИ Гасударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5