Устройство и способ согласования радиопередающего антенно-фидерного тракта с антеннами различных типов

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенно-фидерным устройствам декаметрового и метрового диапазонов. Технический результат заключается в обеспечении возможности согласования радиопередающего антенно-фидерного тракта с антеннами различных типов, сокращение времени настройки, регулировки и отладки АСУ при замене/изменении на объекте типа антенны, а также улучшение КСВ в антенно-фидерном тракте. В универсальном антенном согласующем устройстве, выполненном на основе согласующего контура распределенного типа, индуктивности соединены последовательно, а между ними параллельно включено по три емкости с возможностью их коммутации посредством устройства управления на основе сравнения по заданному алгоритму напряжений в соседних плечах каждого звена согласующего контура, дополнительно введены работающий в другом поддиапазоне рабочего диапазона частот второй аналогичный по структуре согласующий контур распределенного типа, два высокочастотных реле Р1 и Р2 на входе и выходе устройства и работающие в разных поддиапазонах рабочего диапазона частот два узла предварительной настройки. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно, к антенно-фидерным устройствам декаметрового и метрового диапазонов.

Известно автоматическое фильтросогласующее устройство [1,2], органами настройки которого являются отрезки длинной линии и конденсатор. По показаниям датчика активной составляющей проводимости и датчика фазы, устройство управления увеличивает электрическую длину отрезков длинной линии до тех пор, пока активная составляющая проводимости на входе согласующего устройства и активная составляющая проводимости нагрузки не уравняются, при индуктивном характере реактивной проводимости нагрузки. Далее увеличивается электрическая длина отрезка длинной линии, а также емкость конденсатора до тех пор, пока полностью не компенсируется индуктивная составляющая проводимости нагрузки. Получается комплексно-сопряженное согласование, точность согласования зависит только от погрешности показаний датчиков антенного согласующего устройства (АСУ) и не зависит от величины коэффициента стоячей волны (КСВ) АСУ. Конструкция такого АСУ достаточно сложна, содержит датчики фазы и проводимости, от точности настройки которых зависит фактически вся работа АСУ, требует большого количества высокочастотных коммутирующих элементов.

Известно АСУ [3], включающее два дискретных переменных органа настройки с распределенными параметрами - длинную линию и разомкнутый на конце шлейф с электрической длиной меньше четверти длины волны. Настройка данного АСУ осуществляется по датчикам фазы и активной составляющей проводимости, подключенным к входу АСУ. Однако такое АСУ имеет сложный алгоритм настройки и не рассчитано на работу с разными типами антенн.

Известно адаптивное антенное согласующее устройство [4], выполненное на основе согласующего контура, в котором индуктивности соединены последовательно, а между ними параллельно включено по три конденсатора с начальной, минимальной, максимальной емкостями, с возможностью их коммутации посредством схемы управления на основе сравнения по заданному алгоритму напряжений в соседних плечах каждого звена согласующего контура, которая осуществляется на компараторах, имеющих отрицательный порог срабатывания для подключения конденсаторов с начальной и минимальной емкостям и положительный порог срабатывания для подключения конденсаторов с максимальной емкостью, а между последним звеном и нагрузкой включен широкополосный согласующий контур (ШСК) [4]. Это устройство взято за прототип предлагаемого устройства.

Основным недостатком прототипа является то, что устройство предназначено для работы только с антенной одного (индуктивного или емкостного) типа, а переход на другой тип антенны требует перезагрузки программного обеспечения в устройстве управления и подключения другого ШСК, что является трудоемким процессом и требует значительных затрат времени.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение возможности согласования радиопередающего антенно-фидерного тракта с антеннами различных типов, сокращение времени настройки, регулировки и отладки АСУ при замене (изменении) на объекте типа антенны, а так же улучшение КСВ в антенно-фидерном тракте.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство для согласования радиопередающего антенно-фидерного тракта с антеннами различных типов, выполненное на основе согласующего контура распределенного типа, в котором индуктивности L1(i) соединены последовательно, а между ними параллельно включено по три емкости С1, С1_min, С1_max, с возможностью их коммутации посредством устройства управления на основе сравнения по заданному алгоритму напряжений в соседних плечах каждого звена согласующего контура, параллельно имеющемуся согласующему контуру введен коммутируемый посредством входного и выходного высокочастотных реле Р1, Р2 и работающий в другом поддиапазоне рабочего диапазона частот второй, аналогичный по структуре, согласующий контур распределенного типа, в котором индуктивности L2(i) соединены последовательно, а между ними параллельно включено по три емкости С2, C2_min, С2_mах, с возможностью выбора и коммутации контуров и емкостей посредством устройства управления на основе сравнения по заданному алгоритму напряжений в соседних плечах каждого звена согласующего контура, дополнительно введены подключенные к выходному реле Р2 два узла предварительной настройки, выбор и коммутация элементов которых осуществляется также посредством устройства управления, входное высокочастотное реле Р1 подключено к входному разъему, предназначенному для подключения передающего устройства, а выходное реле Р2 подключено к выходному разъему, предназначенному для подключения антенн различных типов.

Указанный технический результат достигается тем, что способ согласования радиопередающего антенно-фидерного тракта с антеннами различных типов с использованием устройства, включающего в себя устройство управления, два высокочастотных реле Р1 и Р2 на входе и выходе устройства, работающие в разных поддиапазонах рабочего диапазона частот два узла предварительной настройки и два согласующих контура распределенного типа, в которых индуктивности соединены последовательно, а между ними параллельно включено по три емкости, включает в себя этапы, на которых:

а) производят предварительную настройку устройства, для чего получают от передающего устройства информацию о рабочей частоте и характере реактивности импеданса антенны объекта, с последующим выбором и коммутацией соответствующего узла предварительной настройки и согласующего контура распределенного типа, а также коммутацией элементов узла предварительной настройки по команде от устройства управления;

б) производят окончательную настройку устройства, для чего настраивают согласующий контур распределенного типа, измеряя амплитудные значения высокочастотных напряжений в согласующем контуре, и если амплитуда напряжения на входе антенны больше амплитуды напряжения в ближайшем к антенне звене согласующего контура на величину, большую уровня нечувствительности сравнивающего устройства, то посредством устройства управления в этом звене подключают конденсатор с минимальной емкостью;

если амплитуда напряжения на входе антенны меньше амплитуды напряжения в ближайшем к антенне звене согласующего контура, на величину, большую уровня нечувствительности сравнивающего устройства, то посредством устройства управления в этом звене подключают конденсатор с максимальной емкостью;

если амплитуда напряжения в i-ом звене меньше амплитуды напряжения в соседнем (i+1)-ом звене на величину, большую уровня нечувствительности сравнивающего устройства, то посредством устройства управления в i-ом звене подключают конденсатор с минимальной емкостью;

если амплитуда напряжения в i-ом звене больше амплитуды напряжения в соседнем (i+1)-ом звене на величину, большую уровня нечувствительности сравнивающего устройства, то посредством устройства управления в i-ом звене подключают конденсатор с максимальной емкостью;

если напряжения в соседних звеньях равны или отличаются на величину, меньшую уровня нечувствительности сравнивающего устройства, емкость в звеньях не изменяют,

при этом для каждого согласующего контура начальную емкость C(i), индуктивность L(i) и величину изменения) емкости ΔС каждого звена фильтра нижних частот (ФНЧ), как электрической модели П-образного звена с сосредоточенными параметрами, для достижения значения коэффициента стоячей волны не более 1,4 в линии после завершения процесса согласования, определяют по следующим формулам:

где,

Zв - волновое сопротивление отрезку линии;

f- определенная для каждого согласующего контура частота среза ФНЧ;

М=0,8 для первого, низкочастотного поддиапазона рабочих частот,

М=0,9 для второго, высокочастотного, поддиапазона рабочих частот.

На фиг. 1 показана структурная электрическая схема устройства для согласования радиопередающего антенно-фидерного тракта с антеннами различных типов, где обозначено:

L1(i), L2(i) - индуктивности i-гo звена согласующих контуров распределенного типа 1 и 2, при этом L1(i)=L1(i+1), L2(i)=L2(i+1);

C11(i)=C11(i+1)-C1 - включенная начальная емкость каждого звена согласующего контура 1;

C21(i)=C21(i+1)=C1_min - минимальная емкость каждого звена согласующего контура 1;

C31(i)=C31(i+1)=C1_max - максимальная емкость каждого звена согласующего контура 1;

C12(i)=C12(i+1)=C2- включенная начальная емкость каждого звена согласующего контура 2;

C22(i)=C22(i+1)=C2_min - минимальная емкость каждого звена согласующего контура 2;

C32(i)=C32(i+1)=C2_max - максимальная емкость каждого звена согласующего контура 2.

Р1, Р2 - входное и выходное высокочастотные реле;

1 - согласующий контур распределенного типа, работающий в 1-м поддиапазоне рабочего диапазона частот;

2 - согласующий контур распределенного типа, работающий в 2-м поддиапазоне рабочего диапазона частот;

3 - устройство управления;

4 - узел предварительной настройки для 1-го поддиапазона;

5 - узел предварительной настройки для 2-го поддиапазона.

Устройство согласования радиопередающего антенно-фидерного тракта с антеннами различных типов содержит согласующие контуры распределенного типа 1 и 2, устройство 3 управления, входное реле Р1, выходное реле Р2, узлы предварительной настройки 4 и 5. Входное реле Р1 высокочастотными контактами подключено к входному разъему, который предназначен для подключения радиопередающего устройства, и к согласующим контурам распределенного типа 1 и 2, выходное реле Р2 высокочастотными контактами подключено к выходам узлов предварительной настройки 4 и 5 и к выходному разъему, предназначенному для подключения с антеннами различных типов, коммутация обоих реле происходит по команде от устройства управления 3. Узлы предварительной настройки 4, 5 подключены к устройству 3 управления и соответствующим контурам распределенного типа 1 и 2. В согласующих контурах распределенного типа 1 и 2 индуктивности соединены последовательно, а между ними параллельно включено по три емкости: с начальной емкостью С₁, минимальной емкостью C1_min, максимальной емкостью С1_mах для первого контура и с начальной емкостью C2, минимальной емкостью С2_min, максимальной емкостью С2_max для второго контура. Согласующие контуры распределенного типа 1 и 2 подключены параллельно и работают в разных поддиапазонах рабочего диапазона частот. Устройство управления 3 осуществляет коммутацию входного Р1 и выходного реле Р2, контуров распределенного типа 1, 2, узлов предварительной настройки 4, 5 и элементов в них.

На фиг. 2 представлен пример реализации узла предварительной настройки, где обозначено: К… - контакты реле;

С1-С5 - емкости узла предварительной настройки;

L1-L3- индуктивности узла предварительной настройки.

На фиг. 3 представлен укрупненный алгоритм автоматической настройки устройства для согласования радиопередающего антенно-фидерного тракта с антеннами различных типов, где N - количество звеньев согласующего контура.

Способ согласования антенно-фидерного тракта с антеннами различных типов с использованием предлагаемого устройства осуществляются следующим образом. На первом этапе производят предварительную настройку устройства согласования, для чего устройство управления 3 запрашивает у передающего устройства информацию о рабочей частоте и характере реактивности импеданса антенны объекта, определяет рабочий поддиапазон диапазона частот и соответствующий ему согласующий контур распределенного типа 1 или 2, после чего посредством реле Р1 и Р2 подключает его и соответствующий ему узел предварительной настройки 4 или 5. Затем устройство управления 3 коммутацией элементов выбранного узла предварительной настройки 4 или 5 производит начальное согласование антенно-фидерного тракта с антенной, что позволяет улучшить КСВ в антенно-фидерном тракте за счет компенсации реактивных составляющих импеданса антенн различных типов.

На втором этапе производят окончательную настройку устройства согласования и достижение КСВ ≤1,4 в антенно-фидерном тракте. С помощью устройства управления 3 настраивают выбранный на этапе предварительной настройки согласующий контур распределенного типа 1 или 2 следующим образом. При прохождении ВЧ сигнала измеряются амплитудные значения высокочастотных напряжений в согласующем контуре и если амплитуда напряжения на входе антенны больше амплитуды напряжения в ближайшем к антенне звене согласующего контура на величину, большую уровня нечувствительности сравнивающего устройства, то посредством устройства управления в этом звене подключают конденсатор с минимальной емкостью. Если амплитуда напряжения на входе антенны меньше амплитуды напряжения в ближайшем к антенне звене согласующего контура, на величину, большую уровня нечувствительности сравнивающего устройства, то посредством устройства управления в этом звене подключают конденсатор с максимальной емкостью.

Если амплитуда напряжения в i-ом звене меньше амплитуды напряжения в соседнем (i+1)-ом звене на величину, большую уровня нечувствительности сравнивающего устройства, то посредством устройства управления в i-ом звене подключают конденсатор с минимальной емкостью. (Если амплитуда напряжения в i-ом звене больше амплитуды напряжения в соседнЬм (i+1)-ом звене на величину, большую уровня нечувствительности сравнивающего устройства, то посредством устройства управления в i-ом звене подключают конденсатор с максимальной емкостью. Если напряжения в соседних звеньях равны или отличаются на величину, меньшую уровня нечувствительности сравнивающего устройства, емкость в звеньях не изменяют. Для каждого согласующего контура начальную емкость C(i)„ индуктивность L(i) и величины изменения емкости ΔC⁺(i) и ΔC^-(i) каждого звена фильтра нижних частот (ФНЧ), как электрической модели П-образного звена с сосредоточенными параметрами, определяют по следующим формулам:

Где:

Zв - волновое сопротивление отрезка линии;

Zн - импеданс нагрузки (антенны) на конкретной частоте;

f- частота среза ФНЧ для определенного поддиапазона частот;

КСВ - требуемый коэффициент стоячей волны в линии после завершения процесса согласования.

Способ согласования основан на представлении антенного согласующего устройства в виде отрезка искусственной длинной линии, а именно как четырехполюсника с распределенными параметрами, который можно представить эквивалентной электрической моделью на сосредоточенных параметрах в виде последовательного соединения П-образных звеньев фильтра нижних частот (ФНЧ). Настройка такого отрезка для получения наилучшего КСВ в антенно-фидерном тракте осуществляется изменением ее электрической длины, что аналогично перестройке по частоте, за счет изменения (увеличения или уменьшения) емкости каждого поперечного П-образного звена ФНЧ.

На основе большого количества итераций при оптимизации по критерию достижения значения КСВ≤1,4 в антенно-фидерном тракте при настройке на бортовые антенны электрического и магнитного типов получается следующая формула для изменения емкости в ФНЧ:

ΔС=ΔС⁺=ΔС^-=МС(i)

в которой, М=0,8 для первого, низкочастотного, поддиапазона рабочих частот; М=0,9 для второго, высокочастотного, поддиапазона рабочих частот.

Формула позволяет вычислить минимальное и максимальное значения емкостей согласующих контуров распределенного типа, коммутируемых в устройство для согласования радиопередающего антенно-фидерного тракта с антеннами различных типов.

Процесс согласования считается законченным, когда в антенно-фидерном тракте значение КСВ≤1,4, в противном случае окончательную настройку устройства согласования повторяют до тех пор, пока не будет достигнуто условие КСВ≤1,4.

По окончании настройки предлагаемого устройства вышеуказанным способом КСВ в антенно-фидерном тракте составляет не больше 1,4 во всем рабочем диапазоне частот.

Предложенный способ согласования радиопередающего антенно-фидерного тракта с антеннами различных типов и устройство для его реализации позволяет:

- работать в широком диапазоне частот с антеннами различных типов;

- повысить оперативность настройки параметров устройства для согласования передающего антенно-фидерного тракта при замене на объекте типа антенны;

- сократить время и трудоемкость процесса настройки и регулировки устройства за счет изменения алгоритма настройки и введения новых процедур;

В настоящее время, предлагаемое техническое решение реализовано в устройстве мощностью 400 Вт для согласования KB антенн электрического и магнитного типов с 50-Омным фидером.

Литература:

1. Беседин А.Б. Способ повышения точности автонастройки фильтро-согласующего устройства / Беседин А.Б., Жуков В.М., Пугин А.В. //Антенны. -2010. -Вып.11 (162). - С.9-11.

2. Беседин, А.Б. Методика расчета значений органов настройки Т-образного согласующего устройства с распределенными параметрами / Беседин А.Б., Жуков В.М., Пугин А.В. //Антенны. -2010. -Вып.11 (162). С.12-14.

3. Ермолаев В.В. Методика расчета автоматического устройства согласования антенн с распределенными параметрами / Ермолаев В.В., Жуков В.М. // ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ-2012. - Том 18. с. 863-868.

4. Патент РФ 2359402 (прототип).

1. Устройство для согласования радиопередающего антенно-фидерного тракта с антеннами различных типов, выполненное на основе согласующего контура распределенного типа, в котором индуктивности L1(i) соединены последовательно, а между ними параллельно включено по три емкости С1, C1_min, C1_max, с возможностью их коммутации посредством устройства управления на основе сравнения по заданному алгоритму напряжений в соседних плечах каждого звена согласующего контура, отличающееся тем, что параллельно имеющемуся согласующему контуру введен коммутируемый посредством входного и выходного высокочастотных реле Р1, Р2 и работающий в другом поддиапазоне рабочего диапазона частот второй, аналогичный по структуре, согласующий контур распределенного типа, в котором индуктивности L2(i) соединены последовательно, а между ними параллельно включено по три емкости С2, C2_min, C2_max, с возможностью выбора и коммутации контуров и емкостей посредством устройства управления на основе сравнения по заданному алгоритму напряжений в соседних плечах каждого звена согласующего контура, дополнительно введены подключенные к выходному реле Р2 два узла предварительной настройки, выбор и коммутация элементов которых осуществляется также посредством устройства управления, выполненного с возможностью запроса у передающего устройства информации о рабочей частоте и характере реактивности импеданса антенны объекта и определения рабочего поддиапазона диапазона частот, при этом входное высокочастотное реле Р1 подключено к входному разъему, предназначенному для подключения передающего устройства, а выходное реле Р2 подключено к выходному разъему, предназначенному для подключения антенн различных типов.

2. Способ согласования радиопередающего антенно-фидерного тракта с антеннами различных типов с использованием устройства, включающего в себя устройство управления, два высокочастотных реле Р1 и Р2, работающие в разных поддиапазонах рабочего диапазона частот, два узла предварительной настройки и два согласующих контура распределенного типа, в которых индуктивности соединены последовательно, а между ними параллельно включено по три емкости, причем способ включает в себя этапы:

а) производят предварительную настройку устройства, для чего получают от передающего устройства информацию о рабочей частоте и характере реактивности импеданса антенны объекта, с последующим определением рабочего поддиапазона диапазона частот, выбором и коммутацией соответствующего узла предварительной настройки и согласующего контура распределенного типа, а также коммутацией элементов узла предварительной настройки по команде от устройства управления;

б) производят окончательную настройку устройства, для чего настраивают согласующий контур распределенного типа, измеряя амплитудные значения высокочастотных напряжений в согласующем контуре, и если амплитуда напряжения на входе антенны больше амплитуды напряжения в ближайшем к антенне звене согласующего контура на величину, большую уровня нечувствительности сравнивающего устройства, то посредством устройства управления в этом звене подключают конденсатор с минимальной емкостью;

если амплитуда напряжения на входе антенны меньше амплитуды напряжения в ближайшем к антенне звене согласующего контура, на величину, большую уровня нечувствительности сравнивающего устройства, то посредством устройства управления в этом звене подключают конденсатор с максимальной емкостью;

если амплитуда напряжения в i-ом звене меньше амплитуды напряжения в соседнем (i+1)-ом звене на величину, большую уровня нечувствительности сравнивающего устройства, то посредством устройства управления в i-ом звене подключают конденсатор с минимальной емкостью;

если амплитуда напряжения в i-ом звене больше амплитуды напряжения в соседнем (i+1)-ом звене на величину, большую уровня нечувствительности сравнивающего устройства, то посредством устройства управления в i-ом звене подключают конденсатор с максимальной емкостью;

если напряжения в соседних звеньях равны или отличаются на величину, меньшую уровня нечувствительности сравнивающего устройства, емкость в звеньях не изменяют.

при этом для каждого согласующего контура начальную емкость C(i), индуктивность L(i) и величину изменения емкости ΔС каждого звена фильтра нижних частот (ФНЧ), как электрической модели П-образного звена с сосредоточенными параметрами, для достижения значения коэффициента стоячей волны не более 1,4 в линии после завершения процесса согласования определяют по следующим формулам:

ΔС=ΔС⁺=ΔС^-=MC(i)

где,

Zв - волновое сопротивление отрезка линии;

f - определенная для каждого согласующего контура частота среза ФНЧ;

М=0,8 для первого, низкочастотного, поддиапазона рабочих частот;

М=0,9 для второго, высокочастотного, поддиапазона рабочих частот.