RU142638U1

RU142638U1 - ANTENNAED AGREEMENT DEVICE WITH INCREASED FAST SPEED

Info

Publication number: RU142638U1
Application number: RU2013154921/08U
Authority: RU
Inventors: Анна Андреевна Смаль; Андрей Леонардович Калинин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Российский институт мощного радиостроения"
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2014-06-27

Abstract

Антенно-согласующее устройство с повышенным быстродействием, содержащее согласующий контур, образованный длинной линией с дискретно коммутируемой длиной и магазином конденсаторов, шунтирующих вход длинной линии, цифровой микроконтроллер, высокочастотный датчик, первый, второй и третий буферные каскады и детекторы по числу буферных каскадов, при этом буферные каскады последовательно соединены с одноимёнными детекторами, выходы которых подключены к соответствующим 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 вторые входы первого и второго буферных каскадов заземлены, отличающееся тем, что высокочастотный датчик выполнен в виде волновода, в узкой стенке которого выполнены три контрольных отверстия, в каждое из которых погружены первые концы первого, второго и третьего измерительных зондов, вторые концы которых соединены с первыми входами первого, второго и третьего буферных каскадов соответственно, при этом вход волновода является радиочастотным входом устройства, выход волновода соединен со входом согласующего контура, а второй вход третьего буферного каскада заземлен.An antenna matching device with increased speed, comprising a matching circuit formed by a long line with a discretely switched length and a store of capacitors shunting the input of a long line, a digital microcontroller, a high-frequency sensor, the first, second and third buffer stages and detectors according to the number of buffer stages, buffer cascades are connected in series with the detectors of the same name, the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the analog-to-digital port of the microcontroller, the first whose first port is a control port, and the outputs of the first and second parallel ports of which are connected to the corresponding control inputs of the matching circuit, the output of which is the radio-frequency output of the device, while the second inputs of the first and second buffer stages are grounded, characterized in that the high-frequency sensor is made in the form waveguide, in the narrow wall of which there are three control holes, in each of which the first ends of the first, second and third measuring probes are immersed, the second ends which are connected to the first inputs of the first, second and third buffer stages, respectively, while the input of the waveguide is the radio frequency input of the device, the output of the waveguide is connected to the input of the matching circuit, and the second input of the third buffer stage is grounded.

Description

Настоящая полезная модель относится к радиоэлектронике, а именно к антенно-фидерным устройствам KB диапазона, и предназначено для компенсации отклонений входного импеданса антенны от значения, при котором обеспечивается оптимальный режим работы усилителя мощности радиопередающего устройства (РПДУ).This utility model relates to radio electronics, namely to antenna-feeder devices of the KB range, and is intended to compensate for deviations of the input impedance of the antenna from the value at which the optimal mode of operation of the power amplifier of the radio transmitting device (RPDU) is ensured.

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.Known antenna matching devices (ANSU) with a search (RF patent for the invention No. 2282284) and a measuring and computing method of tuning (RF patents for utility model No. 78999, No. 114244). Among the drawbacks of the ANSU with the search tuning method are the following: low speed due to the need to reconnect the elements of the matching circuit after each iteration of tuning, as well as a decrease in the resource of switching relays while enumerating. Currently, with the development of various types of communications, including for the organization of jamming and reconnaissance radio links, the urgent task is to increase the speed of the automated control system. The most promising for solving this problem are ANSU with measuring and computing method of tuning. One of the possible options for devices of this type is described in the patent of the Russian Federation for utility model No. 78999. To determine the parameters of the matching elements in this device, data from tables of values of the active and reactive components of the input resistance of a long line for various electric lengths are used, as well as an array of samples of instantaneous values of the test signal at the input of the attenuator and the second input of the switch, measured during setup. The performance of this device is significantly higher than that of devices with a search tuning method, however, the bulk of the time required for tuning is spent on accumulating an array of samples, which leaves it possible to further improve performance by refusing to accumulate an array of samples and performing tuning based on the results of a single measurements.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является антенно-согласующее устройство по патенту РФ на полезную модель №114244, принятое за прототип.Closest to the claimed technical solution is the antenna matching device according to the patent of the Russian Federation for utility model No. 114244, taken as a prototype.

Прототип содержит согласующий контур, образуемый 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. 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 коммутатора и согласующего контура. 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 соответствующие аналого-цифровые входы микроконтроллера, при этом с выхода первого детектора на вход аналого-цифрового порта микроконтроллера подается напряжение Ua, с выхода второго детектора- Ub, с выхода третьего детектора - Uab, с выхода четвертого детектора - Uab1, с выхода пятого детектора - 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.The prototype contains a matching circuit formed by a long line with a discretely switched length and a store of capacitors shunting the input of a long line, a switch, a microcontroller, the first, second, third, fourth and fifth buffer stages, the first, second, third, fourth and fifth detectors, as well as the first, second and third measuring sections, each of which is a series connection of a resistor and a length of a long line. The output of the switch is connected to the input of the matching circuit. The control port is the first serial port of the microcontroller, while the outputs of the first, second and third parallel ports are connected to the corresponding control inputs of the switch and the matching circuit. The first, second, third, fourth and fifth buffer cascades are connected in series with the detectors of the same name. The voltages from the detectors connected through the buffer stages to the control points are supplied to the corresponding analog-digital inputs of the microcontroller, while the voltage Ua is supplied from the output of the first detector to the input of the analog-to-digital port of the microcontroller, from the output of the second detector - Ub, from the output of the third detector - Uab, from the output of the fourth detector - Uab1, from the output of the fifth detector - Uab2. The second terminals of the resistors of the first and second measuring sections are connected to the second input of the switch, the third input of which is connected to the free end of a long line segment of the first measuring section and to the first inputs of the first, third, fourth and fifth buffer stages. The free ends of the long line segments of the second and third measuring sections are interconnected and connected to the first input of the second and second input of the third buffer stages. The connection points of the length of the line and the resistor of the second and third measuring sections are connected to the second inputs of the fourth and fifth buffer stages, respectively, and the second output of the resistor of the third measuring section and the second inputs of the first and second buffer stages are grounded. In this case, the RF input and RF output are, respectively, the first input of the switch and the output of the matching circuit.

Функционально первый, второй и третий измерительные участки представляют собой высокочастотный (ВЧ) датчик, предназначенный для измерения напряжений (Ua, Ub, Uab, Uab1, Uab2), 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 РПДУ и отключаемый из тракта после окончания процедуры согласования.Functionally, the first, second and third measuring sections are a high-frequency (HF) sensor designed to measure the voltages (Ua, Ub, Uab, Uab1, Uab2) used to determine the path parameters and the values of the elements of the matching circuit necessary to ensure coordination. At the same time, the RF sensor, together with the buffer stages and detectors, is a measuring unit connected to the path via the switch when a command for approval is received from the higher RPDU control system and disconnected from the path after the end of the approval procedure.

Недостатком прототипа является необходимость затрачивать производить подключение/отключение измерительного блока, что приводит к дополнительным временным затратам на обеспечение коммутации и снижает быстродействие устройства.The disadvantage of the prototype is the need to spend connecting / disconnecting the measuring unit, which leads to additional time costs for providing switching and reduces the speed of the device.

Основной технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое устройство, является повышение быстродействия АнСУ.The main technical problem, the solution of which the proposed device is aimed at, is to increase the speed of the automated control system.

Для этого предложено АнСУ с повышенным быстродействием, содержащее согласующий контур, образованный длинной линией с дискретно коммутируемой длиной и магазином конденсаторов, шунтирующих вход длинной линии, цифровой микроконтроллер, высокочастотный датчик, первый, второй и третий буферные каскады и детекторы по числу буферных каскадов, при этом первый, второй и третий буферные каскады последовательно соединены с одноименными детекторами, выходы которых подключены к соответствующим 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 вторые входы первого и второго буферных каскадов заземлены, отличающееся тем, что высокочастотный датчик выполнен в виде волновода, в узкой стенке которого выполнены три контрольных отверстия, в каждое из которых погружены первые концы первого, второго и третьего измерительных зондов, вторые концы которых соединены с первыми входами первого, второго и третьего буферных каскадов соответственно, при этом вход волновода является радиочастотным входом устройства, выход волновода соединен со входом согласующего контура, а второй вход третьего буферного каскада заземлен.To do this, an ANSU with increased speed is proposed, containing a matching circuit formed by a long line with a discretely switched length and a store of capacitors shunting the input of a long line, a digital microcontroller, a high-frequency sensor, the first, second and third buffer stages and detectors according to the number of buffer stages, the first, second and third buffer stages are connected in series with the detectors of the same name, the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the analog-to-digital port of the microcontroller, the first serial port of which is a control port, and the outputs of the first and second parallel ports of which are connected to the corresponding control inputs of the matching circuit, the output of which is the radio-frequency output of the device, while the second inputs of the first and second buffer stages are grounded, characterized in that the high-frequency sensor is made in in the form of a waveguide, in the narrow wall of which three control holes are made, in each of which the first ends of the first, second and third measuring ndov, the second ends of which are connected to first inputs of said first, second and third buffer stages, respectively, wherein the waveguide input is a radio frequency input device, output waveguide connected to the input matching circuit and the second input of the third buffer stage is grounded.

Структурная схема предлагаемого устройства изображена на фиг. 1.The block diagram of the proposed device is shown in FIG. one.

Антенно-согласующее устройство с повышенным быстродействием, содержащее согласующий контур 1, образованный длинной линией с дискретно коммутируемой длиной 2 и магазином конденсаторов 3, шунтирующих вход длинной линии, цифровой микроконтроллер 4, высокочастотный датчик 5, первый 6(1), второй 6(2) и третий 6(3) буферные каскады и детекторы 7(1)…7(3) по числу буферных каскадов. Высокочастотный датчик 5 выполнен в виде волновода 8, в узкой стенке которого выполнены три контрольных отверстия, при этом для обеспечения корректной работы устройства контрольные отверстия должны отстоять друг от друга на расстояние не менее 10 электрических градусов для максимальной длины волны, соответствующей рабочему диапазону частот. В каждое из контрольных отверстий погружены и закреплены при помощи фиксаторов первые концы первого 9(1), второго 9(2) и третьего 9(3) измерительных зондов, вторые концы которых соединены с первыми входами первого 6(1), второго 6(2) и третьего 6(3) буферных каскадов соответственно. Вторые входы буферных каскадов 6(1)…6(3) заземлены, при этом их выходы последовательно соединены со входами одноименных детекторов 7(1)…7(3), выходы которых подключены к соответствующим входам аналого-цифрового порта микроконтроллера 4. Первый последовательный порт микроконтроллера 4 является портом управления, а выходы первого и второго параллельных портов подключены к соответствующим управляющим входам согласующего контура. При этом радиотехническим входом устройства является вход волновода 8, а выходом - выход согласующего контура 2.Antenna-matching device with increased speed, comprising a matching circuit 1, formed by a long line with a discretely switched length 2 and a store of capacitors 3, shunting the input of a long line, a digital microcontroller 4, a high-frequency sensor 5, the first 6 (1), the second 6 (2) and the third 6 (3) buffer cascades and detectors 7 (1) ... 7 (3) in terms of the number of buffer cascades. The high-frequency sensor 5 is made in the form of a waveguide 8, in the narrow wall of which three control holes are made, in order to ensure the correct operation of the device, the control holes must be separated from each other by a distance of at least 10 electrical degrees for the maximum wavelength corresponding to the operating frequency range. The first ends of the first 9 (1), second 9 (2) and third 9 (3) measuring probes, the second ends of which are connected to the first inputs of the first 6 (1), second 6 (2 ) and the third 6 (3) buffer cascades, respectively. The second inputs of the buffer cascades 6 (1) ... 6 (3) are grounded, while their outputs are connected in series with the inputs of the detectors of the same name 7 (1) ... 7 (3), the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the analog-to-digital port of the microcontroller 4. The first serial the microcontroller 4 port is a control port, and the outputs of the first and second parallel ports are connected to the corresponding control inputs of the matching circuit. In this case, the radio input of the device is the input of the waveguide 8, and the output is the output of the matching circuit 2.

В предлагаемом устройстве буферные каскады 6(1)…6(3) и детекторы 7(1)…7(3) могут быть выполнены с использованием микросхемы фирмы AnalogDevice, например, AD8099 или AD8054. Для организации математических вычислений и осуществления управления, могут быть применены микроконтроллеры фирмы Freescale, в частности, микроконтроллер MC9S12DT256CPVE.In the proposed device, the buffer cascades 6 (1) ... 6 (3) and detectors 7 (1) ... 7 (3) can be performed using an AnalogDevice chip, for example, AD8099 or AD8054. For the organization of mathematical calculations and the implementation of control, microcontrollers from Freescale, in particular, the microcontroller MC9S12DT256CPVE, can be used.

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.A long line of lines with a discretely switched length of 2 contains long lines of different electrical lengths, with each line using vacuum switches can be connected in series to other lines or disconnected from them, so the total electrical length of the lines can vary in steps.

Магазин конденсаторов 3 выполнен в виде набора емкостей, соединенных в самостоятельные узлы, подключаемые с помощью вакуумных переключателей.The store of capacitors 3 is made in the form of a set of capacitances connected into independent nodes connected using vacuum switches.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом:The operation of the proposed device is as follows:

Изначально параметры согласующего контура 1 установлены следующим образом: длинная линия с дискретно коммутируемой длиной 2 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 вход волновода 8 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 7(1)…7(3) поступают на соответствующие аналого-цифровые входы микроконтроллера 4, при этом с выхода детектора 7(1) на вход аналого-цифрового порта микроконтроллера 4 подается напряжение U₁, с выхода детектора 7(2)-U₂, с выхода детектора 7(3)-U₃. Микроконтроллер 4 осуществляет оцифровку и запоминание U₁, U₂, U₃ и производит следующие вычисления:Initially, the parameters of the matching circuit 1 are set as follows: a long line with a discretely switched length 2 consists of one segment of a long line with the smallest length, an element with the smallest capacitance value is connected to its input from the capacitor store 3. The constants used in the calculations (π, k, etc.) are pre-recorded in the memory of the microcontroller 4. After receiving from the higher RPDU control system, a signal from the output of the power amplifier (not shown in Fig. 1) is supplied to the input of the waveguide 8 to carry out tuning, while data on the current value of the operating frequency are sent to the control port of the microcontroller 4. The voltages from the detectors 7 (1) ... 7 (3) are supplied to the corresponding analog-digital inputs of the microcontroller 4, while the voltage U ₁ is supplied from the output of the detector 7 (1) to the input of the analog-digital port of the microcontroller 4, from the output of the detector 7 (2 ) -U ₂ , from the output of the detector 7 (3) -U ₃ . The microcontroller 4 digitizes and stores U ₁ , U ₂ , U ₃ and performs the following calculations:

1) амплитуды падающей волны в линии

в соответствии с формулой (1):1) the amplitude of the incident wave in the line

in accordance with the formula (1):

где a, b, c - вспомогательные коэффициенты, определяемые следующим образом:where a, b, c are auxiliary coefficients, defined as follows:

a=1; a = 1;

;

.

φ - фаза комплексного коэффициента отражения, °;φ is the phase of the complex reflection coefficient, °;

x₁, x₂, x₃ - расстояние между контрольными точками, м;x ₁ , x ₂ , x ₃ - the distance between the control points, m;

U₁, U₂, U₃ - амплитуды напряжений в контрольный точках, В;U ₁ , U ₂ , U ₃ - voltage amplitudes at the control points, V;

2) комплексного коэффициент отражения

в соответствии с формулой (2):2) integrated reflection coefficient

in accordance with the formula (2):

где

Where

3) комплексного сопротивления антенны

соответствии с формулой (3):3) the integrated resistance of the antenna

according to the formula (3):

где Z_лин - волновое сопротивление линии, Ом.where Z _lin is the wave impedance of the line, Ohm.

4) Преобразованного после прохождения согласующего контура комплексного сопротивление антенны

преобразуется в соответствии с формулой (4):4) Transformed after passing the matching circuit integrated resistance of the antenna

converted in accordance with formula (4):

где f - рабочая частота, МГц;where f is the operating frequency, MHz;

C - емкость конденсатора согласующего контура, Ф;C is the capacitor of the matching circuit, f;

L - суммарная длина отрезков длинных линий согласующего контура, м;L is the total length of the segments of the long lines of the matching circuit, m;

k - волновое число.k is the wave number.

5) номиналов элементов согласующего контура (длины отрезка длинной линии (L) и величины емкости конденсатора (С)), необходимых для обеспечения согласования, для чего помощью известных численных методов производится решение системы уравнений:5) the values of the elements of the matching circuit (the length of the long line segment (L) and the capacitance value of the capacitor (C)) necessary to ensure coordination, for which the known system of equations is used to solve the system of equations:

По окончании вычислений микроконтроллер 4 выдает команды на подключение элементов длинной линий с дискретно перестраиваемой длинной 2 и магазина конденсаторов 3 с номиналами, наиболее близкими к вычисленным значениям L и C.At the end of the calculations, the microcontroller 4 issues commands for connecting elements of a long line with a discretely tunable length of 2 and a store of capacitors 3 with values closest to the calculated values of L and C.

Предлагаемое устройство по сравнению с устройством-прототипом обладает следующими преимуществами:The proposed device compared with the prototype device has the following advantages:

- в предлагаемом устройстве ВЧ-датчик является частью фидерного тракта, что исключает необходимость проведения дополнительных подключений и позволяет повысить быстродействие устройства на 10 мс;- in the proposed device, the RF sensor is part of the feeder path, which eliminates the need for additional connections and can improve the speed of the device by 10 ms;

- повышена точность обеспечиваемого согласования, так как в конструкции предлагаемого устройства отсутствуют элементы (линии задержки на отрезках длинных линий), которые на практике вносят наибольший вклад в погрешность измерений.- the accuracy of the matching provided is improved, since the design of the proposed device lacks elements (delay lines on long line segments), which in practice make the largest contribution to the measurement error.

Claims

An antenna matching device with increased speed, comprising a matching circuit formed by a long line with a discretely switched length and a store of capacitors shunting the input of a long line, a digital microcontroller, a high-frequency sensor, the first, second and third buffer stages and detectors according to the number of buffer stages, buffer cascades are connected in series with the detectors of the same name, the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the analog-to-digital port of the microcontroller, the first whose first port is a control port, and the outputs of the first and second parallel ports of which are connected to the corresponding control inputs of the matching circuit, the output of which is the radio-frequency output of the device, while the second inputs of the first and second buffer stages are grounded, characterized in that the high-frequency sensor is made in the form waveguide, in the narrow wall of which there are three control holes, in each of which the first ends of the first, second and third measuring probes are immersed, the second ends which are connected to the first inputs of the first, second and third buffer stages, respectively, while the input of the waveguide is the radio frequency input of the device, the output of the waveguide is connected to the input of the matching circuit, and the second input of the third buffer stage is grounded.