DE19614655B4

DE19614655B4 - Antennen-Anpassgerät

Info

Publication number: DE19614655B4
Application number: DE1996114655
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr. Esprester; Ferdinand Dipl.-Ing. Sigloch; Friedemann Ing.(grad.) Kombrink; Wulf Ing. Müller (grad.)
Original assignee: Telefunken Radio Communication Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1996-04-13
Filing date: 1996-04-13
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2016-04-14
Also published as: DE19614655A1

Abstract

Selbsttätiges Antennen-Anpassgerät für eine Kurzwellenstation mit einem Richtkoppler, der in einen Phasenmesszweig, bestehend aus Komparatoren und Ringmodulatoren, speist, mit einem abstimmbaren Anpassungsnetzwerk zur Anpassung des Antennenlastwiderstandes an die Sender-Empfänger-Stufe der Station und mit einem Mikroprozessor zur Steuerung der Abstimmung des Anpassungsnetzwerkes, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Richtkoppler (1) auf der Senderausgangsleitung (2) gemessene Vor- und Rücklaufspannung jeweils auf zwei parallelgeschaltete, um 90 Grad in der Phase zueinander vorgespannte Phasendetektoren (3, 4) gegeben sind und dass die Ausgangssignale (11, 12) der beiden Phasendetektoren (3, 4) und die Vor- und die Rücklaufspannung dem Mikroprozessor (5) zur Bildung der eindeutigen Phasendiffe renz zwischen der Vor- und der Rücklaufspannung zugeführt sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein selbsttätiges Antennen-Anpassgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Antennen-Anpassgeräte finden z.B. Anwendung in tragbaren Kurzwellenstationen. Die Antennen dieser Stationen haben zwar einerseits die einfachst erdenkliche Struktur (Drahtantennen, Stabantennen) und ein geringes Gewicht, andererseits weisen sie jedoch einen sehr ungünstigen Verlauf des Lastwiderstandes auf. Die Aufgabe eines Antennen-Anpassgerätes ist es, den über der Sende-/Empfangsfrequenz stark variierenden Lastwiderstand der Antenne auf den konstanten, optimalen Lastwiderstand des RF-Leistungsverstärkers der Sender-Empfänger-Stufe zu transformieren. Damit ist gewähr leistet, dass bei jeder genutzten Kanalfrequenz die Antenne optimal RF-Leistung abstrahlt und optimale Empfangseigenschaften besitzt.

Bekannte Antennen-Anpassgeräte nutzen zur Impedanz-Transformation binär gegliederte Anpassungsnetzwerke, bestehend aus Spulen und Kondensatoren. Anpassungsnetzwerke werden mittels elektromechanischer Relais – z.B. mittels Reedrelais – abgeglichen, die automatisch von einem Mikroprozessor angesteuert werden. Reedrelais haben eine gute Lebensdauererwartung. Die Reaktionszeit eines Reedrelais liegt einschließlich des Prellvorganges bei ca. 3 ms. Schneller als Reedrelais sind PIN-Dioden. Diese sind jedoch im Preis erheblich teurer und sehr empfindlich gegen Fremdleistungen und hohe Spannungen. Reedrelais sind dahingegen sehr robust und in der Steuerung sehr einfach. Als sog. Latchrelais ausgeführt, haben sie für tragbare Kurzwellenstationen den Vorteil, dass der Stromverbrauch begrenzt ist, da sie nach kurzer Erregung eingestellt sind und danach keine Energie mehr benötigen. Deshalb haben sich PIN-Dioden, mit denen im Prinzip eine Verkürzung der Abgleichzeit erreichbar ist, in Antennen-Anpassgeräten bisher nicht durchsetzen können.

Charakteristisch für viele militärische Funk-Anwendungen ist der Burstbetrieb, d.h. die Nachrichten werden sporadisch in kurzdauernden Paketen ausgesendet. Damit kann der Forderung nach möglichst geringer Aufklärwahrscheinlichkeit Rechnung getragen werden. Ein Nutz-Signal-Burst ist in der Regel kürzer als eine Sekunde. Um eine Antenne mit einem Anpassgerät an eine Sender-Empfänger-Stufe anpassen zu kön nen, ist in der Abgleichphase ein Abstimmsignal, d.h. ein RF-Signal (CW) ohne Nutzinformation, auf der beabsichtigten Sende-/Empfangsfrequenz erforderlich. Selbst wenn dieses Abstimmsignal in der RF-Leistung erheblich geringer als die nachfolgende Nutzsendung ist, muss dieses Signal bezüglich der Aufklärwahrscheinlichkeit berücksichtigt werden.

Die Abgleichzeiten bekannter Antennen-Anpassgeräte liegen im Mittel bei 500 ms und sind neben den Reaktionszeiten der Reedrelais maßgeblich durch die Anzahl der erforderlichen Iterationszyklen für die bei der Iteration benutzten "trial and error"-Methoden bestimmt. Je nach Antennentyp sind bei den bekannten Geräten zwischen 50 und 100 Iterationsschritte erforderlich.

Als Messsensor für die Antennen-Lastimpedanz, die als Eingangsgröße für das Iterationsverfahren dient, ist in den bekannten Anpassgeräten, z.B. gemäß DE 34 02 220 C2 , in die Senderausgangsleitung ein Richtkoppler integriert, mit dem die Vor- und Rücklaufspannungen ermittelt und in einen Phasenmesszweig gespeist werden. Der bekannte Phasenmesszweig besteht aus zwei Komparatoren zur amplitudenunabhängigen Erfassung der Phasendurchgänge der Vor- und Rücklaufspannungen und aus einem nachgeschalteten Ringmodulator zur Ermittlung der Phasendifferenz zwischen diesen Spannungen aus den Phasendurchgängen. Nachteilig bei einem derart ausgebildeten Phasenmesszweig ist die Tatsache, daß die Phasendifferenz damit nur für einen Meßbereich von 0 Grad bis 180 Grad eindeutig bestimmbar ist, was den hohen Iterationsaufwand verursacht.

Die ältere, nicht vorveröffentlichte EP 0 752 757 A1 beschreibt ein selbständiges Antennen-Anpassgerät für den Kurzwellenbereich. Ein Richtkoppler speist Signale in einen Phasenmesszweig, der Mischer als Phasendetektoren enthält. Ein abstimmbares Anpassnetzwerk dient zur Anpassung des Antennenlastwiderstands an die Sender-Stufe. Der Phasenmesszweig steuert das abstimmbare Anpassnetzwerk. Die vom Richtkoppler auf der Senderausgangsleitung gemessene Vor- und Rücklaufspannung wird jeweils auf zwei parallelgeschaltete, in der Phase zueinander versetzte Phasendetek toren gegeben. Dabei wird eine eindeutige Bestimmung der Phasendifferenz erzielt.

Aufgabe der Erfindung ist es, für das Iterationsverfahren eines selbsttätigen Antennen-Anpassgerätes einen Phasenmesszweig zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen der Vor- und Rücklaufspannung zu schaffen, der in dem Messbereich von 0 Grad bis 360 Grad eindeutige und genaue Messergebnisse liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein selbsttätiges Antennen-Anpassgerät nach Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird die Abgleichzeit des Antennen-Anpassgerätes vorteilhaft dadurch verkürzt, daß die Antennen-Lastimpedanz vor dem Starten des Iterationsalgorithmus eindeutig bestimmt ist. Dadurch kann der Mikroprozessor die Parameter für die Ersteinstellung der Anpassungsnetzwerke so bestimmen, dass sie näher an den Einstellwerten liegen, mit denen abschließend die erforderliche Impedanzanpassung erreicht ist. Der Messfehler des erfindungsgemäßen Phasenmesszweiges beträgt über den gesamten Sende-Empfangsfrequenzbereich von 2 MHz bis 30 MHz maximal 10%. Damit ist eine Halbierung der Abgleichzeit gegenüber den bekannten Antennen-Anpassgeräten erreichbar. Im Unteranspruch 3 ist eine vorteilhafte Lösung für die 90-Grad-Phasenvorspannung des zweiten Phasendetektors angegeben, die eine Kompensierung von Frequenzgangfehlern der dafür verwendeten RC-Glieder beinhaltet. Diese Lösung verbessert die Einhaltung der erforderlichen Messgenauigkeit des Phasenmesszweiges über den gesamten Sende-Empfangsfrequenzbereich der Kurzwellenstation. Unteranspruch 4 zeigt eine Weiterbildung, welche die Wirkung der bei der Phasenvorspannung auftretenden Signaldämpfung dadurch mildert, daß bei tiefen Frequenzen die kleine Rücklaufspannung auf ein RC-Glied gegeben ist, das als Tiefpass ausgebildet ist und bei höheren Frequenzen die Rücklaufspannung in das andere RC-Glied einspeist, das als Hochpass ausgebildet ist.
Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
1 zeigt ein Blockschaltbild des Antennen-Anpassgerätes,
2 zeigt die Ausgangssignale des Phasenmesszweiges und
3 zeigt die Ausgangssignale des Phasenmesszweiges bei einer umgetauschten Einspeisung von Vor- und Rücklaufspannung.
Das in 1 gezeigte selbsttätige Antennen-Anpassgerät besteht aus dem Richtkoppler 1, dem Anpassungsnetzwerk 14, den beiden Phasendetektoren 3 und 4, dem Mikroprozessor 5, zwei RC-Gliedern 9 und 10 und zwei Trennverstärkern 16 und 17. Die Phasendetektoren 3 und 4 sind jeweils aus zwei Komparatoren 6 und 7 und aus einem Ringmodulator 8 aufgebaut.
Der Richtkoppler 1 ist in die Senderausgangsleitung 2 zwischen dem Ausgang der Sender-Empfänger-Stufe 13 und dem Anpassungsnetzwerk 14 integriert. Letzteres speist die Stationsantenne 15. Das Anpassungsnetzwerk 14 in der Antennenspeiseleitung 19 bildet im wesentlichen einen Tiefpass aus Serien-Spulen und Parallel-Kondensatoren, wobei die Spulen und Kondensatoren in den jeweiligen Spulen- und Kondensatorbänken binär gestaffelt ansteuerbar sind.
Mit dem Richtkoppler 1 werden am Eingang des Anpassungsnetzwerkes 14 die Vor- und Rücklaufspannungen gemessen. Zur Verstärkung der Entkopplung des Phasenmesszweiges gegenüber der Senderausgangsleitung 2 sind in die Ausgänge des Richtkopplers 1 Trennverstärker 16 und 17 geschaltet. Die so entkoppelten Vor- und Rücklaufspannungen sind zwei parallelgeschalteten Phasendetektoren 3 und 4 zugeführt. In den beiden Eingängen des einen Phasendetektors 4 ist jeweils ein RC-Glied 9 und 10 integriert, mit denen der Phasendetektor 4 gegenüber dem Phasendetektor 3 in der Phase um 90 Grad vorgespannt ist. Dabei ist eines 10 der RC-Glieder 9, 10 als Hochpass und das andere 9 als Tiefpass ausgeführt. Die RC-Glie der 10 und 9 schieben die Phasen der Vor- und Rücklaufspannungen je um +(45 Grad + delta) und um –(45 Grad + delta), wobei "delta" der Frequenzgangfehler der RC-Glieder 9, 10 ist und sich durch die unterschiedlichen Vorzeichen für die beiden RC-Glieder 9, 10 über den Sende-Empfangsfrequenzbereich von 2 MHz bis 30 MHz nahezu kompensiert. Diese Maßahme verbessert die Einhaltung der geforderten Messgenauigkeit für die Phasendifferenz über den gesamten Sende-Empfangs-Frequenzbereich.
Die Komparatoren 6 und 7 der Phasendetektoren 3 und 4 sind Breitband-Begrenzer, die nahezu unabhängig von den Signalpegeln der Vor- und Rücklaufspannungen eine mäanderförmige Spannung abgeben. Die breitbandigen Ringmodulatoren 8 bilden aus den mäanderförmigen Spannungen jeweils eine Rampenspannung 11 und 12, die durch die Phasendifferenz zwischen den Vor- und Rücklaufspannungen bestimmt ist. Die Rampenspannungen 11 und 12 werden über einen Multiplex-A/D-Konverter 20 auf den Mikroprozessor 5 gegeben, der aus den Rampenspannungen 11 und 12 die Phasendifferenz zwischen den Vor- und Rücklaufspannungen eindeutig bestimmt.
2 zeigt den Verlauf der Rampenspannungen U (ind DET) 11 und 12 über die Phasendifferenz "delta phi" zwischen der Vor- und Rücklaufspannung. Die Rampenspannung 12 ist gegenüber der Rampenspannung 11 mittels den RC-Gliedern 9 und 10 um 90 Grad in der Phase vorgespannt. Anhand der Kurven ist zu erkennen, daß eine eindeutige Zuordnung zwischen einer mit nur einem Phasendetektor gemessenen Rampenspannung und einer Phasendifferenz nur in einem Bereich von 0 bis 180 Grad möglich ist. Erst die erfindungsgemäße Berücksichtigung der zweiten um 90 Grad vorgespannten Rampenspannung ermöglicht eine eindeutige Zuordnung über den Bereich von 0 bis 360 Grad. Dazu wird erfindungsgemäß in dem Mikroprozes sor 5 zusätzlich zu einer gemessenen Rampenspannung 11, 12 überprüft, wie sich die Vorzeichen der beiden gemessenen Rampenspannungen 11, 12 zueinander verhalten. Aus dieser Zuordnung lässt sich nach den nachfolgenden Angaben einer gemessenen Rampenspannung eindeutig die Phasendifferenz zuordnen:
3 zeigt die Rampenspannungen 11, 12 und 18 für eine Ausführungsvariante der Erfindung, in der bei einer vorgegebenen Schwelle der Sende-/Empfangsfrequenz die Einspeisung der Vor- und Rücklaufspannung in die RC-Glieder 9 und 10 des Phasendetektors 4 umgetauscht wird. Bei niedrigen Sende-/Empfangsfrequenzen wird die Rücklaufspannung auf das RC-Glied 9 gegeben, das als Tiefpass ausgebildet ist. Die Vorlaufspannung wird auf das andere RC-Glied 10 gegeben, das als Hochpass ausgebildet ist. Der Phasendetektor 4 liefert dann die Rampenspannung 12. Durch diese Maßnahme bleibt für die im Pegel niedrigere Rücklaufspannung der Dämpfungseinfluß des RC-Gliedes gering.
Ab einer im Mikropozessor 5 gespeicherten Schwelle wird für die höheren Sende-/Empfangsfrequenzen über einen in 1 nicht gezeigten Relaisumschalter die Eingabe der Vor- und Rücklaufspannung auf die RC-Glieder 9 und 10 vom Mikroprozessor 5 gesteuert vertauscht. Die Rücklaufspannung ist dann auf den Hochpass und die Vorlaufspannung auf den Tiefpass gegeben, wodurch auch bei hohen Frequenzen die Dämpfung gemildert ist. Der Phasendetektor 4 liefert dann die Rampenspannung 18, die gegenüber der Rampenspannung 12 um 180 Grad in der Phase vorgespannt ist. Wie 3 leicht zu entnehmen ist, lässt sich auch nach dem oben angegebenen Prinzip aus den Rampenspannungen 11 und 18 eine eindeutige Zuordnung zwischen einer gemessenen Rampenspannung und der Phasendifferenz ableiten.
Die gemessenen Rampen-, Vor- und Rücklaufspannungen werden über einen Multiplex-A/D-Konverter 20 auf den Mikroprozessor 5 gegeben. Der in dem Mikroprozessor 5 eingespeicherte Iterationsalgorithmus startet mit der Erfassung der Vor- und Rücklaufspannungen und der Phasendifferenz zwischen der vorliegenden Vor- und Rücklaufspannung, bildet daraus in bekannter Weise das Stehwellenverhältnis auf der Antennenspeiseleitung 19 und leitet daraus wiederum Einstellparameter für das Anpassungsnetzwerk 14 ab. Mit diesen Einstellparametern wird das Anpassungsnetzwerk 14 über den Mikroprozessor 5 mittels Stellgliedern korrigiert. Nach erfolgter Korrektur erfolgt eine erneute Ermittlung des Stehwellenverhältnisses und eine erneute Korrektur des Anpassungsnetzwerkes. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis ein vorgebener Wert für das Stehwellenverhältnis erreicht ist.

Claims

Selbsttätiges Antennen-Anpassgerät für eine Kurzwellenstation mit einem Richtkoppler, der in einen Phasenmesszweig, bestehend aus Komparatoren und Ringmodulatoren, speist, mit einem abstimmbaren Anpassungsnetzwerk zur Anpassung des Antennenlastwiderstandes an die Sender-Empfänger-Stufe der Station und mit einem Mikroprozessor zur Steuerung der Abstimmung des Anpassungsnetzwerkes, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Richtkoppler (1) auf der Senderausgangsleitung (2) gemessene Vor- und Rücklaufspannung jeweils auf zwei parallelgeschaltete, um 90 Grad in der Phase zueinander vorgespannte Phasendetektoren (3, 4) gegeben sind und dass die Ausgangssignale (11, 12) der beiden Phasendetektoren (3, 4) und die Vor- und die Rücklaufspannung dem Mikroprozessor (5) zur Bildung der eindeutigen Phasendiffe renz zwischen der Vor- und der Rücklaufspannung zugeführt sind.
Antennen-Anpassgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasendetektoren (3, 4) jeweils aus zwei parallelgeschalteten Komparatoren (6, 7) und aus einem den Komparatoren (6, 7) nachgeschalteten Ringmodulator (8) bestehen.
Antennen-Anpassgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenvorspannung des einen (4) der Phasendetektoren (3, 4) mit zwei RC-Gliedern (9, 10) erfolgt, die je im Eingang eines Komparators (6, 7) angeordnet sind, dass eines (10) der RC-Glieder (9, 10) eine Phasenverschiebung von +(45 Grad + delta) und dass das andere RC-Glied (9) eine Phasenverschiebung von –(45 Grad + delta) bewirkt.
Antennen-Anpassgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden RC-Glieder (9, 10) als Tiefpass (9) und dass das andere RC-Glied als Hochpass (10) für die eingespeisten Richtkopplersignale ausgebildet ist und dass eine vom Mikroprozessor (5) gesteuerte, frequenzabhängige Umschaltung vorgesehen ist, mit der die Vor- und die Rücklaufspannung in Bezug auf die Einspeisung in die RC-Glieder (9, 10) bei einer vorgegebenen Frequenz umgetauscht wird.
Antennen-Anpassgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Phasendifferenz über einen Sende- und Empfangsfrequenzbereich der Kurzwellenstation von 2 MHz bis 30 MHz einen maximalen Fehler von 10% aufweist.