DE2601869A1

DE2601869A1 - Hf-antennenanpassungseinrichtung

Info

Publication number: DE2601869A1
Application number: DE19762601869
Authority: DE
Inventors: Rene Cheze
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1975-01-22
Filing date: 1976-01-20
Publication date: 1976-07-29
Also published as: FR2298903B1; IT1053349B; GB1519672A; DE2601869C2; US4015223A; NL7600597A; FR2298903A1

Description

THOMSON - CSF
173, Bd. Haussmann
7500B Paris / Frankreich

Unser Zeichen: T 1930

HF-Antennenanpassungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine HF-Antennenanpassungseinrichtung mit einem Richtkoppler, von welchem ein erster Anschluß des ersten Paares von konjugierten Anschlüssen zum Empfang eines Einstellsignals in der Anpassungsphase bestimmt ist und einen gegebenen Kopplungsfaktor mit einem als Anschluß großer Leistung bezeichneten Anschluß des zweiten Paares von konjugierten Anschlüssen und einen kleineren Kopplungsfaktor mit dem als Anschluß kleiner Leistung bezeichneten anderen Anschluß des zweiten Paares hat; und mit einer Anpassungsschaltung und einer angepaßten Belastung, die zur Verbindung mit dem einen bzw. dem anderen Anschluß des zweiten Paares bestimmt sind.

In der gesamten Beschreibung sowie in den Patentansprüchen wird in bezug auf Richtkoppler mit η dB von dem Begriff der

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Paare von konjugierten Anschlüssen Gebrauch gemacht. Es wird vereinbart, daß unter Paaren von konjugierten Anschlüssen des Kopplers zwei der vier Anschlüsse des Kopplers zu verstehen sind, dergestalt, daß, wenn angepaßte Belastungen daran angeschlossen sind, praktisch keine Kopplung zwischen den beiden anderen Anschlüssen des Kopplers vorhanden ist. Die beiden anderen Anschlüsse bilden überdies ebenfalls ein Paar von konjugierten Anschlüssen.

Andererseits sind sowohl in den bekannten Anpassungseinrichtungen wie in den Anpassungseinrichtungen nach der Erfindung die Richtkoppler mit η dB Richtkoppler, bei welchen η viel größer als 3 ist. In Abhängigkeit von einem Anschluß des ersten Paares von konjugierten Anschlüssen eines Kopplers, an den ein Eingangssignal angelegt wird, und unter der Annahme, daß die beiden Anschlüsse des zweiten Paares von konjugierten Anschlüssen dieses Kopplers mit angepaßten Belastungen abgeschlossen sind, ist es deshalb möglich, diese beiden Anschlüsse des zweiten Paares als Anschluß großer Leistung bzw. als Anschluß kleiner Leistung zu bezeichnen, da sie quasi das gesamte Eingangssignal oder einen geringen Teil dieses Signals empfangen werden.

Die herkömmlichen Antennenanpassungseinrichtungen, bei welchen Richtkoppler benutzt werden, haben eine Anpassungsschaltung, die ständig an den Anschluß großer Leistung des Kopplers angeschlossen ist. In der Anpassungsphase wird die Antenne aufgrund der Hochfrequenzenergie, die ihr von dem Sender über den Koppler zugeführt wird, sendend gemacht. Die Signale, die an dem Anschluß kleiner Leistung und an dem konjugierten Anschluß des Anschlusses empfangen werden, mit dem der Sender verbunden ist, sind zu der Vorwärtswelle an der Antenne bzw. zu der durch die Antenne reflektierten Welle proportional. Sie werden zum Einstellen der Reaktanzen der Anpassungsschaltung benutzt.

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Diese Einstellmethode bringt die Gefahr mit sich, daß entweder ein mit der Antenne gekoppelter Sender vorzeitig geortet wird oder daß ein mit der Antenne gekoppelter Empfänger geortet wird, da in dem Fall eines Empfängers das Einstellen in einfacher Weise nur mit einer Methode erfolgen kann, welche die Zufuhr von Energie zu der Antenne erfordert.

Ziel der Erfindung ist es, diese Gefahr der Ortung zu vermeiden, und trotzdem bei dem Einstellen der Anpassungsschaltung dieselbe Genauigkeit wie mit der herkömmlichen Methode beizubehalten.

Dieses Ziel wird erreicht, indem die Antenne während der Anpassungsphase mit dem Anschluß kleiner Leistung gekoppelt wird.

Eine HF-Antennenanpassungseinrichtung der eingangs genannten Art ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Umschalteinrichtung enthält, welche gestattet, wahlweise ■

i) in an sich bekannter Weise die Anpassungsschaltung mit dem Anschluß großer Leistung und die angepaßte Belastung mit dem Anschluß kleiner Leistung zu verbinden, ii) und umgekehrt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigenj

Fig. 1 ein Gesamtschaltbild mit einem Sender

und einer Antenne, die durch eine Anpassungseinrichtung nach der Erfindung miteinander verbunden sind,

Fig. 2 ein ausführlicheres Schaltbild einer

der Schaltungen von Fig. Λ, und

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Fig. 3 ein Teilschaltbild, welches ein Aus

führungsbeispiel einer Anpassungseinrichtung nach der Erfindung zeigt.

In Fig. 1 ist ein Sender E mit einer Antenne A über eine Anpassungseinrichtung'verbunden, welche eine Anpassungsschaltung 2 enthält, mit der die Antenne A, ein Richtkoppler 1, ein Umschalter 3, angepaßte Belastungen 4 und 5 sowie Elemente 6 bis 9 verbunden sind, die das Einstellen der Anpassungsschaltung 2 ermöglichen. In der Anpassungsphase liefert der Sender in herkömmlicher Weise eine reine Sinusschwingung.

Der Richtkoppler 1 ist ein Koppler mit η dB,wobei η wie bei den herkömmlichen Änpassungseinrichtungen mit Kopplern zumindest gleich 20 dB ist, damit die Energieverluste aufgrund der Einfügung dieses Kopplers so weit wie möglich verringert werden. Die beiden Paare von konjugierten Anschlüssen des Kopplers 1 tragen die Bezugszahlen 11, 14 bzw. 12, 13.

Der Sender E ist mit dem Anschluß 11 des Kopplers verbunden, und eine angepaßte Belastung 4 mit der Impedanz Z , von welcher ein Ende mit Masse verbunden ist, ist über ihr anderes Ende mit dem Anschluß 14 verbunden.

Der Umschalter 3 hat zwei bewegliche Kontakte 31, 32, die mechanisch gekoppelt sind und zwei Stellungen einnehmen können, von denen die eine mit ausgezogenen Linien und die andere mit unterbrochenen Linien dargestellt ist. In der Sendephase, d.h. wenn die von dem Sender abgegebene Leistung vor allem dazu bestimmt ist, über die Antenne abgestrahlt zu werden, ist der Anschluß großer Leistung des Kopplers 1 mit der Änpassungsschaltung 2 verbunden, während der Anschluß kleiner Leistung 13 mit einem der Enden der angepaßten Belastung 5 verbunden ist (Darstellung des

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Umschalters 3 mit ausgezogenen Linien); das andere Ende der angepaßten Belastung 5 ist mit Masse verbunden. Bei einer solchen Verbindung handelt es sich um die Verbindung, die sowohl in der Sendephase wie auch in der Anpassungsphase bei herkömmlichen Anpassungseinrichtungen mit Richtkopplern benutzt wird. Bei dieser Verbindung erscheinen, wenn der Sender Leistung abgibt, an den Anschlüssen 13 und 14 des Richtkopplers Spannungen, die von der Eingangsleistung der Antenne bzw. von der durch die Antenne reflektierten Leistung abhängig sind.

In der Anpassungsphase hat diese Verbindung den Nachteil, wie oben bereits angegeben, daß die Gefahr besteht, daß der Sender bereits vor der eigentlichen Sendephase geortet wird, da die Antenne den Hauptteil der von dem Sender gelieferten Leistung abstrahlen soll, während lediglich ein geringer Teil dieser Energie, nämlich die, die an den Anschlüssen 13 und 14 erscheint, für das Einstellen der Anpassungsschaltung 2 wirklich von Nutzen ist.

Der Umschalter 3 gestattet in seiner mit unterbrochenen Linien dargestellten Stellung, während der Dauer der Anpassungsphase die Verbindungen des Kopplers 1 mit der Anordnung aus der Anpassungsschaltung und der Antenne und mit der angepaßten Belastung 5 zu vertauschen, die gewöhnlich an dem Anschluß 13 des Kopplers angeordnet ist. Das erfordert selbstverständlich, daß die angepaßte Belastung 5 eine angemessene Verbrauchsleistung hat.

Für das Einstellen der Anpassung enthält die Schaltung von Fig. 1 die vier Elemente 6 bis 9.

Das Element 6 ist eine Spannungsteilerschaltung, welche die von dem Sender E gelieferte Hochfrequenzspannung empfängt. Das Dämpfungsverhältnis hat einen festen Wert, so daß, wenn die Anordnung aus Anpassungsschaltung und Antenne durch eine angepaßte Belastung ersetzt ist, an dem Ausgang der Spannungsteilerschaltung eine Spannung mit einer Amplitude

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ο -

erscheint, die gleich der an dem Anschluß 13 des Richtkopplers 1 erscheinenden ist.

Das Element 7 ist eine Spannungsvergleichsschaltung, die an einem ihrer beiden Eingänge das Ausgangssignal der Spannungsteilerschaltung 6 und an ihrem anderen Eingang das Signal empfängt, das an dem Anschluß 13 des Kopplers erscheint- Der Kürze halber werden diese Signale als Signal e bzw. als Signal e bezeichnet, während das Sig-

C el

nal, das an dem Anschluß 14 des Richtkopplers erscheint, als Signal e, bezeichnet wird.

Das Element 8 ist eine Phasenvergleichsschaltung, die an einem ihrer beiden Eingänge das Signal e und an ihrem

anderen Eingang das Signal e, empfängt.

Die Spannungsvergleichsschaltung 7 und die Phasenvergleichsschaltung 8 enthalten Meßskalen mit in der Mitte ■liegendem Nullpunkt, deren Zeiger bei der Schaltung 7 in Abhängigkeit von der Differenz der Absolutwerte Ie | - |e

a c

und bei der Schaltung 8 in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen den Signalen e und e, ausschlägt.

Das Element 9 ist bei dem beschriebenen Beispiel in Wirklichkeit eine Bedienungsperson, welche die Anpassungsschaltung 2 derart einstellt, dass die Zei-' ger der Meßskalen der Schaltungen 7 und 8 auf Null gebracht werden.

Das Element 9 könnte auch eine Schaltung zur automatischen Steuerung der Anpassungsschaltung 2 sein. Die von den Vergleichsschaltungen 7 und 8 erzeugten Informationen würden dann in Form von elektrischen Signalen abgegeben werden, die durch die automatische Steuerschaltung 9 benutzt v/erden, wobei letztere eine Schaltung nach Art der automatischen Steuerschaltungen ist, die in den herkömm-

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lichen Antennenanpassungseinrichtungen benutzt werden.

Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild der Anpassungsschaltung 2 von Fig. 1. Die Anpassungsschaltung besteht aus induktiven und kapazitiven Elementen, die in einer π—Schaltung angeordnet sind, bei welcher jeder der vertikalen Schenkel an Masse liegt und bei welcher jeder Schenkel zwei parallele Zweige enthält, in denen sich eine veränderliche Induktivität bzw. ein veränderlicher Kondensator befinden: die Induktivität L₁ und der Kondensator C₁ in dem horizontalen Schenkel, die Induktivität L^ und der Kondensator C- in dem vertikalen Schenkel, der zu der Klemme der Anpassungsschaltung führt, die in Fig. 1 mit dem Umschalter 3 verbunden ist, und die Induktivität L₃ und der Kondensator C₃ in dem anderen vertikalen Schenkel.

Ein System von Kurzschlüssen, das mit unterbrochenen Linien dargestellt ist, gestattet, in Abhängigkeit von der Impedanz, die die Antenne bei der Betriebsfrequenz des Senders aufweist, nur eines der Elemente L₁, C₁ mit der Antenne A in Reihe und nur eines der Elemente L^, C-/ L₃, C₃ zu der Antenne A parallel zu schalten.Die Einstellung erfolgt dann mit den beiden zugeschalteten Elementen bis zur Erzielung von Amplituden und Phasen, die an den Eingängen der Spannungsvergleichsschaltung 7 und der Phasenvergleichsschaltung 8 gleich sind.

Fig. 3 zeigt in der Anpassungsphase eine Schaltung, welche der von Fig. 1 entspricht, in welcher:

- der Richtkoppler 1. ausführlich dargestellt ist,

- die Anpassungsschaltung 2 und die Antenne A schematisch durch eine Impedanz Z^ dargestellt sind, welche

el

- der Summe ihrer beiden Impedanzen entspricht,

- die Verbindung mit der Masse des Senders E angegeben ist, und

- der umschalter 3 nicht angegeben ist und nur durch die • Verbindungen erscheint, die er in der Anpassungsphase

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herstellt.

Der Richtkoppler 1 von Fig. 3 arbeitet mit magnetischer Kopplung. Er hat zwischen den Anschlüssen 11 und 12 eine Induktivität I₁ und zwischen den Anschlüssen 13 und 14 zwei in Reihe geschaltete Halbinduktivitäten, die jeweils den Wert -5· haben. Zwischen der Masse und dem Verbindungs-

1 punkt der beiden Induktivitäten des Wertes -^ hat der Koppler 1 eine Induktivität L₁, die mit einem Gegeninduktivitätskoeffizienten M₁ mit der Induktivität I₁ gekoppelt ist. Der Koppler 1 enthält außerdem zwischen seinem Anschluß 11 und Masse eine Induktivität L₂ r die mit der durch die beiden Halbinduktivitäten gebildeten Induktivität mit einem Gegeninduktivitätskoeffizienten M„ gekoppelt ist.

Für den Richtkoppler von Fig. 3 gilt:

L₁ = L₂, M₁ - M₂,

I₁OJ und 2" ω sind viel kleiner als Z , (wobei Z der Wert der angepaßten Belastungen 4 und 5 ist und wobei ω die der Betriebsfrequenz entsprechende Kreisfrequenz ist)
L₁GO ist viel kleiner als Z .

Wenn man mit V die Spannung bezeichnet, die von dem Sender E geliefert wird, und mit Y den Reflexionsfaktor der Impedanz Z. in bezug auf die Impedanz Z , d.h.

^Za - ^Zo
Y ⁼ ^— , so zeigen unter diesen Bedingungen die Messung

^Za ^{+ Z}o

und die Berechnung, daß gilt:
M₁

a L₁

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Entsprechend den Angaben in der Beschreibung von Fig. 1 soll die Spannung e gleich der Spannung e sein, wenn Z = Z ist, d.h. wenn die Anpassung erfolgt ist und wenn y = O ist. Daraus folgt, daß das Teilungsverhältnis der

sein soll und daß deshalb

Spannungsteilerschaltung 6 gleich — die Spannung e den Wert e = V ■=— hat summe der Spannungen e, und e ist.

die Spannung e den Wert e = V r— hat und e die Vektorc c jj.. a

Das Prinzip der Regulierung der Anpassung in Abhängigkeit von den Spannungen e , e, und e gehört zum allgemeinen

a ο c

Fachwissen. Es besteht einerseits darin, den Wert der Reaktanz der Anpassungsschaltung, die mit der Antenne A in Reihe liegt, wie bei der Beschreibung von Fig. 2 angegeben, derart zu verändern, daß die Amplitude der Spannung e

gleich der Amplitude der Spannung e ist. Es besteht ausserdem darin, den Wert der Reaktanz der Anpassungsschaltung die parallel zu der Antenne A liegt, wie ebenfalls bei der Beschreibung von Fig. 2 angegeben, derart zu verändern, daß die Phasendifferenz zwischen den Spannungen e und e,

a D

Null ist. Da die beiden vorgenannten Einstellungen auf einander rückwirken, können die durch die Spannungsvergleichsschaltung und durch die Phasenvergleichsschaltung erzeugten Signale erst nach mehreren Änderungen der Einstellungen der Reaktanzen der Anpassungsschaltung Null gemacht werden.

Selbstverständlich sind weitere Ausfuhrungsformen möglich, die beispielsweise von anderen Arten von Kopplern oder von anderen Arten von Anpassungsschaltungen oder von anderen Einstellmethoden Gebrauch machen. So kann in der Schaltung von Fig. 3 die Einstellung ausgehend von der Messung der Spannung e, vorgenommen werden, da eine notwendige und hinreichende Bedingung dafür, daß die Anpassung erreicht ist, darin besteht, daß dieser Viert Null ist. Es erweist sich aber in der Praxis, daß das Einstellen dann ziemlich kompliziert ist, insbesondere bei einer automatischen Steuerung der Anpassung.

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Claims

Patentansprüche:

1. Antennenanpassungseinrichtung mit einem Richtkoppler, von welchem ein erster Anschluß des ersten Paares von konjugierten Anschlüssen zum Empfang eines Einstellsignals in der Anpassungsphase bestimmt ist und einen gegebenen Kopplungsfaktor mit einem als Anschluß großer Leistung bezeichneten Anschluß des zweiten Paares von konjugierten Anschlüssen und einen kleineren Kopplungsfaktor mit dem als Anschluß kleiner Leistung bezeichneten anderen Anschluß des zweiten Paares hat; und mit einer Anpassungsschaltung und einer angepaßten Belastung, die zur Verbindung mit dem einen bzw. dem anderen Anschluß des zweiten Paares bestimmt sind, gekennzeichnet durch eine Umschalteinrichtung, welche gestattet, in an sich bekannter Weise die Anpassungsschaltung mit dem Anschluß großer Leistung und die angepaßte Belastung mit dem Anschluß kleiner Leistung zu verbinden, und umgekehrt.

2. Antennenanpassungseinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Einstellen der Anpassungsschaltung, die mit dem zweiten Anschluß des ersten Paares, welches der konjugierte Anschluß des ersten Anschlusses ist, verbunden sind.

3. Antennenanpassungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtungen eine Phasenvergleichsschaltung enthalten, deren Eingänge mit dem zweiten Anschluß bzw. mit dem Anschluß kleiner Leistung verbunden sind.

4. Antennenanpassungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtungen außerdem enthalten: eine Spannungsteilerschaltung, deren Eingang mit dem ersten Anschluß verbunden ist und deren Teilungsverhältnis gleich dem Kopplungsfaktor zwischen dem ersten Anschluß und dem Anschluß kleiner Leistung gewählt ist,

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wenn angepaßte Belastungen mit den beiden Anschlüssen des zweiten Paares verbunden sind; und eine Spannungsvergleichsschaltung, deren Eingänge mit dem Ausgang der Spannungsteilerschaltung bzw. mit dem Anschluß kleiner Leistung verbunden sind.

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