DE2601869C2

DE2601869C2 - HF-Antennenanpassungseinrichtung

Info

Publication number: DE2601869C2
Application number: DE2601869A
Authority: DE
Inventors: Renè Cholet Cheze
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1975-01-22
Filing date: 1976-01-20
Publication date: 1983-01-13
Also published as: FR2298903B1; IT1053349B; GB1519672A; DE2601869A1; US4015223A; NL7600597A; FR2298903A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anpassung eines Senders an eine Last, gebildet aus der Scrienschaltung eines Rlchlköpplers und einer aus reaktiven Elementen aufgebauten Anpassungsschaltung, bei der der Richtkoppler einen Eingangsanschluß besitzt, an den der Senderausgang angeschlossen ist, einen ersten Ausgangsanschluß, an dem nahezu die am Eingangsanschluß anliegende Senderleistung vorhanden ist, und einen zweiten Ausgangsanschluß, an dem nur ein Bruchteil der am Eingangsanschluß anliegenden Senderleistung vorhanden ist und bei der die Elemente der Anpassungsschaltung durch Kontrolleinrichtungen gesteuert so eingestellt werden, daß das Verhältnis der in die Last fließenden Leistung und der von der Last reflektierten Leistung ein Maximum ist, wobei die Bestimmung des genannten Leistungsverhältnisses durch die aus dem zweiten Ausgangsanschluß des Richtkopplers ausgekoppelte niedrige Leistung erfolgt. In der folgenden Beschreibung wird in bezug auf n-dB-Richtkoppler von dem Begriff »Paare von konjugierten Anschlüssen« Gebrauch gemacht. Unter Paaren von konjugierten Anschlüssen des Kopplers sollen zwei solche der vier Anschlüsse des Kopplers zu verstehen sein, daß beim Anschließen von angepaßten Belastungen daran praktisch keine Kopplung zwischen den beiden anderen Anschlüssen des Kopplers vorhanden ist. Die beiden anderen Anschlüsse bilden ebenfalls ein Paar von konjugierten Anschlüssen.

Andererseits haben sowohl in den bekannten Anpassungseinrichtungen als auch in den Anpassungseinrichtungen nach der Erfindung die n-dß-Richtkoppler einen Wert n, der wesentlich 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, je nachdem, ob sis praktisch das gesamte Eingangssignal oder einen geringen Teil dieses Signals empfangen.

Aus der US-PS 36 01 717 ist es bekannt, zwischen Sender und Anpassungsschaltung einen Richtkoppler zu schalten und in der US-PS 38 46 713 ist die Möglichkeit der Leistungsumschaltung beim Anpassungsvorgang aufgezeigt.

Weitere herkömmliche Antenni-nanpassungseinrichtungen. bei welchen Richtkoppie. benutzt werden, haben eine Anpassungsschaltung, die ständig an den Anschluß großer Leistung des Koppler·, 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 b/w. /u der durch die Antenne reflektierten Welle proportional. Sie werden zum Einstellen der Reaktanzen der Anpassungsschal tung benutzt.

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

Aufgabe der Erfindung ist es. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Gefahr der Ortung vermieden wird und trotzdem beim Einstellen der Anpassungsschaltung dieselbe Genauigkeit wie bei dem herkömmlichen Verfahren erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch eine Umschalteinrichtung.

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durch die in der einen Schaltstellung (Sendephase) der erste Ausgangsap.sehluß des Richtkopplers mit der Anpassungsschaltung direkt verbunden ist, während der zweite Ausgangsanschluß des Richtkopplers mit einer angepaßten Belastung verbunden ist und in der anderen Schaltstellung (Anpassiingsphase) der erste Ausgangsanschluß des Richtkopplers mit der angepaßten Belastung verbunden ist, während der zweite Ausgangsanschluß des Richtkopplers mit der Anpassungsschaltung verbunden ist.

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

F i g. 1 ein GesamsschaJtbild mit einem Sender und einer Antenne, die durch eine Vorrichtung nach der Erfindung miteinander verbunden sind,

Fig.2 ein ausführliches Schaltbild der Anpassungsschaltung von F i g. 1 und

F i g. 3 ein Teilschaltbild, welches ein Ausführungsbei- \ ipiel einer Anpassungseinrichtung nach der Erfindung zeigt.

In Fig. 1 ist ein Sender Emit einer Antenne A über eine Anpassungseinrichtung verbunden, weiche eine

- Anpassungsschaltung 2 enthält, mit der die Amenne 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 \ m herkömmlicher Weise eine reine Sinusschwingung.
; Der Richtkoppler 1 ist tin Koppler mit η dB. wobei π

wie bei den herkömmlichen Anpassungseinrichtungen

- mit Kopplern zumindest gleich 2OdB 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 Fist mit dem Anschluß 11 des Kopplers verbunden, und eine angepaßte Belastung 4 mit der Impedanz /?,„ 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 12 des Kopplers 1 mit der Anpassungsschaltung 2 verbunden, während der so Anschluß kleiner Leistung 13 mit einem der Enden der •ngepaöien Belastung 5 verbunden ist (Darstellung des

; Umschalters 3 mit ausgezogenen Linien); das andere , Ende der angepaßten Belastung 5 ist mit Masse verbunden. Bei einrr solchen Verbindung handelt es sich v> um die Verbindung, die sowohl in der Sendephase wie tuch in der Anpassungsphase bei herkömmlichen

; Anpassungseinruhtiingcn mit Richtkopplern benutzt wird Bei dieser Verbindung erscheinen, wenn der Sender Leistung abgibt, an den Anschlüssen 13 und 14 des R.K'htkppplers Spannungen, die von der F.ingangsleistung der Antenne bzw. von der durch die Antenne reflektierten Leistung abhängig sind.

In der Anpassiingsphase 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 gelici'ertcn Leistung abstrahlen soll.

während lediglich ein geringer Teil dieser Energie, nämlich die, die an den Anschlüssen 13 und t4 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 F i g. 1 die vier Elemente 6 bis 9.

Das Element 6 ist eine Spannungsteilerschaltung, weiche die von dem Sender £ gelieferte Hochfrequenzspannung empfängt Das Dämpfuiigsverhältnis hat einen festen Wert, so daß, wenn die Anordnung aus Anpassungrschaltung und Antenne durch eine angepaßte Belastung ersetzt ist an df · Ausgang der Spannungsieüerschaitung eine Spaltung mit einer Amplitude erscheint, die gleich der an dem Anschluß 13 des Richtkopplers 1 erscheinenden ist

Das Element 7 ist eine Spannungsvergleichsschaitung, die an ei iem 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_a bezeichnet während das Signal, das an dem Anschluß 14 des Richtkopplers erscheint als Signal e_b bezeichnet wird.

Das Element 8 ist eine Phasenvergleichsschaltung, die an einem ihrer beiden Eingänge das Signal c_a und an ihrem anderen Eingang das Signal ev, empfängt.

Die Spannungsvergleichsschaitung 7 und die Phasenvergleichsschaltung 8 enthalten Meßskalen mit in der Mitte liegendem Nullpunkt, deren Zeiger bei der Schaltung 7 in Abhängigkeit von der D'fferer? der Absolutwerte |c^| —|e,-| und bei der Schaltung 8 in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen den Sig· alen tv und ty ausschlägt.

Das Element 9 ist bei dem beschriebenen Beispiel in Wirklichkeit eine Bedienungsperson, welche die Anpassungsschaltung 2 derart einstellt, daß die Zeiger 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 werden, wobei letztere eine Schaltung nach Art der automatischen Steucrschaltungen ist. die in den herkömmlichen Antennenanpassunf.einrithtungen benutzt //erden.

I 1 g. 2 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild der Anpassungsschaltung 2 von Fig. 1. Die Anpassungsschaltung besteht aus induktiven und kapazitiven Elementen, die in einer .-r-Schaltui g 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. e:n veränderlicher Kondensator befinden: die Induktivität L\ und der Kondensator G in dem horizontalen Schenkel, die Induktivität Li unu der Kondensator G ·η dem vertikalen Schenkel, der zu der Klemme der Anpassungsschaltung führt, die in Fig. I mit dem Umschalter

3 verbunden ist, und die Induktivität L₁ und der Kondensator Ci 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 Li. G mit der Antenne A in Reihe und nur eincj der Elemente Lj. C₂. Ls. Ci 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.

F i g. J zeigt in der Anpassungsphase eine Schaltung, welche der von Fig. I entspricht, in welcher:

— der Richtkopplcr I ausführlich dargestellt ist.

— die Anpassungsschaltiing 2 und die Antenne A schematisch durch eine Impedanz Zj dargestellt sind, welche 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 herstellt.

Der Richtkoppler 1 von Fig. 3 arbeitet mit magnetischer Kopplung. Er hat zwischen den Anschlüssen Il und 12 eine Induktivität A und zwischen den Anschlüssen 13 und 14 zwei in Reihe geschaltete

Halbinduktivitäten, die jeweils den Wert — haben. Zwischen der Masse und dem Verbindungspunkt der beiden Induktivitäten des Wertes — hat der Koppler 1

eine Induktivität Li, die mit einem Gegeninduktivitätskoeffizienten M\ mit der Induktivität /ι gekoppelt ist. Der Koppler 1 enthält außerdem zwischen seinem Anschluß 11 und Masse eine Induktivität L₂, die mit der durch die beiden Halbinduktivitäten gebildeten Induktivität mit einem Gegeninduktivitätskoeffizienten M; gekoppelt ist.

Für den Richtkoppler von F i g. 3 gilt:

L, = L₂, M₁ = M₂,

Reflexionsfaktor der Impedanz Z., in bezug auf die Impedanz Z,» d. h.

so zeigen unter diesen Bedingungen die Messung und die Berechnung, daß gilt:

e.-y-^-O +y)

I₁ ω und — ω sind viel kleiner als Z₀,

(wobei Z„ der Wert der angepaßten Belastungen 4 und 5 ist und wobei ω die der Betriebsfreqjenz entsprechende Kreisfrequenz ist)
L]O) ist viel kleiner als Z,>

Wenn man mit V die Spannung bezeichnet, die vun dem Sender E geliefert wird, und mit Y den = V

M₁

Entsprechend den Angaben in der Beschreibung von F i g. I soll die Spannung t\ gleich der Spannung c, scm. wenn Z₁ = Z₁, ist. d. h. wenn die Anpassung erfolgt ist und wenn .1=0 ist. Daraus lolgt. daß das Teiliingsvcrhältnis

der SpanmingsteilerschalüiMg 6 gleich —sein soll und

daß deshalb die Spannung c, den Wort c, ■ = K—Miat und

'•ι

c., die Vektorsummeder Spannungen ο und c ist.

Das Prinzip der Regulierung der Anpassung in Abhängigkeit von den Spannungen c.,. <_> und c, gehört zum allgemeinen Fachwissen. Es besteht einerseits darin, den Wert der Reaktanz der Anpassungsschallung. die mit der Antenne Λ in Reihe liegt, wie bei der Beschreibung von F i g. 2 angegeben, derart zu verändern, daß die Amplitude der Spannung c., gleich der Amplitude der Spannung t\ ist. Es besteht außerdem darin, den Wert der Reaktanz der Anpassungsschaltung die parallel zu der Antenne A liegt, wie ebenfalls bei der

J5 Beschreibung von Fig. 2 angegeben, derart zu verändern, daß die Phasendifferenz zwischen den Spannungen c., und e/, Null ist. Da die beiden vorgenannten Einstellungen auf einander rückwirken. können die durch die Spannungsvergleichsschaltung und durch die Phascnvergleichsschaltung erzeugten Signale erst nach mehreren Änderungen der Einstellungen der Reaktanzen der Anpassungsschaltung Null gemacht werden.

Selbstverständlich sind weitere Ausführungsformen 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 F i g. 3 die Einstellung ausgehend von der Messung der Spannung et, vorgenommen werden, da eine notwendige und hinreichende Bedingung dafür, daß die Anpassung erreicht ist. darin besteht, daß dieser Wert Nr¹I ist. Es erweist sich aber in der Praxis, daß das Einstellen dann ziemlich kompliziert ist, insbesondere bei einer automatischen Steuerung der Anpassung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Anpassung eines Senders an eine Last, gebildet aus der Scrienschaltung eines Rjchtkopplers und einer aus reaktiven Elementen aufgebauten Anpassungsschaltung, bei der der Richtkoppler einen Eingangsanschluß besitzt, an den der Senderausgang angeschlossen ist, einen ersten Ausgangsanschluß, an dem nahezu die am EingangsanschluB anliegende Senderleistung vorhanden ist, und einen zweiten Ausgangsanschluß, an dem nur ein Bruchteil der am Eingangsanschluß anliegenden Senderieistung vorhanden ist und bei der die Elemente der Anpassungsschaltung durch Kontroll- is einrichtungen gesteuert so eingestellt wurden, daß das Verhältnis der in die Last fließenden Leistung und der von der Last reflektierten Leistung ein Maximum ist. wobei die Bestimmung des genannten Leistunp'verhältnisses durch die aus dein zweiten Ausgangxinschluß des Richtkonplers ausgekoppelte niedrige Leistung erfolgt, gekennzeichnet durch eine Umschalteinrichtung (3), durch die in der einen Schaltstellung (Sendephasc) der erste Ausgangsanschluß (12) des Richtkopplers (1) mit der Anpassungsschaltung (2) direkt verbunden ist. während der zweite Ausgangsanschluß (13) des Rich'kopplers (1) mit einer angepaßten Belastung (5) verbunden ist und in der anderen Schaltstellung (Anpassungsphase) der erste Ausgangsanschluß (12) des Richtkopplers(i) mit der angepaßten Belastung (5) verbunden ist. während der zweite Ausgangsanschluß (13) des Ric.itkopp.^rs (1) mit der Anpassungsschaltung (2) verwunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspn ;h I. dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinrichtungen eine Phasenvergleichsschaltung (8) enthalten, deren Eingänge mit dem /weiten Anschluß (13) bzw. mil dem /u dem Eingangsanschluß (11) konjugierten Anschluß (14)des Richtkopplers(l)verbundensind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinrichtungen außerdem enthalten: eine Spannungsteilerschaltung (6). deren Eingang mit dem Eingangsanschluß (U) des Richtkopplers (1) verbunden ist und deren Teilungsverhältnis gleich dem Kopplungsfaktor zwischen dem ersten Eingangsanschluß (U) und dem dazu konjugierten Anschluß (14) gewählt ist. wenn angepaßte Belastungen (5) mit den beiden Aus gangsanschlüssen (12, 13) verbunden sind; und eine Spannungsvergleichsschaltung (7). deren Eingänge mit dem Ausgang der Spannungsteilerschaltung (6) bzw. mit dem /weiten Ausgangsanschluß (13) verbunden sind.

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