FR2568069A1 - Circuit for automatic impedance matching and radiofrequency equipment including such a circuit - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne un circuit d'adaptation automatique d'im- pédance et plus particulièrement une amélioration des circuits de mesure utilisés pour la commande d'un circuit d'adaptation d'impédance entre un émetteur ou un récepteur et une antenne associée. The invention relates to an automatic impedance adaptation circuit and more particularly to an improvement of the measurement circuits used for controlling an impedance adaptation circuit between a transmitter or a receiver and an associated antenna.
Un circuit d'adaptation d'impédance a pour but de transformer l'impédance de l'antenne Ra + j.Xa à la fréquence F en une impédance de sortie de l'émetteur ou du récepteur, ou impédance carac téristique du câble de sortie, qui est généralement une résistance R. The purpose of an impedance matching circuit is to transform the impedance of the antenna Ra + j.Xa at frequency F into an output impedance of the transmitter or receiver, or characteristic impedance of the output cable. , which is usually a resistance R.
Les valeurs Ra et Xa étant fonction de la fréquence, il faut modifier les caractéristiques du circuit d'adaptation d'impédance pour chaque nouvelle fréquence.The values Ra and Xa being a function of the frequency, it is necessary to modify the characteristics of the impedance matching circuit for each new frequency.
Pour des raisons de facilité d'emploi, on utilise une chaîne de régulation capable d'effectuer automatiquement ces réglages. For reasons of ease of use, a regulation chain capable of carrying out these adjustments is used.
Ces réglages portent sur deux paramètres puisqu'il s'agit de transformer une impédance Ra + j.Xa en une résistance R.These adjustments relate to two parameters since it involves transforming an impedance Ra + j.Xa into a resistance R.
La chaîne de régulation entre le récepteur ou émetteur I et l'antenne 2 comprend classiquement (voir Fig. l) un quadripôle 3 comportant au moins deux éléments variables, un circuit de mesure 4 élaborant deux grandeurs linéairement indépendantes, des circuits de comparaison 5 permettant de comparer les grandeurs mesurées aux grandeurs de consigne 6 et un circuit de commande 7 permettant d'élaborer la commande des éléments variables en fonction des résultats de la comparaison. The regulation chain between the receiver or transmitter I and the antenna 2 conventionally comprises (see FIG. 1) a quadrupole 3 comprising at least two variable elements, a measurement circuit 4 developing two linearly independent quantities, comparison circuits 5 allowing to compare the quantities measured with the reference quantities 6 and a control circuit 7 making it possible to develop the control of the variable elements as a function of the results of the comparison.
Lorsque la valeur Ra de l'antenne est inférieure à R, on uti lise comme quadripôle un circuit en L, et lorsque la valeur Ra de l'antenne est supérieure à R, on utilise comme quadripôle un circuit en L inversé. When the Ra value of the antenna is less than R, an L-shaped circuit is used as a quadrupole, and when the Ra value of the antenna is greater than R, an inverted L-shaped circuit is used as a quadrupole.
A la figure 2, on a représenté un exemple particulier de réalisation classique d'un circuit d'adaptation d'impédance 8, qui correspond au cas où Ra est inférieur à R. In Figure 2, there is shown a particular example of a conventional embodiment of an impedance matching circuit 8, which corresponds to the case where Ra is less than R.
Ce circuit d'adaptation d'impédance 8 est situé entre l'é- metteur 1 et l'antenne 2, qui est représentée par deux éléments en série, une résistance 9 de valeur Ra et un élément 10 de valeur Xa qui est une self si Xa est positif et une capacité si
Xa est négatif.This impedance matching circuit 8 is located between the emitter 1 and the antenna 2, which is represented by two elements in series, a resistor 9 of value Ra and an element 10 of value Xa which is a self if Xa is positive and an ability if
Xa is negative.
Ce circuit 8 comporte comme quadripôle un circuit en L constitué par un élément série qui est une self 11 variable de valeur
Xs et qui relié d'un côté à l'émetteur 1 et de l'autre à l'antenne 2, et par un élément parallèle qui est une capacité 12 variable de valeur Bp et qui est relié d'une part à la masse et d'autre part à l'élément série 11 du côté relié à l'émetteur 1.This circuit 8 comprises, as a quadrupole, an L-shaped circuit constituted by a series element which is a variable inductor 11 of value
Xs and which connected on one side to the transmitter 1 and on the other to the antenna 2, and by a parallel element which is a variable capacitance 12 of value Bp and which is connected on the one hand to the ground and on the other hand to the serial element 11 on the side connected to the transmitter 1.
Ce circuit 8 comporte comme circuit de mesure, premièrement un phasemètre 13 qui mesure la phase entre la tension V et le courant I sur la liaison 14 entre l'émetteur 1 et le quadripôle constitué par 11 et 12, deuxièmement un impédancemètre 15 qui compare les modules de V et I. This circuit 8 comprises as a measurement circuit, firstly a phasemeter 13 which measures the phase between the voltage V and the current I on the link 14 between the emitter 1 and the quadrupole constituted by 11 and 12, secondly an impedance meter 15 which compares the modules of V and I.
Dans cette réalisation, la comparaison avec une grandeur de consigne est obtenue par réglage des détecteurs à zéro pour une phase nulle pour le phasemètre et pour l'égalité I-VI 141 entre module de V et module de I pour l'impédancemètre. In this embodiment, the comparison with a reference quantity is obtained by setting the detectors to zero for a zero phase for the phase meter and for the I-VI 141 equality between module of V and module of I for the impedance meter.
Ce circuit 8 comporte comme circuit de commande un premier amplificateur 16 dont l'entrée est reliée à la sortie du phasemètre 13 et dont la sortie est reliée à la commande de l'asservissement qui permet de faire varier la valeur Bp de la capacité 12, et un second amplificateur 17 dont l'entrée est reliée à la sortie de l'impédancemètre 15 et dont la sortie est reliée à la commande de l'asservissement qui permet de faire varier la valeur Xs de la self 11. This circuit 8 comprises as control circuit a first amplifier 16 whose input is connected to the output of the phasemeter 13 and whose output is connected to the control of the servo which makes it possible to vary the value Bp of the capacitor 12, and a second amplifier 17 the input of which is connected to the output of the impedance meter 15 and the output of which is connected to the control of the servo-control which makes it possible to vary the value Xs of the inductor 11.
De tels dispositifs permettent d'obtenir l'accord moyennant des précautions, en particulier l'éviction des termes dus aux perturbations dans les mesures effectuées par les détecteurs mais dans certains cas critiques, de tels dispositifs nécessitent l'utilisation d'asservissements à dépassement nul qui sont difficiles à réaliser. Such devices make it possible to obtain agreement with precautions, in particular the eviction of terms due to disturbances in the measurements made by the detectors but in certain critical cases, such devices require the use of servos with zero overshoot. which are difficult to achieve.
Dans un premier temps, on met en évidence le problème posé par ces cas critiques, dans le cas de l'exemple représenté à la figure 2. First, we highlight the problem posed by these critical cases, in the case of the example shown in Figure 2.
On peut montrer dans cet exemple que l'accord est possible, moyennant certaines conditions. Pour qu'il y ait accord, il faut d'après le schéma équivalent de la figure 2 que l'impédance Z équivalente a l'antenne et au circuit en L, soit égale à l'impédance d'entrée R, c'est-à-dire
z = Ra + j (Xa + Xs) = R
Bp (Xa + Xs) + jRaBp et si l'on choisit R comme unité d'impédance, ctest-à-dire R = 1, il faut que : Xs = - Xa +
et Bp =
Ra
Si l'on choisit le signe + Bp est une capacité si Ra < l et Xs est une self si Xa
On peut aussi montrer que le processus n'est pas toujours convergent, c'est-à-dire l'accord n'est pas obtenu pour toutes les conditions initiales.We can show in this example that agreement is possible, subject to certain conditions. For there to be agreement, it is necessary according to the equivalent diagram of FIG. 2 that the impedance Z equivalent to the antenna and to the circuit in L, is equal to the input impedance R, it is -to say
z = Ra + j (Xa + Xs) = R
Bp (Xa + Xs) + jRaBp and if we choose R as the impedance unit, ie R = 1, it is necessary that: Xs = - Xa +
and Bp =
Ra
If we choose the sign + Bp is a capacity if Ra <l and Xs is a self if Xa
We can also show that the process is not always convergent, that is to say agreement is not obtained for all the initial conditions.
Z - l
Pour le montrer, ôn applique à Z la transformation p = Z + l .Z - l
To show this, we apply to Z the transformation p = Z + l.
On obtient ainsi la représentation de l'impédance Z dans un plan connu sous le nom d'abaque de Smith et l'on peut interpréter physiquement p comme étant un coefficient de réflexion complexe. Cette abaque, limitée par le cercle de centre 0, l'origine des axes, et de rayon une unité, est représentée a la figure 3.We thus obtain the representation of the impedance Z in a plane known as the Smith abacus and we can physically interpret p as being a complex reflection coefficient. This abacus, limited by the circle of center 0, the origin of the axes, and of radius one unit, is shown in Figure 3.
En remplaçant Z par sa valeur dans l'expression de # , on obtient p = Ra - Bp(Xa +Xs) + j(Xa+Xs-RaBp)
Ra + Bp(Xa+Xs) + j (Xa+Xs+RaBp)
On peut remarquer que si Bp varie, l'égalité précédente est l'équation d'un cercle et que si Bp augmente indéfiniment P tend vers - 1. Donc si Bp varie, le point représentatif de Z sur une abaque de Smith se déplace sur un cercle li centré sur la droite - 1,+ 1 et passant par le point E de coordonnée -1. By replacing Z by its value in the expression of #, we obtain p = Ra - Bp (Xa + Xs) + j (Xa + Xs-RaBp)
Ra + Bp (Xa + Xs) + j (Xa + Xs + RaBp)
We can notice that if Bp varies, the preceding equality is the equation of a circle and that if Bp increases indefinitely P tends towards - 1. So if Bp varies, the representative point of Z on a Smith abacus moves on a circle li centered on the line - 1, + 1 and passing through the point E of coordinate -1.
On peut aussi remarquer que si Xs varie, l'égalité précédente est l'équation d'un cercle et que si Xs augmente indéfiniment # tend vers Bp + j , cette valeur représente l'admittance Bp,
-Bp + j c' est-à-dire la valeur de la capacité actuellement en service.We can also notice that if Xs varies, the preceding equality is the equation of a circle and that if Xs increases indefinitely # tends towards Bp + j, this value represents the admittance Bp,
-Bp + jc 'is to say the value of the capacity currently in service.
Donc si Xs varie, le point représentatif de l'impédance Z sur une abaque de Smith se déplace sur un cercle r tangent au cercle extérieur au point J d'admittance Bp.So if Xs varies, the point representing the impedance Z on a Smith chart moves on a circle r tangent to the outside circle at the point J of admittance Bp.
On constate alors sur la figure 3 que les commandes de régulation agissent dans le bon sens pour les points tels que A, B ou
C, mais dans un sens opposé pour les points tels que D. il existe alors des méthodes connues pour placer le point Z dans une zone favorable avant de mettre en service la régulation. La figure 3 a été dessinée dans le cas où l'accord est réalisé. Les deux cercles fl et r passent par le point 0.It can then be seen in FIG. 3 that the regulation commands act in the right direction for points such as A, B or
C, but in an opposite direction for the points such as D. then there are known methods for placing the point Z in a favorable zone before putting the regulation into service. Figure 3 has been drawn in case the agreement is made. The two circles fl and r pass through point 0.
Cependant dans le cas où Ra devient petit, Bp devient grand, et par conséquent sur la figure 3 le point J serapproche du point E. Le point F, deuxième point où le cercle r coupe la droite A d'équation
Z = 1, se rapproche alors beaucoup du point 0. Le point F est la limite de stabilité. Mais s'il est très près du point 0, un faible déplacement du point d'accord vers le point F et particulièrement un faible dépassement entraîne le point d'accord dans la zone où le système de réglage éloigne de l'accord au lieu de rapprocher.However in the case where Ra becomes small, Bp becomes large, and consequently on figure 3 the point J approaches the point E. The point F, second point where the circle r intersects the line A of equation
Z = 1, then gets very close to point 0. Point F is the stability limit. But if it is very close to point 0, a slight displacement of the chord point towards point F and particularly a small overshoot leads to the chord point in the area where the adjustment system moves away from the chord instead of to bring together.
Un dispositif conforme à l'invention permet l'utilisation d'asservissements usuels tout en évitant la divergence dans certains cas critiques, par remplacement de l'impédancemètre par un détecteur d'impédance en effectuant une modification, simple et sans coût supplémentaire. A device in accordance with the invention allows the use of usual servos while avoiding divergence in certain critical cases, by replacing the impedance meter by an impedance detector by making a modification, simple and without additional cost.
Selon une caractéristique de l'invention, le circuit d'adaptation d'impédance entre un émetteur ou récepteur d'impédance R, et l'antenne associée, d'impédance Ra + jXa, comporte un quadripôle d'adaptation, un circuit de détection pour effectuer des mesures sur la tension V et le courant I sur la liaison entre l'é- metteur ou récepteur et le quadripôle, les sorties du circuit de détection étant reliées à des asservissements qui permettent de faire varier les valeurs des éléments du quadripôle et ce circuit de détection comprenant un phasemètre et un discriminateur d'impédance que l'on déséquilibre de façon à lui donner une courbure pour pallier le risque de divergence du circuit d'adaptation. According to a characteristic of the invention, the impedance matching circuit between a transmitter or receiver of impedance R, and the associated antenna, of impedance Ra + jXa, comprises a matching quadrupole, a detection circuit to carry out measurements on the voltage V and the current I on the link between the emitter or receiver and the quadrupole, the outputs of the detection circuit being connected to servos which make it possible to vary the values of the elements of the quadrupole and this detection circuit comprising a phasemeter and an impedance discriminator which is unbalanced so as to give it a curvature to mitigate the risk of divergence of the adaptation circuit.
D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description suivante d'un exemple de réalisation, cette réalisation étant faite en relation avec les dessins ci-annexés dans lesquels
la figure 1 représente schématiquement un circuit classique d'adaptation automatique d'impédance décrit ci-dessus ;
la figure 2 représente de façon détaillée un exemple classique de circuit d'adaptation automatique d'impédance dans le cas où Ra est inférieur à R
la figure 3 représente une abaque de Smith
la figure 4 représente un détecteur d'impédance, conforme à l'invention.Other characteristics of the invention will emerge from the following description of an exemplary embodiment, this embodiment being made in relation to the attached drawings in which
FIG. 1 schematically represents a conventional automatic impedance matching circuit described above;
FIG. 2 shows in detail a classic example of an automatic impedance matching circuit in the case where Ra is less than R
Figure 3 shows a Smith abacus
FIG. 4 represents an impedance detector, in accordance with the invention.
Les éléments identiques sur les figures portent les mêmes références. Identical elements in the figures have the same references.
La figure 4 représente de façon détaillée un discriminateur d'impédance 18, conforme à l'invention, et que l'on utilise dans un circuit d'adaptation d'impédance, tel que celui représenté à la figure 2, à la place de l'impédancemètre 15. Figure 4 shows in detail an impedance discriminator 18, according to the invention, which is used in an impedance matching circuit, such as that shown in Figure 2, instead of the '' impedance meter 15.
Ce discriminateur 18 comporte deux transformateurs 19 et 20 identiques de rapport de transformation n, utilisés respectivement comme détecteur de courant I et détecteur de tension V. This discriminator 18 comprises two identical transformers 19 and 20 with transformation ratio n, used respectively as current detector I and voltage detector V.
Le premier transformateur 19 comporte un tore magnétique qui entoure la liaison 14 et un enroulement autour d'une portion de ce tore, qui est relié d'un premier côté à la masse et d'un second côté à une résistance 21 de valeur R, R étant la valeur de la résistance de sortie de l'émetteur. Le point commun à l'enroulement du transformateur 19 et à la résistance 21 est désigné par la lettre A, l'autre côté de la résistance 21 étant relié à la masse. The first transformer 19 comprises a magnetic toroid which surrounds the connection 14 and a winding around a portion of this toroid, which is connected on the first side to ground and on the second side to a resistor 21 of value R, R being the value of the output resistance of the transmitter. The point common to the winding of the transformer 19 and to the resistor 21 is designated by the letter A, the other side of the resistor 21 being connected to ground.
Le discriminateur 18 comporte également un mélangeur 22 dont la première entrée est reliée directement au point A et dont la seconde entrée, désignée par la lettre B, est également reliée au point A, mais le tore magnétique du second transformateur 20 entoure la liaison entre les points A et B. L'enroulement du transformateur 20 est relié d'une part à la liaison 14 et d'autre part à la masse. Une résistance 23 de valeur k.R est connectée entre le point B et la masse, k étant le facteur de déséquilibre du discriminateur 18. The discriminator 18 also includes a mixer 22, the first input of which is connected directly to point A and the second input of which, designated by the letter B, is also connected to point A, but the magnetic toroid of the second transformer 20 surrounds the connection between the points A and B. The winding of the transformer 20 is connected on the one hand to the link 14 and on the other hand to earth. A resistor 23 of value k.R is connected between point B and ground, k being the imbalance factor of the discriminator 18.
Le discriminateur 18 comporte, enfin, un amplificateur 24 qui amplifie le signal de sortie du mélangeur 22 et un filtre passebas, constitué par une résistance 25 connectée à la sortie de l'amplificateur 24 et par un condensateur 26 relié d'une part à la résistance 25 et d'autre part à la masse, le point commun à la résistance 25 et au condensateur 26 constituant la sortie du filtre. The discriminator 18 comprises, finally, an amplifier 24 which amplifies the output signal from the mixer 22 and a low-pass filter, constituted by a resistor 25 connected to the output of the amplifier 24 and by a capacitor 26 connected on the one hand to the resistor 25 and on the other hand to ground, the point common to the resistor 25 and to the capacitor 26 constituting the output of the filter.
La sortie du détecteur d'impédance qui est la sortie du filtre passe-bas est reliée à la commande de l'asservissement qui permet de faire varier la valeur Xs de l'élément 11. The output of the impedance detector which is the output of the low-pass filter is connected to the servo control which makes it possible to vary the value Xs of the element 11.
Dans un second temps, on étudie de quelle façon l'invention pallie oe risque de divergence, sans qu'il soit nécessaire de recourir à des -asservissementsextrêmement précis pour éviter le dépassement. In a second step, we study how the invention compensates for the risk of divergence, without it being necessary to resort to extremely precise control systems to avoid overshoot.
On peut en effet, éloigner le point F du point O en "donnant une courbure" dans le bon sens au détecteur, c'est-à-dire en tilisant plus la droite(#)d'équation Z = 1 comme limite de discrimination mais en la remplaçant par un cercle bien orienté, centré sur la droite OE et passant par 0. One can indeed, move the point F from the point O by "giving a curvature" in the right direction to the detector, that is to say by using more the line (#) of equation Z = 1 as discrimination limit but replacing it with a well oriented circle, centered on the right OE and passing through 0.
La réalisation du discriminateur 18 à la figure 4 montre comment "donner une courbure" à un discriminateur et comment régler cette courbure. The embodiment of the discriminator 18 in FIG. 4 shows how to "give a curvature" to a discriminator and how to adjust this curvature.
A la figure 4 la tension VA développée au point A est égale à
V + k.I k (I-V) n (1+k) et la tension VB développée au point B est égale à n (l+k) où n est le rapport du nombre de tours des transformateurs.In FIG. 4 the voltage VA developed at point A is equal to
V + kI k (IV) n (1 + k) and the voltage VB developed at point B is equal to n (l + k) where n is the ratio of the number of turns of the transformers.
Dans l'abaque de Smith, V + I a pour coordonnées (1, O) et
V - I a pour coordonnées (x, y), coordonnées du point M, par con séquent les coordonnées de V sont (x + 1 , y) et de I (l - x, - y).In Smith's abacus, V + I has the coordinates (1, O) and
V - I has coordinates (x, y), coordinates of point M, therefore the coordinates of V are (x + 1, y) and of I (l - x, - y).
2 2 2 2
A la sortie du mélangeur 19, on obtient le produit des signaux
VA et VB et il y a accord lorsque la tension en sortie du mélangeur est nulle. Pour qu'il y ait accord, il faut donc que VA VB = O ou encore V +k.I . k (I - V) = 0, ce qui donne une lois développé
n (l+k) n(l+k) l'équation (1) : x.(1-k) + (1+k).x+y.(1-k) = O et en posant
1 l + k 1 + k a = - + , on obtient : x + y + ( ) = 0
2 l - k 4 l - k
L'équation (1) est donc celle d'un cercle de rayon 1 x l + k
2 l - k
1 l+k et de centre P de coordonnées ( - 2 x 1 k X O).La limite de discrimination est ce cercle et pour que la courbure soit dans le bon sens, dans notre exemple il faut que k soit inférieur à 1, la limite inférieure de k étant fixée par la sensibilité du détecteur. 2 2 2 2
At the output of the mixer 19, the product of the signals is obtained
VA and VB and there is agreement when the output voltage of the mixer is zero. For there to be agreement, it is therefore necessary that VA VB = O or even V + kI. k (I - V) = 0, which gives a developed law
n (l + k) n (l + k) equation (1): x. (1-k) + (1 + k) .x + y. (1-k) = O and by posing
1 l + k 1 + ka = - +, we obtain: x + y + () = 0
2 l - k 4 l - k
Equation (1) is therefore that of a circle of radius 1 xl + k
2 l - k
1 l + k and center P of coordinates (- 2 x 1 k XO). The discrimination limit is this circle and for the curvature to be in the right direction, in our example it is necessary that k is less than 1, the lower limit of k being fixed by the sensitivity of the detector.
A la figure 3, on a représenté le cas ou k est égal à 1/2. La référence d'accord est le cercle dont lé centre est le point P de 3 (- 3 coordonnées (~ 2 ; ) et dont le rayon est égal à 2 le point limite est le point F' qui se rapproche moins vite du point O que le point F lorsque Ra devient petit. On pallie donc le risque de divergence, en diminuant le risque de dépassement de la limite puisque cette limite a été repoussée. In Figure 3, there is shown the case where k is equal to 1/2. The chord reference is the circle whose center is the point P of 3 (- 3 coordinates (~ 2;) and whose radius is equal to 2 the limit point is the point F 'which approaches the point O less quickly than the point F when Ra becomes small. We thus mitigate the risk of divergence, by reducing the risk of exceeding the limit since this limit has been pushed back.
En modifiant la valeur de k, on peut donc "régler la courbure" du détecteur à volonté de façon très simple et sans coût supplémentaire puisqu'il suffit de remplacer une résistance par une autre. By modifying the value of k, it is therefore possible to "adjust the curvature" of the detector at will in a very simple manner and at no additional cost since it suffices to replace one resistor with another.
Ce procédé présente cependant l'inconvénient que la tension disponible en B est affectée par le facteur k, et à la limite si k est égal à 0, cette tension est nulle. Le facteur k ne peut donc pas être trop petit. However, this method has the drawback that the voltage available at B is affected by the factor k, and at the limit if k is equal to 0, this voltage is zero. The factor k cannot therefore be too small.
Mais tout système réalisant la fonction (V-I).(V+k.I)répond au problème et si on veut un k très petit on peut toujours régler ce problème à l'aide d'un transformateur supplémentaire, qui permet de réaliser la fonction V-I. But any system realizing the function (V-I). (V + k.I) answers the problem and if we want a very small k we can always solve this problem using an additional transformer, which allows to realize the function V-I.
Dans le cas où Ra est superieur R un discriminateur d'irpé- dance analogue est utilisé dans le circuit d'adaptation automamatique d'impédance, mais dans ce cas, il y a risque de divergence lorsque Ra devient très grand et l'on pallie ce risque en utilisant des valeurs de k supérieures à 1. In the case where Ra is greater than R a discriminator of analogous impedance is used in the automamatic adaptation circuit of impedance, but in this case, there is a risk of divergence when Ra becomes very large and we compensate this risk using values of k greater than 1.
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| FR8009620A FR2568069B1 (en) | 1980-04-29 | 1980-04-29 | AUTOMATIC IMPEDANCE ADAPTATION CIRCUIT AND RADIO FREQUENCY EQUIPMENT COMPRISING SUCH A CIRCUIT |
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ID=9241472
Family Applications (1)
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| FR (1) | FR2568069B1 (en) |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| CL | Concession to grant licences | ||
| ST | Notification of lapse |