RU2309491C1

RU2309491C1 - Антенно-согласующее устройство

Info

Publication number: RU2309491C1
Application number: RU2006114246/09A
Authority: RU
Inventors: Алексей Викторович Богданов (RU); Алексей Викторович Богданов; Юрий Алексеевич Попов (RU); Юрий Алексеевич Попов; Дмитрий Николаевич Марченко (RU); Дмитрий Николаевич Марченко
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2007-10-27

Abstract

Изобретение относится к технике радиосвязи и может использоваться в широкодиапазонных радиопередатчиках для компенсации отклонений входного импеданса антенны от значения, при котором обеспечивается оптимальный режим работы усилителя мощности радиопередатчика. Техническим результатом является значительное сокращение времени настройки. Антенно-согласующее устройство содержит согласующий контур, образуемый элементами четырех магазинов реактивностей, и коммутатор, который подключен первым выходом к входу согласующего контура. Первичная обмотка трансформатора тока включена между выходом аттенюатора и вторым входом коммутатора, а микроконтроллер подключен выходами первого порта параллельного интерфейса к соответствующим управляющим входам коммутатора и согласующего контура. Первый и второй дифференциальные усилители подключены входами соответственно к выходу аттенюатора и выходу трансформатора тока, а первый и второй преобразователи "аналог-цифра" подключены аналоговыми входами соответственно к выходам дифференциальных усилителей. Первое и второе оперативные запоминающие устройства подключены цифровыми входами соответственно к цифровым выходам преобразователей "аналог-цифра", а цифровыми выходами подключены к второму порту параллельного интерфейса микроконтроллера. Синтезатор частот подключен первым выходом к входу аттенюатора, вторым выходом подключен к входам синхронизации преобразователей "аналог-цифра", а портом управления подключен к второму порту последовательного интерфейса микроконтроллера, при этом калибровочный резистор подключен к второму выходу коммутатора. 1 ил.

Description

Изобретение относится к технике радиосвязи и может использоваться в широкодиапазонных радиопередатчиках для компенсации отклонений входного импеданса антенны от значения, при котором обеспечивается оптимальный режим работы усилителя мощности радиопередатчика.

Известно антенно-согласующее устройство [1], содержащее согласующий контур, образуемый элементами четырех магазинов реактивностей, аттенюатор, блок датчиков-дискриминаторов контроля характеристик рассогласования, коммутатор и микроконтроллер, причем вход согласующего контура подключается через коммутатор к ВЧ входу устройства или непосредственно, или через последовательно включенные аттенюатор и блок датчиков-дискриминаторов, информационные выходы датчиков-дискриминаторов подключены к соответствующим входам параллельного интерфейса микроконтроллера, управляющие входы согласующего контура (управляющие входы магазинов реактивностей) и управляющий вход коммутатора, подключенные к соответствующим выходам параллельного интерфейса микроконтроллера, выход согласующего контура является ВЧ выходом устройства, а порт последовательного интерфейса микроконтроллера является портом дистанционного управления устройства. Блок датчиков-дискриминаторов включает в себя:

датчик Z (Z - модуль комплексного входного сопротивления), определяющий знак разности амплитуд двух сигналов, пропорциональных соответственно напряжению и току на входе согласующего контура. Указанная разность положительна, если Z>R₀, (R₀ - величина оптимальной нагрузки усилителя мощности радиопередатчика);

датчик φ (φ - фаза комплексного входного сопротивления), определяющий знак сдвига фаз сигналов, пропорциональных напряжению и току на входе согласующего контура. Знак сдвига фаз положительный, если комплексное входное сопротивление имеет индуктивный характер, и отрицательный, если входное сопротивление имеет емкостной характер;

датчик КБВ, определяющий знак разности амплитуд двух сигналов, получаемых суммированием сигнала, пропорционального напряжению на входе согласующего контура, соответственно с сигналами, пропорциональными току на входе согласующего контура и сдвинутыми по фазе друг относительно друга на 180 градусов.

Указанная разность положительна, если она не меньше некоторой величины С, являющейся критерием настройки.

Во всех указанных выше датчиках для получения сигнала, пропорционального току на входе согласующего контура, используется измерительный трансформатор тока, включенный первичной обмоткой последовательно с согласующим контуром.

Настройка устройства на заданную рабочую частоту производится в следующей последовательности.

Вначале при отключенных реактивностях согласующего контура на вход антенны через блок датчиков-дискриминаторов на короткое время Т_уст, достаточное для установления показаний датчиков, подается тестовый сигнал, представляющий собой немодулированное колебание с частотой f_p (Т_уст включает в себя также и время установления уровня тестового сигнала).

При отрицательных показаниях датчика КБВ в зависимости от показаний датчиков Z и φ в отсутствие тестового сигнала производится включение минимальной дискреты одного из четырех магазинов реактивностей согласующего контура, за время Т_перекл, после чего вновь подается тестовый сигнал и проверяются показания датчиков. Если показания датчиков не изменились, производится подключение следующей дискреты в том же магазине реактивностей. Процедура переключения дискрет данного магазина реактивностей с контролем показаний датчиков производится до получения положительных показаний датчика КБВ, свидетельствующих о завершении настройки, или до изменения показаний датчиков Z и φ. В соответствии с новыми показаниями датчиков Z и φ выбирается очередной магазин реактивностей и производится описанная выше процедура переключения его дискрет.

Известны также другие антенно-согласующие устройства [2, 3, 4], аналогичные по структурной схеме и алгоритму работы описанному выше устройству, выбранному в качестве прототипа.

Недостатком рассматриваемого согласующего устройства является большое время настройки согласующего контура в связи с последовательным (поочередным) набором малыми приращениями необходимых значений реактивностей, образующих контур, а также в связи с большим временем переключения дискрет в магазинах реактивностей.

Указанный недостаток становится существенным в радиолиниях с быстрым изменением рабочей частоты - адаптивных и радиолиниях с программным изменением рабочей частоты во время сеанса связи.

Задачей изобретения является значительное сокращение времени настройки.

Для этого в антенно-согласующее устройство, содержащее согласующий контур, образуемый элементами четырех магазинов реактивностей, коммутатор, подключенный первым выходом к входу согласующего контура, аттенюатор, трансформатор тока, подключенный первым выводом первой обмотки к выходу аттенюатора, а вторым выводом первичной обмотки ко второму входу коммутатора, микроконтроллер, подключенный выходами первого порта параллельного интерфейса к соответствующим управляющим входам коммутатора и согласующего контура, в котором первый вход коммутатора и выход согласующего контура являются соответственно ВЧ входом и ВЧ выходом устройства, а первый порт последовательного интерфейса микроконтроллера являются портом дистанционного управления устройства, ВВЕДЕНЫ калибровочный резистор, подключенный к второму выходу коммутатора, первый и второй дифференциальные усилители, подключенные входами соответственно к выходу аттенюатора и к выходу трансформатора тока, первый и второй преобразователи "аналог-цифра", подключенные аналоговыми входами соответственно к выходам дифференциальных усилителей, первое и второе оперативные запоминающие устройства, подключенные входами соответственно к цифровым выходам преобразователей "аналог-цифра", а выходами - к второму порту параллельного интерфейса микроконтроллера, синтезатор частот, подключенный первым выходом к входу аттенюатора, вторым выходом - к входам синхронизации преобразователей "аналог-цифра", а портом управления - к третьему порту последовательного интерфейса первого микроконтроллера.

Предлагаемое техническое решение соответствует критерию "новизна", т.к. отличается от прототипа наличием новых функциональных элементов и новых связей между элементами.

Структурная схема предлагаемого устройства изображена на чертеже.

Антенно-согласующее устройство содержит согласующий контур 12, образуемый элементами четырех магазинов реактивностей, коммутатор 7, подключенный первым выходом к входу согласующего контура, аттенюатор 2, трансформатор тока 8, подключенный первым выводом первичной обмотки к выходу аттенюатора, а вторым выходом первичной обмотки - к второму входу коммутатора, микроконтроллер 6, подключенный выходами первого порта параллельного интерфейса к соответствующим управляющим входам коммутатора и согласующего контура, первый 3 и второй 9 дифференциальные усилители, подключенные входами соответственно к выходу аттенюатора и к выходу трансформатора тока, первый 4 и второй 10 преобразователи "аналог-цифра", подключенные аналоговыми входами соответственно к выходам дифференциальных усилителей, первое 5 и второе 11 оперативные запоминающие устройства, подключенные входами соответственно к цифровым выходам преобразователей "аналог-цифра", а выходами - к второму порту параллельного интерфейса микроконтроллера, калибровочный резистор 13, подключенный к второму выходу коммутатора, синтезатор частот 1, подключенный первым выходом к входу аттенюатора, вторым выходом - к входам синхронизации преобразователей "аналог-цифра", а портом управления - к третьему порту последовательного интерфейса первого микроконтроллера, причем первый вход коммутатора и выход согласующего контура являются соответственно ВЧ входом и ВЧ выходом устройства, а первый порт последовательного интерфейса первого микроконтроллера является портом дистанционного управления устройства.

С целью повышения точности измерений контролируемых параметров, повышения надежности и снижения габаритов схемы в предлагаемом устройстве возможно использование больших интегральных схем (БИС), аналогичных:

- AD9854 (фирмы Analog Devices) - синтезатор частот;

- AD8332 - двухканальный дифференциальный усилитель;

- AD9238 - двухканальный быстродействующий преобразователь "аналог-цифра";

- IDT72V283 - быстродействующее оперативное запоминающее устройство;

- HD64F2633TE (ф. Renesas Technology) - микроконтроллер.

Для настройки устройства на заданную рабочую частоту вначале определяются исходные значения характеристик входного импеданса антенны.

Для этого к первому выходу синтезатора частот 1 через аттенюатор 2, трансформатор тока 8 и коммутатор 7 поочередно подключаются калибровочный резистор 13 или вход согласующего контура 12, который на это время подключается непосредственно к ВЧ выходу устройства. Частота сигнала на первом выходе синтезатора тестового сигнала устанавливается равной заданной рабочей частоте. Частота сигнала на втором выходе синтезатора отличается от рабочей частоты на некоторую величину Δf. Далее с помощью преобразователей "аналог-цифра" 4 и 10 в течение N интервалов времени

производится отсчет мгновенных значений сигналов, пропорциональных напряжению и току на входе согласующего контура и на калибровочном резисторе. Все отсчеты запоминаются соответственно в оперативных запоминающих устройствах 5 и 11 и используются в микроконтроллере 6 для вычисления значений активной R_a и реактивной Х_a составляющих комплексного входного сопротивления антенны по формулам:

Здесь:

R_k - сопротивление калибровочного резистора;

U_см - напряжение смещения в преобразователях "аналог-цифра";

A_{н max}, A_{m max}, A_{нк max}, A_{mk max} - величины, получаемые путем усреднения по N максимальных на каждом интервале Т_изм значений отсчетов, соответствующих напряжению и току на входе согласующего контура и на калибровочном резисторе;

A_{m min} - величина, получаемая путем усреднения по N значений отсчетов, соответствующих току на входе согласующего контура, полученных на каждом интервале Т_изм, одновременно с отсчетом, соответствующим напряжению на входе согласующего контура, значение которого минимально отличается от U_см и больше значения предыдущего отсчета.

Условием согласования является выполнение неравенства

Ro - величина оптимальной нагрузки усилителя мощности радиопередатчика;

С - минимальное допустимое значение КБВ нагрузки усилителя мощности.

При невыполнении указанного неравенства вычисляются необходимые значения сопротивлений реактивностей согласующего контура и определяется набор дискрет соответствующих магазинов реактивностей, реализующих эти значения сопротивлений.

Если C·Ro≤Ra≤

и Xa>0, согласование достигается включением последовательно с антенной "укорачивающей" емкости с сопротивлением

где

f_р - рабочая частота;

С∂_i - емкость i-ой дискреты магазина "укорачивающих" емкостей.

Если C·Ro≤Ra≤

и Ха<0, последовательно с антенной включается "удлиняющая" индуктивность с сопротивлением

где L∂_i - индуктивность i-ой дискреты магазина "удлиняющих" индуктивностей.

Если Ra<C·Ro, Ха>0 и

, для согласования используются "укорачивающая" емкость и емкость "связи", шунтирующая вход согласующего контура. При этом Хук и Хсв вычисляются по формулам

C∂_i - емкость i-ой дискреты магазина емкостей "связи".

Если Ra<С·Ro, Ха>0 и

, для согласования используются "удлиняющая" индуктивность и емкость "связи" с сопротивлениями

Если Ra<C·Ro и Xa<0, сопротивление Хсв определяется по формуле, указанной в предыдущем случае, а сопротивление Худл - по формуле Худл=Хсв+Ro·cos(φ₁)·sin(φ₁).

Если Ra>

, Ха>0, согласование производится "удлиняющей" индуктивностью и емкостью, шунтирующей вход антенны. Сопротивления Худл и Хш при этом определяются по формулам:

С∂_i - емкость i-ой дискреты магазина емкостей шунта.

Если Ra>

и Ха<0, сопротивление Худл определяется по формуле, указанной в предыдущем случае, а сопротивление Хш - по формуле

Определенные в результате указанных выше расчетов наборы дискрет из соответствующих магазинов реактивностей включаются одновременно. В результате время настройки Т_настр предлагаемого устройства на заданную рабочую частоту определяется как

T_настр=T_уст+N·T_изм+T_выч+T_перекл, где

Т_уст - время установления уровня тестирующего сигнала, которое практически находится в пределах 10...20 мс;

N·T_изм - время набора массива отсчетов, которое не превышает 20 мс;

Т_выч - время вычисления необходимых значений реактивностей в согласующем контуре и определения набора дискрет, реализующих эти значения реактивностей, которое может достигать 0,3 мс;

Т_перекл - время переключения дискрет, которое не превышает 20 мс.

Время настройки прототипа определяется как

Т_настр=N₁·Т_уст+N₁·Т_перекл, где

N₁ - количество переключений дискрет, которое практически находится в пределах 10-150.

В соответствии с приведенными выражениями время настройки прототипа лежит в пределах 0,4...6 сек., а время настройки предлагаемого устройства не превышает 61 мс, что свидетельствует о достижении поставленной цели.

Источники информации.

1. Руководство по эксплуатации блока АнСУ-1000П, ОНИИП, г.Омск, 2005 г. (прототип).

2. Техническое описание блока АСУ-Бк, НПП "Полет" г.Н.Новгород, 2001 г.

3. Repair Manual 6045.5874.62.02 Antenna Tuning Unit FK 2100, ф."Rohde&Schwarz", 1995 г.

4. Mantenimiento DEL RF-5800H-MP, ф."Harris", 2001 г.

5. AD8302 Data Sheets, Rev.0, Analog Devices, Inc., 2002.

Claims

Антенно-согласующее устройство, содержащее согласующий контур, образуемый элементами четырех магазинов реактивностей, коммутатор, подключенный первым выходом к входу согласующего контура, аттенюатор, трансформатор тока, первичная обмотка которого включена между выходом аттенюатора и вторым входом коммутатора, и микроконтроллер, подключенный выходами первого порта параллельного интерфейса к соответствующим управляющим входам коммутатора и согласующего контура, в котором ВЧ-входом и ВЧ-выходом являются соответственно первый вход коммутатора и выход согласующего контура, а портом дистанционного управления является первый порт последовательного интерфейса микроконтроллера, отличающееся тем, что в него введены первый и второй дифференциальные усилители, подключенные входами соответственно к выходу аттенюатора и выходу трансформатора тока, первый и второй преобразователи "аналог-цифра", подключенные аналоговыми входами соответственно к выходам дифференциальных усилителей, первое и второе оперативные запоминающие устройства, подключенные цифровыми входами соответственно к цифровым выходам преобразователей "аналог-цифра", а цифровыми выходами подключенные к второму порту параллельного интерфейса микроконтроллера, синтезатор частот, подключенный первым выходом к входу аттенюатора, вторым выходом подключенный к входам синхронизации преобразователей "аналог-цифра", а портом управления подключенный к второму порту последовательного интерфейса микроконтроллера, и калибровочный резистор, подключенный к второму выходу коммутатора.