Система настройки антенны

 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к радиопередающей технике. Достигаемым техническим результатом является построение системы настройки антенны, обладающей повышенной помехоустойчивостью и отсутствием излучения электромагнитной энергии в свободное пространство, за счет использования в качестве сигнала, возбуждающего систему настройки, антенны случайных радиопомех. Система настройки антенны состоит из передающей антенны, второй антенны, согласующего устройства, коммутатора, первого приемника, второго приемника, первого квадратичного детектора, второго квадратичного детектора, делителя напряжений, индикатора настройки. Система настройки антенны может быть использована для согласования выхода передатчика с входом передающей антенны без излучения в эфир передающей антенной электромагнитных волн и при наличии повышающего уровня внешних помех, в том числе преднамеренных. 3 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к радиопередающей технике, и, в частности, заявленная система настройки антенны может быть использована для согласования выхода передатчика с входом передающей антенны без излучения в эфир передающей антенной электромагнитных волн и при наличии повышенного уровня внешних помех, в том числе преднамеренных.

Известно устройство согласования радиопередатчика с антенной (см., например, авт. св. СССР N 769708, МПК H 03 J 3/22, опубл. 07.10.1980 г.), которое содержит перестраиваемый согласующий контур, датчик активной составляющей проводимости, амплитудный и фазовый дискриминаторы, блок управления, элемент совпадения.

Недостатком этого устройства согласования радиопередатчика с антенной является излучение электромагнитной энергии в свободное пространство, что в ряде случаев недопустимо.

Известно также автоматическое согласующее устройство (см., например, авт. св. СССР N 1356209, МПК H 03 H 7/40, опубл. 30.11.1987 г.), которое содержит датчик фазы, датчик активной проводимости, перестраиваемый конденсатор, антенну, два отрезка длинной линии с ферритом и управляющей обмоткой подмагничивания, три блока управления, вычислительный блок, АЦП.

Недостатком этого устройства согласования радиопередатчика с антенной является излучение электромагнитной энергии в свободное пространство, что в ряде случаев недопустимо.

Наиболее близким аналогом к заявленному устройству (прототипом) по своей технической сущности является известная система настройки антенны по пат. США N 4267599, МКИ H 04 В 17/00, опубл. 12.05.1981 г., которая содержит радиопередатчик, коммутатор, эквивалент нагрузки, устройство контроля, мост, согласующее устройство, антенну.

При этом вход согласующего устройства подключен к антенне, а выход - к первому выводу коммутатора, второй вывод которого подключен к передатчику, причем третий вывод коммутатора подключен к эквиваленту нагрузки и мосту, в диагональ которого включено устройство контроля.

Применение эквивалента нагрузки и мостовой схемы в этой системе настройки антенны позволяет получать простую и быструю операцию настройки и низкий уровень излучаемой электромагнитной энергии в свободное пространство.

Недостатком этой системы настройки антенны являются излучение электромагнитной энергии в эфир и низкая помехоустойчивость, обусловленные тем, что при настройке антенны часть мощности, генерируемой радиопередатчиком, излучается в свободное пространство и в тоже время на устройство контроля действуют помехи, поступающие через настраиваемую антенну.

Целью настоящего изобретения является разработка системы настройки передающей антенны, обладающей более высокой помехоустойчивостью и отсутствием излучения электромагнитной энергии в свободное пространство, за счет использования в качестве сигнала, возбуждающего систему настройки антенны, случайных радиопомех.

Поставленная цель достигается тем, что в известную систему настройки антенны, содержащую согласующее устройство, представляющее собой узкополосную резонансную согласующую цепь, вход которого подключен к передающей антенне, а выход - к первому и третьему выводам коммутатора, второй вывод которого подключен к выходу передатчика, и индикатор настройки, дополнительно введены вторая антенна, первый и второй радиоприемники, первый и второй квадратичные детекторы и делитель напряжений. Вторая антенна имеет диаграмму направленности, идентичную с передающей антенной, и подключена к пятому выводу коммутатора. Четвертый вывод коммутатора подключен к входу первого приемника, который соединен с первым квадратичным детектором. Шестой вывод коммутатора подключен к входу второго приемника, который соединен с вторым квадратичным детектором. Выходы первого и второго квадратичных детекторов подключены соответственно к первому и второму входам делителя напряжений, выход которого подключен к входу индикатора настройки.

Принцип создания предлагаемого устройства основан на теореме взаимности приемной и передающей антенн (Драбкин В.Л., Зузенко А.Л. "Антенно-фидерные устройства" - М.: "Советское Радио", 1961 г., стр. 136), а также на том, что значение отношения мощностей, отдаваемых двумя приемными антеннами в свои нагрузки, есть величина постоянная при условии, что на антенны действуют одни и те же электромагнитные волны, коэффициенты согласования антенн с нагрузками постоянны и антенны имеют одинаковые диаграммы направленности. В тоже время, при увеличении коэффициента согласования первой антенны со своей нагрузкой пропорционально увеличивается значение отношения мощностей, отдаваемых первой и второй антеннами в свои нагрузки, при тех же условиях.

Таким образом, работа предлагаемого устройства основана на приеме передающей и второй антеннами случайных радиопомех и принятии решения о конце настройки при достижении максимального значения отношения мощностей, отдаваемых в свои нагрузки передающей и второй антеннами.

Такое построение устройства в отличие от прототипа, где для принятия решения о настройке системы используется высокочастотный сигнал передатчика и не учитывается действие помех, обладает следующими преимуществами: повышается помехоустойчивость настройки, так как на точность настройки не влияет повышение уровня радиопомех любых видов, исключается излучение электромагнитной энергии в свободное пространство, так как система антенной настройки не содержит источника высокочастотного сигнала.

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых: на фиг. 1 приведена общая структурная схема системы настройки антенны, на фиг. 2 - графики низкочастотных сигналов на выходах первого 5 и второго 6 приемников, на фиг. 3 - графики действующих значений напряжений низкочастотных сигналов на выходах первого 5 и второго 6 приемников.

Система настройки антенны, показанная на фиг. 1, содержит передающую антенну 1, вторую антенну 2, согласующее устройство, представляющее собой узкополосную резонансную согласующую цепь 3, коммутатор 4, первый приемник 5, второй приемник 6, первый квадратичный детектор 7, второй квадратичный детектор 8, делитель напряжений 9, индикатор настройки 10.

При этом вход согласующего устройства 3 подключен к передающей антенне 1, а выход - к первому и третьему выводам коммутатора 4, второй вывод которого подключен к выходу передатчика, вторая антенна 2 подключена к пятому выводу коммутатора 4, последовательно соединены первый радиоприемник 5 и первый квадратичный детектор 7, а также последовательно соединены второй радиоприемник 6 и второй квадратичный детектор 8, четвертый и шестой выводы коммутатора 4 подключены к входам соответственно первого 5 и второго 6 радиоприемников, а выходы первого 7 и второго 8 квадратичных детекторов подключены соответственно к первому и второму входам делителя напряжений 9, выход которого подключен к входу индикатора настройки 10.

В качестве передающей может применяться любая штатная антенна радиопередатчика. Вторая антенна 2 предназначена для приема тех же радиопомех, что и настраиваемая антенна, и должна иметь идентичную с ней диаграмму направленности.

Согласующее устройство 3 предназначено для согласования выхода передатчика с входом настраиваемой антенны и представляет собой узкополосную согласующую цепь. Схемы построения таких узкополосных согласующих цепей известны, см. , напр., Бабков В.Ю., Муравьев Ю.К. Основы построения устройств согласования антенн. - Л.: Военная Краснознаменная Академия Связи, 1980 г., стр.73.

Коммутатор 4 предназначен для управления режимами работы системы настройки антенны, которая имеет два режима работы. Первый режим - "настройка", второй режим - "передача". В качестве коммутатора 4 может быть использован стандартный трехполюсный выключатель с одним замыкающим контактом и двумя размыкающими контактами. Выводы коммутатора 4, изображенного на фиг. 1, пронумерованы в порядке возрастания сверху вниз и слева направо, причем входные выводы имеют нечетную нумерацию, а выходные выводы - четную нумерацию. Таким образом, входные и выходные выводы размыкающего контакта коммутатора 4 имеют нумерацию соответственно 1 и 2, а входные и выходные выводы замыкающих контактов имеют нумерацию соответственно 3, 5 и 4, 6. Положение контактов, изображенное на фиг. 1, соответствует режиму "передача".

Первый 5 и второй 6 приемники предназначены для приема на частоте настройки случайных радиопомех и преобразования их на низкую частоту. Причем первый 5 и второй 6 приемники работают без автоматической регулировки усиления. В качестве первого 5 и второго 6 радиоприемников могут быть использованы любые выпускаемые промышленностью радиоприемники для магистральной радиосвязи, например Р-160П.

Первый 7 и второй 8 квадратичные детекторы предназначены для определения действующих напряжений на выходах соответственно первого 5 и второго 6 приемников. Схема построения квадратичного детектора известна, см., напр., Измерения в технике связи. Под ред. Кушнира Ф.В. - М.: "Связь", 1970 г., стр.234-236, рис. 6.38.

Делитель напряжений 9 предназначен для определения значения отношения напряжений при широком диапазоне изменения значений напряжений, поступающих на его входы. Схемы построения таких делителей известны, см., напр., Хьюз Р. С. Логарифмические видеоусилители. - М.: "Энергия", 1976 г., стр. 103, или Аналоговые и цифровые интегральные схемы, под ред. С.В. Якубовского, -М.: "Советское радио", 1979 г., стр. 239-241, рис. 4.24.

Индикатор настройки 10 предназначен для определения напряжения, поступающего с выхода делителя напряжений 9. В качестве индикатора настройки может использоваться любой прибор для измерения напряжения, и в частности, стандартный вольтметр с высоким входным сопротивлением.

Система настройки антенны работает следующим образом. В режиме "настройка" коммутатор 4 размыкает размыкающий контакт (выводы 1 и 2) и замыкает замыкающие контакты (выводы 3, 5 и 4, 6). Передающая антенна 1 работает как приемная, при этом случайные радиопомехи через согласующее устройство и замкнутый контакт коммутатора 4 (3 и 4 вывод) попадают на вход первого приемника 5. Вторая антенна 2 находится от передающей антенны 1 на расстоянии, не превышающем интервал пространственной корреляции. Так как передающая 1 и вторая 2 антенны имеют идентичные диаграммы направленности, то на вторую антенну 2 действуют те же случайные радиопомехи, что и на передающую антенну 1. Эти случайные радиопомехи через замкнутый контакт коммутатора 4 (5 и 6 вывод) попадают на вход второго приемника 6. Амплитуды низкочастотных сигналов, получаемых на входах первого 5 и второго 6 приемников, поступают соответственно на входы первого 7 и второго 8 квадратичных детекторов. На выходе квадратичных детекторов выделяются действующие напряжения указанных низкочастотных сигналов (фиг 3). Эти значения поступают соответственно на 1 и 2 входы делителя напряжений.

Делитель напряжений 9 реализует функцию вида где U_Δ - напряжение на выходе делителя напряжений 9; U₁ - напряжение, поступающее с первого квадратичного детектора 7; U₂ - напряжение, поступающее с второго квадратичного детектора 8.

Таким образом, на выходе делителя напряжений получается напряжение U_Δ, соответствующее значению отношения действующих напряжений указанных низкочастотных сигналов.

Для пояснения принципа работы системы настройки антенны покажем, что значение отношения действующих напряжений низкочастотных сигналов, полученных на выходах первого 5 и второго 6 приемников, пропорционально зависит только от величины коэффициента согласования настраиваемой антенны 1 с входом первого приемника 5.

Так как на вторую антенну 2 действуют те же случайные радиопомехи, что и на передающую антенну 1, то на входы первого 5 и второго 6 приемников действуют одинаковые случайные радиопомехи. При этом мощность, отдаваемая от антенн на входы своих приемников, будет равна где P₁ - мощность, отдаваемая передающей антенной 1 на вход первого приемника 5;
P₂ - мощность, отдаваемая второй антенной 2 на вход второго приемника 6;
E_A1 - ЭДС, наводимая в передающей антенне 1 случайными радиопомехами;
E_A2 - ЭДС, наводимая во второй антенне 2 случайными радиопомехами;
R_A1 - активное сопротивление передающей антенны 1;
R_A2 - активное сопротивление второй антенны 2;
γ₁ - коэффициент согласования передающей антенны 1 с входом первого приемника 5;
γ₂ - коэффициент согласования второй антенны 2 с входом второго приемника 6.

Выражение (1) получено на основании Драбкин В.Л., Зузенко А.Л. "Антенно-фидерные устройства" - М.: "Сов. Радио", 1961 г., уравнений IV.19, IV.28, приведенных на стр. 143-145.

ЭДС, наводимая случайными помехами, равна (см. Марков Г. Т. Антенны. - М. : "Государственное энергетическое издание", 1960 г., стр. 195, формула 6-28)
E_A= -EhF(Θ,ϕ)eⁱϕ, (3)
где Е_A - ЭДС, наводимая в антенне случайными помехами;
E - напряженность поля электромагнитной волны вблизи антенны;
h - действующая длина антенны;
F(Θ,ϕ) - амплитудная и фазовая характеристика антенны;
eⁱϕ - фазовая характеристика антенны.

На основании (1) и (2) видно, что значения отношения мощностей, действующих на входы первого и второго приемников, будут равны

где P₁ - мощность, отдаваемая передающей антенной на вход приемника;
P₂ - мощность, отдаваемая второй антенной на вход приемника;
E₁ - напряженность поля электромагнитной волны вблизи передающей антенны 1;
E₂ - напряженность поля электромагнитной волны вблизи второй антенны 2;
h₁ - действующая длина передающей антенны 1;
h₂ - действующая длина второй антенны 2;
F₁(Θ,ϕ) - амплитудная и фазовая характеристика передающей антенны 1;
F₂(Θ,ϕ) - амплитудная и фазовая характеристика второй антенны 2;
- фазовая характеристика передающей антенны 1;
- фазовая характеристика второй антенны 2.

Так как на передающую антенну 1 и вторую антенну 2 действуют одни и те же радиопомехи, то E₁ = E₁, и можно записать

Из уравнения (5) видно, что при настройке согласующего устройства 3 во второй его части изменяется только переменная γ₁. Остальные переменные второй части уравнения (5) отражают внутренние параметры приемных трактов и являются постоянными. Тогда можно записать

где f(γ₁) - функция переменной γ₁ .

Таким образом, значения отношения мощностей, отдаваемых передающей 1 и второй антенной 2 на входы соответственно первого 5 и второго 6 приемников, зависят только от их коэффициента согласования передающей антенны 1 с входом первого приемника 5.

Максимальная мощность, передаваемая от первой антенны 1 на вход первого приемника 5 (см. Драбкин В.Л., Зузенко А.Л. "Антенно- фидерные устройства". - М.: "Сов. Радио", 1961 г., уравнение IV.19, стp. 143), равна
P_1макс = E_A1²/4R_A1, (7)
где P_1макс - наибольшая мощность, отдаваемая передающей антенной 1 на вход первого приемника 5.

Из уравнений (6) и (7) выходит

Таким образом, максимальное значение коэффициента согласования передающей антенны 1 с входом первого приемника 5 соответствует максимальному значению отношения мощностей, действующих на входы первого 5 и второго 6 приемников.

Низкочастотные сигналы, получаемые на выходах первого 5 и второго 6 приемников, имеют одинаковую форму и могут отличаются только уровнем (см. фиг. 2) и начальной фазой, которые зависят от коэффициентов усиления приемников и мощностей высокочастотных сигналов, поступающих на входы первого 5 и второго 6 приемников, а также фазовым сдвигом, который вносит каждый приемный тракт. При измерениях действующего значения напряжения низкочастотного сигнала начальная фаза не учитывается, так как действующее напряжение измеряется за период T (см. фиг. 3). А так как приемники работают без АРУ, значение отношения действующих напряжений указанных НЧ сигналов также зависит только от коэффициента согласования γ₁ первой антенны 1 с входом первого приемника 5. Т. о., можно записать

где U_нч.1 - действующее значение напряжения НЧ сигнала, полученного на выходе первого приемника 5;
U_нч.2 - действующее значение напряжения НЧ сигнала, полученного на выходе второго приемника 6;
β(γ₁) - функция переменной γ₁.
Как было показано выше, значение отношения действующих напряжений U_нч1/U_нч.2 низкочастотных сигналов, полученных на выходах первого 5 и второго 6 приемников, зависит только от коэффициента согласования γ₁ передающей антенны 1 с входом первого приемника 5. Поэтому управление согласующим устройством 3 и, следовательно, изменение коэффициента согласования γ₁ передающей антенны 1 с первым приемником 5 приводят к изменению напряжения на выходе делителя напряжений 9. Напряжение на выходе делителя напряжений 9 поступает на индикатор настройки 10, где происходит отображение его значения. Причем получение максимального значения на индикаторе настройки говорит об оптимальном согласовании передающей антенны 1 с входом первого приемника 5.

Так как приемники магистральной радиосвязи производятся промышленностью с чисто активным входным сопротивлением, то максимальная мощность из передающей антенны 1 на вход приемника 5 будет передаваться, когда активное внутреннее сопротивление антенны равно активному сопротивлению входа приемника. С учетом того, что современные передатчики строятся так, чтобы максимальная мощность передавалась в нагрузку с активным сопротивлением (например, 50 Ом, 75 Ом и т. д.), то при выполнении условия R_{вых пер} = R_вх.прм. согласование передающей антенны в режиме приема с входом приемника адекватно согласованию передающей антенны в режиме передачи с выходом передатчика.

Задачу согласования выполняет согласующее устройство 3, управление которым на частоте настройки обеспечивает выполнение этого условия, т.е.

R_вх.прм. = R_A. (10)
Таким образом, работа системы антенной настройки заключается в управлении согласующим устройством 3 до получения максимального значения на индикаторе настройки 10.

При достижении максимального значения на индикаторе настройки настройка заканчивается, и система антенной настройки переводится из режима "настройка" в режим "работа" с помощью коммутатора 4. Коммутатор 4 в режиме "работа" (см. фиг. 1) размыкает замыкающие контакты (выводы 3, 5 и 4, 6) и замыкает размыкающий контакт (выводы 1, 2). Таким образом, выход передатчика через коммутатор 4 подключается к последовательно соединенным настроенному согласующему устройству 3 и передающей антенне 1.

Формула изобретения

Система настройки антенны, содержащая согласующее устройство, представляющее собой узкополосную резонансную согласующую цепь, вход которого подключен к передающей антенне, а выход - к первому и третьему выводам коммутатора, второй вывод которого подключен к выходу передатчика, и индикатор настройки, отличающаяся тем, что дополнительно введены вторая антенна, имеющая диаграмму направленности, идентичную с передающей антенной, подключенная к пятому выводу коммутатора, последовательно соединенные первый радиоприемник и первый квадратичный детектор, а также последовательно соединенные второй радиоприемник и второй квадратичный детектор, четвертый и шестой выводы коммутатора подключены к входам соответственно первого и второго радиоприемников, а выходы первого и второго квадратичных детекторов подключены соответственно к первому и второму входам делителя напряжений, выход которого подключен к входу индикатора настройки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3