CC BY
233
Концепция согласования радиопередающих устройств с нагрузками
Обсуждается концепция согласования генераторов высокой частоты с нестационарными нагрузками. Разработана методика адаптивного согласования радиопередающих устройств с антеннами. Предложен метод адаптивного согласования, основанный на анализе амлитудно-фазовых соотношений отраженного от нагрузки сигнала и непрерывной подстройки управляемой цепи согласования. Рассмотрены пути практической реализации автоматических устройств согласования источников высокочастотной энергии, с изменяющимися во времени нагрузками. Приводятся результаты экспериментальных исследований. Результаты экспериментов показали, что потери высокочастотной энергии при передаче её в переменную нагрузку снижаются более чем на 10 дБ, при дискретных и плавных изменениях нагрузки в диапазоне от 10 до 1000 Ом.
Ключевые слова: согласование, нагрузка, импеданс, подстройка, адаптация, трансформаторы сопротивлений, радиопередающие устройства.
Самойлов А.Г.,
д.т.н., профессор, декан Факультета радиофизики, электроники и медицинской техники ФГБОУ ВПО Владимирский государственный университет им АГ и Н.Г Столетовых, ags@visu.iv
Самойлов С.А.,
к.т.н, доцент кафедры Радиотехники и радиосистем ФГБОУ ВПО Владимирский государственный университет им. АГ. и Н.Г Столетовых
Разработчики систем связи стремятся максимально использовать возможности активных элементов по мощности. Причинами являются проблемы энергосбережения и снижения веса и габаритов устройств, но вследствие этого активные элементы выходных каскадов передатчиков не имеют значительных запасов по максимально допустимым параметрам и даже при незначительных отклонениях от нормальных режимов эксплуатации могут выйти из строя. Поэтому задача избавления активных элементов выходных каскадов передатчиков от опасности выхода из строя из-за перегрузок оказывается значимой.
Нагрузкой радиопередающих устройств являются антенны различных типов. Входное сопротивление антенн имеет обычно характер комплексного сопротивления (импеданса) ¿и = /?„ + • Величина импеданса не яв-
ляется постоянной величиной и изменяется во время эксплуатации систем связи. Причины изменения величины нагрузки различны. Например, у систем связи с программной перестройкой частоты импеданс антенны зависит от занимаемых частотных позиций. Нагрузка радиопередающих устройств меняется при работе системы в разных режимах, во время процессов пуска и выхода на номинальный режим, под влиянием старения и аварий нагрузки, из-за воздействия на нагрузку таких внешних факторов как температура, влажность, вибрация. При изменении величины нагрузки возникает рассогласование с выходным сопротивлением передатчика и не вся энергия будет поглощена нагрузкой, а часть ее отразится обратно к генератору.
Именно рассогласование выходных каскадов передатчика с нагрузкой является одной из основных причин произвольного изменения режимов эксплуатации радиопередающего оборудования. В результате рассогласования появляется отраженная волна и увеличивается потребление тока выходными каскадами. Наиболее опасно рассогласование с нагрузкой для твердотельных активных элементов, не допускающих даже кратковременного
превышения максимально допустимых параметров по напряжению. У большинства биполярных транзисторов время жизни при коротком замыкании нагрузки исчисляется миллисекундами и требуется принимать сложные меры по дополнительному обеспечению надежности передающего оборудования. Известны работы [1-3] в этом направлении, но во многом проблема остается пока не решенной.
Принимаемые разработчиками передающего оборудования защитные меры можно разделить на два различных направления. В одном случае стремятся не допустить отраженную от поврежденной нагрузки волну до выходных каскадов передатчика. В другом случае стараются, используя сигналы, возникающие при рассогласовании с нагрузкой, снизить мощность передатчика, обеспечивая щадящий режим работы для выходных каскадов. При этом снижается и отраженная от нагрузки мощность, что в совокупности не приводит к выходу из строя выходных активных элементов передатчика.
С целью не допущения отраженной от нагрузки мощности до выходных каскадов передатчика на выходе радиопередающего устройства устанавливаются феррито-вые вентили, а для мощных передатчиков циркуляторы, отводящие энергию отраженной волны на балластные сопротивления, поглощающие отраженную волну. При этом методе защиты выходные каскады оказываются защищенными от перегрузок, но присутствуют другие существенные недостатки.
Во-первых, передатчик значительную часть полезной энергии расходует на нагрев балластного поглотителя циркулятора и не передает ее по назначению. Во-вторых, балластные поглотители приходится оснащать радиаторами, а так как масса и габариты ферритовых вентилей и циркуляторов напрямую связана с проходящей через них мощностью, то у мощных радиопередающих устройств значительно увеличиваются габариты и масса.
Другой метод защиты выходных каскадов передатчика основан на построении устройств автоматического регулирования выходной мощности передатчика. В качестве управляющего сигнала часто используют выделенный направленным ответвителем сигнал отраженной от нагрузки волны. Этот сигнал детектируют, а его огибающую сравнивают в компараторе с заданным допустимым уровнем. При превышении допустимого уровня устройством защиты вырабатывается сигнал, изменяющий смещение на выходных активных элементах передатчика, либо снижающий напряжение питания маломощного тракта усиления мощности.
При этом методе защиты снижается энергия, отдаваемая передатчиком, и возможно изменение формы выходного полезного сигнала, так как передатчик вынужден работать на несогласованную нагрузку, но сниженной мощностью. Искажение формы сигнала приводит к увеличению побочных и внеполосных излучений. Чаще всего появляющиеся изменения спектральных свойств выходного сигнала передатчика стараются ликвидировать схемотехническим путем, усложняя фильтр гармоник радиопередающего устройства, что в свою очередь является сложной задачей при работе фильтра на несогласованную нагрузку.
Рассмотрим другую концепцию защиты выходных каскадов радиопередающих устройств. Ее суть заключается в том, что на выходе передатчика устанавливается управляемая цепь согласования. Усгройсгво управления цепью согласования, анализируя поступающие от введенного в выходной факт передатчика двунаправленного ответвителя, вырабатывает напряжения, изменяющие характеристики цепи согласования. При этом передатчик продолжает полной выходной мощностью работать на согласованное с ним входное сопротивление управляемой цепи согласования, а выходной импеданс управляемой цепи согласования перестраивается до тех пор, пока не произойдет его полное согласование с изменившимся в результате каких-либо аварийных причин сопротивлением нагрузки.
При таком методе защиты выходных каскадов радиопередающих устройств потребителю всегда выдается полная мощность полезного сигнала, хотя и с поврежденной нагрузки. Другое достоинство заключается в том, что передающее устройство (и его фильтр гармоник) как в режиме нормальной эксплуатации, так и в аварийных ситуациях с нагрузкой работает всегда на согласованное сопротивление. Это позволяет максимально использовать энергетические возможности активных элементов, сокращая тракт усиления и экономя на массогабаритных параметрах передающих устройств.
Реализация метода базируется на использовании адаптивных цепей согласования импедансов. К цепям согласования предъявляется три основных требования: -трансформировать сопротивление с необходимым коэффициентом трансформации;
- не потреблять канализируемую через них энергию; -пропускать полезный сигнал без искажений.
Этим требованиям удовлетворяют Г и П - образные четырехполюсники на реактивных элементах, рассчитываемые в соответствии с методиками, приводимыми в [3]. Для построения регулируемых ЦС в их ветвях можно использовать перестраиваемые реактивные элементы — варикапы, а для мощных устройств - реактивные лампы. Пример схемы Г-образной перестраиваемой ЦС на варикапах приведен на рис. 1.
Uynp2
Рис. 1. Управляемая Г-образная цепь согласования
Если за критерий качества согласования принять уровень отраженного от нагрузки сигнала иотр, то для
создания адаптивных устройств согласования необходимо в динамике работы системы непрерывно измерять импеданс нафузки и в соответствии с его изменениями управлять величиной коэффициента трансформации ЦС, управляя номиналами реактивностей ветвей ее схемы. Определение импеданса требует [3] измерять проходящую в нагрузку мощность Рпр, отраженную от нафузки мощность Рощ, и фазовый сдвиг Аср между прямой и отраженной от нафузки волнами высокочастотного сигнала.
Так как коэффициент отражения по мощности можно определить в виде
Z'-W 2 f Ri-w- + X; V 2 WXH '
z„+w +*;J
то, обозначив Y = ZH/W, не сложно найти искомый алгоритм для вычисления импеданса нагрузки
/?„ = И Re{K} = W(Pnp - Р„тр)/(Р„р + Pmr-2^Pnl,Pml, cosAp),
Xu =W1m{K} = 2Wj P„nPnmr sinA <pl(P„p + P.^P^cosAcp).
Измеритель импеданса можно реализовать, используя двунаправленный ответвитель (ДНО) и фазовый детектор, как было предложено в работах [4, 5]. В этом случае устройство адаптивного согласования, включаемое между ВЧ генератором и его нагрузкой, будет состоять из ДНО, устройства вычисления импеданса и устройства управления параметрами регулируемых элементов управляемой ЦС.
Алгоритм работы устройства управления парамефа-ми регулируемых элементов ЦС может быть фадиент-ным и тогда он представляется выражением
_ /а dÜomp[RJ{Xk}),XJ{Xk})]
dX -, / dt = -а,--- -----------------------,
' ' dXi
где Xj - номинал /-го подстраиваемого элемента цепи согласования; aj - коэффициент, определяющий скорость регулирования значения данного элемента; { Хк } - совокупность номиналов перестраиваемых элементов ЦС.
Информацию о направлении перестройки можно получить в результате анализа амплигудно-фазовых соотношений отраженного от нагрузки сигнала, либо производя небольшое изменение текущих значений напряжений перестройки и анализируя результат этого шага подстройки.
Возможны различные методы управления перестраиваемой ЦС. Можно использовать метод последовательной подстройки с разнесением регулировки каждой вегви по времени, или метод параллельной подстройки с одновременной регулировкой по всем каналам с использованием ортогональных управляющих сигналов, предложенный в [6]. Наиболее прост в реализации метод непрерывной подстройки, основанный на анализе амплитуднофазовых соотношений отраженного от ЦС сигнала и рассматриваемый ниже.
Если длина фидера соединяющего генератор с нафуз-кой равна /, а кабель размещен вдоль пространственной оси ОХ, то распределение комплексной амплитуды (j (.v)
вдоль фидера описывается следующим выражением
Опр(х) = и„р(0)е jxP,
где р - коэффициент фазы, зависящий от марки кабеля, (0) комплексная амплитуда в начале кабеля.
В современных фидерах коэффициент затухания мал, поэтому затуханием в кабеле можно пренебречь. Сигнал на входе ЦС равен
o)e~jx/}.
Если согласование отсутствует, то есть коэффициент отражения от входа ЦС Г * 0, то отраженный сигнал в конце кабеля будет
uotr(i) = runp(0)e-JXP.
В результате отсутствия согласования отраженная волна распространяется в обратном направлении и описывается выражением
UOir(x) = Umv0)e~j(]~x^, а на входе кабеля она определяется как
#«,(0) = uorv{i)e~jlp = ru„?( 0)e~j2,P.
Цепь согласования выполняет роль трансформатора сопротивлений и это означает, что требуемое согласование еще не наступило, а коэффициент трансформации оптимальной величины КR = Z /W не достигнут. При
этом происходит трансформация 2. в некоторое, в
общем случае комплексное сопротивление
^вх ~ ^№Х JXgx '
Отношение падающей и отраженной волн в начале кабеля равно
_ ре ju/i
О„„(0) '
При известной структуре ЦС информацию о требуемом направлении перестройки перестраиваемого элемента можно извлечь из величины Г, а фазовый сдвиг
е 1 ~ ^ за счет фидера устранить фазовращателем с фазовым сдвигом (р = 21Р, либо подбором длины фидера / так, чтобы величина 2pi - 2лк (к - целое ), либо учитывая набег фазы в алгоритме измерения коэффициента отражения по напряжению Г.
Г = пс +jns
Ъ-ir+jXn Ri-W2+X1ex+j2WXex
(R+Wf+Xi
+ IV + ¡X .гг/ . ^»
вх ^ «л ( *'ах / • ■“«*
При градиентном управлении реактивные сопротивления перестраиваемых элементов должны меняться по законам
dZ
dP
dt
dZ,
= -а і
■ = -a ■
omp
dZ
dP
dZ ? dt
dP
'= -«2
omp
dZ ,
omp
dt dZ 3
где величина коэффициентов (X\ ,a-> ,cr3 определяет скорость подстройки.
Практически подстройку можно осуществить следующим образом. Ситуация, когда Ро =0 соответствует состоянию Rm = W, ХКХ = 0. В то же время из выражений для Re{t] и Im!Г} очевидно, что знаки Х„ и 1т{г) совпадают, sign (lm{r})= sign (Хю), а при Х„= 0
величина 1т\г} также равна нулю. Таким образом величина 1т{г) указывает знак текущего значения Хах и одновременно указывает требуемое направление его изменения.
Если организовать подстройку Хт более быстрой, чем подстройку Явх путем соответствующего выбора постоянных времени в цепях управления, то через некоторое время наступит Хт = 0.
Тогда Re{г)= (Rlx - W2 )/(Rlx + IV 2 ) и знак величины Ле!/ } совпадает со знаком разности /?•. -IV2
В случае если управление проводить устремляя к нулю (при Re\г \ > 0, его нужно уменьшать, а при Re{г)< 0, его необходимо увеличивать), то при достижении условия 1*е{г} = 0 обеспечивается состояние К»* = А так как ранее было достигнуто Хт =0, то такая ситуация соответствует требуемому согласованию генератора и нагрузки. Поэтому можно сделать вывод о том, что полного согласования можно достичь раздельным независимым управлением величинами Re{г\ и 1т{ Г}, необходимо лишь первоначально подстраивать
мнимую часть коэффициента отражения Г.
Схема, реализующая алгоритм, изображена на рис. 2. Устройство работает следующим образом. Сигнал генератора высокой частоты (ГВЧ) через двунаправленный ответвитель, фидер, и цепь согласования попадает в нагрузку. В двунаправленном ответвителе малые части проходящей в нагрузку и отраженной от неё мощностей ответвляются и попадают на входы перемножителей X 1 и X 2, причем на перемножитель Х2 проходящий сигнал попадает пройдя предварительно фазовращатель (ФВ) на 90°. Сигналы перемножителей фильтруются фильтрами ФВЧ, интегрируются в интеграторах, выходные сигналы которых управляют перестройкой элементов ЦС.
Конкретно какой элемент и в какую сторону изменять, чтобы увеличить или уменьшить ^{г} или 1т{ Г}. дает информация о схеме используемой ЦС, так как алгоритм управления определяется структурой ЦС.
ГВЧ
On
ФВ
ML
Х2
w
дне—-Q—, цс
6/отр
БП
XI
ФВЧ
ФВЧ
Рис. 2. Схема непрерывной подстройки импеданса
В зависимости от схемы ЦС определяются функции: ({¿1}): Х„ ( {г, }), где {£,} - совокупность но-
минапов перестраиваемых элементов ЦС. Затем аналитически определяются зависимости
*«(&})
’к ~
для каждого 2 к е {2: }• И алгоритм представляет собой
уравнений д2к / ді = -а к /к
по
совокупность всем 2 *.
Вычисление 2,, реализуется интеграторами, выходными напряжениями которых управляются соответствующие перестраиваемые элементы в ЦС, а на вход подаются напряжения с вычислителя функций /к. Информацию для вычисления /к можно получить от измерителей действительной пс и мнимой и, частей коэффициента отражения Г.
Временные диаграммы, поясняющие метод непрерывной подстройки, приведены на рис. 3. Сигнал радиопередающего устройства, через двунаправленный ответвитель и фидер поступает в нагрузку, а часть падающей и отраженной мощности через ДНО поступает в блок подстройки БП (рис. За и рис. 36). Блок подстройки состоит из двух канатов, различающихся сдвигом фазы комплексной амплитуды падающей волны V „,(0) на 90°.
Сигнал отраженной мощности (рис. Зв) поступает на два перемножителя XI и Х2, на другие входы которых через ДНО поступают сигналы с ГВЧ, непосредственно на XI и через ФВ на 90° на Х2 ( рис. Зг). Сигналы пере-множителей, проходя через режекторные ФВЧ, фильтрующие высокочастотные составляющие, интегрируются в интеграторах, выступающих в роли элементов памяти, придающих системе астатизм. Выходные сигналы интеграторов управляют перестраиваемыми элементами XI,... ,Ли.
У\
/ V / >і
Г)
/Г/*
А пс
Л) І
через ФВ /г/*«*
Рис. 3. Временные диаграммы метода непрерывной подстройки согласования
При известной структуре ЦС информацию о требуемом направлении перестройки ПЭ можно извлечь из величины Г . Влияние множителя 6 (за счет длины
кабеля) устраняется применением фазовращателя с фазовым сдвигом (р = 2//?, либо учитывая набег фазы в алгоритме измерения Г , либо варьируя длину фидера. В зависимости от квадратурных составляющих коэффициен
та отражения Г регулируются номиналы перестраиваемых элементов XI,..., Ли.
Если Оотр(0) = гипр(0) = гиг, где иг - комплексная амплитуда сигнала генератора на выходе направленного ответвителя, то после первого перемножителя будет сигнал, изображенный на рис. Зд
0п1 = іфшр(0КГ,Ф(0)]= Яе[г|(У;|~л,.
После второго перемножителя будет сигнал, изображенный на рис. Зе
и„ 2 = Яе
йотп(®)й пр(0)6
= 1т
[ф;
' отрУ пРУ
Напряжение с выходов интеграторов берется либо непосредственно, либо с обратным знаком. Это зависит от непосредственной реализации перестраиваемых элементов и от того, какого знака возникает фазовый сдвиг в фазовращателе на 90°.
Экспериментальные исследования выполнялись в два этапа - как модельные на ЭВМ, так и натурные. Целью натурных экспериментов было определение энергетического выигрыша от практического применения метода адаптивного согласования и подтверждение работоспособности устройства, реализующего метод непрерывной подстройки согласования.
Целью модельных экспериментов было определение: диапазона возможных изменений импедансов нагрузки; скорости согласования при скачкообразном, синусоидальном и линейном изменениях импеданса нагрузки; зависимости коэффициента отражения по мощности от времени; диапазона изменений значений перестраиваемых элементов управляемых ЦС; устойчивости процесса согласования; характера кривых процесса подстройки адаптивных ЦС различных видов для разнообразных условий изменений импеданса нагрузки.
Натурные исследования были проведены с помощью передатчика ЧМ сигналов, работающего мощностью 100 Вт с центральной частотой 125 МГц и полосой пропускания 20 МГц на полезную нагрузку в 50 Ом. Создавались аварийные ситуации с нагрузкой передатчика и выполнялось ее изменение в диапазоне от 5 Ом до 1,5 кОм с дополнительным подключением к ней реактивностей. Выходной каскад используемого в экспериментах передатчика построен на двух биполярных транзисторах типа КТ971А, суммирующих мощности в квадратурной мостовой схеме. Исследования проводились поочередно с однозвенными управляемыми цепями согласования Г и П образных типов. Исследовалась возможность зашиты транзисторов выходных каскадов передатчика от перегрузок при полной отдаче мощности в аварийную нагрузку, и были определены потенциальные возможности управляемых однозвенных цепей согласования различных типов.
При проведении исследований устойчивость в системе регулирования не нарушалась, выходные транзисторы передатчика не выходили из строя и не требовали подключения дополнительного охлаждения. Выполненные исследования доказали состоятельность и правомочность практического применения методов защиты выходных каскадов радиопередающих устройств, с помощью автоматически управляемых цепей согласования.
Результаты натурных испытаний адаптивного устройства согласования импедансов показали, что потери высокочастотной энергии при передаче её в переменную нагрузку снижаются более чем на 10 дБ при дискретных
и плавных изменениях нагрузки в диапазоне от 10 до
1 ООО Ом, а коэффициент полезного действия передатчика стремится к потенциально возможному при его работе на согласованную нагрузку.
Г-обр*эи*я ЦС Rn=100 On
0,6 --------Т
V У< \ 4-................/''•CSN з
>;• Л .Л
л у\лЛ/)0\ / Т~хШ
-0,2
v\ > .« .• / ■ -0.6
а)
■-образная ЦС
Rn=10 On
Хп--300 On -2
-0.4
....'7 /"./ • -0-4
-«X/\V\/4-
Г"-. /'ч/ X >• --• Ä
-о,
|(чЯ-г \ '<■ V ■ /
з /
/ П А
6)
Рис. 4. Примеры процесса подстройки адаптивных цепей согласования
В модельных экспериментах, волновое сопротивление фидера W, подводящего ВЧ мощность, принималось равным 50 Ом. Диапазон действительных и мнимых составляющих импеданса нагрузки выбирался в каждом случае индивидуально. Под скоростью согласования понималось время, за которое коэффициент отражения по мощности уменьшается до уровня менее 1%.
На рис. 4 приведены примеры развития процессов согласования в координатах диаграммы Вольперта-Смита при согласовании в центре диаграммы для Z,, = W = 50 Ом. Наибольшую скорость согласования имеет П-образная ЦС, а Т-образная ЦС является наиболее медленной при согласовании и все типы ЦС не критичны к начальным значениям перестраиваемых элементов.
При динамически изменяющемся импедансе нагрузки наиболее приемлемым является использование П-образных ЦС, максимальный коэффициент отражения у которых, при одинаковой скорости регулировки перестраиваемых элементов меньше, чем у Т-образной ЦС в 3...4 раза, и чем у Г-образной ЦС в 7...11 раз.
Адаптивная П-образная ЦС по ряду своих характеристик лучше, чем Г и Т-образные цепи согласования и единственным своим недостатком имеет ограничение на знак мнимой составляющей импеданса нагрузки.
Литература
1 .Титов A.A.. Ильюшенко В.Н. Защита усилителей мощности систем радиосвязи, 4M- и ТВ-вещания от перегрузки по входу и от рассогласования по выходу / Радиотехника, 2003. -№ 12.-С. 66-69.
2.Рябоконь A.B.. Самойлов А.Г. Анализ систем защиты транзисторов усилителей мощности / Проектирование и технология электронных средств, 2009. - № 1. - С. 2-9.
3.Самойлов А.Г., Самойлов С.А. Формирование радиосигналов: концепции, методы, устройства. — Saarbrücken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012,- 345 p. - ISBN 9783-8443-3296-4.
4.Полушин П.А.. Самойлов А.Г. Измеритель импеданса газоразрядных лазеров, возбуждаемых высокочастотным сигналом / Приборы и техника эксперимента, 1993, № 5. - С. 90-93.
5.Polushin P.A.. Samoilov A.G. An adaptive pump generator for waveguide lasers / Instruments and Experimental Techniques, Vol.38, No. 2, Part 1, 1995. - pp. 206-211.
6.Рябоконь A.B.. Самойлов А.Г.. Самойлов С.А. Согласование с нагрузками: концепция, методы, устройства. - Saarbrücken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. -252 pp. - ISBN 978-3-659-10471-8.
Concept of coordination of the radio-transmitting devices with loadings Samoilov A.G., Samoilov SA
Abstract
In the report the concept of coordination of high frequency generators with non-stationary loadings is discussed. The technique of adaptive coordination of the radio-transmitting devices with antennas is developed. The method of the adaptive coordination based on the analysis of amplitudno-phase ratios of a signal reflected from loading and continuous fine tuning of the operated chain of coordination is offered. Ways of practical realization of automatic devices of coordination of sources of high-frequency sources energy with loadings changing in time are considered. Results of pilot studies are given. The results of experiments showed that losses of high-frequency energy by its transfer to variable loading decrease more than by 10 dB, at discrete and smooth changes of the loading in range from 10 to 1000 Ohms.
Keywords: coordination, loading, impedance, fine tuning, adaptation, transformers of resistance, radio-transmitting devices.
