CC BY
43
УДК 621.372.512.32
МЕТОДИКА СИНТЕЗА ДИСКРЕТНО УПРАВЛЯЕМЫХ АНТЕННО-СОГЛАСУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ПВ\КВ ДИАПАЗОНА
Н. А. Настенко, курсант, nickolay.nastenko2016@yandex.ru БГАРФ ФГБОУ ВО «Калининградский государственный технический университет»
В работе выполнен анализ дискретного управляемого антенно-согласующего устройства для разных типов судовых антенн с целью разработки методики проектирования подобных устройств.
антенно-согласующее устройство коэффициент стоячей волны (Ксв)
(АСУ), дискретно-управляемые элементы,
Проанализировав многие варианты построения согласующих устройств, было замечено, что наиболее оптимальным является антенное согласующее устройство радиопередающей установки радиостанции TR-1500 фирмы JMC (Япония). Интерес к данному согласующему устройству заключается в том, что в нем используются дискретно-коммутируемые элементы L и ^ параметры которых находятся по минимуму Ксв на входе. К сожалению, отсутствует методика расчета данного типа СУ и основной задачей является разработка подобной методики.
На рис. 1 представлена упрощенная принципиальная электрическая схема СУ, где L представляет собой магазин последовательно включенных индуктивностей, коммутируемых с помощью контактов реле, а C - магазин параллельно включенных емкостей, коммутируемых также с помощью контактов реле.
Рисунок 1 - Упрощенная принципиальная электрическая схема СУ
С помощью ключей К1, К2 и К3 можно получить три разновидности схем согласования, представленных на рис. 2.
Первый вариант СУ эквивалентен последовательному колебательному контуру. При этом входное сопротивление данного контура Rвх ~ RA/, где RA/ - активная составляющая эквивалентного сопротивления антенны с учетом шунтирующей емкости С. Второй и третий варианты эквиваленты параллельным контурам с емкостной связью со входом. При этом в
качестве емкости связи используется конденсатор С. Каждый из этих контуров настраивается в резонанс на рабочей частоте ПРД. Если второй вариант может быть использован при ХА<0; ЯА< Рф, то благодаря шунтируемому действию Сдоп третий вариант возможно использовать, если ХА>0; ЯА>рф.
Рисунок 2 - Возможные варианты схемы согласования
Выполним анализ вариантов СУ с целью определения оптимальных параметров Ь и С, при которых Ксв = 1. Рассмотрим Г-образный ЬС-четырехполюсник, схема которого представлена на рис. 3.
Рисунок 3 - Г-образный четырехполюсник, эквивалентный последовательному контуру
Для упрощения будем полагать, что добротность элементов достаточно высока и можно пренебречь диссипативными потерями в них. При этом комплексные сопротивления элементов носят реактивный характер, причем Х1 > 0, Х2 < 0.
Запишем выражение для входного сопротивления СУ с подключенной антенной, имеющей комплексное сопротивление 2А с ХА Ф 0:
2вх = jX1 + ]ХА + -/Х-<} = Rвх + jXвх,
R А + ]ХА 2
(1)
где
Явх = Я,
X.
Я А + ХА 2
= К1Я, - активная составляющая;
Хвх = X + X
Я, + XX
Л^ Л2 _
Я А + ХА 2
= ^ + КХ X2 -
реактивная составляющая входного
сопротивления СУ.
2
Из условия Явх = рф, Хвх = 0, определим значения X и Х2:
Х1 = -КХХ2; Х212 = '
-Ь ±4ъ2
- 4ас
2а
где
а = 1 -К2к;Ъ = -2К1ХА;с = -К2к | |
Соответствующие оптимальные значения Х1 и Х2, а также Ь0 и С0 приведены для 6-метровой штыревой антенны в табл. 1.
Таблица 1 - Значения реактивных сопротивлений и элементов СУ для варианта 1 в зависимости от частоты(6-
f ,МГц 12,33 13,2 16,46 17,36 22,0 22,72 25,01 25,6
RA,Ом 80 88 300 500 2000 1000 100 90
ХА,Ом 95 100 650 800 -100 -800 -600 -400
Х1, Ом 84,502 87,074 287,953 294,109 312,65 281,957 427,2 301,478
Х2, Ом -67,006 -70,065 -215,543 -237,899 -323,231 -338,903 -1454 -1178
Со, пФ 192,6 172,1 44,86 38,54 22,38 20,67 4,375 5,276
Ь0, мкГн 1,091 1,05 2,784 2,696 2,262 1,975 2,719 1,874
Х1,Ом 89,897 92,054 265,207 270,557 286,675 259,998 386,353 276,963
Х2,Ом -60,1606 -62,804 -194,26 -212,714 -280,74 -288,206 -970,375 -749,503
С, пФ 55,562 56,0776 25,247 26,618 26,129 31,1399 27,1968 37,882
Ь, мкГн 1,1604 1,1099 2,5643 2,4804 2,074 1,8213 2,4586 1,7219
ДС, пФ 137,077 116,008 19,612 11,919 3,7484 10,4701 22,8214 32,606
ДЬ,мкГн 0,06964 0,06005 0,2199 0,2159 0,1879 0,15382 0,25994 0,15241
Значения Яд и ХА для 6-метровой антенны взяты из [1].
Аналогичным образом получены данные для 10-метровой штыревой и 15-метровой лучевой антенн.
Аналогичным образом производим анализ второго варианта Г-образного АСУ. При
этом полагаем ЯА < 2вх =
А + ]ХА 2) * А +
= Rвх + jXвх Рф; ХА < 0 и Х2 > 0 (рис. 4).
Рисунок 4 - Г-образный четырехполюсник, эквивалентный параллельному
колебательному контуру
Входное сопротивление ЬС-четырехполюсника с подключенной антенной с комплексным сопротивлением
2вх = 'Х1( Я А + УХа 2) = Rвх + jXвX ,
* А + УХ£
где
Явх = Я
я аА+
о Я , + X, -ч Х^
2 = К2Ял;Хвх = -^ -
Я / + Х^
= КхХ\ ■
Из условия Явх = рф, Хвх = 0, определим значения X] и Х2:
X = кя
1 - к
2 ХА2 ; Х2 = ХА2 - ХА ■
Соответствующие оптимальные значения Х1 и Х2, а также Ь0 и С0 приведены для 6-метровой штыревой антенны в табл. 2.
Таблица 2 - Значения реактивных сопротивлений и элементов СУ для варианта 2 в зависимости от
^ МГц 1,5 2,0 3,0 3,8 4,0 4,65 6,2 6,52 8,195 8,815
RA,Ом 5,43 5,71 6,42 6,98 6,99 7,85 8,56 9,0 20 5,43
ХА,Ом -2000 -1500 -800 -301 -300 -300 -200 -150 -100 -2000
Х1, Ом -17,452 -17,95 -19,19 -20,14 -20,157 21,578 -22,725 -23,426 -40,825 -61,237
Х2, Ом 215,557 1516 816,727 318,329 317,339 318,19 218,834 169,209 124,495 114,495
С0, пФ 6080 4433 2764 2079 1974 1586 1129,6 1042 475,7 294,8
L0, мкГ 213,9 120,6 43,33 13,33 12,63 10,89 5,618 4,13 2,418 2,067
Х1,Ом -18,7666 -19,404 -21,011 -22,273 -22,295 24,238 -25,854 -26,864 -59,455 141,297
Х2,Ом 2014,2 1514,5 815,24 316,77 315,77 316,51 217,07 167,388 121,257 109,44
С, пФ 5653,83 4101,04 2524,89 1880,42 1784,6 1412,1 2 992,9 908,658 326,648 127,78
Ь, мкГн 213,714 120,521 43,25 13,267 12,564 10,833 5,5722 4,086 2,355 1,976
АС, пФ 425,845 331,525 239,444 199,148 189,35 174,09 1 136,717 133,355 149,067 167,057
АL,мк Гн 0,14336 0,11064 0,0789 0,0654 0,0622 0,0573 0,0453 0,04446 0,0629 0,0913
Аналогичным образом получены данные для 10-метровой штыревой и 15-метровой лучевой антенн.
Далее рассмотрим П-образный ЬС-четырехполюсник, который отличается от предыдущего Г-образного наличием дополнительного реактивного двухполюсника с комплексным сопротивлением ]Х3, где Х3 < 0 (рис. 5).
Рисунок 5 - П-образный четырехполюсник, эквивалентный параллельному колебательному контуру
Благодаря дополнительной параллельной емкости С3, шунтирующей входное сопротивление антенны 2А, получается эквивалентное сопротивление антенны:
^ =
Х&12ХА=к + 7Х■,
к. + X.
(5)
лз
где КА = К1 К.;ХЛ = К1 Х3.
При этом П-образный четырехполюсник будет эквивалентен Г-образному, рассмотренному ранее. Следовательно, должны выполняться условия Яд < Рф и ХА < 0 при
этом Кка2 < 1; Кха2 < 1:
2
Хъ. =■
-Ъ(Ъ ')2 - 4а
- 4а с
2а'
(6)
где
а'=Кл-рф;Ъ=-2ХлРф;с=-1 I2 рф.
Для 6-метровой антенны на нижней частоте Г = 12,33 МГц имеем = 80 Ом; ХА = 95 Ом. Выбрав значение рф = 50 Ом и используя формулу (6), можно получить значение Х3шт = -67 Ом и С3шт = 192,6 пФ. Верхней частоте Г = 17,36 МГц соответствует ЯА = 300 Ом; Хд = 800 Ом.
При этом получается значение Х3ш;п = -254,2 Ом и С3шщ = 36,1 пФ.
Таким образом, по наихудшему варианту, соответствующему { = 12,33 МГц, выбираем С3 = 200 пФ > С3ш;п = 196,2 пФ.
Аналогичным образом получены данные для 10-метровой штыревой и 15-метровой лучевой антенн.
С целью определения разрядности наборов катушек индуктивности и конденсаторов дискретно управляемых АСУ необходимо найти дискреты изменения индуктивности АЬ и емкости АС, при которых обеспечивается Ксв < Ксвдоп. Для этого определим допустимые параметры Явх и Хвх относительно Ксвдоп = 1,5, что соответствует ПВ/КВ диапазонам [2].
Рисунок 6 - Линия положения в комплексной плоскости, соответствующая значению Ксв=1,5
Линии положения в комплексной плоскости, соответствующие постоянному значению Ксв, представляют собой окружность с центром, координаты которого:
«0 = 1( Ксв --L) (7)
2 Ксв
и радиусом:
г = -{Ксв --L). (8)
2 Ксв
Нормированные значения вещественной и мнимой составляющих входного сопротивления АСУ:
Явх . Хвх
а =-;b =-. (9)
Рф Рф
При известном угле «ф» допустимые величины нормированных параметров:
а' = а0г cos(^); b' = г cos(^). (10)
Откуда получаем значения Явх и Хвх, которые при Ксвдоп =1,5 и рф = 50 Ом равны:
Явх = а'р = 38,029,Ом;| Хвх |= b'рф= 13,176,Ом . (11)
Для определения дискретных значений AL и АС для каждого варианта схемы находим значения Х1 и Х2, при которых Явх = 38,029 Ом, а Хвх = 13,176 Ом. Для этого используем уже ранее приведенные уравнения для каждой из схем. Полученные значения L, C, AL и АС приведены в табл. 1 и 2.
Рассчитаем разрядность для катушек индуктивности и конденсаторов для 1-го варианта схемы:
lg( Lmax +1)
L (12)
n =--= 5,532» 6, ( )
log(2) , ,
C
lg(_max +1) (13)
m =--= 5,711» 6,
log(2) , ,
где Lmin = ALmin = 0,06005 мкГн, Cmin= ACmin = 3,7484 пФ, Lmax = 2,719 мкГн, Cmax = 192,6 пФ - значения индуктивности и емкости из табл. 1.
Используя формулы (12) и (13), рассчитаем разрядность для катушек индуктивности и конденсаторов для 2-го варианта схемы:
lg( +1) n =-min-= 12,232 » 13,
log(2) , ,
C
lg( ^+1)
m =--= 5,025 « 6,
log(2) ' ,
где Lmin = ALmjn = 0,04446 мкГн, Cmin= ACmin = 192,6 пФ, Lmax = 213,9 мкГн и Cmax = 6080 пФ - значения индуктивности и емкости из табл. 2.
При дальнейшем исследовании целесообразно разработать эффективный алгоритм поиска оптимальных параметров L и C на каждой рабочей частоте.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дьяченко, Б. М. Техническая эксплуатация судовых радиотехнических устройств и систем передачи информации: учеб. пособие / Б. М. Дьяченко, Ю. С. Иванов. - Москва: В/о «Мортехинформреклама», 1991. - 160 с.
2. Грошев, Г. А. Определение дискрета изменения параметров управляемых антенных согласующих устройств / Г. А. Грошев // Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов SSM. - 2002. - С. 58-64.
THE METHOD OF SYNTHESIS OF DISCRETE CONTROLLED ANTENNA-ACCELERATIVE
DEVICES IV / SV RANGE
N.A. Nastenko, cadet, nickolay .nastenko2016@yandex .ru Kaliningrad State Technical University, Baltic Fishing Fleet State Academy
An analysis of a discrete controlled antenna tuner for various types of ship antennas has been carried out to develop a methodology for designing such devices.
antenna tuner, discretely controlled component, standing wave ratio
