CC BY
71
Математические структуры и моделирование 2000, вып. 6, с. 62-71
УДК 621.396.24
ПРОГРАММНО-ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ АНТЕННО-СОГЛАСУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ДЕКАМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
А.В. Богданов, Р.В. Ивченко, В.Ф. Маренко
In present article we deal with the way of finding parameters of an agreeing chain elements of an antenna-agreeing device with the algorithm of adjusting a search type with the help of a software-simulation model of an antenna-agreeing device.
В настоящее время в различных областях человеческой деятельности используются и получают все большую популярность радиостанции декаметрового диапазона. Как правило, характерной особенностью для радиостанций декаметрового диапазона является работа в широком диапазоне частот (1,5— 30 МГц). Соответственно и антенные устройства должны обеспечивать работу в столь же широком диапазоне частот. Антенные устройства (антенны) можно рассматривать как двухполюсник, обладающий некоторым комплексным входным сопротивлением. Подавляющее большинство антенн имеют значительную частотную зависимость комплексного входного сопротивления. В ряде случаев приходится считаться с непостоянством входного импеданса антенны на данной частоте из-за изменения во времени условий окружающей среды либо самой ее конфигурации, особенно на подвижных объектах. В то же время для создания оптимальных условий передачи мощности от передатчика в антенну, необходимо, чтобы она обладала во всем рабочем диапазоне частот активным постоянным входным сопротивлением. В настоящее время задачу согласования входного комплексного сопротивления антенны с приемопередатчиком возлагают на антенное согласующее устройство. Антенное согласующее устройство включается на входе антенны или антенно-фидерного тракта и преобразует его комплексное входное сопротивление к заданному активному сопротивлению.
На практике находят применение автоматизированные антенно-согласующие
устройства с различными алгоритмами настройки (вычислительного, поискового и комбинированного типов). Здесь будут затронуты вопросы, связанные с антенно-согласующими устройства поискового типа, как наиболее широко распространенные. Структурная схема такого антенно-согласующего устройства приведена на рис. 1.
© 2000 А.В. Богданов, Р.В. Ивченко, В.Ф. Маренко
E-mail: [email protected]
Омский научно-исследовательский институт приборостроения
Математические структуры и моделирование. 2000. Вып. 6.
63
Антенно-согласующее устройство с алгоритмом настройки поискового типа включает в себя:
• согласующую цепь, которая преобразует на рабочей частоте комплексное входное еопротивление антенно-фидерного тракта к заданному и в общем случае к активному сопротивлению;
• датчики рассогласования, включаемые, как правило, на входе нагруженной согласующей цепи,
• управляющее устройство, преобразующее по определенному алгоритму информацию датчиков рассогласования и формирующее команды исполнительному устройству;
• исполнительное устройство, обеспечивающее по команде управляющего устройства изменение величин элементов согласующей цепи.
Рис. 1. Структурная схема антенно-согласующегося устройства с алгоритмом настройки
поискового типа
Сущность алгоритма поискового типа заключается в том, что в процессе поиска путем целенаправленной перестройки реактивных элементов согласующей цепи достигается выполнение того или иного критерия качества согласования, контролируемое при помощи датчиков согласования,
В качестве датчиков согласования применяются датчик фазы (<д), датчик модуля комплексного сопротивления (\Z\) и датчик коэффициента бегущей волны (КБВ), Датчик фазы показывает, какой характер (емкостный или индуктивный) носит комплексное сопротивление на входе согласующей цепи, нагруженной на антенно-фидерный тракт. Знак напряжения, формируемый датчиком модуля комплексного сопротивления, определяет, превышает ли комплексное сопротивление по модулю заданное или нет. Датчик КБВ позволяет оценить качество согласования.
64 А. В. Богданов, Р.В. Ивченко, В.Ф. Маренко. Программно-имитационная...
Рис. 2.
Работу антенно-согласующего устройства удобнее рассматривать с использованием векторных диаграмм. Используемые в антенно-согласующем устройстве датчики согласования показывают, в какой из пяти областей находится вектор комплексного сопротивления. Эти области приведены на рис. 2. В этих областях датчики согласования имеют следующие показания:
I — область -р <0. Z < 0: II область р > 0, \Z\ <0;
III — область у >0. Z > 0: IV область р < 0, Z < 0:
V — область, в которой КБВ > /ч'мпн- где /\'мпн — минимальное требуемое значение КБВ, при котором согласование считается достигнутым.
Перед началом настройки вектор входного комплексного сопротивления может находиться в любой области. Посредством выполнения алгоритма настройки антенно-согласующего устройства достигается перемещение конца вектора входного комплексного сопротивления в область V. Перемещение вектора входного комплексного сопротивления осуществляется изменением параметров реактивных элементов согласующей цепи.
Согласующая цепь выполняется, как правило, из магазинов емкостей и индуктивностей. Дискретные элементы (дискреты) в магазинах набираются по бинарному закону (каждая последующая дискрета в два раза больше предыдущей). В [1] показано, что для достижения согласования из рассмотренных ранее областей достаточно прямой и обратной Г-образной схемы согласующей цепи ([ и)). Обобщенная схема применяемой на практике согласующей цепи приведена на рис. 3. Использование дополнительного магазина емкостей СЗ необходимо в некоторых случаях для уменьшения количества дискрет в Г-образных цепях. Причем магазины С1 и С2, как правило, выполняют в виде общего магазина для обеих схем согласования. Такое построение согласующей цепи позволяет компенсировать реактивную составляющую комплексного сопротивления антенны и трансформировать ее активную составляющую к заданной величине. Влияние магазинов дискрет согласующей цепи показано на рис. 4.
Центральными задачами при разработке антенно-согласующих устройств являются выбор цепи согласования, расчет максимальных и минимальных значений реактивных элементов согласующей цепи, а также номиналы дискрет в магазинах согласующей цепи. Причем решение этих задач целесообразно про-
Математические структуры и моделирование. 2000. Вып. 6.
65
водить для конкретных характеристик антенн. Решение первых двух задач подробно рассмотрено в [1], В частности, для наиболее часто используемых [- и ]-образных цепей максимальные значения трансформирующих элементов согласующей цепи могут быть определены в соответствии с выражениями:
• для ]-образной согласующей цепи
С2
1
ш
G A(oS)
Ga{u)Rt
1 — ВА(ш) ;
• для [-образной согласующей цепи
(1)
ш
Значения компенсирующих элементов цепи для выполнения условий согласования по реактивной составляющей могут быть найдены по формулам:
• для ]-образной согласующей цепи
RA(oo)
Ra(u))Gt
1 — ХА(со)
(2)
ВА(ш} + UjC‘2
^j[G\(oj) + (ВА(ш) + шС'2)2]
• для [-образной согласующей цепи
(3)
(■ ________Ха{ш) + шЬ______
01 u[(Xa(u)+uL)* + №a(u)Y {>
где Ra(uj), Xa(oj) — активная и реактивная составляющие комплексного входного сопротивления антенны;
Ga{oj), Ba{oj) — активная и реактивная составляющие комплексной входной проводимости антенны.
Далее при разработке согласующей цепи возникает задача: определить параметры реактивных элементов согласующей цепи, при которых возможна физическая реализуемость антенно-согласующего устройства для заданных параметров антенны, В основу метода положена имитация работы антенно-согласу-
66 А. В. Богданов, Р.В. Ивченко, В.Ф. Маренко. Программно-имитационная...
Рис. 4. Влияние магазинов дискрет С1, С2, СЗ и L согласующей цепи на перемещение вектора входного комплексного сопротивления
ющего устройства на программной модели. В программной модели имитируется работа датчиков согласования и алгоритма настройки антенно-согласующего устройства. Основными исходными данными для работы модели являются зависимость комплексного входного сопротивления антенны (антенн) от частоты и минимальный уровень КБВ после выполнения согласования. Следует заметить, что при имитационная модель позволяет учесть влияние паразитных характеристик элементов согласующей цепи, а так же оценить время выполнения настройки антенно-согласующего устройства и число переключений элементов исполнительной цепи. Кроме того, расчеты в имитационной модели необходимо осуществлять с учетом конструктивной добротности элементов согласующей цепи. Это позволяет также оценить КПД ВЧ тракта антенно-согласующего устройства.
При разработке антенно-согласующего устройства возникает задача оптимизации алгоритма настройки. Структурно-логическая схема, поясняющая работу алгоритма настройки поискового типа, приведена на рис. 5 и 6.
Разрабатывая алгоритм настройки, с целью сокращения числа шагов целесообразно учитывать конкретные параметры антенн для которых проектируется антенно-согласующее устройство. Имитационная модель антенно-согласующего устройства упрощает эту процедуру, т.к. позволяет оперативно выполнить отладку и оптимизацию алгоритма настройки при помощи языков программирования высокого уровня.
Алгоритм имитационной модели для нахождения параметров согласующей цепи антенно-согласующего устройства действует следующим образом: для всех
Математические структуры и моделирование. 2000. Вып. 6.
67
точек зависимости комплексного входного сопротивления антенны или антенн (данные заданы, как правило, в табличной форме) рассчитываются максимальные значения магазинов дискрет согласующей цепи, В частности для [- и ]-образных цепей согласования эти значения могут быть найдены из выражений (1) ( I). Далее из полученных значений выбираются максимальные значения магазинов дискрет. На следующем этапе находится величина минимальных значений для всех магазинов дискрет. Причем необходимо найти такой шаг, при котором достигается выполнение алгоритма настройки для всех точек зависимости входного комплексного сопротивления антенны от частоты, при котором число дискрет в магазине минимально. Эту задачу легко выполнить, используя численные методы, В качестве первого приближения значения дискрет целесообразно взять максимальные значения магазинов дискрет. Далее следует уменьшать значение дискрет путем увеличения их числа в магазине. Для ускорения расчета эту операцию можно выполнить, используя метод половинного деления. После каждого изменения шага дискретизации проверяется выполнение алгоритма настройки для всей выборки, В случае, если алгоритм настройки не выполняется хотя бы для одной точки, принимается решение об уменьшении шага дискретизации в соответствующем магазине, В случае выполнения алгоритма настройки выводятся результаты работы алгоритма. Блок-схема, поясняющая работу алгоритма, приведена на рис, 7, После нахождения параметров элементов согласующей цепи можно приступить к отработке алгоритма настройки с целью уменьшения числа шагов и времени настройки,
В заключение отметим: применение имитационной модели позволяет найти все необходимые параметры согласующей цепи антенно-согласующего устройства, что значительно упрощает макетирование и экономит время на разработку и отладку антенно-согласующих устройств.
68 А.В. Богданов, Р.В. Ивченко, В.Ф. Мареико. Программно-имитационная...
Рис. 5. Упрощенный алгоритм настройки антенно-согласующего устройства
Математические структуры и моделирование. 2000. Вып. 6.
69
Рис. 6. Упрощенный алгоритм настройки антенно-согласующего устройства
70 А.В. Богданов, Р.В. Ивченко, В.Ф. Маренко. Программно-имитационная...
Рис. 7.
Математические структуры и моделирование. 2000. Вып. 6.
71
Литература
1. Бабков В.Ю., Муравьев Ю.К. Основы пост,роения, уст,рой,cm,в согласования, антенн 11 ВАС. 1980. 240 с.
2. Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических, цепей. М.-Л.: Энергия, 1965. 892 с.
3. Гвоздев И.Н., Муравьев Ю.К., Серков В.П., Чернолес В.П. Хара,кт,еристл1ки антенных уст,роист,в для систем, радиосвязи, // ВАС. 1978.
4. Бабков В.Ю., Белецкий А.Ф. Задачи, широкополосного согласования, произвольных комплексных сопротивлений // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. 1973. Т. XVI. N 11.
5. Полевой В.В., Чавка Г.Г. Расчет широкополосных согласующих, сел,ект,и,вн,ы,х, и трансформирующих уст,рой,cm,в. Л.: ЛЭТИ, 1977.
