АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОММУТАТОР АНТЕНН Российский патент 1995 года по МПК H03K17/00 

Изобретение относится к коммутационной технике и может быть использовано для управления подключения антенн на подвижных объектах.

Известны коммутаторы, которые содержат блок управления вертикальными и горизонтальными координатами, диодные матрицы, реагирующие и исполнительные органы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является коммутатор антенн, который выбран в качестве прототипа.

Устройство содержит два переключателя, рабочий приемник, поисковый приемник, шумовой детектор, устройство запоминания и сравнения сигналов, преобразователь напряжение-частота. Первый переключатель поочередно подключает все антенны ко входу поискового приемника, а второй антенну с максимальным выходным сигналом ко входу рабочего приемника.

Недостатком данного коммутатора является отсутствие возможности выбирать оптимальные коммутируемые антенны, так как не учитывает диаграммы направленности антенных устройств.

Указанная цель достигается тем, что в автоматический коммутатор антенн, содержащий счетчик, схему запоминания и сравнения, переключатель, m-антенн дополнительно введены n-приемопередатчиков, второй счетчик, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) при приоритетности частот, вторая схема запоминания и сравнения, два ключа, ПЗУ приоритетности антенн, ПЗУ пораженных частот, схема управления, репитер гирокомпаса, причем m-антенн соединены с m-входами переключателя, n-выходов которого подключены к n-входам соответствующих n приемопередатчиков, вторые n'-входы которых соединены с n'-входами переключателя и с n-выходами схемы управления, (n+1)-выход которой соединен с первым входом первой схемы запоминания и сравнения, m"-выходы которой соединены с m"-входами переключателя, при этом второй и третий входы первой схемы запоминания и сравнения соединены соответственно с первым выходом ПЗУ приоритетности антенн и выходом второго ключа, первый и второй входы которого соединены соответственно со вторым выходом ПЗУ приоритетности антенн и первым выходом первой схемы запоминания и сравнения, второй выход которой соединен со вторым входом первого счетчика (счетчика антенн), первый вход которого подключен к (n+2)-выходу схемы управления, (n+3)-выход которой подключен к первому входу второго счетчика (счетчика частот), второй вход которого подключен к первому выходу второй схемы запоминания и сравнения, второй выход которой соединен с первым входом первого ключа, выход которого соединен с первым входом ПЗУ приоритетности антенн и первым входом второй схемы запоминания и сравнения, второй и третий входы которой подключены соответственно к выходу ПЗУ пораженных частот и ко второму выходу ПЗУ приоритетности частот, первый выход которого подключен ко второму входу первого ключа, а второй вход ПЗУ приоритетности антенн к выходу к выходу счетчика антенн, при этом первый и второй входы ПЗУ приоритетности частот подключены соответственно к выходу счетчика частот и к выводам подключения репитера гирокомпаса, (n+4)-выход схемы управления подключен ко входу ПЗУ пораженных частот, второй вход ПЗУ приоритетности антенн подключен к выходу счетчика антенн.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием следующих новых блоков: n-приемопередатчиков, второй счетчик, ПЗУ приоритетности частот, вторая схема запоминания и сравнения, два ключа ПЗУ приоритетности антенн, ПЗУ пораженных частот, схема управления, репитер гирокомпаса и их связи с другими элементами схемы. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

На фиг.1 представлена блок-схема автоматического коммутатора антенн; на фиг. 2 упрощенный вариант схемы управления; на фиг.3 экспериментальные диаграммы направленности; на фиг.4 временные диаграммы работы функциональных узлов автоматического коммутатора антенн; на фиг.5 представлена зависимость надежности радиосвязи от нормированного энергетического запаса.

Коммутатор содержит счетчик 1, первую схему запоминания и сравнения 2, переключатель 3, m-антенн 4, n-приемопередатчиков 5, второй счетчик 6, ПЗУ приоритетности частот 7, вторую схему запоминания и сравнения 8, два ключа 9 и 10, ПЗУ приоритетности антенн 11, ПЗУ пораженных частот 12, схему управления 13, репитер гирокомпаса 14. Антенны 4 соединены с m-входами переключателя 3, n-выходов которого подключены к одним входам соответствующих приемопередатчиков 5, вторые n'-входов которых соединены с m'-входами переключателя 3 и с m'-выходами схемы управления 13, (n+1)-выход которой соединен с первым входом первой схемы запоминания и сравнения 2, m'-выходов которой соединены с m'-входами переключателя 3, второй и третий входы первой схемы запоминания и сравнения 2 соединены соответственно с первым выходом ПЗУ приоритетности антенн 11 и выходом второго ключа 10, первый и второй входы которого соединены соответственно со вторым выходом ПЗУ приоритетности антенн 11 и первым выходом первой схемы запоминания и сравнения 2, второй выход которой соединен со вторым входом счетчика антенн 1, первый вход которого подключен к (n+2)-выходу схемы управления 13, (n+3)-выход которой подключен к первому входу второго счетчика, второй вход которого подключен к первому выходу второй схемы запоминания и сравнения 8, второй выход которой соединен с первым входом ПЗУ приоритетности антенн 11 и первым входом второй схемы запоминания и сравнения 8, второй и третий входы которой подключены к выходу ПЗУ пораженных частот 12 и ко второму выходу ПЗУ приоритетности частот 7, первый выход которого подключен ко второму входу первого ключа 9, а первый и второй входы ПЗУ приоритетности частот 7 подключены соответственно к выходу счетчика частот 6 и к выводам подключения гирокомпаса 14, (n+4)-выход схемы управления 13 подключен ко входу ПЗУ пораженных частот 12, второй вход ПЗУ приоритетности антенн 11 подключен к выходу счетчика антенн 1.

Счетчики 1 и 6 могут быть реализованы, например, на интегральных микросхемах 564ИЕ10, ПЗУ 7, 11, 12 могут выполняться на ИС КР556. Схемы запоминания и сравнения 2 и 8 могут быть выполнены на ИС 564РУ2 и с помощью компараторов 564ИП2.

Ключи 9 и 10 могут выполняться на логических элементах И-ИЛИ 564ЛС2. В качестве переключателя могут быть использованы известные коммутаторы.

Схема управления 13 может быть выполнена следующим образом:
включение-выключение приемо-передатчиков 5 может осуществляться соответствующими тумблерами питания;
управление частотой настройки можно осуществлять применением варикапов, включенных в задающие контура, меняющих свою емкость в зависимости от напряжения, которое можно получить из кода частоты с помощью цифроаналогового преобразователя, например, 594 ПА1;
адрес ячейки схемы запоминания и сравнения, в которую записывается код рабочих частот и код антенны, которая подключается к включаемому приемопередатчику, может выбираться кодом, набранным тумблерами включения;
сигнал обнуления счетчиков частот и антенн можно выработать на одновибраторах, например, 133АГ3, формирующих импульсы обнуления из положительных перепадов, возникающих при включении тумблеров питания. Объединение импульсов обнуления на схеме ИЛИ 564ЛЕ6 с инвертором 564ЛИ2.

Схема управления 13 может быть выполнена на основе схем управления по строкам и по столбцам (серийно выпускаемые коммутаторы 647-19.736 и 647-19.562), упрощенная схема которых приведена на фиг.2.

Конструктивно в схеме управления в одном корпусе размещены схемы управления по строкам 7¹, 7² и схемы управления по столбцам 7³, 7⁴. Для коммутации, например, антенны А1 с передатчиком П1 сигнал минус 27 В поступает в схему управления по строкам 7⁴ и схему управления по столбцам 7³ через делительные диоды Д1 на реле Р1 (от выводов источника питания). Реле срабатывает и на выходе схем управления 7¹, 7³ образуются сигналы сброса строки и столбца, которые поступают на обмотку реагирующего органа одного из N-элементов (фиг. 1). Если при этом высокочастотные контакты исполнительного органа данного элемента находились во включенном состоянии, то при поступлении сигнала сброса они выключаются. С некоторой задержкой в схемах 7¹ и 7³ формируются сигналы срабатывания первой строки и первого столбца, которые поступают на контакты исполнительного органа (1.N) элемента.

Кроме того, схема управления 13 может быть реализована на контроллере программном универсальном типа "КПУ Электроника К1-20".

Коммутатор работает следующим образом.

Предварительно в ПЗУ 7 приоритетности частот записываются коды частот в последовательности, учитывающей как прогноз прохождения частот на линии связи, так и тактику использования спектра частот в данном канале радиосвязи.

В ПЗУ 12 пораженных частот записываются по адресам коды частот, пораженных работающими передатчиками.

В ПЗУ 11 приоритетности антенн по адресам, определяемым частотами и направлениями на корреспондента, записываются коды антенн в последовательности убывания их коэффициента усиления.

После появления на одном из n-выводов схемы управления 13 сигнала, сформированного в этой схеме и определяющего коммутацию необходимого передатчика 5.5_n, сигнал поступает на один из n'-входов приемопередатчика, подлежащего включению, и на соответствующий вход переключателя 3. Переключатель 3 содержит N-элементов, каждый из которых снабжен исполнительным и реагирующим органом (N m˙ n, где m количество элементов переключателя в строке; n количество элементов переключателя в столбце), причем одни выводы исполнительных органов в каждой строке соединены между собой и подключены к n-выводам для подключения приемопередатчиков, а другие выводы исполнительных органов в каждом столбце соединены между собой и подключены к n-выводам для подключения антенн.

Схема управления 13 формирует сигнал сброса по столбцу, который с одного из n-выходов схемы управления поступает на соответствующие выводы реагирующих органов выбранного столбца в переключателе 3. С некоторой задержкой в схеме управления 13 формируется сигнал по системе "команда-провод", который с одного из n-выходов схемы 13 поступает на соответствующий вывод 1.n реагирующих органов. Исполнительный орган этого столбца подключается к соответствующему 1'.n' выходу переключателя 3 для подключения приемопередатчиков 5₁. 5_n. Этот сигнал будет присутствовать в течение всего времени поиска антенны с максимальным коэффициентом направленного действия.

Схема управления 13 устанавливает в начальное состояние счетчики 1 и 6. Код первой частоты со счетчика частот 6 поступает на первый вход ПЗУ приоритетности частот 7, на второй вход которого от репитера гирокомпаса 14 поступает код направления на корреспондента. Код частоты, оптимальной для связи с данным корреспондентом, поступает с первого выхода ПЗУ 7 на второй вход первого ключа 9 и со второго выхода ПЗУ 7 на третий вход второй схемы запоминания и сравнения 8, на второй вход которой из ПЗУ пораженных частот 12 подаются коды задействованных частот и частот пораженных излучением работающих передатчиков. Коды пораженных частот вырабатываются в соответствии с задействованными частотами, коды которых поступают с (n+4) выхода схемы управления.

Если оптимальная частота поражена, то с первого выхода второй схемы запоминания и сравнения 8 подается сигнал прибавления единицы на второй вход счетчика частот 6, который перебрасывается в следующее состояние и выбирает из ПЗУ 7 следующую по приоритету частоту. Процесс поиска частоты продолжается до тех пор, пока не будет найдена непораженная частота с максимальным приоритетом. При нахождении непораженной частоты появляется сигнал на втором выходе второй схемы запоминания и сравнения 8, этот сигнал открывает первый ключ 9. С выхода этого ключа код частоты записывается во второй схеме запоминания и сравнения 8 и поступает на первый вход ПЗУ приоритетности антенн 11, на второй вход которого поступает код номера антенны. ПЗУ 11 вырабатывает код антенны, имеющей максимальный коэффициент направленного действия на найденной частоте. Код антенны со второго выхода ПЗУ 11 поступает на первый вход второго ключа 10, а с первого выхода ПЗУ 11 на второй вход первой схемы запоминания и сравнения 2.

Если антенна занята, то первая схема запоминания и сравнения 2 вырабатывает сигнал прибавления единицы на счетчик антенн 1. Счетчик 1 перебрасывается в следующее состояние и выбирает из ПЗУ 11 следующую по приоритету антенну. Процесс поиска антенн продолжается до тех пор, пока не будет найдена незанятая антенна с максимальным коэффициентом направленного действия. При нахождении требуемой антенны, с первого выхода первой схемы запоминания и сравнения 2 сигнал разрешения поступает на второй вход второго ключа 10. Этот сигнал разрешает запись в первую схему запоминания и сравнения 2 кода выбранной антенны. С выхода первой схемы запоминания и сравнения 2 код антенны подается на один из m'-входов переключателя 3, подключающего выбранную антенну (4₁.4_m) к включенному приемопередатчику (5₁.5_n), рабочая частота которого устанавливается кодом частоты, поступающим из второй схемы запоминания и сравнения 8.

Выключение одного из приемопередатчиков осуществляется по сигналу из устройства управления. Одновременно во второй схеме запоминания и сравнения 8 происходит стирание информации в ячейке памяти, в которой записан код рабочей частоты данного приемопередатчика (5₁.5_n), а в первой схеме запоминания и сравнения 2 стирается информация в ячейке памяти, соответствующей данному приемопередатчику, в которой записан код антенны, при этом антенна отключается.

Принцип работы функциональных устройств предлагаемого устройства поясняется с помощью временных диаграмм (фиг.4).

Положительный эффект от использования автоматического коммутатора антенн состоит в повышении надежности радиосвязи за счет обеспечения оптимального выбора рабочих частот и антенн с учетом их диаграмм направленности, требований электромагнитной совместимости, направления на корреспондента и прогноза прохождения радиоволн. При этом устройство позволяет за счет априорных знаний выбирать оптимальную частоту не то только на прием, но и на передачу. Оптимальный выбор частот и антенн приводит к улучшению помехоустойчивости линий связи. Количественное улучшение характеристик помехоустойчивости зависит от класса корабля, количества надстроек, мест расположения антенн. Для больших кораблей энергетический выигрыш на передачу по сравнению со случайным выбором антенн составит в среднем по данным экспериментальных исследований 10 дБ.

Положительный эффект изобретения в части повышения надежности радиосвязи за счет выбора оптимальных антенн поясним с помощью количественной оценки на конкретном примере.

На фиг.3 представлены экспериментальные диаграммы направленности четырех антенн метрового диапазона (G коэффициент направленного действия, ϕ азимутальный угол, i номер антенны), являющиеся результатом испытаний лабораторного макета предлагаемого устройства.

Оценим в среднем увеличение надежности радиосвязи за счет оптимального выбора антенн. Для этого необходимо рассчитать средний параметр диаграмм направленности G_ср. Используя методы математической статистики, получим гистограмму закона распределения параметра G и следующие значения: G_ср 17,8 дБ, @_д 6 дБ, где @_д среднеквадратичное отклонение параметра G. Сопоставляя значение G_ср с данными таблицы, в которой приведены максимальные значения параметра G для совокупности 4 антенн, видим, что выигрыш по коэффициенту направленного действия составляет от 5 до 17 дБ при оптимальном выборе антенн.

В соответствии с РДВ5.8799 "Аппаратура радиосвязи. Методы расчета линий радиосвязи в диапазонах УКВ, КВ, СВ, ДВ и СДВ. Приложение 4^ll (1), оценим выигрыш в увеличении надежности радиосвязи Р. На фиг.10 стр.28(1) приведен график зависимости надежности радиосвязи в диапазоне метровых волн от нормированного энергетического запаса Х (1, стр.9).

X (q1-q2)/@, где q1 отношение сигнал/шум в точке приема;
q2 отношение сигнал/шум без энергетического запаса;
@ дисперсия энергии сигнала, обусловленная каналом распространения и диаграммой направленности.

@= @+@
@ 100 (1, стр.44, табл.4 для F 100 мГц), @ 36.

@ 11,7 дБ.

При нулевом нормированном энергетическом запасе Х 0 из фиг.5 получаем Р 50%
Превышение уровня G_ср от 5 до 10 дБ приведет к изменению Х
Х1 5/11,7 0,42; Х2 17/11,7 1,4.

Это соответствует увеличению надежности радиосвязи на 15-43%
Таким образом, из рассмотренного примера видно, что оптимальный выбор антенн по диаграммам направленности обеспечивает положительный эффект, заключающийся в увеличении надежности радиосвязи.

Кроме того, оптимальный выбор частот радиосвязи с учетом границ пораженных полос приема, обусловленных работой собственных радиопередающих средств корабля также вносит вклад в увеличение надежности радиосвязи за счет априорного исключения назначения частот в пределах пораженной полосы.

Изобретение относится к коммутационной технике и может быть использовано для управления подключения антенн на подвижных объектах. Коммутатор содержит счетчик 1, схему запоминания и сравнения 2, переключатель 3, m - антенн 4, а также введенные n - приемопередатчиков 5, счетчик 6, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) приоритетности частот 7, схему запоминания и сравнения 8, два ключа 9 и 10, ПЗУ приоритетности антенн 11, ПЗУ пораженных частот 12, схему управления 13 и репитер гирокомпаса 14. 5 ил.

АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОММУТАТОР АНТЕНН, содержащий первый счетчик, первую схему запоминания и сравнения, переключатель, m антенн, отличающийся тем, что в него дополнительно введены n приемопередатчиков, второй счетчик, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) приоритетности частот, вторая схема запоминания и сравнения, два ключа, ПЗУ приоритетности антенн, ПЗУ пораженных частот, схема управления, репитер гирокомпаса, причем m антенн соединены с m-входами переключателя, n выходов которого подключены к n-входам соответствующих n приемопередатчиков, вторые n-входы которых соединены с n-входами переключателя и с n-выходами схемы управления, n+1-выход которой соедиен с первым входом первой схемы запоминания и сравнения, m-выходы которой соединены с m-входами переключателя, при этом второй и третий входы первой схемы запоминания и сравнения соединены соответственно с первым выходом ПЗУ приоритетности антенн и выходом второго ключа, первый и второй входы которого соединены соответственно с вторым выходом ПЗУ приоритетности антенн и первым выходом первой схемы запоминания и сравнения, второй выход которой соединен с вторым входом первого счетчика первый, вход которого подключен к n + 2-выходу схемы управления, n+3-выход которой подключен к первому входу счетчика, второй вход которого подключен к первому выходу второй схемы запоминания и сравнения, второй выход которой соединен с первым входом первого ключа, выход которого соединен с первым входом ПЗУ приоритетности антенн и первым входом второй схемы запоминания и сравнения, второй и третий входы которой подключены соответственно к выходу ПЗУ пораженных частот и второму выходу ПЗУ приоритетности частот, первый выход которого подключен к второму входу первого ключа, а второй вход ПЗУ приоритетности антенн к выходу первого счетчика, при этом первый и второй входы ПЗУ приоритетности частот подключены соответственно к выходу второго счетчика и выходам подключения репитера гирокомпаса, кроме того, n+4-выход схемы управления подключен к входу ПЗУ пораженных частот.