УСТРОЙСТВО РАЗВЯЗКИ Российский патент 2000 года по МПК H01Q1/52 H04B3/20 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к области радиотехнических устройств и систем, и в частности устройство развязки может быть использовано при разработке систем структурной развязки высокочастотных трактов (ВЧТ) радиопередатчиков декаметрового и метрового диапазонов.

Известны устройства развязки, состоящие из совокупности полосовых фильтров и обеспечивающие независимую работу передатчиков на разных частотах на общую нагрузку. (см. Алексеев О.В. Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ. - М.: Радио и связь, 1987, с. 168- 196). Однако подобные устройства непригодны для развязки передатчиков, работающих на одной частоте при сложении мощности в нагрузке.

Известны устройства развязки, реализованные в виде системы двух волноводов, соединенных отверстием связи на определенном расстоянии от входа, которые обеспечивают развязку передатчиков при их работе на излучатели в фазированной антенной решетке (ФАР) (см. Вендик О.Г., Рыжкова Л.В. Синтез схемы компенсации взаимной связи излучателей в фазированной антенной решетке. Сб. Антенны, под редакцией А. А. Пистолькороса, N 4. Изд-во "Связь", 1968, с. 42 - 50).

Однако указанные аналоги используются в диапазоне СВЧ и обеспечивают развязку только идентичных излучателей, что ограничивает область их применения.

Наиболее близким аналогом (прототипом) к заявляемому устройству по своей технической сущности является известное устройство развязки на основе гибридных трансформаторов (ГТ), описание которого приведено в книге: Алексеев О. В. Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ. - М.: Радио и связь, 1987, с. 336 - 370 и рис. 12.21. Устройство-прототип является мостовым устройством на основе трансформаторов типа длинной линии и предназначено для развязки передатчиков декаметрового и метрового диапазонов при работе на излучатели ФАР.

Второй вывод первого трансформатора и первый вывод второго трансформатора соединены между собой и являются первым входом устройства развязки. Второй вывод второго трансформатора и третий вывод первого трансформатора соединены между собой и являются вторым входом устройства развязки. Четвертые выводы обоих трансформаторов подключены к корпусу. Первый вывод первого трансформатора и третий вывод второго трансформатора являются первым и вторым выходами устройства развязки соответственно.

Недостатком прототипа является уменьшение степени развязки передатчиков при их нагрузке на излучатели с отличающимися собственными входными параметрами, что также ограничивает область его применения.

Это объясняется тем, что гибридный трансформатор является ортогональным устройством и обеспечивает развязку только в случае симметричности нагрузки, т. е. нагрузки, характеризующейся симметрическими матрицами импедансов или рассеяния. Физически для антенных систем, состоящих из двух излучателей, симметричность нагрузки заключается в равенстве (идентичности) их собственных входных параметров. Уменьшение степени развязки в случае отличия параметров излучателей подтверждается математическими выкладками.

Целью изобретения является разработка устройства развязки, обеспечивающего более высокую степень развязки передатчиков при их работе на антенны с отличающимися собственными входными параметрами, что обеспечит расширение области его применения.

Для достижения технического результата в известном устройстве развязки, содержащем первый трансформатор, первый и второй выводы которого являются соответственно первым выходом и первым входом устройства развязки, и второй трансформатор, у которого третий вывод является вторым выходом, дополнительно введены коммутатор и компенсирующая цепь. Третий и четвертый выводы первого трансформатора подключены к первому и второму входам коммутатора соответственно. Первый выход коммутатора подключен ко входу компенсирующей цепи, а второй выход - к корпусу устройства развязки. Выход компенсирующей цепи подключен к первому выводу второго трансформатора, второй вывод которого подключен к корпусу устройства развязки, а его четвертый вывод является вторым входом устройства развязки.

Компенсирующая цепь состоит из соединенных последовательно активного и реактивного компенсаторов. Вход активного компенсатора является входом компенсирующей цепи. Выход активного компенсатора подключен ко входу реактивного компенсатора, выход которого является выходом компенсирующей цепи.

Благодаря новой совокупности существенных признаков за счет введения коммутатора и компенсирующей цепи, состоящей из активного и реактивного компенсаторов, реализуется возможность использования принципа компенсации взаимного влияния, что в свою очередь обеспечивает развязку двух передатчиков при их совместной работе на одной частоте на излучатели с отличающимися собственными входными параметрами. Компенсация взаимного влияния излучателей достигается введением в высокочастотный тракт дополнительной компенсирующей связи, реализуемой предлагаемым устройством. Параметры компенсирующей связи (а следовательно и параметры устройства) определяются только взаимными параметрами антенной системы и не зависят от собственных входных параметров излучателей, что позволяет обеспечить развязку в случае неидентичности последних.

Проведенный анализ уровня техники позволили установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественными всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности "новизна". Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Заявленное устройство поясняется схемами:
фиг. 1 - функциональная схема устройства развязки;
фиг. 2 - компенсирующая цепь,
фиг. 3 - активный компенсатор;
фиг. 4 - реактивный компенсатор;
фиг. 5 - эквивалентная схема высокочастотного тракта, состоящего из двухэлементной антенной системы;
фиг. 6 - схема настройки УР;
Устройство развязки, показанное на фиг. 1, состоит из первого 1 и второго 2 трансформаторов, коммутатора 3 и компенсирующей цепи 4.

Первый 1₁ и второй 1₂ выводы первого трансформатора 1 являются соответственно первым выходом и первым входом устройства развязки. Третий 1₃ и четвертый 1₄ выводы первого трансформатора 1 подключены соответственно к первому 3₁ и второму 3₂ входам коммутатора 3, первый 3₃ выход которого подключен ко входу 4₁ компенсирующей цепи 4, а второй 3₄ выход подключен к корпусу устройства развязки. Выход 4₂ компенсирующей цепи 4 подключен к первому выводу 2₁ второго трансформатора 2. Третий 2₃ и четвертый 2₄ выводы второго трансформатора 2 являются соответственно вторым выходом и вторым входом устройства развязки. Второй вывод 2₂ второго трансформатора 2 подключен к корпусу устройства развязки.

Компенсирующая цепь 4, показанная на фиг. 2, состоит из активного 4.1 и реактивного 4.2 компенсаторов.

Вход активного компенсатора 4.1 является входом 4₁ компенсирующей цепи 4, а выход активного компенсатора 4.1 подключен ко входу реактивного компенсатора 4.2. Выход реактивного компенсатора 4.2 является выходом 4₂ компенсирующей цепи 4.

Активный компенсатор 4.1, показанный на фиг. 3, может быть реализован в виде регулируемого резистора. Параметры регулируемого резистора определяются следующим образом. При заданном значении взаимного сопротивления излучателей сопротивление регулируемого резистора рассчитывается по формуле

где Z_КЦ - комплексное сопротивление компенсирующей цепи КЦ;
Z₁₂ ^А - элемент матрицы сопротивления четырехполюсника А;
Z₁₂ ^Т - взаимное сопротивление первичной и вторичной обмоток трансформатора;
Z₂₂ ^Т - сопротивление вторичной обмотки трансформатора.

Если определены (например экспериментально) пределы изменения, комплексной величины Z₁₂ ^А в диапазоне частот, используя формулу (1) можно определить максимальное и минимальное значения требуемых величин сопротивления регулируемого резистора.

Реактивный компенсатор 4.2 может быть выполнен в виде параллельного контура (фиг. 4а) или в виде последовательного контура (фиг. 4б). Параметры элементов колебательных контуров находятся из соотношений
для последовательного колебательного контура;
для параллельного колебательного контура;
где Im(Z_КЦ) - мнимая составляющая требуемого значения импеданса компенсирующей цепи 4;
L, C - параметры элементов контура реактивного компенсатора 4.2.

Первый 1 и второй 2 трансформаторы, в качестве которых могут быть использованы трансформаторы типа длинной линии на основе коаксиального кабеля (см. Алексеев О. В. Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ. М.: Радио и связь, 1987, с. 118 - 126, рис. 3.22), имеют одинаковые параметры и подключаются таким образом, чтобы первый 1₁ и второй 1₂ выводы первого трансформатора 1, а также третий 2₃ и четвертый 2₄ выводы второго трансформатора 2 являлись выводами внутренних проводников коаксиальных кабелей, а третий 1₃ и четвертый 1₄ выводы первого трансформатора 1, а также первый 2₁ и второй 2₂ выводы второго трансформатора 2 являлись их экранными оболочками.

Волновое сопротивление коаксиального кабеля, из которого изготовляются трансформаторы, должно быть равно сопротивлению номинальной нагрузки передатчиков. Коэффициент передачи по напряжению трансформаторов равен единице. Остальные параметры трансформаторов рассчитывают исходя из характеристик сигналов, генерируемых передатчиками (диапазон рабочих частот, мощность, максимальное напряжение и т.д.). Расчет параметров трансформаторов типа длинной линии известен и описан, например, в книге Алексеева О.В. "Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ." (М.: Радио и связь, 1987, с. 118 - 126, рис. 3.22).

В качестве коммутатора 3 может быть использован двухпозиционный двухконтактный переключатель.

Устройство работает следующим образом. В основу его работы положен принцип компенсации. Предположим, что имеются два передатчика ПРД₁ и ПРД₂ (см. фиг. 5), между антенными устройствами которых имеется взаимная связь, вследствие которой при работе одного из передатчиков (например ПРД₁) в антенне другого передатчика (А₂) наводится сигнал с параметрам Если же между высокочастотными трактами обеспечить дополнительную связь с параметрами, при которых в антенне А₂ будет наводиться сигнал с параметрами то при сложении двух сигналов произойдет их взаимная компенсация и, следовательно, влияния сигнала ПРД₁ на ПРД₂ практически не будет. С учетом того, что антенная система из двух излучателей является взаимным многополюсником, справедливо утверждение о равенстве параметров, характеризующих взаимную связь между входами этой системы (например Z₁₂=Z₂₁, S₁₂= S₂₁ и т.д.), следовательно, при обеспечении компенсирующей связи взаимным устройством, примером которых являются пассивные четырехполюсники, будет обеспечиваться взаимная компенсация влияния передатчиков друг на друга. Компенсирующая связь обеспечивается с помощью предлагаемого устройства.

Для воспроизведения требуемых значений активной и реактивной составляющих Z_КЦ в устройстве предусмотрены активный и реактивный компенсаторы, входящие в состав компенсирующей цепи.

Величина Z₁₂ ^А изменяется в широких пределах и может иметь как положительное, так и отрицательное значение вещественных составляющих. Поэтому в составе устройства развязки предусмотрен коммутатор 3, который изменяет полярность включения одной из обмоток первого трансформатора 1, что обеспечивает изменение знака требуемого значения как активной, так и реактивной составляющих комплексной величины Z_КЦ.

Первый 1 и второй 2 трансформаторы предназначены для обеспечения регулярного соединения компенсирующей цепи с выходами передатчиков 1 и 2 (см. фиг. 5).

Для настройки устройства развязки может быть использована схема, изображенная на фиг. 6. В схему настройки входят: источник ВЧ сигнала (возбудитель), фазометр F, ВЧ вольтметр U, переключатель К, сопротивление R_н - номинальной нагрузки, сопротивление R_к, которое много меньше R_н.

Настройка устройства развязки осуществляется при помощи поискового алгоритма в два этапа. Первый этап заключается в настройке активного компенсатора 4.1, а второй - в настройке реактивного компенсатора 4.2.

Для любого комплексного числа, аргумент которого равен ±π/2 справедливо утверждение, что его реальная составляющая равна нулю. Следовательно необходимо найти такие значение регулируемого резистора (см. фиг. 3), при которых аргумент ZΣ12

был бы равен ±π/2. Поскольку ZΣ12 означает отношение комплексной амплитуды напряжения U'₁ на зажимах 1-1' к комплексной амплитуде тока I'₂, проходящего через короткозамкнутые зажимы 2-2', то при разности фаз напряжения U'₁ и тока I'₂ равном; ±π/2, реальная часть ZΣ12 будет равна нулю. В случае когда не удается добиться разности фаз напряжения U'₁ и тока I'₂, равной ±π/2, необходимо изменить полярность подключения первого трансформатора 1 путем переключения коммутатора 3 (см. фиг. 1).

Таким образом, настройка устройства развязки на первом этапе заключается в плавном изменении параметров активного компенсатора 4.1 до тех пор, пока значения разности фаз тока I'₂ и напряжения U'₁ не станут равными +π/2 или -π/2. Реализация первого этапа настройки может быть выполнена на основе схемы, изображенной на фиг. 6.

Фазометр F измеряет разность фаз напряжений на зажимах 1-1' и 2-2' при плавном изменении параметров активного компенсатора 4.1. Переключатель K (см. фиг. 6) обеспечивает подключение малого активного сопротивления R_к, к зажимам 2-2', в целях обеспечения режима короткого замыкания.

Второй этап настройки устройства развязки заключается в компенсации мнимой составляющей недиагональных элементов ZΣ12

матрицы сопротивлений Z^Σ. При этом параллельно зажимам 2-2' с помощью переключателя K (см фиг. 6) подключается номинальное сопротивление R_н. Изменением значения емкости конденсатора переменной емкости добиваемся минимального значения показаний ВЧ вольтметра U, что будет соответствовать выполнению условия равенства нулю ZΣ12.
Таким образом, последовательно перестраивая элементы компенсирующей цепи 4, добиваемся развязки входов результирующего многополюсника, полученного каскадным соединением устройства развязки и антенной системы.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к области радиотехнических устройств и систем, и в частности устройство развязки может быть использовано при разработке систем структурной развязки высокочастотных трактов (ВЧТ) радиопередатчиков декаметрового и метрового диапазонов. Техническим результатом является построение устройства развязки (УР) с более высокой степенью развязки передатчиков при их работе на антенны с отличающимися собственными входными параметрами. УР состоит из двух трансформаторов типа длинной линии на основе коаксиального кабеля, коммутатора и компенсирующей цепи. Благодаря введенной компенсирующей цепи обеспечивается в совокупности с другими признаками более высокая степень развязки передатчиков при их работе на антенны с отличающимися собственными входными параметрами. 6 ил.

1. Устройство развязки, содержащее первый трансформатор, первый и второй выводы которого являются соответственно первым выходом и первым входом устройства, и второй трансформатор, третий вывод которого является вторым выходом устройства, отличающееся тем, что дополнительно введены коммутатор и компенсирующая цепь, третий и четвертый выводы первого трансформатора подключены к первому и второму входам коммутатора соответственно, первый выход которого подключен к входу компенсирующей цепи, а второй выход - к корпусу устройства, выход компенсирующей цепи подключен к первому выводу второго трансформатора, второй вывод которого подключен к корпусу устройства, а его четвертый вывод является вторым входом устройства. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что компенсирующая цепь состоит из соединенных последовательно активного и реактивного компенсаторов, вход активного компенсатора является входом компенсирующей цепи, а его выход подключен к входу реактивного компенсатора, выход которого является выходом компенсирующей цепи.