ДАТЧИК ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИМПЕДАНСА Российский патент 2024 года по МПК G01R27/08 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в устройствах согласования антенн декаметрового диапазона частот.

Изобретение прежде всего предназначено для использования в авиационной радиосвязи, где особо актуальны задачи обеспечения дальности связи в сложных метеоусловиях и достижения наименьших массо-габаритных показателей. На решение этих задач направлена разработка устройства согласования антенны с точной настройкой на заданную частоту за счет применения алгоритма вычислительного типа и датчика измерения параметров импеданса на входе согласующего контура. Датчик измерения параметров импеданса выдает в устройство управления антенного согласующего устройства (АСУ) цифровые значения сдвига фазы высокочастотного сигнала и модуля импеданса на входе согласующего контура.

Известно устройство для измерения входного импеданса антенного согласующего устройства [Патент РФ №2312367 на изобретение, опубл. 10.12.2007, Бюл. №34]. Описанное устройство содержит датчики тока и напряжения, выходы которых соединены с входами фазового детектора и двух идентичных устройств преобразования, выходы которых через масштабный усилитель соединены с входом аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), производящим преобразование аналоговых уровней напряжения в цифровые коды. В качестве фазового детектора предложено применение микросхемы AD8302 фирмы Analog Devices. К недостаткам данного устройства можно отнести диапазон работы фазового детектора до 2,7 ГГц, что значительно шире диапазона применения устройства и влечет за собой применение дополнительных фильтрующих цепей на выходе датчиков тока и напряжения с целью обеспечения электромагнитной совместимости. Кроме того, применение фазового детектора на базе логарифмических усилителей предъявляет жесткие требования к топологии печатной платы и исполнению развязывающих устройств и усилительно-ограничительных каскадов. Эти факторы значительно снижают точность измерения сдвига фазы и на практике приводят к нелинейности выходной характеристики фазового детектора на краях диапазона измеряемых величин, а также к зависимости от характера нагрузки и частоты измеряемых сигналов. Практические измерения сдвига фазы имеют погрешность до 10% в диапазоне от 0 до 10 градусов и до 30% в диапазоне от 80 до 90 градусов.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение массо-габаритных характеристик и повышение быстродействия и точности настройки устройства согласования антенны на заданную частоту с целью обеспечения дальности связи. Технический результат заявляемого изобретения достигается путем повышения точности и сокращения времени измерения фазового сдвига и модуля импеданса во всем ДКМВ диапазоне не зависимо от характера нагрузки за счет измерения фазового сдвига путем время-цифрового преобразования и измерения модуля импеданса аналогово-цифровым преобразованием напряжений, пропорциональных реальным току и напряжению в нагрузке.

Указанный технический результат достигается тем, что датчик измерения параметров импеданса для антенного согласующего устройства содержит канал измерения модуля импеданса, состоящий из последовательно соединенных формирователя уровня, подключенного ко входу согласующего контура по току и напряжению, детектора и аналогово-цифрового преобразователя микроконтроллера, и канал измерения сдвига фазы, состоящий из формирователя уровня, подключенного ко входу согласующего контура по току и напряжению, из двух быстродействующих компараторов, и последовательно соединенных формирователя уровня импульсов перехода через нулевые значения, время-цифрового преобразователя и микроконтроллера, при этом выходы формирователя уровня канала измерения сдвига фазы подключены к входам формирователя уровня импульсов перехода через нулевые значения через быстродействующие компараторы по току и напряжению соответственно, а выход микроконтроллера является выходом датчика.

Изобретение поясняется чертежом, где приведено графическое представление датчика измерения параметров импеданса, содержащего канал измерения модуля импеданса и канал измерения сдвига фаз. Канал измерения сдвига фаз состоит из формирователя уровня (ФУ1), подключенного ко входу согласующего контура по току (I_ВСК) и напряжению (U_ВСК), быстродействующих компараторов (БК1) и (БК2), соединенных между собой формирователя уровня импульсов перехода через нулевые значения (ФУИ) и время-цифрового преобразователя (ВЦП), выдающего цифровой код на порт (PORT) микроконтроллера (МК). Канал измерения модуля импеданса состоит из последовательно соединенных формирователя уровня (ФУ2), подключенного ко входу согласующего контура по току (I_ВСК) и напряжению (U_ВСК), детектора и аналогово-цифрового преобразователя микроконтроллера (МК).

Устройство работает следующим образом. Напряжение U_ВСК и ток I_ВСК со входа согласующего контура поступают на формирователь уровня (ФУ2) канала измерения модуля импеданса, который формирует напряжения пониженного уровня, пропорциональные напряжению U_ВСК и току I_ВСК на входе согласующего контура. Эти напряжения поступают на детектор, в котором они преобразуются в напряжения постоянного тока уровнями, не превышающими допустимых значений на входе аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера (МК). Далее эти напряжения оцифровываются с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) и используются для вычисления микроконтроллером (МК) модуля импеданса |Z| на входе согласующего контура. Также напряжение U_ВСК и ток I_ВСК со входа согласующего контура поступают на формирователь уровня (ФУ1) канала измерения сдвига фаз, который формирует напряжения, пропорциональные напряжению U_ВСК и току I_ВСК на входе согласующего контура, пониженного уровня. Эти напряжения поступают на входы быстродействующих компараторов (БК1, БК2) по напряжению и току соответственно, в которых происходит сравнение с нулевыми значениями напряжений. Таким образом, на выходах быстродействующих компараторов (БК1, БК2) формируются короткие импульсы во время перехода через нулевые значения напряжения U_ВСК и тока I_ВСК на входе согласующего контура, которые поступают в формирователь уровня импульсов перехода через нулевые значения (ФУИ). Формирователь уровня импульсов перехода через нулевые значения (ФУИ) преобразует низкие уровни импульсов быстродействующих компараторов (БК1, БК2) по напряжению и току соответственно в импульсы логического уровня, которые поступают на входы старта (Старт) и остановки (Стоп) время-цифрового преобразователя (ВЦП). Импульс, соответствующий напряжению U_ВСК на входе согласующего контура, запускает процесс измерения времени внутри время-цифрового преобразователя (ВЦП), а импульс, соответствующий току I_ВСК на входе согласующего контура, этот процесс останавливает. Таким образом, на выходе время-цифрового преобразователя (ВЦП) формируется цифровое значение времени, соответствующее сдвигу фаз между напряжением U_ВСК и током I_ВСК на входе согласующего контура. Цифровой код измеренного интервала времени с выхода время-цифрового преобразователя (ВЦП) через восьмиразрядную шину данных поступает на порт (PORT) микроконтроллера (МК) для вычисления сдвига фаз. Отрицательные значения кода соответствуют отрицательному знаку сдвига фаз.

Расчет фазового сдвига производится по следующей формуле:

,

где ƒ - частота измеряемых сигналов;

Δt - измеренный интервал времени.

Расчет модуля импеданса |Z| производится по следующей формуле:

,

где K_u, K_i - коэффициенты ФУ2 и детектора по напряжению и току соответственно.

В качестве вычислительного устройства можно использовать микроконтроллер (МК), выполняющий функции управления устройством согласования антенны, объединив его с датчиком измерения параметров импеданса, что приведет к повышению надежности изделия в целом. В качестве быстродействующих компараторов можно использовать микросхему LT1715 фирмы Linear Technology Corporation, представляющую из себя сдвоенный компаратор с максимальной частотой входного сигнала 150 МГц. В качестве ВЦП можно применить микросхему TDC-GP1 фирмы Acam, имеющую режимы измерения времени с разрешением 250 пс и повышенным разрешением до 125 пс.

Признаки, отличающие предлагаемый датчик измерения параметров импеданса от прототипа: применение метода преобразования физических величин в интервалы времени, вместо метода амплитудно-логарифмического детектирования, наличие в схеме быстродействующих компараторов и время-цифрового преобразователя, который используется для вычисления сдвига фаз тока и напряжения в нагрузке и определения знака фазы, а также отсутствие промежуточного АЦП с целью упрощения схемотехнических решений и сокращения времени измерения и уменьшения массо-габаритных характеристик датчика.

Таким образом, датчик измерения параметров импеданса позволяет проводить вычисления параметров импеданса в нагрузке с достаточной для алгоритмов вычислительного типа точностью. Практические применения ВЦП с разрешением 250 пс позволяют достичь измерений сдвига фазы с погрешностью до 0,2% на частоте 2 МГц и до 3% на частоте 30 МГц независимо от характера нагрузки.

Применение датчика измерения параметров импеданса в устройствах согласования антенн позволяет на порядок повысить быстродействие и точность настройки, сохранить коммутационный ресурс ВЧ реле согласующего контура, исключить многократные переходные процессы в усилителе мощности радиостанции в режиме настройки антенного согласующего устройства за счет снижения уровня настроечной мощности на входе измерительного датчика, а также создать программу самодиагностики, выявляющую любой неисправный элемент ВЧ контура.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в устройствах согласования антенн декаметрового диапазона частот. Технический результат изобретения заключается в уменьшении массо-габаритных характеристик и повышении быстродействия и точности настройки устройства согласования антенны на заданную частоту с целью обеспечения дальности связи. Результат достигается тем, что предложен датчик измерения параметров импеданса для антенного согласующего устройства, содержащий канал измерения модуля импеданса, состоящий из последовательно соединенных формирователя уровня (ФУ2), подключенного ко входу согласующего контура по току (I_ВСК) и напряжению (U_ВСК), детектора и аналогово-цифрового преобразователя микроконтроллера (МК), и канал измерения сдвига фаз, состоящий из формирователя уровня (ФУ1), подключенного ко входу согласующего контура по току (I_ВСК) и напряжению (U_ВСК), быстродействующих компараторов (БК1) и (БК2), соединенных между собой формирователя уровня импульсов перехода через нулевые значения (ФУИ) и время-цифрового преобразователя (ВЦП), выдающего цифровой код на порт микроконтроллера (МК). 1 ил.

Датчик измерения параметров импеданса для антенного согласующего устройства, отличающийся тем, что содержит канал измерения модуля импеданса, состоящий из последовательно соединенных формирователя уровня, подключенного ко входу согласующего контура по току и напряжению, детектора и аналогово-цифрового преобразователя микроконтроллера, и канал измерения сдвига фазы, состоящий из формирователя уровня, подключенного ко входу согласующего контура по току и напряжению, из двух быстродействующих компараторов и последовательно соединенных формирователя уровня импульсов перехода через нулевые значения, время-цифрового преобразователя и микроконтроллера, при этом выходы формирователя уровня канала измерения сдвига фазы подключены к входам формирователя уровня импульсов перехода через нулевые значения через быстродействующие компараторы по току и напряжению соответственно, а выход микроконтроллера является выходом датчика.