СПОСОБ СОГЛАСОВАНИЯ ПРОИЗВОЛЬНЫХ ИМПЕДАНСОВ В ДИАПАЗОНЕ ДИСКРЕТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ЧАСТОТ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

СПОСОБ СОГЛАСОВАНИЯ ПРОИЗВОЛЬНЫХ ИМПЕДАНСОВ В ДИАПАЗОНЕ ДИСКРЕТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ЧАСТОТ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ


RU (11) 2247448 (13) C2

(51) 7 H01P5/00, H03H7/38 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.01.2008 - прекратил действие, но может быть восстановлен 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2003111108/09 
(22) Дата подачи заявки: 2003.04.17 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2003.04.17 
(45) Опубликовано: 2005.02.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 1778827 А1, 30.11.1992. ШАХГИЛЬДЯН В.В. Проектирование радиопередающих устройств. - М.: Радио и связь, 1984, с.90, 216-217. RU 2175810 С2, 10.11.2001. ЕР 0940878 А1, 08.09.1999. 
(72) Автор(ы): Головков А.А. (RU); Волобуев Г.Б. (RU); Чаплыгин А.А. (RU); Козлов С.В. (RU); Мальцев А.М. (RU); Волобуев А.Г. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военный институт радиоэлектроники (RU) 
Адрес для переписки: 394020, г.Воронеж, ул. Краснознаменная, 153, Военный институт радиоэлектроники 

(54) СПОСОБ СОГЛАСОВАНИЯ ПРОИЗВОЛЬНЫХ ИМПЕДАНСОВ В ДИАПАЗОНЕ ДИСКРЕТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ЧАСТОТ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
Изобретение относится к радиосвязи и технике СВЧ и может быть использовано при проектировании согласующих устройств нагрузки и линии передачи, в частности антенны и передатчика (приемника), а также эквивалентов антенн, фильтрующих устройств и мультиплексоров на заданном количестве фиксированных частот. Способ согласования произвольных импедансов в диапазоне 2N дискретных значений частот состоит в том, что между согласуемым элементом со стороны входа и согласуемым элементом со стороны выхода включают постоянные реактивные элементы, к согласуемому элементу со стороны входа подключают общий вход делителя на N частотных каналов, к согласуемому элементу со стороны выхода подключают сумматор на N частотных каналов, каждый канал сумматора посредством канального согласующего устройства соединяют с соответствующим одной и той же частоте каналом делителя, входные импедансы каждого канального согласующего устройства формируют из условий согласования согласуемого элемента со стороны входа с входными импедансами каждого согласующего устройства со стороны делителя, условий согласования согласуемого элемента со стороны выхода с входными импедансами каждого канального согласующего устройства со стороны сумматора и условий физической реализуемости. Устройство согласования произвольных импедансов согласуемого элемента со стороны входа и согласуемого элемента со стороны выхода в диапазоне 2N дискретных значений частот выполняется в виде подключенного к согласуемому элементу со стороны входа общим входом делителя на N частотных каналов, а к согласуемому элементу со стороны выхода подключенного общим входом сумматора N частотных каналов, причем каналы делителя и сумматора, соответствующие одним и тем же дискретным значениям частот, соединены между собой посредством N канальных согласующих устройств в виде Т-образных соединений трех реактивных двухполюсников, значения реактансов которых выбраны из условий обеспечения входных импедансов N канальных согласующих устройств, равными импедансу согласуемого элемента со стороны входа при нагрузке на импеданс согласуемого элемента со стороны выхода, и, наоборот, в каждом канале на собственной частоте, условий развязки частотных каналов и условий физической реализуемости. Техническим результатом является обеспечение одновременного согласования согласуемых произвольных импедансов элемента со стороны входа и элемента со стороны выхода на всех 2N дискретных частотах. 2 н.п. ф-лы, 10 ил., 2 табл.






ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к радиосвязи и технике СВЧ и может быть использовано при проектировании согласующих устройств нагрузки и линии передачи, в частности антенны и передатчика (приемника), а также эквивалентов антенн, фильтрующих устройств и мультиплексоров на заданном количестве фиксированных частот.

Известен способ последовательного согласования импедансов (Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ /Под ред. О.В.Алексеева. - М.: Радио и связь, 1987, с.82-113), заключающийся в том, что между согласуемым элементом со стороны входа и согласуемым элементом со стороны выхода включают постоянные реактивные элементы, выбирают количество и значения элементов типа L, С схемы согласующего устройства из условия идеального согласования импедансов на фиксированной частоте и изменяют вручную значения этих элементов при изменении частоты.

Известно устройство реализации этого способа (Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ /Под ред. О.В.Алексеева. - М.: Радио и связь, 1987, с.82-113), состоящее из Г-образного соединения двух реактансов (индуктивных или емкостных элементов), параметры которых (L, С) выбраны из условия согласования на фиксированной частоте.

Принцип действия устройства состоит в изменении элементов на другие элементы с другими номинальными параметрами, обеспечивающими согласование на другой фиксированной частоте. 

Недостатками способа и устройства являются низкая скорость (большое время) переключения, связанная с переключением вручную, и узкий класс согласуемых импедансов, обусловленный методикой выбора количества и значений элементов.

Известен способ, заключающийся в том, что между согласуемым элементом со стороны входа и согласуемым элементом со стороны выхода включают постоянные реактивные элементы, выбирают количество и значения элементов типа L, С из условия согласования импедансов, один из которых чисто активный и не зависит от частоты, на фиксированной частоте и автоматически изменяют значения этих элементов при необходимости согласования на любой из рабочих частот согласования (Проектирование радиопередающих устройств /Под ред. В.В.Шахгильдяна. - М.: Радио и связь, 1984, с.90, 216-217).

Известно устройство реализации этого способа (Проектирование радиопередающих устройств /Под ред. В.В.Шахгильдяна. - М.: Радио и связь, 1984, с.90, 216-217), состоящее из N p-i-n-диодов, параллельно подключенных к согласуемому импедансу со стороны входа, причем к каждому диоду подключено согласующее устройство в виде Г-образного соединения двух реактансов, параметры которых выбраны из условий согласования согласуемого элемента со стороны входа и согласуемого элемента со стороны выхода, к которому параллельно подключены все согласующие устройства, на соответствующей дискретной частоте. Принцип действия этого устройства состоит в том, что в каждый отдельный промежуток времени лишь один из N диодов открыт, при этом происходит согласование на одной из N дискретных частот. Остальные N-1 диоды закрыты и соответствующие им каналы отключены. Последовательное согласование согласуемых импедансов на N дискретных частотах производится путем последовательного переключения диодов из закрытого состояния в открытое.

Несмотря на автоматическое изменение элементов, этому способу и устройству его реализации также присуща малая скорость переключения, т.к. в качестве изменяемых элементов выбраны элементы типа L, С, что предполагает наличие в схеме электромеханического или электрического реле, а время их переключения составляет доли и единицы секунд. При применении в прототипе быстродействующих переключателей (например, на p-i-n-диодах) время переключения значительно уменьшается. Однако в данном случае (при применении p-i-n-диодов) их количество должно быть не меньше количества N частот, так как возникает необходимость последовательного подключения согласующих устройств, что ведет к усложнению способа. Кроме того, из-за недостаточно развитой методики выбора количества и значений элементов способ позволяет согласовать импедансы, один из которых чисто активный и не зависит от частоты.

Известен способ последовательного согласования импедансов в диапазоне N дискретных частот (Авт. св-во №1778827 от 1 августа 1992 г., Заявка на изобретение №4766552 от 4 декабря 1989 г.), заключающийся в том, что между согласуемым элементом со стороны входа и согласуемым элементом со стороны выхода включают постоянные реактивные элементы в количестве 2N, между третьим и четвертым независимыми постоянными реактивными элементами от согласуемого элемента со стороны входа включают элемент с переменным импедансом, при этом входной импеданс 2N независимых постоянных реактивных элементов, элемента с переменным импедансом и согласуемого элемента со стороны выхода определяют дробно-линейным преобразованием входного импеданса 2N-3 независимых постоянных реактивных элементов, начиная с 4-го от согласуемого элемента со стороны входа независимого реактивного элемента, элемента с переменным импедансом и согласуемого элемента со стороны входа, причем действительные и мнимые составляющие входного импеданса 2N-3 независимых элементов и коэффициенты дробно-линейного преобразования определяют из условий согласования согласуемого элемента со стороны входа и согласуемого элемента со стороны выхода с учетом изменения импеданса элемента с переменным импедансом.

Известно устройство реализации этого способа для случая двух дискретных частот, состоящее в том, что к согласуемому импедансу со стороны входа подключено согласующее устройство в виде Г-образного соединения двух двухполюсников, причем двухполюсник, включенный в поперечную цепь, представляет собой конденсатор, а двухполюсник, включенный в продольную цепь, представляет собой последовательный колебательный контур, к контуру подключен р-i-n-диод, параллельно согласуемому импедансу со стороны выхода подключена индуктивность, параллельно диоду подключен источник управляющих двухуровневых сигналов (Авт. св-во №1778827 от 1 августа 1992 г., Заявка на изобретение №4766552 от 4 декабря 1989 г.). Принцип действия этого устройства состоит в последовательном переключении импеданса p-i-n-диода, в результате чего последовательно обеспечиваются условия согласования согласуемых импедансов на двух дискретных частотах.

Недостатком данного способа и устройства его реализации является необходимость переключения импеданса элемента с переменным импедансом. Быстродействие переключения современных p-i-n-диодов составляет единицы микросекунд (см. М.С.Гусятинер, А.И.Горбачев. Полупроводниковые сверхвысокочастотные диоды. - М.: Радио и связь, 1983, с. 141-142). При количестве дискретных частот, равном N, промежуток времени, в течение которого отсутствует согласование на каждой частоте, увеличивается в N-1 раз.

Техническим результатом изобретения является уменьшение времени переключения до нуля за счет обеспечения одновременного согласования согласуемых произвольных импедансов элемента со стороны входа и элемента со стороны выхода на всех 2N дискретных частотах.

Указанный результат достигается тем, что в способе согласования произвольных импедансов в диапазоне 2N дискретных значений частот, состоящем во включении между согласуемым элементом со стороны входа и согласуемым элементом со стороны выхода постоянных реактивных элементов, к согласуемому элементу со стороны входа подключают общий вход делителя на N частотных каналов, к согласуемому элементу со стороны выхода подключают общий вход сумматора на N частотных каналов, каждый канал сумматора посредством канального согласующего устройства соединяют с соответствующим одной и той же частоте каналом делителя, входные импедансы каждого канального согласующего устройства формируют из условий согласования согласуемого импеданса элемента со стороны входа с входными импедансами каждого согласующего устройства со стороны делителя



условий согласования согласуемого импеданса элемента со стороны выхода с входными импедансами каждого канального согласующего устройства со стороны сумматора



условий физической реализуемости



где аmn, bmn, a’mn, b’ mn - действительные и мнимые составляющие входных импедансов согласующих устройств, включаемых в частотные каналы со стороны делителя и со стороны сумматора m-го канала на n-ой частоте; аN+1,n, bN+1,n, а’N+1,n , b’N+1,n - действительные и мнимые составляющие импедансов согласуемого элемента со стороны входа и согласуемого элемента со стороны выхода на n-ой частоте.

Указанный результат достигается тем, что в устройстве согласования произвольных импедансов согласуемого элемента со стороны входа и согласуемого элемента со стороны выхода в диапазоне 2N дискретных значений частот, выполненном в виде лестничной схемы реактивных элементов со специальным образом выбранными параметрами, к согласуемому элементу со стороны входа общим входом подключен делитель на N частотных каналов, а к согласуемому элементу со стороны выхода общим входом подключен сумматор N частотных каналов, причем каналы делителя и сумматора, соответствующие одним и тем же дискретным значениям частот, соединены между собой посредством N канальных согласующих устройств в виде Т-образных соединений трех реактивных двухполюсников, значения реактансов которых выбраны из условий



где B1, В3 - реактансы двухполюсников, включенных в продольную цепь Т-образного соединения; B2 - реактанс двухполюсника, включенного в поперечную цепь















где аmn, bmn, a’mn, b’mn - действительные и мнимые составляющие входных импедансов канальных согласующих устройств, включаемых в частотные каналы со стороны делителя и со стороны сумматора m-го канала на n-ой частоте, причем двухполюсники с реактансами B1 и В3, включенные в продольную цепь Т-образного соединения, выполнены в виде последовательно соединенных параллельных колебательных контуров, параметры которых выбраны из условий







где n, k - дискретные значения частот всплесков согласования и всплесков затухания канального согласующего устройства, включенного в n-й канал; аN+1,n, bN+1,n, а’N+1,n , b’N+1,n - действительные и мнимые составляющие импедансов согласуемого элемента со стороны входа и согласуемого элемента со стороны выхода на n-ой частоте; К - заданный коэффициент стоячей волны в n-ом канале на n-ой частоте.

На фиг.1 показано шестиполюсное разветвление линии передачи, используемое для двухчастотных сумматора и делителя.

На фиг.2 представлена структура заявляемого устройства, реализующего заявляемый способ согласования произвольных импедансов для случая четырех дискретных значений частот.

На фиг.3 изображена структурная схема заявляемого устройства, реализующего заявляемый способ согласования произвольных импедансов для случая заданных 2N дискретных значений частот.

На фиг.4 изображена обобщенная структурная схема канальных согласующих устройств.

На фиг.5 изображен вариант выполнения N канальных согласующих устройств в виде Т-образного соединения трех реактивных двухполюсников.

На фиг.6 изображен вариант выполнения N канальных согласующих устройств в виде П-образного соединения трех реактивных двухполюсников.

На фиг.7 представлен вариант формирования реактивных двухполюсников, входящих в канальные согласующие устройства.

На фиг.8 показана исследуемая с помощью схемотехнического моделирования схема заявляемого устройства, реализующего заявляемый способ согласования произвольных импедансов на шести частотах.

На фиг.9 показана типичная зависимость реактивного сопротивления двухполюсника (фиг.7) от частоты.

На фиг.10 представлена АЧХ исследуемого устройства (фиг.8). 

Для доказательства достигаемого технического результата рассмотрим случай N=2, а затем распространим его на произвольное число N.

Пусть сумматор и делитель представляют собой шестиполюсное разветвление линии передачи (фиг.1) с тремя входами - 1, 2, 3. Рассмотрим структурную схему четырехчастотного согласующего устройства согласуемых элементов со стороны входа 4 и со стороны выхода 5, состоящего из делителя 6, сумматора 7 и двух канальных согласующих устройств 8, 9 (фиг.2).

Принцип работы очень прост. При подаче сигналов на заданных дискретных значениях частот на элемент 4 или элемент 5 будут обеспечены требуемые значения КСВ на этих частотах. Если подается широкополосный сигнал, то на заданных частотах будут наблюдаться всплески согласования с требуемыми КСВ, а между ними всплески затухания, причем одновременно на всех частотах.

Предположим, что на вход 1 поступает сигнал единичной мощности с несущей частотой f1, а на вход 2 - сигнал единичной мощности с несущей частотой f2 . Вход 3 является общим, в котором суммируются оба сигнала. В режиме деления на вход 3 поступают оба сигнала, причем после деления сигнал с частотой f1 поступает на вход 1, а сигнал с частотой f2 - на вход 2. На каждый вход включен некоторый четырехполюсник (канальное согласующее устройство). Входной импеданс четырехполюсника, включенного на вход 1 со стороны точки разветвления А (со стороны делителя) на частоте f1 равен Zb1=Z11=а11+jb 11 на частоте f2 равен Zb1=Z 12=а12+jb12. Аналогично Zb2 =Z21=а21+jb21 на частоте f 1 и Zb2=Z22=а22+jb 22 нa частоте f2. Импедансы согласуемого элемента 4, подключенного к выходу 3 делителя 6, равны Zb3=Z 31=а31+jb31(f1) и Zb3=Z32=а32+jb32(f 2). Входной импеданс четырехполюсника, включенного на вход 1 со стороны сумматора на частоте f1, равен Z’b1=а’11+jb’11, на частоте f2 равен Z’b1=а’12+jb’12 . Аналогично на втором входе (канале) на частоте f 1 - Z’b2=а’21+jb’21, на частоте f2 - Z’b2=а’22+jb’ 22. Импедансы согласуемого элемента 5, подключенного к выходу 3 сумматора 7, равны Z’b3=a’31+jb’ 31, Z’b3=a’32+jb’32 . Входы 1 и 3, 2 и 3 должны быть полностью согласованы соответственно на частотах f1 и f2. Следовательно, исследуемый шестиполюсник относится к классу взаимных и в предположении отсутствия диссипативных потерь может быть описан на частоте f1 идеальной матрицей рассеяния S1, на частоте f 2 - матрицей S2:



где 1, 2, 3, - произвольные значения фазовых постоянных, которые не влияют на условия недиссипативности (унитарности) (см. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1988, стр. 86-91). Закон сохранения энергии, входящий в эти условия, записывается следующим образом:



Это есть условия физической реализуемости.

Требуется определить реальные матрицы рассеяния рассматриваемого шестиполюсника (фиг.1) и значения действительных и мнимых составляющих входных импедансов всех каналов или их взаимосвязь на обеих частотах, при которых реальные матрицы рассеяния исследуемых СД как можно меньше отличаются от идеальных (11).

Для отыскания элементов реальной матрицы рассеяния будем пользоваться известными выражениями для элементов матрицы рассеяния, выраженных через волновые сопротивления трех линий передачи (см. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1988, стр. 75). Однако вместо волновых сопротивлений будем рассматривать входные сопротивления четырехполюсников. Такая замена возможна при условии включения четырехполюсников в непосредственной близости к точке разветвления А (расстояния от А до входа четырехполюсников бесконечно малы по сравнению с длиной волны). При этом возникает необходимость извлечения квадратного корня из комплексного числа типа Z=а+jb.

Удобное выражение для этого можно получить из (Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике, стр. 273):





Без потери общности решим эту задачу для делителя.

В соответствии с принципом суперпозиции исследуем поочередное возбуждение входа 1 сигналом с частотой f1 и входа 2 - с сигналом с частотой f2 (номер входа совпадает с номером частоты). Первому режиму соответствует первая идеальная матрица из (11), в которой элемент S11 = 0, что означает полное согласование первого входа, которое, очевидно, обеспечивается следующим соотношением между входными импедансами всех входов: 



или 



Физический смысл (14) означает, сопротивление двух параллельно соединенных входных сопротивлений входов 2 и 3 на частоте f 1 равно входному сопротивлению входа 1.

С учетом (14) коэффициенты передачи (см. Сазонов Д.М....) с входа 1 на входы 2 и 3 оказываются равными:



Поскольку коэффициент отражения S11=0, то закон сохранения энергии (12) в этом режиме принимает вид:



где 



Из (16) следует соотношение между действительными и мнимыми составляющими входных импедансов 2 и 3 входов:



Подставим (17) в (14). Получим условие согласования первого входа на первой частоте в виде следующих импедансных соотношений: 



С учетом (17) упрощаются также и выражения для коэффициентов передачи по мощности (16):



Проводя аналогичные рассуждения для режимов возбуждения входа 2 сигналом с частотой f2 и входа 3 сигналами с частотами f1 и f2, можно получать следующие импедансные соотношения.

Условия полного согласования входов 2 и 3 на частоте f2:



Условие выполнения закона сохранения: 

Элементы реальной матрицы на частоте f1 имеют вид:



Соответствующие квадраты модулей коэффициентов отражения и передачи (энергетические соотношения):



Элементы реальной матрицы и квадраты их модулей на частоте f2 имеют вид:





Из (23) и (24) следует, что b21 и b31 , а также b32 и b12 должны быть одного знака (квадраты модулей элементов матриц должны быть все положительны). Это дополнительные условия физической реализуемости.

Проводя аналогичные преобразования и рассуждения для случаев N = 3, 4..., получим импедансные соотношения на всех входах делителя для N частот, обеспечивающие полное согласование импедансов элементов 4 и 5 (фиг.3), и физическую реализуемость. Условия согласования: 



m=n; km; im; m, n=1, 2, ..., N.

Условия физической реализуемости:



Аналогичным образом определим условия, при которых произвольные импедансы согласуемого элемента 5 со стороны выхода согласованы с входными импедансами согласующих устройств со стороны сумматора 7, и условия физической реализуемости. Эти условия имеют вид: 



m=n; km; im; m, n=1, 2, ..., N

и условиям физической реализуемости



где a’mn, b’mn - действительные и мнимые составляющие входных импедансов согласующих устройств, включаемых в частотные каналы со стороны сумматора m-го канала на n-ой частоте.

Полученные импедансные соотношения (26), (27) с одной стороны согласующих устройств и (28), (29) с другой стороны согласующих устройств означают следующее. Входные импедансы согласующих устройств при их нагрузке на импедансы Zmn=аmn+jbmn должны быть равны Z’mn=a’mn+jb ’mn. Наоборот, входные импедансы согласующих устройств при их нагрузке на импедансы Z’mn =a’mn+jb’mn должны быть равны Zmn=amn+jbmn.

Покажем возможность выполнения этих условий.

Эквивалентную схему согласующего устройства обобщенного типа представим в виде трех каскадно-соединенных четырехполюсников (фиг.4).

Первый четырехполюсник представляет собой скачок нормированного волнового сопротивления от Zmn=amn+jbmn (произвольный импеданс слева) к 1 (нормированное само на себя сопротивление стандартной линии передачи) и описывается следующей матрицей передачи:



Второй четырехполюсник - собственно согласующее устройство - описывается матрицей передачи А2:



Третий четырехполюсник - это скачок нормированного волнового единичного сопротивления линии передачи к произвольному импедансу справа Z’mn=a’mn+jb ’mn. Ему соответствует матрица передачи А3:



Решение задачи синтеза согласующего устройства будем проводить в три этапа.

На первом этапе определим соотношения между элементами классической матрицы передачи A2, при которых обеспечивается требуемый коэффициент стоячей волны (коэффициент отражения) или коэффициент передачи мощности на фиксированной частоте.

На втором этапе определим количество и значения параметров элементов схемы канального согласующего устройства, при которых реализуются найденные соотношения (23)-(26) на двух фиксированных частотах.

Для отыскания искомых соотношений между d, , , , при которых достигается заданный КСВ на фиксированной частоте, перемножим матрицы A1, A2, A3 и по известным формулам (Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. - М.: Связь, стр. 39) найдем элемент матрицы S11 (коэффициент отражения первого входа) и приравняем его некоторой величине (модуль коэффициента отражения по напряжению при условии равенства нулю мнимой части):



Разделим действительную и мнимую части в (28). Получаем систему двух уравнений:



из решения которых вытекает, что элементы матрицы А2 связаны между собой следующим образом:



где - коэффициенты стоячей волны согласующих устройств со стороны делителя. Пусть импедансы Zmn и Z’ mn (фиг.2) включены в противоположные места согласующего устройства. Тогда, рассуждая аналогичным образом, получим:



где - коэффициенты стоячей волны согласующих устройств со стороны сумматора.

Поскольку коэффициенты , , определяются параметрами одних и тех же неуправляемых элементов согласующих устройств, то эти коэффициенты, определяемые выражениями (30) и (31), должны быть равны. Из этих равенств следует, что 



При этом все три элемента , , оказываются строго заданными любой комбинацией формул (35)-(37). Это означает, что простейшее согласующее устройство с заданными КСВ со стороны делителя и со стороны сумматора должно содержать минимум три независимых элемента. Целесообразно положить К=К’ и интерпретировать К как КСВ n-го канала на n-ой частоте. На фиг.5, 6 в качестве примеров изображены две простейшие схемы, параметры которых определяются следующим образом:





В формулах (38), (39) Bn=L; (=2f), если Bn>0 и Bn=-1/C, если Вn<0 (n=1, 2, 3).

В случае произвольного количества N частот и частотных каналов удобно один, два или три двухполюсника с реактансом Вn формировать одной из схем Фостера. Например, для схемы, изображенной на фиг.5, можно двухполюсники с реактансами B1, В3 представить в виде N последовательно соединенных параллельных колебательных контуров (фиг.7). Параметры контуров Ln , Cn определяются из условия обеспечения для каждого канала на "своей" частоте требуемого реактанса В 1,3, а на других ("чужих") частотах - из условия обеспечения режима холостого хода:





Параметры двухполюсника с реактансом В2 должны определяться по описанному выше алгоритму. При использовании формул (40) условия согласования (26) и (28) вырождаются в простые соотношения:



На общие входы делителя и сумматора четырехполюсники не включаются. В качестве входных импедансов общих входов используются импедансы согласуемых элементов со стороны входа и со стороны выхода на заданном количестве дискретных значений частот.

Для проверки возможности обеспечения согласования произвольных импедансов на заданном количестве дискретных значений частот (N=6) используем Т-образную схему (фиг.5), параметры которой B1, В2, В3 на каждой из частот определялись по формулам (38). При этом для каждой ветви каждого канала устройства (фиг.8) получалось два решения, т.е. пара значений сопротивлений каждого из трех двухполюсников, соответствующих знаку плюс или минус перед Q (таблица 1).

Таблица 1 
верхняя ветвь B1=-42,498 B2=42,389 B 3=-42.281 
+Q средняя ветвь B1=-42,88 B2=42,387 В 3=-41,893 
нижняя ветвь B 1=-43,201 B2=42,376 В3 =-41,551 
верхняя ветвь B1 =42,281 B2=-42,389 В3=42,498 
-Q средняя ветвь B1=41,893 B2=-42,387 В3=42,88 
нижняя ветвь B1=41,551 В2=-42,376 В3=43,201 


В качестве согласуемых элементов использовались схемы параллельно соединенных резистора и индуктивности (со стороны входа) и резистора и емкости (со стороны выхода). Их сопротивления на произвольно выбранных трех частотах оказались равными значениям, приведенным в таблице 2.

Таблица 2 
f=120 МГц ZBX =29,953+j1,192 Zвыx=59,877-j2,709 
f= 150 МГц ZВХ=29,97+j0,954 Z вых=59,809-j3,382 
f=180 МГц ZВХ =29,979+j0,795 Zвыx=59,725-j4,053 


В каждой ветви (в каждом канале) схема канального согласующего устройства имеет два решения. На фиг.9 показана типичная зависимость реактантов двухполюсников В1 и В3 от частоты, из которой видно, что оба решения реализуются в общем случае на шести частотах. В общем случае при N каналах имеется 2N всплесков согласования и затухания. При этом только два двухполюсника (B1 и В3 ) обеспечивают реализацию этих решений, а двухполюсник В 2 не всегда обеспечивает эту реализацию. Поэтому в общем случае исследуемая схема (фиг.8) может иметь шесть частот всплесков затухания и шесть всплесков пропускания (согласования), три из которых задаются, а еще три могут быть определены графически (фиг.9). На фиг.10 показана амплитудно-частотная характеристика исследуемого устройства, полученная в результате использования разработанных здесь алгоритмов синтеза для определения параметров индуктивности и емкости и схемотехнического моделирования воздействия на эту схему гармонического колебания в указанном диапазоне частот с помощью системы MicroCap V.

Технико-экономическая эффективность способа и устройства заключается в уменьшении времени переключения дискретных значений частот, на которых происходит полное согласование произвольных импедансов, до нуля за счет выбора структуры схемы и значений их параметров, при которых обеспечивается одновременное согласование произвольных импедансов на заданном количестве дискретных значений частот.

Предлагаемое техническое решение-способ является новым, поскольку из общедоступных сведений не известен способ согласования произвольных импедансов в диапазоне 2N дискретных значений частот, включающий подключение делителя на N частотных каналов общим входом к согласуемому элементу со стороны входа и подключение сумматора N частотных каналов общим входом к согласуемому элементу со стороны выхода, соединение посредством канальных согласующих устройств каналов сумматора и делителя, соответствующих одним и тем же значениям дискретных частот, а также специальный выбор входных импедансов согласующих устройств со стороны входа и со стороны выхода на каждом канале и каждой частоте.

Предлагаемое устройство реализации этого способа является новым, поскольку из общедоступных сведений не известно устройство, состоящее из указанным образом подключенных посредством канальных согласующих устройств между собой и к согласуемым элементам со стороны входа и со стороны выхода делителя и сумматора N частотных каналов, а канальные согласующие устройства выполнены в виде Т-образного соединения трех двухполюсников, причем два двухполюсника, включенные в продольную цепь, сформированы из N последовательно соединенных параллельных колебательных контуров, а все параметры согласующих устройств выбраны по специальным формулам, обеспечивающим согласование на 2N дискретных значениях частот.

Предлагаемое техническое решение-способ имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций - подключение делителя общим входом к согласуемому элементу со стороны входа, подключение сумматора общим входом к согласуемому элементу со стороны выхода, соединение всех каналов делителя и сумматора, соответствующих одним и тем же значениям частот, посредством N канальных согласующих устройств, выбор входных импедансов этих устройств в каждом канале и на каждой частоте по специальных формулам, - приводит к полному согласованию на 2N частотах, что необходимо при построении антенн, средств радиосвязи и фильтров мультиплексоров.

Предлагаемое техническое решение-устройство реализации способа имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленные отличительные признаки - к согласующему элементу со стороны входа общим входом подключен делитель на N частотных каналов, а к согласующему элементу со стороны выхода общим входом подключен и сумматор на N частотных каналов, причем каналы делителя и сумматора, соответствующие одним и тем же дискретным значениям частот, соединены между собой посредством N канальных согласующих устройств в виде Т-образных соединений трех реактивных двухполюсников, значения реактансов которых выбраны специальным образом, причем два из трех двухполюсников Т-схемы выполнены в виде N последовательно соединенных параллельных контуров, приводит к полному согласованию на 2N частотах, что необходимо при построении антенн, средств радиосвязи и фильтров мультиплексоров.

Предлагаемое техническое решение - способ и устройство промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы известные последовательные и параллельные колебательные контуры и линии передачи с параметрами, определенными по заявленным формулам.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Способ согласования произвольных импедансов в диапазоне 2N дискретных значений частот, состоящий во включении между согласуемым элементом со стороны входа и согласуемым элементом со стороны выхода постоянных реактивных элементов, отличающийся тем, что к согласуемому элементу со стороны входа подключают общий вход делителя на N частотных каналов, к согласуемому элементу со стороны выхода подключают общий вход сумматора на N частотных каналов, каждый канал сумматора посредством канального согласующего устройства соединяют с соответствующим одной и той же частоте каналом делителя, входные импедансы каждого канального согласующего устройства формируют из условий согласования согласуемого элемента со стороны входа на своей m-ой частоте с входными нормированными импедансами каждого m-го согласующего устройства со стороны делителя:



из условий согласования согласуемого элемента со стороны выхода на своей m-ой частоте с входными импедансами каждого m-го канального согласующего устройства со стороны сумматора:



условий физической реализуемости



bmn· bN+1,n>0; b mn· b N+1,n > 0,

где аmn, b mn, а mn, b mn - действительные и мнимые составляющие нормированных входных импедансов канальных согласующих устройств, включаемых в частотные каналы со стороны делителя и со стороны сумматора m-го канала на n-ой частоте; аN+1,n, bN+1,n , a N+1,n, b N+1,n - действительные и мнимые составляющие импедансов согласуемого элемента со стороны входа и согласуемого элемента со стороны выхода на n-ой частоте.

2. Устройство согласования произвольных импедансов согласуемого элемента со стороны входа и согласуемого элемента со стороны выхода в диапазоне 2N дискретных значений частот, выполненное в виде лестничной схемы реактивных элементов со специальным образом выбранными параметрами, отличающееся тем, что к согласуемому элементу со стороны входа общим входом (N+1-м каналом) подключен делитель на N частотных каналов, а к согласуемому элементу со стороны выхода общим входом (N+1-м каналом) подключен сумматор N частотных каналов, причем каналы делителя и сумматора, соответствующие одним и тем же дискретным значениям частот, соединены между собой посредством N канальных согласующих устройств в виде Т-образных соединений трех реактивных двухполюсников, значения нормированных относительно волнового сопротивления линии передачи этих двухполюсников реактансов выбраны из условий согласования m-го канала на m-ой частоте с согласуемыми элементами со стороны входа и со стороны выхода:



где - нормированные реактансы двухполюсников,

включенных в продольную цепь Т-образного соединения; В2 - нормированный реактанс двухполюсника, включенного в поперечную цепь этого соединения; 













bmn· bN+1,n > 0; b mn· b N+1,n > 0,

где аmm, bmm , а mm, b mm - действительные и мнимые составляющие входных импедансов согласующих устройств, включаемых в частотные каналы со стороны делителя и со стороны сумматора m-го канала на m-ой частоте; аmn, bmn, а mn, b mn - действительные и мнимые составляющие входных импедансов согласующих устройств, включаемых в частотные каналы со стороны делителя и со стороны сумматора m-го канала на n-ой частоте;



элементы матрицы передачи, причем двухполюсники с реактансами В1 и В3, включенные в продольную цепь Т-образного соединения, выполнены в виде последовательно соединенных параллельных колебательных контуров, параметры Lk, Ck которых выбраны из условий согласования произвольных импедансов в m-м канале и m-й частоте; m - номер канала, совпадающий с номером частоты, на которой обеспечивается согласование; k - текущий номер канала; n - текущий номер частоты;



и условий развязки частотных каналов (условий холостого хода):



m, k - дискретные значения частот всплесков согласования и всплесков затухания согласующего устройства, включенного в m-й канал; аN+1,n, bN+1,n, а N+1,n, b N+1,n - действительные и мнимые составляющие импедансов согласуемого элемента со стороны входа и согласуемого элемента со стороны выхода на n-ой частоте; К, К’ - заданные коэффициенты стоячей волны в n-ом канале на n-ой частоте со стороны делителя и со стороны сумматора; L, С - нормированные индуктивность или емкость, включаемая в поперечную цепь Т-образного соединения и выбираемая в зависимости от знака В2, если В 2>0, то это индуктивность



причем, если В2<0, то это емкость







ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru