5. СОГЛАСОВАНИЕ VLF/LF ПЕРЕДАТЧИКОВ С АНТЕННАМИ

 

5.1. ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И СРЕДСТВА СОГЛАСОВАНИЯ

Согласование передатчика с антенной имеет своей целью обеспечение трансформации максимума подводимой к его оконечному каскаду активной мощности в излучение антенны в заданной полосе частот с минимальными искажениями излучаемого сигнала и минимумом побочных излучений. Данная цель традиционно достигается решением следующих задач:

  • минимизацией реактивной составляющей импеданса антенны путем настройки ее в резонанс на частоте излучения и обеспечения требуемой полосы пропускания;
  • минимизацией стоячих (или отраженных) волн в антенно-фидерном тракте путем маскисмально точного согласования импедансов на всех его стыках;
  • фильтрацией высших гармоник и других побочных излучений на выходе передатчика путем установки и настройки соответствующих фильтров.

цели и задачи согласования передатчика с антенной

Рис.5.1. Цели и задачи согласования передатчика с антенной.

 

Сказанное относится и к согласованию передатчика с антенной в диапазоне VLF/LF, но со следующими уточнениями:

  • антенный фидер в его классическом значении либо вообще отсутствует, либо его длина намного меньше длины волны распространяющихся по нему электромагнитных колебаний, в связи с чем понятие стоячих волн в нем теряет смымсл и правильнее говорить о величине отраженных на стыках антенно-фидерного тракта сигналов;
  • главной проблемой согласования является чрезвычайно узкая полоса пропускания антенны (порядка 30-35 Гц на нижней границе диапазона), обусловленная большими значениями удлиняющих ее реактивностей - индуктивности геликса и емкости антенного полотна, вследствие чего с ростом ширины полосы излучаемого сигнала недопустимо растут его искажения и реактивные составляющие импеданса антенны.

Традиционными средствами согласования передатчика с антенной являются:

  • фильтр нижних частот ФНЧ, устанавливаемый на выходе передатчика и служащий для фильтрации его побочных излучений, а также для согласования импеданса передатчика с импедансом фидера и участия в формировании необходимой фазовой характеристики антенно-фидерного тракта;
  • вариометр ВАР, включаемый последовательно или параллельно с геликсом антенны и служащий для ее настройки в резонанс на заданной частоте путем регулирования величины удлиняющей индуктивности;
  • устройство согласования антенны УС, служащее для согласовани импедансов антенны и фидера и также участвующее в формировании необходимой фазовой харакетристики антенно-фидерного тракта

средства согласования VLF/LF передатчика с антенной

Рис.5.2. Средства согласования VLF/LF передатчика с антенной

 

 

5.2. ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ

Фильтр нижних частот обычно представляет собой комбинацию различных Г-, Т- и П- образных LC звеньев (см. примеры схем ФНЧ на рис.5.3). Для настройки его частотных (амплитудной и фазовой) характеристик и импедансов он снабжается регулировочными конденсаторами и индуктивностями.

примеры схем фильтров нижних частот VLF/LF радиостанций

Рис.5.3. Примеры схем фильтров нижних частот VLF/LF радиостанций

 

Настройка ФНЧ на заданную частоту передачи является сложным и кропотливым делом, требующим выполнения упорядоченной последовательности большого числа операций, взаимоувязанных с настройкой других устройств антенно-фидерного тракта, и достижения сразу нескольких условий - согласования входного и выходного импеданса фильтра с импедансами передатчика и фидера, требумой степени подавления побочных излучений и синхронизации фазовых сдвигов частотных сигналов нуля и единицы в антенно-фидерном тракте в целом. По этой причине большинство VLF станций постоянно работают только на одной из нескольких выделенных им частот. Так, например, станции Cutler лицензировано 14 частот, но работает она в штатном режиме только на частоте 24.0 кГц. В то же время, для нештатных режимов (отказ, профилактика, эксперименты и пр.) на станции имеется резервный упрощенный фильтр, который может быть быстро перенастроен, но с худшими параметрами.

Сведений о разработке и внедрении на VLF станциях средств автоматизации настройки ФНЧ не обнаружено.

 

5.3. УСТРОЙСТВО СОГЛАСОВАНИЯ АНТЕННЫ

Устройство согласования антенны с фидером обычно представляет собой реактивный делитель напряжения, трансформатор с воздушным диэлектриком или их комбинацию. Его параметры могут настраиваться как переключением или регулированием реактивных элементов - емкостей и индуктивностей, так и изменением магнитной связи между индуктивностями. Примеры реализаци устройств согласования приведены на рис.5.4.

примеры схем устройств согласования VLF/LF радиостанций

Рис.5.4. Примеры схем устройств согласования VLF/LF радиостанций

 

 

5.4. ДИНАМИЧЕСКАЯ НАСТРОЙКА АНТЕННЫ

Настройка антенны имеет своей целью сведение к минимуму реактивных составляющих ее импеданса в полосе частот излучения, что традиционно достигается настройкой ее в резонанс на частоте несущей путем изменения величины ее индуктивности с помощью вариометра. Однако, как было сказано выше, вследствие высокой добротности полоса пропускания VLF антенны, настроенной в резонанс, получается крайне низкой, особенно на нижней границе VLF диапазона (порядка 30 - 35 Гц на частотах ниже 20 кГц). Вследствие этого скорость передачи данных в режиме частотной манипуляции ограничена величиной порядка 25-50 бод.

Одним из очевидных способов устранения данного недостатка является динамическая перестройка частоты резонанса антенны при изменении частоты излучаемого сигнала, что может быть достигнуто путем ступенчатого изменения индуктивности геликса синхронно с изменением частоты излучения, поскольку в этом случае требуемая полоса пропускания антенны не зависит от разноса частот FSK сигнала, определяемого требуемой скоростью передачи данных. Данный принцип иллюстрируется рис.5.5.

принцип динамической настройки VLF/LF антенны

Рис.5.5. Принцип динамической настройки VLF/LF антенны

источник правой иллюстрации [3].

Lдин - индуктивность, динамически изменяемая синхронно с частотной манипуляцией; R - скорость передачи данных; 0 на оси абсцисс соответствует частоте несущей; antenna power spectrum - амплитудно-частотная харакетристика антенны для минимальной (слева) и максимальной (справа) частот сигнала; FSK power density spectrum - спектральная характеристика FSK сигнала.

 

Работы по созданию средств динамической настройки VLF антенн ведутся с середины 50-х годов прошлого века. Родоначальниками данного направления является американская компании Westinghouse Electric Corp, застолбившая его концептуальные основы статьей в журнале Электроника в 1954 г.[1], а также патентами US-2989624 и US-3319168.

динамическая настройка антенны по основополагающим патентам Westinghouse Electric Corp

Рис.5.6. Динамическая настройка антенны по основополагающим патентам Westinghouse Electric Corp.

 

В 1956 г. в лаборатории электроники ВМФ США в Сан Диего (Navy Electronic Laboratory) уже был создан первый экспериментальный образец системы динамической настройки антенны для мощности порядка 10 кВт [2], а первая штатная система такого рода была разработана компанией Westinghouse Electric для VLF радиостанции Cutler в начале 1960-х годов. Она была основана на использовании т.н. магнитного реактора - индуктивности, управляемой путем подмагничивания ее сердечника с прямоугольной петлей гистерезиса, и в таком виде функционировала минимум до 2003 года (подробнее см. [6]). Это решение поволило повысить скорость передачи данных на нижней частоте работы станции Cutler (17.8 кГц) до 200 бод и впоследствии было использовано и на станции Harold E.Holt на частоте 19.8 кГц с таким же результатом.

Дальнейший рост скорости передачи на основе использования магнитного реактора Westinghouse в связи с его ограниченным быстродействием достигнут не был, поэтому работы по разработке более совершенных решений были продолжены. В частности, в середине 80-х годов фирмой Megapulse Inc. по контракту с ВМФ США 00123-80-C-0425 была разработана система динамической настройки VLF антенны, защищенная патентом US-4689803, которая планировалась к использованию на VLF радиостанции Annapolis совместно с передатчиком AN/FRT 87. Кроме динамической настройки на крайние частоты FSK сигнала в ней также была предусмотрена автоматизация статической настройки антенны на несущую частоту (левая схема на рис.5.7.). Однако сведений об успешном внедрении данной системы не обнаружено.

Чуть позже лабораторией Navy Electronic Laboratory была разработана и защишена патентом US-5034697 схема на основе магнитного ключевого усилителя, коммутирующего внешнюю индуктивность (правая схема на рис.5.7), которая заявлялась как более быстродействующая по сравнению со схемой на магнитном реакторе. Однако и по данной схеме сведений об ее успешном внедрении не обнаружено. Нет также сведений, что на какой-либо из VLF радиостанций, построенных до ввода в действие в 2014 году модернизированной радиостанции Kattobomman, была достигнута скорость передачи выше 200 бод. На основании сказанного можно предполагать, что схема динамической настройки антенны описанного типа позволяет повысить скорость передачи не более, чем до 200 бод, что, очевидно, связано с негативным влиянием переходных процессов при коммутации индуктивностей на более высоких скоростях.

динамичсекая настройка антенны по патентам US-4689803 и US-5034697

Рис.5.7. Динамическая настройка антенны по патентам US-4689803 и US-5034697

 

 

5.5. МЕТОД ПРЕДКОРРЕКЦИИ

В предыдущей главе уже кратко описывался новейший передатчик Type 124 компании Continental Electronics, установленный в 2014 году на индийской VLF станции Kattobomman. В нем использован новый для VLF станций принцип согласования передатчика с антенной, обеспечивающий повышение скорости передачи данных до 400-800 бод. Суть этого принципа заключается в предварительной коррекции сигнала передатчика внесением в него аплитудно-частотных предыскажений, компенсирующих потери и искажение сигнала в антенне, обусловленные ее ускополосностью. Данный принцип включает две компоненты - предыскажение амплитуды сигнала на выходе передатчика и коррекцию амплитудно-частотной характеристики цепи устройство согласования - антенна. Первая компонента защишена патентом Continental Electronics US-8355480, вторая - патентами US-9571132 и US-10205219 (см. по ссылкам внизу страницы).

VLF радиостанция с предкоррекцией по патенту US-8355480

Рис.5.8. VLF радиостанция с предкоррекцией сигнала передатчика по патенту US-8355480

желтым цветом выделены элементы базовой модификации, красным - дополнительные элементы усовершенствованной модификации

 

Схема VLF радиостанции с предкоррекцией сигнала передатчика приведена на рис.5.8. В данной схеме MSK модулятор 12, в отличие от классических схем VLF передатчиков, выдает частотно-модулированный сигнал не на частоте несущей, а в некоем базовом частотном формате (baseband). Предкорректор 22 вносит в данный сигнал необходимые амплитудные предыскажения, компенсирующие его потери и искажения в узкополосной антенне. В соответствии с частотой и амплитудой огибающей данного сигнала передатчик 14 осуществляет частотную манипуляцию сигнала генератора несущей 16 и модулирует частотно-манипулированный сигнал по амплитуде, для чего может использоваться либо стандартная схема амплитудной модуляции в классе D, либо фазовая модуляция сигналов двух идентичных усилителей класса D с последующим их суммированием на выходном фильтре (рис.5.9).

VLF передатчик с предкоррекцией сигнала по патенту US-8355480

Рис.5.9. VLF передатчик с предкоррекцией сигнала по патенту US-8355480

 

Для учета сезонных, погодных и временнЫх вариаций параметров антенны и антенно-фидерного тракта может быть предусмотрена подстройка передаточной характеристики предкорректора по минимуму среднекваратичного отклонения величины антенного тока от заданных значений, что обеспечивается введением элементов самонастройки, выделенных на схеме рис.5.8 красным цветом.

Рассмотренная схема в бвзовом варианте обеспечивает минимум двукратное повышение скорости передачи данных по сравнению с описанной в п.5.4 схемой динамической настройки антенны, т.е. до 400 бод, а в усовершенствованном варианте с минимизацией среднеквадратичной ошибки до 600 бод. Дальнейший рост скорости ограничен растущими перегрузками по напряжению в выходных каскадах передатчика и на элементах антенны и антенно-фидерного тракта, поскольку коррекция сигнала достигается закачкой в антенну избыточной мощности.

Дополнительный рост скорости передачи данных до 600 бод для базового и до 800 бод для усовершенствованного вариантов передатчика с предкоррекцией сигнала может быть достигнут согласно патентам US-9571132 и US-10205219 Continental Electronics Corp. путем формирования АЧХ антенно-фидерного тракта минимум с двумя резонансами, расстояние между которыми равно интервалу между частотами манипуляции, а средняя частота равна частоте несущей (рис.5.10).

семейство АЧХ цепи устройство согласования - VLF антенна по патентам US-9571132 и US-10205219

Рис.5.10. Семейство АЧХ цепи устройство согласования - VLF антенна по патентам US-9571132 и US-10205219

 

Такая характеристика ы определенной степени идентична динамической настройке антенны, так как обеспечивает резонанс на каждой из частот манипуляции. Ее реализация обеспечивается с помощью соответствующего конфигурирования и настройки устройства согласования антенны, основу которо составляет индуктивный трансформатор импедансов (рис.5.11). Интервал между резонансами определяется величиной индуктивной связи между катушками трансформатора.

примеры схем устройств согласования VLF антенн по патентам US-9571132 и US-10205219

Рис.5.11. Примеры схем устройств согласования VLF антенн по патентам US-9571132 и US-10205219

 

 

5.6. ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ И ИЛЛЮСТРАЦИЙ

1. Jacob M.I., Brauch H.N. Keying VLF Transmitter at High Speed. Electronics, vol 27 (1954), No12.
2. Wolf H.G. High Speed Freqency Shift Keying of LF and VLF Radio Cirquits. Navy Electronic Laboratory, 1957.
3. Gobbel J.T. An Aid for Optimal Design of Antenna System for Very Low Frequency. Naval Postgraduate School, 1967.
4. Planck P.V. Controlled Antenna Reactor for Bandwidth Enhancement (CARBE). RADC TR-74-161 (Jul 1974).
5. Hansen P.M., Middlestead R.W. Bandwidth Efficient Synchronous Tuning (BEST) for Improved VLF/LF Communication. Naval Ocean System Center, 1989.
6. Dual-Frequency Distortion Predictions for the Cutler VLF Array. IEEE Log No. T-AES/39/3/818507, 2003.
7. Патент Westinghouse Electric Corp. US-2989624
8. Патент Westinghouse Electric Corp. US-3319168
9. Патент Megapulse Inc. US-4689803
10. Патент US Navy US-5034697
11. Патент Continental Electronics Corp. US-8355460
12. Патент Continental Electronics Corp. US-9571132
13. Патент Continental Electronics Corp. US-10205219

* * * * * * * * *

 

 

Опубликовано 05.12.2021 Последнее изменение - нет

© Janto 2021 Все права защищены