Un prometedor dispositivo alimentador de antena de doble banda para un centro de radio móvil Comunicaciones por radio VHF.
KOSTYCHEV Alexander Nikolaevich,
KRYUCHKOV Igor Borisovich,
PUGACHEV Vladimir Anatolievich.
PROMING DISPOSITIVO ALIMENTADOR DE ANTENA DE DOBLE BANDA PARA CENTRO DE RADIO VHF MÓVIL
Este artículo analiza los principios generales de construcción y las soluciones técnicas de prometedores dispositivos alimentadores de antena (AFD) de doble banda, destinados a centros de radio urbanos o remotos de sistemas móviles de comunicación por radio VHF y que garantizan el funcionamiento independiente simultáneo de varios transceptores en dos rangos de frecuencia dedicados. , convencionalmente designada banda “1”” y rango “2”. Se proporcionan las características técnicas, diseño y funcionamiento del dispositivo, así como de sus componentes.
Los sistemas de comunicación por radio VHF móviles suelen ofrecer la capacidad de funcionar en dos rangos de frecuencia dedicados, y los valores de frecuencia se seleccionan como múltiplos, por ejemplo, los rangos 450 — 470 MHz y 915 — 921 MHz en el estándar del sistema de comunicación troncal TETRA. . En estas condiciones, es recomendable utilizar AFU de doble banda con diagrama circular o de haz estrecho. Los cálculos muestran que el uso de tales AFU proporciona un efecto económico significativo al reducir el costo de fabricación del producto (uno universal en lugar de dos), el costo del trabajo de diseño e instalación y el mantenimiento posterior del producto.
El uso de un dispositivo alimentador de antena (AFD) de doble banda resulta significativamente más rentable en términos técnicos y económicos que el uso de AFU individuales, ya que muchas unidades se combinan y se utilizan simultáneamente en ambos rangos de frecuencia. En particular, sólo existe un conjunto de antenas, que es más ligero y ocupa menos espacio en el soporte que dos antenas para diferentes bandas con características eléctricas similares. Por la misma razón, es recomendable utilizar una AFU de doble banda en los casos en que un determinado centro de radio utilice actualmente equipos de solo uno de los rangos, pero en el futuro se esperan ambos rangos.
Si la red de carreteras es lo suficientemente densa (por ejemplo, en ciudades), cuando el acimut del corresponsal puede ser arbitrario, se requiere radiación (recepción) no direccional y la antena de la estación central AFU debe proporcionar un patrón direccional (DP) en el plano horizontal, casi circular (con uno o más desniveles). La formación de un patrón circular en una AFU multicanal se garantiza mediante el uso de un conjunto de antenas en anillo (CAA), cuyo número de emisores (dentro de un piso) están ubicados uniformemente a lo largo de un círculo de un cierto radio y están excitados por un Circuito de formación de haces (BGC). Como este último, es recomendable utilizar la denominada matriz de Butler (MB), que es un sistema de puentes en cuadratura conectados entre sí mediante cables coaxiales de cierta longitud, que proporcionan los desfases necesarios. En las AFU aquí consideradas, se utilizan como puentes acopladores direccionales (DC) con una atenuación transitoria de 3 dB (en frecuencias de funcionamiento).
Con una densidad insignificante de la red de carreteras, cuando es necesario establecer comunicación en algunas direcciones muy específicas, la radiación (recepción) no direccional resulta excesiva, mientras que el uso de antenas direccionales puede aumentar significativamente la eficiencia debido a la compresión de el patrón de radiación en el plano horizontal, por lo que es posible reducir el número de pisos (con el mismo rango de comunicación), es decir mejorar significativamente el peso y las dimensiones y reducir los costos. En estos casos, es aconsejable utilizar antenas con patrones de sectores conmutables (conmutados), cuya totalidad cubre todas las direcciones (azimutes), ya que esto hace que las AFU sean más universales (en comparación con las AFU con un patrón direccional fijo, por ejemplo, en zonas con intersecciones de carreteras), capaz de adaptarse a la situación.
En este artículo consideraremos brevemente los principales problemas que hay que resolver a la hora de crear una AFU multicanal de doble banda. con un patrón circular.
Como muestran los cálculos, la irregularidad del patrón circular de una nave espacial con matriz de Butler aumenta a medida que aumenta el radio de la nave y el número de emisores. Cabe señalar aquí que el radio del KAR está limitado por el acoplamiento mutuo entre los emisores, que se manifiesta en la dependencia de la resistencia de entrada de los emisores de su número. Si los radios del radar son demasiado pequeños, las pérdidas de potencia debido a la falta de coincidencia de los emisores aumentan significativamente.
Esto complica significativamente la creación de una AFU de doble banda con un patrón circular en el plano horizontal, ya que el radio eléctrico de la AFU en diferentes rangos cambia aproximadamente dos veces (en este caso), lo que conduce a una contradicción entre la necesidad de minimizar mutua acoplamiento entre emisores en el rango “1” y proporcionando un patrón con un pequeño desnivel (para un número suficiente de entradas de la matriz de Butler) en el rango “2”.
Al pasar del rango “1” al rango “2”, la distancia eléctrica entre el vibrador y el soporte (reflector) aproximadamente se duplica, lo que afecta el patrón en el plano vertical y la impedancia de entrada. Un aumento en esta distancia (de 1/4 o más, l es la longitud de onda) causa distorsión del patrón, lo que conduce a una disminución en la eficiencia, una disminución (de 1/4 o menos) conduce a un aumento en el componente reactivo de la resistencia de entrada, lo que dificulta la coincidencia. Así, surge una contradicción entre la coincidencia en el rango 1” y la formación de patrones en el plano vertical en el rango “2”.
El uso de un MB de doble banda en AFU con patrones circulares en lugar de dos para cada gama es mucho más rentable desde el punto de vista técnico y económico. Sin embargo, crear una MB de este tipo plantea un serio desafío. El uso de desfasadores con una dependencia no lineal de la frecuencia del desfase basados en circuitos de desfase complejos complica y aumenta significativamente el coste del MB, reduce la fiabilidad, por lo que no permite obtener ninguna ventaja en comparación con dos matrices de banda única. . Los MB con desfasadores en forma de segmentos de cable de cierta longitud no presentan estos inconvenientes. Sin embargo, la dependencia lineal de la frecuencia de tales desfasadores conduce a una distorsión de las distribuciones de fase, lo que, a su vez, provoca una distorsión del patrón en el plano horizontal, lo que va acompañado de un aumento de su desigualdad. En este caso, es necesario asegurar un margen para la irregularidad del patrón en el plano horizontal del radar cuando se excita con distribuciones de fase nominales.
Así, el desarrollo de un ADF multicanal de doble banda con patrón circular en el plano horizontal es una tarea muy compleja, en la que es necesario resolver una serie de problemas a la hora de optimizar la antena junto con el soporte (en el caso de un AFU con patrones circulares, también junto con la matriz de Butler). Cabe señalar que el “calado” del soporte (en los rangos considerados “un soporte sólido opaco es inaceptable por razones de masa, cargas de viento y hielo) es una cualidad útil, ya que proporciona un número significativo de parámetros variables (la posición relativa de las estructuras metálicas del soporte, eventuales elementos pasivos y vibradores activos, la densidad de la red de conductores que forman el reflector, las dimensiones longitudinales y transversales de los conductores, etc.), mientras que en el caso de un soporte sólido habría que limitarse a cambiar su tamaño y forma.
A la hora de resolver un problema de optimización es necesario tener en cuenta las amplitudes y fases de las corrientes inducidas sobre estructuras metálicas y elementos pasivos, así como el acoplamiento mutuo entre emisores. Esto hace necesario el uso de métodos de análisis electrodinámico. En este caso, el cálculo de las características direccionales de los conjuntos de antenas se realizó sobre la base de una solución preliminar al problema electrodinámico de la distribución de corriente a lo largo de los conductores (los conjuntos son sistemas de conductores lineales).
A continuación consideraremos un desarrollo nacional específico: la pirámide AFU, que es un dispositivo estacionario de seis entradas que proporciona operación independiente simultánea de seis transmisores y seis receptores por antena con un patrón circular en el plano horizontal con un desnivel de ± 3 dB y con un acimut. -directividad promediada (relativa al vibrador de media onda) KAR de al menos 8 dB en el rango “1” y 8,5 dB en el rango “2”. AFU Pyramid permite la conexión a cada una de las entradas de transmisión (salidas de recepción) del transmisor (receptor) de cualquiera de los rangos utilizados (“1” o “2”).
AFU Pyramid El diagrama de bloques se muestra en la Fig. 1. Los componentes principales son un CAR de ocho pisos, que contiene 8 emisores por piso y un dispositivo combinador de transceptores (RTD). KAR está conectado a la UPP a través de ocho alimentadores principales (MF1, MF2, … MF8).
Las entradas KAR son las entradas de los distribuidores de energía PM 1×8 (8 unidades en total; la Fig. 1 muestra solo uno, conectado a MF1). Cada distribuidor distribuye uniformemente la señal de entrada entre sus ocho salidas y proporciona energía a una regla vertical (sección KAR) de ocho emisores (vibradores verticales) ubicados uno encima del otro. La señal del distribuidor a los vibradores se transmite a través de alimentadores reductores. Dentro de una sección, los vibradores de los pisos 2 y 7 se excitan en fase, los vibradores de los pisos 1 y 8 (inferior y superior), con un ligero desfase para eliminar los ceros de interferencia en el patrón en el plano vertical. La distribución de fases dentro del piso la proporciona la UPPP (matriz de Butler). Las amplitudes de excitación de todos los vibradores KAR son iguales.
En el UOPP, la ruta de cada entrada de transmisión (entradas PRD1 & #8230; PRD6) se divide por medio de filtros de separación (SF) en dos rutas: rangos “1” y “2”, en cada uno de los cuales válvulas de ferrita del Se instalan los rangos correspondientes (B-1 — rango “ 1”, B-2 – rango “2”), aumentando el aislamiento entre las entradas al nivel requerido. Directamente en la entrada de cada ruta de transmisión (antes del filtro separador) se instala una sección de medición (IS), que junto con la unidad computacional (CU) forma un medidor BV diseñado para monitorear la coincidencia.
Como circuito de formación de haz se utiliza una matriz Butler MB 7×8-RK de doble banda (7 entradas, ya que se utiliza un divisor de potencia en lugar de uno de los acopladores direccionales de entrada), en la que solo 2 desfasadores (con un desfase nominal de -45°) están sintonizados a la frecuencia promedio entre los rangos 1” y “2” (desfase real: -30° y -60° en frecuencias de transmisión en los rangos “1” y “2”, respectivamente). Los desfasadores restantes están configurados en el rango “2”. Esta preferencia” por este rango se debe al hecho de que en el rango “1” el radio eléctrico del SAR es bastante pequeño, como resultado de lo cual se proporciona un mayor margen para la irregularidad del patrón en el plano horizontal. Los acopladores direccionales en la matriz de Butler están «sobreacoplados» (es decir, con una atenuación transitoria inferior a 3 dB) en la frecuencia promedio entre los rangos 1″ y «2», de modo que en las frecuencias de los rangos utilizados se obtiene una atenuación transitoria de 3 Se proporciona dB, es decir división de igual amplitud de la señal.
El MB utiliza sólo 6 entradas; se conecta una carga de balasto (LB) a la entrada no utilizada. Para conectar receptores se utilizan la segunda y sexta entrada MB para los rangos “1” y “2”, respectivamente. La separación de las rutas de transmisión y recepción se realiza mediante diplexores (filtros de seis polos) D-1 y D-2. Después de pasar por los diplexores, las señales de recepción se amplifican en un amplificador 2×6-RK y se distribuyen uniformemente entre las seis salidas de recepción del PRM1 … PRM6.
La AFU (en las unidades informáticas) proporciona señalización luminosa y sonora para un nivel inaceptablemente bajo de coincidencia de las entradas de transmisión de la UPP. El valor de BPV en el que se activa no es superior a 0,5.
Los emisores y otros elementos del KAR se colocan sobre un soporte, que es un sistema de conductores verticales. Algunos de los conductores (8 unidades) son elementos de soporte de correas, el resto tienen un diseño liviano y realizan solo una «función eléctrica»: forman un reflector de alambre. La conexión horizontal de las cuerdas y la geometría diseñada del soporte se garantizan mediante puntales horizontales; los marcos proporcionan la rigidez mecánica necesaria del soporte mediante tirantes cruciformes. La correa está formada por rejillas de tubos atornillados al nivel de los espaciadores. La conexión de las rejillas se realiza mediante varillas roscadas y se fija con tuercas. Los bastidores de las rejillas inferiores de cinco barriles se eligen con paredes más gruesas que las superiores. Material de las estanterías — aleación de aluminio de alta resistencia, espárragos, tuercas de aleación de aluminio. El marco superior tiene un diseño liviano; en él se fijan los puntales superiores de los cinturones y el pararrayos. Los puntales inferiores de los cinturones y tirantes están unidos al marco inferior; también hay lugares en el marco para sujetarlos al soporte; Los vibradores están unidos a espaciadores (en azimut, en los espacios entre las cuerdas), los distribuidores de energía están unidos en el centro del soporte de las correas.
El radio del KAR a lo largo de la Los ejes de los vibradores son de 1,02 m. La distancia entre pisos (período del conjunto de antenas verticales) es de 1,5 m.
Todos los elementos del soporte, conectados verticalmente, tienen zonas protegidas de pinturas y barnices, asegurando su conexión galvánica. Los vibradores tienen contacto eléctrico con espaciadores, distribuidores de energía y postes de correa. Todos los elementos del cañón de soporte están pintados. El color del revestimiento de las tres secciones superiores y tres inferiores del cañón es naranja.
El vibrador utilizado en esta AFU es resultado de estudios teóricos y experimentales que proporcionaron las características eléctricas requeridas en las bandas de frecuencia de ambos rangos (VSWR no mayor a 1,2 en frecuencias de transmisión y 1,6 en frecuencias de recepción). El vibrador consta de dos brazos en forma de L, cuyas secciones verticales forman una superficie radiante. Los bucles están soldados a las secciones horizontales de los brazos. El conductor de corriente central, que es una placa rectangular de aleación de aluminio, y las secciones horizontales de los brazos forman una línea de tres hilos, que sirve como balun. La fijación de bucles y conductores de corriente se realiza mediante dos aisladores. La cavidad interna del vibrador está cubierta con placas dieléctricas para proteger los elementos portadores de corriente del contacto directo con la precipitación. Para ajustar el vibrador durante su proceso de fabricación se proporcionan placas de sintonización. Después de instalar el vibrador, las placas se fijan rígidamente y no se reorganizan durante el funcionamiento.
En el brazo inferior del vibrador hay un casquillo, que es un elemento estructural y está hecho según las dimensiones de conexión del conector SR-75-202 FV.
Arroz. 1. Diagrama de bloques de una AFU de doble banda con patrón circular
Los alimentadores reductores se fabrican a base de cable RK 75-9-13 y se diferencian únicamente en la longitud. El distribuidor de energía es una bifurcación de la vía coaxial en ocho direcciones, combinada estructuralmente con un transformador de cuatro etapas. El transformador está diseñado para hacer coincidir ocho cargas del distribuidor conectadas en paralelo (impedancias de entrada de los alimentadores reductores) con la impedancia característica del alimentador principal y está fabricado sobre la base de una línea rígida blindada que contiene 4 segmentos conectados en cascada con diferentes impedancias características.
El acoplador direccional (como parte de la matriz Butler) se fabrica en forma de dos líneas de tira en placas de circuito impreso ubicadas en una carcasa común, cerrada por ambos lados con tapas. Las tablas están dispuestas estrictamente paralelas a una distancia fija, que se ajusta con precisión mediante un juego de arandelas. El ajuste de las distancias entre las tapas de la carcasa y los tableros se realiza mediante listones. El divisor de potencia contiene un transformador de dos vías y un divisor. El divisor se implementa sobre un tablero de listones colocado en una carcasa similar a la carcasa NO.
La carga de lastre NB 50-RK se realiza en base a una resistencia R1-3-50 , que, junto con los elementos del circuito correspondiente, se instala en el radiador y se cierra con una tapa.
La válvula es un circulador de ferrita de 3 entradas, con una carga de lastre incorporada conectada a una de las entradas. Las válvulas se utilizan en dos tipos: IV150-17 (rango “1”) y IV150-34 (rango 2”). Las válvulas se instalan dos por radiador.
El filtro separador FR es una conexión en horquilla de filtros de las gamas “1” y “2”. El dispositivo está implementado estructuralmente sobre secciones de cable coaxial. Las conexiones del cableado se realizan en dos placas de circuito impreso. La carcasa FR es similar a la carcasa NO.
Diplexer D-1 es estructuralmente un conjunto de dos NO y dos filtros, combinados en una única estructura rígida mediante un marco y conectados mediante cables. Se instala una carga coincidente en uno de los enchufes NO. El filtro es una placa de circuito impreso ubicada en la carcasa. La carcasa se cierra con tapas. Se instala un elemento capacitivo en la carcasa. Se instala un cortocircuito móvil a través de las ranuras de la cubierta. Dipleser D-2 está diseñado de manera similar.
El amplificador 2×6-RK incluye dos amplificadores (rango “1” y “2”), un dispositivo de control y un divisor. El amplificador de banda «1» consta de un filtro de muesca (sintonizado a la banda de frecuencia de transmisión), un amplificador de alta frecuencia (circuito de transistor de dos etapas) y un divisor (proporciona una distribución uniforme de la potencia de la señal amplificada a seis entradas del receptor y aislamiento entre a ellos). El filtro de muesca se fabrica en secciones de cable coaxial, el divisor se fabrica según un circuito puente en secciones de cable coaxial de un cuarto de onda. El amplificador de rango “2” está diseñado de manera similar. El dispositivo de monitoreo monitorea el consumo actual de los amplificadores y, si se desvía del nivel establecido en ± 30% o más, genera una señal de «EMERGENCIA» (en este caso, el indicador único de «EMERGENCIA» se enciende y el relé se activa , cuyos contactos están conectados al enchufe del control remoto).
El amplificador 2×6-RK se alimenta mediante una fuente de alimentación que proporciona un voltaje estabilizado de +24 V desde dos fuentes de alimentación independientes (principal y de respaldo). Si hay un voltaje de +24 V en el canal principal, no hay voltaje en el estabilizador de respaldo. Cuando falla el voltaje de +24 V en el canal principal, se enciende el estabilizador de respaldo. La fuente de alimentación dispone de un circuito de seguimiento de los fusibles fundidos. Cuando el interruptor de palanca “RED” está activado, los indicadores individuales “~220 V” y “+24 V” de las fuentes principal y de respaldo “~220 V” se iluminan. Si alguna red se corta o el estabilizador falla, el sistema cambia automáticamente a una fuente de alimentación que funcione. La fuente de alimentación está diseñada estructuralmente como monobloque. El panel frontal de la fuente de alimentación incluye: conmutador de RED, indicadores “~220 V” y “+24 V”, portafusibles.
El medidor BV consta de una sección IC de medición y un bloque BV informático. El funcionamiento del medidor BVV se basa en el uso de un método reflectométrico para determinar el BVV mediante los niveles de señal de las ondas incidentes y reflejadas en la sección medida del alimentador. Como sensores de señal para las ondas incidentes y reflejadas en el alimentador medido, se utilizan acopladores direccionales coaxiales de bucle, que se instalan en el IC, donde también hay un circuito electrónico que proporciona la detección de señales de alta frecuencia correspondientes a las ondas incidentes y reflejadas. , y la formación de señales de voltaje constante que se suministran a la entrada del BW . Se genera una señal digital en el BV, que controla un indicador digital en el que se muestra el valor de BV. En ausencia de una onda incidente, también se genera la señal «No Ufall» (que se muestra en un solo indicador), y cuando el indicador muestra los valores de BPV en el rango de 0,01…0,49, señales para dar luz. y alarmas sonoras que indican una situación de emergencia en el camino del alimentador de antena. Para verificar la funcionalidad del BV, se proporciona un modo especial, que se puede activar presionando el botón «CALIBRE». Si el BV funciona correctamente, los indicadores digitales deberían mostrar un valor de 0,75 en este modo. El BV tiene una fuente de alimentación secundaria autónoma con un voltaje de +5 V, -5 V, realizada sobre un transformador y microcircuitos.
Estructuralmente, la UOPP es un stand y un conjunto de secciones instaladas en el stand. Todas las secciones se instalan en un orden determinado y se conectan entre sí en un bastidor (gabinete). Los lados, la parte superior y la parte trasera del stand están cubiertos con paredes perforadas. El stand se cierra con paredes a lo largo del contorno. Dentro del soporte en el marco hay una abrazadera protectora de conexión a tierra 3B-S-6×30 GOST 21130-75.
La AFU de doble banda se puede colocar tanto en mástiles urbanos como remotos Centros de radio VHF y en los tejados de edificios de gran altura.
En la figura se muestra una opción aproximada para colocar una AFU en un mástil central de radio. 2.
Fig. . 2. Opción para colocar una AFU en el mástil de un centro de radio
La AFU especificada se instaló en una de las instalaciones en 1998 y se está instalando con éxito. operado hasta el día de hoy.