FR2568069A1 - Circuit d'adaptation automatique d'impedance et equipement a radiofrequence comportant un tel circuit - Google Patents

Abstract

UN CIRCUIT D'ADAPTATION D'IMPEDANCE, INTERCALE ENTRE UN EMETTEUR OU UN RECEPTEUR 1 ET UNE ANTENNE, COMPORTE UN QUADRIPOLE D'ADAPTATION COMPRENANT NOTAMMENT UN ELEMENT SERIE 11 VARIABLE, ET UN CIRCUIT DE DETECTION COMPRENANT NOTAMMENT UN DISCRIMINATEUR D'IMPEDANCE 18 QUE L'ON DESEQUILIBRE, POUR PALLIER UN RISQUE DE DIVERGENCE EN PLACANT UNE RESISTANCE 21 DE VALEUR R ET UNE RESISTANCE 23 DE VALEUR KR, R ETANT LA VALEUR DE LA RESISTANCE DE SORTIE DE L'EMETTEUR OU DU RECEPTEUR 1 ET K ETANT LE FACTEUR DE DESEQUILIBRE. L'INVENTION S'APPLIQUE AUX EQUIPEMENTS DE TRANSMISSION A RADIOFREQUENCE VARIABLE.

Description

L'invention concerne un circuit d'adaptation automatique d'im- pédance et plus particulièrement une amélioration des circuits de mesure utilisés pour la commande d'un circuit d'adaptation d'impédance entre un émetteur ou un récepteur et une antenne associée.

Un circuit d'adaptation d'impédance a pour but de transformer l'impédance de l'antenne Ra + j.Xa à la fréquence F en une impédance de sortie de l'émetteur ou du récepteur, ou impédance carac téristique du câble de sortie, qui est généralement une résistance R.

Les valeurs Ra et Xa étant fonction de la fréquence, il faut modifier les caractéristiques du circuit d'adaptation d'impédance pour chaque nouvelle fréquence.

Pour des raisons de facilité d'emploi, on utilise une chaîne de régulation capable d'effectuer automatiquement ces réglages.

Ces réglages portent sur deux paramètres puisqu'il s'agit de transformer une impédance Ra + j.Xa en une résistance R.

La chaîne de régulation entre le récepteur ou émetteur I et l'antenne 2 comprend classiquement (voir Fig. l) un quadripôle 3 comportant au moins deux éléments variables, un circuit de mesure 4 élaborant deux grandeurs linéairement indépendantes, des circuits de comparaison 5 permettant de comparer les grandeurs mesurées aux grandeurs de consigne 6 et un circuit de commande 7 permettant d'élaborer la commande des éléments variables en fonction des résultats de la comparaison.

Lorsque la valeur Ra de l'antenne est inférieure à R, on uti lise comme quadripôle un circuit en L, et lorsque la valeur Ra de l'antenne est supérieure à R, on utilise comme quadripôle un circuit en L inversé.

A la figure 2, on a représenté un exemple particulier de réalisation classique d'un circuit d'adaptation d'impédance 8, qui correspond au cas où Ra est inférieur à R.

Ce circuit d'adaptation d'impédance 8 est situé entre l'é- metteur 1 et l'antenne 2, qui est représentée par deux éléments en série, une résistance 9 de valeur Ra et un élément 10 de valeur Xa qui est une self si Xa est positif et une capacité si
Xa est négatif.

Ce circuit 8 comporte comme quadripôle un circuit en L constitué par un élément série qui est une self 11 variable de valeur
Xs et qui relié d'un côté à l'émetteur 1 et de l'autre à l'antenne 2, et par un élément parallèle qui est une capacité 12 variable de valeur Bp et qui est relié d'une part à la masse et d'autre part à l'élément série 11 du côté relié à l'émetteur 1.

Ce circuit 8 comporte comme circuit de mesure, premièrement un phasemètre 13 qui mesure la phase entre la tension V et le courant I sur la liaison 14 entre l'émetteur 1 et le quadripôle constitué par 11 et 12, deuxièmement un impédancemètre 15 qui compare les modules de V et I.

Dans cette réalisation, la comparaison avec une grandeur de consigne est obtenue par réglage des détecteurs à zéro pour une phase nulle pour le phasemètre et pour l'égalité I-VI 141 entre module de V et module de I pour l'impédancemètre.

Ce circuit 8 comporte comme circuit de commande un premier amplificateur 16 dont l'entrée est reliée à la sortie du phasemètre 13 et dont la sortie est reliée à la commande de l'asservissement qui permet de faire varier la valeur Bp de la capacité 12, et un second amplificateur 17 dont l'entrée est reliée à la sortie de l'impédancemètre 15 et dont la sortie est reliée à la commande de l'asservissement qui permet de faire varier la valeur Xs de la self 11.

De tels dispositifs permettent d'obtenir l'accord moyennant des précautions, en particulier l'éviction des termes dus aux perturbations dans les mesures effectuées par les détecteurs mais dans certains cas critiques, de tels dispositifs nécessitent l'utilisation d'asservissements à dépassement nul qui sont difficiles à réaliser.

Dans un premier temps, on met en évidence le problème posé par ces cas critiques, dans le cas de l'exemple représenté à la figure 2.

On peut montrer dans cet exemple que l'accord est possible, moyennant certaines conditions. Pour qu'il y ait accord, il faut d'après le schéma équivalent de la figure 2 que l'impédance Z équivalente a l'antenne et au circuit en L, soit égale à l'impédance d'entrée R, c'est-à-dire
z = Ra + j (Xa + Xs) = R
Bp (Xa + Xs) + jRaBp et si l'on choisit R comme unité d'impédance, ctest-à-dire R = 1, il faut que : Xs = - Xa +
et Bp =
Ra
Si l'on choisit le signe + Bp est une capacité si Ra < l et Xs est une self si Xa
On peut aussi montrer que le processus n'est pas toujours convergent, c'est-à-dire l'accord n'est pas obtenu pour toutes les conditions initiales.

Z - l
Pour le montrer, ôn applique à Z la transformation p = Z + l .

On obtient ainsi la représentation de l'impédance Z dans un plan connu sous le nom d'abaque de Smith et l'on peut interpréter physiquement p comme étant un coefficient de réflexion complexe. Cette abaque, limitée par le cercle de centre 0, l'origine des axes, et de rayon une unité, est représentée a la figure 3.

En remplaçant Z par sa valeur dans l'expression de # , on obtient p = Ra - Bp(Xa +Xs) + j(Xa+Xs-RaBp)
Ra + Bp(Xa+Xs) + j (Xa+Xs+RaBp)
On peut remarquer que si Bp varie, l'égalité précédente est l'équation d'un cercle et que si Bp augmente indéfiniment P tend vers - 1. Donc si Bp varie, le point représentatif de Z sur une abaque de Smith se déplace sur un cercle li centré sur la droite - 1,+ 1 et passant par le point E de coordonnée -1.

On peut aussi remarquer que si Xs varie, l'égalité précédente est l'équation d'un cercle et que si Xs augmente indéfiniment # tend vers Bp + j , cette valeur représente l'admittance Bp,
-Bp + j c' est-à-dire la valeur de la capacité actuellement en service.

Donc si Xs varie, le point représentatif de l'impédance Z sur une abaque de Smith se déplace sur un cercle r tangent au cercle extérieur au point J d'admittance Bp.

On constate alors sur la figure 3 que les commandes de régulation agissent dans le bon sens pour les points tels que A, B ou
C, mais dans un sens opposé pour les points tels que D. il existe alors des méthodes connues pour placer le point Z dans une zone favorable avant de mettre en service la régulation. La figure 3 a été dessinée dans le cas où l'accord est réalisé. Les deux cercles fl et r passent par le point 0.

Cependant dans le cas où Ra devient petit, Bp devient grand, et par conséquent sur la figure 3 le point J serapproche du point E. Le point F, deuxième point où le cercle r coupe la droite A d'équation
Z = 1, se rapproche alors beaucoup du point 0. Le point F est la limite de stabilité. Mais s'il est très près du point 0, un faible déplacement du point d'accord vers le point F et particulièrement un faible dépassement entraîne le point d'accord dans la zone où le système de réglage éloigne de l'accord au lieu de rapprocher.

Un dispositif conforme à l'invention permet l'utilisation d'asservissements usuels tout en évitant la divergence dans certains cas critiques, par remplacement de l'impédancemètre par un détecteur d'impédance en effectuant une modification, simple et sans coût supplémentaire.

Selon une caractéristique de l'invention, le circuit d'adaptation d'impédance entre un émetteur ou récepteur d'impédance R, et l'antenne associée, d'impédance Ra + jXa, comporte un quadripôle d'adaptation, un circuit de détection pour effectuer des mesures sur la tension V et le courant I sur la liaison entre l'é- metteur ou récepteur et le quadripôle, les sorties du circuit de détection étant reliées à des asservissements qui permettent de faire varier les valeurs des éléments du quadripôle et ce circuit de détection comprenant un phasemètre et un discriminateur d'impédance que l'on déséquilibre de façon à lui donner une courbure pour pallier le risque de divergence du circuit d'adaptation.

D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description suivante d'un exemple de réalisation, cette réalisation étant faite en relation avec les dessins ci-annexés dans lesquels
la figure 1 représente schématiquement un circuit classique d'adaptation automatique d'impédance décrit ci-dessus ;
la figure 2 représente de façon détaillée un exemple classique de circuit d'adaptation automatique d'impédance dans le cas où Ra est inférieur à R
la figure 3 représente une abaque de Smith
la figure 4 représente un détecteur d'impédance, conforme à l'invention.

Les éléments identiques sur les figures portent les mêmes références.

La figure 4 représente de façon détaillée un discriminateur d'impédance 18, conforme à l'invention, et que l'on utilise dans un circuit d'adaptation d'impédance, tel que celui représenté à la figure 2, à la place de l'impédancemètre 15.

Ce discriminateur 18 comporte deux transformateurs 19 et 20 identiques de rapport de transformation n, utilisés respectivement comme détecteur de courant I et détecteur de tension V.

Le premier transformateur 19 comporte un tore magnétique qui entoure la liaison 14 et un enroulement autour d'une portion de ce tore, qui est relié d'un premier côté à la masse et d'un second côté à une résistance 21 de valeur R, R étant la valeur de la résistance de sortie de l'émetteur. Le point commun à l'enroulement du transformateur 19 et à la résistance 21 est désigné par la lettre A, l'autre côté de la résistance 21 étant relié à la masse.

Le discriminateur 18 comporte également un mélangeur 22 dont la première entrée est reliée directement au point A et dont la seconde entrée, désignée par la lettre B, est également reliée au point A, mais le tore magnétique du second transformateur 20 entoure la liaison entre les points A et B. L'enroulement du transformateur 20 est relié d'une part à la liaison 14 et d'autre part à la masse. Une résistance 23 de valeur k.R est connectée entre le point B et la masse, k étant le facteur de déséquilibre du discriminateur 18.

Le discriminateur 18 comporte, enfin, un amplificateur 24 qui amplifie le signal de sortie du mélangeur 22 et un filtre passebas, constitué par une résistance 25 connectée à la sortie de l'amplificateur 24 et par un condensateur 26 relié d'une part à la résistance 25 et d'autre part à la masse, le point commun à la résistance 25 et au condensateur 26 constituant la sortie du filtre.

La sortie du détecteur d'impédance qui est la sortie du filtre passe-bas est reliée à la commande de l'asservissement qui permet de faire varier la valeur Xs de l'élément 11.

Dans un second temps, on étudie de quelle façon l'invention pallie oe risque de divergence, sans qu'il soit nécessaire de recourir à des -asservissementsextrêmement précis pour éviter le dépassement.

On peut en effet, éloigner le point F du point O en "donnant une courbure" dans le bon sens au détecteur, c'est-à-dire en tilisant plus la droite(#)d'équation Z = 1 comme limite de discrimination mais en la remplaçant par un cercle bien orienté, centré sur la droite OE et passant par 0.

La réalisation du discriminateur 18 à la figure 4 montre comment "donner une courbure" à un discriminateur et comment régler cette courbure.

A la figure 4 la tension VA développée au point A est égale à
V + k.I k (I-V) n (1+k) et la tension VB développée au point B est égale à n (l+k) où n est le rapport du nombre de tours des transformateurs.

Dans l'abaque de Smith, V + I a pour coordonnées (1, O) et
V - I a pour coordonnées (x, y), coordonnées du point M, par con séquent les coordonnées de V sont (x + 1 , y) et de I (l - x, - y).

2 2 2 2
A la sortie du mélangeur 19, on obtient le produit des signaux
VA et VB et il y a accord lorsque la tension en sortie du mélangeur est nulle. Pour qu'il y ait accord, il faut donc que VA VB = O ou encore V +k.I . k (I - V) = 0, ce qui donne une lois développé
n (l+k) n(l+k) l'équation (1) : x.(1-k) + (1+k).x+y.(1-k) = O et en posant
1 l + k 1 + k a = - + , on obtient : x + y + ( ) = 0
2 l - k 4 l - k
L'équation (1) est donc celle d'un cercle de rayon 1 x l + k
2 l - k
1 l+k et de centre P de coordonnées ( - 2 x 1 k X O).La limite de discrimination est ce cercle et pour que la courbure soit dans le bon sens, dans notre exemple il faut que k soit inférieur à 1, la limite inférieure de k étant fixée par la sensibilité du détecteur.

A la figure 3, on a représenté le cas ou k est égal à 1/2. La référence d'accord est le cercle dont lé centre est le point P de 3 (- 3 coordonnées (~ 2 ; ) et dont le rayon est égal à 2 le point limite est le point F' qui se rapproche moins vite du point O que le point F lorsque Ra devient petit. On pallie donc le risque de divergence, en diminuant le risque de dépassement de la limite puisque cette limite a été repoussée.

En modifiant la valeur de k, on peut donc "régler la courbure" du détecteur à volonté de façon très simple et sans coût supplémentaire puisqu'il suffit de remplacer une résistance par une autre.

Ce procédé présente cependant l'inconvénient que la tension disponible en B est affectée par le facteur k, et à la limite si k est égal à 0, cette tension est nulle. Le facteur k ne peut donc pas être trop petit.

Mais tout système réalisant la fonction (V-I).(V+k.I)répond au problème et si on veut un k très petit on peut toujours régler ce problème à l'aide d'un transformateur supplémentaire, qui permet de réaliser la fonction V-I.

Dans le cas où Ra est superieur R un discriminateur d'irpé- dance analogue est utilisé dans le circuit d'adaptation automamatique d'impédance, mais dans ce cas, il y a risque de divergence lorsque Ra devient très grand et l'on pallie ce risque en utilisant des valeurs de k supérieures à 1.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Circuit d'adaptation automatique d'impédance entre un émetteur ou un récepteur (1), d'impédance R, et une antenne (2) associée, d'impédance Ra + jXa, comportant un quadripôle (3) et un circuit de détection (4) pour effectuer des mesures sur la tension V et le courant I sur la liaison (14) entre l'émetteur et le quadripôle (3), les sorties de ce circuit de détection (4) étant reliées à des asservissements qui permettent de faire varier les valeurs des éléments du quadripôle (3), caractérisé en ce que ce circuit de détection (4) comprend un détecteur de phase (13) et un détecteur d'impédance (18) que l'on déséquilibre de façon à lui donner une courbure pour pallier le risque de divergence du circuit d'adaptation et en ce que l'on utilise des asservissements de précision usuelle.

2. Circuit d'adaptation automatique d'impédance selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur d'impédance (18) est constitué par - un premier transformateur (19) dont le tore magnétique entoure

la liaison (14) entre l'émetteur ou le récepteur et le quadri

pôle et dont l'enroulement autour du tore est relié d'un premier

côté à la masse, - une première résistance (21) de valeur R égale à la résistance de

sortie de I'émetteur;;ou du récepteur dont un côté est relié à

la masse et dont l'autre est relié au second côté (A) de l'en

roulement du premier transformateur, - un mélangeur (22) dont une première entrée est reliée directement

à la première résistance du côté (A) reliée à l'enroulement du

premier transformateur, - un second transformateur (20) identique au premier dont l'enrou-

lement est relié d'un premier côté à la masse et de l'autre à

la liaison (14) entre émetteur ou récepteur et quadripôle, et

dont le tore entoure une lais on qui relie le second côté (A) de

l'enroulement du premier transformateur et la seconde entrée du

mélangeur (B), - une deuxième résistance (23) de valeur kR, dont un côté est relié

à la masse et dont l'autre côté est relié à la seconde entrée (B)

du mélangeur, k étant le facteur de déséquilibre du détecteur, - un amplificateur (24) dont l'entrée est reliée à la sortie du

mélangeur, - un filtre passe-bas constitué par une troisième résistance (25)

et un condensateur (26), un côté de la résistance étant relié à

la sortie de l'amplificateur, l'autre côté étant relié à un côté

du condensateur dont l'autre côté est relié à la masse, et le

point commun à cette troisième résistance et au condensateur

constituant la sortie du détecteur d'impédance (18).

3. Circuit d'adaptation automatique d'impédance selon la revendication 2, Ra étant inférieur à R, caractérisé en ce que le quadripôle d'adaptation est un circuit en L, en ce que la sortie du détecteur de phase est reliée à la commande de l'asservissement qui correspond à l'élément parallèle (12), en ce que la sortie du détecteur d'impédance (18) est reliée à la commande de l'asservissement qui correspond à l'élément série (11) et en ce que k est compris strictement entre O et 1.

4. Circuit d'adaptation automatique d'impédance selon la revendication 2, Ra étant supérieur à R, caractérisé en ce que le circuit d'adaptation est un circuit en L inversé, en ce que la sortie du détecteur de phase est reliée à la commande de l'asservissement qui correspond à l'élément parallèle, en ce que la sortie du détecteur d'impédance est reliée à la commande de l'asservissement qui correspond à l'élément série et en ce que k est strictement supérieur à 1.

5. Equipement à radiofréquence comportant un circuit d'adaptation d'impédance selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.