DE3402220C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art zur Anpassung einer komplexen Lastimpedanz an eine reelle Anschlußimpedanz. Ein solches Ver­ fahren ist bereits aus der DE 30 07 554 A1 bekannt.

Ein häufiger Einsatzfall solcher Impedanzanpassungen ist die Anpassung einer Antenne an ein Sende- oder Empfangsgerät. Das Gerät hat im allgemeinen eine reelle Anschlußimpedanz R_A, während die Impedanz der Antenne i.a. komplex und nicht als für alle Situationen konstant anzusehen ist, da unter Umständen ver­ schiedene Antennen anzuschließen sind, die Antennenimpedanz frequenzabhängig ist und die Umgebung der Antenne deren Impedanz mit beeinflußt.

Für solche Fälle sind Abstimmgeräte in Gebrauch, die z. B. iterativ und/oder mit Hilfe von Rechnern die momentane Impedanz der Antenne auf den reellen Wert der Anschlußimpedanz trans­ formieren. Zur Impedanztransformation enthält z. B. das aus der eingangs genannten DE 30 07 554 A1 bekannte Abstimmgerät z. B. Reaktanzen als Längs- und als Querglieder eines Vierpol-Netz­ werks, die veränderlich einstellbar sind. Die Einstellung der Reaktanzen erfolgt nach Maßgabe des bei jedem Iterationsschritt neu zu messenden Werts des Reflexionsfaktors, des Amplitudenver­ hältnisses und der Phasenbeziehung zwischen vorlaufendem und reflektiertem Signal umfaßt.

In dem Artikel von H. Peschl: "Die Anpassung von Impedanzen (I und II)"; in: Funk-Technik 1980, Nr. 1, Seite W38-W42 bzw. Nr. 2, Seite W69-W71 ist ferner der Fall beschrieben, daß ein komplexer Lastwiderstand unter Zuhilfenahme des an sich bereits bekannten Smith-Diagramms an einen Generator mit rein ohmschem Innenwider­ stand angepaßt werden soll. Darüber hinaus ist diesem Artikel zu entnehmen, daß die Frequenzabhängigkeit einer Anpaßschaltung um so geringer ist, je kürzer der (z. B. mit Hilfe des Smith-Dia­ gramms ermittelte) Transformationsweg ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein derartiges Ver­ fahren zur Impedanzanpassung anzugeben, das mit möglichst ge­ ringem Aufwand eine schnelle und genaue Einstellung der Trans­ formationsglieder ermöglicht.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteran­ sprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter­ bildungen der Erfindung.

Die Lastimpedanz einer zum Anschluß an ein Sendegerät vorge­ sehenen Antenne ist ihrem Realteil nach häufig größer als die reelle Anschlußimpedanz des Geräts. Gemäß einem ersten Merkmal der Erfindung wird daher für die Anschlußimpedanz ein Wert gewählt, der kleiner ist als alle in normalem Betrieb zu erwartenden Lastimpedanzen hinsichtlich deren Realteil (für Fälle, in denen diese Maßnahme nicht möglich oder wünschenswert ist, erfolgt die Abstimmung gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens). Die Phasenmessung erfolgt gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung nur innerhalb eines Bereichs von 180° eindeutig. Dies erlaubt einen einfachen, platz- und kostensparenden Aufbau des Phasendetektors. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung wird die Phase zwischen vorlaufendem und rücklaufendem Signal so gemessen, daß die in einer Richtkoppleranordnung ausgekoppelten Signale in Spannungskomparatoren mit niedriger Ansprechschwelle in Rechteckform gebracht und danach in einem analogen Mischer miteinander multipliziert werden. Aus dem Ausgangssignal des Mischers wird der Gleichspannungsanteil ausgefiltert, dessen Amplitude direkt proportional der gesuchten Phasen­ differenz ist. Die Einschränkung auf einen Eindeutigkeits­ bereich von 180° bedeutet für das erfindungsgemäße Ver­ fahren keinerlei Nachteil. Das Vorgehen nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren ist frequenzunabhängig.

Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch veranschaulicht. Dabei zeigt

Fig. 1 den Verlauf der Abstimmung gemäß der Erfindung in einem Smith-Diagramm,

Fig. 2 den Verlauf der Abstimmung gemäß einer Weiter­ bildung der Erfindung in einem Smith-Diagramm,

Fig. 3 ein Impedanztransformationsnetzwerk mit schalt­ baren Reaktanzen.

Die möglichen komplexen Werte einer Lastimpedanz Z_L, deren Realteil größer ist als die reelle Anschlußimpedanz R_A liegen alle innerhalb des in Fig. 1 schraffierten Kreises, der durch die Abszissenpunkte R_A und ∞ geht und dessen Berandung die Ortskurve konstanten Impedanzrealteils ist.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Impedanztransformations­ schaltung sind lastseitig veränderbare Reaktanzen erster Art als stufenweise zuschaltbare Kapazitäten in Quer­ gliedern des Transformationsvierpols angeordnet. Als Längsglieder sind Induktivitäten angeordnet, die gleich­ falls stufenweise zugeschaltet werden können.

In den ersten Verfahrensschritten wird die Gesamtkapazität der zugeschalteten Querglieder schrittweise erhöht, bis der Realteil der an der Geräteanschlußseite des Vierpols gemessenen Impedanz gleich der reellen Anschlußimpedanz R_A ist. Hierzu wird nach jedem Einstellungsschritt der Reflexionsfaktor nach Betrag und Phase gemessen und durch Vergleich mit einer gespeicherten Zuordnungsvorschrift von Betrag und Phase für den angestrebten Realteil entschie­ den, ob der in diesem Sinne richtige Kapazitätswert ein­ gestellt oder ein weiterer Erhöhungsschritt notwendig ist. Unter Umständen kann bei großer Schrittweite auch eine Reduktion des zuletzt eingestellten Kapazitätswerts um eine kleinere Schrittweite erforderlich sein, was sich aus der im Einzelfall angewandten Suchstrategie und den damit verbundenen Schrittweiten ergibt. Die genannte gespeicher­ te Zuordnungsvorschrift, die bevorzugt in tabellarischer Form vorliegt, entspricht dem in Fig. 1 als durchgezogene Linie gezeichneten Halbkreis.

Nach Erreichen des gewünschten Impedanzrealteils bleibt die Einstellung der kapazitiven Querglieder unverändert und die induktiven Längsglieder werden schrittweise zuge­ schaltet, bis der Betrag des Reflexionsfaktors ein Minimum erreicht. Für diese Schritte ist die Messung des Phasenan­ teils des Reflexionsfaktors überflüssig, was eine weitere Vereinfachung bedeutet. Während der Anpassung gemäß der vorliegenden Erfindung wandert der Wert der transformierten Lastimpedanz auf der in Fig. 1 gestrichelt eingezeichneten Linie. Für die Korrektur einer nach Ein­ stellung des Betragsminimums eventuell noch vorhandenen Fehlanpassung ist auch die Messung der Phase des Reflex­ ionsfaktors mit 180° Eindeutigkeit ausreichend für die Entscheidung, ob ein Kapazitätsinkrement zu- oder abge­ schaltet werden soll.

Anhand der Fig. 2 soll die Weiterbildung der Erfindung veranschaulicht werden, die für den Fall, daß im normalen Betrieb auch Lastimpedanzen mit einem Realteil kleiner als die Anschlußimpedanz zugelassen sind, vorgesehen ist. Hierzu ist das Smith Diagramm in einen schraffierten und einen nicht schraffierten Bereich eingeteilt, die bezüg­ lich des im Mittelpunkt des Diagramms gelegenen Punkt für die reelle Anschlußimpedanz punktsymmetrisch sind und im Diagramminnern gegeneinander abgegrenzt sind durch einen Halbkreis mit konstantem Realteil der Impedanz und einem weiteren Halbkreis mit konstantem Realteil des Leitwerts. Je nach Lage der nicht transformierten Lastimpedanz in dem einen oder dem anderen Bereich erfolgt die Abstimmung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in der beschriebenen oder einer aus dieser leicht ableitbaren äquivalenten Form.

In einem ersten Schritt wird gemäß der Weiterbildung der Erfindung die Phase des Reflexionsfaktors und damit die Lage der Lastimpedanz im Diagramm mit einer innerhalb 360° eindeutigen Genauigkeit bestimmt. Hierzu sind zu der 180° eindeutigen Messung eine oder maximal zwei weitere Mes­ sungen mit Veränderung einer Quergliedkapazität bzw. einer Längsgliedinduktivität erforderlich. Aus dem Vergleich von zwei, maximal drei Meßwerten für Betrag und Phase ergibt sich auf einfache Weise aus dem Vorzeichen der Änderungen der eindeutige gesuchte Wert für die Lastimpedanz bzw. den Reflexionsfaktor. Fällt dieser Wert in den schraffierten Teiel des Diagramms, so wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in der beschriebenen Form abgestimmt, bis der Impedanzrealteil den angestrebten Wert erreicht bei kapazitivem Impedanzimaginärteil.

Fällt der Wert in den nichtschraffierten Diagrammbereich, so erfolgt die Abstimmung nach einem leicht modifizierten, in den Grundzügen jedoch gleichen Verfahren, das als Weiterbildung der Erfindung im folgenden beschrieben ist.

Gegenüber dem erstbeschriebenen Verfahren wird die schal­ tungstechnische Reihenfolge von Längsgliedern und Quer­ gliedern in dem Transformationsvierpol in Fig. 3 ver­ tauscht durch einfaches Umschalten dem Schaltmittels M aus der Stellung I in die Stellung II. Dementsprechend wird auch die Reihenfolge der Verfahrensschritte umgekehrt und zuerst der Wert der in den Signalweg geschalteten induk­ tiven Längsglieder schrittweise verändert unter ständiger Neubestimmung des Reflexionsfaktors nach Betrag und Phase, letztere wiederum nur mit einer Eindeutigkeit innerhalb 180°. Diese schrittweise Veränderung der Längsglieder wird solange fortgesetzt, bis der Realteil des transformierten Lastleitwerts an den reellen Anschlußleitwert (1/R_A) angeglichen ist bei induktivem Imaginärteil des Leitwerts. Die hierfür maßgebende Ortskurve für konstanten und dem Anschlußleitwert gleichen Realteil des Leitwerts ist der mit L bezeichnete Halbkreis in Fig. 2, dessen Verlauf wiederum bevorzugterweise in tabellarischer Form für den Vergleich mit gemessenen Werten gespeichert ist.

Nach Angleich des Realteils des transformierten Lastleit­ werts an den reellen Anschlußleitwert bleiben die induk­ tiven Längsglieder unverändert und die kapazitiven Quer­ glieder werden schrittweise zugeschaltet, bis der Betrag des Reflexionsfaktors ein Minimum durchläuft. Hierbei erübrigt sich in zum erstbeschriebenen Verfahren äqui­ valenter Weise die Bestimmung der Phase des Reflexions­ faktors.

Wesentlich ist die einfache Folge der einzelnen Ver­ fahrensschritte, welche eine unkomplizierte Steuerung des Abstimmvorgangs ermöglicht, und die einfache Ableitung des jeweils nächsten Verfahrensschritts aus den nach jedem Abstimmschritt neu bestimmten Meßwerten, was auch die Anwendung eines auf einen Eindeutigkeitsbereich von 180° beschränkten Phasendetektionsverfahrens erlaubt. Eine derartige Phasenbestimmung ergibt bei der im Patentan­ spruch 3 beschriebenen Ausführung einen linearen Zusammen­ hang zwischen dem Ausgangssignal des Detektors und der zu bestimmenden Phasendifferenz und eine hohe Genauigkeit des Ergebnisses, wobei der Aufwand wesentlich geringer ge­ halten werden kann als bei Phasenbestimmungsverfahren mit einem innerhalb 360° eindeutigen Ergebnis gleicher Ge­ nauigkeit.

Äquivalente Anordnungen können Kapazitäten und Induktivi­ täten in Quer- und Längsgliedern vertauscht vorsehen, wobei dann entsprechend die Vergleichstabellen auf gegen­ über den beschriebenen Fällen an der Abszisse gespiegelte Kurven konstanter Realteile von Impedanz bzw. Leitwert abzustimmen sind.

Claims (3)

1. Verfahren zur Anpassung einer komplexen Lastimpedanz an eine reelle Anschlußimpedanz mittels eines Abstimmgeräts mit veränder­ baren Reaktanzen erster Art als Quergliedern und veränderbaren Reaktanzen zweiter Art als Längsgliedern und Mitteln zur Be­ stimmung der Fehlanpassung durch Ermittlung des komplexen Reflex­ ionsfaktors nach Betrag und Phase, bei welchem Verfahren die Einstellung der Reaktanzen erster und zweiter Art iterativ erfolgt nach Maßgabe des bei jedem Iterationsschritt neu bestimmten Werts des Reflexionsfaktors, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anschlußimpedanz (R_A) kleiner gewählt wird als die Realteile der möglicherweise auftretenden Lastimpedanzen (Z_L),
daß die Phasenmessung nur innerhalb 180° eindeutig erfolgt,
daß zuerst durch Verändern der Querglieder unter stetiger Neubestim­ mung des Reflexionsfaktors nach Betrag und Phase der Realteil der Lastimpedanz an die Anschlußimpedanz angeglichen wird und
daß danach durch Verändern der Längsglieder unter ständiger Neubestimmung nur des Betrags des Reflexionsfaktors dieser auf ein Minimum eingestellt wird,
daß zum Angleich des Realteils der Lastimpedanz an die Anschlußimpedanz die gemessenen Werte des Reflex­ ionsfaktors mit tabellarisch gespeicherten Werten verglichen werden und daß zur Messung des Phasenwertes des Reflexionsfaktors die zu vergleichenden Spannungen mittels Komparatoren in Recht­ eckform gebracht und in einem analogen Mischer miteinander multipliziert werden (Fig. 1).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß der Realteil der Lastimpedanz kleinere Werte als die Anschlußimpedanz annehmen kann, die Phasenmessung zu Beginn auf einen innerhalb 360° eindeutigen Wert erweitert wird und nach Maßgabe des gemessenen Werts entweder die Abstimmung nach dem beschriebenen Verfahren erfolgt oder die schaltungstechnische Reihenfolge von Quergliedern und Längsgliedern durch Umschaltung von Schaltmitteln (M) vertauscht, zuerst durch Veränderung der Längsglieder der Realteil des Lastleitwerts an den Anschlußleit­ wert angeglichen und danach durch Verändern der Querglieder der Betrag des Reflexionsfaktors auf ein Minimum eingestellt wird (Fig. 2).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb 360° eindeutige Phasenmessung durch maximal zwei weitere Messungen mit 180° Eindeutigkeit bei veränderter Ein­ stellung der Querglieder und/oder Längsglieder und Vergleich der Meßwerte erfolgt.