吳其山,管耀武,王 磊,廖志強(qiáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第30研究所,四川成都610041)

一種短波矢量天調(diào)技術(shù)的應(yīng)用*

吳其山,管耀武,王 磊,廖志強(qiáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第30研究所,四川成都610041)

從短波矢量天調(diào)的特點(diǎn)入手,闡述短波矢量天調(diào)的組成部分,重點(diǎn)針對(duì)“矢量阻抗”檢測(cè)電路和“矢量調(diào)諧”兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行闡述。文中給出了一種微功率矢量阻抗檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)方法和工作原理,闡述了匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及可調(diào)諧區(qū)域的劃分,給出調(diào)諧元件的組合方式,最后闡述了矢量天調(diào)的粗調(diào)、細(xì)調(diào)的調(diào)諧過(guò)程。并與傳統(tǒng)天調(diào)對(duì)比,具有調(diào)諧速度快、調(diào)諧功率低、不可調(diào)諧點(diǎn)數(shù)少的特點(diǎn),驗(yàn)證了此項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)以及可行性。

短波電臺(tái) 阻抗檢測(cè) 天線調(diào)諧器 匹配網(wǎng)絡(luò) 直接數(shù)字頻率合成

0 引 言

傳統(tǒng)的短波天調(diào)一般有兩種,一種是單線式天調(diào)。一種是雙線式天調(diào)。通過(guò)串口通信協(xié)議交互阻抗信息及供電。達(dá)到調(diào)諧、控制的目的。

短波矢量天線調(diào)諧器采用全新的“矢量阻抗”檢測(cè)電路和“矢量調(diào)諧”算法,具有調(diào)諧精度高、調(diào)諧時(shí)間短等特點(diǎn)。為短波電臺(tái)[1]與天線[2]之間提供良好的匹配網(wǎng)絡(luò)。

文中針對(duì)“矢量阻抗”檢測(cè)電路和“矢量調(diào)諧”算法兩大矢量天調(diào)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述,并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。

1 矢量天調(diào)的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的短波天線調(diào)諧器只能測(cè)量傳輸線上電壓電流相位差Φ、匹配網(wǎng)絡(luò)輸入端的等效輸入電阻RP和電壓駐波比VSWR[3]。其中VSWR是精確值,Φ和RP都是相對(duì)值。因此,只能采用逐次逼近的調(diào)諧算法去調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò),從而完成阻抗匹配。

與傳統(tǒng)的數(shù)字自動(dòng)天調(diào)技術(shù)相比,矢量天調(diào)用能夠準(zhǔn)確檢測(cè)天線阻抗的矢量阻抗[3]檢測(cè)電路替代了只能檢測(cè)相對(duì)相位φ和電阻R的數(shù)字阻抗檢測(cè)電路;其次,矢量天調(diào)用匹配圓法替代數(shù)字天調(diào)的對(duì)分搜索法提高了天調(diào)的調(diào)諧精度和調(diào)諧速度。因此,矢量天調(diào)具有以下特點(diǎn):

1)阻抗測(cè)量的方法不一樣,矢量阻抗測(cè)量模塊能精確檢測(cè)天線阻抗.

2)由于DSP具有強(qiáng)大數(shù)字信號(hào)處理能力,天線調(diào)諧器可以直接計(jì)算天線阻抗的精確值。

3)由于DSP技術(shù)和測(cè)量新技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了微功率下天線阻抗的測(cè)量,解決了以往測(cè)量時(shí)功率較大的困難,從而大大降低了天線調(diào)諧器的調(diào)諧功率,達(dá)到了微功率調(diào)諧的要求。

4)獲得精確的天線阻抗后,在調(diào)諧時(shí)就可以根據(jù)天線阻抗的精確值去調(diào)整實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)參數(shù),可以調(diào)高調(diào)諧速度。

2 矢量天調(diào)組成

短波天調(diào)包括:檢測(cè)單元、匹配單元和控制單元。圖1示出矢量天調(diào)的組成框圖。

圖1 矢量天調(diào)系統(tǒng)組成框Fig.1 Composition of vector antenna tuner

矢量天調(diào)檢測(cè)單元由VSWR電壓駐波比檢測(cè)模塊、矢量阻抗檢測(cè)模塊組成;匹配單元由LC調(diào)諧匹配模塊和繼電器驅(qū)動(dòng)電路責(zé)成;控制單元由DSP模塊和通信模塊組成。

切換開(kāi)關(guān)主要用于檢測(cè)狀態(tài)和工作狀態(tài)的切換。VSWR電壓駐波比檢測(cè)模塊在工作狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)時(shí)電壓駐波比監(jiān)控。矢量阻抗測(cè)量模塊在檢測(cè)狀態(tài)下進(jìn)行天線阻抗的精確測(cè)量。LC調(diào)諧匹配模塊是天線和電臺(tái)之間的匹配網(wǎng)絡(luò),繼電器驅(qū)動(dòng)電路是LC調(diào)諧匹配模塊的控制電路。DSP模塊用于阻抗等的計(jì)算和控制,而通信模塊是DSP和電臺(tái)之間的接口電路。

3 矢量天調(diào)的調(diào)諧過(guò)程

矢量天調(diào)的調(diào)諧過(guò)程包括以下4個(gè)步驟:

1)初始化工作時(shí),系統(tǒng)的切換開(kāi)關(guān)將短波天線直接接入矢量阻抗測(cè)量模塊,同時(shí)LC調(diào)諧匹配模塊直通到天線。

2)矢量阻抗測(cè)量模塊工作,對(duì)短波天線進(jìn)行1～30 MHz全頻段測(cè)量,采集的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)DSP處理器計(jì)算得到天線在整個(gè)短波頻段內(nèi)的精確阻抗數(shù)值,并存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)作為L(zhǎng)C調(diào)諧匹配的計(jì)算參數(shù)。

3)短波電臺(tái)工作時(shí),將發(fā)射、接收工作頻率參數(shù)發(fā)送給矢量天線調(diào)諧系統(tǒng),DSP處理器根據(jù)當(dāng)前的工作頻率和初始化時(shí)在此工作頻率上測(cè)量的天線阻抗數(shù)值,經(jīng)過(guò)計(jì)算和優(yōu)化得到LC調(diào)諧匹配模塊的最佳值,通過(guò)LC網(wǎng)絡(luò)調(diào)配使短波天線與電臺(tái)高效率匹配。

4)實(shí)時(shí)VSWR電壓駐波比檢測(cè)。系統(tǒng)中有一個(gè)VSWR電壓駐波比檢測(cè)模塊,該模塊對(duì)電臺(tái)和天線的匹配進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控,并將監(jiān)控的VSWR數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳送給電臺(tái);當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到電臺(tái)和天線出現(xiàn)失配時(shí),通過(guò)系統(tǒng)的通信模塊給短波電臺(tái)發(fā)出告警信號(hào),根據(jù)電臺(tái)的指示對(duì)天線重新進(jìn)行測(cè)量和調(diào)諧匹配。

4 矢量天調(diào)工作原理

4.1 矢量阻抗檢測(cè)

矢量阻抗測(cè)量模塊是矢量天調(diào)的核心,其原理框圖如圖2所示。

圖2 阻抗測(cè)量模塊原理框Fig.2 Schematic diagram of impedance measuring module

如圖2所示,阻抗測(cè)量模塊包括:直接數(shù)字頻率合成DDS[4]跳頻信號(hào)源、電壓電流取樣電路、混頻電路和A/D轉(zhuǎn)換電路,而DSP模塊也可以看作矢量阻抗測(cè)量模塊的一個(gè)特殊組成部分。

①當(dāng)天線調(diào)諧器接收到來(lái)在短波發(fā)射機(jī)的調(diào)諧指令和頻率信息時(shí),DSP根據(jù)頻率信息生成調(diào)諧頻率碼和本振頻率碼分別送往DDS1和DDS2;②DDS1根據(jù)調(diào)諧頻率碼產(chǎn)生射頻(RF)信號(hào)送往功放1,經(jīng)放大作為調(diào)諧功率;③DDS2根據(jù)本振頻率碼產(chǎn)生本振(LO)信號(hào)送往功放2,經(jīng)放大送往混頻器1和混頻器2,LO信號(hào)比RF信號(hào)偏8 kHz;④電壓電流取樣電路對(duì)傳輸線路的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行取樣,電壓和電流取樣信號(hào)分別送往混頻器1和混頻器2進(jìn)行混頻,產(chǎn)生8 kHz的中頻(IF)信號(hào);⑤IF信號(hào)分別送往A/D1、A/D2進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;⑥D(zhuǎn)SP根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)計(jì)算出取樣點(diǎn)的矢量阻抗,然后可以根據(jù)傳輸線理論計(jì)算天線阻抗,獲得天線阻抗的實(shí)部和虛部。矢量阻抗的具體計(jì)算步驟如下:

(1)電壓、電流取樣

電壓、電流取樣電路對(duì)在傳輸線路中產(chǎn)生的包含天線阻抗信息的RF信號(hào)進(jìn)行取樣,電壓、電流取樣信號(hào)表示為:

式中,fRF=調(diào)諧頻率。

(2)下變頻

檢測(cè)點(diǎn)電壓取樣和電流取樣分別和檢測(cè)點(diǎn)的電壓和電流同相,通過(guò)混頻器下變頻為8 kHz中頻信號(hào),

(3)采樣

采樣速率為信號(hào)頻率的N倍,既每個(gè)信號(hào)周期采樣N個(gè)點(diǎn)(實(shí)際使用時(shí)采樣速率為64 kHz,每個(gè)信號(hào)周期采樣8個(gè)點(diǎn))。A/D采樣數(shù)字信號(hào)表示為:

(4)矢量阻抗計(jì)算

A/D數(shù)字化后在DSP中進(jìn)行阻抗計(jì)算和匹配參數(shù)計(jì)算。

按照上述算法,求得Uu(n)、Ui(n)的希爾伯特變換u(n)、i(n)。

計(jì)算Uu(n)、Ui(n)的幅值。

根據(jù)三角函數(shù)恒等式的性質(zhì)sin2θ+cos2θ=1,對(duì)Uu(n)和u(n)、Ui(n)和i(n)的平方分別求和,可以得到:

因此,

計(jì)算的Uu(n)、Ui(n)相位

分別求得Uu(n)和u(n)、Ui(n)和i(n)的比值,約去Au、Ai,可以得到:

計(jì)算得到天線阻抗Za:

4.2 匹配網(wǎng)絡(luò)[5]結(jié)構(gòu)及可調(diào)諧區(qū)域

簡(jiǎn)單的Γ型、反Γ型網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率要比T型和∏型網(wǎng)絡(luò)高,但Γ型、反Γ型網(wǎng)絡(luò)的匹配區(qū)域是有限的,而T型和∏型網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)全域匹配(僅僅是理論上,匹配范圍與電抗原件的最值有關(guān)),并可以根據(jù)需要退化為Γ型、反Γ型網(wǎng)絡(luò),增加匹配網(wǎng)絡(luò)的靈活性,因此,大多數(shù)天線調(diào)諧器都采用T型和∏型網(wǎng)絡(luò)。

新型天線調(diào)諧器采用∏型匹配網(wǎng)絡(luò),如圖3所示。

圖3 匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Composition of matching network

L1、C1構(gòu)成的Γ型網(wǎng)絡(luò)為主調(diào)諧網(wǎng)絡(luò),完成精確調(diào)諧的網(wǎng)絡(luò),其能調(diào)諧的區(qū)域稱(chēng)為主調(diào)諧區(qū)域;為了擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)的匹配能力,串聯(lián)了一個(gè)調(diào)諧電容C2;并聯(lián)調(diào)諧電容C3,將網(wǎng)絡(luò)變換成∏形;C2和C3構(gòu)成了副調(diào)諧網(wǎng)絡(luò),完成阻抗區(qū)域變換的網(wǎng)絡(luò),其能變換的區(qū)域稱(chēng)為副調(diào)諧區(qū)域。

圖4 匹配網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍Fig.4 Covering area of matching network

L1、C1、C2和C3分別由一系列離散原件構(gòu)成,調(diào)諧時(shí)通過(guò)控制繼電器來(lái)改變網(wǎng)絡(luò)元件的參數(shù)。其中,L1、C1取值精細(xì),為主調(diào)諧元件,C2和C3為副調(diào)諧元件。調(diào)諧元件的組成如表1所示。

表1 調(diào)諧元件的組合Table 1 Combination of tuning element

C2或C3元件的個(gè)數(shù)越多和取值范圍越大,匹配網(wǎng)絡(luò)越精確高效、可調(diào)諧區(qū)域就越大,但調(diào)諧速度就越慢。因此,根據(jù)待匹配天線的特性阻抗確定C2、C3的元件個(gè)數(shù)和取值范圍,在調(diào)諧質(zhì)量和速度之間做個(gè)折中。

短波天線的阻抗隨頻率變化激烈,天線阻抗的匹配網(wǎng)絡(luò)模型也隨頻率變化而不同,其匹配過(guò)程也有所區(qū)別,大致分為以下3種:

①天線阻抗落入主調(diào)諧區(qū):增加L1使輸入阻抗上升到C1旋轉(zhuǎn)圓,然后增加C1使阻抗旋轉(zhuǎn)到Z0;②天線阻抗落入C2副調(diào)諧區(qū):并接入C2將阻抗變換到主調(diào)諧區(qū),再由L1、C1完成精確調(diào)諧;③天線阻抗落入C3副調(diào)諧區(qū):并接入C3將阻抗變換到主調(diào)諧區(qū),再由L1、C1完成精確調(diào)諧。

用戶(hù)i對(duì)j產(chǎn)生干擾，則有ci=cj，且dij

4.3 調(diào)諧算法

(1)調(diào)諧分區(qū)[6]

矢量阻抗測(cè)量模塊為新型天線調(diào)諧器提供了天線阻抗Za=Ra+jXa的精確值,此外,由此還可以計(jì)算天線導(dǎo)納Ya=Ga+jBa和電壓駐波比VSWR。因此,調(diào)諧參數(shù)包括Za、Ya和VSWR,調(diào)諧分區(qū)也更加合理。

圖5 調(diào)諧分區(qū)Fig.5 Tuning partition

新型天線調(diào)諧器的R-X平面分區(qū)圖

1區(qū):1/Ga＞Z0,Xa＞0;

2區(qū):Ra＞Z0,Xa＞0;

3區(qū):Ra＞Z0,Xa＜0;

5區(qū):1/Ga＜Z0,Xa＜0;

6區(qū):1/Ga＜Z0,Xa＞0。

(2)調(diào)諧流程

從理論上來(lái)說(shuō),獲得了Za和Ya的精確值以后,C1、L1、C2和C3的元件是可以直接計(jì)算的;但由于分布參數(shù)[7]是客觀存在的,計(jì)算的元件值會(huì)存在一定的誤差,因此需要進(jìn)行一定的微調(diào),才能達(dá)到最佳的匹配狀態(tài)。這種調(diào)諧方法和以往的逐次逼近的調(diào)諧(對(duì)分搜索法和步進(jìn)搜索法)相比,是一大進(jìn)步。

為了盡量回避分布參數(shù)的影響,提高調(diào)諧算法的冗余度,新型天線調(diào)諧器采取了以下措施:

將調(diào)諧算法分為粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩步;

調(diào)諧過(guò)程中計(jì)算調(diào)諧元件的理論值和實(shí)際值之間的單位誤差,作為繼續(xù)調(diào)諧的補(bǔ)償依據(jù)。

在新型天線調(diào)諧器,首先將所有L、C都不接入,由矢量阻抗模塊測(cè)量天線阻抗,并計(jì)算天線導(dǎo)納,然后按照?qǐng)D5判斷阻抗所屬區(qū)域,并按照不同的判別結(jié)果進(jìn)入相應(yīng)的分區(qū)調(diào)諧程序。

5 試驗(yàn)與分析

5.1 調(diào)諧駐波比

為了驗(yàn)證矢量天調(diào)的調(diào)諧能力對(duì)2～30 MHz頻段內(nèi)的整數(shù)頻點(diǎn)進(jìn)行調(diào)諧,記錄了調(diào)諧駐波比(VSWR),如圖6所示。

圖6 調(diào)諧駐波比Fig.6 Graph of Voltage Standing Wave Ratio

可以看出,在2～30 MHz頻段內(nèi),所有點(diǎn)均可以調(diào)諧,VSWR值均在小于1.4。滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求。

5.2 可調(diào)諧率

對(duì)1.6～29.999 MHz頻段內(nèi),間隔為200 kHz的143個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。記錄VSWR小于1.5的情況下的調(diào)諧步數(shù)。

圖7 調(diào)諧步數(shù)Fig.7 Graph of the tuning step number

從圖7可見(jiàn),1.6～29.999 MHz的143個(gè)頻點(diǎn)調(diào)諧駐波VSWR均小于1.5,可調(diào)諧率為100%。調(diào)諧步數(shù)幾種在4～7步,均小于10步,調(diào)諧時(shí)間不長(zhǎng)于1 S。達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

5.3 與傳統(tǒng)數(shù)字天調(diào)對(duì)比

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,并與傳統(tǒng)的數(shù)字天調(diào)進(jìn)行對(duì)比如表2所示。

表2 矢量天調(diào)與數(shù)字天調(diào)對(duì)比Table 2 Comparison between vector antenna tuner and digital antenna tuner

可以看出,該矢量天調(diào)技術(shù)具有調(diào)諧速度快、調(diào)諧功率低、不可調(diào)諧點(diǎn)數(shù)少的特點(diǎn),可以大幅改善天線調(diào)諧器的性能。

6 結(jié) 語(yǔ)

文中主要介紹了矢量天調(diào)的特點(diǎn)、組成、調(diào)諧過(guò)程和工作原理,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及可行性。但在實(shí)際工程實(shí)施過(guò)程中要充分考慮以下4點(diǎn):①后電容自動(dòng)微調(diào)程序?qū)崿F(xiàn),在經(jīng)驗(yàn)值基礎(chǔ)上將天線阻抗調(diào)整到可調(diào)諧區(qū)域;②增加在線保存調(diào)諧參數(shù),已調(diào)諧成功的頻點(diǎn)重復(fù)使用可直接調(diào)用保留參數(shù);③該技術(shù)對(duì)檢測(cè)電路精度要求,要充分考慮電路分布參數(shù)的影響;④要充分考慮大功率調(diào)諧和小功率調(diào)諧情況下,各電路參數(shù)的差別,在調(diào)諧程序上應(yīng)給予相應(yīng)補(bǔ)償。

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WU Qi-shan(1979-),male,B.Sci.,engineer,mainly engaged in the design of wireless communication system and transmitter-receiver unit.

管耀武(1973—),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng);

GUAN Yao-wu(1973-),male,M.sci.,engineer,mainly working at communication and information system。

王 磊(1983—),男,學(xué)士,工程師,主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電臺(tái)整機(jī)設(shè)計(jì);

WANG Lei(1983-),male,B.Sci.,engineer,majoring in the design of wireless communication system and transmitter-receiver unit.

廖志強(qiáng)(1976—),男,學(xué)士,工程師,主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電臺(tái)整機(jī)設(shè)計(jì)。

LIAO Zhi-qiang(1976-),male,B.Sci.,engineer,majoring in the design of wireless communication system and transmitter-receiver unit.

Application of A Short-Wave Vector Antenna Tuner Technology

WU Qi-shan,GUAN Yao-wu,WANG Lei,LIAO Zhi-qiang
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

From the feature of short-wave vector antenna tuner,the component of vector antenna tuner is discussed,with focus on the two key points including vector impedance measuring circuit and vector tuning. This paper describes the design method and working principle of micro power vector impedance measuring circuit,then depicts the structure of matching network and the tuning partition and combination of tuning element.Finally,it expounds the procedure for coarse and fine tuning of vector antenna tuner.Compared with the traditional antenna tuner,this new technology has the advantages of faster speed,lower power and less failed points in the tuning,and also the superiority and feasibility of this technology are verified.

short-wave radio;impedance measuring;antenna tuner;matching network;direct digital frequency synthesis

TN924.3

A

1002-0802(2014)09-1094-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.09.024

吳其山(1979—),男,學(xué)士,工程師,主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電臺(tái)整機(jī)設(shè)計(jì);

2014-06-25;

2014-07-25 Received date：2014-06-25;Revised date：2014-07-25