孟恩林 劉 桐 李麗華

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

短波通信是利用短波通過(guò)天波或地波傳播的方式進(jìn)行的通信，它具有設(shè)備體積小，隱蔽性好，戰(zhàn)時(shí)抗毀能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此短波通信始終是軍事指揮的重要手段之一。而天線調(diào)諧器是短波通信系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成短波天線的輸入阻抗與發(fā)射機(jī)輸出阻抗之間的良好匹配，短波天線的輸入阻抗隨頻率的變化而變化，而發(fā)射機(jī)功率級(jí)的輸出阻抗是相對(duì)不變的［1～2］，要想快速實(shí)現(xiàn)天線和發(fā)射機(jī)之間的阻抗匹配，天線的自動(dòng)調(diào)諧就成為迫切需要解決的問(wèn)題。

本文在參考文獻(xiàn)［3］的基礎(chǔ)上提出了針對(duì)Π型匹配網(wǎng)絡(luò)在Smith圓圖上的新分區(qū)調(diào)諧算法，并利用該算法對(duì)Π型網(wǎng)絡(luò)元件的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到了較好的調(diào)諧效果。

2 匹配網(wǎng)絡(luò)

為使發(fā)射機(jī)的信號(hào)功率最大限度地通過(guò)天線輻射出去，天線的輸入阻抗要與發(fā)射機(jī)的輸出阻抗良好匹配。由于在短波頻率范圍內(nèi)，天線阻抗隨頻率的變化比較大，而發(fā)射機(jī)功率級(jí)的輸出阻抗是相對(duì)不變的，要想實(shí)現(xiàn)兩者的阻抗匹配，需要在天線與發(fā)射機(jī)之間引入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示，Z0為發(fā)射機(jī)輸出阻抗，Za為天線輸入阻抗，Zin為接入匹配網(wǎng)絡(luò)后天線的輸入阻抗。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)通常采用電容電感等無(wú)耗元件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的阻抗變換，從而減少功率損耗，提高輻射效率。

圖1 天線阻抗匹配原理圖

阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)通常采用電容電感等無(wú)耗元件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的阻抗變換，從而減少功率損耗，提高輻射效率。常用的匹配網(wǎng)絡(luò)有Γ型和反Γ型，Γ型網(wǎng)絡(luò)用來(lái)匹配低于輸入端阻抗的負(fù)載，反Γ型則用來(lái)匹配高于輸入端阻抗的負(fù)載，兩者都存在調(diào)諧盲區(qū)不能實(shí)現(xiàn)對(duì)所有天線的匹配，但將Γ型和反Γ型按不同方式級(jí)聯(lián)構(gòu)成的Τ型和Π型網(wǎng)絡(luò)，理論上就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)所有天線的匹配［3～7］。本文選用Π型網(wǎng)絡(luò)作為調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，如圖2所示L1、C1、C2構(gòu)成主調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，為抵消雜散電感的影響，提高調(diào)諧效率，在電感L1后串聯(lián)電容C3。

圖2 Π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

L1、C1、C2、C3是由一系列二進(jìn)制離散值構(gòu)成，調(diào)諧時(shí)通過(guò)控制繼電器來(lái)改變接入網(wǎng)絡(luò)的元件參數(shù)［8～14］。在設(shè)計(jì)射頻電路時(shí)，經(jīng)常利用Smith圓圖代替復(fù)雜的計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配［3］。Smith圓圖是由很多阻抗圓和導(dǎo)納圓交織在一起形成的一個(gè)圓，當(dāng)并聯(lián)電容C2時(shí)，A點(diǎn)沿著等電導(dǎo)圓順時(shí)針移動(dòng)到B點(diǎn)，再串聯(lián)電感L1，B點(diǎn)會(huì)沿著等電阻圓順時(shí)針移動(dòng)到C點(diǎn)，最后并聯(lián)電容C1，C點(diǎn)沿著等電導(dǎo)圓順時(shí)針移動(dòng)到D點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)諧過(guò)程如圖3所示。

3 分區(qū)調(diào)諧算法

3.1 調(diào)諧分區(qū)

天線調(diào)諧器在實(shí)際應(yīng)用中很難將天線阻抗精確調(diào)諧到Z0，一般要求駐波比達(dá)到一定程度時(shí)就認(rèn)為已經(jīng)匹配了［9］。本文中取駐波比VSWR≤1.2為阻抗匹配的條件，在Smith圓圖中這一區(qū)域如圖3所示是以Z0為圓心，VSWR=1.2為半徑的圓內(nèi)部區(qū)域，調(diào)諧時(shí)只需要將天線阻抗變換到該圓內(nèi)即可。

圖3 Π型網(wǎng)絡(luò)的調(diào)諧原理

圖4 匹配圓

根據(jù)以上分析和Π型網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，將Smith圓圖分為如圖5所示的6個(gè)區(qū)域進(jìn)行調(diào)諧。

圖5 Smith圓圖圖分區(qū)

1區(qū)：Ga＜G1，Ra＜R1，Xa＞0

2區(qū)：Ra＞R1

3區(qū)：R2＜Ra＜R1，Xa＜0

4區(qū)：Ra＜R2，Xa＜0

5區(qū)：Ga＞G2

6區(qū)：G1＜Ga＜G2，Xa＞0

3.2 調(diào)諧流程

天線調(diào)諧器開(kāi)始調(diào)諧時(shí)，需要對(duì)天線阻抗進(jìn)行實(shí)時(shí)精確檢測(cè)，矢量檢測(cè)技術(shù)能夠滿足分區(qū)調(diào)諧的要求。矢量檢測(cè)獲得Za的精確值后，匹配網(wǎng)絡(luò)各元件的值是可以直接計(jì)算的，但由于L1、C1、C2、C3的值是離散的，只能參照計(jì)算值來(lái)接入調(diào)諧元件［10］。首先利用檢測(cè)值判斷天線阻抗所屬區(qū)域，再按照不同的判斷結(jié)果進(jìn)入相應(yīng)的分區(qū)調(diào)諧，具體流程如圖6所示。

圖6 調(diào)諧流程

1）1區(qū)調(diào)諧

1區(qū)調(diào)諧有兩種方式，可以通過(guò)串聯(lián)C3直接進(jìn)入匹配圓或6區(qū)，也可以通過(guò)并聯(lián)C2進(jìn)入3區(qū)或4區(qū)調(diào)諧。計(jì)算天線阻抗相對(duì)于6區(qū)的電抗偏差ΔX：

2）2區(qū)調(diào)諧

計(jì)算將天線阻抗（Za=Ra+jXa）變換到3區(qū)的最小電納值ΔB：

理論上應(yīng)并入的最小C2為

若C2的組合值大于C2min，則將電容值大于C2min的電容依次并入，再進(jìn)行阻抗檢測(cè)確定所處分區(qū)；若不存在C2的組合值大于C2min，則說(shuō)明無(wú)法將天線阻抗旋轉(zhuǎn)到3區(qū)或4區(qū)，調(diào)諧失敗。

3）3區(qū)調(diào)諧

3區(qū)調(diào)諧也有兩種方式：直接串聯(lián)L1將天線阻抗沿阻抗圓旋轉(zhuǎn)到匹配圓內(nèi)或并聯(lián)C2將天線阻抗變換到4區(qū)進(jìn)行調(diào)諧。

4）4區(qū)調(diào)諧

計(jì)算將天線阻抗（Za=Ra+jXa）變換到6區(qū)內(nèi)的最小電抗值ΔX：

比較電感L1的最大值是否滿足條件：ωL1max≥ΔX，若滿足則串入相應(yīng)的L1將天線阻抗沿阻抗圓旋轉(zhuǎn)到6區(qū)；若不滿足則并入C2，測(cè)量天線阻抗并重新計(jì)算ΔX，重復(fù)上述步驟，若最終仍不能將天線阻抗變換到6區(qū)，則調(diào)諧失敗。

5）5區(qū)調(diào)諧

串入L1將天線阻抗沿阻抗圓旋轉(zhuǎn)到6區(qū)，若串入L1最大值仍不能旋轉(zhuǎn)到6區(qū)則調(diào)諧失敗。

6）6區(qū)調(diào)諧

測(cè)量天線阻抗Za=Ra+jXa，計(jì)算天線阻抗到匹配圓的電納偏差ΔB：

比較電容C1的最大值是否滿足條件：ωC1max≥ΔB，若滿足則并入相應(yīng)的C1，將天線阻抗沿導(dǎo)納圓旋轉(zhuǎn)到匹配圓內(nèi)；若不滿足則調(diào)諧失敗。

4 匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

1）參數(shù)估算

匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)對(duì)整個(gè)調(diào)諧過(guò)程起到關(guān)鍵的作用，因此需對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行估算。根據(jù)文獻(xiàn)［15］介紹的Π型網(wǎng)絡(luò)參數(shù)估算方法，本文以5m鞭天線作為調(diào)諧對(duì)象進(jìn)行參數(shù)估算，結(jié)果如表1。

表1 匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)估算

2）參數(shù)優(yōu)化

考慮到匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)諧性能主要與L1、C1有關(guān)，L1min和C1min的大小影響匹配軌跡圓進(jìn)入匹配圓的“深度”［15］，取值越小，匹配精度將越高，但在匹配范圍不變的情況下會(huì)導(dǎo)致元件數(shù)量增加，電路控制難度加大；取值越大，匹配軌跡圓不能進(jìn)入或超出匹配圓，降低調(diào)諧精度。因此，需對(duì)估算的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，確定匹配元件的最小值和元件個(gè)數(shù)。結(jié)合上文的分區(qū)調(diào)諧算法和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)估算，本文進(jìn)行了Matlab仿真來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

（1）基于 C1min=10pF保持不變，L1min分別取0.02μH、0.03μH和0.04μH，仿真結(jié)果如圖7所示，分析結(jié)果表明調(diào)諧后天線駐波比隨著L1min減小而減小，在頻率大于20MHz的頻段改善效果明顯。當(dāng)頻率f較小時(shí)，改變L1min對(duì)旋轉(zhuǎn)軌跡移動(dòng)步長(zhǎng)（ΔXmin=ωL1min，ω=2πf）影響不大，但在高頻段，改變L1min對(duì)旋轉(zhuǎn)軌跡移動(dòng)步長(zhǎng)影響就很明顯。當(dāng)L1=0.02μH時(shí)，天線駐波比均低于1.2，調(diào)諧效果明顯優(yōu)于其它兩個(gè)取值，但在中頻段（5MHz～20MHz）調(diào)諧效果改善不明顯。在低頻段（3MHz～5MHz）出現(xiàn)調(diào)頻失敗，主要是改變了最小取值，元件個(gè)數(shù)不變，L1的取值范圍減小不能實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻段天線的調(diào)諧，但可以通過(guò)增加L1的個(gè)數(shù)來(lái)改善天線駐波比。

圖7 L1最小值對(duì)調(diào)諧結(jié)果的影響

圖8 C1最小值對(duì)調(diào)諧結(jié)果的影響

表2 匹配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后各元件參數(shù)

（2）L1min=0.02μH保持不變，C1min分別取10pF、15pF、20pF、30pF，仿真結(jié)果如圖12所示。比較圖中四條曲線，可以發(fā)現(xiàn)減小C1min對(duì)改善調(diào)諧駐波比效果并不明顯。為了減少元件數(shù)量，降低硬件電路復(fù)雜度，取C1min=20pF，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中電容C1的個(gè)數(shù)為9個(gè)。結(jié)合優(yōu)化結(jié)果，最終確定匹配網(wǎng)絡(luò)各元件參數(shù)如表2所示。

圖9 參數(shù)優(yōu)化調(diào)諧結(jié)果比較

由圖9可知，在整個(gè)短波頻段優(yōu)化后的駐波比滿足VSWR＜1.2，明顯優(yōu)于優(yōu)化前的匹配效果，整體的調(diào)諧匹配性能較好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在分析Π型匹配網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的分區(qū)調(diào)諧算法，能準(zhǔn)確地根據(jù)阻抗特性調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，調(diào)諧后天線駐波比為1.005～1.2，匹配性能好。通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)的估算和優(yōu)化，為后續(xù)的電路設(shè)計(jì)及整體性能指標(biāo)設(shè)計(jì)提供了參考。