羅 磊，李 路，陽 睿，陳良良

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

短波通信是現(xiàn)代遠(yuǎn)距離通信的重要通信手段，具有距離遠(yuǎn)、抗毀能力和自主通信能力強、運行成本低的優(yōu)點。在衛(wèi)星通信和移動通信快速發(fā)展的今天，短波通信不僅沒有被淘汰，還在快速發(fā)展[1]，成為軍事部門及其它機構(gòu)遠(yuǎn)距離通信和指揮的重要工具。隨著電子技術(shù)發(fā)展，短波天線種類日益繁多，電磁環(huán)境越加復(fù)雜，在發(fā)射機與天線之間使用天線調(diào)諧器，通過天線調(diào)諧器來人為的實現(xiàn)發(fā)射機與天線的完全匹配[2]，是提高短波天線的發(fā)射效率最有效的方法。矢量天線調(diào)諧器（簡稱矢量天調(diào)）是近年發(fā)展的新型天線調(diào)諧器，采用全新的矢量檢測電路和矢量調(diào)諧算法，具有調(diào)諧精度高、調(diào)諧時間短等特點[3]。正逐漸成為天線調(diào)諧器發(fā)展的主要方向。

矢量天調(diào)依據(jù)準(zhǔn)確的阻抗檢測來配置阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。理論上只需要根據(jù)檢測出的目標(biāo)阻抗值就可以直接計算出需要的阻抗網(wǎng)絡(luò)器件，完成天線的適配。但是在實際工程應(yīng)用中，因為器件誤差、電磁干擾、溫度變化等因素，不可避免造成計算參數(shù)與實際參數(shù)之間存在誤差。這種誤差會造成計算出來的調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)并非理想的調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，需要對調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)進行修正調(diào)整。

本文提出一種改良的鄰域搜索算法，來解決矢量天調(diào)配置匹配網(wǎng)絡(luò)后的微調(diào)修正。

1 矢量天調(diào)阻抗匹配步驟及誤差因素

目前矢量天調(diào)采用的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的形式包括基本型Г形和反Г形及其擴展型Π形匹配網(wǎng)絡(luò)，以Π形為例，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 矢量天調(diào)Π型匹配網(wǎng)絡(luò)

圖1中CV1與LV1組成Г型匹配網(wǎng)絡(luò)，為天調(diào)主調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，完成阻抗的精確匹配。

CV2和CV3的作用是將Г型匹配網(wǎng)絡(luò)匹配區(qū)域外的負(fù)載點變換到匹配區(qū)域內(nèi)，該過程為粗調(diào)，對精度沒有高的要求。

調(diào)諧步驟為：

（1）調(diào)整CV2和CV3，使天調(diào)網(wǎng)絡(luò)處于可調(diào)諧區(qū)。

（2）計算所需電感量并配置電感器件（LV1）。

（3）計算所需電容量并配置電容器件（CV1）。

步驟中第一步對計算精度要求較低，誤差主要發(fā)生在第二步和第三步。引發(fā)誤差的因素主要有以下幾點：

（1）器件誤差：目前常用的電感器件精度為±5%，也就是說電感標(biāo)稱值與實際值之間有士5%的誤差。由于計算電感在前，這部分誤差帶入計算電容公式后，會引發(fā)更大的誤差。

（2）寄生參數(shù)：在短波頻段，電路板走線，電感和繼電器不是理想的器件，而是帶有r、l、c寄生參數(shù)的互聯(lián)，等效模型如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 連接線寄生參數(shù)示意圖

圖3 電感寄生參數(shù)示意圖

圖4 繼電器寄生參數(shù)示意圖

（3）外部環(huán)境：矢量天調(diào)外部工作環(huán)境也會影響到阻抗網(wǎng)絡(luò)精度，如工作溫度變化，電磁干擾等等，這些因素往往無法避免。

2 鄰域搜索算法

為了使矢量天調(diào)達(dá)到一個比較理想的調(diào)諧成功率，阻抗網(wǎng)絡(luò)計算后，需要對CV1與LV1進行微調(diào)修正。微調(diào)算法作為矢量天調(diào)最后一步補救措施，必須有很好的異常狀態(tài)處理能力。在對比多種搜索算法后，選定鄰域搜索算法作為微調(diào)算法。鄰域搜索算法是一種簡單、有效的局部搜索算法，而且抗異常狀態(tài)能力強，在矢量數(shù)據(jù)誤差很大的情況下也能夠完成調(diào)諧修正。

鄰域搜索的基本原理如下：

從一個初始基點開始，持續(xù)地在基點的鄰域中搜索比基點更優(yōu)的點，若找到比基點更優(yōu)的點，則用這個點取代基點成為新的基點，繼續(xù)上述過程，直到在基點的鄰域中找不到更優(yōu)點或達(dá)到最大調(diào)諧步數(shù)為止[4]。

設(shè)定基點的CV1與LV1阻抗網(wǎng)絡(luò)配置為Z=L+C，其中L為電感配置，C為電容配置，在基點周圍可劃分為8個點。如圖5所示，對鄰近的8個點（圖中空心小圈表示）按照一定順序搜索，期間如果找到比基點更優(yōu)的點，則設(shè)置該點位新的基點，重新開始下一輪搜索。如果沒有找到更優(yōu)的點，則改變步進，重新開始新一輪搜索（圖5中實心方塊所示）。

圖5 鄰域搜索算法示意

通過基本的鄰域搜索算法，只要周圍存在比基點更優(yōu)的點就可以被找到，實現(xiàn)矢量天線調(diào)諧器的修正匹配。不過實際應(yīng)用中，矢量天線調(diào)諧器對調(diào)諧時間有要求，不可能留給微調(diào)算法太多的搜索步驟。故需要對傳統(tǒng)鄰域搜索算法進行改良。

進行鄰域搜索算法時，影響搜索時間的主要有搜索步進和搜索方向兩個因素，要提高搜索效率，需要結(jié)合實際情況對這兩個方面進行優(yōu)化：

（1）搜索步進

合理的搜索步進可以減少搜索的次數(shù)，如果搜索的步進較小，則搜索的效率會降低且容易陷入局部最優(yōu)解（在低頻段容易發(fā)生）；如果搜索的步進較大，則容易越過全局最優(yōu)解（在高頻段容易發(fā)生）。

如圖6所示，如果步進太小，則容易陷入中等駐波區(qū)域，如果步進太大，則可能越過低駐波區(qū)域。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，步進的選擇影響因素可以參考頻率與當(dāng)前駐波比。大體原則為：在駐波比較小的時候，目標(biāo)點位大概率在附近，應(yīng)選擇較小的步進；駐波比較大的時候，目標(biāo)點位大概率比較遠(yuǎn)，應(yīng)選擇較大的步進。低頻的時候使用器件較多，使用較大的步進，高頻的時候使用器件較少，使用較小的步進。

圖6 一種駐波比區(qū)域分布

如果搜索一輪都沒有找到下一個基點，則擴大步進進行下一輪搜索。通過動態(tài)調(diào)整搜索步進，既提高了效率，又避免了陷入局部最優(yōu)解和越過全局最優(yōu)解。

（2）搜索方向

合理規(guī)劃搜索方向，可以極大提高搜索效率。假設(shè)從初始點到最優(yōu)點需要經(jīng)過5次基點改變，則最多需要進行40次搜索，最少則只需要5次。如果使用固定的搜索方向，由于每一輪搜索都有八個方向可以選擇，按照概率平均4到5次搜索時達(dá)到新的基點，則需要20～25次搜索。通過對基點變化統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)基點變化并非毫無規(guī)律，前幾次變化的方向有很大概率相同。所以如果根據(jù)前1次基點改變方向確定下一次搜索的起始方向，可以有效減少總的搜索次數(shù)。如圖7中，進行5次基點改變，總搜索步驟大概為10次左右。

圖7 一種典型的搜索過程

綜上，可以設(shè)計算法流程如下：

（1）計算阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，并將計算結(jié)果CV1與LV1作為初始基點。

（2）根據(jù)當(dāng)前駐波比、頻率及搜索次數(shù)選定搜索步進。

（3）第一輪搜索可根據(jù)基點阻抗值確定初始搜索方向，后續(xù)搜索初始搜索方向為前1次基點改變方向。

開始一輪搜索。

（4）如果有更優(yōu)的點則變更基點，并判定是否滿足調(diào)諧要求，如果滿足則退出調(diào)諧，否則重復(fù)步驟（2）；如果沒有更優(yōu)的點，則變更步進，重復(fù)步驟（3）。

（5）中途如果達(dá)到最大搜索步數(shù)則結(jié)束搜索，采用最后一次基點為搜索結(jié)果。

3 算法驗證

為了驗證領(lǐng)域搜索算法的有效性，我們對10 m短波鞭狀天線進行對比測試，分別采用直接計算阻抗網(wǎng)絡(luò)和采用鄰域搜索算法微調(diào)計算后的阻抗網(wǎng)絡(luò)，對部分頻點進行抽樣測試，測試調(diào)諧結(jié)果如圖8所示。

圖8 直接計算和經(jīng)過微調(diào)后駐波比對比

可見因為誤差的關(guān)系，直接計算有部分頻點不能達(dá)到要求，經(jīng)過領(lǐng)域搜索算法微調(diào)之后，所有頻點均達(dá)到要求。

4 結(jié) 語

利用改良的鄰域搜索算法對矢量天調(diào)的匹配網(wǎng)絡(luò)進行微調(diào)修正，可以有效提高調(diào)諧成功率和調(diào)諧精度。不過采用鄰域搜索算法進行微調(diào)，對調(diào)諧時間會有一定延長，如果對調(diào)諧時間要求較高，可采用預(yù)先校準(zhǔn)等方法提高阻抗網(wǎng)絡(luò)計算精度， 使鄰域搜索的初始基點更接近目標(biāo)值，以減少搜索次數(shù)提高調(diào)諧速度。