一種短波矢量天調技術的應用*

吳其山,管耀武,王 磊,廖志強

(中國電子科技集團公司第30研究所,四川成都610041)

一種短波矢量天調技術的應用*

吳其山,管耀武,王 磊,廖志強

(中國電子科技集團公司第30研究所,四川成都610041)

從短波矢量天調的特點入手,闡述短波矢量天調的組成部分,重點針對“矢量阻抗”檢測電路和“矢量調諧”兩個關鍵點進行闡述。文中給出了一種微功率矢量阻抗檢測電路的設計方法和工作原理,闡述了匹配網絡的結構及可調諧區域的劃分,給出調諧元件的組合方式,最后闡述了矢量天調的粗調、細調的調諧過程。并與傳統天調對比,具有調諧速度快、調諧功率低、不可調諧點數少的特點,驗證了此項技術的優點以及可行性。

短波電臺 阻抗檢測 天線調諧器 匹配網絡 直接數字頻率合成

0 引 言

傳統的短波天調一般有兩種,一種是單線式天調。一種是雙線式天調。通過串口通信協議交互阻抗信息及供電。達到調諧、控制的目的。

短波矢量天線調諧器采用全新的“矢量阻抗”檢測電路和“矢量調諧”算法,具有調諧精度高、調諧時間短等特點。為短波電臺[1]與天線[2]之間提供良好的匹配網絡。

文中針對“矢量阻抗”檢測電路和“矢量調諧”算法兩大矢量天調關鍵技術進行了闡述,并提出了相應的設計方案。

1 矢量天調的特點

傳統的短波天線調諧器只能測量傳輸線上電壓電流相位差Φ、匹配網絡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都是相對值。因此,只能采用逐次逼近的調諧算法去調整匹配網絡,從而完成阻抗匹配。

與傳統的數字自動天調技術相比,矢量天調用能夠準確檢測天線阻抗的矢量阻抗[3]檢測電路替代了只能檢測相對相位φ和電阻R的數字阻抗檢測電路;其次,矢量天調用匹配圓法替代數字天調的對分搜索法提高了天調的調諧精度和調諧速度。因此,矢量天調具有以下特點:

1)阻抗測量的方法不一樣,矢量阻抗測量模塊能精確檢測天線阻抗.

2)由于DSP具有強大數字信號處理能力,天線調諧器可以直接計算天線阻抗的精確值。

3)由于DSP技術和測量新技術的應用,實現了微功率下天線阻抗的測量,解決了以往測量時功率較大的困難,從而大大降低了天線調諧器的調諧功率,達到了微功率調諧的要求。

4)獲得精確的天線阻抗后,在調諧時就可以根據天線阻抗的精確值去調整實際的網絡參數,可以調高調諧速度。

2 矢量天調組成

短波天調包括:檢測單元、匹配單元和控制單元。圖1示出矢量天調的組成框圖。

圖1 矢量天調系統組成框Fig.1 Composition of vector antenna tuner

矢量天調檢測單元由VSWR電壓駐波比檢測模塊、矢量阻抗檢測模塊組成;匹配單元由LC調諧匹配模塊和繼電器驅動電路責成;控制單元由DSP模塊和通信模塊組成。

切換開關主要用于檢測狀態和工作狀態的切換。VSWR電壓駐波比檢測模塊在工作狀態下進行實時電壓駐波比監控。矢量阻抗測量模塊在檢測狀態下進行天線阻抗的精確測量。LC調諧匹配模塊是天線和電臺之間的匹配網絡,繼電器驅動電路是LC調諧匹配模塊的控制電路。DSP模塊用于阻抗等的計算和控制,而通信模塊是DSP和電臺之間的接口電路。

3 矢量天調的調諧過程

矢量天調的調諧過程包括以下4個步驟:

1)初始化工作時,系統的切換開關將短波天線直接接入矢量阻抗測量模塊,同時LC調諧匹配模塊直通到天線。

2)矢量阻抗測量模塊工作,對短波天線進行1～30 MHz全頻段測量,采集的測量數據經過DSP處理器計算得到天線在整個短波頻段內的精確阻抗數值,并存儲在系統內作為LC調諧匹配的計算參數。

3)短波電臺工作時,將發射、接收工作頻率參數發送給矢量天線調諧系統,DSP處理器根據當前的工作頻率和初始化時在此工作頻率上測量的天線阻抗數值,經過計算和優化得到LC調諧匹配模塊的最佳值,通過LC網絡調配使短波天線與電臺高效率匹配。

4)實時VSWR電壓駐波比檢測。系統中有一個VSWR電壓駐波比檢測模塊,該模塊對電臺和天線的匹配進行實時的監控,并將監控的VSWR數據實時的傳送給電臺;當系統監測到電臺和天線出現失配時,通過系統的通信模塊給短波電臺發出告警信號,根據電臺的指示對天線重新進行測量和調諧匹配。

4 矢量天調工作原理

4.1 矢量阻抗檢測

矢量阻抗測量模塊是矢量天調的核心,其原理框圖如圖2所示。

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

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

①當天線調諧器接收到來在短波發射機的調諧指令和頻率信息時,DSP根據頻率信息生成調諧頻率碼和本振頻率碼分別送往DDS1和DDS2;②DDS1根據調諧頻率碼產生射頻(RF)信號送往功放1,經放大作為調諧功率;③DDS2根據本振頻率碼產生本振(LO)信號送往功放2,經放大送往混頻器1和混頻器2,LO信號比RF信號偏8 kHz;④電壓電流取樣電路對傳輸線路的響應信號進行取樣,電壓和電流取樣信號分別送往混頻器1和混頻器2進行混頻,產生8 kHz的中頻(IF)信號;⑤IF信號分別送往A/D1、A/D2進行A/D轉換;⑥DSP根據A/D轉換后的數字信號計算出取樣點的矢量阻抗,然后可以根據傳輸線理論計算天線阻抗,獲得天線阻抗的實部和虛部。矢量阻抗的具體計算步驟如下:

(1)電壓、電流取樣

電壓、電流取樣電路對在傳輸線路中產生的包含天線阻抗信息的RF信號進行取樣,電壓、電流取樣信號表示為:

式中,fRF=調諧頻率。

(2)下變頻

檢測點電壓取樣和電流取樣分別和檢測點的電壓和電流同相,通過混頻器下變頻為8 kHz中頻信號,

(3)采樣

采樣速率為信號頻率的N倍,既每個信號周期采樣N個點(實際使用時采樣速率為64 kHz,每個信號周期采樣8個點)。A/D采樣數字信號表示為:

(4)矢量阻抗計算

A/D數字化后在DSP中進行阻抗計算和匹配參數計算。

按照上述算法,求得Uu(n)、Ui(n)的希爾伯特變換u(n)、i(n)。

計算Uu(n)、Ui(n)的幅值。

根據三角函數恒等式的性質sin2θ+cos2θ=1,對Uu(n)和u(n)、Ui(n)和i(n)的平方分別求和,可以得到:

因此,

計算的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:

計算得到天線阻抗Za:

4.2 匹配網絡[5]結構及可調諧區域

簡單的Γ型、反Γ型網絡的傳輸效率要比T型和∏型網絡高,但Γ型、反Γ型網絡的匹配區域是有限的,而T型和∏型網絡可以實現全域匹配(僅僅是理論上,匹配范圍與電抗原件的最值有關),并可以根據需要退化為Γ型、反Γ型網絡,增加匹配網絡的靈活性,因此,大多數天線調諧器都采用T型和∏型網絡。

新型天線調諧器采用∏型匹配網絡,如圖3所示。

圖3 匹配網絡結構Fig.3 Composition of matching network

L1、C1構成的Γ型網絡為主調諧網絡,完成精確調諧的網絡,其能調諧的區域稱為主調諧區域;為了擴充網絡的匹配能力,串聯了一個調諧電容C2;并聯調諧電容C3,將網絡變換成∏形;C2和C3構成了副調諧網絡,完成阻抗區域變換的網絡,其能變換的區域稱為副調諧區域。

圖4 匹配網絡覆蓋范圍Fig.4 Covering area of matching network

L1、C1、C2和C3分別由一系列離散原件構成,調諧時通過控制繼電器來改變網絡元件的參數。其中,L1、C1取值精細,為主調諧元件,C2和C3為副調諧元件。調諧元件的組成如表1所示。

表1 調諧元件的組合Table 1 Combination of tuning element

C2或C3元件的個數越多和取值范圍越大,匹配網絡越精確高效、可調諧區域就越大,但調諧速度就越慢。因此,根據待匹配天線的特性阻抗確定C2、C3的元件個數和取值范圍,在調諧質量和速度之間做個折中。

短波天線的阻抗隨頻率變化激烈,天線阻抗的匹配網絡模型也隨頻率變化而不同,其匹配過程也有所區別,大致分為以下3種:

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

用戶i對j產生干擾，則有ci=cj，且dij

4.3 調諧算法

(1)調諧分區[6]

矢量阻抗測量模塊為新型天線調諧器提供了天線阻抗Za=Ra+jXa的精確值,此外,由此還可以計算天線導納Ya=Ga+jBa和電壓駐波比VSWR。因此,調諧參數包括Za、Ya和VSWR,調諧分區也更加合理。

圖5 調諧分區Fig.5 Tuning partition

新型天線調諧器的R-X平面分區圖

1區:1/Ga＞Z0,Xa＞0;

2區:Ra＞Z0,Xa＞0;

3區:Ra＞Z0,Xa＜0;

5區:1/Ga＜Z0,Xa＜0;

6區:1/Ga＜Z0,Xa＞0。

(2)調諧流程

從理論上來說,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算的;但由于分布參數[7]是客觀存在的,計算的元件值會存在一定的誤差,因此需要進行一定的微調,才能達到最佳的匹配狀態。這種調諧方法和以往的逐次逼近的調諧(對分搜索法和步進搜索法)相比,是一大進步。

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

將調諧算法分為粗調和細調兩步;

調諧過程中計算調諧元件的理論值和實際值之間的單位誤差,作為繼續調諧的補償依據。

在新型天線調諧器,首先將所有L、C都不接入,由矢量阻抗模塊測量天線阻抗,并計算天線導納,然后按照圖5判斷阻抗所屬區域,并按照不同的判別結果進入相應的分區調諧程序。

5 試驗與分析

5.1 調諧駐波比

為了驗證矢量天調的調諧能力對2～30 MHz頻段內的整數頻點進行調諧,記錄了調諧駐波比(VSWR),如圖6所示。

圖6 調諧駐波比Fig.6 Graph of Voltage Standing Wave Ratio

可以看出,在2～30 MHz頻段內,所有點均可以調諧,VSWR值均在小于1.4。滿足設計的指標要求。

5.2 可調諧率

對1.6～29.999 MHz頻段內,間隔為200 kHz的143個頻點進行測試。記錄VSWR小于1.5的情況下的調諧步數。

圖7 調諧步數Fig.7 Graph of the tuning step number

從圖7可見,1.6～29.999 MHz的143個頻點調諧駐波VSWR均小于1.5,可調諧率為100%。調諧步數幾種在4～7步,均小于10步,調諧時間不長于1 S。達到了設計指標要求。

5.3 與傳統數字天調對比

通過試驗驗證,并與傳統的數字天調進行對比如表2所示。

表2 矢量天調與數字天調對比Table 2 Comparison between vector antenna tuner and digital antenna tuner

可以看出,該矢量天調技術具有調諧速度快、調諧功率低、不可調諧點數少的特點,可以大幅改善天線調諧器的性能。

6 結 語

文中主要介紹了矢量天調的特點、組成、調諧過程和工作原理,并通過試驗驗證了該技術的優勢及可行性。但在實際工程實施過程中要充分考慮以下4點:①后電容自動微調程序實現,在經驗值基礎上將天線阻抗調整到可調諧區域;②增加在線保存調諧參數,已調諧成功的頻點重復使用可直接調用保留參數;③該技術對檢測電路精度要求,要充分考慮電路分布參數的影響;④要充分考慮大功率調諧和小功率調諧情況下,各電路參數的差別,在調諧程序上應給予相應補償。

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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,主要研究方向為通信與信息系統;

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

王 磊(1983—),男,學士,工程師,主要研究方向為無線通信系統設計和電臺整機設計;

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

廖志強(1976—),男,學士,工程師,主要研究方向為無線通信系統設計和電臺整機設計。

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,學士,工程師,主要研究方向為無線通信系統設計和電臺整機設計;

2014-06-25;

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