一种短波矢量天调技术的应用*

2014-02-10吴其山管耀武廖志强

通信技术 2014年9期

关键词：短波矢量天线

吴其山,管耀武,王磊,廖志强

(中国电子科技集团公司第30研究所,四川成都610041)

一种短波矢量天调技术的应用*

吴其山,管耀武,王磊,廖志强

(中国电子科技集团公司第30研究所,四川成都610041)

从短波矢量天调的特点入手,阐述短波矢量天调的组成部分,重点针对“矢量阻抗”检测电路和“矢量调谐”两个关键点进行阐述。文中给出了一种微功率矢量阻抗检测电路的设计方法和工作原理,阐述了匹配网络的结构及可调谐区域的划分,给出调谐元件的组合方式,最后阐述了矢量天调的粗调、细调的调谐过程。并与传统天调对比,具有调谐速度快、调谐功率低、不可调谐点数少的特点,验证了此项技术的优点以及可行性。

短波电台阻抗检测天线调谐器匹配网络直接数字频率合成

0 引言

传统的短波天调一般有两种,一种是单线式天调。一种是双线式天调。通过串口通信协议交互阻抗信息及供电。达到调谐、控制的目的。

短波矢量天线调谐器采用全新的“矢量阻抗”检测电路和“矢量调谐”算法,具有调谐精度高、调谐时间短等特点。为短波电台[1]与天线[2]之间提供良好的匹配网络。

文中针对“矢量阻抗”检测电路和“矢量调谐”算法两大矢量天调关键技术进行了阐述,并提出了相应的设计方案。

1 矢量天调的特点

传统的短波天线调谐器只能测量传输线上电压电流相位差Φ、匹配网络输入端的等效输入电阻RP和电压驻波比VSWR[3]。其中VSWR是精确值,Φ和RP都是相对值。因此,只能采用逐次逼近的调谐算法去调整匹配网络,从而完成阻抗匹配。

与传统的数字自动天调技术相比,矢量天调用能够准确检测天线阻抗的矢量阻抗[3]检测电路替代了只能检测相对相位φ和电阻R的数字阻抗检测电路;其次,矢量天调用匹配圆法替代数字天调的对分搜索法提高了天调的调谐精度和调谐速度。因此,矢量天调具有以下特点:

1)阻抗测量的方法不一样,矢量阻抗测量模块能精确检测天线阻抗.

2)由于DSP具有强大数字信号处理能力,天线调谐器可以直接计算天线阻抗的精确值。

3)由于DSP技术和测量新技术的应用,实现了微功率下天线阻抗的测量,解决了以往测量时功率较大的困难,从而大大降低了天线调谐器的调谐功率,达到了微功率调谐的要求。

4)获得精确的天线阻抗后,在调谐时就可以根据天线阻抗的精确值去调整实际的网络参数,可以调高调谐速度。

2 矢量天调组成

短波天调包括:检测单元、匹配单元和控制单元。图1示出矢量天调的组成框图。

图1 矢量天调系统组成框Fig.1 Composition of vector antenna tuner

矢量天调检测单元由VSWR电压驻波比检测模块、矢量阻抗检测模块组成;匹配单元由LC调谐匹配模块和继电器驱动电路责成;控制单元由DSP模块和通信模块组成。

切换开关主要用于检测状态和工作状态的切换。VSWR电压驻波比检测模块在工作状态下进行实时电压驻波比监控。矢量阻抗测量模块在检测状态下进行天线阻抗的精确测量。LC调谐匹配模块是天线和电台之间的匹配网络,继电器驱动电路是LC调谐匹配模块的控制电路。DSP模块用于阻抗等的计算和控制,而通信模块是DSP和电台之间的接口电路。

3 矢量天调的调谐过程

矢量天调的调谐过程包括以下4个步骤:

1)初始化工作时,系统的切换开关将短波天线直接接入矢量阻抗测量模块,同时LC调谐匹配模块直通到天线。

2)矢量阻抗测量模块工作,对短波天线进行1～30 MHz全频段测量,采集的测量数据经过DSP处理器计算得到天线在整个短波频段内的精确阻抗数值,并存储在系统内作为LC调谐匹配的计算参数。

3)短波电台工作时,将发射、接收工作频率参数发送给矢量天线调谐系统,DSP处理器根据当前的工作频率和初始化时在此工作频率上测量的天线阻抗数值,经过计算和优化得到LC调谐匹配模块的最佳值,通过LC网络调配使短波天线与电台高效率匹配。

4)实时VSWR电压驻波比检测。系统中有一个VSWR电压驻波比检测模块,该模块对电台和天线的匹配进行实时的监控,并将监控的VSWR数据实时的传送给电台;当系统监测到电台和天线出现失配时,通过系统的通信模块给短波电台发出告警信号,根据电台的指示对天线重新进行测量和调谐匹配。

4 矢量天调工作原理

4.1 矢量阻抗检测

矢量阻抗测量模块是矢量天调的核心,其原理框图如图2所示。

图2 阻抗测量模块原理框Fig.2 Schematic diagram of impedance measuring module

如图2所示,阻抗测量模块包括:直接数字频率合成DDS[4]跳频信号源、电压电流取样电路、混频电路和A/D转换电路,而DSP模块也可以看作矢量阻抗测量模块的一个特殊组成部分。

①当天线调谐器接收到来在短波发射机的调谐指令和频率信息时,DSP根据频率信息生成调谐频率码和本振频率码分别送往DDS1和DDS2;②DDS1根据调谐频率码产生射频(RF)信号送往功放1,经放大作为调谐功率;③DDS2根据本振频率码产生本振(LO)信号送往功放2,经放大送往混频器1和混频器2,LO信号比RF信号偏8 kHz;④电压电流取样电路对传输线路的响应信号进行取样,电压和电流取样信号分别送往混频器1和混频器2进行混频,产生8 kHz的中频(IF)信号;⑤IF信号分别送往A/D1、A/D2进行A/D转换;⑥DSP根据A/D转换后的数字信号计算出取样点的矢量阻抗,然后可以根据传输线理论计算天线阻抗,获得天线阻抗的实部和虚部。矢量阻抗的具体计算步骤如下:

(1)电压、电流取样

电压、电流取样电路对在传输线路中产生的包含天线阻抗信息的RF信号进行取样,电压、电流取样信号表示为:

式中,fRF=调谐频率。

(2)下变频

检测点电压取样和电流取样分别和检测点的电压和电流同相,通过混频器下变频为8 kHz中频信号,

(3)采样

采样速率为信号频率的N倍,既每个信号周期采样N个点(实际使用时采样速率为64 kHz,每个信号周期采样8个点)。A/D采样数字信号表示为:

(4)矢量阻抗计算

A/D数字化后在DSP中进行阻抗计算和匹配参数计算。

按照上述算法,求得Uu(n)、Ui(n)的希尔伯特变换u(n)、i(n)。

计算Uu(n)、Ui(n)的幅值。

根据三角函数恒等式的性质sin2θ+cos2θ=1,对Uu(n)和u(n)、Ui(n)和i(n)的平方分别求和,可以得到:

因此,

计算的Uu(n)、Ui(n)相位

分别求得Uu(n)和u(n)、Ui(n)和i(n)的比值,约去Au、Ai,可以得到:

计算得到天线阻抗Za:

4.2 匹配网络[5]结构及可调谐区域

简单的Γ型、反Γ型网络的传输效率要比T型和∏型网络高,但Γ型、反Γ型网络的匹配区域是有限的,而T型和∏型网络可以实现全域匹配(仅仅是理论上,匹配范围与电抗原件的最值有关),并可以根据需要退化为Γ型、反Γ型网络,增加匹配网络的灵活性,因此,大多数天线调谐器都采用T型和∏型网络。

新型天线调谐器采用∏型匹配网络,如图3所示。

图3 匹配网络结构Fig.3 Composition of matching network

L1、C1构成的Γ型网络为主调谐网络,完成精确调谐的网络,其能调谐的区域称为主调谐区域;为了扩充网络的匹配能力,串联了一个调谐电容C2;并联调谐电容C3,将网络变换成∏形;C2和C3构成了副调谐网络,完成阻抗区域变换的网络,其能变换的区域称为副调谐区域。

图4 匹配网络覆盖范围Fig.4 Covering area of matching network

L1、C1、C2和C3分别由一系列离散原件构成,调谐时通过控制继电器来改变网络元件的参数。其中,L1、C1取值精细,为主调谐元件,C2和C3为副调谐元件。调谐元件的组成如表1所示。

表1 调谐元件的组合Table 1 Combination of tuning element

C2或C3元件的个数越多和取值范围越大,匹配网络越精确高效、可调谐区域就越大,但调谐速度就越慢。因此,根据待匹配天线的特性阻抗确定C2、C3的元件个数和取值范围,在调谐质量和速度之间做个折中。

短波天线的阻抗随频率变化激烈,天线阻抗的匹配网络模型也随频率变化而不同,其匹配过程也有所区别,大致分为以下3种:

①天线阻抗落入主调谐区:增加L1使输入阻抗上升到C1旋转圆,然后增加C1使阻抗旋转到Z0;②天线阻抗落入C2副调谐区:并接入C2将阻抗变换到主调谐区,再由L1、C1完成精确调谐;③天线阻抗落入C3副调谐区:并接入C3将阻抗变换到主调谐区,再由L1、C1完成精确调谐。

用户i对j产生干扰，则有ci=cj，且dij

4.3 调谐算法

(1)调谐分区[6]

矢量阻抗测量模块为新型天线调谐器提供了天线阻抗Za=Ra+jXa的精确值,此外,由此还可以计算天线导纳Ya=Ga+jBa和电压驻波比VSWR。因此,调谐参数包括Za、Ya和VSWR,调谐分区也更加合理。

图5 调谐分区Fig.5 Tuning partition

新型天线调谐器的R-X平面分区图

1区:1/Ga＞Z0,Xa＞0;

2区:Ra＞Z0,Xa＞0;

3区:Ra＞Z0,Xa＜0;

5区:1/Ga＜Z0,Xa＜0;

6区:1/Ga＜Z0,Xa＞0。

(2)调谐流程

从理论上来说,获得了Za和Ya的精确值以后,C1、L1、C2和C3的元件是可以直接计算的;但由于分布参数[7]是客观存在的,计算的元件值会存在一定的误差,因此需要进行一定的微调,才能达到最佳的匹配状态。这种调谐方法和以往的逐次逼近的调谐(对分搜索法和步进搜索法)相比,是一大进步。

为了尽量回避分布参数的影响,提高调谐算法的冗余度,新型天线调谐器采取了以下措施:

将调谐算法分为粗调和细调两步;

调谐过程中计算调谐元件的理论值和实际值之间的单位误差,作为继续调谐的补偿依据。

在新型天线调谐器,首先将所有L、C都不接入,由矢量阻抗模块测量天线阻抗,并计算天线导纳,然后按照图5判断阻抗所属区域,并按照不同的判别结果进入相应的分区调谐程序。

5 试验与分析

5.1 调谐驻波比

为了验证矢量天调的调谐能力对2～30 MHz频段内的整数频点进行调谐,记录了调谐驻波比(VSWR),如图6所示。

图6 调谐驻波比Fig.6 Graph of Voltage Standing Wave Ratio

可以看出,在2～30 MHz频段内,所有点均可以调谐,VSWR值均在小于1.4。满足设计的指标要求。

5.2 可调谐率

对1.6～29.999 MHz频段内,间隔为200 kHz的143个频点进行测试。记录VSWR小于1.5的情况下的调谐步数。

图7 调谐步数Fig.7 Graph of the tuning step number

从图7可见,1.6～29.999 MHz的143个频点调谐驻波VSWR均小于1.5,可调谐率为100%。调谐步数几种在4～7步,均小于10步,调谐时间不长于1 S。达到了设计指标要求。

5.3 与传统数字天调对比

通过试验验证,并与传统的数字天调进行对比如表2所示。

表2 矢量天调与数字天调对比Table 2 Comparison between vector antenna tuner and digital antenna tuner

可以看出,该矢量天调技术具有调谐速度快、调谐功率低、不可调谐点数少的特点,可以大幅改善天线调谐器的性能。

6 结语

文中主要介绍了矢量天调的特点、组成、调谐过程和工作原理,并通过试验验证了该技术的优势及可行性。但在实际工程实施过程中要充分考虑以下4点:①后电容自动微调程序实现,在经验值基础上将天线阻抗调整到可调谐区域;②增加在线保存调谐参数,已调谐成功的频点重复使用可直接调用保留参数;③该技术对检测电路精度要求,要充分考虑电路分布参数的影响;④要充分考虑大功率调谐和小功率调谐情况下,各电路参数的差别,在调谐程序上应给予相应补偿。

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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,硕士,工程师,主要研究方向为通信与信息系统;

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

王磊(1983—),男,学士,工程师,主要研究方向为无线通信系统设计和电台整机设计;

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

廖志强(1976—),男,学士,工程师,主要研究方向为无线通信系统设计和电台整机设计。

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

1002-0802(2014)09-1094-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.09.024