自动天线调谐器检测电路与算法设计*

简 平，林青山，陈开宝

(1.广东人民广播电台 技术部，广东 广州 510012;2.海华电子企业有限公司，广东 广州 510656)

0 引言

短波通信发射机广播系统的关键技术之一是自动天线调谐器的快速阻抗匹配，其核心技术可适用于短波工作频段范围内(1.6～30MHz)功率放大器输出阻抗与多种结构尺寸类型天线［1］(如:鞭状、双极型或者倒L型天线等)的无盲点自动配谐。TIMS(Trace Impedance Measuring System)自动天调技术能够调节天调单元中匹配网络的各个可变元器件的参数值，使发射机输出阻抗与调谐器接入阻抗实现理想的共轭匹配［2］，保证电台具有最佳的发射功率，且反射波为最小值(理想状态为零，电压驻波比VSWR=1)，其直接关系到通信质量的优劣［3］以及发射机功放/匹配网络的工作寿命。而检测器/检测网络是调谐闭环反馈系统中最重要的一环，其主要用于检测射频传输线上的任一点阻抗和相位，以确定网络失谐状态(即:VSWR＞2);而调谐软件是根据调谐网络反馈数据以及匹配网络结构而设计，其算法直接决定天调系统调谐精确度以及调谐时延，从而有利于实现自动链路建立(ALE)、快速换频跳频［4］、自适应短波组网［5］等短波电台新技术的应用。

1 检测网络

自动天线调谐器的检测网络主要包括:传输线上电流电压相位差θ的检测电路［6］和阻抗的模|Z|的检测电路。检测结果的四种组合刚好能分别对应于归一化Smith阻抗圆图的四个象限，如图1所示。其中(|Z|＞1，θ＞0)对应象限Ⅰ、(|Z|＜1，θ＞0)对应象限Ⅱ、(|Z|＜1，θ＜0)对应象限Ⅲ、(|Z|＞1，θ＜0)对应象限Ⅳ。通过描点拟合法可将Smith阻抗圆图的区间象限作进一步细微的拆分，其中两纵向曲线间的纵向区域对应归一化阻抗约为1/1.5＜Z＜1.5;而横向曲线间的横向区域为对应相位|θ|＜22°。而两个区间的交叠区域(即:1/1.5＜Z＜1.5∩|θ|＜22°)为谐振匹配区间，其 VSWRMAX≈1.7＜2，如图1所示。通过对区间的判断可以实现软件算法的配谐过程。这些来回多次调谐检测信号的模拟组合值经过数字量化后将送入微机系统，并根据其内置软件算法作自适应判断和配谐网络的元件控制切换等后续处理。

图1 Smith阻抗圆图及其分区

1.1 阻抗检测电路

负载阻抗决定了回路的线电压与线电流，其检测电路由定向耦合器、检波二极管、运放及其它相关元器件组成，检测部分原理图如图2所示。串联定向耦合器对传输线上的射频线电流耦合取样，送至检波二极管，检波得到的直流电平UI正比于传输线上的线电流。并联定向耦合器对传输线的射频线电压耦合取样，送至检波二极管，检波得到的直流电平UV正比于传输线上的线电压。通过算术运算可得出阻抗的模值|Z|=|UV/UI|。另外在假负载纯电阻Z=50Ω下，输出一测试频率f0=10 MHz的射频信号，通过微调运放增益使UV=UI，从而实现线路阻抗的归一化;选取负载为纯电阻Z=75Ω下，使接入归一化阻抗为Z=75Ω/50Ω=1.5(或者可以选取负载电感L≈1.2 mH，使此时接入的归一化阻抗为Z=2πf0L/50Ω≈1.5)，如图1所示，读取此时所对应的取样测试模值|Z|=UV/UI;再选取负载为纯电阻Z=33.3Ω下，使接入归一化阻抗为Z=1/1.5，读取此时所对应的取样测试模值|Z|，作为阻抗区间判断的临界值。

图2 电压、正向电流检测电路

1.2 电压电流相位检测电路

由于电路中存在感容特性而使传输线上的电压与电流之间存在相位差。整形电路对电压和正向电流的正弦检测信号进行方波整形后得到边沿陡峭的方波信号，边沿越陡峭后面的相位处理就越准确。利用D触发器，电压相位信号作为触发器基准时钟，电流相位信号在基准时钟的上升沿处若为高电平，输出则为高电平，即电压超前电流(θ＞0)，如图3所示。反之若为低电平，则输出低电平，即电压滞后电流，θ＜0。

图3 电压电流相位检测处理电路原理

同时对电压(方波)相位和电流(方波)相位通过异或门电路的处理，那么就可以把相位差计算成一个方波信号，该相位差方波信号再经过检波二极管检波后得到一个与方波占空比成正比的一个直流电平，即为相位差的大小θ。另外在假负载Z=50Ω上串接一感抗L≈0.3 mH使输出阻抗幅角θ=22°(即是:2πf0L/50Ω≈tg22°≈0.4)，输出频率 f0=10 MHz的射频测试信号，读取此时所对应的取样直流电平，作为相位区间判断的临界值。

通过以上的划分，参数检测电路所检测的参量在smith圆图中均有对应的直线与区域，使后续的整个调谐过程基本上是围绕着对天线的负载阻抗在圆图中的位置判定来进行调谐的。

2 软件算法设计

作为自动天线调谐系统的关键技术，配谐算法决定整个系统的特性优劣［4］，包括调谐时间(本系统＜2s)、调谐精度(VSWR＜1.7)、最大可调谐范围(驻波比≤100)

2.1 匹配网络结构

调谐网络的主要理论支撑是smith阻抗圆图。调谐网络一般采用纯电抗的无损不对称网络结构。忽略其空间分布参数的影响，本文选用г型和反г型复合调谐网络，如图4所示。其中C1与L1构成г型，C2与L1构成反г型，各元件是以二进制增值复合而成的。由于г型和反г型网络分别有各自的匹配盲区，所以有必要采用分区法将smith阻抗圆图的各区进行配谐算法处理。

图4 调谐匹配网络

2.2 调谐软件算法

由于软件算法是基于天线阻抗在smith圆图的运动变化规律以及与所选用的匹配网络模型之间的关系而设计的。但因为中短波具有很宽的频带范围(300 kHz～30 MHz);另外中短波天线类型广泛，其阻抗复杂各异［4］。从而导致天线阻抗在全频段分布于整个smith圆图。因此很难将软件算法统一到整个阻抗圆图的任一阻抗点上，所以有必要将smith圆图分区进行各自判别处理。根据检测电路所得参数|Z|，θ及匹配网络结构，本文将smith圆图划分为四个象限进行独立算法处理。

假设在某频率点下某天线阻抗坐落于simth圆图第一象限的A点，采用反г型调谐网络结构。通过并联C2使阻抗平移到象限Ⅳ(即:阻抗相位由θ＞0变为θ＜0)，再通过串联L1可以让阻抗返回象限Ⅰ的B1点。通过不断增加C2和L1使阻抗点沿着smith阻抗圆图的横坐标Γr的正半轴不断逼近原点(VSWR=1.0)，即:从B1到B4，驻波比得以大大减少，从而实现阻抗的配谐，如图5所示。其软件流程图如图6所示。

图5 阻抗点移动示意图

图6 软件算法流程图

同理，当阻抗点位于第二象限的E点时，必须采用上述的г型调谐网络。先通过不断串接L1可以使阻抗点轨迹从象限Ⅱ跨入象限Ⅰ，使阻抗的模值|Z|＞1。再通过不断减少L1和增加C1从而使阻抗点沿着smith阻抗圆图纵坐标Γi的正半轴不断逼近原点，即从F1平移到谐振区域的F4。如图5所示。

类似，对于象限Ⅲ的阻抗点，仍采用L1和C1的г型调谐网络，通过不断增加L1和增加C1使阻抗点沿着smith阻抗圆图横坐标Γr的负半轴不断逼近原点;对于象限Ⅳ的阻抗点，需采用L1和C2的反г型调谐网络，通过不断增加L1和减少C2使阻抗点沿着smith阻抗圆图横坐标Γi的负半轴不断逼近原点。

由于天线调谐网络存在空间分布参数，并随着工作频率的不断提升，分布参数的影响会越来越大，网络的感容特性变化越严重，软件算法需要作出相应适当的修正。

2.3 实验结果

通过结合硬件线路及软件算法联调后，自动天线调谐器进行了大量的测试，试验结果表明:(1)г型和反г型复合调谐网络能匹配包括倒L天线、双极性天线、鞭状天线等;在1.6 MHz时可实现最大天线驻波比为132的配谐;如图4所示;(2)调谐精度可达VSWR≤1.7;(3)调谐时间均能小于2s;(4)盲点率为小于3%。

3 结语

天线快速自动调谐技术是中短波通信中的关键技术之一。本文根据检测电路参数以及LC匹配网络模型，提出了一种对阻抗圆图进行分区判定并快速自适应天线调谐的流程方案。该检测电路与配谐算法通过了计算机模拟以及实际样例的仿真验证;并经各类天线在中短波段范围内的测试，其调谐时间均能小于2s，平均调谐步数＜10步，调谐精度实现VSWR≤1.7。表明上述调谐方案的硬件线路及所搭配的软件算法是有效的;同时方案对环境变化及分布参数有更强的适应性;另外使接入的所需匹配元件量尽可能少，从而使形成的插损降到最小。该方案的综合性能指标优于同类型产品。

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