大功率发信机预调谐技术的应用与研究

张华，江思杰

（1.海军92325部队，大同 037000； 2.武汉船舶通信研究所，武汉 430205）

引言

在甚低频通信领域，大功率发信机的阻抗调谐一直是甚低频工程设计和使用上的难题，因为在大功率状态下进行阻抗调谐，需要手动调整发信机和天线的各种参数，如果调整稍有差池，就会造成电压或电流过荷，轻则使设备保护，不能正常工作，重则损坏设备，造成很大的损失，贻误工作时机。针对这种情况，科研人员提出了一种设想，在不加高压的情况下，对大功率发信机进行阻抗调节，使发信机与天线达到调谐状态。这就是预调谐技术，也就是指发信机不需加电，即可获取天线参数的技术，加高压后无需再进行调整。

经过长期的理论研究与实践探索，预调谐技术有了较大的突破，且预调谐系统样机已在部分大功率发信台站得到验证与应用。但是这些设计的目的均是为了满足临时的测试需求，不能有效地提高大功率发信机战技术性能，本文对如何应用预调谐技术并有效提高大功率发信机战技术性能进行探讨。

1 传统调谐技术方案分析

1.1 传统谐振法

传统谐振法的基本原理是通过电容C与电感L组成串联谐振回路，利用谐振时电容C上的电压U2为谐振回路两端的电压U1的Q倍原理，其公式为Q=ωL/R，其中Q为谐振回路的品质因数，ω是谐振角频率，R是电感线圈及回路连接导线的总损耗电阻[1]。传统谐振法的阻抗测量原理图如图1所示。传统谐振法在测量天线阻抗存在以下两个问题：

1）测量精度较低，一般仅10 %左右，无法满足测量精度要求，导致天线阻抗测量精度降低；

2）信噪比较低，由于信号源输出功率较小，难以规避天线静电所造成的影响。

1.2 矢量谐振法

矢量谐振法在传统谐振法的基础上进行了一定的改进，主要包括两个方面：

1）利用可调电感Li代替了固定电感，使得测量频率可调可控；

2）建立一套独立的可调电容，以“己知数值标准元件”的形式出现，与天线阻抗测量结果进行比对，从而降低测量误差[2]。

矢量谐振法测量天线阻抗的原理（见图2）与传统谐振法基本相同，虽然电路形式有一定的差异，但两者实质一样，即通过调节元件参数使测量回路谐振，被测阻抗在谐振的状态下完成测量。

矢量谐振法主要有两个优点：

1）有效的抑制天线静电噪声。使用矢量谐振法测量时，测量电路与天线处于匹配状态，信号源输出的功率能完全加载到天线上，从而有效的抑制天线静电噪声；

2）信噪比高。矢量谐振法的测量回路对天线静电噪声有一定的滤波效果，可以滤除一部分天电噪声，从而有效的提高测量信噪比。

采用矢量谐振法设计的预调谐装置目前已经量产，经过实践验证，装置运行稳定，操作简便，测量精确度有所提高。

1.3 瞬态响应法

瞬态响应法的基本原理与上述两种方式有较大的不同，即通过测量RLC串联谐振回路的瞬态响应参数从而得到天线阻抗值。具体如下：通过直流高压源向可调电感与天线组成的谐振回路施加高压（天线工作电压），当电压稳定时断开高压源同时闭合开关K1-2，形成RLC振荡回路时，通过高压测量单元采集振荡回路的瞬态响应参数，从而计算天线阻抗的实部和虚部分量[3]。其实现原理图如图3所示。

瞬态响应法弥补了传统谐振法与矢量谐振法的不足，拥有较高的测试精度与稳定性。

以上三种方法各有特点，均可应用到大功率发信机中，根据上面的分析，传统谐振法方法比较原始，测量精度不高，没有成型的样机；矢量谐振法和瞬态相应法测量方法科学，操作简便，区别在于矢量谐振法已经量产，但是测量精度稍差，而瞬态响应法测量精度较高，只是没有量产，可视情采用这两种方法设计预调谐装置。

图1 传统谐振法测量阻抗原理图

图2 矢量谐振法测量阻抗原理图

图3 瞬态响应测量低频天线阻抗的原理图

2 大功率发信机应用预调谐技术的工作原理

目前来说预调谐技术是比较成熟的，但是要将预调谐技术和大功率发信机二者紧密结合，有效提高大功率发信机的战技术性能，还是要根据大功率发信机的实际情况，结合操作、使用、维修等方面的要求，进行二次设计，将预调谐装置集成到大功率发信机控制系统中，最大限度提高其战技术性能。

2.1 发信机控制系统应用预调谐装置功能

控制系统是发信机的大脑和神经中枢，主要由三大部分组成，包括电控、调整和天控装置。电控装置是发信机控制系统的核心，负责发信机开关机操作和状态指示。调整装置负责调整发信机主机的状态，包括匹配滤波、中槽大耦合等，并将主机状态显示出来。天控装置负责调整天线及调谐亭的状态，如粗细调线圈并将之显示出来。

为了实现预调谐功能，需要在控制系统增加一个预调谐装置，如图4所示。

增加了预调谐装置后，控制系统各装置应当增加如下功能：

1）电控装置发起指令要求预调谐装置进行预调谐操作。

2）预调谐装置接收电控装置的预调谐指令、天控装置的频率信息、调整装置的调谐状态，控制调整装置、天控装置的可调线圈，实现发信机不加高压调谐的功能。

3）调整装置接受预调谐装置调整中槽线圈的指令，并向预调谐装置发送调谐状态信息。

4）天控装置向预调谐装置发送频率信息，并接受预调谐装置调整粗细调线圈的指令。

2.2 预调谐装置工作原理

对于预调谐装置来说，为了实现上述功能，应当按照下列步骤进行工作：

1）预调谐装置上设置新的频率，或读取激励器的频率；

2）预调谐装置上开始测试天线状态，每秒更新一次，调整时以此动态显示的阻抗数据为依据；

3）调整发信机天线回路的粗细调线圈，使得预调谐装置显示的电阻值达到最大；

4）调整发信机中槽线圈或大耦合，使得预调谐装置显示的电阻值等于发信机内阻X欧姆，电抗绝对值小于Y欧姆；

5）调机可能一次不能达到最佳状态，因此需要重复前两个步骤，直至预调谐装置显示的电阻值等于发信机内阻且为最大值，电抗绝对值小于Y欧姆；

6）此时的中槽线圈数值、大耦合数值、粗细调线圈数值等参数，即为该频率的调谐点，记录这些数值，以备查询比较。

这样就实现了发信机不加高压调谐的功能，预调谐装置的工作原理如图5所示。

图4 控制系统组成结构图

图5 调谐装置工作原理图

3 大功率发信机应用预调谐技术的改造方法

根据前面的讨论，已经明确了将预调谐装置集成到发信机的控制系统的功能和原理，接下来将讨论如何从硬件和软件对控制系统进行改造，以使其实现预调谐的功能，同时不改变现有系统的完整性，不降低现有系统的稳定性[4]。

3.1 硬件改造方法

硬件改造主要包括两大部分，一是预调谐装置的硬件设计，二是炮弹开关的硬件改造。

1）预调谐装置应符合国军标，可以安装到发信机控制系统柜，一个抽屉即可，硬件是现成的，可以利用现有成型预调谐测试仪的硬件，只需稍加改造，符合发信机控制柜的标准即可，如图6所示。

左侧显示屏幕用于显示设置的参数，需要观察的电阻值、电抗值等。中间小键盘用于功能设置如频率设置、开始调谐等，以及数字键等功能。右侧主要用于装置开关、电源指示等，还有一个USB接口用于外接鼠标，方便装置的软件更新、维护等，一般操作是用不到的。

2）炮弹开关。预调谐装置接入天线假负载切换开关，需要将原有的二选一炮弹开关改为双刀联动炮弹开关。原有功能为发信机输出二选一：天线或假负载，如图7所示。

现有功能为两个输入：预调谐或发信机，两个输出：天线或假负载，发信机工作时，预调谐和假负载悬空，发信机接天线，预调谐时，预调谐接天线，发信机接假负载，此时可实现两个功能，即预调谐天线参数，发信机在假负载状态调试，如图8所示。

预调谐装置与切换开关的信号线连接采用良好屏蔽的75 V测试电缆。预调谐装置预留与控制柜的通信用网线接口，目前还不需要使用网线通信，主要以人工操作为主，等待下一步积累实际应用经验，满足自动预调谐条件后再进行软件的改造提升。

图6 预调谐装置前面板示意图

图7 改造前的链接方式示意图

图8 增加预调谐装置的连接方式示意图

3.2 软件改造方法

硬件运行稳定后，可开展系统软件的改进工作，以实现自动精准预调谐的功能，主要包括以下几个方面：

1）统一软件接口协议。预调谐软件运行于Windows操作系统，而发信机控制系统软件运行于PLC的WINCC系统，可通过扩展接口协议编辑远程通信控制软件，从而实现二者的通信与控制[5]。

2）改进预调谐软件判断模块和遥控模块。优化系统软件界面，添加用于判断软件计算出的电阻值、电抗值是否符合目标要求的逻辑模块，遥控模块用于远程控制中槽线圈、粗细调线圈。

3）预留权限，便于遥控。针对远程遥控模式，开通给预调谐软件的编辑权限，添加自定义预调谐模式的功能，有利于后续改进与维护。

软件改造完成后，应当实现这样的功能：可手动或半自动进行预调谐。手动预调谐时，按下预调谐装置上的开始调谐按钮，预调谐装置屏幕上显示调谐数据，手动调节中槽线圈和粗细调线圈，使屏幕上的调谐数据达到调谐的要求。半自动预调谐时，按下预调谐装置上的开始调谐按钮，预调谐装置软件根据调谐规则，自动调节中槽线圈和粗细调线圈，使设备达到调谐要求。

4 结论

本文讨论了预调谐技术如何应用到大功率发信机中的问题，提出了设计思路、工作原理以及硬件和软件的改造方法。在实际工作中，安装预调谐装置后，可利用该装置定期校对发信机参数，在临时改频工作时，也可随时使用。改造完成后，大功率发信机的调谐备妥时间将大大缩短，可实现随时改频随时发信工作，尤其是实现软件自动调谐后，不需要人工操作，将使调谐备妥时间进一步缩短，同时也避免了在大功率状态下调机发生故障的危险，提高了设备的稳定性，达到了提高大功率发信机战技术性能的目的。预调谐技术应用成熟后，还可以进一步实现大功率发信机全自动调谐的功能，这样调谐过程完全不需要人工干预，这将大大节省值班值勤的人力资源，如果具备一定的通信条件，还可以实现远程控制大功率发信机开机工作的功能，这将大大提高对潜发信系统的时效性，这些还需要下一步更加细致的研究。