嵌入式智能矢量天線(xiàn)調諧系統（上）

1．引言

天線(xiàn)是現代無(wú)線(xiàn)電通信系統很重要的一個(gè)組成部分，天線(xiàn)輸入參考面上電壓與電流的比值稱(chēng)為天線(xiàn)的輸入阻抗。它直接影響著(zhù)無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機輸出饋線(xiàn)與天線(xiàn)的匹配效果。研究功率傳輸、噪聲、有源器件的穩定度時(shí)，天線(xiàn)輸入阻抗是一個(gè)很重要的參數。通常天線(xiàn)的有效頻帶主要取決于天線(xiàn)的阻抗頻帶特性。

天線(xiàn)是饋線(xiàn)的端接元件，相當一個(gè)單端口網(wǎng)絡(luò )，因此可以直接采用集總參數測量、微波測量中的各種阻抗測量技術(shù)，從普通的諧振法到先進(jìn)的自動(dòng)網(wǎng)絡(luò )分析儀法。但是天線(xiàn)作為一個(gè)特殊的輻射元件，可以不通過(guò)導線(xiàn)與周?chē)矬w產(chǎn)生復雜的關(guān)系。這些關(guān)系可能使理想實(shí)驗時(shí)條件下測量的阻抗數值難以置信。因此在實(shí)際天線(xiàn)的使用中，如移動(dòng)車(chē)載天線(xiàn)、飛機的機載天線(xiàn)、艦載天線(xiàn)等的工作環(huán)境就是天線(xiàn)的一部，如果只根據實(shí)驗室、工廠(chǎng)測量的天線(xiàn)阻抗數值，在實(shí)際工作狀態(tài)下可能因為多種誤差源的存在而影響發(fā)射機輸出與天線(xiàn)的匹配效果。所以天線(xiàn)阻抗測試在實(shí)際工程中，特別是在移動(dòng)的情況下是有必要根據工作環(huán)境的改變對天線(xiàn)的阻抗進(jìn)行重新測試，以保證天線(xiàn)的工作效率。

在寬帶短波天線(xiàn)系統中，由于短波天線(xiàn)的物理尺寸不可能自然諧振于短波的全頻帶（1—30MHz），因此在設計全頻帶短波天線(xiàn)系統時(shí)就必須通過(guò)適當的匹配網(wǎng)絡(luò )使天線(xiàn)的阻抗與發(fā)射機的輸出阻抗相匹配，同時(shí)由于天線(xiàn)的阻抗測量與其工作環(huán)境有一定關(guān)系，各種短波電臺在移動(dòng)情況下也需要對不同工作環(huán)境時(shí)的天線(xiàn)阻抗進(jìn)行匹配。常用的匹配網(wǎng)絡(luò )有L型(圖1-1 A)、π型(圖1-1 B)、T 型(圖1-1 C)，在短波電臺中多用T 型匹配網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行自動(dòng)匹配，自動(dòng)匹配系統（稱(chēng)之為自動(dòng)天調系統Auto-Turner）使用的方式是試探算法，即首先短波發(fā)射機輸出小功率（1W 或更低），由步進(jìn)電機帶動(dòng)(圖1.C)C1、C2、L2 進(jìn)行不停的試探，同時(shí)記錄下試探時(shí)VSWR 數值，最后根據記錄的數值得到C1、C2、L2 的最佳取值使天線(xiàn)的反射功率最小，從而完成匹配。通常自動(dòng)天調系統進(jìn)行試探匹配需要大量的測試時(shí)間（秒級），對于短波跳頻電臺這是不允許的，同時(shí)電臺的小功率輸出也容易暴露電臺位置。如果我們能以極微弱的信號快速的測試天線(xiàn)的射頻阻抗(R+jX),測量阻抗的實(shí)部和虛部，或模和相角的關(guān)系，就能根據天線(xiàn)的阻抗直接一次調整T 型匹配網(wǎng)絡(luò )的各項參數完成匹配，避免了使用原來(lái)傳統的試探算法測量，加快了天線(xiàn)的匹配速度。為了進(jìn)一步加快匹配速度，還可以將天線(xiàn)在短波全頻段的射頻阻抗數據預先測試存入T 型匹配網(wǎng)絡(luò )系統的EPROM 中，在電臺每次頻率跳變時(shí)，直接從EPROM 中讀取并直接匹配而無(wú)須測試，避免了進(jìn)行天線(xiàn)測試而暴露電臺的位置。同時(shí)隨著(zhù)短波電臺的移動(dòng)、工作環(huán)境的改變導致天線(xiàn)的阻抗產(chǎn)生變化后，能及時(shí)的重新修正匹配網(wǎng)絡(luò )保證電臺與天線(xiàn)的匹配。

圖1-1 匹配網(wǎng)絡(luò )

2.系統的設計目標

因此，對短波天線(xiàn)系統研制一個(gè)嵌入式智能矢量天線(xiàn)調諧系統并將其小型化為一個(gè)獨立的測試系統，并進(jìn)一步發(fā)展付諸應用到軟無(wú)線(xiàn)電短波電臺的嵌入式模塊化結構中，將對提高各種車(chē)載、機載、艦載短波寬帶天線(xiàn)的適應能力，對短波電臺的使用、維護及提高電臺的工作效率具有重要意義。

目前在天線(xiàn)的阻抗測試技術(shù)、特別是短波電臺的天線(xiàn)測試技術(shù)，主要是依賴(lài)于國外的矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀進(jìn)行測試，但這些儀器價(jià)格昂貴、體積大主要用于實(shí)驗室測試和工廠(chǎng)生產(chǎn)中的天線(xiàn)調試工作，不可能作為一種嵌入式模塊加入到短波電臺中。而在實(shí)際工程中，現有的各種車(chē)載、機載、艦載短波電臺需要嵌入一個(gè)小型化天線(xiàn)阻抗測量模塊對其不同工作環(huán)境、快速跳頻通信體制的天線(xiàn)進(jìn)行準確的測量，以便迅速的完成天線(xiàn)匹配。研制滿(mǎn)足嵌入式、高精度、高速測量的天線(xiàn)阻抗參數測量和匹配系統，將有很大的市場(chǎng)前景、經(jīng)濟效益。

3.系統概述

系統工作原理：

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

②矢量阻抗測量模塊工作，對短波天線(xiàn)進(jìn)行1MHz—30MHz 全頻段測量，采集的測量數據經(jīng)過(guò)DSP56F8323 處理器計算得到天線(xiàn)在整個(gè)短波頻段內的精確阻抗數值，并存儲在系統內作為L(cháng)C 調諧匹配的計算參數。