調頻發射機自動天線調諧器的算法設計

何西

摘 要：調頻發射機系統的關鍵技術之一是自動天線調諧器的快速阻抗匹配，本文提出采用Smith圓圖做阻抗匹配，對算法系統的技術難點進行了深入探討，給出了天線阻抗匹配的軟件流程實現方案，測試試驗表明，平均調諧時間、調諧精度等指標均滿足預定要求。

關鍵詞：天線調諧器;軟件算法;設計

中圖分類號：TN838 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）10-0065-02

0 引言

調頻發射天線的阻抗會隨頻率的變化而變，而發射機的輸出阻抗是固定的，這樣在實際運行中發射機與天線之間阻抗將產生不匹配，會引起傳輸輻射功率降低，甚至發生反射。為了匹配發射機與天線之間阻抗，采用的方法是在發射機與天線之間增加天線調諧器，以期達到天線在頻率變化后也能有最大的輻射功率。

要使發射機傳送到天線的功率最大，發射機阻抗必須等于天線的共軛阻抗，在這個條件下，從發射機到天線傳輸的能量最大，能有效傳輸功率，也直接關系到通信質量。天線調諧器也即TIMS（Trace Impedance Measuring System）技術，有人工和自動之分，自動天線調諧技術采取檢測后，調節天調單元中匹配網絡的各個可變元器件的參數值，以匹配發射機輸出阻抗與調諧器接入阻抗，使得發射機有最大的發射功率傳輸出來。

1 阻抗匹配網絡

自動天線調諧器有檢測，控制和執行單元，主要由匹配算法軟件和匹配網絡構成。為實現自動檢測和處理，內部配置有微電腦，通過改變配置網絡中的電容和電感量，達到調諧匹配目的。

阻抗匹配網絡是調諧閉環反饋系統中最重要的一環，阻抗匹配的目的是確保能實現信號或能量從發射機到天線的有效傳送。天線工作起來一般呈電容性或電感性，天線調諧器就根據天線的這個原理，對電容性的天線采用加入電感來匹配阻抗，電感性的天線采用加入電容，實現共厄匹配。

1.1 阻抗匹配電路結構

而匹配電路就是由電感和電容所構成，這個時候我們就需要使用電容和電感來進行阻抗匹配電路調試，以達到RF性能最優。阻抗匹配網絡天調的線路基本為T型和π型，一般結構如圖1，本實驗采用π型結構。

1.2 阻抗匹配網絡

自動天線調諧器內部關鍵是自動檢測和自動控制單元，需要用到微電腦控制電路和微電腦程序編程，采用繼電器切換定值電容群和電感群的組合來實現實際接入電容電感值的步進改變。根據Smith阻抗圓圖位置，調諧檢測獲得模擬信號值，經過數字量化后轉換為數據送入微電腦系統，在微電腦系統控制下，自動判斷并控制阻抗匹配網絡的元件切換。

在多種阻抗匹配的方法中，經過試驗選擇Smith圓圖，通過它能快速找出最大功率傳輸的匹配控制流程，并優化噪聲系數，提高通訊品質以及通訊穩定性。串并聯元件對應的smith圖上的運動軌跡可作為調試判斷，要維持匹配的穩定性，電感/電容值不能過小，電容值不能過大，是因為依照容抗公式：，電容值越大，容抗越小，阻抗匹配如圖2。

2 調諧算法

調諧算法是自動天線調諧系統的關鍵技術，決定整個系統的優劣和特性，調諧軟件是根據調諧算法設計，其算法直接決定天調系統調諧精確度以及調諧時延，包括調諧時間、調諧精度、最大可調諧范圍。

調諧軟件直接接受調諧網絡反饋數據，控制匹配網絡，實現自動阻抗檢測和匹配，在快速換頻跳頻是，自動快速適應電磁波組網。

阻抗圓圖（如圖3）的構圖原理是利用輸入阻抗與電壓反射系數之間的一一對應關系，將歸一化輸入阻抗表示在反射系數極坐標系中，上半圓阻抗為感抗，下半圓阻抗為容抗;實軸為純電阻，單位圓為純電抗;實軸的右半軸皆為電壓波腹點，左半軸皆為電壓波節點;匹配點（1，0），開路點（∞，∞）和短路點（0，0）;兩個特殊圓：最大的為純電抗圓，與虛軸相切的為匹配圓。

導納圓圖與阻抗圓圖互為中心對稱，同一張圓圖，即可以當作阻抗圓圖來用，也可以當作導納圓圖來用，但是在進行每一次操作時，若作為阻抗圓圖用則不能作為導納圓圖。

在天線之前串聯或并聯一個可變電感/電容，將得到Smith圓圖上右側的幾條曲線。對應Smith阻抗圓及導納圓，使用Smith阻抗圓時，串聯電感順時針轉，串聯電容逆時針轉;使用Smith導納圓時，并聯電感，逆時針轉，并聯電容順時針轉。

調諧網絡的主要理論支撐是Smith阻抗圓圖，Smith圖上可以反映出如下信息：阻抗參數Z，導納參數Y，品質因子Q，反射系數，駐波系數，Snn散射參數，噪聲系數，增益，穩定因子，功率，效率，頻率信息等抗、駐波比、品質因數等參數，調諧網絡計算時忽略其它參數的影響。

3 調諧流程設計

史密斯圓圖分布在坐標的四個象限中，圓圖中的每一點為反射系數，阻抗調整可以根據系數的絕對值和點的相位來實現，點到原點的距離為反射系數的絕對值，到原點的角度為反射系數的相位。

也可以根據點位的值來確定調節方向來實現，本算法采用后者。反射系數為阻抗匹配性，由虛部和實部組成，反射系數的實部為電阻圓，虛部為等電抗圓。把阻抗圓圖旋轉180度，即為導納圓圖。合并阻抗圓圖和導納圓圖，可以從阻抗點通過等電阻圓、等電抗圓移動到原點，實現阻抗匹配，達到發射能量全部輸出。

圓圖中的橫坐標為反射系數的實部，縱坐標為反射系數的虛部。在流程設計時，先計算反射系數，基本算式為Γ=（Z-1）/（Z+1），Γ為反射系數，Z是負載值，在電路設計完成后，檢測推算各參數值，傳輸線的特征阻抗值采用50Ω。計算后得到實部和虛部的值，分別對應調節電容和電感的大小，步進式回歸到原點，達到匹配成功。流程示意圖如圖5。

圓圖最中間的點（Z=1+j0，Γ=0）代表其反射系數的值為零，發射機功率完全傳輸到天線。圓圖的邊緣代表其反射系數的幅度是1，即完全反射，沒有功率傳送到天線。如圖4。

在天線調諧器具體做成時，元器件指標稍有差異，軟件算法的參數要對具體采用的感容元件的特性，采取相應的調整。

4 結語

結合發射環境，硬件網絡與軟件算法聯調后，自動天線調諧器進行了具有統計效果的大量測試數據采集，通過實際數據統計結果表明，調諧時間間隔小于2秒。

天線調諧技術是中短波通信系統中的關鍵技術之一。快速自動算法采用對Smith阻抗圓圖進行計算判定，具有高效性，在實際案例應用和模擬試驗中，采樣數據表明調諧周期短，適應發射環境變化，能有效應用。

參考文獻

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