大功率發信機預調諧技術的應用與研究

張華，江思杰

（1.海軍92325部隊，大同 037000； 2.武漢船舶通信研究所，武漢 430205）

引言

在甚低頻通信領域，大功率發信機的阻抗調諧一直是甚低頻工程設計和使用上的難題，因為在大功率狀態下進行阻抗調諧，需要手動調整發信機和天線的各種參數，如果調整稍有差池，就會造成電壓或電流過荷，輕則使設備保護，不能正常工作，重則損壞設備，造成很大的損失，貽誤工作時機。針對這種情況，科研人員提出了一種設想，在不加高壓的情況下，對大功率發信機進行阻抗調節，使發信機與天線達到調諧狀態。這就是預調諧技術，也就是指發信機不需加電，即可獲取天線參數的技術，加高壓后無需再進行調整。

經過長期的理論研究與實踐探索，預調諧技術有了較大的突破，且預調諧系統樣機已在部分大功率發信臺站得到驗證與應用。但是這些設計的目的均是為了滿足臨時的測試需求，不能有效地提高大功率發信機戰技術性能，本文對如何應用預調諧技術并有效提高大功率發信機戰技術性能進行探討。

1 傳統調諧技術方案分析

1.1 傳統諧振法

傳統諧振法的基本原理是通過電容C與電感L組成串聯諧振回路，利用諧振時電容C上的電壓U2為諧振回路兩端的電壓U1的Q倍原理，其公式為Q=ωL/R，其中Q為諧振回路的品質因數，ω是諧振角頻率，R是電感線圈及回路連接導線的總損耗電阻[1]。傳統諧振法的阻抗測量原理圖如圖1所示。傳統諧振法在測量天線阻抗存在以下兩個問題：

1）測量精度較低，一般僅10 %左右，無法滿足測量精度要求，導致天線阻抗測量精度降低；

2）信噪比較低，由于信號源輸出功率較小，難以規避天線靜電所造成的影響。

1.2 矢量諧振法

矢量諧振法在傳統諧振法的基礎上進行了一定的改進，主要包括兩個方面：

1）利用可調電感Li代替了固定電感，使得測量頻率可調可控；

2）建立一套獨立的可調電容，以“己知數值標準元件”的形式出現，與天線阻抗測量結果進行比對，從而降低測量誤差[2]。

矢量諧振法測量天線阻抗的原理（見圖2）與傳統諧振法基本相同，雖然電路形式有一定的差異，但兩者實質一樣，即通過調節元件參數使測量回路諧振，被測阻抗在諧振的狀態下完成測量。

矢量諧振法主要有兩個優點：

1）有效的抑制天線靜電噪聲。使用矢量諧振法測量時，測量電路與天線處于匹配狀態，信號源輸出的功率能完全加載到天線上，從而有效的抑制天線靜電噪聲；

2）信噪比高。矢量諧振法的測量回路對天線靜電噪聲有一定的濾波效果，可以濾除一部分天電噪聲，從而有效的提高測量信噪比。

采用矢量諧振法設計的預調諧裝置目前已經量產，經過實踐驗證，裝置運行穩定，操作簡便，測量精確度有所提高。

1.3 瞬態響應法

瞬態響應法的基本原理與上述兩種方式有較大的不同，即通過測量RLC串聯諧振回路的瞬態響應參數從而得到天線阻抗值。具體如下：通過直流高壓源向可調電感與天線組成的諧振回路施加高壓（天線工作電壓），當電壓穩定時斷開高壓源同時閉合開關K1-2，形成RLC振蕩回路時，通過高壓測量單元采集振蕩回路的瞬態響應參數，從而計算天線阻抗的實部和虛部分量[3]。其實現原理圖如圖3所示。

瞬態響應法彌補了傳統諧振法與矢量諧振法的不足，擁有較高的測試精度與穩定性。

以上三種方法各有特點，均可應用到大功率發信機中，根據上面的分析，傳統諧振法方法比較原始，測量精度不高，沒有成型的樣機；矢量諧振法和瞬態相應法測量方法科學，操作簡便，區別在于矢量諧振法已經量產，但是測量精度稍差，而瞬態響應法測量精度較高，只是沒有量產，可視情采用這兩種方法設計預調諧裝置。

圖1 傳統諧振法測量阻抗原理圖

圖2 矢量諧振法測量阻抗原理圖

圖3 瞬態響應測量低頻天線阻抗的原理圖

2 大功率發信機應用預調諧技術的工作原理

目前來說預調諧技術是比較成熟的，但是要將預調諧技術和大功率發信機二者緊密結合，有效提高大功率發信機的戰技術性能，還是要根據大功率發信機的實際情況，結合操作、使用、維修等方面的要求，進行二次設計，將預調諧裝置集成到大功率發信機控制系統中，最大限度提高其戰技術性能。

2.1 發信機控制系統應用預調諧裝置功能

控制系統是發信機的大腦和神經中樞，主要由三大部分組成，包括電控、調整和天控裝置。電控裝置是發信機控制系統的核心，負責發信機開關機操作和狀態指示。調整裝置負責調整發信機主機的狀態，包括匹配濾波、中槽大耦合等，并將主機狀態顯示出來。天控裝置負責調整天線及調諧亭的狀態，如粗細調線圈并將之顯示出來。

為了實現預調諧功能，需要在控制系統增加一個預調諧裝置，如圖4所示。

增加了預調諧裝置后，控制系統各裝置應當增加如下功能：

1）電控裝置發起指令要求預調諧裝置進行預調諧操作。

2）預調諧裝置接收電控裝置的預調諧指令、天控裝置的頻率信息、調整裝置的調諧狀態，控制調整裝置、天控裝置的可調線圈，實現發信機不加高壓調諧的功能。

3）調整裝置接受預調諧裝置調整中槽線圈的指令，并向預調諧裝置發送調諧狀態信息。

4）天控裝置向預調諧裝置發送頻率信息，并接受預調諧裝置調整粗細調線圈的指令。

2.2 預調諧裝置工作原理

對于預調諧裝置來說，為了實現上述功能，應當按照下列步驟進行工作：

1）預調諧裝置上設置新的頻率，或讀取激勵器的頻率；

2）預調諧裝置上開始測試天線狀態，每秒更新一次，調整時以此動態顯示的阻抗數據為依據；

3）調整發信機天線回路的粗細調線圈，使得預調諧裝置顯示的電阻值達到最大；

4）調整發信機中槽線圈或大耦合，使得預調諧裝置顯示的電阻值等于發信機內阻X歐姆，電抗絕對值小于Y歐姆；

5）調機可能一次不能達到最佳狀態，因此需要重復前兩個步驟，直至預調諧裝置顯示的電阻值等于發信機內阻且為最大值，電抗絕對值小于Y歐姆；

6）此時的中槽線圈數值、大耦合數值、粗細調線圈數值等參數，即為該頻率的調諧點，記錄這些數值，以備查詢比較。

這樣就實現了發信機不加高壓調諧的功能，預調諧裝置的工作原理如圖5所示。

圖4 控制系統組成結構圖

圖5 調諧裝置工作原理圖

3 大功率發信機應用預調諧技術的改造方法

根據前面的討論，已經明確了將預調諧裝置集成到發信機的控制系統的功能和原理，接下來將討論如何從硬件和軟件對控制系統進行改造，以使其實現預調諧的功能，同時不改變現有系統的完整性，不降低現有系統的穩定性[4]。

3.1 硬件改造方法

硬件改造主要包括兩大部分，一是預調諧裝置的硬件設計，二是炮彈開關的硬件改造。

1）預調諧裝置應符合國軍標，可以安裝到發信機控制系統柜，一個抽屜即可，硬件是現成的，可以利用現有成型預調諧測試儀的硬件，只需稍加改造，符合發信機控制柜的標準即可，如圖6所示。

左側顯示屏幕用于顯示設置的參數，需要觀察的電阻值、電抗值等。中間小鍵盤用于功能設置如頻率設置、開始調諧等，以及數字鍵等功能。右側主要用于裝置開關、電源指示等，還有一個USB接口用于外接鼠標，方便裝置的軟件更新、維護等，一般操作是用不到的。

2）炮彈開關。預調諧裝置接入天線假負載切換開關，需要將原有的二選一炮彈開關改為雙刀聯動炮彈開關。原有功能為發信機輸出二選一：天線或假負載，如圖7所示。

現有功能為兩個輸入：預調諧或發信機，兩個輸出：天線或假負載，發信機工作時，預調諧和假負載懸空，發信機接天線，預調諧時，預調諧接天線，發信機接假負載，此時可實現兩個功能，即預調諧天線參數，發信機在假負載狀態調試，如圖8所示。

預調諧裝置與切換開關的信號線連接采用良好屏蔽的75 V測試電纜。預調諧裝置預留與控制柜的通信用網線接口，目前還不需要使用網線通信，主要以人工操作為主，等待下一步積累實際應用經驗，滿足自動預調諧條件后再進行軟件的改造提升。

圖6 預調諧裝置前面板示意圖

圖7 改造前的鏈接方式示意圖

圖8 增加預調諧裝置的連接方式示意圖

3.2 軟件改造方法

硬件運行穩定后，可開展系統軟件的改進工作，以實現自動精準預調諧的功能，主要包括以下幾個方面：

1）統一軟件接口協議。預調諧軟件運行于Windows操作系統，而發信機控制系統軟件運行于PLC的WINCC系統，可通過擴展接口協議編輯遠程通信控制軟件，從而實現二者的通信與控制[5]。

2）改進預調諧軟件判斷模塊和遙控模塊。優化系統軟件界面，添加用于判斷軟件計算出的電阻值、電抗值是否符合目標要求的邏輯模塊，遙控模塊用于遠程控制中槽線圈、粗細調線圈。

3）預留權限，便于遙控。針對遠程遙控模式，開通給預調諧軟件的編輯權限，添加自定義預調諧模式的功能，有利于后續改進與維護。

軟件改造完成后，應當實現這樣的功能：可手動或半自動進行預調諧。手動預調諧時，按下預調諧裝置上的開始調諧按鈕，預調諧裝置屏幕上顯示調諧數據，手動調節中槽線圈和粗細調線圈，使屏幕上的調諧數據達到調諧的要求。半自動預調諧時，按下預調諧裝置上的開始調諧按鈕，預調諧裝置軟件根據調諧規則，自動調節中槽線圈和粗細調線圈，使設備達到調諧要求。

4 結論

本文討論了預調諧技術如何應用到大功率發信機中的問題，提出了設計思路、工作原理以及硬件和軟件的改造方法。在實際工作中，安裝預調諧裝置后，可利用該裝置定期校對發信機參數，在臨時改頻工作時，也可隨時使用。改造完成后，大功率發信機的調諧備妥時間將大大縮短，可實現隨時改頻隨時發信工作，尤其是實現軟件自動調諧后，不需要人工操作，將使調諧備妥時間進一步縮短，同時也避免了在大功率狀態下調機發生故障的危險，提高了設備的穩定性，達到了提高大功率發信機戰技術性能的目的。預調諧技術應用成熟后，還可以進一步實現大功率發信機全自動調諧的功能，這樣調諧過程完全不需要人工干預，這將大大節省值班值勤的人力資源，如果具備一定的通信條件，還可以實現遠程控制大功率發信機開機工作的功能，這將大大提高對潛發信系統的時效性，這些還需要下一步更加細致的研究。