匹配窄帶螺旋天線的天調(diào)設(shè)計及配諧失調(diào)故障排除

廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 許業(yè)周

匹配窄帶螺旋天線的天調(diào)設(shè)計及配諧失調(diào)故障排除

廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 許業(yè)周

介紹了一種匹配窄帶螺旋天線的天調(diào)，采用矢量自動天調(diào)技術(shù)設(shè)計一種天線調(diào)諧器，分析了其工作原理，介紹了天調(diào)網(wǎng)絡(luò)板拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化與定型，給出了天調(diào)調(diào)諧算法的實現(xiàn)；對于實際應(yīng)用中出現(xiàn)的無法正常配諧天線的故障進(jìn)行故障分析和定位，提出了解決方案。

窄帶螺旋天線；匹配設(shè)計；調(diào)諧器；配諧失調(diào)；故障定位

1.前言

傳統(tǒng)的短波天線調(diào)諧器通過測量傳輸線上的電壓/電流的相位差（大于0還是小于0）、匹配網(wǎng)絡(luò)輸入端的并聯(lián)等效輸入電阻（大于還是小于50Ω）和電壓駐波比VSWR，其中相位與電阻的值為相對值，通過逐次逼近式調(diào)諧算法不斷去調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)VSWR小于設(shè)定值時，完成阻抗匹配，由于需要多次調(diào)整，需要的時間較長。傳統(tǒng)的天調(diào)調(diào)諧時間多為3s以內(nèi)，本文設(shè)計的矢量天調(diào)調(diào)諧時間可以達(dá)到0.5s以內(nèi)，性能有大幅提高[1]。

2.矢量天調(diào)調(diào)諧原理

矢量天線調(diào)諧器的作原理為天調(diào)接收到來自短波電臺發(fā)射機(jī)的調(diào)諧指令和頻率信息，CPLD根據(jù)頻率信息生成調(diào)諧頻率字送往DDS頻率源，DDS產(chǎn)生對應(yīng)頻率的射頻信號并通過射頻放大作為回路的功率信號；電壓、電流取樣電路對射頻回路進(jìn)行采樣，通過預(yù)處理及采樣后送給DSP進(jìn)行處理，DSP通過算法計算出取樣點的矢量阻抗，并計算從取樣點到50Ω阻抗點需要接入的匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；DSP并通過CPLD控制對應(yīng)的繼電器切換，以接入對應(yīng)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，同時計算出VSWR，完成調(diào)諧[2]。

3.匹配窄帶螺旋天線的天調(diào)設(shè)計

3.1 天調(diào)網(wǎng)絡(luò)板拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化與定型

由于與采用的電臺搭配短波天線為窄帶螺旋天線，與傳統(tǒng)的鞭天線相比阻抗很小，駐波比在頻帶內(nèi)變化非常劇烈，并且印制板的分布參數(shù)影響較大，需要改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以去適應(yīng)。為確定矢量天調(diào)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，測得了螺旋天線S參數(shù)的smith圓圖。

通過對S參數(shù)進(jìn)行分析，對2-30MHz內(nèi)以0.1MHz步進(jìn)逐點遍歷，通過手動調(diào)諧確定在對應(yīng)頻段內(nèi)所需要的匹配器件及參數(shù)值，手動調(diào)諧后部分頻點的smith圓圖如圖1所示。

圖1 部分頻點手動調(diào)諧后的s mi t h圓圖

對實驗測試的數(shù)值進(jìn)行整理歸納，得到符合要求的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，對應(yīng)的參數(shù)如下：

LQ：0.125、0.35、0.5uH；

CQ：47、100、181pF；

C1：5.1、10、22、44、86、164、326、642、1240、2400、4800pF；

L1：0.03、0.07、0.125、0.25、0.5、1、2、4、8uH；

C2：15、27、56、112、220、440pF。

圖2 新設(shè)計的天調(diào)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2 天調(diào)調(diào)諧算法的實現(xiàn)

首先把阻抗圓圖分成四個區(qū)域，如圖3所示。

圖3 阻抗圓圖

任何天線阻抗歸一化后都可歸類在此四個區(qū)內(nèi)，設(shè)歸一化天線阻抗為ZA=R+jX，歸一化導(dǎo)納為：

存在：

A區(qū)阻抗范圍為：q≤0 (X≥0)，g≤1

B區(qū)阻抗范圍為：X≤0，R≤1

C區(qū)阻抗范圍為：q≤0 (X≥0)，g≥1

D區(qū)阻抗范圍為：X≤0，R≥1

然后根據(jù)超外差矢量檢測技術(shù)得到精確的阻抗信息，可以采用如下兩種算法進(jìn)行快速匹配。

（1）直接計算法

在直接計算法調(diào)諧中，將阻抗圓圖所示的A、D區(qū)劃入后π調(diào)諧（后Pi）區(qū)域內(nèi)，將B、C區(qū)劃入前π調(diào)諧（前Pi）區(qū)域內(nèi)。

根據(jù)檢測得到的阻抗值，既可知當(dāng)前天線阻抗值處于哪個區(qū)域，從而能夠判定應(yīng)該采用前π或后π進(jìn)行調(diào)諧。

（2）基于等g圓/等r圓的快速半?yún)^(qū)法

B、C區(qū)調(diào)諧時都采用前π匹配網(wǎng)絡(luò)。首先串聯(lián)電感，直到g=1，x＞0處，這一段采用半?yún)^(qū)法來加電感；然后則并聯(lián)前π電容至原點（R=50Ω）處，這一段采用半?yún)^(qū)法來加電容。

目前天調(diào)可實現(xiàn)對窄帶螺旋鞭天線短波全頻段配諧，駐波比不大于1.5，調(diào)諧時間不大于1秒。

4.配諧天線的故障判斷及處理方法

4.1 故障點分析

在實際應(yīng)用中，出現(xiàn)無法正常配諧天線的故障，故障表現(xiàn)為全頻段（1.6MHz～29.9999MHz）配諧失敗。由于天調(diào)能夠接收主機(jī)命令進(jìn)行調(diào)諧，因此排除單饋電路問題；另外，由于全頻段調(diào)諧失敗，因此排除網(wǎng)絡(luò)電路的個別電容或電感和與之相連的繼電器問題。問題應(yīng)出現(xiàn)在射頻通路上的相關(guān)檢測電路、繼電器控制電路和電源電路。分析調(diào)諧失敗問題的可能原因為：供電電路異常，使部分電路無法正常工作，導(dǎo)致調(diào)諧失敗；阻抗相位檢測器故障，導(dǎo)致相位和阻抗檢測數(shù)據(jù)出錯，天調(diào)無法正常配諧；駐波比檢測電路故障，導(dǎo)致無法正確判決調(diào)諧結(jié)果，出現(xiàn)調(diào)諧失敗現(xiàn)象；繼電器控制電路出錯，使配諧過程未按軟件算法實施，導(dǎo)致調(diào)諧失敗。

圖4 駐波比檢測原理圖

4.2 初步定位

針對上述可能的故障原因，進(jìn)行分析。對電路所有供電電路進(jìn)行測試。所有電壓符合電路要求，因此排除供電原因；通過配接不同阻抗特性的負(fù)載檢查檢測器輸出結(jié)果。檢測器相位及阻抗檢測輸出結(jié)果與設(shè)定的負(fù)載一致，以此排除檢測器故障；在配接標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載的情況下輸入功率，檢測駐波比檢測電路輸出。由于電路輸出結(jié)果與設(shè)定結(jié)果不一致，因此懷疑駐波比檢測電路出現(xiàn)故障；利用調(diào)試架，輸出特定控制信號到繼電器控制電路，檢查控制結(jié)果是否按調(diào)試程序執(zhí)行。由于繼電器按調(diào)試程序逐一吸合釋放，因此排除繼電器控制電路原因。

4.3 故障確認(rèn)

基于以上分析，初步判斷駐波比檢測電路出現(xiàn)故障，駐波比檢測電路原理圖如圖4所示。

圖4中接標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載（200Ω），檢測電路在輸入標(biāo)準(zhǔn)功率后，檢測出的電壓S1（220mv）和S2（187mv）符合設(shè)計要求，但經(jīng)過運放比較后輸出的結(jié)果為低電平，不符合設(shè)計要求（要求輸出2.5V以上，實際輸出0.56V）；確認(rèn)此處為故障點；運放輸出管腳連接電阻R46進(jìn)行上拉高電平，連接電容C80進(jìn)行濾波后直接連接到單片機(jī)輸入腳和下一級運放輸入；斷開與單片機(jī)相連后，輸出電平現(xiàn)象仍為低電平。排除單片機(jī)問題；觀察下一級比較器電路，發(fā)現(xiàn)電容C82兩端焊接情況不一致，一邊焊盤上錫較多。判斷C82曾經(jīng)進(jìn)行過補(bǔ)焊。利用三用表對電容的電阻進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)其電阻只有0.6kΩ（正常電路實測33.4kΩ）。因此判斷電容出現(xiàn)故障；更換電容，重新測量檢測電路輸出，發(fā)現(xiàn)故障未出現(xiàn)。天調(diào)正常工作；因此確認(rèn)天調(diào)調(diào)諧問題是因為電容C82一個故障點失效導(dǎo)致。

5.結(jié)論

矢量天調(diào)與短波電臺搭配使用，目前應(yīng)用比較廣泛。本文設(shè)計的矢量天調(diào)調(diào)諧時間可以達(dá)到0.5s以內(nèi)，性能有大幅提高。實際應(yīng)用中，電臺搭配的短波天線為窄帶螺旋天線，與傳統(tǒng)使用的鞭天線相比阻抗很小，駐波比在頻帶內(nèi)變化非常劇烈。

[1]吳建鋒．跳頻電臺矢量天線調(diào)諧器設(shè)計[D]．西安：西安電子科技大學(xué),2011．

[2]姜孝偉,張靜,王閩．天調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計[J]．通信與廣播電視,2013(3)：32-37．