微處理器在自動天線調(diào)諧器中的應(yīng)用

李 健，李麗霞

(同方電子科技有限公司 高端通信研究所，江西 九江332002)

0 引言

在短波發(fā)射機(jī)配天線工作時，短波發(fā)射機(jī)輸出的50 Ω內(nèi)部阻抗和不同阻抗的短波天線須相匹配[1]，當(dāng)天線阻抗與發(fā)射機(jī)阻抗不匹配時，由自動天線調(diào)諧器對匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)諧，使天線阻抗接近發(fā)射機(jī)輸出阻抗。在實(shí)際短波發(fā)射機(jī)自動天線調(diào)諧器中，通常采用人工調(diào)諧、固定分段和固定駐波比檢測的數(shù)字調(diào)諧及微處理器自動調(diào)諧等技術(shù)手段來進(jìn)行調(diào)諧。人工調(diào)諧通過人工手動調(diào)節(jié)電感和電容匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)諧，具有調(diào)諧時間長、對操作人員要求高等缺點(diǎn)；固定分段和固定駐波比檢測的數(shù)字調(diào)諧具有調(diào)諧時間快的特點(diǎn)，但調(diào)諧精度一般，調(diào)諧匹配范圍有限；相對以上調(diào)諧方式，采用微處理器自動調(diào)諧方式具有自動控制和算法靈活的特點(diǎn)，是現(xiàn)在主要的一種調(diào)諧方式，文獻(xiàn)[2]通過89C52微處理器及擴(kuò)展外圍芯片實(shí)現(xiàn)了基于微處理器的天線自動調(diào)諧，但硬件控制電路和軟件調(diào)試相對復(fù)雜。

本文采用一體化微處理器實(shí)現(xiàn)了短波400 W自動天線調(diào)諧器，利用了C8051F020微處理器的高集成度、編程簡單和在線仿真等優(yōu)勢，較簡單地實(shí)現(xiàn)了粗調(diào)和精調(diào)結(jié)合的復(fù)雜迭代天線調(diào)諧算法，該算法較好地平衡兼顧了自動天線調(diào)諧器的調(diào)諧精度、調(diào)諧時間及調(diào)諧范圍等指標(biāo)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

短波400 W發(fā)射機(jī)天線調(diào)諧系統(tǒng)由激勵單元、功放單元、濾波單元、天線自動調(diào)諧器和天線等組成，短波400 W發(fā)射機(jī)自動天線調(diào)諧工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)通過激勵單元產(chǎn)生激勵信號，激勵信號先經(jīng)過功放單元放大，通過功率濾波器對激勵信號進(jìn)行濾波，天線自動調(diào)諧器自動調(diào)諧，最后通過天線輻射。

系統(tǒng)的控制過程為激勵器的激勵信號頻率、功率和調(diào)制方式等參數(shù)通過面板按鍵輸入修改；同時激勵器通過RS422接口[3]與功放微機(jī)和天調(diào)微機(jī)串口通信，交互頻率、功率和調(diào)諧等命令及參數(shù)。自動天線調(diào)諧器的微機(jī)控制單元對激勵器的命令進(jìn)行處理、分析和計(jì)算，對檢測單元的各路檢測信號進(jìn)行檢測、計(jì)算、分析和故障保護(hù)，再控制匹配網(wǎng)絡(luò)的電容和電感繼電器通斷，從而實(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)諧。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

自動天線調(diào)諧器硬件電路[4]主要包括微處理器自動控制[5]電路、繼電器驅(qū)動電路、匹配網(wǎng)絡(luò)電路、檢測保護(hù)電路和電源轉(zhuǎn)換電路。硬件原理如圖2所示。

圖2 自動天線調(diào)諧器硬件原理

電源轉(zhuǎn)換電路主要給其他各電路提供所需的電源電壓，把12 V輸入電壓轉(zhuǎn)換成各電路所需的5 V電壓和3.3 V電壓。檢測保護(hù)電路主要提供用于檢測和保護(hù)的檢測電壓和電平，包括正向功率檢測電壓、反向功率檢測電壓、過流檢測電壓、0°相位檢測電壓和90°阻抗模值檢測電壓，并提供過溫檢測電平，其中正、反向功率電壓檢測主要用于計(jì)算電壓駐波比和當(dāng)前實(shí)時功率值；過流檢測主要對自動天線調(diào)諧器進(jìn)行過流檢測及保護(hù)；0°相位檢測電壓和90°阻抗模值檢測電壓用于判斷阻抗區(qū)域；過溫檢測對自動天線調(diào)諧器是否發(fā)熱致使溫度過高進(jìn)行實(shí)時檢測和保護(hù)。

匹配網(wǎng)絡(luò)電路主要由加權(quán)電容和加權(quán)電感組成，加權(quán)即按2n次方的倍數(shù)來配置電容和電感的值，從而方便按十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制來控制當(dāng)前電容和電感值，電容和電感值控制精度為最小的加權(quán)電容和電感值C1和L1，加權(quán)電容和加權(quán)電感的組合高達(dá)上千種，設(shè)計(jì)中部分加權(quán)電容和加權(quán)電感參數(shù)典型配置如表1所示，實(shí)際應(yīng)用中由于分布參數(shù)的影響，加權(quán)電容和加權(quán)電感會有微小變化。

表1 加權(quán)電容及加權(quán)電感

Ci值/pFLi值/μHC120L10.15C240L20.3C380L30.6C4160L41.2C5320L52.4C6640L64.8C71 280L79.6C82 650L819.2L938.4

繼電器驅(qū)動電路主要實(shí)現(xiàn)I/O接口電平驅(qū)動功能，通過ULN2003驅(qū)動芯片把C8051F020微處理器I/O接口輸出的5 V電平驅(qū)動轉(zhuǎn)換成24 V電平，用于驅(qū)動切換高壓繼電器的通斷，繼電器控制加權(quán)電容和電感的通斷。ULN2003驅(qū)動芯片為美國Texas Instruments公司和Sprague公司共同開發(fā)的一款驅(qū)動芯片，ULN2003驅(qū)動芯片具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬及帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)，內(nèi)部集成了消線圈反電動勢的二極管，用來驅(qū)動繼電器。

微處理器自動控制電路作為400 W自動天線調(diào)諧器微機(jī)控制系統(tǒng)的核心，主要采用SILICON LABS公司的C8051F020微處理器作為主控制器，C8051F020微處理器集成度高，芯片內(nèi)資源豐富，單芯片集成了FLASH，RAM，A/D，D/A，串口及定時器等，功能強(qiáng)大，大大減少了外圍電路，適合體積小的單芯片工作，節(jié)省了印制版面積和成本，符合設(shè)備小型化趨勢，提高了可靠性，可在系統(tǒng)中進(jìn)行仿真調(diào)試，在嵌入式微機(jī)控制系統(tǒng)里具有通用性，C8051F020微處理器芯片的詳細(xì)功能介紹可參考數(shù)據(jù)手冊。

本系統(tǒng)中采用C8051F020微處理器的P0口、P1口和P2口I/O接口控制加權(quán)電容和電感的通斷，P0口、P1口和P2口I/O接口經(jīng)ULN2003芯片驅(qū)動后用于控制繼電器通斷，從而達(dá)到控制加權(quán)電容和電感的接入和斷開。采用C8051F020微處理器內(nèi)置串口實(shí)現(xiàn)自動天線調(diào)諧器與外部激勵器串口通信，RXD0和TXD0為串口0的收發(fā)線，由于400 W發(fā)射機(jī)發(fā)射功率時會產(chǎn)生干擾，為了可靠地收發(fā)數(shù)據(jù)，增加串口通信的抗干擾能力，本微機(jī)控制系統(tǒng)中波特率設(shè)置為中等速率9 600 bps。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 主程序設(shè)計(jì)

C8051F020微處理器自動控制系統(tǒng)采用Silicon Labs IDE為軟件開發(fā)環(huán)境，在線仿真采用U-EC6實(shí)時調(diào)試器，系統(tǒng)主要程序[6]包括主程序、串口程序和調(diào)諧程序等，主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程

主程序主要包括初始化程序和故障檢測保護(hù)程序，由于發(fā)射機(jī)帶天線發(fā)射功率工作時，一旦出現(xiàn)天線阻抗不匹配，反射功率會很大，導(dǎo)致?lián)p壞發(fā)射機(jī)的功放設(shè)備，且天線通常安裝在室外，一旦出現(xiàn)雷電天氣，容易引入雷電到設(shè)備內(nèi)，燒壞設(shè)備。所以，為了使設(shè)備更加安全可靠地工作，主程序采用循環(huán)執(zhí)行的方式實(shí)時對故障進(jìn)行檢測，同時實(shí)時進(jìn)行保護(hù)處理，從而保證發(fā)射機(jī)和自動天線調(diào)諧器的工作安全。主程序中的初始化程序?qū)Υ凇⒍〞r器和寄存器等進(jìn)行參數(shù)初始化，主程序中故障檢測保護(hù)程序主要檢測當(dāng)前天線自動調(diào)諧器設(shè)備的電流、電壓、溫度和駐波比等參數(shù)，并判斷是否正常，如不正常則通知激勵器單元對激勵信號做相應(yīng)控制和保護(hù)處理，如降功率和關(guān)斷信號發(fā)射的保護(hù)處理措施等。

1.2.2 串口程序設(shè)計(jì)

串口程序流程圖如圖4所示。

串口程序用來與發(fā)射機(jī)激勵器單元進(jìn)行串口命令和數(shù)據(jù)的收發(fā)，自動天線調(diào)諧器微機(jī)控制系統(tǒng)接收發(fā)射機(jī)激勵器單元的命令和數(shù)據(jù)，進(jìn)行解析并做相應(yīng)的處理，同時把天線的狀態(tài)回送給激勵器單元，激勵器收到狀態(tài)反饋信息后，對發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行全局管理控制，與激勵器的串口命令處理均在串口服務(wù)程序里處理，其中串口服務(wù)程序?qū)邮盏郊钇髅钊鐡Q頻、天線調(diào)諧、存儲和調(diào)用等命令進(jìn)行解析處理，并通過串口向激勵器發(fā)送申請調(diào)諧功率、增加調(diào)諧功率和調(diào)諧結(jié)果以及故障保護(hù)等狀態(tài)參數(shù)。

圖4 串口0中斷服務(wù)程序流程

1.2.3 調(diào)諧程序設(shè)計(jì)

調(diào)諧程序的具體流程如圖5所示。

圖5 調(diào)諧控制子程序模塊流程

調(diào)諧程序是自動天線調(diào)諧器自動控制的核心部分，其主要根據(jù)發(fā)射機(jī)的不同頻率對匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)諧，從而實(shí)現(xiàn)天線阻抗與400 W發(fā)射機(jī)輸出阻抗的自動匹配，調(diào)諧程序主要通過分段和微調(diào)結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)調(diào)諧精度和調(diào)諧時間的平衡問題。如果調(diào)諧精度不夠，導(dǎo)致天線與發(fā)射機(jī)阻抗失配，發(fā)射機(jī)在配天線發(fā)射功率時，發(fā)射功率效率低，反射功率大，不但達(dá)不到發(fā)射要求功率的目的，而且容易損壞發(fā)射機(jī)；如果調(diào)諧時間長，易導(dǎo)致發(fā)射機(jī)調(diào)諧時容易被捕捉到，增加發(fā)射目標(biāo)被暴露的概率，從而容易受到攻擊。

系統(tǒng)自動調(diào)諧關(guān)鍵流程如下：自動天線調(diào)諧器收到激勵器換頻命令，接通衰減器，初始化參數(shù)，做好調(diào)諧準(zhǔn)備后向激勵器發(fā)送申請調(diào)諧功率命令，激勵器收到后從較低功率發(fā)射當(dāng)前頻率射頻信號，并接通PTT發(fā)射信號開關(guān)；自動天線調(diào)諧器循環(huán)檢測當(dāng)前調(diào)諧功率，如果判斷當(dāng)前調(diào)諧功率沒有達(dá)到調(diào)諧功率門限(10～20 W之間)，則向激勵器繼續(xù)申請?jiān)黾庸β?，激勵器?.25 dB步徑增加調(diào)諧功率，如此循環(huán)，直到自動天線調(diào)諧器檢測到調(diào)諧功率達(dá)到調(diào)諧功率門限要求，這種按微小步徑漸增調(diào)諧功率的方法，使調(diào)諧功率嚴(yán)格控制在要求的調(diào)諧功率門限內(nèi)，避免了調(diào)諧功率過大或過小影響檢測的安全性和準(zhǔn)確性。

隨后進(jìn)入調(diào)諧流程，設(shè)置電壓駐波比(VSWR)門限[7]為1.5(可設(shè)置)，最大調(diào)諧時間2 s，先通過0°相位檢測和90°阻抗模值檢測確定阻抗調(diào)諧區(qū)域在阻抗圓圖[8]的位置(即分段)，然后根據(jù)不同段確定相應(yīng)段用于調(diào)諧的電容值和電感值范圍，同時依據(jù)不同段輸出對應(yīng)的初始匹配網(wǎng)絡(luò)電容和電感值；再檢測正、反向功率電壓值，根據(jù)正、反向功率電壓值計(jì)算出當(dāng)前電壓駐波比(VSWRc)，如果當(dāng)VSWRc=1.5，則按逐次逼近法逐次改變加權(quán)電容和電感，再逐次檢測計(jì)算當(dāng)前電壓駐波比，并把VSWRc與上一次匹配網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的電壓駐波比值(VSWRl)進(jìn)行比較，如果VSWRcVSWRl，則舍棄當(dāng)前匹配網(wǎng)絡(luò)和電壓駐波比，即匹配網(wǎng)絡(luò)電容、電感參數(shù)和VSWRl保持不變，重復(fù)迭代的過程就是逐次逼近阻抗匹配的過程。調(diào)諧結(jié)束判斷：如電壓駐波比小于1.5，則結(jié)束調(diào)諧，調(diào)諧結(jié)果為當(dāng)前匹配網(wǎng)絡(luò)和當(dāng)前電壓駐波比；如調(diào)諧時間超過2 s，則按超時結(jié)束調(diào)諧處理，使用調(diào)諧過程中最小電壓駐波比時的匹配網(wǎng)絡(luò)，并通過降低發(fā)射功率的措施優(yōu)先保證發(fā)射機(jī)和自動天線調(diào)諧器設(shè)備安全。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 分段及微調(diào)結(jié)合

相對固定分段式調(diào)諧方式，逐次逼近加權(quán)電容和加權(quán)電感調(diào)諧提高了調(diào)諧的精度和寬度，即提高了調(diào)諧電壓駐波比并減少了死點(diǎn)，但二進(jìn)制加權(quán)電容和加權(quán)電感的組合方式高達(dá)上千種，如果從頭開始每種組合狀態(tài)逐次替代，一些頻點(diǎn)有可能需要相當(dāng)長的調(diào)諧時間，調(diào)諧時間是指激勵器向自動天線調(diào)諧器發(fā)送調(diào)諧命令開始調(diào)諧到自動天線調(diào)諧器回送調(diào)諧結(jié)束的時間，是評估自動天線調(diào)諧器調(diào)諧能力的主要指標(biāo)之一；為了平衡調(diào)諧精度、調(diào)諧寬度和調(diào)諧時間的問題，采用分段和逐次逼近法微調(diào)加權(quán)電容和電感結(jié)合的方式，即先采用分段使需調(diào)整的加權(quán)電容和電感參數(shù)值范圍落在一小段內(nèi)，再通過逐次逼近法在該小段內(nèi)精調(diào)加權(quán)電容和加權(quán)電感的值，大大減少了逐次迭代的次數(shù)，滿足調(diào)諧精度和調(diào)諧寬度的同時使調(diào)諧時間符合指標(biāo)要求。

2.2 逐次逼近法

逐次逼近法類似于逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換的算法，也稱漸進(jìn)性接近法，按照一定的運(yùn)算公式迭代逼近，結(jié)果無限接近于某一已知數(shù)值，此方法作為數(shù)值分析的驗(yàn)證方法，在本系統(tǒng)中作為主要的調(diào)諧算法[9]，通過逐次改變加權(quán)電容和加權(quán)電感值，每次改變狀態(tài)時，檢測當(dāng)前駐波比，合格則停止，不合格則繼續(xù)按照構(gòu)造的算法改變加權(quán)電容和加權(quán)電感值，直到由加權(quán)電容和加權(quán)電感組成的匹配網(wǎng)絡(luò)使發(fā)射機(jī)輸出阻抗和天線阻抗逼近匹配為止，即駐波比小于1.5。

3 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

經(jīng)實(shí)測，該自動天線調(diào)諧器能夠適配鞭天線[10]、斜天線和雙極天線等多種天線，實(shí)現(xiàn)短波頻段[11]內(nèi)精確調(diào)諧。在短波400 W自動天線調(diào)諧器產(chǎn)品應(yīng)用中，使用DP-810通過式功率計(jì)測試，配10 m鞭天線時短波頻率段調(diào)諧測試結(jié)果如表2所示。

表2 配10 m鞭天線調(diào)諧結(jié)果

頻率fi/ MHz駐波比VSWRi21.561.1101.2151.1201.3251.2281.5301.6

配10 m鞭天線條件下測試結(jié)果對比分析：該自動調(diào)諧系統(tǒng)在短波頻段，典型電壓駐波比≤1.3，最大電壓駐波比≤1.6，不可調(diào)諧點(diǎn)少，調(diào)諧時間典型≤0.4 s，最大小于2 s；手動調(diào)諧方式通常指標(biāo)：電壓駐波比典型≥1.5，不可調(diào)諧點(diǎn)多，調(diào)諧時間熟練操作人員≤10 s；固定分段式調(diào)諧通常指標(biāo)：典型電壓駐波比≤2，最大電壓駐波比≤4，不可調(diào)諧點(diǎn)較多，調(diào)諧時間典型≤0.4 s，最大小于2 s。

4 結(jié)束語

以C8051F020微處理器為核心的自動天線調(diào)諧器微機(jī)控制系統(tǒng)具有電路簡單、集成度高和開發(fā)方便等特點(diǎn)，經(jīng)測試調(diào)諧精度高、調(diào)諧范圍寬和調(diào)諧時間短，該調(diào)諧算法具有一定的擴(kuò)展性，可應(yīng)用在短波系列發(fā)射機(jī)或電臺配套的自動天線調(diào)諧器設(shè)備中；系統(tǒng)采用的C8051F020微處理器具有通用性，可以為需要高集成度和小型化的嵌入式工業(yè)控制領(lǐng)域提供實(shí)際的解決方案；今后，通過改進(jìn)檢測電路，實(shí)現(xiàn)更低功率隱蔽調(diào)諧，提高短波發(fā)射系統(tǒng)的抗毀性，同時實(shí)際研究更精準(zhǔn)細(xì)化的分段方法實(shí)現(xiàn)更短時間快速調(diào)諧，進(jìn)一步提高短波發(fā)射系統(tǒng)的抗偵測能力。