天線阻抗自動(dòng)測試系統(tǒng)的研制

林東

摘要：針對現(xiàn)有天線調(diào)配中的試探算法，提出了一種直接根據(jù)天線阻抗測量數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配的方法，重點(diǎn)對天線阻抗測試的方案進(jìn)行了分析，選取了最佳的阻抗測試方案，最終方案在HF頻段上進(jìn)行了研制，其實(shí)際的數(shù)據(jù)測試結(jié)果與理論分析一致，該方法可擴(kuò)展到其他頻率的天線阻抗匹配上有著借鑒意義。

關(guān)鍵詞：天線阻抗;匹配;自動(dòng)測試

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）24-0240-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

在天線系統(tǒng)研究和使用中，天線的射頻阻抗是一個(gè)非常重要的測試參數(shù)。天線阻抗數(shù)值的大小直接影響到發(fā)射機(jī)輸出功率到天線的工作效率。因此在設(shè)計(jì)天線發(fā)射系統(tǒng)時(shí)就必須通過適當(dāng)?shù)钠ヅ渚W(wǎng)絡(luò)使天線的阻抗與發(fā)射機(jī)的輸出阻抗相匹配。常用的匹配網(wǎng)絡(luò)有L型、π型、T型，在電臺中多用T型匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)匹配，傳統(tǒng)的自動(dòng)匹配系統(tǒng)（稱之為自動(dòng)天調(diào)系統(tǒng)Auto-Turner）使用的方式是試探算法，即首先發(fā)射機(jī)輸出小功率（1W或更低），由控制器調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)的二進(jìn)制電容C和二進(jìn)制電感L進(jìn)行不停地試探，同時(shí)記錄下試探時(shí)VSWR數(shù)值，最后根據(jù)記錄的VSWR的最佳取值使天線的反射功率最小，從而完成匹配。通常自動(dòng)天調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行試探匹配需要大量的測試時(shí)間。如果我們能快速的測試天線的射頻阻抗，即測量阻抗的實(shí)部和虛部，就能根據(jù)天線的阻抗直接調(diào)整T型匹配網(wǎng)絡(luò)的C/L參數(shù)完成匹配，避免了使用原來傳統(tǒng)的試探算法測量，加快了天線的匹配速度。

因此，對天線射頻阻抗自動(dòng)測試系統(tǒng)進(jìn)行研究并將其小型化為一個(gè)獨(dú)立的測試系統(tǒng)，付諸應(yīng)用到電臺的發(fā)射模塊化結(jié)構(gòu)中，將提高天線的快速調(diào)配能力，維護(hù)及提高電臺的能力具有重要意義。

2 阻抗測試方法研究

2.1 掌握射頻阻抗測試方法

根據(jù)阻抗的定義 [Z=UI] （[U]為流過端口的矢量電壓，[I]為流過端口的矢量電流）

天線的射頻阻抗的測量可等效為一個(gè)單口網(wǎng)絡(luò)阻抗的測量。

在射頻系統(tǒng)中，[U]矢量電壓是容易測量的，[I]矢量電流的測量是困難的。因此單口網(wǎng)絡(luò)阻抗的測量，需要用擴(kuò)展電路以電壓來代替電流的測量。常用的擴(kuò)展電路有6dB衰減器法和反射電橋法。

電橋測量法通常用于實(shí)驗(yàn)室中精確的測量未知阻抗，原理上要求將電橋的兩臂調(diào)平衡，中間電流為零，那么未知阻抗就等與其對稱的那個(gè)臂，但這樣不利于自動(dòng)化測試。實(shí)際我們將電橋的三個(gè)臂R都接精密的50Ω電阻，未知阻抗接在一個(gè)臂上，測量矢量電壓[U1]和[U2]，未知阻抗的反射系數(shù)[Γ=2×U2U1]

即測量的未知阻抗為 [Z=1+Γ1-Γ]

未知阻抗的反射系數(shù)[Γ=2×U2U1] 證明如下：

根據(jù)圖1可以列出方程

[I1=I2+I3U1=2R×I2U1=（R+ZX）×I3U2=Zx×I3-R×I2]

根據(jù)方程得到

[2×U2U1=Zx-RZx+R]? 已知[Γ=Zx-RZx+R]

因此反射系數(shù)[Γ=2×U2U1] 成立。

因此，未知阻抗的測量轉(zhuǎn)換為反射系數(shù)[Γ]的測量，也即矢量電壓比值的測量，最終可以通過反射系數(shù)計(jì)算出未知阻抗數(shù)值。

2.2 掌握矢量電壓比值的測量原理

矢量電壓比值的測量原理是用同步檢波器，同步檢波器工作原理是，被測矢量電壓信號與同頻率參考信號源的兩路正交信號I/Q分別經(jīng)過乘法器，濾波，A/D后，得到Vy、Vx電壓就分別是被測矢量電壓信號在參考信號源坐標(biāo)平面上的標(biāo)量數(shù)值。被測矢量電壓信號E1在參考信號源坐標(biāo)系中可以表示為E1=Vx+jVy 即[E1=Vx2+Vy2∠arctgVyVx=U1∠θ1]，同樣E2矢量電壓信號也可以通過同步檢波也可以得到[E2=U2∠θ2]。

矢量電壓比值[E1E2=U1U2∠（θ1-θ2）]，由此可知只要保持參考信號源與被測量矢量電壓信號的頻率相同，就可以用同步檢波器測量出矢量電壓比值，而不考慮參考信號源與被測量矢量電壓信號的相對相移產(chǎn)生的影響。

同步檢波器的核心就是一個(gè)頻率與被測信號相同并高度穩(wěn)定的參考信號源，并且這個(gè)參考信號源能產(chǎn)生輸出兩路高精確的正交信號。

2.3 設(shè)計(jì)高精度的正交信號源

高精度的正交信號源是射頻阻抗測試系統(tǒng)的核心，它的精度好壞將直接影響系統(tǒng)的測量精度。用DDS直接頻率合成技術(shù)設(shè)計(jì)高精確度的正交信號源，取代傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的90度相移器方法，DDS直接頻率合成的工作原理如下：

正交DDS的工作原理是以數(shù)控振蕩器的方式，產(chǎn)生頻率和相位可控制的I/Q正交信號源。電路包括基準(zhǔn)時(shí)鐘、頻率累加器、相位累加器、幅度/相位轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器（LPF）。

①其中頻率控制器對輸入信號進(jìn)行累加運(yùn)算，產(chǎn)生頻率控制數(shù)據(jù)或相位步進(jìn)量，送入相位累加器。

②相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器級聯(lián)而成，對代表頻率的二進(jìn)制碼進(jìn)行累加運(yùn)算，是典型的反饋電路，產(chǎn)生累加結(jié)果Y。

③幅度/相位轉(zhuǎn)換電路實(shí)質(zhì)是一個(gè)波形存儲器，其輸出的數(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器，最后輸出I/Q正交信號。

2.4 設(shè)計(jì)射頻阻抗的中頻測量電路

由于本測試系統(tǒng)需要測量HF頻率（1—30MHz）的天線射頻阻抗，根據(jù)反射電橋法阻抗測試的原理，直接測量1—30MHz頻率在反射電橋上的矢量電壓比值，也即幅度和相位的比值就可以計(jì)算出天線的射頻阻抗。但要產(chǎn)生1—30MHz的I/Q正交信號，電路的復(fù)雜程度高，不利于實(shí)現(xiàn)。

通過變頻的方式，我們可以將測量的頻率下變頻到一個(gè)固定的中頻（如10KHz），在固定的中頻上用同步檢波法測量矢量電壓比值。通過分析，變頻后的固定中頻信號將保持原有頻率的幅度和相位。同時(shí)在固定的中頻上用同步檢波法，正交信號源的頻率也將在固定的中頻上，用DDS方式能極方便的產(chǎn)生一個(gè)高度穩(wěn)定的中頻正交I/Q信號。

因此中頻測量方式精度高、易于實(shí)現(xiàn)、可靠性好。

2.5 射頻阻抗測試系統(tǒng)的整體原理說明

系統(tǒng)工作原理說明，首先由信號源1產(chǎn)生一個(gè)需要測量阻抗頻率的信號f0，經(jīng)過10dB衰減器（改善失配效應(yīng)），輸出到連接反射電橋上的被測天線上，反射電橋上的輸入矢量電壓、反射矢量電壓經(jīng)過切換器分別與信號源2 f0-10KHz的頻率混頻，低通濾波輸出固定10KHz的中頻信號。

信號源1和信號源2的頻率由一個(gè)DDS直接頻率合成時(shí)鐘同步系統(tǒng)產(chǎn)生，因此相位是差是固定的，并且保證了混頻器輸出固定10KHz的中頻信號保留了原有輸入矢量電壓、反射矢量電壓的幅度和相位。

使用同步檢波器，再經(jīng)過A/D變換就得到輸入矢量電壓數(shù)值，將切換器接到反射矢量電壓，就得到反射矢量電壓數(shù)值，經(jīng)過CPU的數(shù)值處理，最終將計(jì)算出此頻率的天線射頻阻抗。

系統(tǒng)的誤差校準(zhǔn)，主要依靠標(biāo)準(zhǔn)的50Ω負(fù)載。系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)的50Ω負(fù)載接在測量端口，在1—30MHz測量標(biāo)準(zhǔn)50Ω的射頻阻抗數(shù)值，將測量的誤差數(shù)值保存在CPU的RAM中對今后的測量數(shù)值進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

3 阻抗測試的具體技術(shù)特點(diǎn)

射頻阻抗自動(dòng)測試系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)：

① 技術(shù)方案中測試方法用兩個(gè)獨(dú)立的信號源進(jìn)行測量和下變頻，與傳統(tǒng)用鎖相環(huán)技術(shù)的測試方法比較，兩個(gè)獨(dú)立的信號源更穩(wěn)定，測試速度更快。

② 矢量電壓的測量使用同步檢波法，比傳統(tǒng)的用時(shí)間閥門測量相位法的精度要高。

③ 系統(tǒng)中所有信號源的產(chǎn)生都使用DDS直接頻率合成技術(shù)，保證了信號源的相位、頻率穩(wěn)定度高。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

天線阻抗自動(dòng)測試系統(tǒng)研制完成后，對天饋系統(tǒng)進(jìn)行測試并進(jìn)行了匹配，在HF頻段（1MHz至30MHz）范圍內(nèi)天線駐波平均值為1.32，同時(shí)天線以200kHz步進(jìn)預(yù)置的掃描時(shí)間為55s，基本滿足了應(yīng)用要求。

該方法可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)，簡單可靠，可以方便地?cái)U(kuò)展到其他的射頻頻段上使用，具有廣泛的實(shí)用性。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】