矢量天調(diào)200Ω的阻抗修正算法研究*

羅 磊，牛吉凌，羅 宇，王 磊

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

短波通信是現(xiàn)代遠(yuǎn)距離通信的重要通信手段，具有距離遠(yuǎn)、抗毀能力和自主通信能力強(qiáng)、運(yùn)行成本低的優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電磁環(huán)境愈加復(fù)雜，在發(fā)射機(jī)與天線之間使用天線調(diào)諧器成為提高短波天線發(fā)射效率最有效的方法[2]。矢量天線調(diào)諧器（簡(jiǎn)稱矢量天調(diào)）是近年發(fā)展的新型天線調(diào)諧器，采用全新的“矢量阻抗”檢測(cè)電路和“矢量調(diào)諧”算法，具有調(diào)諧精度高、調(diào)諧時(shí)間短等特點(diǎn)[3]，為短波電臺(tái)和天線之間提供良好的匹配網(wǎng)絡(luò)，正逐漸成為天線調(diào)諧器發(fā)展的主要方向[4]。

矢量天調(diào)依據(jù)準(zhǔn)確的阻抗檢測(cè)配置阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，理想狀態(tài)下可以快速地實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)諧。但是，在實(shí)際工程應(yīng)用中，因?yàn)槠骷`差、寄生參數(shù)、外部環(huán)境變化等因素，不可避免會(huì)造成計(jì)算參數(shù)與實(shí)際參數(shù)之間存在誤差。這種誤差會(huì)造成計(jì)算的調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和理想值存在差異，嚴(yán)重時(shí)可能造成調(diào)諧失敗。如何規(guī)避誤差造成的影響，是矢量天線調(diào)諧器工程應(yīng)用中的重點(diǎn)。

本文分析在硬件設(shè)計(jì)中使用阻抗變換器將目的阻抗由常用的50 Ω變換為200 Ω的矢量天線調(diào)諧器的調(diào)諧方法和誤差特性，并給出修正方法。

1 阻抗變換器對(duì)矢量天調(diào)調(diào)諧流程的影響

目前，矢量天調(diào)采用的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的形式包括基本型Г形、反Г形及其擴(kuò)展型Π形匹配網(wǎng)絡(luò)。以Π形為例，矢量天調(diào)又分為使用阻抗變換器和不使用阻抗變換器兩種結(jié)構(gòu)，分別如圖1和圖2所示。

圖1 矢量天調(diào)使用阻抗變換器Π型匹配網(wǎng)絡(luò)

圖2 矢量天調(diào)無阻抗變換器Π型匹配網(wǎng)絡(luò)

圖1和圖2中，CV1與LV1組成Г型匹配網(wǎng)絡(luò)，為天調(diào)主調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，完成阻抗的精確匹配；CV2和CV3為粗調(diào)網(wǎng)絡(luò)，作用是將Г型匹配網(wǎng)絡(luò)匹配區(qū)域外的負(fù)載點(diǎn)變換到匹配區(qū)域內(nèi)。

可見，使用阻抗變換器后，硬件電路更復(fù)雜一些，同時(shí)發(fā)射電路中多一些器件，也會(huì)增加矢量天線調(diào)諧器差損，但通過加入阻抗變換器后也有諸多優(yōu)勢(shì)。

1.1 增大可調(diào)諧區(qū)

在第一步調(diào)整粗調(diào)器件時(shí)，可調(diào)諧區(qū)已通過檢測(cè)的天調(diào)網(wǎng)絡(luò)阻抗值判定（推理過程本文不再詳細(xì)描述）。天線調(diào)諧器的R-X平面分區(qū)圖分布如圖3所示[5]。

圖3中區(qū)域劃分規(guī)則如下：

1區(qū)：1/Ga＞Z0,Xa＞0

2區(qū)：Ra＞Z0,Xa＞0

3區(qū)：Ra＞Z0,Xa＜0

4區(qū)：1/Ga＞Z0,Xa＜0

5區(qū)：1/Ga＜Z0,Xa＞0

6區(qū)：1/Ga＜Z0,Xa＞0

圖3 阻抗網(wǎng)絡(luò)調(diào)諧區(qū)分布

深色區(qū)域的4、5、6區(qū)為可調(diào)諧區(qū)，淺色區(qū)域的1、2、3區(qū)為不可調(diào)諧區(qū)，其中Z0為目的阻抗即負(fù)載阻抗值。由圖3可以很容易判斷，可調(diào)諧區(qū)的大小和Z0直接相關(guān)，改變Z0的大小即可改變可調(diào)諧區(qū)的大小。

阻抗變換器可以實(shí)現(xiàn)天調(diào)調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載間的不同阻抗匹配。天線負(fù)載阻抗Z0一般為50 Ω，可使用阻抗變換器將匹配值Z0改變?yōu)?00 Ω。根據(jù)圖4，左側(cè)為目標(biāo)阻抗50 Ω，右側(cè)為目標(biāo)阻抗200 Ω，使用阻抗變換器后天調(diào)可調(diào)諧區(qū)顯著增大。

圖4 兩種阻抗網(wǎng)絡(luò)可調(diào)諧區(qū)對(duì)比

可調(diào)諧區(qū)增大，使得調(diào)整粗調(diào)網(wǎng)絡(luò)的難度降低，對(duì)于不同阻抗特性的天線適配能力有所提高。在設(shè)計(jì)天線調(diào)諧器電路時(shí)，還可以減少CV2和CV3的器件。

1.2 降低器件誤差影響

阻抗圓大小不同，器件誤差對(duì)調(diào)諧結(jié)果的影響也不同。例如，最終匹配電容后調(diào)諧結(jié)果相對(duì)于目的阻抗，阻抗實(shí)部常常存在負(fù)誤差。假設(shè)誤差為-20，當(dāng)不使用阻抗變換器時(shí)目標(biāo)阻抗為50 Ω，實(shí)際阻抗Za=（30，0）。當(dāng)使用阻抗變換器時(shí)目標(biāo)阻抗200 Ω，實(shí)際阻抗Z′a=（180，0）。根據(jù)反射系數(shù)和駐波比的計(jì)算公式：

可得Za的反射系數(shù)為0.25，駐波比為1.67，Z′a的反射系數(shù)為0.052 6，駐波比為1.11?？梢姡褂米杩棺儞Q器后，可以減小器件誤差的影響。但是，阻抗變換器本身也會(huì)帶來誤差。經(jīng)測(cè)試，阻抗變換器帶來的誤差為駐波比的±0.2之內(nèi)，低頻較小，高頻略大?？傮w來說，阻抗變換器可以減小阻抗網(wǎng)絡(luò)的誤差影響。

2 200 Ω阻抗網(wǎng)絡(luò)匹配修正策略

無論目的阻抗是50 Ω還是200 Ω，矢量天線調(diào)諧器的主調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的匹配基本步驟是一致的。

矢量天線調(diào)諧器調(diào)諧步驟總體分為3步：

（1）調(diào)整粗調(diào)網(wǎng)絡(luò)，使天調(diào)主調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)處于可調(diào)諧區(qū)；

（2）計(jì)算主調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)所需電感量并配置電感器件；

（3）計(jì)算主調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)所需電容量并配置電容器件。

阻抗變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 阻抗網(wǎng)絡(luò)電感匹配

先調(diào)整電感使得阻抗到阻抗圓上，再調(diào)整電容使阻抗沿著阻抗圓到達(dá)目的阻抗附近，期間如果每一步都能得到理想值，則只需3步即可調(diào)諧成功。但由于誤差，大部分頻點(diǎn)都不可能符合理想值。

增加電感，阻抗變化趨勢(shì)如圖6所示。圖6中虛線為理想的阻抗變化趨勢(shì)，初始阻抗為Za，添加電感后預(yù)計(jì)變化到位于阻抗圓上的A點(diǎn)；實(shí)線為實(shí)際典型的變化趨勢(shì)，初始阻抗為Za，添加電感后實(shí)際變化到位于阻抗圓下方上的B點(diǎn)。因?yàn)殡姼衅骷半娐穾в胁糠秩菪裕宰杩棺兓喈?dāng)于添加電感的同時(shí)也添加了部分電容。

圖6 增加電感阻抗變化趨勢(shì)

當(dāng)目的阻抗為200 Ω時(shí)，因?yàn)樽杩箞A變大，使用的電感較多，導(dǎo)致匹配電感誤差進(jìn)一步加大。此時(shí)，可以在首次匹配后繼續(xù)運(yùn)用公式計(jì)算所需要的電感，通過反復(fù)迭代的方式，將阻抗調(diào)整到阻抗圓上，其阻抗變化趨勢(shì)如圖7和圖8所示。

圖7 200 Ω的阻抗典型阻抗變化趨勢(shì)（1）

圖8 200 Ω的阻抗典型阻抗變化趨勢(shì)（2）

電感匹配完成后增加電容，阻抗變化趨勢(shì)如圖9所示。圖9中虛線為理想的阻抗變化趨勢(shì)，初始阻抗為Za，添加電感后預(yù)計(jì)變化到Z0點(diǎn)；實(shí)線為實(shí)際典型的變化趨勢(shì)，初始阻抗為Za，添加電感后實(shí)際變化往往到位于Z0左側(cè)的A點(diǎn)或阻抗圓上B點(diǎn)。因?yàn)殡娙萜骷半娐穾в胁糠指行?，所以阻抗變化往往相?dāng)于添加電容的同時(shí)也添加了部分電感。

圖9 增加電容阻抗變化趨勢(shì)

如果變化到B點(diǎn)，可以通過迭代的方式重新計(jì)算結(jié)果。如果變化到A點(diǎn)，則無法通過單獨(dú)修正電容的方式調(diào)整阻抗精度，且配置電容后再配置電感其阻抗的變化趨勢(shì)將不再按照?qǐng)D6變化，而受器件的影響較大。但是，因?yàn)槟康淖杩篂?00 Ω的天調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)部的誤差對(duì)調(diào)諧結(jié)果影響較小，所以電容網(wǎng)絡(luò)造成的誤差往往對(duì)調(diào)諧駐波比影響不大，大部分情況無需修正。如果需要修正，可以采用一些抗異常狀態(tài)能力強(qiáng)的搜索算法如鄰域搜索算法進(jìn)行微調(diào)。

3 算法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證修正算法的有效性，對(duì)10 m和3 m短波鞭狀天線進(jìn)調(diào)諧測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖10和圖11所示。

可見，使用200 Ω阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)配合修正算法，對(duì)兩種天線的整數(shù)頻點(diǎn)進(jìn)行調(diào)諧測(cè)試，全部滿足駐波比小于1.5的目標(biāo)，且調(diào)諧步數(shù)均控制在30步以內(nèi)。

圖10 主要頻點(diǎn)調(diào)諧駐波比

圖11 主要頻點(diǎn)調(diào)諧步數(shù)

4 結(jié)語

綜上所述，利用阻抗變換器將目的阻抗變換為200 Ω的矢量天線調(diào)諧器，采用合適的天調(diào)算法后，它具備更強(qiáng)的天線適配能力和抗誤差能力。