嵌入式智能矢量天線調(diào)諧系統(tǒng)（上）

1．引言

天線是現(xiàn)代無線電通信系統(tǒng)很重要的一個組成部分，天線輸入?yún)⒖济嫔想妷号c電流的比值稱為天線的輸入阻抗。它直接影響著無線電發(fā)射機(jī)輸出饋線與天線的匹配效果。研究功率傳輸、噪聲、有源器件的穩(wěn)定度時，天線輸入阻抗是一個很重要的參數(shù)。通常天線的有效頻帶主要取決于天線的阻抗頻帶特性。

天線是饋線的端接元件，相當(dāng)一個單端口網(wǎng)絡(luò)，因此可以直接采用集總參數(shù)測量、微波測量中的各種阻抗測量技術(shù)，從普通的諧振法到先進(jìn)的自動網(wǎng)絡(luò)分析儀法。但是天線作為一個特殊的輻射元件，可以不通過導(dǎo)線與周圍物體產(chǎn)生復(fù)雜的關(guān)系。這些關(guān)系可能使理想實驗時條件下測量的阻抗數(shù)值難以置信。因此在實際天線的使用中，如移動車載天線、飛機(jī)的機(jī)載天線、艦載天線等的工作環(huán)境就是天線的一部，如果只根據(jù)實驗室、工廠測量的天線阻抗數(shù)值，在實際工作狀態(tài)下可能因為多種誤差源的存在而影響發(fā)射機(jī)輸出與天線的匹配效果。所以天線阻抗測試在實際工程中，特別是在移動的情況下是有必要根據(jù)工作環(huán)境的改變對天線的阻抗進(jìn)行重新測試，以保證天線的工作效率。

在寬帶短波天線系統(tǒng)中，由于短波天線的物理尺寸不可能自然諧振于短波的全頻帶（1—30MHz），因此在設(shè)計全頻帶短波天線系統(tǒng)時就必須通過適當(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，同時由于天線的阻抗測量與其工作環(huán)境有一定關(guān)系，各種短波電臺在移動情況下也需要對不同工作環(huán)境時的天線阻抗進(jìn)行匹配。常用的匹配網(wǎng)絡(luò)有L型(圖1-1 A)、π型(圖1-1 B)、T 型(圖1-1 C)，在短波電臺中多用T 型匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動匹配，自動匹配系統(tǒng)（稱之為自動天調(diào)系統(tǒng)Auto-Turner）使用的方式是試探算法，即首先短波發(fā)射機(jī)輸出小功率（1W 或更低），由步進(jìn)電機(jī)帶動(圖1.C)C1、C2、L2 進(jìn)行不停的試探，同時記錄下試探時VSWR 數(shù)值，最后根據(jù)記錄的數(shù)值得到C1、C2、L2 的最佳取值使天線的反射功率最小，從而完成匹配。通常自動天調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行試探匹配需要大量的測試時間（秒級），對于短波跳頻電臺這是不允許的，同時電臺的小功率輸出也容易暴露電臺位置。如果我們能以極微弱的信號快速的測試天線的射頻阻抗(R+jX),測量阻抗的實部和虛部，或模和相角的關(guān)系，就能根據(jù)天線的阻抗直接一次調(diào)整T 型匹配網(wǎng)絡(luò)的各項參數(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。為了進(jìn)一步加快匹配速度，還可以將天線在短波全頻段的射頻阻抗數(shù)據(jù)預(yù)先測試存入T 型匹配網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的EPROM 中，在電臺每次頻率跳變時，直接從EPROM 中讀取并直接匹配而無須測試，避免了進(jìn)行天線測試而暴露電臺的位置。同時隨著短波電臺的移動、工作環(huán)境的改變導(dǎo)致天線的阻抗產(chǎn)生變化后，能及時的重新修正匹配網(wǎng)絡(luò)保證電臺與天線的匹配。

圖1-1 匹配網(wǎng)絡(luò)

2.系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)

因此，對短波天線系統(tǒng)研制一個嵌入式智能矢量天線調(diào)諧系統(tǒng)并將其小型化為一個獨立的測試系統(tǒng)，并進(jìn)一步發(fā)展付諸應(yīng)用到軟無線電短波電臺的嵌入式模塊化結(jié)構(gòu)中，將對提高各種車載、機(jī)載、艦載短波寬帶天線的適應(yīng)能力，對短波電臺的使用、維護(hù)及提高電臺的工作效率具有重要意義。

目前在天線的阻抗測試技術(shù)、特別是短波電臺的天線測試技術(shù)，主要是依賴于國外的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，但這些儀器價格昂貴、體積大主要用于實驗室測試和工廠生產(chǎn)中的天線調(diào)試工作，不可能作為一種嵌入式模塊加入到短波電臺中。而在實際工程中，現(xiàn)有的各種車載、機(jī)載、艦載短波電臺需要嵌入一個小型化天線阻抗測量模塊對其不同工作環(huán)境、快速跳頻通信體制的天線進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，以便迅速的完成天線匹配。研制滿足嵌入式、高精度、高速測量的天線阻抗參數(shù)測量和匹配系統(tǒng)，將有很大的市場前景、經(jīng)濟(jì)效益。

3.系統(tǒng)概述

系統(tǒng)工作原理：

①初始化工作時，系統(tǒng)的切換開關(guān)將短波天線直接接入矢量阻抗測量模塊，同時LC 調(diào)諧匹配模塊直通到天線。

②矢量阻抗測量模塊工作，對短波天線進(jìn)行1MHz—30MHz 全頻段測量，采集的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過DSP56F8323 處理器計算得到天線在整個短波頻段內(nèi)的精確阻抗數(shù)值，并存儲在系統(tǒng)內(nèi)作為LC 調(diào)諧匹配的計算參數(shù)。