作者：桂林電子工業(yè)學(xué)院 秦旭

1．引言

        天線是現(xiàn)代無(wú)線電通信系統(tǒng)很重要的一個(gè)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(wú)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(shí)，天線輸入阻抗是一個(gè)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(gè)單端口網(wǎng)絡(luò)，因此可以直接采用集總參數(shù)測(cè)量、微波測(cè)量中的各種阻抗測(cè)量技術(shù)，從普通的諧振法到先進(jìn)的自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀法。但是天線作為一個(gè)特殊的輻射元件，可以不通過(guò)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(shí)驗(yàn)時(shí)條件下測(cè)量的阻抗數(shù)值難以置信。因此在實(shí)際天線的使用中，如移動(dòng)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(shí)驗(yàn)室、工廠測(cè)量的天線阻抗數(shù)值，在實(shí)際工作狀態(tài)下可能因?yàn)槎喾N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(cè)試在實(shí)際工程中，特別是在移動(dòng)的情況下是有必要根據(jù)工作環(huán)境的改變對(duì)天線的阻抗進(jìn)行重新測(cè)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(jì)全頻帶短波天線系統(tǒng)時(shí)就必須通過(guò)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(shí)由于天線的阻抗測(cè)量與其工作環(huán)境有一定關(guān)系，各種短波電臺(tái)在移動(dòng)情況下也需要對(duì)不同工作環(huán)境時(shí)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(tái)中多用T 型匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)匹配，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(dòng)(圖1.C)C1、C2、L2 進(jìn)行不停的試探，同時(shí)記錄下試探時(shí)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(dòng)天調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行試探匹配需要大量的測(cè)試時(shí)間（秒級(jí)），對(duì)于短波跳頻電臺(tái)這是不允許的，同時(shí)電臺(tái)的小功率輸出也容易暴露電臺(tái)位置。如果我們能以極微弱的信號(hào)快速的測(cè)試天線的射頻阻抗(R+jX),測(cè)量阻抗的實(shí)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(xiàng)參數(shù)完成匹配，避免了使用原來(lái)傳統(tǒng)的試探算法測(cè)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(cè)試存入T 型匹配網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的EPROM 中，在電臺(tái)每次頻率跳變時(shí)，直接從EPROM 中讀取并直接匹配而無(wú)須測(cè)試，避免了進(jìn)行天線測(cè)試而暴露電臺(tái)的位置。同時(shí)隨著短波電臺(tái)的移動(dòng)、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(shí)的重新修正匹配網(wǎng)絡(luò)保證電臺(tái)與天線的匹配。
 

                                                                                                 圖1-1 匹配網(wǎng)絡(luò)

2.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

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

        目前在天線的阻抗測(cè)試技術(shù)、特別是短波電臺(tái)的天線測(cè)試技術(shù)，主要是依賴于國(guó)外的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，但這些儀器價(jià)格昂貴、體積大主要用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(tái)中。而在實(shí)際工程中，現(xiàn)有的各種車載、機(jī)載、艦載短波電臺(tái)需要嵌入一個(gè)小型化天線阻抗測(cè)量模塊對(duì)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(cè)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(cè)量的天線阻抗參數(shù)測(cè)量和匹配系統(tǒng)，將有很大的市場(chǎng)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(shí)，系統(tǒng)的切換開(kāi)關(guān)將短波天線直接接入矢量阻抗測(cè)量模塊，同時(shí)LC 調(diào)諧匹配模塊直通到天線。

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

        ③短波電臺(tái)工作時(shí)，將發(fā)射、接收工作頻率參數(shù)發(fā)送給矢量天線調(diào)諧系統(tǒng)，系統(tǒng)的DSP56F8323 處理器根據(jù)當(dāng)前的工作頻率和初始化時(shí)在此工作頻率上測(cè)量的天線阻抗數(shù)值，經(jīng)過(guò)計(jì)算和優(yōu)化得到LC 調(diào)諧匹配模塊的最佳值，通過(guò)LC 網(wǎng)絡(luò)調(diào)配使短波天線與電臺(tái)高效率匹配。

        ④系統(tǒng)中有一個(gè)VSWR 電壓駐波比檢測(cè)模塊，它使用DSP56F8323 的內(nèi)部ADC 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,該模塊對(duì)電臺(tái)和天線的匹配進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控,并將監(jiān)控的VSWR 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳送給電臺(tái)；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到電臺(tái)和天線出現(xiàn)失配時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)的通信模塊給短波電臺(tái)發(fā)出告警信號(hào)，根據(jù)電臺(tái)的指示對(duì)天線重新進(jìn)行測(cè)量和調(diào)諧匹配。

        Motorola DSP56F8323 處理的運(yùn)算速度快，功能強(qiáng)大，兼有數(shù)據(jù)信號(hào)處理和通用微處理器的功能，因此非常的合適本作品的應(yīng)用。在矢量阻抗模塊的輸出數(shù)據(jù)流大，需要進(jìn)行大量的數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算得到測(cè)量的阻抗，同時(shí)天線匹配系統(tǒng)又需要根據(jù)測(cè)量的阻抗數(shù)據(jù)通過(guò)I/O 去開(kāi)關(guān)相應(yīng)的匹配電容、電感網(wǎng)絡(luò)，需要大量的判斷、過(guò)程語(yǔ)句等通用微處理器功能，Motorola DSP56F8323 的結(jié)構(gòu)功能非常的合適。

4.系統(tǒng)硬件描述

        本系統(tǒng)的核心部分是矢量阻抗測(cè)量模塊，LC 調(diào)諧匹配模塊，DPS 處理器模塊三部分；矢量阻抗測(cè)量模塊主要完成對(duì)未知天線的實(shí)際阻抗進(jìn)行測(cè)量，DSP 處理器模塊根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)得到天線的實(shí)際阻抗數(shù)據(jù)，最后DSP 處理器模塊I/O 端口直接控制LC 調(diào)諧匹配模塊使天線匹配；具體的硬件設(shè)計(jì)描述如下：

① 矢量阻抗測(cè)量模塊

        由于直接根據(jù)射頻阻抗的定義對(duì)測(cè)量參考面上的矢量電壓、電流進(jìn)行測(cè)量是非常困難的，因此射頻阻抗數(shù)值的測(cè)試都是通過(guò)間接的方法通過(guò)測(cè)量與阻抗有關(guān)的相關(guān)參數(shù)，通過(guò)公式計(jì)算得出。實(shí)際工程中，常用的阻抗測(cè)量有多種方法,每種方法都有其特點(diǎn)和其最適合的應(yīng)用范圍內(nèi)。

         本系統(tǒng)中使用的是反射電橋法，反射電橋工作原理和結(jié)構(gòu)與電路中的惠更斯電橋完全相同，只不過(guò)將結(jié)構(gòu)尺寸減小以降低分布參數(shù)的影響以適用于射頻測(cè)量。同時(shí)反射電橋也不需要調(diào)平衡，而是直接讀取誤差電壓。根據(jù)反射電橋的工作原理，特別是對(duì)與匹配電橋進(jìn)行有意的討論。對(duì)于匹配電橋在一定條件下可以認(rèn)為是一個(gè)定向耦合器。在阻抗測(cè)量中可以使用兩個(gè)定向耦合器分別將未知輸入阻抗DUT的入射波電壓，反射波電壓測(cè)量出來(lái)，從而得到未知輸入阻抗的反射系數(shù)，再根據(jù)公式求出阻抗。如圖定向耦合器測(cè)量反射系數(shù)。

定向耦合器測(cè)量反射系數(shù)

        由此，可以用兩個(gè)匹配電橋做兩個(gè)定向耦合器，分別測(cè)量系統(tǒng)的入射電壓和未知輸入耦阻抗的反射電壓。稱之為雙反射電橋法，它要比用一般的定向耦合器的工作頻率范圍寬，頻率響應(yīng)曲線好。

矢量阻抗測(cè)量模塊的硬件構(gòu)成：
 

        矢量阻抗測(cè)量模塊的工作原理，首先由DDS 頻率合成器產(chǎn)生所需要測(cè)量頻率的信號(hào)源，通過(guò)功兩個(gè)定向耦合器分配成兩路反射信號(hào)，一路為輸入電壓參考信號(hào)，另一路為上未知測(cè)量天線反射回電橋（稱之為反射信號(hào)）；接著參考信號(hào)、反射信號(hào)將分別經(jīng)過(guò)高速A/D 芯片TLC5540 數(shù)字量化后將采樣點(diǎn)送入SRAM 32K CY7C199，最后DSP 通過(guò)讀取兩路SRAM 存儲(chǔ)器中的A/D 采樣數(shù)據(jù)，在DSP 內(nèi)部進(jìn)行同步檢波數(shù)字信號(hào)算法處理得到，得到未知天線的各種阻抗參量。