匹配窄帶螺旋天線的天調設計及配諧失調故障排除

廣州海格通信集團股份有限公司 許業周

匹配窄帶螺旋天線的天調設計及配諧失調故障排除

廣州海格通信集團股份有限公司 許業周

介紹了一種匹配窄帶螺旋天線的天調，采用矢量自動天調技術設計一種天線調諧器，分析了其工作原理，介紹了天調網絡板拓撲結構的優化與定型，給出了天調調諧算法的實現；對于實際應用中出現的無法正常配諧天線的故障進行故障分析和定位，提出了解決方案。

窄帶螺旋天線；匹配設計；調諧器；配諧失調；故障定位

1.前言

傳統的短波天線調諧器通過測量傳輸線上的電壓/電流的相位差（大于0還是小于0）、匹配網絡輸入端的并聯等效輸入電阻（大于還是小于50Ω）和電壓駐波比VSWR，其中相位與電阻的值為相對值，通過逐次逼近式調諧算法不斷去調整匹配網絡，當VSWR小于設定值時，完成阻抗匹配，由于需要多次調整，需要的時間較長。傳統的天調調諧時間多為3s以內，本文設計的矢量天調調諧時間可以達到0.5s以內，性能有大幅提高[1]。

2.矢量天調調諧原理

矢量天線調諧器的作原理為天調接收到來自短波電臺發射機的調諧指令和頻率信息，CPLD根據頻率信息生成調諧頻率字送往DDS頻率源，DDS產生對應頻率的射頻信號并通過射頻放大作為回路的功率信號；電壓、電流取樣電路對射頻回路進行采樣，通過預處理及采樣后送給DSP進行處理，DSP通過算法計算出取樣點的矢量阻抗，并計算從取樣點到50Ω阻抗點需要接入的匹配網絡參數；DSP并通過CPLD控制對應的繼電器切換，以接入對應的阻抗匹配網絡，同時計算出VSWR，完成調諧[2]。

3.匹配窄帶螺旋天線的天調設計

3.1 天調網絡板拓撲結構的優化與定型

由于與采用的電臺搭配短波天線為窄帶螺旋天線，與傳統的鞭天線相比阻抗很小，駐波比在頻帶內變化非常劇烈，并且印制板的分布參數影響較大，需要改變拓撲結構以去適應。為確定矢量天調的網絡參數，測得了螺旋天線S參數的smith圓圖。

通過對S參數進行分析，對2-30MHz內以0.1MHz步進逐點遍歷，通過手動調諧確定在對應頻段內所需要的匹配器件及參數值，手動調諧后部分頻點的smith圓圖如圖1所示。

圖1 部分頻點手動調諧后的s mi t h圓圖

對實驗測試的數值進行整理歸納，得到符合要求的拓撲結構如圖2所示。

圖2中，對應的參數如下：

LQ：0.125、0.35、0.5uH；

CQ：47、100、181pF；

C1：5.1、10、22、44、86、164、326、642、1240、2400、4800pF；

L1：0.03、0.07、0.125、0.25、0.5、1、2、4、8uH；

C2：15、27、56、112、220、440pF。

圖2 新設計的天調拓撲結構

3.2 天調調諧算法的實現

首先把阻抗圓圖分成四個區域，如圖3所示。

圖3 阻抗圓圖

任何天線阻抗歸一化后都可歸類在此四個區內，設歸一化天線阻抗為ZA=R+jX，歸一化導納為：

存在：

A區阻抗范圍為：q≤0 (X≥0)，g≤1

B區阻抗范圍為：X≤0，R≤1

C區阻抗范圍為：q≤0 (X≥0)，g≥1

D區阻抗范圍為：X≤0，R≥1

然后根據超外差矢量檢測技術得到精確的阻抗信息，可以采用如下兩種算法進行快速匹配。

（1）直接計算法

在直接計算法調諧中，將阻抗圓圖所示的A、D區劃入后π調諧（后Pi）區域內，將B、C區劃入前π調諧（前Pi）區域內。

根據檢測得到的阻抗值，既可知當前天線阻抗值處于哪個區域，從而能夠判定應該采用前π或后π進行調諧。

（2）基于等g圓/等r圓的快速半區法

B、C區調諧時都采用前π匹配網絡。首先串聯電感，直到g=1，x＞0處，這一段采用半區法來加電感；然后則并聯前π電容至原點（R=50Ω）處，這一段采用半區法來加電容。

目前天調可實現對窄帶螺旋鞭天線短波全頻段配諧，駐波比不大于1.5，調諧時間不大于1秒。

4.配諧天線的故障判斷及處理方法

4.1 故障點分析

在實際應用中，出現無法正常配諧天線的故障，故障表現為全頻段（1.6MHz～29.9999MHz）配諧失敗。由于天調能夠接收主機命令進行調諧，因此排除單饋電路問題；另外，由于全頻段調諧失敗，因此排除網絡電路的個別電容或電感和與之相連的繼電器問題。問題應出現在射頻通路上的相關檢測電路、繼電器控制電路和電源電路。分析調諧失敗問題的可能原因為：供電電路異常，使部分電路無法正常工作，導致調諧失敗；阻抗相位檢測器故障，導致相位和阻抗檢測數據出錯，天調無法正常配諧；駐波比檢測電路故障，導致無法正確判決調諧結果，出現調諧失敗現象；繼電器控制電路出錯，使配諧過程未按軟件算法實施，導致調諧失敗。

圖4 駐波比檢測原理圖

4.2 初步定位

針對上述可能的故障原因，進行分析。對電路所有供電電路進行測試。所有電壓符合電路要求，因此排除供電原因；通過配接不同阻抗特性的負載檢查檢測器輸出結果。檢測器相位及阻抗檢測輸出結果與設定的負載一致，以此排除檢測器故障；在配接標準負載的情況下輸入功率，檢測駐波比檢測電路輸出。由于電路輸出結果與設定結果不一致，因此懷疑駐波比檢測電路出現故障；利用調試架，輸出特定控制信號到繼電器控制電路，檢查控制結果是否按調試程序執行。由于繼電器按調試程序逐一吸合釋放，因此排除繼電器控制電路原因。

4.3 故障確認

基于以上分析，初步判斷駐波比檢測電路出現故障，駐波比檢測電路原理圖如圖4所示。

圖4中接標準負載（200Ω），檢測電路在輸入標準功率后，檢測出的電壓S1（220mv）和S2（187mv）符合設計要求，但經過運放比較后輸出的結果為低電平，不符合設計要求（要求輸出2.5V以上，實際輸出0.56V）；確認此處為故障點；運放輸出管腳連接電阻R46進行上拉高電平，連接電容C80進行濾波后直接連接到單片機輸入腳和下一級運放輸入；斷開與單片機相連后，輸出電平現象仍為低電平。排除單片機問題；觀察下一級比較器電路，發現電容C82兩端焊接情況不一致，一邊焊盤上錫較多。判斷C82曾經進行過補焊。利用三用表對電容的電阻進行測量，發現其電阻只有0.6kΩ（正常電路實測33.4kΩ）。因此判斷電容出現故障；更換電容，重新測量檢測電路輸出，發現故障未出現。天調正常工作；因此確認天調調諧問題是因為電容C82一個故障點失效導致。

5.結論

矢量天調與短波電臺搭配使用，目前應用比較廣泛。本文設計的矢量天調調諧時間可以達到0.5s以內，性能有大幅提高。實際應用中，電臺搭配的短波天線為窄帶螺旋天線，與傳統使用的鞭天線相比阻抗很小，駐波比在頻帶內變化非常劇烈。

[1]吳建鋒．跳頻電臺矢量天線調諧器設計[D]．西安：西安電子科技大學,2011．

[2]姜孝偉,張靜,王閩．天調匹配網絡的設計[J]．通信與廣播電視,2013(3)：32-37．