天線阻抗自動測試系統的研制

林東

摘要：針對現有天線調配中的試探算法，提出了一種直接根據天線阻抗測量數據進行匹配的方法，重點對天線阻抗測試的方案進行了分析，選取了最佳的阻抗測試方案，最終方案在HF頻段上進行了研制，其實際的數據測試結果與理論分析一致，該方法可擴展到其他頻率的天線阻抗匹配上有著借鑒意義。

關鍵詞：天線阻抗;匹配;自動測試

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）24-0240-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

在天線系統研究和使用中，天線的射頻阻抗是一個非常重要的測試參數。天線阻抗數值的大小直接影響到發射機輸出功率到天線的工作效率。因此在設計天線發射系統時就必須通過適當的匹配網絡使天線的阻抗與發射機的輸出阻抗相匹配。常用的匹配網絡有L型、π型、T型，在電臺中多用T型匹配網絡進行自動匹配，傳統的自動匹配系統（稱之為自動天調系統Auto-Turner）使用的方式是試探算法，即首先發射機輸出小功率（1W或更低），由控制器調整匹配網絡的二進制電容C和二進制電感L進行不停地試探，同時記錄下試探時VSWR數值，最后根據記錄的VSWR的最佳取值使天線的反射功率最小，從而完成匹配。通常自動天調系統進行試探匹配需要大量的測試時間。如果我們能快速的測試天線的射頻阻抗，即測量阻抗的實部和虛部，就能根據天線的阻抗直接調整T型匹配網絡的C/L參數完成匹配，避免了使用原來傳統的試探算法測量，加快了天線的匹配速度。

因此，對天線射頻阻抗自動測試系統進行研究并將其小型化為一個獨立的測試系統，付諸應用到電臺的發射模塊化結構中，將提高天線的快速調配能力，維護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單口網絡阻抗的測量。

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

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

根據圖1可以列出方程

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

根據方程得到

[2×U2U1=Zx-RZx+R]? 已知[Γ=Zx-RZx+R]

因此反射系數[Γ=2×U2U1] 成立。

因此，未知阻抗的測量轉換為反射系數[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計算出未知阻抗數值。

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平面上的標量數值。被測矢量電壓信號E1在參考信號源坐標系中可以表示為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生的影響。

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

2.3 設計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的核心，它的精度好壞將直接影響系統的測量精度。用DDS直接頻率合成技術設計高精確度的正交信號源，取代傳統設計中的90度相移器方法，DDS直接頻率合成的工作原理如下：

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

①其中頻率控制器對輸入信號進行累加運算，產生頻率控制數據或相位步進量，送入相位累加器。

②相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器級聯而成，對代表頻率的二進制碼進行累加運算，是典型的反饋電路，產生累加結果Y。

③幅度/相位轉換電路實質是一個波形存儲器，其輸出的數據送入D/A轉換器和低通濾波器，最后輸出I/Q正交信號。

2.4 設計射頻阻抗的中頻測量電路

由于本測試系統需要測量HF頻率（1—30MHz）的天線射頻阻抗，根據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算出天線的射頻阻抗。但要產生1—30MHz的I/Q正交信號，電路的復雜程度高，不利于實現。

通過變頻的方式，我們可以將測量的頻率下變頻到一個固定的中頻（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方式能極方便的產生一個高度穩定的中頻正交I/Q信號。

因此中頻測量方式精度高、易于實現、可靠性好。

2.5 射頻阻抗測試系統的整體原理說明

系統工作原理說明，首先由信號源1產生一個需要測量阻抗頻率的信號f0，經過10dB衰減器（改善失配效應），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DDS直接頻率合成時鐘同步系統產生，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，再經過A/D變換就得到輸入矢量電壓數值，將切換器接到反射矢量電壓，就得到反射矢量電壓數值，經過CPU的數值處理，最終將計算出此頻率的天線射頻阻抗。

系統的誤差校準，主要依靠標準的50Ω負載。系統進行校準時，將標準的50Ω負載接在測量端口，在1—30MHz測量標準50Ω的射頻阻抗數值，將測量的誤差數值保存在CPU的RAM中對今后的測量數值進行誤差補償。

3 阻抗測試的具體技術特點

射頻阻抗自動測試系統的技術特點：

① 技術方案中測試方法用兩個獨立的信號源進行測量和下變頻，與傳統用鎖相環技術的測試方法比較，兩個獨立的信號源更穩定，測試速度更快。

② 矢量電壓的測量使用同步檢波法，比傳統的用時間閥門測量相位法的精度要高。

③ 系統中所有信號源的產生都使用DDS直接頻率合成技術，保證了信號源的相位、頻率穩定度高。

4 實驗數據

天線阻抗自動測試系統研制完成后，對天饋系統進行測試并進行了匹配，在HF頻段（1MHz至30MHz）范圍內天線駐波平均值為1.32，同時天線以200kHz步進預置的掃描時間為55s，基本滿足了應用要求。

該方法可實現性強，簡單可靠，可以方便地擴展到其他的射頻頻段上使用，具有廣泛的實用性。

參考文獻：

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[3] “DC-50GHZ MMIC Variable Attenuator”，H.Kondoh，IEEE MTT-S Int. Micr.Symp. Dig.，1998：499-501.

【通聯編輯：光文玲】