矢量天調200Ω的阻抗修正算法研究*

羅 磊，牛吉凌，羅 宇，王 磊

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

短波通信是現代遠距離通信的重要通信手段，具有距離遠、抗毀能力和自主通信能力強、運行成本低的優點[1]。隨著電子技術的發展，電磁環境愈加復雜，在發射機與天線之間使用天線調諧器成為提高短波天線發射效率最有效的方法[2]。矢量天線調諧器（簡稱矢量天調）是近年發展的新型天線調諧器，采用全新的“矢量阻抗”檢測電路和“矢量調諧”算法，具有調諧精度高、調諧時間短等特點[3]，為短波電臺和天線之間提供良好的匹配網絡，正逐漸成為天線調諧器發展的主要方向[4]。

矢量天調依據準確的阻抗檢測配置阻抗匹配網絡，理想狀態下可以快速地實現精準調諧。但是，在實際工程應用中，因為器件誤差、寄生參數、外部環境變化等因素，不可避免會造成計算參數與實際參數之間存在誤差。這種誤差會造成計算的調諧網絡和理想值存在差異，嚴重時可能造成調諧失敗。如何規避誤差造成的影響，是矢量天線調諧器工程應用中的重點。

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

1 阻抗變換器對矢量天調調諧流程的影響

目前，矢量天調采用的阻抗匹配網絡的形式包括基本型Г形、反Г形及其擴展型Π形匹配網絡。以Π形為例，矢量天調又分為使用阻抗變換器和不使用阻抗變換器兩種結構，分別如圖1和圖2所示。

圖1 矢量天調使用阻抗變換器Π型匹配網絡

圖2 矢量天調無阻抗變換器Π型匹配網絡

圖1和圖2中，CV1與LV1組成Г型匹配網絡，為天調主調諧網絡，完成阻抗的精確匹配；CV2和CV3為粗調網絡，作用是將Г型匹配網絡匹配區域外的負載點變換到匹配區域內。

可見，使用阻抗變換器后，硬件電路更復雜一些，同時發射電路中多一些器件，也會增加矢量天線調諧器差損，但通過加入阻抗變換器后也有諸多優勢。

1.1 增大可調諧區

在第一步調整粗調器件時，可調諧區已通過檢測的天調網絡阻抗值判定（推理過程本文不再詳細描述）。天線調諧器的R-X平面分區圖分布如圖3所示[5]。

圖3中區域劃分規則如下：

1區：1/Ga＞Z0,Xa＞0

2區：Ra＞Z0,Xa＞0

3區：Ra＞Z0,Xa＜0

4區：1/Ga＞Z0,Xa＜0

5區：1/Ga＜Z0,Xa＞0

6區：1/Ga＜Z0,Xa＞0

圖3 阻抗網絡調諧區分布

深色區域的4、5、6區為可調諧區，淺色區域的1、2、3區為不可調諧區，其中Z0為目的阻抗即負載阻抗值。由圖3可以很容易判斷，可調諧區的大小和Z0直接相關，改變Z0的大小即可改變可調諧區的大小。

阻抗變換器可以實現天調調諧網絡與負載間的不同阻抗匹配。天線負載阻抗Z0一般為50 Ω，可使用阻抗變換器將匹配值Z0改變為200 Ω。根據圖4，左側為目標阻抗50 Ω，右側為目標阻抗200 Ω，使用阻抗變換器后天調可調諧區顯著增大。

圖4 兩種阻抗網絡可調諧區對比

可調諧區增大，使得調整粗調網絡的難度降低，對于不同阻抗特性的天線適配能力有所提高。在設計天線調諧器電路時，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，器件誤差對調諧結果的影響也不同。例如，最終匹配電容后調諧結果相對于目的阻抗，阻抗實部常常存在負誤差。假設誤差為-20，當不使用阻抗變換器時目標阻抗為50 Ω，實際阻抗Za=（30，0）。當使用阻抗變換器時目標阻抗200 Ω，實際阻抗Z′a=（180，0）。根據反射系數和駐波比的計算公式：

可得Za的反射系數為0.25，駐波比為1.67，Z′a的反射系數為0.052 6，駐波比為1.11。可見，使用阻抗變換器后，可以減小器件誤差的影響。但是，阻抗變換器本身也會帶來誤差。經測試，阻抗變換器帶來的誤差為駐波比的±0.2之內，低頻較小，高頻略大。總體來說，阻抗變換器可以減小阻抗網絡的誤差影響。

2 200 Ω阻抗網絡匹配修正策略

無論目的阻抗是50 Ω還是200 Ω，矢量天線調諧器的主調諧網絡的匹配基本步驟是一致的。

矢量天線調諧器調諧步驟總體分為3步：

（1）調整粗調網絡，使天調主調諧網絡處于可調諧區；

（2）計算主調諧網絡所需電感量并配置電感器件；

（3）計算主調諧網絡所需電容量并配置電容器件。

阻抗變化趨勢如圖5所示。

圖5 阻抗網絡電感匹配

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

增加電感，阻抗變化趨勢如圖6所示。圖6中虛線為理想的阻抗變化趨勢，初始阻抗為Za，添加電感后預計變化到位于阻抗圓上的A點；實線為實際典型的變化趨勢，初始阻抗為Za，添加電感后實際變化到位于阻抗圓下方上的B點。因為電感器件及電路帶有部分容性，所以阻抗變化往往相當于添加電感的同時也添加了部分電容。

圖6 增加電感阻抗變化趨勢

當目的阻抗為200 Ω時，因為阻抗圓變大，使用的電感較多，導致匹配電感誤差進一步加大。此時，可以在首次匹配后繼續運用公式計算所需要的電感，通過反復迭代的方式，將阻抗調整到阻抗圓上，其阻抗變化趨勢如圖7和圖8所示。

圖7 200 Ω的阻抗典型阻抗變化趨勢（1）

圖8 200 Ω的阻抗典型阻抗變化趨勢（2）

電感匹配完成后增加電容，阻抗變化趨勢如圖9所示。圖9中虛線為理想的阻抗變化趨勢，初始阻抗為Za，添加電感后預計變化到Z0點；實線為實際典型的變化趨勢，初始阻抗為Za，添加電感后實際變化往往到位于Z0左側的A點或阻抗圓上B點。因為電容器件及電路帶有部分感性，所以阻抗變化往往相當于添加電容的同時也添加了部分電感。

圖9 增加電容阻抗變化趨勢

如果變化到B點，可以通過迭代的方式重新計算結果。如果變化到A點，則無法通過單獨修正電容的方式調整阻抗精度，且配置電容后再配置電感其阻抗的變化趨勢將不再按照圖6變化，而受器件的影響較大。但是，因為目的阻抗為200 Ω的天調匹配網絡實部的誤差對調諧結果影響較小，所以電容網絡造成的誤差往往對調諧駐波比影響不大，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能力強的搜索算法如鄰域搜索算法進行微調。

3 算法驗證

為了驗證修正算法的有效性，對10 m和3 m短波鞭狀天線進調諧測試。測試數據如圖10和圖11所示。

可見，使用200 Ω阻抗匹配網絡配合修正算法，對兩種天線的整數頻點進行調諧測試，全部滿足駐波比小于1.5的目標，且調諧步數均控制在30步以內。

圖10 主要頻點調諧駐波比

圖11 主要頻點調諧步數

4 結語

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