一种新的短波自适应天线调谐器的设计 |
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一种新的短波自适应天线调谐器的设计林鸿武, 张玉兴(电子科技大学，四川 成都 610054)
摘 要：针对短波自适应的跳频系统的天线接口——自动天线调谐器，提出了一种新颖可行的实施方案，这个方案采用先整体预调谐后再实时配置调配参数的方法从而大大改善了系统的性能。
关键词：短波自适应跳频系统;自动天线调谐器；DSP;驻波比
Design of a Novel Automatic Antenna Tuning
Coupler in HF CommunicationLIN Hong-wu, ZHANG YU-xing(1.University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054，China)
Ａｂｓｔｒａｃｔ：A novel and feasible technique in the design of automatic antenna tuning coupler used in the short wave hopping communication system is put forward.This technique is proved to be able to improve the performance of system by pre-tuning the antenna in the whole freguency band and configuring the parameter of matching π-net later.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Short wave(HF) hopping communication system; Automatic antenna tuning coupler；DSP;VSWR
一、引言
在现在的通信方式中,短波通信由于具有许多独特的优点而受到重视,但是在短波波段（2~30 MHz）的通信信道是公认的困难信道，在这个信道里受到电离层多径传播所引起的严重的频率选择性衰落影响，即使是采用地波的方式来进行传播，也要受到其他的天波传输及短波用户的有意与无意的干扰。对短波干扰电平与信道占用率的研究表明相邻频段之间的干扰电平差异相当大，有时个别的分频段完全无法使用。基于这种情况，人们引入了一些先进的体制和方法来弥补这一缺陷。一般采用如下两种基本对策：频率自适应和宽带扩频。前者即是ALE（自动链路建立）技术，现在的大多数频率自适应技术在对窄带快干扰和快衰落的情况下，信道建立时间过慢而往往不能满足需求；后者的宽带扩频方案应用的最广的就是随机跳频，把窄带干扰与衰落进行随机化，然后采用前向纠错的方法来进行纠错，但是对于固定干扰这种方式却经常失效。基于上述的两种方式的优缺点而将两者结合起来称之为短波自适应跳频系统。
在短波自适应跳频系统中，如何建立与之适应的射频信道是一大难点，而难点之一就是天线的匹配。二、方案的论证与选择
由于要保证短波通信电台的机动性和灵活性，天线一般都是鞭状的电小天线。这样的天线用在短波波段其本身的阻抗特性与实际要求的标称阻抗50 Ω相距甚远。在自适应的通信系统中发射机的功放多采用宽带线性功率放大器，这样的话除非使用宽频带的天线，否则便无法工作。在短波波段要采用较宽频带的小体积天线，注定要牺牲天线的辐射效率。从现在的市面上的宽频带电小天线来看最大辐射效率达50%的已是罕见，更不用说在短波波段的电小天线了。大量的衰减不仅白白耗费了功放的输出功率，而且对接收机来说增大了前端的有用信号的衰减，造成整体的系统信噪比的恶化。可行的方式是利用在短波频段的集总器件的趋肤效应较小而Q值较高的优势对天线进行末端匹配加载，从而尽最大的可能降低天线的欧姆损耗和匹配损耗。而对于鞭状的电小天线（2.4 m）由于在频率的低端容抗值很大、阻抗很小，所以宽带匹配相当困难。
宽频带天线的匹配网络的设计方法比较常用的是实频法，但是在天线的高度较低的情况（2.4 m左右）要在低的频段达到较低的驻波比是难以做到的，要么驻波比过大，要么插损过大。在短波段天线随周围环境变化阻抗变化很灵敏的情况下对于固定的匹配方式显得很呆板，对环境的适应能力也不是很好。采用数字方式的天线调谐器是解决此问题的较好方案。自动天线调配器采用插损较小的窄带数字化的匹配网络（π型或T型，本文采用π型），采用与跳频系统相适应的自适应匹配技术（国外许多的著名的短波通信系统都配备有自适应天线调谐器）。
从现有的自动天线调谐器的资料来看大多采用自己检测自己调谐进行工作的，这样的方式往往调谐速度较慢。在目前短波自适应跳频通信要求的跳速越来越高的情况下，这种方式越显吃力。所以必须采用好的方法来对其加以改进。
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考虑到上述的种种因素可以将自动天线调配器设计为图1的形式。
基本上短波自动天线调谐器分为3个部分：射频信道检测部分、射频匹配网络部分和数字控制部分。而射频信道检测部分包含了对于信道的阻抗幅值、阻抗相位、驻波比的检测。射频的匹配网络采用π型网络，和数字调控相适应，π型网络都采用二进制的形式分布，每一个调配的参数并接一个继电器（如图3）。参数设置改变对应于二进制数的变化。数字的控制部分则可以用单片机来编程完成。单片机通过对信道阻抗参数和驻波比的检测信号的读取比较后自动地调整匹配参数，使驻波比达到或接近1并存储参数值。而系统的DSP部分将通过DDS对调谐器的参数进行辅助扫描以及整体工作的流程控制。三、方案的具体实施与设定
自动天线调配器的调配参数的一定要设计准确合理，使天线能够实现良好而且迅速匹配。具体的π型网络参数计算如下。
采用分区域的形式进行匹配，用图2中的smith圆图(Γ为反射系数)进行匹配设计描述如下：
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对于A区采用电感串联，电容并联的方式来匹配；
计算的参数如下：
ZL=r+jx为天线的末端归一化阻抗。
对于B区采用电容并联，电感串联的方式来匹配：
YL=g+jk为天线的末端归一化导纳。
由上述的公式便可以方便地计算出每个频点上所需的匹配参数，从而为整个匹配网络的设计提供必要的数据，由此可以将π型网络设计如下：
所构建的π型网络如图3所示。
在预先设置了匹配网络之后，对于由信道检测部分送来的信息判定信道上阻抗的属性增加或者减少接入支路的L和C值，使之达到匹配状态。四、π型网络的计算实例以及相应的仿真结果
以2.4 m的天线的阻抗特性曲线为例， 依据上述公式得到如下参数：
取
在以上的相应配置下，经过单片机程序的优化和选择，可以得到各个频点上2.4 m天线匹配后的驻波比如表1所示（由于篇幅关系仅列出部分频点）。 从以上的实验结果来看，大体上与理论结果相符。由于实际中使用的器件Q值不可能是无穷大，所以实际中自动匹配所使用到的元件个数少于预定值,这样进一步缩短了调谐时间。基本上单频点预调谐时间都在几毫秒之内。五、系统流程编制
由上面的设计和方案，可以进行调配程序的编制，流程如图4所示。
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由图4可见，在预先的匹配参数设置下，天线的调配时间是是十分短的，在启动几秒后进入稳定的工作状态，此时调配时间仅由控制匹配的继电器开关所决定，这样就可以比较轻松地达到毫秒量级甚至更好，而且对于不同的地形，天线的适应能力随着所给的预置匹配网络资源的加大而增强。但是也应该看到这是以增加系统的复杂程度为代价的。而且随着匹配参数的增加匹配网络的的插损也随之上升，这是我们所不希望的，所以可以借助较好的宽带天线，再以自动调配器对其频带加以进一步的展宽，两者结合将会获得更好的效果。
天调系统位于整个短波通信的最前端，它为天线与发射机提供良好匹配的同时对于接收机来说也引来了插损和噪声。对于短波电小天线下的接收机来说缩短接收机与天线之间的馈线有助于接收系统的灵敏度的提高，因而在短波波段，接收天线可以用有源的天线的形式来进行设计以获得较好的接收效果。六、结束语
本文提出了适合在短波自适应跳频通信的改善射频信道质量的一种方法，并且详细讨论了具体的结构配置。与其他现有的方法不同，整个天线系统将不作为一个独立的部件而是与整个系统相融合，从而获得更理想的特性：更适应要求跳频速度越来越高的现代的短波跳频系统，而且由于调配的参数可以随环境而自动更新，降低了环境对天线的影响。
参考文献
［1］Mladen ,Dr Predrag,JasminkaDesign And Impedance of Fast Antenna Tuners for HF Radio Systems［A］.International Conference on Information,Communications and Signal Processing［Ｃ］.9～12 September 1997.1722～1766.
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［4］张金道.短波自适应调频技术调研［J］.军事通信技术，1996，58：32～44.
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