嵌入式智能矢量天線調(diào)諧系統(tǒng)（上）

1．引言

        天線是現(xiàn)代無線電通信系統(tǒng)很重要的一個組成部分，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，天線輸入阻抗是一個很重要的參數(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)一個單端口網(wǎng)絡(luò)，因此可以直接采用集總參數(shù)測量、微波測量中的各種阻抗測量技術(shù)，從普通的諧振法到先進(jìn)的自動網(wǎng)絡(luò)分析儀法。但是天線作為一個特殊的輻射元件，可以不通過導(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)時條件下測量的阻抗數(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。所以天線阻抗測試在實(shí)際工程中，特別是在移動的情況下是有必要根據(jù)工作環(huán)境的改變對天線的阻抗進(jìn)行重新測試，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)時就必須通過適當(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，同時由于天線的阻抗測量與其工作環(huán)境有一定關(guān)系，各種短波電臺在移動情況下也需要對不同工作環(huán)境時的天線阻抗進(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)，在短波電臺中多用T 型匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動匹配，自動匹配系統(tǒng)（稱之為自動天調(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(圖1.C)C1、C2、L2 進(jìn)行不停的試探，同時記錄下試探時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。通常自動天調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行試探匹配需要大量的測試時間（秒級），對于短波跳頻電臺這是不允許的，同時電臺的小功率輸出也容易暴露電臺位置。如果我們能以極微弱的信號快速的測試天線的射頻阻抗(R+jX),測量阻抗的實(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，避免了使用原來傳統(tǒng)的試探算法測量，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)先測試存入T 型匹配網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的EPROM 中，在電臺每次頻率跳變時，直接從EPROM 中讀取并直接匹配而無須測試，避免了進(jìn)行天線測試而暴露電臺的位置。同時隨著短波電臺的移動、工作環(huán)境的改變導(dǎo)致天線的阻抗產(chǎn)生變化后，能及時的重新修正匹配網(wǎng)絡(luò)保證電臺與天線的匹配。
 

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

2.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

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

        目前在天線的阻抗測試技術(shù)、特別是短波電臺的天線測試技術(shù)，主要是依賴于國外的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，但這些儀器價(jià)格昂貴、體積大主要用于實(shí)驗(yàn)室測試和工廠生產(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、艦載短波電臺需要嵌入一個小型化天線阻抗測量模塊對其不同工作環(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、高速測量的天線阻抗參數(shù)測量和匹配系統(tǒng)，將有很大的市場前景、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，系統(tǒng)的切換開關(guān)將短波天線直接接入矢量阻抗測量模塊，同時LC 調(diào)諧匹配模塊直通到天線。

        ②矢量阻抗測量模塊工作，對短波天線進(jìn)行1MHz—30MHz 全頻段測量，采集的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過DSP56F8323 處理器計(jì)算得到天線在整個短波頻段內(nèi)的精確阻抗數(shù)值，并存儲在系統(tǒng)內(nèi)作為LC 調(diào)諧匹配的計(jì)算參數(shù)。[!--empirenews.page--]

        ③短波電臺工作時，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在此工作頻率上測量的天線阻抗數(shù)值，經(jīng)過計(jì)算和優(yōu)化得到LC 調(diào)諧匹配模塊的最佳值，通過LC 網(wǎng)絡(luò)調(diào)配使短波天線與電臺高效率匹配。

        ④系統(tǒng)中有一個VSWR 電壓駐波比檢測模塊，它使用DSP56F8323 的內(nèi)部ADC 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,該模塊對電臺和天線的匹配進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控,并將監(jiān)控的VSWR 數(shù)據(jù)實(shí)時的傳送給電臺；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到電臺和天線出現(xiàn)失配時，通過系統(tǒng)的通信模塊給短波電臺發(fā)出告警信號，根據(jù)電臺的指示對天線重新進(jìn)行測量和調(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)算得到測量的阻抗，同時天線匹配系統(tǒng)又需要根據(jù)測量的阻抗數(shù)據(jù)通過I/O 去開關(guān)相應(yīng)的匹配電容、電感網(wǎng)絡(luò)，需要大量的判斷、過程語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；矢量阻抗測量模塊主要完成對未知天線的實(shí)際阻抗進(jìn)行測量，DSP 處理器模塊根據(jù)測量數(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 矢量阻抗測量模塊

        由于直接根據(jù)射頻阻抗的定義對測量參考面上的矢量電壓、電流進(jìn)行測量是非常困難的，因此射頻阻抗數(shù)值的測試都是通過間接的方法通過測量與阻抗有關(guān)的相關(guān)參數(shù)，通過公式計(jì)算得出。實(shí)際工程中，常用的阻抗測量有多種方法,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量。同時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，特別是對與匹配電橋進(jìn)行有意的討論。對于匹配電橋在一定條件下可以認(rèn)為是一個定向耦合器。在阻抗測量中可以使用兩個定向耦合器分別將未知輸入阻抗DUT的入射波電壓，反射波電壓測量出來，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。如圖定向耦合器測量反射系數(shù)。

定向耦合器測量反射系數(shù)

        由此，可以用兩個匹配電橋做兩個定向耦合器，分別測量系統(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。

矢量阻抗測量模塊的硬件構(gòu)成：
 

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