天线调谐器T形阻抗匹配网络与双极天线适配仿真分析

李 引 凡

(重庆通信学院 通指装备管理与技术保障教研室，重庆 400035)

天线调谐器[1]作为短波通信天馈系统的重要组成部分，早已广泛应用于各型短波通信系统中，其阻抗匹配网络在天线与发射机的匹配中发挥了关键性的作用。对阻抗匹配网络性能的研究，不仅可以为天线调谐器的应用和天线的选择提供依据，还能为天线调谐器调谐算法的设计提供参考。文献[2]、文献[3]从理论上分析了网络各参数对天线适配性的影响，在此从仿真的角度出发，通过研究网络自身性能和天线适配实例，分析了网络对天线的适配性。

1 T形匹配网络仿真分析

1.1 网络形式

图1 T形阻抗匹配网络

阻抗匹配网络的形式[4]主要包括：Γ形，由图1中的C和L′组成；反Γ形，由图1中的L和C组成； Π形，由Γ形和反Γ形网络级联而成；T形，由反Γ形和Γ形网络级联而成。在以上4种基本形式的基础上，根据设计理念的不同和电路配置的差异，网络形式还存在各种不确定的变形[4，5]。

1.2 网络参数

为了实现网络参数的准连续可变和数字可控，通常采用二进制元件阵列来实现，L、C和L′的取值为

(1)

1.3 匹配区域

由图1可知：

(2)

当网络完全匹配时，有Zi=Rg= 50 Ω。对式(2)进行重写可得：

(3)

图2 匹配区域曲线

图3 匹配区域曲线

当f<6 MHz时，实际结果与理论曲线契合较好，当f>6 MHz时，实际结果则与理论曲线背道而驰了，显然，这是由于C的取值精度不够导致的。

1.4 匹配精度

图4 T形网络匹配区域曲线

图5 T形网络可匹配点分布百分比

本例网络中的元件个数为19，因此共有219个可完全匹配点，这些点在不同区域的集中或分散程度决定了这些区域内匹配性能的优劣，图5给出了全部可匹配点在不同坐标范围内的分布百分比。从图5中可以看到，这些可匹配点在匹配区域中，仅在f<4 MHz频段，其分布相对均匀，而在f>6 MHz频段，偏态现象极为严重：当f>6 MHz后，超过70%的可匹配点集中于R<10 Ω范围内，超过50%的可匹配点集中于X<-500 Ω范围内，而这两个数值在f>14 MHz后分别超过了90%和80%；与之对应的是，上述范围之外的可匹配点数量随着频率的增大总体上呈急剧下降的趋势，导致可匹配点的分布极度分散，这也从一个侧面说明了随着频率的增大，对天线的适配难度在增大。根据图1，可画出T形阻抗匹配网络的变化轨迹如图6所示。

图6 T形网络匹配变换轨迹

图7 不同交点R值时L1的适用频段

根据文献[2]、文献[3]的结论，可以画出以下3种反映匹配精度的曲线：

(1) 经L变换后进入等VSWR圆内的阻抗轨迹与R轴的交点在不同VSWR精度下的适用频段需满足ωL1

(4)

式(3)中σ为VSWR值。当σ=2.0时，需要求L变换轨迹交R轴于约32～92 Ω之间，此时可满足全频段的匹配，由于L的值为离散值，因此该条件为匹配的充分条件而非必要条件。而对于σ=1.5(或σ=1.3)，在f>26 MHz(或f>17 MHz)时，是难以适配的(但不绝对)。

(4)

(6)

图8 低Ra值时C1的适用频段

2 双极天线适配仿真分析

以上述T形阻抗匹配网络为例，在1.5～30 MHz范围内取平均分布的500个频点，对22 m、44 m和64 m双极天线进行匹配仿真(为忽略调谐算法影响，匹配采用枚举法取VSWR全局最优解)。

2.1 适配频段

各型天线的适配性能表1所示，其中，适配频段的下限为出现第一个σ<2的频点。天线的失配主要集中于低频段，这是由于低频段天线的电长度更短，具有极小的输入电阻和极大容抗，此时已超出天调网络的匹配区域，需要更大的L和C、更小的L1和C1才能获得匹配。而在高频段，VSWR的分布出现较大波动，这也印证了图5的结论。通常，天线调谐器对某型天线的匹配率需达到90%，是为适配。显然，大尺寸天线的匹配更为容易，无论是均值还是方差都更为理想；22 m双极天线的匹配效果不尽人意，但作为车载站移动使用时，也勉强可以胜任；44 m和64 m双极天线作为固定站的常用天线，由于尺寸更大，匹配效果明显更好。

2.2 概率分布

各天线在适配频段内的VSWR累积概率分布函数曲线如图10所示。从图10中可以看到，总体上64 m天线的VSWR分布最优，但在σ<2范围内，44 m天线的VSWR分布优于64 m天线，而在σ<1.35范围内，22 m天线的VSWR分布最优。在高频段(f>20 MHz)，天线尺寸越小，VSWR值波动越大，甚至已经超出了网络的匹配区域，因此影响了整体匹配性能，而尺寸更大的天线则具有更宽的适配频带。

表1 双极天线适配情况

图10 VSWR分布函数曲线

2.3 谐振分布

图11 64 m双极天线谐振频段VSWR分布

3 结束语

天线调谐器阻抗匹配网络对天线的适配与工作频率、网络参数、天线类型、匹配门限等因素息息相关，文中使用的VSWR全局最优解进行分析，实际应用中，由于调谐算法的优劣，应用效果可能会有所下降、参差不齐。其他类型网络及天线的仿真分析可参照文中的方法进行，上述分析对于天线调谐器匹配网络的改进、实际应用及调谐算法的设计都具有一定的参考价值。

参考文献：

[1] 全国电子行业标准化技术委员会.SJ-20489-1995中华人民共和国电子行业军用标准——天线调谐器通用规范[S].北京：中国标准出版社，1995

[2] 李引凡，卜鑫，彭焰.天线调谐器Γ型/反Γ型阻抗匹配网络参数估算[J].重庆通信学院学报，2013，32(1)：20-23

[3] LI Y F. Parameters Computation of T-Section Impedance Matching Network of Antenna Tuner [A]. The 3rd International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering [C]. 2012：413-416

[4] 胡中豫.现代短波通信[M].北京：国防工业出版社，2003

[5] RF-3282 Antenna Coupler Service Manual [R]. New York：Harris Corporation，1991

[6] SG-230 Smartuner Antenna Coupler：Installation and Operations Manual [R]. SGC Inc，2000