匹配窄带螺旋天线的天调设计及配谐失调故障排除

广州海格通信集团股份有限公司 许业周

匹配窄带螺旋天线的天调设计及配谐失调故障排除

广州海格通信集团股份有限公司 许业周

介绍了一种匹配窄带螺旋天线的天调，采用矢量自动天调技术设计一种天线调谐器，分析了其工作原理，介绍了天调网络板拓扑结构的优化与定型，给出了天调调谐算法的实现；对于实际应用中出现的无法正常配谐天线的故障进行故障分析和定位，提出了解决方案。

窄带螺旋天线；匹配设计；调谐器；配谐失调；故障定位

1.前言

传统的短波天线调谐器通过测量传输线上的电压/电流的相位差（大于0还是小于0）、匹配网络输入端的并联等效输入电阻（大于还是小于50Ω）和电压驻波比VSWR，其中相位与电阻的值为相对值，通过逐次逼近式调谐算法不断去调整匹配网络，当VSWR小于设定值时，完成阻抗匹配，由于需要多次调整，需要的时间较长。传统的天调调谐时间多为3s以内，本文设计的矢量天调调谐时间可以达到0.5s以内，性能有大幅提高[1]。

2.矢量天调调谐原理

矢量天线调谐器的作原理为天调接收到来自短波电台发射机的调谐指令和频率信息，CPLD根据频率信息生成调谐频率字送往DDS频率源，DDS产生对应频率的射频信号并通过射频放大作为回路的功率信号；电压、电流取样电路对射频回路进行采样，通过预处理及采样后送给DSP进行处理，DSP通过算法计算出取样点的矢量阻抗，并计算从取样点到50Ω阻抗点需要接入的匹配网络参数；DSP并通过CPLD控制对应的继电器切换，以接入对应的阻抗匹配网络，同时计算出VSWR，完成调谐[2]。

3.匹配窄带螺旋天线的天调设计

3.1 天调网络板拓扑结构的优化与定型

由于与采用的电台搭配短波天线为窄带螺旋天线，与传统的鞭天线相比阻抗很小，驻波比在频带内变化非常剧烈，并且印制板的分布参数影响较大，需要改变拓扑结构以去适应。为确定矢量天调的网络参数，测得了螺旋天线S参数的smith圆图。

通过对S参数进行分析，对2-30MHz内以0.1MHz步进逐点遍历，通过手动调谐确定在对应频段内所需要的匹配器件及参数值，手动调谐后部分频点的smith圆图如图1所示。

图1 部分频点手动调谐后的s mi t h圆图

对实验测试的数值进行整理归纳，得到符合要求的拓扑结构如图2所示。

图2中，对应的参数如下：

LQ：0.125、0.35、0.5uH；

CQ：47、100、181pF；

C1：5.1、10、22、44、86、164、326、642、1240、2400、4800pF；

L1：0.03、0.07、0.125、0.25、0.5、1、2、4、8uH；

C2：15、27、56、112、220、440pF。

图2 新设计的天调拓扑结构

3.2 天调调谐算法的实现

首先把阻抗圆图分成四个区域，如图3所示。

图3 阻抗圆图

任何天线阻抗归一化后都可归类在此四个区内，设归一化天线阻抗为ZA=R+jX，归一化导纳为：

存在：

A区阻抗范围为：q≤0 (X≥0)，g≤1

B区阻抗范围为：X≤0，R≤1

C区阻抗范围为：q≤0 (X≥0)，g≥1

D区阻抗范围为：X≤0，R≥1

然后根据超外差矢量检测技术得到精确的阻抗信息，可以采用如下两种算法进行快速匹配。

（1）直接计算法

在直接计算法调谐中，将阻抗圆图所示的A、D区划入后π调谐（后Pi）区域内，将B、C区划入前π调谐（前Pi）区域内。

根据检测得到的阻抗值，既可知当前天线阻抗值处于哪个区域，从而能够判定应该采用前π或后π进行调谐。

（2）基于等g圆/等r圆的快速半区法

B、C区调谐时都采用前π匹配网络。首先串联电感，直到g=1，x＞0处，这一段采用半区法来加电感；然后则并联前π电容至原点（R=50Ω）处，这一段采用半区法来加电容。

目前天调可实现对窄带螺旋鞭天线短波全频段配谐，驻波比不大于1.5，调谐时间不大于1秒。

4.配谐天线的故障判断及处理方法

4.1 故障点分析

在实际应用中，出现无法正常配谐天线的故障，故障表现为全频段（1.6MHz～29.9999MHz）配谐失败。由于天调能够接收主机命令进行调谐，因此排除单馈电路问题；另外，由于全频段调谐失败，因此排除网络电路的个别电容或电感和与之相连的继电器问题。问题应出现在射频通路上的相关检测电路、继电器控制电路和电源电路。分析调谐失败问题的可能原因为：供电电路异常，使部分电路无法正常工作，导致调谐失败；阻抗相位检测器故障，导致相位和阻抗检测数据出错，天调无法正常配谐；驻波比检测电路故障，导致无法正确判决调谐结果，出现调谐失败现象；继电器控制电路出错，使配谐过程未按软件算法实施，导致调谐失败。

图4 驻波比检测原理图

4.2 初步定位

针对上述可能的故障原因，进行分析。对电路所有供电电路进行测试。所有电压符合电路要求，因此排除供电原因；通过配接不同阻抗特性的负载检查检测器输出结果。检测器相位及阻抗检测输出结果与设定的负载一致，以此排除检测器故障；在配接标准负载的情况下输入功率，检测驻波比检测电路输出。由于电路输出结果与设定结果不一致，因此怀疑驻波比检测电路出现故障；利用调试架，输出特定控制信号到继电器控制电路，检查控制结果是否按调试程序执行。由于继电器按调试程序逐一吸合释放，因此排除继电器控制电路原因。

4.3 故障确认

基于以上分析，初步判断驻波比检测电路出现故障，驻波比检测电路原理图如图4所示。

图4中接标准负载（200Ω），检测电路在输入标准功率后，检测出的电压S1（220mv）和S2（187mv）符合设计要求，但经过运放比较后输出的结果为低电平，不符合设计要求（要求输出2.5V以上，实际输出0.56V）；确认此处为故障点；运放输出管脚连接电阻R46进行上拉高电平，连接电容C80进行滤波后直接连接到单片机输入脚和下一级运放输入；断开与单片机相连后，输出电平现象仍为低电平。排除单片机问题；观察下一级比较器电路，发现电容C82两端焊接情况不一致，一边焊盘上锡较多。判断C82曾经进行过补焊。利用三用表对电容的电阻进行测量，发现其电阻只有0.6kΩ（正常电路实测33.4kΩ）。因此判断电容出现故障；更换电容，重新测量检测电路输出，发现故障未出现。天调正常工作；因此确认天调调谐问题是因为电容C82一个故障点失效导致。

5.结论

矢量天调与短波电台搭配使用，目前应用比较广泛。本文设计的矢量天调调谐时间可以达到0.5s以内，性能有大幅提高。实际应用中，电台搭配的短波天线为窄带螺旋天线，与传统使用的鞭天线相比阻抗很小，驻波比在频带内变化非常剧烈。

[1]吴建锋．跳频电台矢量天线调谐器设计[D]．西安：西安电子科技大学,2011．

[2]姜孝伟,张静,王闽．天调匹配网络的设计[J]．通信与广播电视,2013(3)：32-37．