微处理器在自动天线调谐器中的应用

李 健，李丽霞

(同方电子科技有限公司 高端通信研究所，江西 九江332002)

0 引言

在短波发射机配天线工作时，短波发射机输出的50 Ω内部阻抗和不同阻抗的短波天线须相匹配[1]，当天线阻抗与发射机阻抗不匹配时，由自动天线调谐器对匹配网络进行调谐，使天线阻抗接近发射机输出阻抗。在实际短波发射机自动天线调谐器中，通常采用人工调谐、固定分段和固定驻波比检测的数字调谐及微处理器自动调谐等技术手段来进行调谐。人工调谐通过人工手动调节电感和电容匹配网络进行调谐，具有调谐时间长、对操作人员要求高等缺点；固定分段和固定驻波比检测的数字调谐具有调谐时间快的特点，但调谐精度一般，调谐匹配范围有限；相对以上调谐方式，采用微处理器自动调谐方式具有自动控制和算法灵活的特点，是现在主要的一种调谐方式，文献[2]通过89C52微处理器及扩展外围芯片实现了基于微处理器的天线自动调谐，但硬件控制电路和软件调试相对复杂。

本文采用一体化微处理器实现了短波400 W自动天线调谐器，利用了C8051F020微处理器的高集成度、编程简单和在线仿真等优势，较简单地实现了粗调和精调结合的复杂迭代天线调谐算法，该算法较好地平衡兼顾了自动天线调谐器的调谐精度、调谐时间及调谐范围等指标。

1 总体设计方案

短波400 W发射机天线调谐系统由激励单元、功放单元、滤波单元、天线自动调谐器和天线等组成，短波400 W发射机自动天线调谐工作原理如图1所示。

图1 系统工作原理

系统通过激励单元产生激励信号，激励信号先经过功放单元放大，通过功率滤波器对激励信号进行滤波，天线自动调谐器自动调谐，最后通过天线辐射。

系统的控制过程为激励器的激励信号频率、功率和调制方式等参数通过面板按键输入修改；同时激励器通过RS422接口[3]与功放微机和天调微机串口通信，交互频率、功率和调谐等命令及参数。自动天线调谐器的微机控制单元对激励器的命令进行处理、分析和计算，对检测单元的各路检测信号进行检测、计算、分析和故障保护，再控制匹配网络的电容和电感继电器通断，从而实现匹配网络的调谐。

1.1 硬件设计

自动天线调谐器硬件电路[4]主要包括微处理器自动控制[5]电路、继电器驱动电路、匹配网络电路、检测保护电路和电源转换电路。硬件原理如图2所示。

图2 自动天线调谐器硬件原理

电源转换电路主要给其他各电路提供所需的电源电压，把12 V输入电压转换成各电路所需的5 V电压和3.3 V电压。检测保护电路主要提供用于检测和保护的检测电压和电平，包括正向功率检测电压、反向功率检测电压、过流检测电压、0°相位检测电压和90°阻抗模值检测电压，并提供过温检测电平，其中正、反向功率电压检测主要用于计算电压驻波比和当前实时功率值；过流检测主要对自动天线调谐器进行过流检测及保护；0°相位检测电压和90°阻抗模值检测电压用于判断阻抗区域；过温检测对自动天线调谐器是否发热致使温度过高进行实时检测和保护。

匹配网络电路主要由加权电容和加权电感组成，加权即按2n次方的倍数来配置电容和电感的值，从而方便按十六进制转换为二进制来控制当前电容和电感值，电容和电感值控制精度为最小的加权电容和电感值C1和L1，加权电容和加权电感的组合高达上千种，设计中部分加权电容和加权电感参数典型配置如表1所示，实际应用中由于分布参数的影响，加权电容和加权电感会有微小变化。

表1 加权电容及加权电感

Ci值/pFLi值/μHC120L10.15C240L20.3C380L30.6C4160L41.2C5320L52.4C6640L64.8C71 280L79.6C82 650L819.2L938.4

继电器驱动电路主要实现I/O接口电平驱动功能，通过ULN2003驱动芯片把C8051F020微处理器I/O接口输出的5 V电平驱动转换成24 V电平，用于驱动切换高压继电器的通断，继电器控制加权电容和电感的通断。ULN2003驱动芯片为美国Texas Instruments公司和Sprague公司共同开发的一款驱动芯片，ULN2003驱动芯片具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽及带负载能力强等特点，适用于各类要求高速大功率驱动的系统，内部集成了消线圈反电动势的二极管，用来驱动继电器。

微处理器自动控制电路作为400 W自动天线调谐器微机控制系统的核心，主要采用SILICON LABS公司的C8051F020微处理器作为主控制器，C8051F020微处理器集成度高，芯片内资源丰富，单芯片集成了FLASH，RAM，A/D，D/A，串口及定时器等，功能强大，大大减少了外围电路，适合体积小的单芯片工作，节省了印制版面积和成本，符合设备小型化趋势，提高了可靠性，可在系统中进行仿真调试，在嵌入式微机控制系统里具有通用性，C8051F020微处理器芯片的详细功能介绍可参考数据手册。

本系统中采用C8051F020微处理器的P0口、P1口和P2口I/O接口控制加权电容和电感的通断，P0口、P1口和P2口I/O接口经ULN2003芯片驱动后用于控制继电器通断，从而达到控制加权电容和电感的接入和断开。采用C8051F020微处理器内置串口实现自动天线调谐器与外部激励器串口通信，RXD0和TXD0为串口0的收发线，由于400 W发射机发射功率时会产生干扰，为了可靠地收发数据，增加串口通信的抗干扰能力，本微机控制系统中波特率设置为中等速率9 600 bps。

1.2 软件设计

1.2.1 主程序设计

C8051F020微处理器自动控制系统采用Silicon Labs IDE为软件开发环境，在线仿真采用U-EC6实时调试器，系统主要程序[6]包括主程序、串口程序和调谐程序等，主程序流程如图3所示。

图3 主程序流程

主程序主要包括初始化程序和故障检测保护程序，由于发射机带天线发射功率工作时，一旦出现天线阻抗不匹配，反射功率会很大，导致损坏发射机的功放设备，且天线通常安装在室外，一旦出现雷电天气，容易引入雷电到设备内，烧坏设备。所以，为了使设备更加安全可靠地工作，主程序采用循环执行的方式实时对故障进行检测，同时实时进行保护处理，从而保证发射机和自动天线调谐器的工作安全。主程序中的初始化程序对串口、定时器和寄存器等进行参数初始化，主程序中故障检测保护程序主要检测当前天线自动调谐器设备的电流、电压、温度和驻波比等参数，并判断是否正常，如不正常则通知激励器单元对激励信号做相应控制和保护处理，如降功率和关断信号发射的保护处理措施等。

1.2.2 串口程序设计

串口程序流程图如图4所示。

串口程序用来与发射机激励器单元进行串口命令和数据的收发，自动天线调谐器微机控制系统接收发射机激励器单元的命令和数据，进行解析并做相应的处理，同时把天线的状态回送给激励器单元，激励器收到状态反馈信息后，对发射机的工作状态进行全局管理控制，与激励器的串口命令处理均在串口服务程序里处理，其中串口服务程序对接收到激励器命令如换频、天线调谐、存储和调用等命令进行解析处理，并通过串口向激励器发送申请调谐功率、增加调谐功率和调谐结果以及故障保护等状态参数。

图4 串口0中断服务程序流程

1.2.3 调谐程序设计

调谐程序的具体流程如图5所示。

图5 调谐控制子程序模块流程

调谐程序是自动天线调谐器自动控制的核心部分，其主要根据发射机的不同频率对匹配网络进行调谐，从而实现天线阻抗与400 W发射机输出阻抗的自动匹配，调谐程序主要通过分段和微调结合的方法实现调谐精度和调谐时间的平衡问题。如果调谐精度不够，导致天线与发射机阻抗失配，发射机在配天线发射功率时，发射功率效率低，反射功率大，不但达不到发射要求功率的目的，而且容易损坏发射机；如果调谐时间长，易导致发射机调谐时容易被捕捉到，增加发射目标被暴露的概率，从而容易受到攻击。

系统自动调谐关键流程如下：自动天线调谐器收到激励器换频命令，接通衰减器，初始化参数，做好调谐准备后向激励器发送申请调谐功率命令，激励器收到后从较低功率发射当前频率射频信号，并接通PTT发射信号开关；自动天线调谐器循环检测当前调谐功率，如果判断当前调谐功率没有达到调谐功率门限(10～20 W之间)，则向激励器继续申请增加功率，激励器按0.25 dB步径增加调谐功率，如此循环，直到自动天线调谐器检测到调谐功率达到调谐功率门限要求，这种按微小步径渐增调谐功率的方法，使调谐功率严格控制在要求的调谐功率门限内，避免了调谐功率过大或过小影响检测的安全性和准确性。

随后进入调谐流程，设置电压驻波比(VSWR)门限[7]为1.5(可设置)，最大调谐时间2 s，先通过0°相位检测和90°阻抗模值检测确定阻抗调谐区域在阻抗圆图[8]的位置(即分段)，然后根据不同段确定相应段用于调谐的电容值和电感值范围，同时依据不同段输出对应的初始匹配网络电容和电感值；再检测正、反向功率电压值，根据正、反向功率电压值计算出当前电压驻波比(VSWRc)，如果当VSWRc=1.5，则按逐次逼近法逐次改变加权电容和电感，再逐次检测计算当前电压驻波比，并把VSWRc与上一次匹配网络状态下的电压驻波比值(VSWRl)进行比较，如果VSWRcVSWRl，则舍弃当前匹配网络和电压驻波比，即匹配网络电容、电感参数和VSWRl保持不变，重复迭代的过程就是逐次逼近阻抗匹配的过程。调谐结束判断：如电压驻波比小于1.5，则结束调谐，调谐结果为当前匹配网络和当前电压驻波比；如调谐时间超过2 s，则按超时结束调谐处理，使用调谐过程中最小电压驻波比时的匹配网络，并通过降低发射功率的措施优先保证发射机和自动天线调谐器设备安全。

2 关键技术

2.1 分段及微调结合

相对固定分段式调谐方式，逐次逼近加权电容和加权电感调谐提高了调谐的精度和宽度，即提高了调谐电压驻波比并减少了死点，但二进制加权电容和加权电感的组合方式高达上千种，如果从头开始每种组合状态逐次替代，一些频点有可能需要相当长的调谐时间，调谐时间是指激励器向自动天线调谐器发送调谐命令开始调谐到自动天线调谐器回送调谐结束的时间，是评估自动天线调谐器调谐能力的主要指标之一；为了平衡调谐精度、调谐宽度和调谐时间的问题，采用分段和逐次逼近法微调加权电容和电感结合的方式，即先采用分段使需调整的加权电容和电感参数值范围落在一小段内，再通过逐次逼近法在该小段内精调加权电容和加权电感的值，大大减少了逐次迭代的次数，满足调谐精度和调谐宽度的同时使调谐时间符合指标要求。

2.2 逐次逼近法

逐次逼近法类似于逐次逼近式A/D转换的算法，也称渐进性接近法，按照一定的运算公式迭代逼近，结果无限接近于某一已知数值，此方法作为数值分析的验证方法，在本系统中作为主要的调谐算法[9]，通过逐次改变加权电容和加权电感值，每次改变状态时，检测当前驻波比，合格则停止，不合格则继续按照构造的算法改变加权电容和加权电感值，直到由加权电容和加权电感组成的匹配网络使发射机输出阻抗和天线阻抗逼近匹配为止，即驻波比小于1.5。

3 系统仿真与结果分析

经实测，该自动天线调谐器能够适配鞭天线[10]、斜天线和双极天线等多种天线，实现短波频段[11]内精确调谐。在短波400 W自动天线调谐器产品应用中，使用DP-810通过式功率计测试，配10 m鞭天线时短波频率段调谐测试结果如表2所示。

表2 配10 m鞭天线调谐结果

频率fi/ MHz驻波比VSWRi21.561.1101.2151.1201.3251.2281.5301.6

配10 m鞭天线条件下测试结果对比分析：该自动调谐系统在短波频段，典型电压驻波比≤1.3，最大电压驻波比≤1.6，不可调谐点少，调谐时间典型≤0.4 s，最大小于2 s；手动调谐方式通常指标：电压驻波比典型≥1.5，不可调谐点多，调谐时间熟练操作人员≤10 s；固定分段式调谐通常指标：典型电压驻波比≤2，最大电压驻波比≤4，不可调谐点较多，调谐时间典型≤0.4 s，最大小于2 s。

4 结束语

以C8051F020微处理器为核心的自动天线调谐器微机控制系统具有电路简单、集成度高和开发方便等特点，经测试调谐精度高、调谐范围宽和调谐时间短，该调谐算法具有一定的扩展性，可应用在短波系列发射机或电台配套的自动天线调谐器设备中；系统采用的C8051F020微处理器具有通用性，可以为需要高集成度和小型化的嵌入式工业控制领域提供实际的解决方案；今后，通过改进检测电路，实现更低功率隐蔽调谐，提高短波发射系统的抗毁性，同时实际研究更精准细化的分段方法实现更短时间快速调谐，进一步提高短波发射系统的抗侦测能力。