天线阻抗自动测试系统的研制

林东

摘要：针对现有天线调配中的试探算法，提出了一种直接根据天线阻抗测量数据进行匹配的方法，重点对天线阻抗测试的方案进行了分析，选取了最佳的阻抗测试方案，最终方案在HF频段上进行了研制，其实际的数据测试结果与理论分析一致，该方法可扩展到其他频率的天线阻抗匹配上有着借鉴意义。

关键词：天线阻抗;匹配;自动测试

中图分类号：TP393      文獻标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）24-0240-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

在天线系统研究和使用中，天线的射频阻抗是一个非常重要的测试参数。天线阻抗数值的大小直接影响到发射机输出功率到天线的工作效率。因此在设计天线发射系统时就必须通过适当的匹配网络使天线的阻抗与发射机的输出阻抗相匹配。常用的匹配网络有L型、π型、T型，在电台中多用T型匹配网络进行自动匹配，传统的自动匹配系统（称之为自动天调系统Auto-Turner）使用的方式是试探算法，即首先发射机输出小功率（1W或更低），由控制器调整匹配网络的二进制电容C和二进制电感L进行不停地试探，同时记录下试探时VSWR数值，最后根据记录的VSWR的最佳取值使天线的反射功率最小，从而完成匹配。通常自动天调系统进行试探匹配需要大量的测试时间。如果我们能快速的测试天线的射频阻抗，即测量阻抗的实部和虚部，就能根据天线的阻抗直接调整T型匹配网络的C/L参数完成匹配，避免了使用原来传统的试探算法测量，加快了天线的匹配速度。

因此，对天线射频阻抗自动测试系统进行研究并将其小型化为一个独立的测试系统，付诸应用到电台的发射模块化结构中，将提高天线的快速调配能力，维护及提高电台的能力具有重要意义。

2 阻抗测试方法研究

2.1 掌握射频阻抗测试方法

根据阻抗的定义 [Z=UI] （[U]为流过端口的矢量电压，[I]为流过端口的矢量电流）

天线的射频阻抗的测量可等效为一个单口网络阻抗的测量。

在射频系统中，[U]矢量电压是容易测量的，[I]矢量电流的测量是困难的。因此单口网络阻抗的测量，需要用扩展电路以电压来代替电流的测量。常用的扩展电路有6dB衰减器法和反射电桥法。

电桥测量法通常用于实验室中精确的测量未知阻抗，原理上要求将电桥的两臂调平衡，中间电流为零，那么未知阻抗就等与其对称的那个臂，但这样不利于自动化测试。实际我们将电桥的三个臂R都接精密的50Ω电阻，未知阻抗接在一个臂上，测量矢量电压[U1]和[U2]，未知阻抗的反射系数[Γ=2×U2U1]

即测量的未知阻抗为 [Z=1+Γ1-Γ]

未知阻抗的反射系数[Γ=2×U2U1] 证明如下：

根据图1可以列出方程

[I1=I2+I3U1=2R×I2U1=（R+ZX）×I3U2=Zx×I3-R×I2]

根据方程得到

[2×U2U1=Zx-RZx+R]  已知[Γ=Zx-RZx+R]

因此反射系数[Γ=2×U2U1] 成立。

因此，未知阻抗的测量转换为反射系数[Γ]的测量，也即矢量电压比值的测量，最终可以通过反射系数计算出未知阻抗数值。

2.2 掌握矢量电压比值的测量原理

矢量电压比值的测量原理是用同步检波器，同步检波器工作原理是，被测矢量电压信号与同频率参考信号源的两路正交信号I/Q分别经过乘法器，滤波，A/D后，得到Vy、Vx电压就分别是被测矢量电压信号在参考信号源坐标平面上的标量数值。被测矢量电压信号E1在参考信号源坐标系中可以表示为E1=Vx+jVy 即[E1=Vx2+Vy2∠arctgVyVx=U1∠θ1]，同样E2矢量电压信号也可以通过同步检波也可以得到[E2=U2∠θ2]。

矢量电压比值[E1E2=U1U2∠（θ1-θ2）]，由此可知只要保持参考信号源与被测量矢量电压信号的频率相同，就可以用同步检波器测量出矢量电压比值，而不考虑参考信号源与被测量矢量电压信号的相对相移产生的影响。

同步检波器的核心就是一个频率与被测信号相同并高度稳定的参考信号源，并且这个参考信号源能产生输出两路高精确的正交信号。

2.3 设计高精度的正交信号源

高精度的正交信号源是射频阻抗测试系统的核心，它的精度好坏将直接影响系统的测量精度。用DDS直接频率合成技术设计高精确度的正交信号源，取代传统设计中的90度相移器方法，DDS直接频率合成的工作原理如下：

正交DDS的工作原理是以数控振荡器的方式，产生频率和相位可控制的I/Q正交信号源。电路包括基准时钟、频率累加器、相位累加器、幅度/相位转换电路、D/A转换器和低通滤波器（LPF）。

①其中频率控制器对输入信号进行累加运算，产生频率控制数据或相位步进量，送入相位累加器。

②相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器级联而成，对代表频率的二进制码进行累加运算，是典型的反馈电路，产生累加结果Y。

③幅度/相位转换电路实质是一个波形存储器，其输出的数据送入D/A转换器和低通滤波器，最后输出I/Q正交信号。

2.4 设计射频阻抗的中频测量电路

由于本测试系统需要测量HF频率（1—30MHz）的天线射频阻抗，根据反射电桥法阻抗测试的原理，直接测量1—30MHz频率在反射电桥上的矢量电压比值，也即幅度和相位的比值就可以计算出天线的射频阻抗。但要产生1—30MHz的I/Q正交信号，电路的复杂程度高，不利于实现。

通过变频的方式，我们可以将测量的频率下变频到一个固定的中频（如10KHz），在固定的中频上用同步检波法测量矢量电压比值。通过分析，变频后的固定中频信号将保持原有频率的幅度和相位。同时在固定的中频上用同步检波法，正交信号源的频率也将在固定的中频上，用DDS方式能极方便的产生一个高度稳定的中频正交I/Q信号。

因此中频测量方式精度高、易于实现、可靠性好。

2.5 射频阻抗测试系统的整体原理说明

系统工作原理说明，首先由信号源1产生一个需要测量阻抗频率的信号f0，經过10dB衰减器（改善失配效应），输出到连接反射电桥上的被测天线上，反射电桥上的输入矢量电压、反射矢量电压经过切换器分别与信号源2 f0-10KHz的频率混频，低通滤波输出固定10KHz的中频信号。

信号源1和信号源2的频率由一个DDS直接频率合成时钟同步系统产生，因此相位是差是固定的，并且保证了混频器输出固定10KHz的中频信号保留了原有输入矢量电压、反射矢量电压的幅度和相位。

使用同步检波器，再经过A/D变换就得到输入矢量电压数值，将切换器接到反射矢量电压，就得到反射矢量电压数值，经过CPU的数值处理，最终将计算出此频率的天线射频阻抗。

系统的误差校准，主要依靠标准的50Ω负载。系统进行校准时，将标准的50Ω负载接在测量端口，在1—30MHz测量标准50Ω的射频阻抗数值，将测量的误差数值保存在CPU的RAM中对今后的测量数值进行误差补偿。

3 阻抗测试的具体技术特点

射频阻抗自动测试系统的技术特点：

① 技术方案中测试方法用两个独立的信号源进行测量和下变频，与传统用锁相环技术的测试方法比较，两个独立的信号源更稳定，测试速度更快。

② 矢量电压的测量使用同步检波法，比传统的用时间阀门测量相位法的精度要高。

③ 系统中所有信号源的产生都使用DDS直接频率合成技术，保证了信号源的相位、频率稳定度高。

4 实验数据

天线阻抗自动测试系统研制完成后，对天馈系统进行测试并进行了匹配，在HF频段（1MHz至30MHz）范围内天线驻波平均值为1.32，同时天线以200kHz步进预置的扫描时间为55s，基本满足了应用要求。

该方法可实现性强，简单可靠，可以方便地扩展到其他的射频频段上使用，具有广泛的实用性。

参考文献：

[1] “ARRL Antenna Book”， 19th Editon， ARRL Publish，2000.

[2] “A Millimeter Wave On Wafer Wave form and Network Measurements Using Active Probe” Ruai Y Yu， Madhukar Reddy， IEEE Transationon Microwave Thoery and Techniques，1995，43（4）.

[3] “DC-50GHZ MMIC Variable Attenuator”，H.Kondoh，IEEE MTT-S Int. Micr.Symp. Dig.，1998：499-501.

【通联编辑：光文玲】