何西

摘 要：调频发射机系统的关键技术之一是自动天线调谐器的快速阻抗匹配，本文提出采用Smith圆图做阻抗匹配，对算法系统的技术难点进行了深入探讨，给出了天线阻抗匹配的软件流程实现方案，测试试验表明，平均调谐时间、调谐精度等指標均满足预定要求。

关键词：天线调谐器;软件算法;设计

中图分类号：TN838 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）10-0065-02

0 引言

调频发射天线的阻抗会随频率的变化而变，而发射机的输出阻抗是固定的，这样在实际运行中发射机与天线之间阻抗将产生不匹配，会引起传输辐射功率降低，甚至发生反射。为了匹配发射机与天线之间阻抗，采用的方法是在发射机与天线之间增加天线调谐器，以期达到天线在频率变化后也能有最大的辐射功率。

要使发射机传送到天线的功率最大，发射机阻抗必须等于天线的共轭阻抗，在这个条件下，从发射机到天线传输的能量最大，能有效传输功率，也直接关系到通信质量。天线调谐器也即TIMS（Trace Impedance Measuring System）技术，有人工和自动之分，自动天线调谐技术采取检测后，调节天调单元中匹配网络的各个可变元器件的参数值，以匹配发射机输出阻抗与调谐器接入阻抗，使得发射机有最大的发射功率传输出来。

1 阻抗匹配网络

自动天线调谐器有检测，控制和执行单元，主要由匹配算法软件和匹配网络构成。为实现自动检测和处理，内部配置有微电脑，通过改变配置网络中的电容和电感量，达到调谐匹配目的。

阻抗匹配网络是调谐闭环反馈系统中最重要的一环，阻抗匹配的目的是确保能实现信号或能量从发射机到天线的有效传送。天线工作起来一般呈电容性或电感性，天线调谐器就根据天线的这个原理，对电容性的天线采用加入电感来匹配阻抗，电感性的天线采用加入电容，实现共厄匹配。

1.1 阻抗匹配电路结构

而匹配电路就是由电感和电容所构成，这个时候我们就需要使用电容和电感来进行阻抗匹配电路调试，以达到RF性能最优。阻抗匹配网络天调的线路基本为T型和π型，一般结构如图1，本实验采用π型结构。

1.2 阻抗匹配网络

自动天线调谐器内部关键是自动检测和自动控制单元，需要用到微电脑控制电路和微电脑程序编程，采用继电器切换定值电容群和电感群的组合来实现实际接入电容电感值的步进改变。根据Smith阻抗圆图位置，调谐检测获得模拟信号值，经过数字量化后转换为数据送入微电脑系统，在微电脑系统控制下，自动判断并控制阻抗匹配网络的元件切换。

在多种阻抗匹配的方法中，经过试验选择Smith圆图，通过它能快速找出最大功率传输的匹配控制流程，并优化噪声系数，提高通讯品质以及通讯稳定性。串并联元件对应的smith图上的运动轨迹可作为调试判断，要维持匹配的稳定性，电感/电容值不能过小，电容值不能过大，是因为依照容抗公式：，电容值越大，容抗越小，阻抗匹配如图2。

2 调谐算法

调谐算法是自动天线调谐系统的关键技术，决定整个系统的优劣和特性，调谐软件是根据调谐算法设计，其算法直接决定天调系统调谐精确度以及调谐时延，包括调谐时间、调谐精度、最大可调谐范围。

调谐软件直接接受调谐网络反馈数据，控制匹配网络，实现自动阻抗检测和匹配，在快速换频跳频是，自动快速适应电磁波组网。

阻抗圆图（如图3）的构图原理是利用输入阻抗与电压反射系数之间的一一对应关系，将归一化输入阻抗表示在反射系数极坐标系中，上半圆阻抗为感抗，下半圆阻抗为容抗;实轴为纯电阻，单位圆为纯电抗;实轴的右半轴皆为电压波腹点，左半轴皆为电压波节点;匹配点（1，0），开路点（∞，∞）和短路点（0，0）;两个特殊圆：最大的为纯电抗圆，与虚轴相切的为匹配圆。

导纳圆图与阻抗圆图互为中心对称，同一张圆图，即可以当作阻抗圆图来用，也可以当作导纳圆图来用，但是在进行每一次操作时，若作为阻抗圆图用则不能作为导纳圆图。

在天线之前串联或并联一个可变电感/电容，将得到Smith圆图上右侧的几条曲线。对应Smith阻抗圆及导纳圆，使用Smith阻抗圆时，串联电感顺时针转，串联电容逆时针转;使用Smith导纳圆时，并联电感，逆时针转，并联电容顺时针转。

调谐网络的主要理论支撑是Smith阻抗圆图，Smith图上可以反映出如下信息：阻抗参数Z，导纳参数Y，品质因子Q，反射系数，驻波系数，Snn散射参数，噪声系数，增益，稳定因子，功率，效率，频率信息等抗、驻波比、品质因数等参数，调谐网络计算时忽略其它参数的影响。

3 调谐流程设计

史密斯圆图分布在坐标的四个象限中，圆图中的每一点为反射系数，阻抗调整可以根据系数的绝对值和点的相位来实现，点到原点的距离为反射系数的绝对值，到原点的角度为反射系数的相位。

也可以根据点位的值来确定调节方向来实现，本算法采用后者。反射系数为阻抗匹配性，由虚部和实部组成，反射系数的实部为电阻圆，虚部为等电抗圆。把阻抗圆图旋转180度，即为导纳圆图。合并阻抗圆图和导纳圆图，可以从阻抗点通过等电阻圆、等电抗圆移动到原点，实现阻抗匹配，达到发射能量全部输出。

圆图中的横坐标为反射系数的实部，纵坐标为反射系数的虚部。在流程设计时，先计算反射系数，基本算式为Γ=（Z-1）/（Z+1），Γ为反射系数，Z是负载值，在电路设计完成后，检测推算各参数值，传输线的特征阻抗值采用50Ω。计算后得到实部和虚部的值，分别对应调节电容和电感的大小，步进式回归到原点，达到匹配成功。流程示意图如图5。

圆图最中间的点（Z=1+j0，Γ=0）代表其反射系数的值为零，发射机功率完全传输到天线。圆图的边缘代表其反射系数的幅度是1，即完全反射，没有功率传送到天线。如图4。

在天线调谐器具体做成时，元器件指标稍有差异，软件算法的参数要对具体采用的感容元件的特性，采取相应的调整。

4 结语

结合发射环境，硬件网络与软件算法联调后，自动天线调谐器进行了具有统计效果的大量测试数据采集，通过实际数据统计结果表明，调谐时间间隔小于2秒。

天线调谐技术是中短波通信系统中的关键技术之一。快速自动算法采用对Smith阻抗圆图进行计算判定，具有高效性，在实际案例应用和模拟试验中，采样数据表明调谐周期短，适应发射环境变化，能有效应用。

参考文献

[1] 冯晓雯.短波天线调谐器技术[J].军事通讯技术，2006（2）：7-9.

[2] 李明，戚仁华，朱红琛.短波宽带快速跳频通信技术研究[J].通信技术，2000（3）：34-37.

[3] 罗秋霞，周治中，邹盛唐.短波组网技术探讨[J].通信技术，2000（3）：2-5.