嵌入式智能矢量天线调谐系统（上）

1．引言

天线是现代无线电通信系统很重要的一个组成部分，天线输入参考面上电压与电流的比值称为天线的输入阻抗。它直接影响着无线电发射机输出馈线与天线的匹配效果。研究功率传输、噪声、有源器件的稳定度时，天线输入阻抗是一个很重要的参数。通常天线的有效频带主要取决于天线的阻抗频带特性。

天线是馈线的端接元件，相当一个单端口网络，因此可以直接采用集总参数测量、微波测量中的各种阻抗测量技术，从普通的谐振法到先进的自动网络分析仪法。但是天线作为一个特殊的辐射元件，可以不通过导线与周围物体产生复杂的关系。这些关系可能使理想实验时条件下测量的阻抗数值难以置信。因此在实际天线的使用中，如移动车载天线、飞机的机载天线、舰载天线等的工作环境就是天线的一部，如果只根据实验室、工厂测量的天线阻抗数值，在实际工作状态下可能因为多种误差源的存在而影响发射机输出与天线的匹配效果。所以天线阻抗测试在实际工程中，特别是在移动的情况下是有必要根据工作环境的改变对天线的阻抗进行重新测试，以保证天线的工作效率。

在宽带短波天线系统中，由于短波天线的物理尺寸不可能自然谐振于短波的全频带（1—30MHz），因此在设计全频带短波天线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，同时由于天线的阻抗测量与其工作环境有一定关系，各种短波电台在移动情况下也需要对不同工作环境时的天线阻抗进行匹配。常用的匹配网络有L型(图1-1 A)、π型(图1-1 B)、T 型(图1-1 C)，在短波电台中多用T 型匹配网络进行自动匹配，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，即首先短波发射机输出小功率（1W 或更低），由步进电机带动(图1.C)C1、C2、L2 进行不停的试探，同时记录下试探时VSWR 数值，最后根据记录的数值得到C1、C2、L2 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（秒级），对于短波跳频电台这是不允许的，同时电台的小功率输出也容易暴露电台位置。如果我们能以极微弱的信号快速的测试天线的射频阻抗(R+jX),测量阻抗的实部和虚部，或模和相角的关系，就能根据天线的阻抗直接一次调整T 型匹配网络的各项参数完成匹配，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。为了进一步加快匹配速度，还可以将天线在短波全频段的射频阻抗数据预先测试存入T 型匹配网络系统的EPROM 中，在电台每次频率跳变时，直接从EPROM 中读取并直接匹配而无须测试，避免了进行天线测试而暴露电台的位置。同时随着短波电台的移动、工作环境的改变导致天线的阻抗产生变化后，能及时的重新修正匹配网络保证电台与天线的匹配。

图1-1 匹配网络

2.系统的设计目标

因此，对短波天线系统研制一个嵌入式智能矢量天线调谐系统并将其小型化为一个独立的测试系统，并进一步发展付诸应用到软无线电短波电台的嵌入式模块化结构中，将对提高各种车载、机载、舰载短波宽带天线的适应能力，对短波电台的使用、维护及提高电台的工作效率具有重要意义。

目前在天线的阻抗测试技术、特别是短波电台的天线测试技术，主要是依赖于国外的矢量网络分析仪进行测试，但这些仪器价格昂贵、体积大主要用于实验室测试和工厂生产中的天线调试工作，不可能作为一种嵌入式模块加入到短波电台中。而在实际工程中，现有的各种车载、机载、舰载短波电台需要嵌入一个小型化天线阻抗测量模块对其不同工作环境、快速跳频通信体制的天线进行准确的测量，以便迅速的完成天线匹配。研制满足嵌入式、高精度、高速测量的天线阻抗参数测量和匹配系统，将有很大的市场前景、经济效益。

3.系统概述

系统工作原理：

①初始化工作时，系统的切换开关将短波天线直接接入矢量阻抗测量模块，同时LC 调谐匹配模块直通到天线。

②矢量阻抗测量模块工作，对短波天线进行1MHz—30MHz 全频段测量，采集的测量数据经过DSP56F8323 处理器计算得到天线在整个短波频段内的精确阻抗数值，并存储在系统内作为LC 调谐匹配的计算参数。