矢量天调200Ω的阻抗修正算法研究*

罗 磊，牛吉凌，罗 宇，王 磊

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

短波通信是现代远距离通信的重要通信手段，具有距离远、抗毁能力和自主通信能力强、运行成本低的优点[1]。随着电子技术的发展，电磁环境愈加复杂，在发射机与天线之间使用天线调谐器成为提高短波天线发射效率最有效的方法[2]。矢量天线调谐器（简称矢量天调）是近年发展的新型天线调谐器，采用全新的“矢量阻抗”检测电路和“矢量调谐”算法，具有调谐精度高、调谐时间短等特点[3]，为短波电台和天线之间提供良好的匹配网络，正逐渐成为天线调谐器发展的主要方向[4]。

矢量天调依据准确的阻抗检测配置阻抗匹配网络，理想状态下可以快速地实现精准调谐。但是，在实际工程应用中，因为器件误差、寄生参数、外部环境变化等因素，不可避免会造成计算参数与实际参数之间存在误差。这种误差会造成计算的调谐网络和理想值存在差异，严重时可能造成调谐失败。如何规避误差造成的影响，是矢量天线调谐器工程应用中的重点。

本文分析在硬件设计中使用阻抗变换器将目的阻抗由常用的50 Ω变换为200 Ω的矢量天线调谐器的调谐方法和误差特性，并给出修正方法。

1 阻抗变换器对矢量天调调谐流程的影响

目前，矢量天调采用的阻抗匹配网络的形式包括基本型Г形、反Г形及其扩展型Π形匹配网络。以Π形为例，矢量天调又分为使用阻抗变换器和不使用阻抗变换器两种结构，分别如图1和图2所示。

图1 矢量天调使用阻抗变换器Π型匹配网络

图2 矢量天调无阻抗变换器Π型匹配网络

图1和图2中，CV1与LV1组成Г型匹配网络，为天调主调谐网络，完成阻抗的精确匹配；CV2和CV3为粗调网络，作用是将Г型匹配网络匹配区域外的负载点变换到匹配区域内。

可见，使用阻抗变换器后，硬件电路更复杂一些，同时发射电路中多一些器件，也会增加矢量天线调谐器差损，但通过加入阻抗变换器后也有诸多优势。

1.1 增大可调谐区

在第一步调整粗调器件时，可调谐区已通过检测的天调网络阻抗值判定（推理过程本文不再详细描述）。天线调谐器的R-X平面分区图分布如图3所示[5]。

图3中区域划分规则如下：

1区：1/Ga＞Z0,Xa＞0

2区：Ra＞Z0,Xa＞0

3区：Ra＞Z0,Xa＜0

4区：1/Ga＞Z0,Xa＜0

5区：1/Ga＜Z0,Xa＞0

6区：1/Ga＜Z0,Xa＞0

图3 阻抗网络调谐区分布

深色区域的4、5、6区为可调谐区，浅色区域的1、2、3区为不可调谐区，其中Z0为目的阻抗即负载阻抗值。由图3可以很容易判断，可调谐区的大小和Z0直接相关，改变Z0的大小即可改变可调谐区的大小。

阻抗变换器可以实现天调调谐网络与负载间的不同阻抗匹配。天线负载阻抗Z0一般为50 Ω，可使用阻抗变换器将匹配值Z0改变为200 Ω。根据图4，左侧为目标阻抗50 Ω，右侧为目标阻抗200 Ω，使用阻抗变换器后天调可调谐区显著增大。

图4 两种阻抗网络可调谐区对比

可调谐区增大，使得调整粗调网络的难度降低，对于不同阻抗特性的天线适配能力有所提高。在设计天线调谐器电路时，还可以减少CV2和CV3的器件。

1.2 降低器件误差影响

阻抗圆大小不同，器件误差对调谐结果的影响也不同。例如，最终匹配电容后调谐结果相对于目的阻抗，阻抗实部常常存在负误差。假设误差为-20，当不使用阻抗变换器时目标阻抗为50 Ω，实际阻抗Za=（30，0）。当使用阻抗变换器时目标阻抗200 Ω，实际阻抗Z´a=（180，0）。根据反射系数和驻波比的计算公式：

可得Za的反射系数为0.25，驻波比为1.67，Z´a的反射系数为0.052 6，驻波比为1.11。可见，使用阻抗变换器后，可以减小器件误差的影响。但是，阻抗变换器本身也会带来误差。经测试，阻抗变换器带来的误差为驻波比的±0.2之内，低频较小，高频略大。总体来说，阻抗变换器可以减小阻抗网络的误差影响。

2 200 Ω阻抗网络匹配修正策略

无论目的阻抗是50 Ω还是200 Ω，矢量天线调谐器的主调谐网络的匹配基本步骤是一致的。

矢量天线调谐器调谐步骤总体分为3步：

（1）调整粗调网络，使天调主调谐网络处于可调谐区；

（2）计算主调谐网络所需电感量并配置电感器件；

（3）计算主调谐网络所需电容量并配置电容器件。

阻抗变化趋势如图5所示。

图5 阻抗网络电感匹配

先调整电感使得阻抗到阻抗圆上，再调整电容使阻抗沿着阻抗圆到达目的阻抗附近，期间如果每一步都能得到理想值，则只需3步即可调谐成功。但由于误差，大部分频点都不可能符合理想值。

增加电感，阻抗变化趋势如图6所示。图6中虚线为理想的阻抗变化趋势，初始阻抗为Za，添加电感后预计变化到位于阻抗圆上的A点；实线为实际典型的变化趋势，初始阻抗为Za，添加电感后实际变化到位于阻抗圆下方上的B点。因为电感器件及电路带有部分容性，所以阻抗变化往往相当于添加电感的同时也添加了部分电容。

图6 增加电感阻抗变化趋势

当目的阻抗为200 Ω时，因为阻抗圆变大，使用的电感较多，导致匹配电感误差进一步加大。此时，可以在首次匹配后继续运用公式计算所需要的电感，通过反复迭代的方式，将阻抗调整到阻抗圆上，其阻抗变化趋势如图7和图8所示。

图7 200 Ω的阻抗典型阻抗变化趋势（1）

图8 200 Ω的阻抗典型阻抗变化趋势（2）

电感匹配完成后增加电容，阻抗变化趋势如图9所示。图9中虚线为理想的阻抗变化趋势，初始阻抗为Za，添加电感后预计变化到Z0点；实线为实际典型的变化趋势，初始阻抗为Za，添加电感后实际变化往往到位于Z0左侧的A点或阻抗圆上B点。因为电容器件及电路带有部分感性，所以阻抗变化往往相当于添加电容的同时也添加了部分电感。

图9 增加电容阻抗变化趋势

如果变化到B点，可以通过迭代的方式重新计算结果。如果变化到A点，则无法通过单独修正电容的方式调整阻抗精度，且配置电容后再配置电感其阻抗的变化趋势将不再按照图6变化，而受器件的影响较大。但是，因为目的阻抗为200 Ω的天调匹配网络实部的误差对调谐结果影响较小，所以电容网络造成的误差往往对调谐驻波比影响不大，大部分情况无需修正。如果需要修正，可以采用一些抗异常状态能力强的搜索算法如邻域搜索算法进行微调。

3 算法验证

为了验证修正算法的有效性，对10 m和3 m短波鞭状天线进调谐测试。测试数据如图10和图11所示。

可见，使用200 Ω阻抗匹配网络配合修正算法，对两种天线的整数频点进行调谐测试，全部满足驻波比小于1.5的目标，且调谐步数均控制在30步以内。

图10 主要频点调谐驻波比

图11 主要频点调谐步数

4 结语

综上所述，利用阻抗变换器将目的阻抗变换为200 Ω的矢量天线调谐器，采用合适的天调算法后，它具备更强的天线适配能力和抗误差能力。