CN102098118B - 阻抗匹配网络调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线系统的阻抗匹配网络调试方法，主要用于解决现有技术用于复杂安装环境下的天线系统时，调试难度大的问题。其测试方案是：将计算机(1)和阻抗匹配网络电路板(5)分别与矢量网络分析仪(2)连接；通过计算机控制矢量网络分析仪(2)测试出阻抗匹配网络的S参数，将数据经USB数据线(3)传送到计算机；由计算机计算整个天线系统的电压驻波比，为调整阻抗匹配网络提供参考。该调试方法在测得受环境影响的天线的反射系数后，在无天线的情况下单独调试阻抗匹配网络即可完成整个天线系统的调试工作，具有不受外界环境影响、系统简单、搭建方便的优点，适用于复杂环境下对短波宽带天线的研发设计和调试。

Description

阻抗匹配网络调试方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及天线系统中的阻抗匹配网络，用于对周围复杂环境下天线系统的调试。

背景技术

通信、雷达、导航等无线电设备都是通过无线电波传递信息，都需要无线电波发射和接收的设备即天线。天线是无线电系统的重要组成部分。天线若按使用范围分类可分为通信天线、雷达天线、导航天线等。通信天线根据工作频段可分为短波通信天线、超短波通信天线、微波通信天线等。短波通信天线比较常见的天线形式是鞭状天线，如：双鞭天线、10米鞭状天线等。双鞭天线由于占地面积小频带宽等原因在舰船环境中经常使用。

双鞭天线系统由并联馈电的两个直立的鞭状天线和阻抗匹配网络构成。阻抗匹配网络是天线系统的重要组成部分，通过调节阻抗匹配网络能够改善天线的性能，提高天线的阻抗带宽。现有的阻抗匹配网络的调试方法为，将天线与阻抗匹配网络连接，使用矢量网络分析仪测量得到整个天线系统的驻波特性，据此结果对阻抗匹配网络进行调整，通过反复的测量、调整，使天线系统的驻波特性达到最佳。该调试方法需在天线在场的前提下进行，有很多的弊端：

1.该调试需到实际工作环境中进行，因此需投入大量的人力、物力。例如，对于已在铺设有地网的空旷的场地调试好的双鞭天线系统，若装备在舰船等环境中时，受周围环境的影响阻抗特性必然有变化，从而导致天线性能指标的恶化。因此为达到天线指标的要求，工作人员必须到现场，在实际安装环境中进行调试。

2.该调试受到时间的限制，例如：双鞭天线装备于舰船上时，调试只能在舰船靠岸时进行。

3.该调试受到场地的限制，只能在天线安装位置进行调试。例如：双鞭天线安装在舰船的烟囱旁边，此时天线离地面很高，调试必须在高空进行。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题，提出一种新型的阻抗匹配网络调试方法，以实现在无天线、非实际安装环境下对阻抗匹配网络的调试。

本发明的目的是这样实现的：

本发明主要的理论基础是微波网络理论，根据微波网络理论天线可认为是单端口微波网络，阻抗匹配网络可认为是双端口微波网络。如图1所示的天线系统可认为是单端口网络与双端口网络级联，因此测得两个网络的网络参数，即可通过微波网络理论计算出天线系统的输入端的电压驻波比。具体实现步骤如下：

(1)测量天线在实际工作环境中的反射系数，并存储于计算机中；

(2)将计算机通过USB数据线连接到矢量网络分析仪的USBTMC端口；

(3)将频率范围和扫描点数，通过计算机输入到矢量网络分析仪；

(4)将两根射频电缆连接到矢量网络分析仪的两个测试端口，通过计算机控制矢量网络分析仪进行校准；

(5)将阻抗匹配网络电路板通过两根射频电缆与矢量网络分析仪连接；

(6)由矢量网络分析仪测量出阻抗匹配网络的S参数，并将测量数据传送到计算机；

(7)计算机根据已储存数据和测量数据，通过以下公式计算出整个天线系统的电压驻波比VSWR：

$\mathrm{VSWR}=\frac{1+|S_{11}+\frac{S_{12}\×S_{21}\×{\mathrm{\Γ}}_l}{1-S_{22}\×{\mathrm{\Γ}}_l}|}{1-|S_{11}+\frac{S_{12}\×S_{21}\×{\mathrm{\Γ}}_l}{1-S_{22}\×{\mathrm{\Γ}}_l}|}$

其中Γ_l为天线在实际工作环境中的反射系数，已在调试前存储于计算机中，S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂为测量得到的阻抗匹配网络的一组S参数；

(8)若测试结果未达到指标要求，则调整阻抗匹配网络，重复步骤(5)～(6)，直到测试结果达到指标要求，调试结束。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明的调试不需在实际复杂的安装环境下进行，节省了大量人力、物力。

2.本发明的调试不受时间、场地的限制，无论实际工作的场地、时间多么的局限，该调试均可在室内任何时间内进行。

3.本发明的调试之前已将天线在实际工作环境中的反射系数存储，因此调试是在无天线情况下进行的，节省了阻抗匹配网络不断重复与天线连接的时间。

附图说明

图1是天线系统的系统框图；

图2是本发明提出的阻抗匹配网络调试方法的连接示意图；

图3是本发明提出的阻抗匹配网络调试方法的软件操作界面图；

图4是本发明提出的阻抗匹配网络调试方法的流程图；

图5是通过本发明提出的阻抗匹配网络调试方法获得的天线系统的电压驻波比曲线图；

图6是通过传统的直接测量获得的天线系统的电压驻波比曲线图。

具体实施方式

参照图1，根据微波网络理论，天线系统可认为是单端口网络与双端口网络级联，天线是单端口微波网络，阻抗匹配网络是双端口微波网络。因此测得两个网络的网络参数，即可通过微波网络理论计算出天线系统的输入端的电压驻波比。

假设天线即参考面2′的反射系数为Γ_l，两端口的阻抗匹配网络特性可用S参数来描述，即为：

$\left[\begin{array}{c}S\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_{11}& S_{12}\\ S_{21}& S_{22}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中S₁₁表示端口2匹配时，1端口的反射系数；

S₂₂表示端口1匹配时，2端口的反射系数；

S₁₂表示端口1匹配时，2端口到1端口的电压传输系数；

S₂₁表示端口2匹配时，1端口到2端口的电压传输系数。

此时输入端即参考面1′的输入反射系数可通过如下的公式计算得到：

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{in}}=S_{11}+\frac{S_{12}{S}_{21}{\mathrm{\Γ}}_l}{1-S_{22}{\mathrm{\Γ}}_l}---\left(2\right)$

根据反射系数与电压驻波比之间的关系可得参考面1′即天线系统的电压驻波比：

$\mathrm{VSWR}=\frac{1+\left|{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{in}}\right|}{1-\left|{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{in}}\right|}---\left(3\right)$

其中天线的反射系数Γ_l，阻抗匹配网络的S参数都可通过矢量网络分析仪测出来。

因此，在已知天线反射系数Γ_l的情况下，即可通过计算机与矢量网络分析仪通信，设计出一个自动测量阻抗匹配网络的S参数并计算整个天线系统的电压驻波比的程序。

参照图4，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1，测量天线在实际工作环境下的反射系数，以备后面调试过程中调用。

根据实际需求，将天线置于其特定的工作环境中，使用矢量网络分析仪对天线在实地直接测量，读取反射系数，为了减小误差，通常测量三次取平均值作为最终结果。

步骤2，参照图2，通过USB数据线将计算机与矢量网络分析仪连接。

通过LabView软件编制对矢量网络分析仪的控制程序，该控制程序拥有一个主界面，完成仪器参数输入、仪器控制的功能，主界面的布局如图3所示。主界面左方为结果显示区，右方从上向下依次为参数设置区、仪器校准区和控制区，其中：结果显示区主要是实时的显示阻抗匹配网络调试过程中的天线系统的输入端的电压驻波比；参数设置区主要是对仪器进行设置，主要的设置参数有频率范围和扫描点数；仪器校准区主要是对仪器进行校准，实现仪器的全双端口校准；控制区主要是控制整个调试过程的开始和结束。

步骤3，通过计算机控制，对矢量网络分析仪进行设置。

根据实际的天线指标要求，在参数设置区输入调试频率范围和扫描点数，其中频率范围是由天线指标确定的，扫描点数是根据指标确定的频率范围和特定频点计算出来的，将该频率范围和扫描点数直接键入，并通过USB数据线输入到矢量网络分析仪，对测试环境和条件进行设置。

步骤4，通过计算机控制，对矢量网络分析仪进行校准。

参照图2，将两根射频电缆与矢量网络分析仪的两个测试端口连接，按照计算机的指令，对两根射频电缆分别依次接开路负载、短路负载和匹配负载，当两个端口的电压驻波比在所有频率范围内均为1±0.001时，校准完毕。

步骤5，校准完成后控制程序将会自动弹出“是否开始调试”的提示，如果选择“是”，此时通过射频电缆4将被调试的阻抗匹配网络电路板与矢量网络分析仪连接。其调试过程主要是利用矢量网络分析仪测量出阻抗匹配网络电路板的S参数，包括：端口2匹配时，1端口的反射系数S₁₁；端口1匹配时，2端口的反射系数S₂₂；端口1匹配时，2端口到1端口的电压传输系数S₁₂；端口2匹配时，1端口到2端口的电压传输系数S₂₁，这些参数通过USB数据线传送到计算机。当控制程序提示“是否开始调试？”时，如果选择“否”，则程序直接结束退出。

步骤6，根据已存储的数据及测量得到的数据，由计算机应用式(2)和式(3)即可得到图1所示整个天线系统的输入端的VSWR，且在结果显示区实时显示。

步骤7，若测试结果未达到指标要求，则调整或者重新设计匹配网络，重复步骤5～6；若测试结果达到指标要求，则调试结束。在调试过程中亦可通过手动操作“调试结束”结束整个调试过程。

为说明本发明的有效性，以下给出一个试验，对一个125毫米高的双鞭天线系统，分别应用本发明和传统方法进行测试对比，具体如下：

测试一：用本发明测量获得整个天线系统的VSWR。

将双鞭天线安装在直径为1500毫米的圆形金属地板上，置于操场，测量此时的双鞭天线的反射系数，并存储在实验室计算机中。

制作出一个匹配网络电路板，并通过两根射频电缆接入本发明提出的阻抗匹配网络调试系统中，反复测试调整该电路板，使其满足在400-1200MHz频率范围内电压驻波比均小于3.5的指标要求，最终定型，存储此时的整个天线系统的电压驻波比数据，利用该测试数据绘制出电压驻波比曲线图，如图5所示。

测试二：通过传统的直接测量获得整个天线系统的VSWR。将本发明调试出的阻抗匹配网络电路板与双鞭天线连接，置于操场，通过矢量网络分析仪直接测量出整个天线系统的电压驻波比。利用该测试数据绘制出电压驻波比曲线图，如图6所示。

参照图5和图6，对比两次测试获得的VSWR曲线可以看出，两条曲线吻合良好，充分说明了本发明的有效性和可靠性。

上述实施步骤只为说明本发明的技术构思及特点，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明内容所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种阻抗匹配网络调试方法，包括如下步骤：

（1）测量天线在实际工作环境中的反射系数，并存储于计算机（1）中；

（2）将计算机（1）通过USB数据线（3）连接到矢量网络分析仪（2）的USBTMC端口；

（3）将频率范围和扫描点数，通过计算机（1），输入到矢量网络分析仪（2），该频率范围是由天线指标确定的，扫描点数是根据指标确定的频率范围和特定频点计算出来的，将该频率范围和扫描点数直接键入，并通过USB数据线输入矢量网络分析仪，从而对矢量网络分析仪的工作条件进行设置；

（4）将两根射频电缆（4）连接到矢量网络分析仪（2）的两个测试端口，通过计算机控制矢量网络分析仪进行校准；

（5）将阻抗匹配网络电路板（5）通过两根射频电缆（4）与矢量网络分析仪（2）连接；

（6）由矢量网络分析仪（2）测量出阻抗匹配网络的S参数，并将测量数据传送到计算机；

（7）计算机根据已储存数据和测量数据，通过以下公式计算出整个天线系统的电压驻波比VSWR：

$\mathrm{VSWR}=\frac{1+|S_{11}+\frac{S_{12}\×S_{21}\×{\mathrm{\Γ}}_l}{1-S_{22}\×{\mathrm{\Γ}}_l}|}{1-|S_{11}+\frac{S_{12}\×S_{21}\×{\mathrm{\Γ}}_l}{1-S_{22}\×{\mathrm{\Γ}}_l}|}$

其中Γ_l为天线在实际工作环境中的反射系数，已在调试前存储于计算机中，S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂为测量得到的阻抗匹配网络的一组S参数，且S₁₁表示端口2匹配时，1端口的反射系数；S₂₂表示端口1匹配时，2端口的反射系数；S₁₂表示端口1匹配时，2端口到1端口的电压传输系数；S₂₁表示端口2匹配时，1端口到2端口的电压传输系数；

（8）若测试结果未达到指标要求，则调整阻抗匹配网络，重复步骤（6）～（7），直到测试结果达到指标要求，调试结束。

2.根据权利要求1所述的一种阻抗匹配网络调试方法，其中步骤（1）所述的测量天线在实际工作环境中的反射系数，是由矢量网络分析仪在实地直接测量。

3.根据权利要求1所述的一种阻抗匹配网络调试方法，其中步骤（4）所述的对矢量网络分析仪进行校准，是由计算机发出指令，按照指令分别在两根射频电缆端口处接开路、短路和匹配负载，使电压驻波比VSWR在所有频率范围内为1±0.001，校准完成。

4.根据权利要求1所述的一种阻抗匹配网络调试方法，其中步骤（6）所述的由矢量网络分析仪（2）测量的阻抗匹配网络S参数，包括：端口2匹配时，1端口的反射系数S₁₁；端口1匹配时，2端口的反射系数S₂₂；端口1匹配时，2端口到1端口的电压传输系数S₁₂；端口2匹配时，1端口到2端口的电压传输系数S₂₁，这些参数在计算机中实时同步显示，可直接读取。

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