CN102638280A - 中波广播发射天线自适应调谐系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中波广播发射天线自适应天线调谐系统，属于广播发射技术领域。本发明提供的天线调谐系统能够适应各种气候、天气条件，特别是气候条件剧烈变化的情况。所述自适应天线调谐系统包括：定向耦合器，其用于分离入射波电压样值和反射波电压样值；模拟运算单元，其根据入射波电压样值和反射波电压样值计算反射系数的对数值；控制器单元，其根据反射系数的对数值的大小产生马达控制指令；马达驱动器，其根据微控制器产生的马达控制指令，产生调谐马达运转所需的驱动功率；调谐网络，其用于实现天线与传输线之间的阻抗匹配，包括匹配网络和调谐马达，其中，调谐马达用于调节匹配网络中的可调元件。

Description

中波广播发射天线自适应调谐系统

技术领域

本发明涉及一种中波广播发射天线自适应调谐系统，尤其涉及一种能够适应各种气候、天气条件下，特别是气候条件剧烈变化的情况下的中波广播发射天线自适应调谐系统，属于广播发射技术领域。

背景技术

在中波广播发射台，特别是地处高海拔地区特殊环境的发射台，存在这样一个无奈的事实：发射天线的匹配网络严重依赖于气候条件。情况较好的发射台，每年冷热交替的春、秋两季，天线的匹配网络需要重新调整；情况更差的发射台，天线的匹配网络的匹配状况在一天之内即有明显变化。随着发射机不断更新换代，天线的匹配网络似乎应该上升为安全播出工作的主要矛盾。但从目前条件，要求发射台技术人员自行调整天线的匹配网络无论从技术水平还是仪器配置都不现实。

发明内容

为克服现有技术中存在的技术问题，本发明的发明目的是提供一种中波广播发射天线自适应调谐系统，其能够自动保持天线和同轴传输线之间的良好匹配。

为实现所述发明目的，本发明提供一种中波广播发射天线自适应调谐系统，其中，所述网络包括：定向耦合器，其用于分离的匹配网络输入端的入射波电压样值

和反射波电压样值

其中，ω为工作角频率，V_i是入射波电压样值的幅值，

为检测点入射波电压相位值，V_r是反射波电压样值的幅值，

为检测点射射波电压相位值；模拟运算单元，其根据入射波电压样值v_i和反射波电压样值v_r计算反射系数的对数值

控制器单元，其根据反射系数的对数值γ的大小产生马达控制指令；马达驱动器，其根据微控制器产生的马达控制指令，产生调谐马达运转所需的驱动功率；调谐网络，其用于实现天线与传输线之间的阻抗匹配，包括匹配网络和调谐马达，其中，调谐马达用于调节匹配网络中的可调元件。

优选地，所述的控制器单元根据反射系数的对数值γ的大小产生马达控制指令具体的过程包括：

第一步：对反射系数的对数值γ进行采样变换成数字信号Γ，

第二步：将数字信号Γ与设定的阀值Γ_T进行比较并判断，如果Γ＜Γ_T，不产生任何控制指令，并返回第一步；如果Γ≥Γ_T，产生调谐马达控制指令，执行第三步；

第三步：通过调谐马达调节匹配网络的可调元件的电抗值，进行试探性调谐；

第四步：试探性调谐完毕，返回第一步。

优选地，匹配网络由多个无源电抗元件组成，多个无源电抗元件中有部分元件为可调元件。

优选地，多个无源电抗元件组成π型匹配网络或者T型匹配网络。

优选地，调谐马达采用步进电机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在各种气候、天气条件下，特别是气候条件剧烈变化的情况下，能够自动保持天线和同轴传输线之间的良好匹配。

附图说明

图1是本发明提供的中波广播发射天线自适应调谐系统电路图；

图2是本发明提供的集中参数定向耦合器的第一种形式；

图3是本发明提供的集中参数定向耦合器第二种形式；

图4是本发明提供的分布参数定向耦合器；

图5是本发明提供的分布参数定向耦合器中的耦合环；

图6是本发明的提供的T型调谐网络的第二种形式；

图7是本发明的提供的π型调谐网络的第一种形式；

图8是本发明的提供的π型调谐网络的第二种形式；

图9是本发明提供的控制单元的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明。相同的附图标记表示相同或者相似的部件。

图1是本发明提供的中波广播发射天线自适应调谐系统电路图。如图1所示，本发明提供的中波广播发射天线自适应调谐系统包括：定向耦合器，其用于分离匹配网络输入端的入射波电压样值

和反射波电压样值

其中，ω为工作角频率，V_i是入射波电压样值的幅值，

为检测点入射波电压相位值，V_r是反射波电压样值的幅值，为检测点射射波电压相位值；模拟运算单元，其根据入射波电压样值v_i和反射波电压样值v_r计算反射系数的对数值

控制器单元，其根据反射系数的对数值γ的大小产生马达控制指令；马达驱动器，其根据微控制器产生的马达控制指令，产生调谐马达运转所需的驱动功率；调谐网络，其用于实现天线与传输线之间的阻抗匹配，包括匹配网络和调谐马达，其中，调谐马达用于调节匹配网络中的可调元件。具体地，模拟运算单元包括对数检波器和反射系数计算器，其中，对数检波器用于对入射波电压样值

和反射波电压样值

进行检波以分别取出入射波电压样值的幅值V_i和反射波电压样值的幅值V_r；反射系数计算器，根据入射波电压样值的幅值V_i和反射波电压样值的幅值V_r计算出反射系数的对数值

控制器单元包括数据采集单元、越限判决单元和调谐指令生成单元，其中数据采集单元对反射系数的对数值γ进行采样变换成数字信号Γ；越限判决单元将数字信号Γ与设定的阀值Γ_T(比如20.83dB，对应电压驻波比1.2)进行比较并判断，如果Γ＜Γ_T，不给调谐指令生成单元发送指令；如果Γ≥Γ_T，给调谐指令生成单元发送指令；调谐指令生成单元根据越限判决单元发送的指令产生马达控制指令。另外，控制器单元内设有手动调谐模式，可在脱离试探性调谐方法的条件下，进行人工手动调谐。调谐网络为T型调谐网络的第一种形式，其包括电容C₁、电容C₂和电感L。调谐马达M₁用于调节电容C₁，调谐马达M₂用于调节电容C₂，调节电容C₁可以改变匹配网络的输入阻抗的实部和虚部；调节电容C₂只可以改变匹配网络的输入阻抗的虚部。电容C₁和电容C₂为真空电容。

在中波广播波段，可采用两种形式的定向耦合器电路，在低频段(1MHz以下)，采用如图2或者3所示集中参数定向耦合器；在高频段(1MHz以上)采用如图4所示的分布参数定向耦合器。集中参数定向耦合器有两种形式，如图2和3所示；小功率级别(5KW以下)宜采用图2所示第一种形式的定向耦合器，大功率级别宜采用图3所示第二种形式的定向耦合器。

图2是本发明提供的集中参数定向耦合器的第一种形式。所述第一种形式的定向耦合器包括：变器压tr₁，其用于采样匹配网络输入端的主传输线上的电流信号i_s；变器压tr₂，其用于采样主传输线上同一位置的电压信号v_s；电阻R₁，其用于将电流信号i_s变化为电压信号i_s×R₁；电阻R₂其用于将电流信号i_s变化为电压信号i_s×R₂，在定向耦合器中R₁＝R₂＝R₀，R₀为传输线特性阻抗。则v_i＝v_s+i_sR₀，v_r＝v_s-i_sR₀。

图3是本发明提供的集中参数定向耦合器第二种形式。所述第二种形式的定向耦合器包括：变压器tr，其用于采样匹配网络输入端的主传输线上的电流信号i_s；分压电容C₃和C₄，其用于采样主传输线上同一位置的电压信号v_s；电阻R₁，其用于将电流信号i_s变化为电压信号i_s×R₁；电阻R₂其用于将电流信号i_s变化为电压信号i_s×R₂，在定向耦合器中R₁＝R₂＝R₀，R₀为传输线特性阻抗。则v_i＝v_s+i_sR₀，v_r＝v_s-i_sR₀。

图4是本发明提供的分布参数定向耦合器。所述分布参数定向耦合器包括：一段同轴传输线、入射耦合环和反射耦合环，其中入射耦合环包括耦合线4，匹配电阻R₂和耦合输出端口10，它们均组装在印制电路板上，匹配电阻R₂的第一端连接耦合线4的第一端，匹配电阻R₂的第二端接地，耦合线4的第二端接耦合输出端口10。反射耦合环包括耦合线3，匹配电阻R₁和耦合输出端口5，它们均组装在印制电路板上，匹配电阻R₁的第一端连接耦合线3的第一端，匹配电阻R₁的第二端接地，耦合线3的第二端接耦合输出端口5。

图5是本发明提供的分布参数定向耦合器中的耦合环。以反射耦合环为例来进行说明，如图5所示，反射耦合环包括耦合线3，匹配电阻R₁和耦合输出端口5，它们均组装在印制电路板上。印制电路板通过两端的螺丝6和7固定在同轴传输线内部特定位置，耦合线3与传输线内导体2平行并且保持一定距离，匹配电阻R₁另一端通过固定螺丝与传输线外导体1进行电气连接。耦合线与传输线内导体的平行度和距离决定了定向耦合器的方向性和耦合度。入射波、反射波定向耦合器的印制电路板完全相同，根据安装方向确定是入射波定向耦合器还是反射波定向耦合器。

图6是本发明的提供的T型调谐网络的第二种形式。如图6所示，所述第二种形式的T型网络电感L₁、电感L₂、电容C、调谐马达M₁和调谐马达M₂。电感L₁、电感L₂和电容C组成T型匹配网络。调谐马达M₁用于调节电感L₁，调谐马达M₂用于调节电感L₂，调节电感L₂可以改变匹配网络的输入阻抗的实部和虚部；调节电感L₁只可以改变匹配网络的输入阻抗的虚部。

图7是本发明的提供的π型网络的第一种形式。如图所示，所述第一种形式的π型网络电容C₁、电容C₂、电感L、调谐马达M₁和调谐马达M₂。电容C₁、电容C₂和电感L组成π型匹配网络。调谐马达M₁用于调节电容C₁，调谐马达M₂用于调节电容C₂，调节电容C₂可以改变匹配网络的输入阻抗的实部和虚部；调节电容C₁只可以改变匹配网络的输入阻抗的虚部。

图8是本发明的π型网络的第二种形式。如图6所示，所述第二种形式的π型网络电感L₁、电感L₂、电容C、调谐马达M₁和调谐马达M₂。电感L₁、电感L₂和电容C组成π型匹配网络。调谐马达M₁用于调节电感L₁，调谐马达M₂用于调节电感L₂，调节电感L₂可以改变匹配网络的输入阻抗的实部和虚部；调节电感L₁只可以改变匹配网络的输入阻抗的虚部。

图9是本发明提供的控制器单元的控制流程图。如图所示，所述控制过程包括如下步骤：

第一步：对反射系数的对数值γ进行采样变换成数字信号Γ₁；

第二步：将数字信号Γ₁与设定的阀值Γ_T进行比较并判断，如果Γ₁＜Γ_T，不产生任何控制指令，并返回第一步：如果Γ₁≥Γ_T，产生试探性的调谐马达控制指令，执行第三步；

第三步：通过调谐马达调节匹配网络的可调元件，进行试探性调谐；

第四步：对反射系数的对数值γ进行采样变换成数字信号Γ₂；

第五步：判断反射系数Γ₂是变大还是变小，如果反射系数Γ₂变小(即，Γ₁＞Γ₂)，不产生任何控制指令，并返回第三步；如果反射系数Γ₂变大(即，Γ₁＜Γ₂)，执行第六步；

第六步：进行反方向调谐；

第七步：对反射系数的对数值γ进行采样变换成数字信号Γ₃；

第八步：将数字信号Γ₃与设定的阀值Γ_T进行比较并判断，如果Γ₃＜Γ_T，不产生任何控制指令，并返回第一步；如果Γ₃≥Γ_T，返回第三步。

本发明提供中波广播发射天线自适应调谐系统具有手动和自动调谐功能，当按钮拨到自动档时，调谐系统进行实时自动调谐，在自动调谐功能失效时，切换为手动模式；在不需要实时自动调谐的发射台，可不定制自动调谐功能。手动调谐，仅仅是4个按钮，两个用来调节阻抗的电阻部分(增大、减小)，另两个用来调节阻抗的电抗部分(增大、减小)。调节方法如同现用发射机槽路调谐一样简单(发射台工程师已经掌握这种调谐方法)，以发射机仪表为准，无需阻抗电桥、射频网络分析仪等精密仪器。特别适合年度换季时的网络调谐，依靠发射台工程师的技术力量即可实现

本发明提供的定向耦合器分别检出传输馈线末端(发射天线匹配网络房间)正比于反射波电压、入射波电压的交流电压，经过对数变换、二者相减处理，计算反射损耗，反射损耗的计算过程通过对数检波器、反射系数计算器(即，模拟运算放大器)实现，保证必要的运算速度、尽量节省微控制器资源。由于定向耦合器、对数检波器和模拟运算放大器输出为标量(发射系数的对数值)，控制单元不能根据测量结果判断网络原件的调节方向，只能采用试探性调谐的方法。虽然增加了控制程序的开销，但对保证控制精度、降低设备成本有利。

本发明提供的试探性调谐方法只需要对反射波、入射波信号的幅度进行采样，对相位信息无要求，经过运算得到的仅仅是反射系数的模值，不包含相位信息。这样，在同样控制精度要求下，对定向耦合器本身的精度要求降低，因而硬件成本大幅度减低。把硬件成本转化为软件开销，适合标准化的批量生产。

以上结合附图详细说明了本发明的，但是本领域的普通技术人员应该明白，本发明的保护范围是以权利要求书为准。

Claims (5)

1.一种中波广播发射天线自适应调谐系统，其中，所述网络包括：

定向耦合器，其用于分离匹配网络输入端的的入射波电压样值

和反射波电压样值

其中，ω为工作角频率，V_i是入射波电压样值的幅值，

为检测点入射波电压的相位值，V_r是反射波电压样值的幅值，

为检测点射射波电压的相位值；

模拟运算单元，其根据入射波电压样值v_i和反射波电压样值v_r计算反射系数的对数值

$\mathrm{\γ}=\log \frac{V_r}{V_i};$

控制器单元，其根据反射系数的对数值γ的大小产生马达控制指令；

马达驱动器，其根据微控制器产生的马达控制指令，产生调谐马达运转所需的驱动功率；调谐网络，其用于实现天线与传输线之间的阻抗匹配，包括匹配网络和调谐马达，其中，调谐马达用于调节匹配网络中的可调元件的电抗值。

2.根据权利要求1所述的中波广播发射天线自适应调谐系统，其特征在于，所述的控制器单元根据反射系数的对数值γ的大小产生马达控制指令具体的过程包括：

第一步：对反射系数的对数值γ进行采样变换成数字信号Γ，

第二步：将数字信号Γ与设定的阀值Γ_T进行比较并判断，如果Γ＜Γ_T，不产生任何控制指令，并返回第一步；如果Γ≥Γ_T，产生调谐马达控制指令，执行第三步；

第三步：通过调谐马达调节匹配网络的可调元件的电抗值，进行试探性调谐；

第四步：试探性调谐完毕，返回第一步。

3.根据权利要求1所述的中波广播发射天线自适应调谐系统，其特征在于，匹配网络由多个无源电抗元件组成，多个无源电抗元件中有部分元件为可调元件。

4.根据权利要求3所述的中波广播发射天线自适应调谐系统，其特征在于，

多个无源电抗元件组成π型匹配网络或者T型匹配网络。

5.根据权利要求1-4任一所述的中波广播发射天线自适应调谐系统，其特征在于，调谐马达采用步进电机。

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