CN102769440A - 基于寄生谐振频点的天线阻抗自动匹配装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于寄生谐振频点的天线阻抗自动匹配装置，它包括天线（1），电调匹配模块（2），天线寄生谐振频点反射测量模块（3），处理与控制模块（4），耦合器模块（5），隔直电容（6），滤波器（7）；天线寄生谐振频点反射测量模块（3）向耦合模块（5）发射天线寄生谐振频点扫频信号，并对耦合模块（5）输出的反射信号进行同步检波与低通滤波，输出反射系数幅度信号，匹配控制模块（4）根据反射系数幅度信号提取每次扫频后天线工作谐振频点偏移量及其变化量，并产生匹配控制电压，控制电调匹配模块（2），实现对天线阻抗的自动匹配。本发明具有能够补偿单收天线工作谐振频点偏移，提高单收天线有效增益的优点。

Description

基于寄生谐振频点的天线阻抗自动匹配装置及方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及天线阻抗自动匹配，可用于补偿时变介质覆盖下单收天线阻抗的变化、改善天线工作频点驻波比、降低单收天线与接收系统的阻抗失配，提升接收系统的接收性能。

背景技术

当天线周围的温度和介质变化时，天线的阻抗特性会随着环境变化而变化，这将导致天线谐振频点的偏移以及工作频点处驻波比的恶化，天线与接收系统的阻抗失配，降低天线的实际增益，导致收发系统接收到的信号强度减弱，降低灵敏度。因此，在时变介质覆盖情况下，对天线阻抗进行自动匹配，补偿天线谐振频点偏移，降低天线与接收系统的阻抗失配，能够为通信系统性能的提升提供一种有效的手段。

目前，进行天线自动匹配补偿，通常的做法是通过发射工作频点的测量信号来探测天线工作频点处的阻抗值，并将实测阻抗值与预设的目标阻抗值进行比较，根据比较结果通过调节阻抗匹配网络实现对天线的阻抗匹配，如图1所示。

然而，在无线电设备的天线系统中，天线按工作性质可以分为：收发共用天线、单发天线、单收天线，其中单收天线在工作频点只接受而不能发射电磁波，（比如GPS导航天线）。因为通常的补偿方法需要在工作频点处发射测量天线阻抗的信号，同时测量信号在天线端口的反射波会被接收系统所接收，这将影响接收系统的正常工作，因此无法使用通常的补偿方法对单收天线进行自动阻抗匹配。

对于单收天线，如果要实现自动匹配补偿，现有的方法通常是在接收带宽之外，天线带宽之内，选择一个临近频点；通过测量该临近频点处的天线阻抗特性来进行调谐补偿。这种方法的缺点在于：

1）在窄带接收系统中（如GPS），天线的带宽与接收机带宽很近，由于难以避免的频谱泄露，临近频点发射的测量信号会对接收机的正常工作造成影响。

2）由于临近频点与接收频点很近，为隔离和消除临近频点信号，需要非常高选择性的滤波器，通常用高Q腔体才能实现，这将导致设计难度增加，特别是在低频段，滤波器的体积庞大，不易小型化。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于寄生谐振频点的天线阻抗自动匹配装置及方法，以克服上述已有技术的不足，实现对天线工作谐振频点阻抗的自动匹配。

为实现上述目的，本发明的一种基于寄生谐振频点的天线阻抗自动匹配装置，包括：天线，电调匹配模块，处理与控制模块，耦合模块，隔直电容，天线与电调匹配模块连接，电调匹配模块的输入端与处理与控制模块连接，耦合模块与隔直电容连接，处理与控制模块根据耦合模块耦合的天线端口反射信号控制电调匹配模块，实现对天线的阻抗匹配，隔直电容用于将控制信号与外部的接收系统隔离开，其特征在于：

耦合模块与处理与控制模块之间连接有天线寄生谐振频点反射测量模块，用于向耦合模块发射天线寄生谐振频点扫频信号，并对耦合模块输出的天线寄生谐振频点反射信号进行同步检波与低通滤波，得到反射系数幅度信号；该反射系数幅度信号输入给处理与控制模块进行采样，并从反射系数幅度采样信号中提取出寄生谐振频点的频偏，输出匹配控制电压给电调匹配模块；电调匹配模块根据匹配控制电压对天线的工作谐振频点阻抗进行匹配。

所述的基于寄生谐振频点的天线阻抗自动匹配装置，其特征在于，天线寄生谐振频点反射测量模块包括：本振信号源，直接数字合成器，锁相环，同步检波器和低通滤波器；

直接数字合成器的输入端分别与本振信号源的输出端和处理与控制模块的输出端连接；直接数字合成器的输出端与锁相环的输入端连接；

本振信号源向直接数字合成器输出振荡信号，处理与控制模块向直接数字合成器输入扫频信号频率控制命令，直接数字合成器输出低频扫频信号至锁相环；

锁相环输出分为两路，一路输出给耦合模块，将天线寄生谐振频点扫频信号耦合至天线馈电线路上，另一路输出给同步检波器，作为同步检波器的同步信号，同步检波器对从耦合模块耦合的天线寄生谐振频点反射信号与锁相环输出的天线寄生谐振频点扫频信号进行同步检波，输入给低通滤波器，低通滤波器对该同步检波后的信号进行低通滤波，得到天线寄生谐振频点反射系数幅度信号，再输入给处理与控制模块。

所述的基于寄生谐振频点的天线阻抗自动匹配装置，其特征在于处理与控制模块包括：

SPI接口，用于输出扫频信号频率控制命令；

A/D转换器，用于将反射系数幅度模拟信号转换成数字信号；

D/A转换器，用于将匹配控制数字信号转换成匹配控制电压信号；

扫频信号频率控制子模块：用于控制天线寄生谐振频点处扫频信号的频率，并通过SPI接口输出扫频信号频率控制命令；

工作谐振频点偏移提取子模块：用于从A/D转换器采样的反射系数幅度信号中提取寄生谐振频点的频偏，根据寄生谐振频点与工作谐振频点的倍频关系计算出工作谐振频点偏移量；

匹配控制子模块：根据工作谐振频点偏移量通过补偿算法计算出匹配控制量，并通过D/A转换器输出匹配控制电压给电调匹配模块。

所述的基于寄生谐振频点的天线阻抗自动匹配装置，其特征在于，电调匹配模块包括第一扼流圈、第二扼流圈、第一压控变容管和第二压控变容管；第一扼流圈分别与第一压控变容管和D/A转换器的输出端连接，第二扼流圈分别与第二压控变容管和D/A转换器输出端连接；第一扼流圈和第二扼流圈对处理与控制模块分别输入的匹配控制电压进行低通滤波，分别输出直流控制电压给第一压控变容管第二压控变容管，第一压控变容管和第二压控变容管根据扼流圈输出的直流控制电压调节自身电容，实现对天线工作频点阻抗的匹配。

所述的基于寄生谐振频点的天线阻抗自动匹配装置，其特征在于，在耦合模块与外部接收系统之间连接有天线寄生频点带阻滤波器，用于滤除天线馈电线路上的寄生谐振频点扫频信号，防止外部接收系统接收该扫频信号，保证接收系统正常工作。

为实现上述目的，本发明利用上述基于寄生谐振频点的天线阻抗自动匹配装置进行天线阻抗自动匹配的方法，包括如下步骤：

1）天线寄生谐振频点反射测量模块对本振信号进行数字倍频，输出天线寄生谐振频点扫频信号F_s；

2）耦合模块将天线寄生谐振频点扫频信号F_s耦合输出至天线，以产生寄生谐振频点扫频反射信号F_r；

3）天线寄生谐振频点反射测量模块对天线寄生谐振频点扫频反射信号F_r进行同步检波与低通滤波，输出天线寄生谐振频点反射系数幅度信号R_m；

4）处理与控制模块根据输出的天线寄生谐振频点反射系数幅度信号R_m，不断提取工作谐振频点的偏移量f₀：

4a）对天线寄生谐振频点反射系数幅度信号R_m进行采样，查找该采样信号中的最小值以及最小值所对应的频点f_s，计算频点f_s与天线寄生谐振频点f_p的频率差值f_d=f_s-f_p；

4b）根据天线寄生谐振频点与工作谐振频点的倍频关系，得到天线工作谐振频点的偏移量为f₀=f_d/N，其中N为倍频系数，取大于1的整数；

5）处理与控制模块根据提取的工作谐振频点的偏移量f₀，计算每一次扫频过程后工作谐振频点偏移量的变化量：

其中

为前一次扫频过程后提取出的工作谐振频点偏移量；

6）通过比例-积分计算公式：U_c=a×f₀+b×∫△f₀，计算出匹配控制电压U_c，其中a为比例系数，b为积分系数，a和b为非零实数，其数值分别与电调匹配模块的匹配范围和累计误差量有关；

7）电调匹配模块根据步骤6）输出的匹配控制电压U_c，不断调节压控变容管的电容，实现对天线阻抗的自动匹配。

本发明相比现有天线自动匹配装置，具有如下优点：

1.本发明由于在天线寄生谐振频点处发射扫频信号，因此在天线接收带宽内没有发射信号以及端口反射信号，不会影响接收系统接收性能；

2.本发明由于在天线寄生谐振频点处发射扫频信号，其频点距离天线工作频点较远（通常2-3倍频程），因此系统中的滤波器设计简单，易于实现小型化。

附图说明

图1是已有技术中天线阻抗自动匹配装置示意图；

图2是本发明基于天线寄生谐振频点的阻抗自动匹配装置示意图；

图3是本发明基于天线寄生谐振频点的阻抗自动匹配流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

参照图2，本发明由天线1，电调匹配模块2，天线寄生谐振频点反射测量模块3，处理与控制模块4，耦合器模块5，隔直电容6，滤波器7组成。天线寄生谐振频点反射测量模块3分别与耦合模块5和处理控制模块4连接，用于向耦合模块5发射天线寄生谐振频点扫频信号，并对耦合模块5输出的天线寄生谐振频点反射信号进行同步检波与低通滤波，得到寄生频点扫频反射系数幅度信号R_m，该反射系数幅度信号R_m输入给处理与控制模块4进行采样，并从反射系数幅度采样信号中提取出工作谐振频点的频偏量f₀，以输出匹配控制电压；电调匹配模块2输入端与处理与控制模块4输出端连接，根据处理与控制模块4输出的匹配控制电压，实现对天线1阻抗的自动匹配；隔直电容6连接电调匹配模块2与耦合模块5，用于将匹配控制信号与外部的接收系统隔离开；滤波器7连接耦合模块5与外部接收系统，用于滤除天线馈电线路上的寄生谐振频点扫频信号，防止外部接收系统接收到该扫频信号，以保证接收系统的正常工作。

所述的电调匹配模块2，由第一扼流圈201，第二扼流圈202，第一压控变容管203和第二压控变容管204构成；所述的天线寄生谐振频点反射测量模块3，由本振信号源301，直接数字合成器302，锁相环303，同步检波器304和低通滤波器305构成；所述的处理与控制模块4，由SPI接口，A/D转换器，D/A转换器，扫频信号频率控制子模块，工作谐振频点偏移提取子模块和匹配控制子模块构成。其中：

天线寄生谐振频点反射测量模块3的直接数字合成器302的输入端分别与本振信号源301的输出端和处理与控制模块4的SPI接口输出端连接，直接数字合成器302的输出端与锁相环303的输入端连接，本振信号源301用于向直接数字合成器302输出振荡信号，根据处理与控制模块4的SPI接口输入的扫频信号频率控制命令，直接数字合成器302输出低频扫频信号至锁相环303；锁相环303输出分为两路，一路输出给耦合模块5，将天线寄生谐振频点扫频信号F_s耦合至天线馈电线路上，另一路输出给同步检波器304，作为同步检波器的同步信号，同步检波器304对耦合模块5输出的天线寄生谐振频点反射信号F_r与锁相环303输出的天线寄生谐振频点扫频信号F_s进行同步检波，输入给低通滤波器305，低通滤波器305对该同步检波后的信号进行低通滤波，得到天线寄生谐振频点反射系数幅度信号R_m，再输入给处理与控制模块4的A/D转换器；

处理与控制模块4的SPI接口用于输出扫频信号频率控制命令，A/D转换器用于将反射系数幅度模拟信号转换成数字信号，D/A转换器用于将匹配控制数字信号转换成匹配控制电压信号，扫频信号频率控制子模块用于控制天线寄生谐振频点处扫频信号的频率，并通过SPI接口输出扫频信号频率控制命令；工作谐振频点偏移提取子模块用于从A/D转换器采样的反射系数幅度信号中提取寄生谐振频点的频偏，根据寄生谐振频点与工作谐振频点的倍频关系计算出工作谐振频点偏移量；匹配控制子模块根据工作谐振频点偏移量通过补偿算法计算出匹配控制量，并通过D/A转换器输出匹配控制电压给电调匹配模块（2）；A/D转换器与低通滤波器305的输出端连接，对低通滤波器305输出的天线寄生谐振频点反射系数幅度信号R_m进行采样，工作谐振频点偏移提取子模块从反射系数幅度采样信号中提取出工作谐振频点的频偏量f₀以及频偏量的变化量△f₀，匹配控制子模块通过比例-积分算法计算出匹配控制电压，并通过D/A转换器输出匹配控制电压给电调匹配模块2；

电调匹配模块2的第一扼流圈201输入端和第二扼流圈202输入端与处理与控制模块4的D/A转换器输出端连接，第一扼流圈201输出端和第二扼流圈202输出端分别与第一压控变容管203和第二压控变容管204连接，第一压控变容管203和第二压控变容管204与天线1的输入端连接，构成L型匹配网络，第一扼流圈201和第二扼流圈202对处理与控制模块4的D/A转换器分别输入的匹配控制电压进行低通滤波，分别输出直流控制电压给第一压控变容管203和第二压控变容管204，第一压控变容管203和第二压控变容管204根据扼流圈输出的直流匹配控制电压，调节自身电容，即调节第一压控变容管203和第二压控变容管204的电容，实现对天线工作频点阻抗的自动匹配。

隔直电容6连接电调匹配模块2与耦合模块5，用于将匹配控制信号与外部的接收系统隔离开；

滤波器7连接耦合模块5与外部接收系统，用于滤除天线馈电线路上的寄生谐振频点扫频信号，防止外部接收系统接收到该扫频信号，以保证外部接收系统的正常工作。

参照图3，本发明利用上述基于寄生谐振频点的天线阻抗自动匹配装置进行天线阻抗自动匹配的方法，包括如下步骤：

步骤1，天线寄生谐振频点反射测量模块3对本振信号进行数字倍频，得到天线寄生谐振频点扫频信号F_s，并通过耦合模块5向天线输入该寄生谐振频点扫频信号F_s，以产生天线寄生谐振频点反射信号F_r；

步骤2，天线寄生谐振频点反射测量模块3对耦合模块5输出的天线寄生谐振频点反射信号F_r进行同步检波与低通滤波，输出天线寄生谐振频点反射系数幅度信号R_m给处理与控制模块4；

步骤3，处理与控制模块4从天线寄生谐振频点反射系数幅度信号R_m中，提取出每一次扫频后天线工作谐振频点的偏移量f₀：

（3a）对天线寄生谐振频点反射系数幅度信号R_m进行采样，查找该采样信号中的最小值以及最小值所对应的频点f_s，计算频点f_s与天线寄生谐振频点f_p的频率差值f_d=f_s-f_p；

（3b）根据天线寄生谐振频点与工作谐振频点的倍频关系，得到天线工作谐振频点的偏移量为f₀=f_d/N，其中N为倍频系数，取大于1的整数；

步骤4，处理与控制模块4根据提取的工作谐振频点的偏移量f₀，计算每一次扫频过程后工作谐振频点偏移量的变化量：

其中

为前一次扫频过程后提取出的工作谐振频点偏移量；

步骤5，通过比例-积分计算公式：U_c=a×f₀+b×∫△f₀，计算出匹配控制电压U_c，其中a为比例系数，b为积分系数，a和b为非零实数，其数值分别与电调匹配模块的匹配范围和累计误差量有关；

步骤6，电调匹配模块2根据步骤5输出的匹配控制电压U_c，不断调节第一压控变容管203和第二压控变容管204的电容，使得天线阻抗与外部接收系统输入阻抗相匹配，实现对天线阻抗的自动匹配。

Claims (6)

1.一种基于寄生谐振频点的天线阻抗自动匹配装置，包括：天线（1），电调匹配模块（2），处理与控制模块（4），耦合模块（5），隔直电容（6），天线（1）与电调匹配模块（2）连接，电调匹配模块（2）的输入端与处理与控制模块（4）连接，耦合模块（5）与隔直电容（6）连接，处理与控制模块（4）根据耦合模块（5）耦合的天线端口反射信号控制电调匹配模块（2），实现对天线（1）的阻抗匹配，隔直电容（6）用于将控制信号与外部的接收系统隔离开，其特征在于：

耦合模块（5）与处理与控制模块（4）之间连接有天线寄生谐振频点反射测量模块（3），用于向耦合模块（5）发射天线寄生谐振频点扫频信号，并对耦合模块（5）输出的天线寄生谐振频点反射信号进行同步检波与低通滤波，得到反射系数幅度信号；该反射系数幅度信号输入给处理与控制模块（4）进行采样，并从反射系数幅度采样信号中提取出寄生谐振频点的频偏，输出匹配控制电压给电调匹配模块（2）；电调匹配模块（2）根据匹配控制电压对天线的工作谐振频点阻抗进行匹配。

2.根据权利要求1所述的基于寄生谐振频点的天线阻抗自动匹配装置，其特征在于，天线寄生谐振频点反射测量模块（3）包括：本振信号源（301），直接数字合成器（302），锁相环（303），同步检波器（304）和低通滤波器（305）；

直接数字合成器（302）的输入端分别与本振信号源（301）的输出端和处理与控制模块（4）的输出端连接；直接数字合成器（302）的输出端与锁相环（303）的输入端连接；

本振信号源（301）向直接数字合成器（302）输出振荡信号，处理与控制模块（4）向直接数字合成器（302）输入扫频信号频率控制命令，直接数字合成器（302）输出低频扫频信号至锁相环（303）；

锁相环（303）输出分为两路，一路输出给耦合模块（5），将天线寄生谐振频点扫频信号耦合至天线馈电线路上，另一路输出给同步检波器（304），作为同步检波器的同步信号，同步检波器（304）对从耦合模块（5）耦合的天线寄生谐振频点反射信号与锁相环（303）输出的天线寄生谐振频点扫频信号进行同步检波，输入给低通滤波器（305），低通滤波器（305）对该同步检波后的信号进行低通滤波，得到天线寄生谐振频点反射系数幅度信号，再输入给处理与控制模块（4）。

3.根据权利要求1所述的基于寄生谐振频点的天线阻抗自动匹配装置，其特征在于处理与控制模块（4）包括：

SPI接口，用于输出扫频信号频率控制命令；

A/D转换器，用于将反射系数幅度模拟信号转换成数字信号；

D/A转换器，用于将匹配控制数字信号转换成匹配控制电压信号；

扫频信号频率控制子模块：用于控制天线寄生谐振频点处扫频信号的频率，并通过SPI接口输出扫频信号频率控制命令；

工作谐振频点偏移提取子模块：用于从A/D转换器采样的反射系数幅度信号中提取寄生谐振频点的频偏，根据寄生谐振频点与工作谐振频点的倍频关系计算出工作谐振频点偏移量；

匹配控制子模块：根据工作谐振频点偏移量通过补偿算法计算出匹配控制量，并通过D/A转换器输出匹配控制电压给电调匹配模块（2）。

4.根据权利要求1所述的基于寄生谐振频点的天线阻抗自动匹配装置，其特征在于，电调匹配模块（2）包括第一扼流圈（201）、第二扼流圈（202）、第一压控变容管（203）和第二压控变容管（204）；第一扼流圈（201）分别与第一压控变容管（203）和D/A转换器的输出端连接，第二扼流圈（202）分别与第二压控变容管（204）和D/A转换器输出端连接；第一扼流圈（201）和第二扼流圈（202）对处理与控制模块（4）分别输入的匹配控制电压进行低通滤波，分别输出直流控制电压给第一压控变容管（203）和第二压控变容管（204），第一压控变容管（203）和第二压控变容管（204）根据扼流圈输出的直流控制电压调节自身电容，实现对天线工作频点阻抗的匹配。

5.根据权利要求1所述的基于寄生谐振频点的天线阻抗自动匹配装置，其特征在于，在耦合模块（5）与外部接收系统之间连接有滤波器（7），用于滤除天线馈电线路上的寄生谐振频点扫频信号，防止外部接收系统接收该扫频信号，保证接收系统正常工作。

6.一种基于寄生谐振频点的天线阻抗自动匹配方法，利用一种基于寄生谐振频点的天线阻抗自动匹配装置，所述装置包括：天线（1），电调匹配模块（2），天线寄生谐振频点反射测量模块（3），处理与控制模块（4），耦合模块（5）；所述方法包括如下步骤：

1）天线寄生谐振频点反射测量模块（3）对本振信号进行数字倍频，输出天线寄生谐振频点扫频信号F_s；

2）耦合模块（5）将天线寄生谐振频点扫频信号F_s耦合输出至天线（1），以产生寄生谐振频点扫频反射信号F_r；

3）天线寄生谐振频点反射测量模块（3）对天线寄生谐振频点扫频反射信号F_r进行同步检波与低通滤波，输出天线寄生谐振频点反射系数幅度信号R_m；

4）处理与控制模块（4）根据输出的天线寄生谐振频点反射系数幅度信号R_m，不断提取工作谐振频点的偏移量f₀：

4a）对天线寄生谐振频点反射系数幅度信号R_m进行采样，查找该采样信号中的最小值以及最小值所对应的频点f_s，计算频点f_s与天线寄生谐振频点f_p的频率差值f_d=f_s-f_p；

4b）根据天线寄生谐振频点与工作谐振频点的倍频关系，得到天线工作谐振频点的偏移量为f₀=f_d/N，其中N为倍频系数，取大于1的整数；

5）处理与控制模块（4）根据提取的工作谐振频点的偏移量f₀，计算每一次扫频过程后工作谐振频点偏移量的变化量：

其中

为前一次扫频过程后提取出的工作谐振频点偏移量；

6）通过比例-积分计算公式：U_c=a×f₀+b×∫△f₀，计算出匹配控制电压U_c，其中a为比例系数，b为积分系数，a和b为非零实数，其数值分别与电调匹配模块（2）的匹配范围和累计误差量有关；

7）电调匹配模块（2）根据步骤6）输出的匹配控制电压U_c，不断调节压控变容管的电容，实现对天线阻抗的自动匹配。

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