CN103592517B - 一种天线阻抗测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线阻抗测试系统，包括被测的天线、高压源、可调电感L、电感电阻测试模块、数据处理模块、控制器、步进驱动器、采集模块、分压网络、光控开关模块和保护电阻所组成。其工作机理是：通过对一个可选频率的自衰减振荡电路注入起振初始高压，使之产生自衰减振荡；由于自衰减振荡物理特征由各元件参数所共同决定，因此，通过对振荡电压采样和计算，可以得出被测天线的阻抗值。本发明能有效提高测试信噪比，并在天线实际发射工作频率下，进行天线阻抗的准确测量。

Description

一种天线阻抗测试系统及方法

技术领域

本国防发明专利属于无线电通信天线测试技术领域，具体涉及一种低频天线(甚低频、超低频、极低频)阻抗测试方法和测试系统。

背景技术

通信天线的尺寸由通信波长所决定，由于低频通信(甚低频、超低频、极低频)天线尺寸较大，静电感应强。其表面静电感应可达2000v，造成常用天线测试设备无法进行天线阻抗测试。而低频通信设计、施工、调试、维修、以及现场在线发射，均需要对天线阻抗进行现场精确测量。

现有技术中，有关这类天线阻抗测试主要有以下三种方式：

(1)矢量网络分析仪和LRC测试仪：

由于低频天线尺寸大，有的可达数公里，受外界干扰信号的影响很大，其静电积聚的速度非常快，极易烧毁测试设备，致使现有的矢量网络分析仪和LRC测试仪无法进行天线阻抗测量。

(2)电桥法：

利用电桥平衡原理，将天线作为电桥臂之一，采用电桥平衡的方法进行测量。由于电桥法测量，受电桥平衡收敛条件限制，在被测件中含有噪声电动势的情况下，当电桥向平衡方向调整时，指示器的信号电平逐渐减小，但噪声电平却基本不变，因此，当电桥尚远离平衡点时，噪声已经淹没信号，使电桥无法进一步调整平衡，导致很难完成阻抗测试。

另一点，在电桥法中加大激励信号源功率企求提高测试信噪比，但相对于天线上2kv的快速集结感应静电，只能是杯水车薪。相反，还极易导致损毁测试电桥。

(3)耦合谐振法测量天线阻抗：

基于天线电容C和已知电感L所组成的串联谐振回路，通过外加激励源产生耦合谐振。谐振时天线电容上的电压，比加到回路两端的电压大Q倍的原理，通过测量谐振回路电压，换算出天线阻抗。其缺点，一是受到激励源输出电压限制，静电电压远大于激励电压，导致极大测量误差；二是耦合谐振频率固定，不能满足发射频率条件下的测试要求。

总之，以上各种方法其弊端归结为，一是：测量的信噪比较低，最大约为十分之一；二是：非线性器件阻抗测量的频率要求不满足实际发射工频。

发明内容

针对现有技术的缺陷和技术需求，本发明的目的在于提供一种能有效提高测试信噪比，在实际天线发射工作频率下，进行天线阻抗精确测量的天线阻抗测试系统。

本发明提供了一种天线阻抗测试系统，包括：高压源、可调电感L、电感电阻测试模块、数据处理模块、控制器、步进驱动器、采集模块、分压网络和光控开关模块；可调电感L的一端连接至所述高压源的输出正端，可调电感L的另一端用于连接天线；步进驱动器的输出端连接至可调电感L的可调端；步进驱动器的输入端与控制器连接；所述高压源的输出负端接地，所述高压源的控制端与控制器连接；电感电阻测试模块的采集端连接在可调电感L的两端，用于测试所述可调电感的电感值和电阻值；电感电阻测试模块的输入输出端与数据处理模块连接；分压网络的输入端连接至可调电感L的另一端，采集模块的输入端连接至分压网络的输出端，采集模块的输出端与所述数据处理模块连接；光控开关模块的一端与所述可调电感L的一端连接，光控开关模块的另一端接地，光控开关模块的控制端与控制器连接；控制器还与所述数据处理模块连接。

更进一步地，所述可调电感L用于调节自衰减振荡的振荡频率；所述高压源用于提供自衰减振荡的起始能量；所述光控开关模块用于在所述高压源对天线充电完毕后，其闭合使得测试系统变为独立的LC自衰减振荡电路和高压源泄放电路；所述分压网络用于按照分压比将自衰减振荡的高压降低到所述采集模块的工作电压；所述控制器用于控制所述高压源的输出，所述步进驱动器动作以及所述光控开关模块的闭合；所述电感电阻测试模块用于测量可调电感感值和回路电阻；所述采集模块用于采集自衰减振荡的电压和时间离散序列；所述数据处理模块用于处理采集的电压和时间离散序列，得到天线阻抗的测量值。

更进一步地，所述可调电感L由螺纹连接步进电机的磁芯与线圈组成。

更进一步地，所述磁芯为软磁铁氧体磁芯，用螺纹连接步进电机转动轴，通过步进电机轴转动改变所述磁芯在线圈中的位置，通过其不同位置的导磁率达到调节电感的感值。

更进一步地，所述光控开关模块包括隔离变压器、激光源、光控触发电源和晶闸管；所述隔离变压器的输入端作为所述光控开关模块的一端，所述晶闸管的输出端作为所述光控开关模块的另一端，所述激光源的输入端作为所述光控开关模块的控制端；所述光控触发电源的输入端连接至所述隔离变压器的输出端，所述光控触发电源的输出端连接至所述晶闸管的输入端，所述光控触发电源的控制端连接至所述激光源的输出端。

更进一步地，所述隔离变压器由铁芯绕线并灌注环氧树脂组成，所述隔离变压器的初级绕组和次级绕组用于提供从220v交流电压变压为4.5v交流电压；所述隔离变压器的初级绕组和次级绕组之间保持30kV的耐压。

更进一步地，所述晶闸管为大功率晶闸管，该大功率晶闸管是PNPN四层半导体结构。

更进一步地，所述天线阻抗测试系统还包括保护电阻，连接在所述高压源的输出负端与地之间；用于保护所述高压源。

以上所述，采用高压源，通过可调电感对天线充电的方式，正是利用高压源的直流高压抵消了天线上的高空感应静电，提高了测量中的有用信号幅值，基本消除了测量中静电干扰信号，极大地提高测量信噪比，确保了测量结果的准确度。这是各传统测量方法中所不具备的特征之一。

其二，采用可调电感参与的自衰减振荡电路，使得振荡频率可以调节，克服了传统天线阻抗测量中，所带来的频率限制，可在天线实际发射频率下进行阻抗测量，真实的模拟了天线的辐射损耗，从而提高了测量结果的真实性。

其三，采用光控开关模块，很好的解决了振荡高压和控制低压的隔离问题，保障了测试系统和测量人员的安全问题；而其控制方式，可实现人工控制自衰减振荡的发生；其功能可实现自衰减振荡电路回路的形成。

本发明还提供了一种天线阻抗测试方法，包括下述步骤：

(1)不接入天线，数据处理模块控制电感电阻测试模块测量可调电感的电感值和内阻值；

(2)根据待测天线的阻抗理论值和天线的工作频率获得可调电感的预设值，判断可调电感的测量值是否等于可调电感的预设值，若是，则进入步骤(3)；若否，则返回至步骤(1)直至可调电感的测量值等于可调电感的预设值；

(3)接入天线，控制高压源，将高压输出设置为合理电位，通过可调电感对天线充电；当高压输出电位达到合理电位后，数据处理模块控制高压源关闭，并控制光控开关使其导通，此时光控开关两极合并到地电位，形成独立的LC自衰减振荡电路和高压源泄放电路；

(4)LC自衰减谐振电路以天线上预先冲满的电荷开始对可调电感充电，然后进行LC往返来回冲、放电的衰减过程；数据处理模块控制采集模块采集LC自衰减振荡的电压和时间离散序列；

(5)数据处理模块对采集数据进行曲线拟合运算获得振荡频率和衰减系数，根据所述振荡频率和所述衰减系数获得天线阻抗测量值。

更进一步地，所述合理电位为所述天线的静电电压的十倍以上。使得信噪比高使得测量的天线阻抗值更精确。

采用所述测试方法，从测量准确性来看，由于极大地提高了测量信噪比，从而保证了测量的准确度；从测量结果来看，由于采用天线实际工作频率进行测量，准确地模拟了天线的辐射损耗，其测量结果较好地表征了发射天线阻抗的真值。因而，所述测试系统对天线相关工程的设计、施工、验收、维修，对天线使用的调谐、发射系统的选频等，具有适用的指导意义。

附图说明

图1是天线输入阻抗等效电路；

图2是天线阻抗测试等效电路图；

图3是本发明实施例提供的天线阻抗测试系统的模块结构示意图；

图4是本发明实施例提供的天线阻抗测试系统中光控开关模块的内部结构示意图；

图5是本发明实施例提供的天线阻抗测试系统中可调电感L的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明通过馈入直流高压的天线等效电容C，与一个已知可调电感L，组成的一个LC串联自衰减谐振回路，通过调节可调电感的感值，产生所需频率下的自衰减振荡。经过电路采样得到自衰减振荡瞬态响应电压和时间的离散值，经计算和曲线拟合得到天线阻抗值。其中，由于电感的感值可以调节，可实现天线实际工作频率下的阻抗测试。

如图1所示，在天线理论中，天线的严格等效电路为噪声源与天线阻抗构成。而天线阻抗的构成包括天线的感抗、容抗、内阻。根据串并联等效定理可知，无论天线感抗、容抗、内阻组成形式为串联或是并联，其天线阻抗都可以表示为的形式。

在图2中的实际测试等效电路中，由于充电直流高压源输出的高压可达10kv至30kv，远高于2kv天线感应静电电压，且采样点电势被拉高到高压源输出端，从而有效的避免了天线静电感应的影响。在实际工程应用中，天线的虚部是由电容分量与电感分构成，如公式(1)所示，设天线电容分量为C，天线电感分量为L_C，则天线电抗为：

$X_C=-\frac{1}{\mathrm{\ωC}}+\mathrm{\ω}{L}_C---\left(1\right)$

由电路图可知，整个测试电路的总损耗电阻R

R=R_C+R_L+R_line(2)

(2)式总损耗电阻R构成中，R_L为已知可调电感内阻；R_C为天线内阻(热损耗以及自衰减振荡时的辐射损耗)；R_line为整个回路的线路等效电阻，对于一个固定的测试电路而言，其为恒定量。其中，已知可调电感内阻与线路损耗是可测量量，待测量则是天线的内阻R_C。

设总电感为L，天线电感分量的电感量为L_c；已知可调电感量为L₁，则总电感L：

L=L_c+L₁(3)

假设RLC串联电路天线已充电，其电压为U₀，即直流高压源等电位，电感中流过的初始电流为I₀。t=0时，开关闭合，此时RLC串联电路处于放电过程，其二阶微分方程：

$\mathrm{LC}\frac{d^2{u}_c}{{\mathrm{dt}}^2}+\mathrm{RC}\frac{{\mathrm{du}}_c}{\mathrm{dt}}+u_c=0---\left(4\right)$

已知u_c的初始边界条件u_c(0)=U₀。令u_c=ξe^pt代入公式(4)中，解得：

LCp²+RCp+1=0(5)

根据公式(5)解得其特征根为：

$p_{\mathrm{1,2}}=-\frac{R}{2L}\±\sqrt{\frac{R^2}{4L^2}-\frac{1}{\mathrm{LC}}}---\left(6\right)$

由于特征根有两个值，为了兼顾着两个值，将电压u_c等效变换为：

$u_c={\mathrm{\ξ}}_1{e}^{p_{1}t}+{\mathrm{\ξ}}_2{e}^{p_{2}t}---\left(7\right)$

由公式(6)可知，特征根p₁与p₂仅与电路参数与结构有关，而与直流高压源和初始储能无关。

现已知初始条件为u_c(0₊)=u_c(0_-)=U₀与i(0₊)=i(0_-)=I₀，由于可得到根据上述初始条件与公式(7)可推导出：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_1+{\mathrm{\ξ}}_2=U_0\\ p_1{\mathrm{\ξ}}_1+p_2{\mathrm{\ξ}}_2=-\frac{I_0}{C}\end{array}\right.---\left(8\right)$

当已充电的天线通过总损耗电阻R与电路总电感为L放电时，此时电感中流过的初始电流I₀=0，通过联立公式(8)即可求得常数ξ₁与ξ₂的表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_1=\frac{p_2{U}_0}{p_2-p_1}\\ {\mathrm{\ξ}}_2=\frac{p_1{U}_0}{p_2-p_1}\end{array}\right.---\left(9\right)$

将解得常数ξ₁与ξ₂代入到公式(7)中就可以得到RLC串联谐振电路零输入响应的表达式：

$u_c=\frac{U_0}{p_2-p_1}(p_2{e}^{p_{1}t}-p_1{e}^{p_{2}t})---\left(10\right)$

由于电路中RLC的参数不同，特征根p₁与p₂可能出现三种情况。当的天线等效电容在整个过程中一直释放存储的电能，因此成为非振荡放电；当为振荡与非振荡的临界，电路不做振荡变化；当电路中的感性和容性原件开始进行振荡交换能量，储能元件天线等效电容C、总电感L，周期性地交换能量(电能与磁能相互转换)，由于存在的热损耗和辐射损耗R，其振荡波形呈衰减振荡状态，称为自衰减振荡。

本发明中正是利用RLC的参数满足条件实现自衰减振荡，若令 $\mathrm{\α}=\frac{R}{2L};$ ${\mathrm{\ω}}^2=\frac{1}{\mathrm{LC}}-{\left(\frac{R}{2L}\right)}^2,$ 则

${\mathrm{\ω}}^2=\sqrt{{\left(\frac{R}{2L}\right)}^2-\frac{1}{\mathrm{LC}}}=\sqrt{-{\mathrm{\ω}}^2}=\mathrm{j\ω}(j=\sqrt{-1})---\left(11\right)$

根据上述条件结合公式(6)可推导出RLC串联谐振电路二阶微分方程特征根的等效公式，其中α、ω(=2πf)分别表示RLC串联谐振电路的衰减系数与角频率。

p_1，2=-α±jω=-ω₀e^-j(±β)(12)

其中，β=arctg(ω／α)。

将公式(12)代入到公式(7)中，可以解得u_c通解为：

u_c=ξe^-αtsin(ωt+β)(13)

其中ξ=U₀ω₀／ω。

由于上述推到可知，RLC串联谐振电路的衰减系数α和谐振频率f分别为：

$\mathrm{\α}=\frac{R}{2L}=\frac{R}{2(L_C+L_1)}---\left(14\right)$

$f=\frac{1}{T}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{1}{\mathrm{LC}}-\frac{R^2}{4L^2}}---\left(15\right)$

从上述谐振方程中我们可以看出，2个方程实际上存在着2个未知量，一个是天线电容量C，另一个是总损耗电阻R(也可以理解为天线电阻量R_C或者天线电感分量L_C，因为由公式(2)、(3)与(14)可知，天线电阻量R_C是总损耗电阻R中的一个参数变量且与总电感量L是成线性比例关系的，而天线电感分量L_C又是总电感量L的一个参数变量)。

将公式(14)进行变换得到总损耗电阻R与天线电感分量为L_C的关系式：

R=2α(L_C+L₁)(16)

由于在低频条件下，天线本身的固定参数是不变的，但天线输入电阻R_C在热损耗、辐射损耗的影响下会随着频率的变化而变化，因此，系统总损耗电阻R一个是非固定量。

通过将公式(15)与公式(16)联立，消去系统总损耗R，解得的等效公式为：

$C=\frac{1}{(4{\mathrm{\π}}^2{f}^2+{\mathrm{\α}}^2)(L_C+L_1)}---\left(17\right)$

根据公式(13)得到振荡波形的峰值包络曲线：

$U_i={\mathrm{Ae}}^{-\mathrm{\α}{t}_i}---\left(18\right)$

通过对振荡波形的峰值包络曲线进行曲线拟合，即可求出我们所需要的衰减系数α。然后，通过双频法，即调节可调电感改变振荡频率得到两组衰减系数α、振荡频率f与可调电感量L₁并代入到公式(17)中进行联立计算之后便可求出天线电感值L_C与天线电容量C。

既然C与L_C成为已知量，就可以根据谐振频率等效公式(16)可计算出总损耗电阻R。

再然后，由公式(2)等效变换而来的公式(19)即可求出天线电阻(天线实部)R_C。

R_C=R-R_L-R_line(19)

接下来，根据已知的天线电容值C与天线电感值L_C，通过天线虚部计算公式(1)即可求出天线虚部。

最后，将解得的天线实部R_C与天线虚部X_C代入到公式(20)中即可得到最终的天线阻抗表达式：

Z_C=R_C+jX_C(20)

以下用具体实物作为一个实施例，说明实施过程。

如图3所示，测试系统包括：可调电感L、高压源1、保护电阻9、光控开关模块8、分压网络7、控制器4、采集模块6、电感电阻测试模块2和数据处理模块3；可调电感L的一端连接至所述高压源1的输出正端，可调电感L的另一端用于连接天线；步进驱动器5的输出端连接至可调电感L的可调端；步进驱动器5的输入端与控制器4连接；所述高压源1的输出负端通过保护电阻9接地，所述高压源1的控制端与控制器4连接；电感电阻测试模块2的采集端连接在可调电感L的两端，用于测试所述可调电感的电感值和电阻值；电感电阻测试模块2的输入输出端与数据处理模块3连接；分压网络7的输入端连接至可调电感L的另一端，采集模块6的输入端连接至分压网络7的输出端，采集模块6的输出端与所述数据处理模块3连接；光控开关模块8的一端与所述可调电感L的一端连接，光控开关模块8的另一端接地，光控开关模块8的控制端与控制器4连接；控制器还与所述数据处理模块3连接。

其中，可调电感L的调节范围为0.5mH～6mH、最小分辨率达到0.01mH，可调电感内阻0.61欧姆。其功用为调节自衰减振荡的振荡频率。

可调电感L由螺纹连接步进电机的磁芯与线圈组成，如图5所示。采用软磁铁氧体磁芯，用螺纹连接步进电机转动轴，通过步进电机轴转动改变磁芯在线圈中的位置，通过其不同位置的导磁率达到调节电感的感值。

可调电感L的工作原理是：运行前的准备阶段，数据处理模块根据天线电容量与目标频率估算出产生谐振所需的电感量，通过采集卡发送指令脉冲，控制步进电机驱动转动轴，改变磁芯在线圈中的位置，调节可调电感的感值到所需电感值。这一调节过程分为粗调和微调两个步骤完成，可保证精确设置可调电感的感值。而系统可利用电感电阻测试模块验证调节结果。

可调电感的创新点：在高电压下的可调电感应用，实现了自衰减振荡的频率调节，保证了测量环境与应用环境的一致性，从而确保测量数据的真实性和实用性。这是由于实际工作频率下，所进行的天线阻抗测量，真实地模拟了天线的辐射损耗，克服非了工作频率下测试所带来的测量误差。

其中，高压源1的可程控直流高压输出10kv～30kv，经数据处理模块设置为适当的高压值，通过采集卡控制其高压输出。其主要作用是提供自衰减振荡的起始能量。

其中，保护电阻9的耐压30kv，功率1kW的高压保护电阻。为高压源1专属保护电阻。见图3，当高压源1完成指定直流高压充电任务后，充电回路经光控开关模块切换为两个独立的电路，其中充电回路变为高压源1与保护电阻9组成。高压源1经程序控制下关闭，多余电荷经保护电阻泄放。主要功能是保护高压源1。

其中，光控开关模块8可实现10kv～30kv高压开关、开关响应速度为10ms、导通电阻为0.01欧姆。其功用为：在直流高压源对天线充电完毕后，光控开关模块8的闭合，使得测试系统变为两个独立的LC自衰减振荡电路和高压源泄放电路。

光控开关模块8构造如图4所示，包括隔离变压器、激光源(20mw)、光控触发电源和晶闸管四个部分。隔离变压器起到高低压隔离的作用，通过阻隔地回路的形成来抑制地回路的干扰。隔离变压器由220VAC经过耦合线圈变压，输出为3路电压，包括2路5VAC与1路6VAC，分别接2路光控触发电路与1路5V电源开关电路。光控触发电路为晶闸管提供能够使其导通的物理参数(电压3V，电流0.5A)，激光源通过触发光控触发电路上的光敏二极管，5V电源开关电路用来为激光源供电，通过数字电平控制激光源的开启与关闭。激光源是本系统的控制核心，通过激光选通电路触发激光源来控制晶闸管的导通。

其中，隔离变压器由铁芯绕线并灌注环氧树脂组成，其初级、次级绕组，提供从220v交流电压变压为4.5v交流电压。其初级、次级之间保持30kV的耐压。

光控触发电源由4.5v交流电压整流桥堆，经滤波后，输出3v、0.3A直流电压，作为晶闸管触发电压。而光控触发电源的触发是由激光源经光缆，将激光光能传输到其触发光电二级管，经光电二级管将光能转化为触发电能，最后导致光控触发电源产生3v直流输出。

光控开关模块主要由大功率晶闸管来实现开关特性，而大功率晶闸管是PNPN四层半导体结构，其导通时的电阻随线路电流的变化而变化，一般为毫欧级，与天线电阻差两到三个数量级，因此可将晶闸管的导通电阻忽略不计。其开关动作由光控触发电源3v直流电压控制。晶闸管单管耐压高达6000V，根据耐压程度可调节晶闸管的数量，最高耐压可达100KV。

光控开关模块8的工作原理：隔离变压器输出4.5V交流后，通过光控触发电源的桥堆，经滤波后输出3v、0.3A的能量，用来打通大功率晶闸管。这一能量的输出是由数据处理模块来决定的：当数据处理模块为激光源提供控制信号，用来控制激光源的光信号输出时，激光源输出经过光缆传输到光控触发电源上的光电二极管，通过光电二级管的导通与否，导致光控触发电源直流输出。而这一直流电压的输出与否直接导致晶闸管的开关动作。

光控开关模块的创新点：创造了一种新型小功率电控(线控)晶闸管的触发模式，拓展了电控(线控)晶闸管在高压环境下的应用范围。晶闸管的触发方式分为电控(线控)和光控两种方式，我国已有的晶闸管生产线基本为小功率电控(线控)晶闸管。而光控晶闸管生产线，为了三峡发电，我国在西安引进了大功率(1000A)生产线。而其他规格的光控晶闸管受到严格的进口限制。晶闸管由于其通过的电流大，耐压高，开关特性良好，广泛的应用在电力、新能源及军事领域。但电控(线控)晶闸管的触发阳极电位基本与晶闸管的阳极等电位，当其应用于高压时就带来了高、低电压隔离问题。本发明的创新点在于利用隔离变压器和光纤的耐高压特性，通过浮起交流整流电源，能够很好的解决电控(线控)晶闸管的触发问题，同时拓展了小功率电控(线控)晶闸管在高压、小电流的应用能力。

分压网络7用于实现1000：1固定分压比例。由阻容网络构成高压分压网络，具有高频信号与噪信号的滤波功能。按照分压比，将高压降低到采集卡适合的工作电压范围。

其中，控制器4和采集模块6可以由采集卡来实现；具体采集卡可以采用带16位的A／D、D／A功能的数据采集卡NIPXI-6251，具有高速双向传输数据和自动缓存功能，最高采样率可达1MS／s，主要用来接收数据处理模块的指令，控制直流高压源输出、控制光控开关模块开关动作、控制可调电感调节与自衰减振荡采样。

其中，电感电阻测试模块2可以采用NIPXI-4072数字LCR测试卡，电感测试精度为±0.015mH、电阻测试精度为四线制±0.01Ω。主要用来测量可调电感感值和回路电阻。

其中，数据处理模块3可以采用PXI总线技术的处理器构成。其主要功能是：完成高压源程序控制；可调电感调节及控制电感电阻测试模块测试；光控开关控制；控制采集卡进行自衰减振荡波采样；采样数据的处理及结果显示。具体实施方法为：向采集卡发送指令，控制采集卡D／A输出，调节直流高压源高压输出；控制可调电感的步进电机，调节可调电感的感值；控制电感电阻测试模块，测量回路电阻值和可调电感感值；控制采集卡A／D，采集自衰减振荡波数据；处理采集的电压和时间离散序列，得到测量天线的阻抗测量值。

本发明通过馈入直流高压电的天线等效电容C，与一个已知可调电感L，组成的一个LC串联自衰减谐振电路，通过调节可调电感的感值，产生所需频率下的自衰减振荡。经过电路采样得到自衰减谐振瞬态响应的离散值，经过计算和曲线拟合得到天线等效阻抗值。其中，由于电感可在工频范围内调节，可实现天线实际工频下阻抗测试。天线实际工况下的阻抗测试，是通过调节可调电感的感值来达到实际工况要求的。通过光控开关来触发，形成自衰减谐振回路。

测试前先对可调电感进行校准测试，记录当前电感值。当完成一次自衰减振荡测试后，通过观测其振荡频率来决定可调电感的调节状态。可调电感的调节状态分为微调与正常调节，分别适用于当前频率与指定频率非常接近与相差较大的情况。根据调节完毕后测试的频点值来决定是否再次进行调节。之后，断开天线与高压源，检测调节后的电感值并输送给工控机。由工控机进行软件滤波与平滑处理。利用RLC串联谐振算法对已知数据进行处理得到天线输入阻抗。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的天线阻抗测试方法，现结合图3详细描述测试流程：

如图3所示，在运行前的准备阶段：不接入天线，数据处理模块控制电感电阻测试模块，测量可调电感感值和内阻。由测量电感值比较预先需要的振荡频率所需电感值，调节电感感值到预设值。

系统正式运行阶段：接入天线，确保接地良好，首先控制高压源，将高压输出设置为合理电位，通过可调电感对天线充电。当高压输出电位达到合理电位后，数据处理模块控制高压源关闭，并控制光控开关使其导通，此时光控开关两极合并到地电位，形成两个独立电路回路。至此，右边独立的自衰减振荡回路得以形成，其衰减振荡的物理特征完全由回路的损耗及可调已知电感、天线阻抗及初始充电电压决定。

此时系统运行进入实测阶段：左边的回路为高压源经由保护电阻泄放完多余的电荷，而右边形成LC自衰减振荡电路。此时，LC自衰减谐振电路以天线上预先冲满的电荷开始对电感充电，然后进行LC往返来回冲、放电的衰减过程。在此过程的开始，数据处理模块控制采集卡，经分压网络，对分压电压采样，得到电压与对应采集时刻的离散序列。这些离算序列作为系统数据处理阶段的数据输入。

之后系统运行进入振荡频率调节阶段：根据采集数据计算振荡频率，比较测量的振荡频率与预先想要的振荡频率，通过比较频率差值决定可调电感的调节方向，反复经过运行前的准备阶段、正式运行阶段，直到测试频率达到预期频率时，将实测所采集得到的离散序列传递到数据处理模块。

最后系统进入数据处理阶段，首先对传递过来的数据进行滤波预处理，然后进行曲线拟合与运算，得出天线阻抗测量结果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种天线阻抗测试系统，其特征在于，包括：

高压源(1)、可调电感L、电感电阻测试模块(2)、数据处理模块(3)、控制器(4)、步进驱动器(5)、采集模块(6)、分压网络(7)和光控开关模块(8)；

可调电感L的一端连接至所述高压源(1)的输出正端，可调电感L的另一端用于连接天线；步进驱动器(5)的输出端连接至可调电感L的可调端；步进驱动器(5)的输入端与控制器(4)连接；所述高压源(1)的输出负端接地，所述高压源(1)的控制端与控制器(4)连接；

电感电阻测试模块(2)的采集端连接在可调电感L的两端，用于测试所述可调电感的电感值和电阻值；电感电阻测试模块(2)的输入输出端与数据处理模块(3)连接；

分压网络(7)的输入端连接至可调电感L的另一端，采集模块(6)的输入端连接至分压网络(7)的输出端，采集模块(6)的输出端与所述数据处理模块(3)连接；

光控开关模块(8)的一端与所述可调电感L的一端连接，光控开关模块(8)的另一端接地，光控开关模块(8)的控制端与控制器(4)连接；

控制器(4)还与所述数据处理模块(3)连接；

所述可调电感L用于调节自衰减振荡的振荡频率；所述高压源(1)用于提供自衰减振荡的起始能量；所述光控开关模块(8)用于在所述高压源(1)对天线充电完毕后，其闭合使得测试系统变为独立的LC自衰减振荡电路和高压源泄放电路；所述分压网络(7)用于按照分压比将自衰减振荡的高压降低到所述采集模块(6)的工作电压；所述控制器(4)用于控制所述高压源(1)的输出，所述步进驱动器(5)动作以及所述光控开关模块(8)的闭合；所述电感电阻测试模块(2)用于测量可调电感感值和回路电阻；所述采集模块(6)用于采集自衰减振荡的电压和时间离散序列；所述数据处理模块(3)用于处理采集的电压和时间离散序列，得到天线阻抗的测量值。

2.如权利要求1所述的天线阻抗测试系统，其特征在于，所述可调电感L由螺纹连接步进电机的磁芯与线圈组成。

3.如权利要求2所述的天线阻抗测试系统，其特征在于，所述磁芯为软磁铁氧体磁芯，用螺纹连接步进电机转动轴，通过步进电机轴转动改变所述磁芯在线圈中的位置，通过其不同位置的导磁率达到调节电感的感值。

4.如权利要求1所述的天线阻抗测试系统，其特征在于，所述光控开关模块(8)包括隔离变压器、激光源、光控触发电源和晶闸管；

所述隔离变压器的输入端作为所述光控开关模块(8)的一端，所述晶闸管的输出端作为所述光控开关模块(8)的另一端，所述激光源的输入端作为所述光控开关模块(8)的控制端；

所述光控触发电源的输入端连接至所述隔离变压器的输出端，所述光控触发电源的输出端连接至所述晶闸管的输入端，所述光控触发电源的控制端连接至所述激光源的输出端。

5.如权利要求4所述的天线阻抗测试系统，其特征在于，所述隔离变压器由铁芯绕线并灌注环氧树脂组成，所述隔离变压器的初级绕组和次级绕组用于提供从220v交流电压变压为4.5v交流电压；所述隔离变压器的初级绕组和次级绕组之间保持30kV的耐压。

6.如权利要求4所述的天线阻抗测试系统，其特征在于，所述晶闸管为大功率晶闸管，该大功率晶闸管是PNPN四层半导体结构。

7.如权利要求1-6任一项所述的天线阻抗测试系统，其特征在于，所述天线阻抗测试系统还包括保护电阻(9)，连接在所述高压源(1)的输出负端与地之间；用于保护所述高压源(1)。

8.一种天线阻抗测试方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)不接入天线，数据处理模块控制电感电阻测试模块测量可调电感的电感值和内阻值；

(2)根据待测天线的阻抗理论值和天线的工作频率获得可调电感的预设值，判断可调电感的测量值是否等于可调电感的预设值，若是，则进入步骤(3)；若否，则返回至步骤(1)直至可调电感的测量值等于可调电感的预设值；

(3)接入天线，控制高压源，将高压输出设置为合理电位，通过可调电感对天线充电；当高压输出电位达到合理电位后，数据处理模块控制高压源关闭，并控制光控开关使其导通，此时光控开关两极合并到地电位，形成独立的LC自衰减振荡电路和高压源泄放电路；

(4)LC自衰减谐振电路以天线上预先冲满的电荷开始对可调电感充电，然后进行LC往返来回冲、放电的衰减过程；数据处理模块控制采集模块采集LC自衰减振荡的电压和时间离散序列；

(5)数据处理模块对采集数据进行曲线拟合运算获得振荡频率和衰减系数，根据所述振荡频率和所述衰减系数获得天线阻抗测量值。

9.如权利要求8所述的天线阻抗测试方法，其特征在于，所述合理电位为所述天线的静电电压的十倍以上。