CN105391502B - 一种测量发射机实际输出阻抗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信设备应用技术领域，尤其涉及一种测量发射机实际输出阻抗的方法及系统，适用于以天线调谐器来实现发射机与天线阻抗匹配的系统。包括：天线调谐器产生第一微功率信号，对发射机和天线进行第一微功率调谐，使得发射机和天线达到阻抗匹配，记录发射机和天线阻抗匹配后天线的第一负载阻抗；保持天线调谐器的参数不变，发射机发射特定频率的大功率射频信号，记录第一电压驻波比；将第一负载阻抗和第一电压驻波比作为第一组参考数据；重复上述过程，得到第二组参考数据，根据第一组参考数据和第二组参考数据，得到发射机的实际输出阻抗。

Description

一种测量发射机实际输出阻抗的方法

技术领域

本发明涉及通信设备应用技术领域，尤其涉及一种测量发射机实际输出阻抗的方法，适用于以天线调谐器来实现发射机与天线阻抗匹配的系统。

背景技术

短波通信效果的好坏，与天线的带宽、增益、驻波比、方向性等因素密切相关。因此在短波通信中，选用一个性能良好的天线对于改善通信效果极为重要。在短波频段，由于波段覆盖范围大，天线参数变化强烈，很难使用常规宽带匹配网络实现对各种天线的快速阻抗匹配，短波发射机在工作前必须使用天线调谐器完成发射机与天线的阻抗匹配，以减小电压驻波比(VSWR)，实现发射信号最大效率地向空中发射出去。

天线调谐器主要是保证发射机末级和末前级放大器在最短时间内完成调谐任务，确保放大器大功率、高效率、低谐波输出和保证天线耦合器能在尽可能短的时间内实现自动匹配，把发射机的射频功率最大限度的传输到天线。

在实际应用中发现，天线调谐器微功率调谐成功的频点，其驻波比较小(匹配至50Ω附近)，但大功率发射时，其驻波比变大，导致发射机反向功率较大，天馈系统的辐射效率降低。当驻波比变大而天线系统又没有谐振时，阻抗存在很大电抗分量，可能会导致发射机内部射频末级功率器件、真空器件和电子管等的损坏。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种测量发射机实际输出阻抗的方法，通过测量发射机射频输出阻抗，将调谐软件中匹配标准50Ω修正为发射机实际的输出阻抗。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案予以实现。

一种测量发射机实际输出阻抗的方法，所述方法用于天线调谐器对发射机和天线进行阻抗匹配；所述方法包括：

步骤1，天线调谐器产生第一微功率信号，天线调谐器对发射机和天线进行第一微功率调谐，使得所述发射机和所述天线达到阻抗匹配，获取天线调谐器的第一调谐参数，记录所述发射机和所述天线阻抗匹配后所述天线的第一负载阻抗；所述第一负载阻抗为天线的输出阻抗；

步骤2，保持天线调谐器的第一调谐参数不变，发射机发射测试频率的大功率射频信号，记录第一电压驻波比；所述第一电压驻波比为天馈系统相对于发射机实际输出阻抗的驻波比，所述天馈系统包括天线调谐器和天线；

步骤3，将所述第一负载阻抗和所述第一电压驻波比作为第一组参考数据；

步骤4，天线调谐器产生第二微功率射频信号，改变天线调谐器的第一调谐参数并对发射机和天线进行第二微功率调谐，使得所述发射机和所述天线再次达到阻抗匹配，获取天线调谐器的第二调谐参数，记录所述发射机和所述天线阻抗匹配后所述天线的第二负载阻抗，所述第二负载阻抗与所述第一负载阻抗不相同；

步骤5，保持天线调谐器的第二调谐参数不变，发射机发射所述测试频率的大功率射频信号，记录第二电压驻波比；

步骤6，将所述第二负载阻抗和所述第二电压驻波比作为第二组参考数据；

步骤7，根据所述第一组参考数据得到第一Smith圆图，根据所述第二组参考数据得到第二Smith圆图，确定所述第一Smith圆图和所述第二Smith圆图的交点，从而得到发射机的实际输出阻抗。

本发明技术方案的特点和进一步的改进为：

(1)所述第一微功率信号的功率和所述第二微功率信号的功率在100mW至200mW的范围内，且所述第一微功率信号的频率和所述第二微功率信号的频率在2MHz至30MHz的范围内。

(2)所述测试频率的大功率射频信号的功率在90W至110W的范围内，且所述测试频率的大功率射频信号的频率在2MHz至30MHz的范围内。

(3)步骤4中，所述改变天线调谐器的第一调谐参数的准则为：改变天线调谐器的参数使得所述第一负载阻抗的值和所述第二负载阻抗的值不相同，且都在45欧姆至50欧姆的范围内，且所述第一驻波比和所述第二驻波比分别小于1.3。

(4)根据所述第一组参考数据得到第一Smith圆图，根据所述第二组参考数据得到第二Smith圆图，确定所述第一Smith圆图和所述第二Smith圆图的交点，从而得到发射机的实际输出阻抗，具体包括：

将所述第一组参考数据和所述第二组参考数据带入电压驻波比Swr的计算公式Swr＝1+|Γ|/1-|Γ|，Γ＝Z_M-Z_O/Z_M+Z_O，分别得到以第一负载阻抗为圆心，以第一电压驻波比为半径的第一Smith参考圆图，以及以第二负载阻抗为圆心，以第二电压驻波比为半径的第二Smith参考圆图；其中，Γ代表反射系数，Z_M代表天线的输出阻抗，Z_O代表发射机的输出阻抗；

获取所述第一Smith参考圆图和所述第二Smith参考圆图的两个交点，将虚部为正的一个交点的值作为发射机的实际输出阻抗值。

(5)采用数字功率计记录第一电压驻波比和第二电压驻波比。

本发明技术方案解决了发射机发射大功率射频信号时，驻波比变大的问题，保证了发射机的射频功率最大限度的传输到天线上去，提高了天馈系统的辐射效率；另外由于驻波比降低，发射机的反射功率较小，有效的保护了发射机内部射频末级功率器件，提高了设备的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种测量发射机实际输出阻抗的方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的天线调谐器的天调网络结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种测量发射机实际输出阻抗的天线调谐系统的系统框架示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种测量发射机实际输出阻抗的方法，所述方法用于对天线调谐系统进行阻抗匹配，如图1所示，所述方法包括：

步骤1，天线调谐器产生第一微功率信号，天线调谐器对发射机和天线进行第一微功率调谐，使得所述发射机和所述天线达到阻抗匹配，获取天线调谐器的第一调谐参数，记录所述发射机和所述天线阻抗匹配后所述天线的第一负载阻抗。

所述第一负载阻抗为天线的输出阻抗。

步骤2，保持天线调谐器的第一调谐参数不变，发射机发射测试频率的大功率射频信号，记录第一电压驻波比；所述第一电压驻波比为天馈系统相对于发射机实际输出阻抗的驻波比，所述天馈系统包括天线调谐器和天线。

所述第一电压驻波比表征天线调谐系统的驻波特性，所述第一负载阻抗为天线的输出阻抗。

电压驻波比(VSWR，Voltage Standing Wave Ratio)，表征天线系统中的驻波特性，也就是天线中正向波与反射波的情况。理想情况下，天线与发射机的阻抗是完全匹配的，不会产生反射波，此时，天线的驻波比为1。但实际总会有反射波存在，驻波比总是大于1。

步骤3，将所述第一负载阻抗和所述第一电压驻波比作为第一组参考数据。

步骤4，天线调谐器产生第二微功率射频信号，改变天线调谐器的第一调谐参数并对发射机和天线进行第二微功率调谐，使得所述发射机和所述天线再次达到阻抗匹配，获取天线调谐器的第二调谐参数，记录所述发射机和所述天线阻抗匹配后所述天线的第二负载阻抗，所述第二负载阻抗与所述第一负载阻抗不相同。

所述第一微功率信号的功率和所述第二微功率信号的功率在100mW至200mW的范围内，且所述第一微功率信号的频率和所述第二微功率信号的频率在2MHz至30MHz的范围内。

所述改变天线调谐器的第一调谐参数的准则为：改变天线调谐器的第一调谐参数使得所述第一负载阻抗的值和所述第二负载阻抗的值不相同，且都在45欧姆至50欧姆的范围内，且所述第一驻波比和所述第二驻波比分别小于1.3。

步骤5，保持天线调谐器的第二调谐参数不变，发射机发射所述测试频率的大功率射频信号，记录第二电压驻波比。

所述测试频率的大功率射频信号的功率在90W至110W的范围内，且所述测试频率的大功率射频信号的频率在2MHz至30MHz的范围内。

采用数字功率计记录第一电压驻波比和第二电压驻波比。

步骤6，将所述第二负载阻抗和所述第二电压驻波比作为第二组参考数据。

步骤7，根据所述第一组参考数据得到第一Smith圆图，根据所述第二组参考数据得到第二Smith圆图，确定所述第一Smith圆图和所述第二Smith圆图的交点，从而得到发射机的实际输出阻抗。

步骤7具体包括：

将所述第一组参考数据和所述第二组参考数据带入电压驻波比Swr的计算公式Swr＝1+|Γ|/1-|Γ|，Γ＝Z_M-Z_O/Z_M+Z_O，分别得到以第一负载阻抗为圆心，以第二电压驻波比为半径的第一Smith参考圆图，以及以第二负载阻抗为圆心，以第四电压驻波比为半径的第二Smith参考圆图；其中，Γ代表反射系数，Z_M代表天线的输出阻抗，Z_O代表发射机的输出阻抗。

获取所述第一Smith参考圆图和所述第二Smith参考圆图的两个交点，将虚部为正的一个交点的值作为发射机的实际输出阻抗值。

实际应用中，天线调谐器在微功率调谐时，可检测到当调谐成功时，天线驻波比较小(Swr＜1.3)，Z_M位于50Ω附近，但当发射机发射大功率时，驻波比会变大，可增大至1.5或者更高。

天线调谐器主要是实现发射机输出阻抗与天线的阻抗匹配；可将天线调谐器与手动控制调谐软件连接，所述手动控制调谐软件用于控制天线调谐器中天调网络的电容或电感；数字功率计实时监测电压驻波比；天线主要是高效地辐射发射机的射频信号和接收空中的无线信号，可以是半环天线、4m鞭天线或者全环天线等。

示例性的，如图2所示，本发明中天线调谐器的网络形式可以采用扩展的Π型网络，电容C2、C3和电感L1构成了主调谐网络，电容C1、电感L2为辅助网络器件，具有调谐能力强，调谐精度高等优点。

在微功率条件下，通过手动控制调谐软件控制天线调谐器网络板上的继电器，进而控制继电器所控制的电容或电感，使其接入或断开网络，最终将天线的阻抗匹配至50Ω附近(Swr＜1.3)，并记录该频率下的阻抗Z_M；接着再使用发射机发射大功率，通过数字功率计，查看并记录电压驻波比。利用公式计算出该频率下的发射机射频输出阻抗Z_O。

当测量得到负载阻抗Z_M和驻波比Swr，满足公式的Z_O在Smith圆图上是一个以Z_M为圆心，Swr为半径的圆。因此要确定Z_O，就要在该频率下测量两组或两组以上的数据。

用测量得到的发射机射频输出阻抗Z_O(测量得到的实际阻抗Z_O是一组随着频率不断变化的复数)，来代替原天线调谐器程序中标准的特性阻抗50Ω，先微功率调谐，发射机再发射大功率，其驻波比与微功率调谐时的驻波比基本一致(忽略器件在大功率和微功率条件下的阻抗特性差异)。

本发明中测量得到负载阻抗Z_M和驻波比Swr，再利用公式计算发射机射频输出阻抗Z_O，还可以利用计算机编程软件遍历算法来得到Z_O。当天线调谐器调谐程序中使用该阻抗Z_O后，能够解决发射机发射大功率驻波比变大的问题，保证了发射机的射频功率最大限度的传输到天线上去，提高了天馈系统的辐射效率。

本发明实施例还提供一种测量发射机实际输出阻抗的天线调谐系统，所述天线调谐系统采用如上述实施例所述的方法测量发射机的实际输出阻抗，如图3所示，所述天线调谐系统包括发射机1、天线调谐器2、数字功率计3以及天线4，所述发射机1的输出端分别与天线调谐器2的输入端以及所述功率计数器3的输入端连接，所述天线调谐器2的输出端与天线4的输入端连接，所述天线调谐器2为参数可变的天线调谐器。

本发明技术方案解决了发射机大功率发射时，驻波比变大的问题，保证了发射机的射频功率最大限度的传输到天线上去，提高了天馈系统的辐射效率；另外由于驻波比降低，发射机的反射功率较小，有效的保护了发射机内部射频末级功率器件，提高了设备的可靠性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种测量发射机实际输出阻抗的方法，所述方法用于天线调谐器对发射机和天线进行阻抗匹配；其特征在于，所述方法包括：

步骤1，天线调谐器产生第一微功率信号，天线调谐器对发射机和天线进行第一微功率调谐，使得所述发射机和所述天线达到阻抗匹配，获取天线调谐器的第一调谐参数，记录所述发射机和所述天线阻抗匹配后所述天线的第一负载阻抗；所述第一负载阻抗为天线的输出阻抗；

步骤2，保持天线调谐器的第一调谐参数不变，发射机发射测试频率的大功率射频信号，记录第一电压驻波比；所述第一电压驻波比为天馈系统相对于发射机实际输出阻抗的驻波比，所述天馈系统包括天线调谐器和天线；

步骤3，将所述第一负载阻抗和所述第一电压驻波比作为第一组参考数据；

步骤4，天线调谐器产生第二微功率射频信号，改变天线调谐器的第一调谐参数并对发射机和天线进行第二微功率调谐，使得所述发射机和所述天线再次达到阻抗匹配，获取天线调谐器的第二调谐参数，记录所述发射机和所述天线阻抗匹配后所述天线的第二负载阻抗；

步骤5，保持天线调谐器的第二调谐参数不变，发射机发射所述测试频率的大功率射频信号，记录第二电压驻波比；

步骤6，将所述第二负载阻抗和所述第二电压驻波比作为第二组参考数据；

步骤7，根据所述第一组参考数据得到第一Smith圆图，根据所述第二组参考数据得到第二Smith圆图，确定所述第一Smith圆图和所述第二Smith圆图的交点，从而得到发射机的实际输出阻抗；

步骤7中，所述根据所述第一组参考数据得到第一Smith圆图，根据所述第二组参考数据得到第二Smith圆图，确定所述第一Smith圆图和所述第二Smith圆图的交点，从而得到发射机的实际输出阻抗，具体包括：

将所述第一组参考数据和所述第二组参考数据带入电压驻波比Swr的计算公式Swr＝1+|Γ|/1-|Γ|，Γ＝Z_M-Z_O/Z_M+Z_O，分别得到以第一负载阻抗为圆心，以第一电压驻波比为半径的第一Smith参考圆图，以及以第二负载阻抗为圆心，以第二电压驻波比为半径的第二Smith参考圆图；其中，Γ代表反射系数，Z_M代表天线的输出阻抗，Z_O代表发射机的输出阻抗；

获取所述第一Smith参考圆图和所述第二Smith参考圆图的两个交点，将虚部为正的一个交点的值作为发射机的实际输出阻抗值。

2.根据权利要求1所述的一种测量发射机实际输出阻抗的方法，其特征在于，所述第一微功率信号的功率和所述第二微功率信号的功率在100mW至200mW的范围内，且所述第一微功率信号的频率和所述第二微功率信号的频率在2MHz至30MHz的范围内。

3.根据权利要求1所述的一种测量发射机实际输出阻抗的方法，其特征在于，所述测试频率的大功率射频信号的功率在90W至110W的范围内，且所述测试频率的大功率射频信号的频率在2MHz至30MHz的范围内。

4.根据权利要求1所述的一种测量发射机实际输出阻抗的方法，其特征在于，步骤4中，所述改变天线调谐器的第一调谐参数的准则为：改变天线调谐器的参数使得所述第一负载阻抗的值和所述第二负载阻抗的值不相同，且都在45欧姆至50欧姆的范围内，且所述第一电压驻波和所述第二电压驻波比分别小于1.3。

5.根据权利要求1所述的一种测量发射机实际输出阻抗的方法，其特征在于，采用数字功率计记录第一电压驻波比和第二电压驻波比。