CN110085995A - 一种自动调谐短波环天线及其调谐方法 - Google Patents

一种自动调谐短波环天线及其调谐方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种自动调谐短波环天线及其调谐方法，属于通讯天线设备技术领域，其具体包括辐射环和耦合环、支撑杆以及天线调谐单元盒，耦合环设置在辐射环的内侧，且耦合环通过支撑杆与天线调谐单元盒连接；天线调谐单元盒包括调谐网络单元、调谐模式选择电路、阻抗与驻波检测单元、频率检测单元及控制单元，频率检测单元和阻抗与驻波检测单元与控制单元连接，控制单元与调谐模式选择电路连接，调谐模式选择电路与调谐网络单元连接，且调谐模式选择电路通过控制开关与辐射环、耦合环电连接。天线调谐采用混合调谐模式，即低频段耦合调谐模式和高频段匹配网络调谐模式，解决了目前使用的短波天线效率低、体积大、存在通信盲区、不便携带的问题。

Description

一种自动调谐短波环天线及其调谐方法
技术领域
本发明属于通讯天线设备技术领域，具体涉及一种自动调谐短波环天线及其调谐方法。
背景技术
目前市面上应用的短波天线存在天线效率较低的现象，一些频带宽的短波天线则其体积 相对较大，制造成本较高，在一些空间受限的车载、机载、背负等移动短波通讯的场合不适 用。短波通信频段较宽，窄带天线的输入阻抗随频率而变化，是一个复阻抗，一般的环天线 通过连接在大环末端的可调电容实现天线的发射机间的阻抗匹配，可调范围一般在3-12MHz。 现有的短波通讯主要有鞭天线、半环天线和双极天线等形式，鞭天线体积较小、结构简单， 可用于近距离(地波)或较远距离(天波)的通信，如常用的背负型2.4米或10米鞭天线，其 有效地波通信距离为10公里左右，而天波的通信距离则在几十到一百多公里以上，从而存在 很大的通信盲区；双极天线的通信盲区小，但是其结构限制了它的灵活性，不能很好地用于 短波背负型或车载移动型通信。半环天线是一种短波全频段调谐天线，但因其调谐网络单元 的效率较低，因而通信效果不佳。
发明内容
为了解决上述短波天线存在的效率低、体积大、通信存在盲区、不便展开和收拢等问题， 本发明提出了一种自动调谐短波环天线及其调谐方法。其具体技术方案如下：
一种自动调谐短波环天线，包括辐射环和耦合环、支撑杆以及天线调谐单元盒，耦合环 设置在辐射环的内侧，且耦合环通过支撑杆与天线调谐单元盒连接；所述天线调谐单元盒包 括调谐网络单元、调谐模式选择电路、阻抗与驻波检测单元、频率检测单元及控制单元，所 述频率检测单元和阻抗与驻波检测单元与控制单元连接，所述控制单元与调谐模式选择电路 连接，所述调谐模式选择电路与调谐网络单元连接，且调谐模式选择电路通过控制开关与辐 射环、耦合环电连接。
进一步限定，所述调谐网络单元包括电感电路组、第一电容电路组、第二电容电路组和 第三电容电路。所述电感电路组与第三电容电路构成串联支路，第一电容电路组、串联支路 和第二电容电路组构成π型调谐匹配网络。
进一步限定，所述辐射环包括上半环、下半环和连接件，所述上半环和下半环之间通过 连接件连接。
进一步限定，所述支撑杆包括上杆和下杆，上杆与下杆铰接。
进一步限定，所述阻抗与驻波检测单元与耦合环连接；所述频率检测单元与电台连接。
进一步限定，所述耦合环嵌装在辐射环内侧任意位置且与辐射环在同一环面上。
本发明还提供了上述的自动调谐短波环天线的调谐方法，其包括以下步骤：
(1)由频率检测单元检测出电台的工作频率、阻抗与驻波检测单元检测出天线的输入 阻抗，控制单元判断是低频段还是高频段工作；
(2)若控制单元判断为低频段工作，控制单元通过控制调谐模式选择电路切换到耦合 调谐模式，即先采用电容将感性电抗抵消，然后通过辐射环和耦合环进行阻抗变换，实现低 端频段的阻抗匹配；
若控制单元判断为高端频段工作，控制单元通过控制调谐模式选择电路切换到匹配网络 调谐模式，即调谐网络单元的二进制可调电感和电容的串并联调谐模式，对辐射环进行阻抗 调谐，实现高端频段的阻抗匹配。
进一步说明，所述步骤(2)中若控制单元判断为高频段工作，则调谐网络单元等效为π 型调谐匹配网络，该网络中第一电容电路组、第二电容电路组为两组可改变电容值的并联电 容器组，电感电路组为可改变电感值的串联电感组，第三电容电路为固定电容，由电感电路 组、第三电容电路组成电抗值在正负之间取值。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明的天线调谐单元盒内设有调谐网络单元、调谐模式选择电路、阻抗与驻波检测 单元、频率检测单元和控制单元；在调谐网络单元内设置用于调谐的电感电路组、第一电容 电路组、第二电容电路组以及第三电容电路。根据工作频率选择合适的调谐模式，在低频段 工作时，通过调谐网络单元抵消输入阻抗的感性虚部，再通过辐射环与耦合环的阻抗变换实 现阻抗匹配。此时，由于损耗低，天线效率要明显高于同类用途的其他小型天线。在高频段 工作时，采用二进制可调电感和电容的π型调谐匹配网络，对辐射环直接进行调谐，实现阻 抗匹配。
2、本发明的辐射环采用空心金属圆环构成，空心金属圆环由上半环和下半环构成，其中 上半环和下半环之间通过连接件连接，同时支撑杆分为上杆和下杆，上杆和下杆之间铰接， 两者的配合可实现天线的展开与收拢，满足天线携带、拆装方便的要求。
3、本发明的短波环天线可以始终保持高仰角辐射，在中近距离内实现无盲区通信。
附图说明
图1为本发明短波环天线的展开结构示意图；
图2为本发明短波环天线的折叠结构示意图；
图3为天线调谐单元盒内部示意图；
图4为调谐网络单元等效匹配网络示意图；
图5-图9为高频段匹配调谐原理示意图；
其中，1-辐射环，2-耦合环，3-支撑杆，4-天线调谐单元盒，5-调谐网络单元，6-调谐模 式选择电路，7-阻抗与驻波检测单元，8-频率检测单元，9-控制单元，10-电台，11-上半环， 12-下半环，13-连接件，14-传动机构，51-电感电路组，52-第一电容电路组，53-第二电路电 路组，54-第三电容电路。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行进一步地解释说明，但本发明并不限于 以下实施方式。
参见图1，是本发明自动调谐短波环天线的展开结构示意图，其包括辐射环1、耦合环2、 支撑杆3，天线调谐单元盒4，其中，耦合环2嵌装在辐射环1内任意位置且与辐射环1在同 一环面上，耦合环2通过支撑杆3与天线调谐单元盒4连接；参见图2，本发明环天线的辐射环1和支撑杆3均可进行弯曲折叠，其中，辐射环1由上半环11、下半环12和连接件13 组成，上半环11和下半环12通过连接件13连接在一起，连接件13是内部嵌有金属丝的塑 料软管，支撑杆3包括上杆和下杆，下杆和上杆之间通过铰接的方式连接，此时，通过辐射 环1和支撑杆3的折叠与展开；在支撑杆3上设有传动机构14，传动机构14在电机的通过 拉紧连接件13内的金属丝下使连接件13弯折，实现天线的展开与收拢。
参见图3，在上述天线调谐单元盒4内设有调谐网络单元5、调谐模式选择电路6、阻抗 与驻波检测单元7、频率检测单元8和控制单元9，阻抗与驻波检测单元7和频率检测单元8 与控制单元9连接，控制单元9与调谐模式选择电路6连接，调谐模式选择电路6与调谐网络单元5连接，调谐模式选择电路6通过控制开关与辐射环1和耦合环2电连接，调谐网络 5与辐射环1连接，所述阻抗与驻波检测单元7与耦合环2连接，频率检测单元8通过射频 线缆与电台10相连。
参见图4，调谐网络单元5包括电感电路组Lx、第一电容电路组Cx1、第二电容电路组Cx2和第三电容电路Ca。所述电感电路组Lx与第三电容电路Ca构成串联支路，第一电容电路组Cx1、串联支路和第二电容电路组Cx2构成π型调谐匹配网络。
上述的自动调谐短波环天线的调谐方法可通过以下步骤实现：
(1)由频率检测单元8检测出电台10的工作频率，阻抗与驻波检测单元7检测出天线 的输入阻抗，控制单元9根据检测出的频率判断是低端频段还是高端频段工作。
(2)若控制单元9判断为低频段工作，控制单元9通过控制调谐模式选择电路6切换到 耦合调谐模式，即先采用电容将感性电抗抵消，然后通过辐射环1和耦合环2进行阻抗变换， 实现低端频段的阻抗匹配。
(3)若控制单元9判断为高端频段工作，控制单元9通过控制调谐模式选择电路6切换 到匹配网络调谐模式，即调谐网络单元5的二进制可调电感和电容的串并联调谐模式，对辐 射环1进行阻抗调谐，实现高端频段的阻抗匹配，即调谐网络单元5等效电路为如图4所示 的π型调谐匹配网络。该网络中第一电容电路组Cx1、第二电容电路组Cx2为两组可改变电容 值的并联电容器组，电感电路组Lx为可改变电感值的串联电感组，第三电容电路Ca为固定电 容，其电抗值固定为负值，由电感电路组、第三电容电路组成电抗值在正负之间取值。对该 网络可匹配的区域进行如下分析：
1)如图5所示，在Smith圆图中，中间的小圆为满足匹配的目标区，由于处于该区域的 天线阻抗已经满足匹配，不需要加入匹配网络。
2)如图6所示，在Smith圆图中，对于绿色区域的阻抗，采用并联电容的方法就可以对 其进行匹配，因此只需要Ca被短路，断开Cx2，Lx＝0，并改变Cx1的值，就可以对该区域进行匹配。
3)如图6所示，在Smith圆图中，对于蓝色区域采用串联电容的方法进行匹配，将Cx1、 Cx2与匹配网络断开，然后调节Lx、Ca的电抗值之和，即可对该区域进行匹配，此时Lx、Ca的电抗值之和为负。
4)如图6所示，在Smith圆图中，对于粉色区域采用串联电感的方法进行匹配，将Cx1、 Cx2与网络断开，Ca短路，调节Lx即可对该区域阻抗进行匹配。
5)如图7所示，在Smith圆图中，对于蓝色的阻抗区可以采用先串联电容然后并联电感 的方法进行匹配，先将Cx2与网络断开，使Lx、Ca的电抗值为负值，以进入绿色区域，然后 通过改变Cx1的值即可对该区域进行匹配。
6)如图8所示，在Smith圆图中，对于粉色区域，可以采用先串联电感，然后并联电容 的方法进行匹配，即先将Cx2与网络断开，Ca被短路，调节Lx使阻抗进入绿色区域，然后调节Cx1的值即可对该区域进行匹配。
7)如图9所示，在Smith圆图中，对于蓝色区域，可以采用先并联电容，再串联电感，然后再并联电容的方法进行匹配，即先调节Cx2的值使阻抗值进入粉色区域，然后短路Ca，调节Lx使阻抗值进入绿色区域，然后调节Cx1的值即可对该区域进行匹配。
实施例1
本实施例中，耦合环2位于辐射环1内部的上半部分，辐射环1由空心金属圆环制成， 空心金属圆环分为上半环11和下半环12，上半环11和下半环12通过连接件13连接在一起， 传动机构14在电机的带动下通过拉紧连接件13使连接件13弯折，实现辐射环1与支撑杆3 的展开与收拢。
频率检测单元8检测出电台10的工作频率为18MHz，阻抗与驻波检测单元7检测出天 线的输入阻抗为30-80j，控制单元9判断为高频段工作。控制单元9通过控制调谐模式选择 电路6切换到匹配网络调谐模式。此时天线的阻抗位于如图8所示的圆图中的粉色区域，通 过调整的电感电路组51，其具体数值为904nH，天线的阻抗将落入图8的绿色区域，具体数 值为36+22j,然后通过调整的第一电容组52，其具体数字为109pF，天线阻抗将最终落入图8 的红色区域，实现高端频段的阻抗匹配。
实施例2
本实施例中，耦合环2位于辐射环1内部的下半部分，辐射环1由空心金属圆环制成， 耦合环2的两端均固定于天线调谐单元盒4的两端，其中一端与外壳绝缘，另一端通过馈电 座与电台连接。空心金属圆环分为上半环11和下半环12，上半环11和下半环12通过连接 件13连接在一起，传动机构14在电机的带动下通过拉紧连接件13使连接件13弯折，实现辐射环1与支撑杆3的展开与收拢。
本实施例中除耦合环2位于辐射环1内部的位置不同以外，其他均与实施例1相同。
高端频段(12～30MHz)的阻抗匹配方法与实施例1相同。
实施例3
本实施例中，耦合环2位于辐射环1内部的上半部分，辐射环1由空心金属圆环制成， 空心金属圆环分为上半环11和下半环12，上半环11和下半环12通过连接件13连接在一起， 传动机构14在电机的带动下通过拉紧连接件13内的金属丝使连接件13弯折，实现辐射环1 与支撑杆3的展开与收拢。
频率检测单元8检测出电台10的工作频率及阻抗与驻波检测单元7检测出天线的输入阻 抗之后传输给控制单元9，控制单元9接收工作频率及阻抗值后与预先设定值比较后判断为 低端频段(3-12MHz)，此时输入阻抗呈感抗，控制单元9将会控制调谐模式选择电路6内的 开关选择调谐网络单元5内的抵消阻抗的感抗虚部，同时通过辐射环1与耦合环2进行阻抗 变换的调谐方式完成低端频段(3-12MHz)的阻抗匹配。
实施例4
本实施例中，耦合环2位于辐射环1内部的上半部分，辐射环1由内部嵌有金属丝的可 弯折钢环制成，通过手动弯折钢环实现辐射环1与支撑杆3的展开与收拢。
其他部件及其连接关系均与实施例3相同。
对于上述天线结构和调谐方法中没有详细描述的地方均属于本领域技术人员公知的技 术。以上描述仅是本发明的具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的 内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正 和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自动调谐短波环天线，包括辐射环(1)和耦合环(2)、支撑杆(3)以及天线调谐单元盒(4)，耦合环(2)设置在辐射环(1)的内侧，且耦合环(2)通过支撑杆(3)与天线调谐单元盒(4)连接；其特征在于，所述天线调谐单元盒(4)包括调谐网络单元(5)、调谐模式选择电路(6)、阻抗与驻波检测单元(7)、频率检测单元(8)及控制单元(9)，所述频率检测单元(8)和阻抗与驻波检测单元(7)与控制单元(9)连接，所述控制单元(9)与调谐模式选择电路(6)连接，所述调谐模式选择电路(6)与调谐网络单元(5)连接，且调谐模式选择电路(6)通过控制开关与辐射环(1)、耦合环(2)电连接。
2.根据权利要求1所述的自动调谐短波环天线，其特征在于，所述调谐网络单元(5)包括电感电路组、第一电容电路组、第二电容电路组和第三电容电路；所述电感电路组与第三电容电路构成串联支路，第一电容电路组、串联支路和第二电容电路组构成π型调谐匹配网络。
3.根据权利要求1所述的自动调谐短波环天线，其特征在于，所述辐射环(1)包括上半环(11)、下半环(12)和连接件(13)，所述上半环(11)和下半环(12)之间通过连接件(13)连接。
4.根据权利要求1所述的自动调谐短波环天线，其特征在于，所述支撑杆(3)包括上杆和下杆，上杆与下杆铰接。
5.根据权利要求1所述的自动调谐短波环天线，其特征在于，所述阻抗与驻波检测单元(7)与耦合环(2)连接；所述频率检测单元(8)与电台(10)连接。
6.根据权利要求1所述的自动调谐短波环天线，其特征在于，所述耦合环(2)嵌装在辐射环(1)内侧任意位置且与辐射环(1)在同一环面上。
7.权利要求1所述的自动调谐短波环天线的调谐方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)由频率检测单元(8)检测出电台(10)的工作频率、阻抗与驻波检测单元(7)检测出天线的输入阻抗，控制单元(9)判断是低频段还是高频段工作；
(2)若控制单元(9)判断为低频段工作，控制单元(9)通过控制调谐模式选择电路(6)切换到耦合调谐模式，即先采用电容将感性电抗抵消，然后通过辐射环(1)和耦合环(2)进行阻抗变换，实现低端频段的阻抗匹配；
若控制单元(9)判断为高端频段工作，控制单元(9)通过控制调谐模式选择电路(6)切换到匹配网络调谐模式，即调谐网络单元(5)的二进制可调电感和电容的串并联调谐模式，对辐射环(1)进行阻抗调谐，实现高端频段的阻抗匹配。
8.根据权利要求7的自动调谐短波环天线的调谐方法，其特征在于，所述步骤(2)中若控制单元(9)判断为高频段工作，则调谐网络单元(5)等效为π型调谐匹配网络，该网络中第一电容电路组、第二电容电路组为两组可改变电容值的并联电容器组，电感电路组为可改变电感值的串联电感组，第三电容电路为固定电容，由电感电路组、第三电容电路组成电抗值在正负之间取值。
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