CN110086482B - 天线匹配装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种天线匹配装置。天线匹配装置包括测量电路，连接天线，用于获取所述天线的复反射系数的模及相位并对所述复反射系数的模及相位进行运算后获得所述天线的复阻抗，并将所述复阻抗输出；匹配电路，连接在所述测量电路与所述天线之间，存储有复阻抗与区域的对应关系，所述匹配电路接收所述测量电路输出的复阻抗并根据存储的复阻抗与区域的对应关系找到接收到的复阻抗对应的区域，并对所述区域的参数进行调整以使所述天线与发射机或接收机匹配，以解决天线与射频前端间失配、端口驻波差的问题，同时实现精确测量调谐阻抗、缩短调谐时间及满足跳频需要的目的。

Description

天线匹配装置

技术领域

本发明涉及天线调谐领域，特别是涉及一种天线匹配装置。

背景技术

天线是无线电通信设备最关键的部件之一，天线的驻波限制了频带宽度。通常要求天线的驻波比应控制在2.0以内，但频带跨越数倍频程的天线驻波只能做到3.0甚至4.0以内，这使得功放与天线之间严重失配，功放输出效率降低，接收机前端与天线之间也严重失配，使噪声系数增加，接收灵敏度下降。对于宽频带天线，频带跨越数倍频程，很难在全频段范围内将驻波与增益兼顾，为了降低端口驻波，通常采用无耗匹配与有耗匹配相结合，虽然端口驻波得到了很大改善，但是却损失了增益。最理想的方法是采用无耗匹配，但全频段无耗匹配难度非常大。对于频带覆盖1.5～30MHz，30～512MHz甚至2～2000MHz的天线，如何实现快速调谐，满足跳频需要，就显得格外重要。

若要做到宽频带自动匹配，首先就必须要知道天线在工作频率的复阻抗，最简单的方法是预存一张阻抗表或是匹配控制表，但是由于不同天线阻抗的差异性，存表必须要与天线捆绑。另外还有匹配试探法和阻抗测量法，匹配试探法简单，但效率低，耗时；阻抗测量法稍显复杂，但效率高，快速，可适应各种天线。

目前公开的天线阻抗测量主要三种方案：第一种是正交混频法，通过对定向耦合器入射波和反射波进行正交混频，得到I、Q，即为反射系数的实部和虚部。第二种是鉴相法，测量入射波与反射波相位差，再根据入射功率与反射功率计算出天线阻抗。第三种是曲线拟合法，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，通过对振荡电压采样和计算，可以得出被测天线的阻抗值。

目前公开的调谐匹配主要有两种方案：第一种匹配电路包括参数调整电路和控制电路，连接在天线和调谐器之间，根据调谐器工作频率，调整天线匹配电路对地容值或对地感值，从而改变天线匹配电路的工作频率，完成对天线的匹配。第二种是机械调谐匹配电路，自动调谐控制电路根据工作频率对阻抗变换器和电感进行设定，并根据相位差通过步进电机对可变电感进行设定，通过步进电机转动带动可变电感器，补偿天线容抗，实现调谐。

目前现有技术存在的缺陷是：正交混频法测阻抗缺点是系统比较复杂，得到的相位差包含传递函数的相位，需进行相位补偿。鉴相法测量阻抗测量入射波与反射波相位差，缺点是存在180°相位模糊，无法区分相位差是处在0～180°区间内还是0～-180°区间内。曲线拟合法测量阻抗，缺点是体积太大，不适合便携。第一种匹配方法缺点采用单支节匹配网络，匹配频段范围窄，只能适应约一倍频程范围的匹配；采用变容管三阶交调点较低，大功率情况下容易失真，且该方法不能自动测量天线驻波比。第二种匹配方法通过机械调谐，只能使用电感，且速度太慢。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种天线匹配装置，以解决天线与射频前端间失配、端口驻波差的问题，同时实现精确测量调谐阻抗、缩短调谐时间及满足跳频需要的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种天线匹配装置，包括：

测量电路，连接天线，用于获取所述天线的复反射系数的模及相位并对所述复反射系数的模及相位进行运算后获得所述天线的复阻抗，并将所述复阻抗输出；及

匹配电路，连接在所述测量电路与所述天线之间，存储有复阻抗与区域的对应关系，所述匹配电路接收所述测量电路输出的复阻抗并根据存储的复阻抗与区域的对应关系找到接收到的复阻抗对应的区域，并对所述区域的参数进行调整以使所述天线与发射机或接收机匹配。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明所述天线匹配电路通过测量电路获得天线的复阻抗，再通过匹配电路将获得的复阻抗与存储的复阻抗及史密斯圆图区域的对应关系找到阻抗点所在区域，从而通过调节匹配电路以实现天线与发射机或接收机的匹配，以此解决天线与射频前端间失配及端口驻波差的问题，同时实现精确测量调谐阻抗、缩短调谐时间及满足跳频需要的目的。

附图说明

图1是本发明天线匹配装置的结构示意图；

图2是本发明史密斯圆图的区域示意图；

图3至图10是本发明天线匹配装置中匹配支节电路示意图；

图11是宽带网络的匹配原理示意图；

图12是宽带网络的匹配电路示意图；

图13是窄带网络的匹配原理示意图；

图14是窄带网络的匹配电路示意图。

具体实施方式

请参考图1，是本发明天线匹配装置的结构示意图。所述天线匹配装置包括测量电路200，连接天线100，用于获取所述天线100的复反射系数的模及其相位并对所述复反射系数的模及其相位进行运算后获得所述天线100的复阻抗，并将所述复阻抗输出；及

匹配电路300，连接在所述测量电路200与所述天线100之间，存储有复阻抗与区域的对应关系，所述匹配电路300接收所述测量电路200输出的复阻抗并根据存储的复阻抗与区域的对应关系找到接收到的复阻抗对应的区域，并对所述区域的参数进行调整以使所述天线100与发射机或接收机匹配。

其中，所述区域的参数为电感值及电容值。

具体地，所述测量电路200包括耦合电路10，连接所述匹配电路300，用于接收入射电压及反射电压并输出入射波及反射波；

检测电路20，连接所述耦合电路10，用于接收入射波及反射波并检测相除后输出所述复反射系数的模；

第一开关电路30，连接所述检测电路20，在所述第一开关电路30处于第一导通状态时，所述检测电路20与鉴相电路50直接连接，在所述第一开关电路30处于第二导通状态时，所述检测电路20通过移相电路40与所述鉴相电路50连接；

所述移相电路40，用于将所述反射波的相位延迟；

鉴相电路50，用于接收所述入射波及所述反射波并相乘鉴相后输出第一相位θ1，所述鉴相电路50还接收所述入射波及延迟的反射波并相乘鉴相后输出第二相位θ2；

第二开关电路60，连接在所述鉴相电路50与模数转换电路70之间，在所述第二开关电路60处于第一导通状态时将第一相位θ1或第二相位θ2输出给所述模数转换电路70，在所述第二开关电路60处于第二导通状态时将所述复反射系数的模输出给所述模数转换电路70；

所述模数转换电路70，用于将接收到的第一相位θ1、第二相位θ2及所述复反射系数Γ的模转换为数字信号后输出；及

处理电路80，连接所述模数转换电路70，用于接收转换后数字信号并计算获得复阻抗ZL。

其中，所述测量电路200还包括第一滤电路81、第二滤波电路82及第三开关电路90，所述第一滤波电路81连接在所述检测电路20与所述第二开关电路60之间，所述第二滤波电路82连接在所述鉴相电路50与所述第二开关电路60之间，所述第三开关电路90连接在所述移相电路40与所述鉴相电路50之间，所述第三开关电路90的第一导通状态与所述第一开关电路30的第一导通状态相应，所述第三开关电路90的第二导通状态与所述第一开关电路30的第二导通状态相应。

在本实施例中，所述耦合电路10为双向定向耦合器，所述第一滤波电路81及第二滤波电路82为低通滤波器，所述第一至第三开关电路30、60、90均包括一开关，所述开关包括第一至第三端，在所述第一至第三开关电路30、60、90处于第一导通状态时，所述开关的第一端与第二端连接，在所述第一至第三开关电路30、60、90处于第二导通状态时，所述开关的第一端与第三端连接。

其中，若第一相位θ1的绝对值大于第二相位θ2的绝对值，则θ1＝|θ1|，复反射系数Γ的相位在0～180°区间；若第一相位θ1的绝对值等于小于所述第二相位θ2的绝对值，则θ1＝-|θ1|，复反射系数Γ的相位在0～-180°区间。

其中，所述复反射系数Γ与所述复阻抗ZL满足如下关系：

Γ＝(ZL-Z0)/(ZL+Z0)，其中，Γ为复反射系数，ZL为复阻抗，Z0等于50欧姆。

请参阅图2至图10，将史密斯圆图分为8个区，匹配范围限定为9.0≤VSWR(驻波比)≤2.33，即0.8≥|Γ|(反射系数)≥0.4，将单位圆半径等分为5个等反射系数圆(|Γ|≤0.32不用匹配)，将相位按10度为间隔等分为36份，共有360个点，以频率1MHz为基准归一化，算出所有阻抗点对应的L型支节匹配值X，并存储在匹配电路300中，在单位圆上找到离反射系数Γ最近的点，此点作为Γ的近似，根据存储的该阻抗点的匹配值X，计算实际工作频率f(MHz)的匹配值X/f，最后切换匹配支节电路。其中，根据所述阻抗的实部及虚部确定阻抗点位于史密斯圆图的区域，若Re(ZL)≥50，Im(ZL)≥0，则阻抗点位于史密斯圆图一区；若Re(YL)≥1/50，Im(ZL)≥0，则阻抗点位于史密斯圆图二区；若Re(YL)≥1/50，Im(ZL)<0，则阻抗点位于史密斯圆图三区；若Re(ZL)≥50，Im(ZL)<0，则阻抗点位于史密斯圆图四区；若Re(ZL)<50，Im(ZL)≥0，Re(Γ)≥0，则阻抗点位于史密斯圆图五区；若Re(YL)<1/50，Im(ZL)≥0，Re(Γ)<0，则阻抗点位于史密斯圆图六区；若Re(YL)<1/50，Im(ZL)<0，Re(Γ)<0，则阻抗点位于史密斯圆图七区；若Re(ZL)<50，Im(ZL)<0，Re(Γ)≥0，则阻抗点位于史密斯圆图八区，其中，Re(ZL)为所述复阻抗的实部，Im(ZL)为所述复阻抗的虚部，Re(YL)为复导纳的实部，Re(Γ)为所述复反射系数的实部，复导纳YL为复阻抗ZL的倒数。

具体地，所述匹配电路300包括若干匹配支节电路，在史密斯圆图一区，匹配支节电路先并联电感后串联电容；在史密斯圆图二区，匹配支节电路先串联电感后并联电容；在史密斯圆图三区，匹配支节电路先串联电容后并联电感；在史密斯圆图四区，匹配支节电路先并联电容后串联电感；在史密斯圆图五区，匹配支节电路先并联电容后串联电容；在史密斯圆图六区，匹配支节电路先串联电容后并联电容；在史密斯圆图七区，匹配支节电路先串联电感后并联电感；在史密斯圆图八区，匹配支节电路先并联电感后串联电感。

请参阅图13与图14及图11与图12，可以看出，在天线100用于窄带通信时匹配电路300的支节数量是用于宽带通信时匹配电路300的支节数量的一半。在本实施例中，窄带通信时匹配电路300的匹配支节设置了四个，宽带通信时匹配电路300的匹配支节设置了八个，实际上，在应用时能根据需要设置匹配支节的数量，并不限定于本实施例中的数量。

从图11至图14可以看出，每一匹配支节电路包括开关、电感、电容、电阻，其中通过开关控制接入不同连接方式的电感及电容，以使阻抗点可以位于史密斯(Smith)圆图的任一区域。通过开关电感阵列、开关电容阵列构建可重构匹配网络，级联于天线100与耦合电路10之间，通过切换电感及电容的连接方式，构成8种L型匹配支节电路，任一匹配支节电路既可将电感及电容切换成串联连接方式也可切换成并联连接方式，以使得天线100的匹配范围可覆盖史密斯(Smith)圆图的八个区域，并可以根据需要选择匹配支节的数量，其并不局限于本实施例中的限定，因为匹配电路300中各匹配支节电路的数量及每一支节匹配电路的连接方式均不限定，因此本发明中仅给出了如图12及图14的示例性电路图，对该电路图没有进行具体详细的描述，以不限定该电路的具体连接方式，只要能实现本发明目的的匹配电路均可。

所述天线匹配的工作原理描述如下：通过耦合电路10接收天线的入射电压及反射电压；通过检测电路接收所述入射电压及反射电压并输出入射波及反射波；获得复反射系数Γ及其相位以计算复阻抗ZL和复导纳YL；判断复阻抗所在史密斯(Smith)圆图区域；若第一个器件为并联，算出并联电感值或电容值，令再次串联变换后复阻抗的虚部Im(ZL)＝0，算出串联电感值或电容值，切换串联、并联对应的电感值或电容值以完成匹配；若第一个器件为串联，令变换后复导纳的实部Re(YL)＝1/50，算出串联电感值或电容值，令再次并联变换后复导纳的虚部Im(YL)＝0，算出并联电感值或电容值，切换串联、并联对应的电感值或电容值以完成匹配。

例如，本实例中的阻抗检测采用ADI公司的AD8302芯片，移相器选用MACOM公司的MAVR0403变容管。接收天线100的入射电压及反射电压并通过耦合电路10及检测电路20将其转换为入射波及反射波后输出，在第一开关电路30处于第一导通状态时，鉴相电路50输出入射波与反射波的相位差，即第一相位θ1；在第一开关电路30处于第二导通状态时，通过移相电路40及鉴相电路50输出入射波与反射波的相位差，根据频率高低给变容二极管施加适当反偏电压，使相位移动-5°～-10°左右，使得通过鉴相电路50获得移相后的相位差，即第二相位θ2。通过比较|θ1|与|θ2|的大小，以确定相位差是|θ1|还是-|θ1|。在本实施例中，测试得到320MHz的复反射系数Γ＝0.6∠143°，计算阻抗ZL≈13.80+j15.58，确定阻抗点位于史密斯圆图二区，计算所需串联电感L≈3.3nH，并联电容C≈16pF，完成匹配。

在本实施例中，采用正弦激励将反射波电压与入射波电压分别进行检波后相除，得到所述复反射系数Γ的模；反射波电压与入射波电压再相乘鉴相，得到所述复反射系数Γ的相位，由于鉴相存在180°相位模糊，再通过移相及鉴相复合鉴相法辨别出Γ的真实相位。

复反射系数Γ与复阻抗ZL一一对应，其中，复反射系数Γ＝反射电压/入射电压，因为电压是矢量，因此复反射系数Γ也是矢量。阻抗ZL＝R+jX＝Z0*(1+Γ)/(1-Γ)，因此，复反射系数Γ＝(ZL-Z0)/(ZL+Z0)，其中Z0＝50欧姆。通过所述测量电路200算出天线100的复阻抗ZL，然后在通过匹配电路300确定L型匹配支节电路的器件(即电感与电容的连接方式)形式，再计算出器件的值(即电感值及电容值)，或直接采用试探法逐次进行匹配试探。

所述天线匹配电路通过测量电路获得天线的复阻抗，再通过匹配电路将获得的复阻抗与存储的复阻抗及史密斯圆图区域的对应关系找到阻抗点所在区域，从而通过调节匹配电路中各匹配支节电路的电感与电容的连接关系以实现天线与发射机及接收机的匹配，以此解决天线与射频前端间失配及端口驻波差的问题，同时实现精确测量调谐阻抗、缩短调谐时间及满足跳频需要的目的。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种天线匹配装置，其特征在于，所述天线匹配装置包括：

测量电路，连接天线，用于获取所述天线的复反射系数的模及相位并对所述复反射系数的模及相位进行运算后获得所述天线的复阻抗，并将所述复阻抗输出；及

匹配电路，连接在所述测量电路与所述天线之间，存储有复阻抗与区域的对应关系，所述匹配电路接收所述测量电路输出的复阻抗并根据存储的复阻抗与区域的对应关系找到接收到的复阻抗对应的区域，并对所述区域的参数进行调整以使所述天线与发射机或接收机匹配；

其中，所述区域为史密斯圆图的八个区域，根据所述复 阻抗的实部及虚部及复 导纳的实部确定阻抗点位于史密斯圆图的区域，若Re(ZL)≥50，Im(ZL)≥0，则阻抗点位于史密斯圆图一区；若Re(YL)≥1/50，Im(ZL)≥0，则阻抗点位于史密斯圆图二区；若Re(YL)≥1/50，Im(ZL)<0，则阻抗点位于史密斯圆图三区；若Re(ZL)≥50，Im(ZL)<0，则阻抗点位于史密斯圆图四区；若Re(ZL)<50，Im(ZL)≥0，Re(Γ)≥0，则阻抗点位于史密斯圆图五区；若Re(YL)<1/50，Im(ZL)≥0，Re(Γ)<0，则阻抗点位于史密斯圆图六区；若Re(YL)<1/50，Im(ZL)<0，Re(Γ)<0，则阻抗点位于史密斯圆图七区；若Re(ZL)<50，Im(ZL)<0，Re(Γ)≥0，则阻抗点位于史密斯圆图八区，其中，Re(ZL)为所述复阻抗的实部，Im(ZL)为所述复阻抗的虚部，Re(YL)为复导纳的实部，Re(Γ)为所述复反射系数的实部，复导纳YL为复阻抗ZL的倒数。

2.根据权利要求1所述的天线匹配装置，其特征在于，所述区域的参数为电感值及电容值。

3.根据权利要求1所述的天线匹配装置，其特征在于，所述匹配电路包括若干匹配支节电路，在史密斯圆图一区，匹配支节电路先并联电感后串联电容；在史密斯圆图二区，匹配支节电路先串联电感后并联电容；在史密斯圆图三区，匹配支节电路先串联电容后并联电感；在史密斯圆图四区，匹配支节电路先并联电容后串联电感；在史密斯圆图五区，匹配支节电路先并联电容后串联电容；在史密斯圆图六区，匹配支节电路先串联电容后并联电容；在史密斯圆图七区，匹配支节电路先串联电感后并联电感；在史密斯圆图八区，匹配支节电路先并联电感后串联电感。

4.根据权利要求3所述的天线匹配装置，其特征在于，在天线用于窄带通信时，匹配电路的支节数量是用于宽带通信时支节数量的一半。

5.根据权利要求1所述的天线匹配装置，其特征在于，所述测量电路包括：

耦合电路，连接所述匹配电路，用于接收入射电压及反射电压并输出入射波及反射波；

检测电路，连接所述耦合电路，用于接收入射波及反射波并检测相除后输出所述复反射系数的模；

第一开关电路，连接所述检测电路，在所述第一开关电路处于第一导通状态时，所述检测电路与鉴相电路直接连接，在所述第一开关电路处于第二导通状态时，所述检测电路通过移相电路与所述鉴相电路连接；

所述移相电路，用于在所述第一开关电路处于第二导通状态时接收所述反射波并将所述反射波的相位延迟；

鉴相电路，用于接收所述入射波及所述反射波并相乘鉴相后输出第一相位，所述鉴相电路还接收所述入射波及延迟的反射波并相乘鉴相后输出第二相位；

第二开关电路，连接在所述鉴相电路与模数转换电路之间，在所述第二开关电路处于第一导通状态时将第一相位或第二相位输出给所述模数转换电路，在所述第二开关电路处于第二导通状态时将所述复反射系数的模输出给所述模数转换电路；

所述模数转换电路，用于将接收到的第一相位、第二相位及所述复反射系数的模转换为数字信号后输出；及

处理电路，连接所述模数转换电路，用于接收转换后的数字信号并计算获得复阻抗。

6.根据权利要求5所述的天线匹配装置，其特征在于，所述测量电路还包括第一滤波电路、第二滤波电路及第三开关电路，所述第一滤波电路连接在所述检测电路与所述第二开关电路之间，所述第二滤波电路连接在所述鉴相电路与所述第二开关电路之间，所述第三开关电路连接在所述移相电路与所述鉴相电路之间，所述第三开关电路的第一导通状态与所述第一开关电路的第一导通状态相应，所述第三开关电路的第二导通状态与所述第一开关电路的第二导通状态相应。

7.根据权利要求6所述的天线匹配装置，其特征在于，所述耦合电路为双向定向耦合器，所述第一及第二滤波电路为低通滤波器，所述第一至第三开关电路均包括一开关，所述开关包括第一至第三端，在所述第一至第三开关电路处于第一导通状态时，所述开关的第一端与第二端连接，在所述第一至第三开关电路处于第二导通状态时，所述开关的第一端与第三端连接。

8.根据权利要求5所述的天线匹配装置，其特征在于，若所述第一相位的绝对值大于所述第二相位的绝对值，则所述复反射系数的相位在0～180°区间，若所述第一相位的绝对值等于小于所述第二相位的绝对值，则所述复反射系数的相位在0～-180°区间。

9.根据权利要求1所述的天线匹配装置，其特征在于，所述复反射系数与所述复阻抗满足如下关系：

Γ＝(ZL-Z0)/(ZL+Z0)，其中，Γ为复反射系数，ZL为复阻抗，Z0等于50欧姆。

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