CN112615596A - 一种低损耗调谐匹配网络 - Google Patents

Abstract

本发明属于短波通信系统技术领域，公开了一种低损耗调谐匹配网络，包括依次串联于第一节点与第二节点之间的可调电感和第二可调电容，所述第一节点与射频输入端电联通，第二节点与天线电联通；在第一节点与地之间设置第一可调电容；在第二节点与地之间设置第三可调电容；可调电感由依次串联的多个电感器组成，每个电感器并联一个继电器控制对应电感器是否加入调谐匹配网络；由电感值位于前m位的若干个电感器组成可隔离电感组，在其两端设置单刀双掷继电器；当不使用可隔离电感组时，单刀双掷继电器直接导通。本发明在中高频下将不使用的较大的电感线圈采用隔离继电器将其完全与射频通路分离，消除其对天馈系统阻抗影响。

Description

一种低损耗调谐匹配网络

技术领域

本发明属于短波通信系统技术领域，尤其涉及一种低损耗调谐匹配网络。适用于以天线调谐器来实现短波收发信机与短波天线的阻抗匹配系统。

背景技术

短波通信系统由短波收发信机、天调和短波天线(以下简称天线)组成，其中，天调和天线称为天馈系统。短波天线通常为窄带天线，其输入阻抗随频率不断变化，是一个复阻抗，而一般的短波收发信机输出阻抗为50Ω，所以在短波收发信机与天线之间需要使用天调来实现两者的阻抗匹配，以达到短波收发信机的功率最大限度的传输至天线，向外辐射。

天线调谐器通过改变调谐网络中匹配元器件(如电容和电感)接入状态，完成与天线的匹配。收发信机发出的射频信号通过调谐网络传输至短波天线，这一过程会因为调谐网络形式、元器件布局及连接等因素，产生不同程度的损耗。

传统π型电感网络的隔离方式是：某个电感线圈使用时，对应的继电器呈开路状态；电感线圈不使用时，对应的继电器呈短路状态；但是这种方式并没有将不使用的电感线圈完全从射频通路中隔离；短路状态的电感线圈仍然会对天线阻抗产生影响，使其部分频段阻抗实部减小，导致调谐的时候会使用到更多的电感值和电容值，射频通过时产生更多的损耗。通过测试发现，短路的电感线圈的电感值越大，对天线阻抗的影响就越大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种低损耗调谐匹配网络，根据频率与电感值的关系，在中高频下将不使用的较大的电感线圈采用隔离继电器将其完全与射频通路分离，消除其对天馈系统阻抗影响，从而减少调谐时使用的电感和电容的量值，以降低射频信号通过天调网络时的损耗，进而提升传输至天线的信号强度，提升短波通信系统的通信能力。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。

一种低损耗调谐匹配网络，包括：依次串联于第一节点与第二节点之间的可调电感和第二可调电容，所述第一节点与射频输入端电联通，所述第二节点与天线电联通；

在所述第一节点与地之间设置有第一可调电容；

在第二节点与地之间设置有第三可调电容；

所述可调电感由依次串联的多个电感器组成，每个电感器并联一个继电器控制对应电感器是否加入调谐匹配网络；

多个电感器的电感值依次递减，由电感值位于前m位的若干个电感器组成可隔离电感组，在所述可隔离电感组的两端分别设置单刀双掷继电器；当不使用可隔离电感组时，将其两端的单刀双掷继电器直接导通，以隔离可隔离电感组；m为正整数。

进一步地，所述电感器的最大电感值为32μH或16μH，多个电感器的电感值以1/2为缩放因子依次递减。

进一步地，所述电感器的最小电感值为0.022μH。

更进一步地，所述可隔离电感组中的电感器的最小电感值为4μH。

一种低损耗调谐匹配网络的调谐方法，包括以下步骤：

步骤1，在天线阻抗原图中确定天线调谐器进入可调电感流程时的阻抗区域，并确定目标阻抗电导值B；

步骤2，根据可调电感对应的阻抗区域和目标阻抗电导值，确定调谐频率与可调电感所需的最大电感值之间的关系；

步骤3，判断当前调谐频率是否大于频率阈值，若是，则将可隔离电感组进行隔离，否则，将可隔离电感组导通。

进一步地，所述根据可调电感对应的阻抗区域和目标阻抗电导值，确定调谐频率与可调电感所需的最大电感值之间的关系，具体为：

首先，确定加入可调电感后的阻抗Z为：

Z＝R_L+jX_L+jωL₁，

ω＝2πf；

其中，R_L为天线电阻，X_L为天线电抗，j为虚数单位，L₁为可调电感的电感值，f为当前调谐频率，其取值范围为2MHz-30MHz；

其次，确定加入可调电感后的电导值

最后，根据目标电导值和可调电感对应的阻抗区域，确定每个调谐频率所需的最大电感值。

进一步地，所述频率阈值为10MHz。

进一步地，所述目标阻抗电导值为0.02S。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明根据频率与电感值的关系，在中高频下将不使用的较大的电感线圈采用单刀双掷继电器将其完全与射频通路分离，消除其对天馈系统阻抗的影响，从而减少调谐时使用的电感和电容的量值，以降低射频信号通过天调网络时的损耗，进而提升传输至天线的信号强度，提升短波通信系统的通信能力。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明的电感网络连接图；

图2为现有技术中的可调电感的内部连接图；

图3为本发明实施例中的天线阻抗原图及可调电感的阻抗区域图；

图4为本发明的一种低损耗调谐匹配网络中可调电感的内部连接图；

以上图中，1第一可调电容；2可调电感；3第二可调电容；4第三可调电容；5继电器；6电感器；61可隔离电感组；62单刀双掷继电器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例及效果作进一步详细描述。

实施例1

参考图1和图4，本发明提出一种低损耗调谐匹配网络，包括：依次串联于第一节点与第二节点之间的可调电感2(L1)和第二可调电容3(C2)，所述第一节点与射频输入端电联通，所述第二节点与天线电联通；在所述第一节点与地之间设置有第一可调电容1(C1)；在第二节点与地之间设置有第三可调电容4(C3)；所述可调电感2(L1)由依次串联的多个电感器6组成，每个电感器6并联一个继电器5控制对应电感器6是否加入调谐匹配网络；多个电感器6的电感值依次递减，由电感值位于前m位的若干个电感器6组成可隔离电感组61，在所述可隔离电感组61的两端分别设置单刀双掷继电器62；当不使用可隔离电感组61时，将其两端的单刀双掷继电器62直接导通，以隔离可隔离电感组61；m为正整数。

具体地，为兼顾高低端调谐能力及调谐精度，可调电感2(L1)一般由11或12个电感构成。以某型天调为例，其调谐网络使用了11个可调电感2，电感值从小到大分别为22nH、42nH、79nH、125nH、250nH、500nH、1μH、2μH、4μH、8μH、16μH。

由于可调电感2值与调谐频率成反比，通过计算可知，当调谐频率为2MHz时，可调电感2(L1)的电感值最大需要16.7μH；当频率为10MHz时，可调电感2(L1)的电感值最大需要3.34μH；当频率为30MHz时，可调电感2(L1)的电感值最大需要1.11μH。

从以上结果可以看出，当天调在低频段调谐工作时，会使用到16μH及以下的电感线圈；在中高频段(大于10MHz)时，4μH、8μH、16μH电感线圈并没有使用。

传统的可调电感2连接方式如图2所示，某个电感线圈使用时，对应的继电器5呈开路状态；电感线圈不使用时，对应的继电器5呈短路状态，这种方式不能将不使用的电感线圈完全从射频通路隔离，会对天线阻抗产生影响，使其部分频段阻抗实部减小，导致调谐的时候会使用到更多的电感值和电容值，射频通过时产生更多的损耗。通过测试发现，不使用电感线圈值越大，对天线阻抗的影响越大。

本发明实施例的低损耗调谐匹配网络综合考虑了元器件使用率、空间布局和对其他器件的影响大小等因素，针对中高频段调谐匹配网络进行低损耗设计。对中高频段调谐时，不使用的且量值最大的三个电感线圈，即m＝3(4μH、8μH、16μH)组成可隔离电感组61，对其进行完全隔离，其调谐网络连接方式如图4所示。22nH、42nH、79nH、125nH、250nH、500nH、1μH、2μH电感线圈的连接方式不变，在4μH、8μH、16μH三个电感线圈两端各增加一个单刀双掷继电器62，如图4中的K27和K28形成直通路(图4所示状态即为直通状态)，以使其进行完全隔离。可消除三个大电感连接在射频通路时引起的不良影响。当不需要隔离时，单刀双掷继电器62即图4中的K27和K28中的脚1和3接通，变为大电感值使用状态。

实施例2

一种低损耗调谐匹配网络的调谐方法，包括以下步骤：

步骤1，在天线阻抗原图中确定天线调谐器进入可调电感流程时的阻抗区域，并确定目标阻抗电导值B；

本发明实施例中，进入可调电感流程时的阻抗区域如图3中的阴影部分所示。当天线阻抗进入图3阴影区域后，或通过加入其他网络元器件将天线阻抗调整至阴影区域后，天调依据调谐流程加入可调电感，将阻抗调整至电导B＝0.02S，再加入前端并联电容C1。

步骤2，根据可调电感对应的阻抗区域和目标阻抗电导值，确定调谐频率与可调电感所需的最大电感值之间的关系；

首先，确定加入可调电感后的阻抗Z为：

Z＝R_L+jX_L+jωL₁ (1)

ω＝2πf； (2)

其中，R_L为天线电阻，X_L为天线电抗，j为虚数单位，L₁为可调电感的电感值，f为当前调谐频率，其取值范围为2MHz-30MHz；

其次，确定加入可调电感后的电导值

最后，根据目标电导值和可调电感对应的阻抗区域，确定每个调谐频率所需的最大电感值。

实际上，史密斯圆图中的每个点都对应一个天线电阻和天线电抗值，依据目标阻抗电导值，在进入可调电感流程时的阻抗区域中选择多个右边界点(点确定后从图中知道对应的电阻和电抗)，再根据公式(3)计算所需的最大电感值，计算所需的ωL₁最大值约为210Ω。则可以得到不同频率所需的最大电感值，本实施例中：当调谐频率为2MHz时，可调电感的电感值最大需要16.7μH；当频率为10MHz时，可调电感的电感值最大需要3.34μH；当频率为30MHz时，可调电感的电感值最大需要1.11μH。

通过以上计算可以看出，当天调在低频段(10MHz以下)调谐工作时，会使用到16μH及以下的电感线圈；但是如果在中高频段(10MHz以上)时，4μH、8μH、16μH电感线圈不再使用。因此，可以将10MHz作为一个频率阈值进行调谐方式的选择。

步骤3，判断当前调谐频率是否大于频率阈值，若是，则将可隔离电感组进行隔离，否则，将可隔离电感组导通。

本实施例中，4μH、8μH、16μH对应的电感器组成可隔离电感组，在其两端通过单刀双掷继电器使射频信号在直通或三个电感串联之间切换；直通时则该三个电感器组成的隔离电感组被完全隔离，可以消除三个大电感连接在射频通路时引起的不良影响。

本实施例的低损耗可调电感的连接方式是对于使用率较低的三个大电感量线圈，在其两端各连接一个单刀双掷继电器。当中高频率不使用三个大电感量线圈时，单刀双掷继电器掷直通状态，将其完全与射频网络隔离。

效果验证

采用传统的π型电感网络和本发明的低损耗调谐匹配网络分别应用到某型号的机载天调中，经验证本发明网络形式的天调，全频段匹配效果良好。对两种网络分别使用测温仪对加入网络的电感线圈温度进行测量，结果见表1。

表1本发明与传统网络的电感线圈温度对比

从表1中可以看出，在中高频段，本发明的天调电感线圈的发热量明显降低，减少了天调自身损耗；天调自身产热量的降低，提高了天调网络电感线圈使用可靠性，可有效提高天调的长时间工作能力。

在天调射频输出端使用罗氏线圈对两种网络输出至天线的电压进行测量，结果见表2。

表2本发明与传统网络的天线输入电压对比

从表2可知，在7MHz以上的中高频段，本发明的天调网络传输至天线的电压有所提高，在天线相同的情况下，即传输至天线的能量更大，保证了发信机的射频功率有效地传输到天线上去，提高了天馈系统的辐射效率。

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 (8)

1.一种低损耗调谐匹配网络，其特征在于，包括：依次串联于第一节点与第二节点之间的可调电感和第二可调电容，所述第一节点与射频输入端电联通，所述第二节点与天线电联通；

在所述第一节点与地之间设置有第一可调电容；

在第二节点与地之间设置有第三可调电容；

所述可调电感由依次串联的多个电感器组成，每个电感器并联一个继电器控制对应电感器是否加入调谐匹配网络；

多个电感器的电感值依次递减，由电感值位于前m位的若干个电感器组成可隔离电感组，在所述可隔离电感组的两端分别设置单刀双掷继电器；当不使用可隔离电感组时，将其两端的单刀双掷继电器直接导通，以隔离可隔离电感组；m为正整数。

2.根据权利要求1所述的低损耗调谐匹配网络，其特征在于，所述电感器的最大电感值为32μH或16μH，多个电感器的电感值以1/2为缩放因子依次递减。

3.根据权利要求1所述的低损耗调谐匹配网络，其特征在于，所述电感器的最小电感值为0.022μH。

4.根据权利要求1所述的低损耗调谐匹配网络，其特征在于，所述可隔离电感组中的电感器的最小电感值为4μH。

5.一种低损耗调谐匹配网络的调谐方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在天线阻抗原图中确定天线调谐器进入可调电感流程时的阻抗区域，并确定目标阻抗电导值B；

步骤2，根据可调电感对应的阻抗区域和目标阻抗电导值，确定调谐频率与可调电感所需的最大电感值之间的关系；

步骤3，判断当前调谐频率是否大于频率阈值，若是，则将可隔离电感组进行隔离，否则，将可隔离电感组导通。

6.根据权利要求5所述的低损耗调谐匹配网络的调谐方法，其特征在于，所述根据可调电感对应的阻抗区域和目标阻抗电导值，确定调谐频率与可调电感所需的最大电感值之间的关系，具体为：

首先，确定加入可调电感后的阻抗Z为：

Z＝R_L+jX_L+jωL₁，

ω＝2πf；

其中，R_L为天线电阻，X_L为天线电抗，j为虚数单位，L₁为可调电感的电感值，f为当前调谐频率，其取值范围为2MHz-30MHz；

其次，确定加入可调电感后的电导值

最后，根据目标电导值和可调电感对应的阻抗区域，确定每个调谐频率所需的最大电感值。

7.根据权利要求6所述的低损耗调谐匹配网络的调谐方法，其特征在于，所述频率阈值为10MHz。

8.根据权利要求5所述的低损耗调谐匹配网络的调谐方法，其特征在于，所述目标阻抗电导值为0.02S。

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