天线调谐器的发展与应用

1、天线调谐器的发展与应用李引凡（重庆通信学院军事信息工程系）摘 要：介绍了天线调谐器的组成、作用及其从手动调谐到自动调谐、模拟调谐到数字调谐、基于单片机控制到基于DSP控制的发展历程，明确了未来基于DSP控制的数字自动天线调谐器的发展方向；分析了天线调谐器在车载式、机载式、舰载式和固定式等不同应用场合中安装及接地时需要解决及注意的问题，以最大程度地降低干扰、发挥天线调谐器的作用，提高无线电通信系统和网络的性能。关键词：天线调谐器；阻抗匹配；阻抗检测；接地0 引言在超短波、短波及中长波无线电通信系统中，工作频带范围达到420倍频，天线所呈现的输入阻抗会有极大的差异且难以用解析式表达，如此引起的阻抗

2、不匹配将对信号传输造成巨大损耗，甚至会导致接收/发射机的不工作或损坏。对于发射机而言，其输出阻抗、传输线特性阻抗和天线输入阻抗三者的阻抗取同一数值（即阻抗匹配）是最为理想的。如果阻抗值不一致，在该点的高频能量将有一部分被反射回来，形成不匹配损失（又称反射损失）。通常，发射机的功率输出阻抗是固定的50（或75），同轴电缆传输线的特性阻抗也是固定的50，而天线则因工作频率的不同而呈现不同的输入阻抗。当然，就某一副天线而言，它在某一频率点也会呈现50的阻抗（即定频天线），但当工作在其他频率时就会出现失谐的情况。这时，使用天线调谐器（简称天调）12则可以很好地改善这种状况，使发射机与天线在一定的频带内

3、在不同的负载阻抗上达到阻抗匹配，获得最大的射频功率传输，令天线获得最大功率。1 天线调谐器概述1.1 天线调谐器组成调谐参数检 测阻抗匹配网 络微 机处理/控制射频接口天线调谐器主要由参数检测电路、微机控制电路和阻抗匹配网络三大部分组成3，如图1所示。图1 天线调谐器组成（1）参数检测电路参数检测电路实时地检测调谐过程中天线匹配网络输入端口的调谐与匹配状态参数，为控制电路提供动态的控制信息。常用的调谐参数包括：相位、电阻、电导、阻抗等。（2）微机控制电路微机控制电路负责整个程序的运行，接收处理来自设备的频率预置信息和来自参数检测电路的动态调整信息，通过适当的接口，控制网络驱动电路改变匹配网络的

4、电抗元件值，实现调谐。（3）阻抗匹配网络阻抗匹配网络由一系列固定的电抗元件按二进制的要求连接而成，利用继电器等进行开关控制，实现发射机与天线间的阻抗匹配。除了主体部分外，天调还包括有过温检测电路、过流检测电路、复位电路、衰减电路、稳压电路等辅助电路。其中，衰减电路对输入信号进行衰减，在保证调谐精度的情况下，拓宽调谐功率范围，防止功率过高的情况下，继电器翻转时跳火及回波功率过大对主机及天调自身的伤害。1.2 天线调谐器发展1.2.1 模拟调谐与数字调谐天线调谐器经历了从手动调谐到模拟自动调谐，再到现在的数字自动调谐的发展历程。数字自动调谐和模拟自动调谐的根本区别在于匹配网络：若采用电动装置来控制

5、连续可调的电容或电感，则称为模拟调谐；若采用计算机控制继电器组改变电容或电感的接入方式（串联或并联、开路或短路），则称为数字调谐。在数字技术尚未得到充分发展的阶段，天线自动调谐几乎都是采用机电元件（伺服电机或继电器控制的电抗元件）和简单的控制电路。这种机电式自动调谐系统的优点是功率容量大、调谐范围宽，但存在着控制功率大、调谐时间长、体积重量大、噪声高等缺点，一般只适用于中、大功率无线电台。随着压电电容器、永磁饱和电感器等新型电调可变电抗器的出现，天线自动调谐技术有了进一步的发展。采用电调可变电抗元件与数字化控制技术的天线自动调谐装置，在战术/战役无线电台中得到广泛的应用。与机电调谐相比，电调谐

6、天线自动调谐系统具有控制功率小、调谐时间短、体积小、重量轻、可靠性高等优点，还具有自检、自动保护、调谐记忆以及故障诊断等功能；缺点是功率容量小、调谐元件变化范围窄，一般适用于中小功率通信电台。1.2.2 单片机控制与DSP控制目前，基于单片机的数字调谐技术己经发展得很成熟，并在自适应/跳频通信系统中得到广泛应用。这种数字调谐技术实现了以单片机为核心的数字处理与控制技术，大大增强了天调的自动化水平，改善了调谐性能，具有匹配精度较高、调谐速度快的优点，并可以保存已调谐的匹配网络状态，实现记忆调谐，以缩短调谐时间。基于单片机的数字天调在国际上已经屡见不鲜。然而，传统的基于单片机的参数检测电路，检测的

7、信息只能定性地给出参数的相对值，而不能给出具体的偏移值。控制电路只能依据此结果的赋值即“0”和“1”，采用逐次逼近式的算法来不断调整匹配网络，从而完成阻抗匹配，这样的匹配过程显然速度较慢、精度也不够，难以满足不断提升的性能要求。随着DSP技术和各种辅助技术的快速发展，国际上都在研究基于DSP的新型天调，以获得分析和运算的能力。新型天调一般都包含能够对天线输入阻抗进行精确检测和预处理的矢量阻抗测量模块（又称为阻抗跟踪检测系统，Trace Impedance Measure System，TIMS4），可以使天调达到更高的调谐速度和匹配精度。基于DSP和TIMS技术的天调具有如下特点：（1）由于D

8、SP具有强大的数字信号处理能力，天调可以直接计算天线输入阻抗的精确值；（2）由于下变频电路的应用，噪声、寄生、杂散等无用信号不会耦合到射频通路中，调谐精度大为提高。传统的鉴相鉴幅调谐法，容易将无用信号带入到射频通路中，影响检测电路的准确度，使调谐精度不够，尤其是在多个电台共存的场合。（3）应用了具有数字运算能力的处理器进行控制，能准确地应用所测量到的阻抗信息相当于是用网络分析仪来分析网络的参数，根据参数直接调用网络元件，因此可大大提高调谐速度。（4）由于DDS技术和测量新技术的应用，实现了微功率下天线输入阻抗的测量，解决了以往测量时功率较大的问题，适用于需采用隐蔽调谐技术的使用场合；因此，新型

9、天调具有调谐速度更快、匹配精度更高、测量功率更低的特点，极大地改进了天调调谐的性能。2 天线调谐器的应用天线调谐器在超短波、短波及中长波无线电通信中有着非常重要的作用，广泛应用于单兵（背负、便携）式、车载式、机载式、舰载式以及固定式无线电台中。尤其在短波通信中，由于短波电台天线型式多样、尺寸不一、功率等级高低不等、频点众多、电磁环境复杂等因素，天调的重要性更为突出。2.1 天线调谐器的安装对于小功率战术电台，天调通常与电台融为一体（也可单独安装），置于电台主体结构内部；对于中/高功率战役/战略电台，由于功率较大以及便于安装于大天线根部等原因，天调通常单独成型，与电台配套安装。天调的车载、机载、

10、舰载以及固定式安装示意图如图2所示5。车载安装时，天调通常置于车尾，以方便连接天线。常用的适配天线包括2.4m鞭天线和车顶环天线（机动时使用）以及4m/10m鞭天线和22m双极天线（固定时使用）等，如图2(a)所示。机载及舰载安装时，天调通常置于机（舰）身侧面或尾部，适配天线一般为（水平）线天线或斜天线等，舰艇上天线应架设在离舰身较远的地方，如桅杆上，如图2(b)(c)所示。固定站安装时，天调可置于墙面或屋顶（如图2(d)所示），适配天线包括44m/64m双极天线、笼形天线、菱形天线以及大型天线阵等。 (a) 车载 (b) 机载(c) 舰载(d) 固定A-天调 B-天线 C-接地 D-绝缘子

11、E-电台图2 天调安装为了使天线系统获得良好的性能，在安装天调时需注意以下几点：（1）天线系统的安装应尽可能远离电气或工业噪声源，电气装置、电动马达或荧光噪声会覆盖微弱（甚至较强）的无线电信号。（2）除非条件限制，天调需安装于天线根部，否则发射机与天调虽然完成了阻抗匹配，但天调到天线仍然没有获得足够的匹配。（3）射频电缆必须尽可能短且不能过细，任何过长的电缆（供电电缆或控制电缆）应该缩短到适当的长度（不要盘绕），并注意远离周围的金属导体。（4）电台在进行发射之前，应确保在离天调0.61m之内无人，电台在发射时，严禁触摸天调，因为在发射状态下天调输出端存在极高的（数千伏）射频电压。如果没有连接天

12、线或天线因意外折断了而仍旧继续发射使用会严重损坏天调和电台设备。（5）天调的调谐范围是有限的，不能保证所有频点都能调谐工作，即存在一定数量的死点。如果天线等效长度正好是工作波长的1/2左右，这时天线等效阻抗极高，可能超过天调能够调谐的范围，如果这些频点是必须要使用的，可以通过适当缩短或延长天线长度来解决。（6）天调在使用中要损耗部分功率，具体损耗值因天线形式和工作频率而异，但与天馈系统的主要损耗如馈线损耗、地面损耗、天线损耗等相比，天调的损耗微不足道。（7）大气污染、空降污染物（油或油脂）、多雨、潮湿或盐雾等条件可能侵蚀和破坏与天调的连接部件，因此需对连接器采取保护和维护措施。需要注意的是，天

13、调通常可以对各种类型的天线进行调谐，但辐射射频能量的是天线而不是天调，合适的天线长度才能获得较好的辐射效果，因此需要使用尺寸适配的天线。通常，长度小于最低工作频率的1/4波长长度的天线辐射效果都相对较差。尤其在低频段，天线相当于容性负载，天调必须串入较大的电感才能调谐，整个调谐相当于串联谐振，功率低时谐振电压不会太高，加大功率后谐振电压提高当超过天调输出端或车载天线座能承受的最高电压时就会发生击穿漏电，这时VSWR变大，电台会自动保护。因此，一般天线长度应控制在1/4波长长度的奇数倍（含天调至天线的馈线长度），同时应架设在远离建筑物、树木的位置。2.2 天线调谐器的接地接地系统是天馈系统的重要

14、组成部分，良好的接地可以使天调工作在高效率状态。接地的目标在于： 安全； 尽量降低数个电路共同使用的接地阻抗所产生的噪声电压； 避免产生不必要的地环路，以免感应到外来磁场噪声或者生成不同接地点而有电位差存在。接地不良不仅无法减小电磁噪声干扰，而且会形成另一个电磁噪声干扰源。天调调谐困难和性能恶化的主要原因也是来自于接地不良，因此，一个良好的接地是必须的。天调的接地点可以选择天线架设的任何地方，如：金属管线、金属护（栅）栏、铁皮屋顶、草坪洒水系统、消防栓、车辆的金属外壳等。（1）车载天调接地将天调接地端直接与车体金属框架相连。连接天调接地栓时需将螺栓拧紧，且应保持金属螺栓清洁，非机动条件下课使用

15、两根接地棒以保证接地电阻最小。现代通信车装配采用的点焊接技术，这使得车体的各个部分可能不能完全电气连接在一起，因此需要欧姆表（相关仪器仪表）检测接地点与车体其他部分如玻璃纤维面板、套管、非金属挂钩等的连接情况，以保证整车的电气一体性。使用短且粗的金属网线以保证所有的门、舱、引擎盖等均具有良好的射频接地，这可以使发射端获得更高的辐射性能，使接收端获得更低的噪声电平。（2）舰载天调接地在海（盐）水中的金属舰身可以提供一个几乎理想的接地，应采用尽可能短且宽（812cm）的金属（铜）带，将天调接地端与舰身金属舱壁直接相连，如图2(c)所示。对于非导体材料如木质和玻璃纤维舰身，则存在较多的接地问题。通常

16、需要用粗导线将天调接地端与所有大型金属部分连接起来，如火炉、燃料箱、引擎、螺旋桨推进器等，有时还需外接金属板（水线以下），但需同时考虑电解问题，不同的金属板连接在一起会导致严重的损坏，对此，可采用牺牲锌阳极法进行保护。（3）固定站天调接地在高电导率地域，可以通过23m长的接地棒进行有效的接地（接地电阻应小于1），接地棒应尽可能靠近天调设置且打入地下的深度应大于全长的2/3，如图2(d)所示。必要时可同时使用数根接地棒以改善接地性能，接地棒的间距应大于2m，棒间环阻应大于30k。金属水管有时可以作为一个好的接地选择，但禁止使用煤气管道或电线管道作为地线。然而，通常情况下，地电导率并不能为天调提供

17、满意的接地，如透水性好的沙、石或壤土，因此，需通过人为方式搭建接地系统。在低电导率地域时，则需埋设地网，以保证接地系统的可靠与恰当。地网可以通过816根长度为天线长度4/3的金属导线按辐射状埋设来实现，地网与接地棒连在一起（对垂直极化天线显得尤其重要），如图3所示。辐射线应埋于地表下，屋顶安装时，则可将辐射线铺设于屋顶。若地网辐射导线具有较大的直径，天线可获得更好的性能。当导线直径增加2倍时，天线性能可以获得6dB的提升。地网辐射导线的长度至少应该大于天线长度的1/3。A-天调 B-天线 C-地网 D-绝缘子图3 地网埋设3 结束语天馈系统历来是无线通信系统中的薄弱环节，且其重要性容易被忽视，

18、如何更好地使得天线与发射机输出之间在各种条件下均能获得良好的匹配，成为影响信号传输的关键问题。宽带匹配网络是一个可以接受的选择，但宽带匹配网络很难在不同的环境条件和功率等级下对不同类型和尺寸的天线均能获得良好的匹配，天调则是一个更为广泛和有效的选择，尤其对于工作频率范围具有较高倍频程的无线通信系统。随着联合作战、信息作战、一体化作战进程的不断推进，基于软件无线电和认知无线电6的多波段多模协同电台的应用越来越广泛，天调的地位与作用也变得更为重要，其调谐速度、匹配精度、频带宽度等战术技术指标将极大地影响通信系统甚至通信网络的性能实现，如何不断提高天调的可靠性、鲁棒性和稳定性，发挥其重要且不可替代的作用，值得进一步探索和深入研究。参考文献1 中华人民共和国电子行业军用标准天线调谐器通用规范（SJ 20489-1995）S中华人民共和国电子工业部，1995.2 中华人民共和国电子行业军用标准中长波战术电台通用规范（SJ 20862-2003）S中华人民共和国信息产业部，2003.3 胡中豫现代短波通信M北京：国防工业出版社，2003.4 冯晓雯短波天线调谐技术J军事通信技术Vol.27 No.2，pp.51-54，2006.5 SG-2