李 引 凡

(重慶通信學(xué)院 通指裝備管理與技術(shù)保障教研室，重慶 400035)

天線調(diào)諧器[1]作為短波通信天饋系統(tǒng)的重要組成部分，早已廣泛應(yīng)用于各型短波通信系統(tǒng)中，其阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)在天線與發(fā)射機(jī)的匹配中發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用。對阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)性能的研究，不僅可以為天線調(diào)諧器的應(yīng)用和天線的選擇提供依據(jù)，還能為天線調(diào)諧器調(diào)諧算法的設(shè)計提供參考。文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]從理論上分析了網(wǎng)絡(luò)各參數(shù)對天線適配性的影響，在此從仿真的角度出發(fā)，通過研究網(wǎng)絡(luò)自身性能和天線適配實例，分析了網(wǎng)絡(luò)對天線的適配性。

1 T形匹配網(wǎng)絡(luò)仿真分析

1.1 網(wǎng)絡(luò)形式

圖1 T形阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的形式[4]主要包括：Γ形，由圖1中的C和L′組成；反Γ形，由圖1中的L和C組成； Π形，由Γ形和反Γ形網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)而成；T形，由反Γ形和Γ形網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)而成。在以上4種基本形式的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計理念的不同和電路配置的差異，網(wǎng)絡(luò)形式還存在各種不確定的變形[4，5]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的準(zhǔn)連續(xù)可變和數(shù)字可控，通常采用二進(jìn)制元件陣列來實現(xiàn)，L、C和L′的取值為

(1)

1.3 匹配區(qū)域

由圖1可知：

(2)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)完全匹配時，有Zi=Rg= 50 Ω。對式(2)進(jìn)行重寫可得：

(3)

圖2 匹配區(qū)域曲線

圖3 匹配區(qū)域曲線

當(dāng)f<6 MHz時，實際結(jié)果與理論曲線契合較好，當(dāng)f>6 MHz時，實際結(jié)果則與理論曲線背道而馳了，顯然，這是由于C的取值精度不夠?qū)е碌摹?/p>

1.4 匹配精度

圖4 T形網(wǎng)絡(luò)匹配區(qū)域曲線

圖5 T形網(wǎng)絡(luò)可匹配點分布百分比

本例網(wǎng)絡(luò)中的元件個數(shù)為19，因此共有219個可完全匹配點，這些點在不同區(qū)域的集中或分散程度決定了這些區(qū)域內(nèi)匹配性能的優(yōu)劣，圖5給出了全部可匹配點在不同坐標(biāo)范圍內(nèi)的分布百分比。從圖5中可以看到，這些可匹配點在匹配區(qū)域中，僅在f<4 MHz頻段，其分布相對均勻，而在f>6 MHz頻段，偏態(tài)現(xiàn)象極為嚴(yán)重：當(dāng)f>6 MHz后，超過70%的可匹配點集中于R<10 Ω范圍內(nèi)，超過50%的可匹配點集中于X<-500 Ω范圍內(nèi)，而這兩個數(shù)值在f>14 MHz后分別超過了90%和80%；與之對應(yīng)的是，上述范圍之外的可匹配點數(shù)量隨著頻率的增大總體上呈急劇下降的趨勢，導(dǎo)致可匹配點的分布極度分散，這也從一個側(cè)面說明了隨著頻率的增大，對天線的適配難度在增大。根據(jù)圖1，可畫出T形阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的變化軌跡如圖6所示。

圖6 T形網(wǎng)絡(luò)匹配變換軌跡

圖7 不同交點R值時L1的適用頻段

根據(jù)文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]的結(jié)論，可以畫出以下3種反映匹配精度的曲線：

(1) 經(jīng)L變換后進(jìn)入等VSWR圓內(nèi)的阻抗軌跡與R軸的交點在不同VSWR精度下的適用頻段需滿足ωL1

(4)

式(3)中σ為VSWR值。當(dāng)σ=2.0時，需要求L變換軌跡交R軸于約32～92 Ω之間，此時可滿足全頻段的匹配，由于L的值為離散值，因此該條件為匹配的充分條件而非必要條件。而對于σ=1.5(或σ=1.3)，在f>26 MHz(或f>17 MHz)時，是難以適配的(但不絕對)。

(4)

(6)

圖8 低Ra值時C1的適用頻段

2 雙極天線適配仿真分析

以上述T形阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)為例，在1.5～30 MHz范圍內(nèi)取平均分布的500個頻點，對22 m、44 m和64 m雙極天線進(jìn)行匹配仿真(為忽略調(diào)諧算法影響，匹配采用枚舉法取VSWR全局最優(yōu)解)。

2.1 適配頻段

各型天線的適配性能表1所示，其中，適配頻段的下限為出現(xiàn)第一個σ<2的頻點。天線的失配主要集中于低頻段，這是由于低頻段天線的電長度更短，具有極小的輸入電阻和極大容抗，此時已超出天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的匹配區(qū)域，需要更大的L和C、更小的L1和C1才能獲得匹配。而在高頻段，VSWR的分布出現(xiàn)較大波動，這也印證了圖5的結(jié)論。通常，天線調(diào)諧器對某型天線的匹配率需達(dá)到90%，是為適配。顯然，大尺寸天線的匹配更為容易，無論是均值還是方差都更為理想；22 m雙極天線的匹配效果不盡人意，但作為車載站移動使用時，也勉強(qiáng)可以勝任；44 m和64 m雙極天線作為固定站的常用天線，由于尺寸更大，匹配效果明顯更好。

2.2 概率分布

各天線在適配頻段內(nèi)的VSWR累積概率分布函數(shù)曲線如圖10所示。從圖10中可以看到，總體上64 m天線的VSWR分布最優(yōu)，但在σ<2范圍內(nèi)，44 m天線的VSWR分布優(yōu)于64 m天線，而在σ<1.35范圍內(nèi)，22 m天線的VSWR分布最優(yōu)。在高頻段(f>20 MHz)，天線尺寸越小，VSWR值波動越大，甚至已經(jīng)超出了網(wǎng)絡(luò)的匹配區(qū)域，因此影響了整體匹配性能，而尺寸更大的天線則具有更寬的適配頻帶。

表1 雙極天線適配情況

圖10 VSWR分布函數(shù)曲線

2.3 諧振分布

圖11 64 m雙極天線諧振頻段VSWR分布

3 結(jié)束語

天線調(diào)諧器阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)對天線的適配與工作頻率、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、天線類型、匹配門限等因素息息相關(guān)，文中使用的VSWR全局最優(yōu)解進(jìn)行分析，實際應(yīng)用中，由于調(diào)諧算法的優(yōu)劣，應(yīng)用效果可能會有所下降、參差不齊。其他類型網(wǎng)絡(luò)及天線的仿真分析可參照文中的方法進(jìn)行，上述分析對于天線調(diào)諧器匹配網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)、實際應(yīng)用及調(diào)諧算法的設(shè)計都具有一定的參考價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 全國電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.SJ-20489-1995中華人民共和國電子行業(yè)軍用標(biāo)準(zhǔn)——天線調(diào)諧器通用規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995

[2] 李引凡，卜鑫，彭焰.天線調(diào)諧器Γ型/反Γ型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)估算[J].重慶通信學(xué)院學(xué)報，2013，32(1)：20-23

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