短波跳频电台自动快速天线调谐系统的研制

短波跳频电台自动快速天线调谐系统的研制 电子科技大学 硕士学位论文 短波跳频电台自动快速天线调谐系统的研制 姓名:林鸿武 申请学位级别:硕士 专业:电路与系统 指导教师:张玉兴 20040501电子科技大学硕士学位论文 短波眺频电台自动快速天线调谐系统的研制 捅姜 自适应短波跳频技术是新近发展起来的短波通信技术,它的出现推进了短波 电台的蓬勃发展,与之对应的相关技术的研究成为热点。 本课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 来源于成都赛英公司与中国电子集团三十所合作的项目:“车载短波 通信电台的射频前端模块的研制”。笔者负责其宽频带天线系统??自动天线调 谐器的研制。课题中,在针对.米鞭状单极子天线,通过软件与硬件的综合设 计,在符合高的跳频速度的要求下,使该窄带天线呈现良好的宽频带工作特性的 同时使天线具有对地形等具体的电磁场环境一定的适应能力。在整个 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的设计 本身,软件编写和电路设计与实现上都具有独到的创新之处。 本文对宽频带天线系统的具体方案进行了深入分析和论证,介绍了宽频带天 线的一些设计方法及其优缺点,探讨了所针对的电小天线的宽带匹配可能性, 并 且详述了本课题采用的方案、具体功能电路的设计与实现,及其应该注意的 问题, 并给出实验测试结果,在最后提出了改进措施。 关键词:自适应跳频,小天线,宽带匹配,调谐,信噪比,直接数字频率合成器 电子科技大学硕士学位论文 短波眺频电台自动快速天线调谐系统的研制. . 也:“ ? . . ,?.? .. , . .,.. . . : ? 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地 方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名:二堑堡血日期:?。眸牛月巾 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 导师签名:圭丝兰兰: 签名:签塑凼 日 期:沙.年峰月 电子科技大学硕士学位论文 短波眺频电台自动快速天线调谐系统的研制 第一章引言 自从马可尼于年首次进行无线电通信获得成功,短波通信就此诞生。 近多年来,短波通信的研究,发展应用经历了一个的波浪式的过程,其原因 不难在短波传输的特点,需求和技术的发展找到答案。 ?.短波通信信道的特点 无线电波是通过开放性的自然空间和地球传输的,地面、海洋、大气层、地 球自身的电磁场都将影响无线电波的传输特性。短波的波长较长,为~ ,相应的频率较低,为.~。这个频段无线电波的传播主要有 两种形式,即地波和天波。 天波是依靠电离层的一次或多次反射而实现远距离传输的。正因为如此,电 离层的结构、特性、变化规律对短波通信系统的构成、信号形式、调制样式、处 理方法及应用范围都有重大影响。电离层是地球高层大气的一部分,从离地面约 开始一直延伸到的高度。在此区域内存在大量的自由电子和离子, 他们能使无线电波改变速度,发生折射、反射和散射,产生极化面旋转并吸收能 量。大气的电离主要由太阳辐射中的紫外线和射线所引起,太阳的高能带电 离子和银河宇宙射线也对大气的电离产生重要的影响。由于太阳辐射穿透大气层 的不同区域的能力不同,以及太阳辐射的昼夜、季节变化,使电离层按电子密度 分布的不同在高度和经纬度上存在着明显的差别,形成了不同的密度分层。电离 层中的电子和离子密度在空间各处也不相同,这种不均匀性会产生无线电波 的多 路径、衰落、相位起伏、多普勒频移等不利影响。但问题的严重性并不仅限于此。 而在于影响电离层的因素并不都具有严格的规律,太阳耀斑等电离源的突变、非 平衡动力学过程、不稳定的磁流动力学过程,以及地面核试验、高空核试验、大 功率短波雷达加热等自然和认为的因素都会引起电离层的突然扰动。这些有规律 的或随机的、突变式的变化都将严重地影响短波的传输,甚至中断通信。到了八 十年代,人类对短波天波的传播规律有了比较完整的认识。其中关于电离层反射, 多径衰落多跳,多层传播和磁化分离、传播损耗、可用频率范围、电离层不 规则性、电离层骚动、电离层倾斜、波导传播和散射传播的机理的理论趋于成熟。 国际电信联盟,现为于年公布了关于短波传播的系列 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 , 这是短波通信系统设计的基本依据。 地波的传播的特点是波在行进过程中受地表面导电率。和相对介电常数电子科技大学硕士学位论文 短波眺频电台自动快速天线调谐系统的研制 影响产生衰减。一般。和愈大,损耗愈小,因此在海上地波的传输距离将比陆 地上传输的距离远。地波传播的研究已经取得了重大的进展:解决了平面、球面、 海面、陆地及考虑粗糙度的传播分析方法;研究了大气尘埃对地波场强的影响; 提出了非齐次球形地面与人造建筑地面上的地波损耗计算方法:于 年发布了典型地形条件下地波传播的曲线。实际测量和理论计算有相当好的一致 性,在系统设计中发挥了重要的作用。因为地表面的导电特性在短时间内变化小, 故地波传播特性稳定可靠,基本上与昼夜和季节的变化无关。各种形式的辐射垂 直极化场的天线特别适合地波传播。 总的来说,短波信道是一种在时域、频域、空域上都有变化的色散的信道, 这种信道的不稳定性使短波具有频带窄、容量小、速率低、相互干扰严重的特点。 对电波的传播规律的认识和掌握是短波通信应用的首要前提和重要基础。人们对 电离层特性及其对短波传播的影响规律的认识的深化推动了短波通信技术与应 用的飞跃。 ?.短波通信系统的优点 短波通信动工作频率低,元器件要求低,技术成熟,制造简单,设备体积小, 价格便宜,在商业、交通、工业、邮政等国民经济各个部门及军事领域中得到广 泛的应用。 短波通信设备目标小,架设容易,机动性强,不易被摧毁,即使遭到破坏也 容易更换修复。又由于其造价相对较低,可以大量装备,所以系统的顽强性强。 因此,短波通信的这一的特点受到了高度的重视。世界各国的军方都制定了相应 的发展短波通信的 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ,随着对短波传输的特性研究的深入,一系列的自适应技 术的应用短波通信迎来了又一个高速发展的新阶段。 ?.短波通信技术的发展 实时信道估计技术和自适应频率选择是最近几十年来最热门的短 波通信新技术。微计算机技术的发展促进了和频率选择与通信系统合二为 一,实现了从信道参数测量、链路质量分析到自动链路建立的频率自适应的基本 功能。未来将在增加自适应控制器的功能、优选信道估计参数、提高链路质量分 析性能和方法等方面继续发展。而在军用通信中,抗干扰性能是系统研制 者和使用者最关注的问题之一,是关系到设备在复杂作战环境中有没有生存能力 的重大问题。因此,在现代军用短波通信系统中无一例外地采用跳频技术。 高的电子科技大学硕士学位论文 短波眺频电台自动快速天线调谐系统的研制 跳速、宽的跳频带宽意味着强的抗窄带跟踪式干扰和抗宽频带阻塞式干扰的能 力,因此,他们属于目前军用短波电台的最重要的指标。 跳频技术的一个重要的方向是自适应跳频。自适应跳频的基本思想是把自动 频谱分析技术和跳频传输处理技术结合起来。他不是在先确定的固定频率集上跳 频,而是首先对频谱占有情况进行分析,找出没有干扰和没被占用的可用信道, 然后再进行全波段的跳频。因此,他可以避免认为和自然的干扰,也可避免和已 使用的电台发生碰撞。实践表明,这种第二代的短波跳频电台能够有效地利用 %的现有信道,而普通的跳频电台由于调频频段受限,只能利用百分之几的信 道。新一代的短波自适应电台的工作灵活性更大可靠性更好,数据传输速率更高, 保密性更强,抗干扰性大大提高,适合各种复杂实战条件下的中程通信,也可用 于近程应急通信。这种短波电台的结构如图.所示。 教字终蜡设备 一 图. 自适应跳频短波电台系统框图 要实现高速的跳频,需要解决一系列的关键技术。其中最重要的是高质量高 跳速的频率综合技术、高速的自动天线调谐技术、宽带高效天线及跳频码的选择 和同步技术等。 由于短波信道问的频率间隔小,频点多,要求频率稳定度高,分辨率高,而 且频率转换速度高,因而一般传统的频率合成器难以达到指标。大规模的集成芯 片、数字处理和微处理器技术的发展产生了一个全新的方法一一直接数字频率合 成法,即 曲。目前,最先进的芯片可以实现毫赫的分 辨率,跳频时间可在几纳秒内完成,实现了高精度、高稳定度、低相噪的高指标。 但是它的一个固有缺点是存在较大的杂散频谱分量。 高速自动天线调谐技术需要解决的主要问题有:自动天线的阻抗的测量、匹 配网络的设计、大功率可调电抗元件的选择、快速调谐程序的设计与实现等。同 样宽带高效的天线的实现也是展宽跳频带宽的重大关键。电子科技大学硕士学位论文 短波跳频电台自动快速天线调谐系统的研制 ?.课题的来源与价值 本课题是赛英公司和中国电子集团所合作的车载自适应跳频短波电台的 射频前端模块的一部分。 ?..课题要求 作为在军用车载短波通信电台的一部分,强调的是电台的机动性、可靠性、 抗毁性、全向性,所以选用的是具有全向辐射特性的鞭状天线配备具有宽频带自 动调谐功能的天调系统,在尽可能的减小天线的体积的情况下,使天线和发射机 以及接收机三者之间达到良好的整体工作指标。天线的设定为.米的鞭状单极 子天线,这一长度在所有的同类短波天线产品中为最小,要求其设定的天线调谐 速度越快越好,尽量逼近毫秒量级,匹配阻抗欧姆,在绝大多数的频点上驻 波比要求在.以下,而且对地形环境具有适应性,所有的这些指标只有在相关 的国外的短波电台系统中才可以看到,例如以色列的公司的 电台,市面上并没有满足要求的产品,只有采取特殊的方案和实际调试才能实现。 ?..课题难点与关键点 ?天线的宽频带的调谐匹配 该项目的设定的调配对象是仅为.的直立鞭状天线,在很宽短波的频 段内属于电小天线。低频段的高容抗性导致的高特性使现有的宽频带匹配 方法的不可有效的使用,所以利用其短波跳频的工作特点在宽频带范围内利 用快速可调的窄带调配网络使其达到宽频带的工作的目的,如何有效的设置 其匹配网络,选取合适的元件,以及使用合理的措施缩短调谐时间,降低使 用元件个数,最终使天线对移动变化的环境具有适应自力,都是需要探讨的 问题。典型电磁环境天线阻抗的仿真计算 在对天调系统的设计中,掌握所调配天线在典型电磁环境中的特性是方 便设计且为设计提供计算理论依据的必要的手段。在实际的测试条件缺乏的 情况下,仿真计算是可行的方法之一。由于天线辐射场及似稳场的范围内的 电磁环境和障碍物等均可能对天线的阻抗等参数产生较大影响,所以尽管是 预先假设天线在微波暗室或较宽阔的环境中进行的调谐过程但是车载的金 属 。平面对天线的影响也应考虑进去。因而在对天线的阻抗进行计算的同时须 加 上车载平面,从而实现高频电磁结构的精确仿真和计算。 电子科技大学硕士学位论文 短波眺频电台自动快速天线调谐系统的研制 ?信道阻抗参数和匹配状况的宽频带的 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 ,以及相互之间的影响尽量消除。 信道驻波比和阻抗参数的检测是实现高速准确调谐的基础,但是这~环 节又是对信道产生影响和相互影响的,所以必须有较好的电路结构和较好的 实现方案来实现。 ?低的噪声系数和高信噪比的接收条件分析 由于天线调谐器用于收发系统的最前端,它的影响可以对整个系统起到 决定性的作用。由电小天线的阻抗参数,根据前人在设计短波通信系统积累 的经验,分析其理想的接收方法。 ?调谐程序的快速,有效性和实用性的设计与实现 调谐程序是整个天调系统工作原理的体现,在跳频短波通信中,要求调 谐速度越快越好。所以整个的调谐程序应该有比较强的可调性,可靠性,灵 活性而且适合调试和扩展。 ?与功放的协调性工作,包括对功放失谐的保护 功放属于对失配敏感的部件,在工作的过程中应避免调谐中间过程的失 配造成功放烧毁。注意功放的隔离保护。 ?高杂散抑制比的源的实现 由于在整个系统中作为第一本振以及天线预调谐的放大信号源的双 重角色,所以应保证比较高的频谱纯度和稳定度。它要接收来自系统的频点 信息,提供数据接收口。 ?.本人所做的工作独立完成整体的系统方案与结构的分析与设计设计制作电路设计与测量的机械结构平台天线的机械结构设定.米天线的匹配分析理论研究 ? 可变调配网络的理论分析与计算 ? 信道阻抗参数与驻波比检测电路的设计以及实验板制作与调试天线的典型电磁参数分析与仿真计算调配流程的单片机程序流程设计与编写及数控板的制作与调试收发的第一本振跳频源的电路制作与调试限于篇幅,文中仅简单提及 并附结果天线的有源放大部分的设计和仿真文中作简单提及,并附结果 短波目频电台自动快速天线调谐系统的研制 电子科技大学硕士学位论文 第二章 宽频带天线系统的分析与方案论证 ?.天线的相关指标概述 .效率; 天线效率是用以度量天线转换能量的有效性,它也是天线的重要指标之一。 例如发射天线的效率是这样定义的:天线辐射功率与输入功率之比。 若天线效率小于,天线输入功率一部分转化为辐射功率,另一部分即为损 耗功率。其损耗功率可能包括有;天线系统中的导线损耗、介质损耗、网络损耗, 以及在天线架、周围物体和大地中的电磁感应所引起的损耗等。一般来说.加载 天线和电小天线的效率较低。 .增益系数; 方向系数说明天线辐射能量的集中程度,方向系数的增大相当于辐射功率的 提高。效率则表示天线在能量变换上的效能。将这二者联系起来,则可表示天线 总的收益程度,因此引出增益系数这一指标。定义增益系数为:在天线输入 功率相同的情况下.某天线在其最大辐射方向上的场强的平方.与一理想的无方 向性的点源在相同处产生的场强平方之比。可以证明,增益系数等于方向系数和 效率的乘积. .阻抗特性; 天线输入阻抗是天线馈电点处的电压与电流之比,通常它是一个复阻抗,而 且是频率的函数。对于某些天线如底馈鞭形天线,由于它和周围环境有较强的电 磁耦合,因此,其输入阻抗值除决定于天线自身的结构、电尺寸等因素外.还与 设置的环境有关。工程应用中一般都采用测量或者仿真计算的方法确定。 根据天线输入阻抗特性.选择和设计馈线以及必要的阻抗匹配装置,使天线 与馈线有良好的匹配。通常要求馈线上电压驻波比小于.。 ?.天线的宽频带技术 随着电子技术的飞跃和宽带无线电设备的出现,宽带天线的技术也在不断地 , 发展。年代以前,天线带宽粤一般不大于。年代在宽带天线的发展上 , 出现了一个突破,这就是由拉姆西.。于年提出的频率无关天 线的概念。这类天线的经典形状包括戴森所详尽研究的平面等角螺旋和 圆锥螺旋结构,以及达哈梅尔:和伊斯贝尔所建议和发展的对数电子科技大学硕士学位论文 短波眺频电台自动快速天线调谐系统的研制 周期结构天线等。这些天线的研制成功.把天线带宽扩展到:或更大。目前 在短波、超短波波段以及作为微波天线馈源等方面,对数周期天线都获得了广泛 的应用但是这种天线需要较大的电尺寸,或者说需要占据一定的空间,而这 一 条件就使得它的广泛应用受到了一定的限制,例如使用空间有限或用于移动中的 无线电设备等。因此积极开展对新型的特别是小型化的宽带天线的理论与实验研 究,仍是当前迫切而有重要意义的工作。考虑应用的具体场合,我们来讨论运用 最广泛的线天线。 目前,线天线实现宽带化的主要技术措施有以下几个方面: .用机电结合方法,精心设计天线结构,使之适应宽频带工作。 例如伸缩式短波、超短波直立天线,其天线长度利用机电结合的办法进行控 制,使之在不同频率上始终保持在串联谐振长度上,即电长度保持不变.以实现 在相当宽的频带内具有良好的方向性和阻抗匹配特性。这种方法由于是机械伸 缩,因而使应用范围受到一定限制.但仍不失为一种易于实现.行之有效的宽带 化措施,但是其小型化的程度有限。 .利用插入阻抗元件或网络展宽天线的工作带宽 将电抗元件、阻抗元件、介质材料或有源器件置于天线的某一部分之中,其 目的或者是为了缩小天线尺寸.或者是为了提高效率,或者是为了增大带宽,这 种方式称为天线加载。根据天线加载元件,可以将加载天线分成无源加载天线和 有源加载天线两大类。总的来说有以下几种方式: .有源天线是一种加载方式,它将无源天线与有源器件结合为一整体,可 以获得高增益、宽频带和实现小型化。将无源天线和有源电路相结合,使无源天 线成为有源电路的输入部分,而有源电路的输出端成为整个天线的终端。二者均 为天线系统不可分割的部分,此类天线即称为有源天线。由于受到有源电路功率 容量的限制,目前有源天线多用作接收天线。 作为有源天线的无源天线部分,多采用直立鞭形天线、水平对称振子、 形天线、螺旋天线和小环天线等。构成有源网络的有源器件,视工作频段的不 同可采用各种类型的晶体三极管、混频二极管、变容二极管以及各种规格的集 成电路。与无源天线相比较,有源天线具有小型化、宽频带、易于实现电子控 制等优点。当然,由于引入有源电路,有源天线也就存在一些特殊问题,例如 噪声和非线性失真等。 电子科技大学硕士学位论文 短波眺频电台自动快速天线调谐系统的研制 乩 上刈力 图. 有源天线等效电路示意图 对于电小的单极子天线,可用图中的等效电路来表示.若天线输出端的负 载阻抗接近于无限大,则可得到一个与频率几乎无关的开路输出电压.即 。。,其中巨为来波电场强度在天线轴线方向上的分量,吃是天线的等效高 度,对电小天线来说,。几乎与频率无关。因此,电小单极子天线相当于一个 与频率无关的恒压源。对于电小单极子天线,若选用具有极高输入阻抗的射极 跟随器与之组合,就可得到与频率无关的输出电压。实践证明,只要放大器具 有良好的宽频带持性.与上述电小天线组合的有源天线必然具有很宽的工作频 带。 .无源加载天线的加载元件可以是电阻也可以是电抗。在天线适当位置 接入电阻或电抗元件阻性炭膜涂层或容性的缝隙以及其他介质、涂料和结构, 其目的是为了改善天线中的电流分布,使之尽可能地接近行波状态,保证天线的 输入阻抗随频率的变化不大,这种天线就称为加载行波天线。根据加载元件接入 特点,可以将加载天线分成串联加载和并联加载两类,其结构如图.所示。串 联和并联两种加载形态又都可以是分布型的、集总型的或者混合型的。 集总并联加载 集总串联加载 图. 鞭状天线的集总加载示意图 沿天线串联型分布电阻加载的偶极子天线在大约:频段范围内,插入导纳 随频率的变化相当平缓。这是因为电流沿线传播时,在向周围空间辐射能量的同 时,加载电阻又吸收部分电磁能量.使得从天线末端反射的能量明显减小,从而电子科技大学硕士学位论文 短波眺频电台自动快速天线调谐系统的研制 使天线中的电流接近于行波,因而改善了天线的阻抗特性,这种电阻加载一般是 从天线的馈电端到天线的末端加载阻抗逐近加大。从这里也可以看到、这种改善 是以牺牲天线的效率为代价的。 电阻加载天线的最大优点是具有较宽的工作频带,主要缺点则是由于加载电 阻吸收功率,天线效率较低,一般说来,其平均效率远低于末加载天线的%, 尤其是电长度较小的天线,效率就更低了。这一缺点可以采用阻容混合加载方法, 即分布的电阻加载和集中的电容略加改善。 阻容混合加载天线的输入导纳有一个正的虚部,为了匹配,可以在天线的输 入端也就是同轴线的开口处并接一个补偿的电感线圈,使天线总的输入导纳呈 纯电阻性,为实现在宽频带内的有效补偿可以用优化程序进行优化。 阻性或容性加载天线有自己的局限性,除了降低本身天线的辐射效率外,阻 容天线的加载设计主要靠优化其位置和加载值来完成,从其的设计资料来看,其 加载而实现的天线小型化性能并不是那么理想,文献】中比较成功的设计例子是 实现短波波段驻波比.以下根同时工作的米高的加载鞭状单极子天线阵。 此外还有一些带着复杂机械结构的种种加载,一般也是体积较大。 .加载元件可以放置在天线内部或天线的馈电端。因而从广义的角度讲, 天线阻抗匹配网络也算是一种无源加载方式,用以补偿或变换天线阻抗随频率 的变化,从而展宽阻抗带宽。 .从天线应用场合的角度分析,对天线宽带特性的要求也有所区别。例如 短波,超短波通信系统中广泛采用了跳频的工作方式,信号是跳频的。其射频中 心频率是按伪随机码序列跳变的,这种跳变的最高频率与最低频率之差。通常称 为跳频信号的带宽,因而天线必须是宽带天线。但是在每个瞬时频率上.天线带 宽可以是窄带的。对于这种情况.可以采用机电结合或电路手段来扩展天线系统 的工作频带范围,例如使用调谐的宽带天线系统。在目前,自动天线调谐器获得 了广泛的应用,它以全自动方式。通过微机控制,自动检测阻抗信息,并按照预 定的调谐软件改变匹配网络参数,进行快速调谐和阻抗变换,以使天线系统与同 铀电线通常取特性阻抗为较好匹配,驻波比一般在.以下。在每个频率 点上的调谐时间一般在以内,典型值约为。例如短波自动天线调谐器能对 多种天线如直立天线、对称振子、长导线天线等在整个短波波段内进行自动调 谐,得到较理想的匹配效果。这种由谐振式天线和自动天线调谐器组合而成的整 体,称为调谐式的宽带天线系统。它具有尺寸小、总体安装机动灵活、使用方便、短波睁频电台自动快速天线调谐系统的研制 电子科技大学硕士学位论文 性能优良等优点,是一种颇有发展前途的宽带化措施。 ?..对于天线的宽带匹配的分析 天线实现宽频带工作的手段中无疑也可以包括采用宽频带的匹配网络 也可视为天线加载的一种来实现宽频带工作的目的。研究对于小天线的宽带 匹配的可能性,对于实现天线的宽频带工作特性具有指导性意义。 ?... .天线的物理尺寸的限制及其等效电路 设想空间有一个直径为/?的球面??无线电波波长,某天线不管 取什么型式皆全部位于此球面内,天线线尺寸与九之比称为电尺寸即其最大 便是电小天线。由于在设定的是.左右的鞭状垂直天线,在 尺寸小于九/ 绝大部分频段之内,该天线属于电小天线,它的值受本身的物理尺寸所限制, 他具有理论上的最小因子: :堕 ?? 其中?/,为包围天线的球半径; 注:在理论上,当天线的尺寸变为零时.因子将趋于无限大,但是实际 上,近场场强将产生很大的欧姆损耗而使因子降低。在对天线的仿真或测量 而得到的阻抗数值中,根据数值的理论分析,可以得到在一定物理尺寸下逼 近天 线阻抗的等效电路。在天线的物理尺寸满足?丑和?/?为天线 的直径,工为天线长度时可以用一个的等效电路图.来表示。 ????一 电小天线的近似等效电路 天线的等效电路图 图. 天线的等效电路 而考虑在较低频段下的匹配,天线等效参数总可以简化为一个电阻和一个电 容的 串联如图.所示。由小天线的高特性可以知道电容和电阻都是很小的 值。基于此,我们可以在其中的某一低频段内由宽带匹配理论探讨在天线的 阻抗 特性的匹配可能性。电子科技大学硕士学位论文 短波眺频电台自动快速天线调谐系统的研制 ?...小天线的宽带匹配分析 由滤波器构成的匹配在频带范围内的匹配针对于源与负载都是确定阻抗的 情况,它要求这两个阻抗都不是频率的变化量。而后来的宽带匹配理论在于负载 与源阻抗都是标准的形式之下,由可实现的网络函数综合理论来设计。而到了输 入负载的阻抗是频率的高等函数时一般是离散的频率点上由仪器测试或者是数 值计算出来的阻抗值经典的解析法匹配技术已经不再适用,这时就需要采用另 外的阻抗匹配办法。这就牵涉到数值理论。 为了获得希望的匹配传输特性,我们关心的是在通带上容许的最大损耗或容 许的最大反射系数;在称为阻带的另外频带上,规定容许的最小损耗或容许的最 小反射系数,并且就选择性,即通带和阻带之间容许的间隔提出要求。然后,寻 找一个有理函数,它要既能满足全部技术指标同时又必须能用所要求的网络类型 来实现。这就是所谓的逼近问题。逼近的方案有:最平坦型巴特沃斯 响应,等波纹型切比雪夫响应,椭圆函数型考尔参数 响应等,与之相对应的是梯形网络实现方法。 当对发生器呈现的阻抗等于信号源电阻时,就能实现最大的功率转移。要把 一个任意的无源负载在所考虑的频带内,以预定的增益特性同电阻性发生器进行 匹配并不总是可能的。而且,这种限制来源于均衡器散射参量在物理上的可实现 性,而散射参量的可实现性同样也受到负载阻抗的牵制。 匹配问题最早是由博德所开创的。他当时研究的是一类很有用的,但 仅限于由电容和电阻并联组成的负载阻抗。博德虽然确定了这类均衡器增益带宽 的基本限制,但他没有迸一步研究对无耗均衡器附加的限制条件。范诺 发展了博德的工作,并以完全一般的方式解决了任意无源负载与电阻性发生器之 间的阻抗匹配问题。范诺的结果表示为带有适当加权函数的一组积分约束条件, 加权函数由负载阻抗决定。尤拉 在复数归一比原理基础之上,建立 了一种新的理论:尤拉宽带匹配定理。 尤拉宽带匹配理论目标是设计一个最佳的,集总互易的无耗均衡器,以便将 一个任意的无源集总负载和电阻性发生器相匹配;同时在整个频域内实现预定的 变换器功率增益特性。 我们以尤拉宽带匹配的观点来分析天线的等效电抗特性,分析电小天线的阻 抗特性对宽带匹配的限制因数。电子科技大学硕士学位论文 短波跳频电台自动快速天线调谐系统的研制 ?....小天线的宽带匹配 假设负载为小天线的低端等效串联电阻和电容则分析如下: 负载的阻抗函黼乐加掣,贝有: ‖,‘喃孙】,和为心的赫维茨共扼函数 由矽,可知阻抗函数的传输零点为,由尤拉定理,该传输零点使 心。,所以它属于第四类传输零点。它对辅助散射参数蔓:的制约以及各参 数的定义表示如下: 聊,一, 厂%屁 最劭一?一一,乱堋默 ?卸 薹屁。一‰ 卸 以。荔‰。一%”,珥? 肛 』 禺民心, 帕冉嚣焉啕?驰薹啪训“ 其中。是乃在平面开右半平面的极点,为匹配网络的增益函 数,/函数为全通函数,目的是使&符合,在每一个传输零点上对它所提出 的限制,这样能得到一个符合增益特性又符合负载传输零点要求的辅助散 射参数,。。 由传输零点对散射参数的限制,我们以最平坦型巴特沃斯札响应 型增益特性为例来推导串联电阻电容对匹配参数的制约。最平坦型巴特沃斯 响应型增益特性为: 毛为直流增益,峨为带宽 ?南。 取。一? 所以可以得到在‰上的泰勒展式: 驰”驴】鸲。警哏。瓦.?】短波眺频电台自动快速天线调谐系统的研制 电子科技大学硕士学位论文 且~仍? 其中编?妻去,吒一,磊焉为巴特沃滋多 项式展开系数,所以有 。 ~ 以 ?. &?~巧“十嚣【.等【一疋/.十?? 由式?的制约条件可以得到: 卜卜,.州啾志~喜?吣篙署?。, 其中/,。 在以上的制约条件下,由揣一瓠便可以综合出相应的匹 配网络。其他的逼近特性下,过程类似。 ?..,.小天线负载对匹配网络增益带宽的影响 由约束条件可以看到负载对匹配网络在增益带宽值的制约和影响。因为 ???,所以有? 瓦?一【一篱,。。 令墨譬,则可以得到以下曲线最大增益,。。的曲线如下: 图.宽带匹配网络参数与负载关系 对阶数取极限,可得电子科技大学硕士学位论文 短波眺频电台自动快速天 线调谐系统的研制 ??憋一万/月/?疗/, :一掣 棚一 其中。为中心频率增益逼近值,镰为中心频率,以为增益带宽。 从以上的分析可以看到匹配的性能好坏取决于负载以及负载在频段上的属 性。负载的值越高越不容易达到宽带匹配,相应的匹配网络的频带宽度也是 极受影响。以电小天线的低频段等效电路一串联负载来说,在低端的值 是极高的为窄带,大约在~之间,大约在~之间, ~ 之间,可以预见,用一个单纯的宽带匹配网络不仅不能完成 大约在 匹配任务,而且由于单纯的提高匹配网络的阶数亦不能行之有效的提高匹配 指 标:由图上可以看出真正的匹配作用两阶~三阶就足以了。 即使采用了非标准的响应形式的逼近方法一实频法,都难以在较宽频带下 得到理想的匹配特性其验证的效果比标准响应形式要差。图.所设计的匹 配网络的设计结果也验证了以上的分析。在保证匹配程度驻波比小于的情 况下,针对~.频段上天线的阻抗特性,设计了一个阶的匹配网 络,经过现有的软件的优化程序优化后,实现的匹配带宽不过达到。 ..:囊: :事 荔 :::习? 。一簪, 蔫。 ;;;簿. ..一懑一 瓣一 ~.天线匹配网络设计图 瓤 。 ~ .:? ?、 ,.矗:?,, 已嬖? 蕊。 舻 雅?罐,电子科技大学硕士学位论文 短波眺频电台自动快速天线调谐系统的研制 匹配网络的传输特性图 图~ ~.宽带匹配实例 以匹配网络的中心频率插损来看其增益大约为.,而中,频率上口:.。 由前面推出的最大增益与阶数的关系。可以看出该匹配网络已经接近最大增益 值,但是却造成了难以忽略的损耗,而降低损耗的手段只有降低匹配的带宽以及 适当的简化匹配网络从而降低匹配损耗,但是这又和匹配带宽及元件的损耗之间 也存在矛盾因为元件的损耗在比较大的程度上拓展了匹配带宽,它在牺牲增益的 同时优化匹配参数。因而从上述的分析来看宽带匹配网络的加入并不能有效的提 高天线的性能,它浪费了大量的发射机功率,造成了大量的热损耗,这对器件和 整机的工作性能来说都是不利的。在大量文献中,对天线宽带匹配过程也同样都 只集中针对在对天线的第一谐振频率和第二谐振频率之间附近的阻抗特性进行, 因此对于小天线的匹配必须回到窄带匹配的范畴之内。这就是我们要着重讨论的 电调谐天线系统。 ?. 电调谐天线的基本框图及其指标参数分析和方案论证 电调谐天线有不同的方案,除了电机机械结构调谐,还有采用步进电机的电 感调谐,以及以后还会介绍到的开关二极管调谐,这些方法都是采用间接或 直接的改变天线的等效长度的办法来实现天线不同频率谐振的目的,他们要么对 天线的长度或体积的裕量要求较大,要么调谐的速度缓慢,因此为了更好的增强 天线的性能,缩减天线体积,对于该移动电台的天线调谐系统我们采用如下的形 式,如图.所示。短波眺频电台自动快速天线调谐系统的研制 电子科技大学硕士学位论文 图. 自动天线调谐系统的框图 该天调系统采用对天线的调配阻抗和匹配状况实时的监测的办法,运用数字 化的调谐技术来实现天线的电调谐。为实现高速的自适应调谐目的,该天线和该 通信系统的自适应跳频系统跳频源共享自适应伪随机跳频码,随着通信频 率的变化自动的调谐天线。作为系统的第一本振,也作为天调自调谐时的 发射机的信号源。在该天线的宽频带系统的工作过程包含着天调自身的自适应的 天线调谐参数产生和存储过程以及读取随机码的自适应回复调谐两个过程。为了 更好的实现系统的功能,必须深入分析其指标,并在这个基础上采取针对性措施。 在军用短波自适应跳频系统要求的跳频速度越来越高的情况之下,对天线调 谐器来说调谐速度越高越好,基本上要在毫秒量级。然而在单频点上的调谐上, 由于调配的过程是一个逼近过程所以调谐的时间是由所匹配的天线的阻抗特性 和匹配点的差异大小有关系,而更重要的一点是和器件的速度有关。在所设计的 天调系统的单频点自动调谐速度的瓶颈在于所用的切换继电器的速度,一般的继 电器的切换速度都是在毫秒级,所以要作毫秒级的天调系统只有采用先预置调谐 后回复调谐的办法来实现。在自动天线调谐器的工作过程中调谐软件的可靠性, 灵活性是十分重要的,采用好的调谐方法对于调谐器的调试过程都是十分有帮助 的。 电调器的目的就是使天线在宽频带内的各个频点上辅助实现天线与系统标 准阻抗的一致。一般采用驻波比来衡量天线的匹配程度,定义如下: ? 、 :删 一 为反射系数,乙为标准阻抗,一般取。 其中等 二中厶。 因为驻波比值的表着匹配状况的良好与否,其理想值为。天调系统的目的 就是在尽可能多的频点下实现驻波比小于.以下。实际工程上一般的要求 小于.就够了。 由于天线调谐器处于收发的最前端,一方面它负责天线与发射机的匹配, 实现天线的最大的输入功率,另一方面它需要将天线上的接收下来的信号传 送到 后边的接收机,所以天调将影响接收系统的输入信噪比,因此在短波通信系 统中 对于天线的调配器有必要进行其信号的接收情况分析,主要考虑接收机输入 端的 信嗓比。 短波跳频电台自动快速天线调谐系统的研制 电子科技大学硕士学位论文 分析如下的噪声模型 无.噪. : 卜 叫 州 图. 接收机前端信噪比分析 无源天线可在其输出端等效为源电压与源阻抗串联,源电压包括天线所接收 的信号电压饥外噪声电压及天线本身损耗电阻热噪声玉‰,源阻抗 乙。弘,即天线输出阻抗。收信机或放大器的噪声,这里采用有源电路中 广泛使用的噪声电压电流模型一厶模型,如图所示。图中乙??收信机或放 大器的输入阻抗,??一个串联在插入端、串联内阻抗为零的噪声电压源, 一个并联在输入端、并联内阻抗为无穷大的噪声电流源,,??和 ,。间的复相关系数。给定收信机或放大器,其,,便是相应地确定的, 可理论上分析,亦可由测量获得。 信号源电压仅与天线结构及所接收无线电波波长有关,而与后连电路无关, 其表示式为: ?, 妻蕊昙疋?案 式中:五。??无线电波信号强度均方根值, ??在波传来方向对应于。极化的天线方向系数, 玑??在波传来方向对应于极化的天线增益; 玑争??天线接收效率;见接收天线辐射电阻,心接收天线输出阻 抗的实部 图.中无源天线收信系统的收信机的输入阻抗系统负载阻抗乏所吸收 的信号功率:只互骅 峨考舞,呜?老务;一负载和天线端的阻抗失醐子 短波眺频电台自动快速天线调谐系统的研制 电子科技大学硕士学位论文 而相应的况所吸收的天线噪声功率为:气:型雩竖 式中 ??系统带宽 “??馈线的损耗因子 上一』“ 丽,一。。一一负载端和天线端的反射系数 疋玑一,??天线的实际温度,??天线外的噪声等效温度, 在系统设计中瓦应取平均值或典型值。 天线经馈线与收信机相连,来自馈线本身的热噪声功率可能相对较大。馈线 所生 ,一。 为 所吸收的噪声功率: ,争。 式中:毛??馈线的实际温度 ;“??传输线衰减因子,‖??传输线的相移常数 收信机本身所产生的为乙所吸收的的噪声功率: 气珥。器群, 式中:瓦??收信机的等效噪声温度由下式计算: 瞬露乏心., 其中。薯参为在馈线输出端的输出阻抗,即电压源短路时向源端看去 的输入阻抗 无源天线收信系统,其终端收信机的输入信噪比: 一志磊而哥毒啄孺著一’ 四 热耻丽..;面貔 若系统在源端,负载端阻抗匹配,。,。则: ? 砭/乃“一刊】 天线一放大器收信系统,或有源天线收信系统,在满足前面叙述过的条件下, 诸式形式上仍适用.只不过须用‘前置放太器与天线馈稍的距离或有短波眺 频电台自动快速天线调谐系统的研制 电子科技大学硕士学位论文 源天线的情况代替各式中的由此可以得出一些结论; .天线和馈线以及馈线和负载之间匹配有利于在较宽频带内稳定提高接收机 的输入信噪比,这个可以从后面的放大器天线的仿真结果图中看出。 .若乃》;、瓦,亦即系统是受外噪声限制的,则系统信噪比:?/ 这意味着除了提高,不管采用那种系统有源或是无源都难于改进信噪 比,这提示我们只有改善天线的形式才能解决系统的接收性能。 .在》、正的情况下,从上述结论可以得到: / ? ?????二 二一 ,点毋阮艺二一 乳 可见,在天线效率叩。很低时,对信噪比的影响并不大.这就有可能在低频 段使接收天线小型化,因为电小天线不管小到如何程度,方向系数都保持在 .的数量级,即使玎。很低.若仍然在收信系统内加放大器,或采用有源天线, 其目标在于提高信号电平,对于改善系统信噪比意义不大。而在非小天线工 作的 状态下,保证天线一定的辐射效率对后面的接收系统起到改善的作用,因此天调 系统也正是不减弱天线的辐射效率的宽频带措施之一,较于利用牺牲天线的辐射 效率的来换取天线的宽频带工作特性的阻容性加载措施来说是其优势。 .若外噪声非起决定性作用.在其它条件相同或接近的情况下,所以可以尽量 取,或,:,即采用天线加放大器的方式或有源天线的方式。这启示我们把 接收机的前端放大器装置靠近天线,有利于提高系统信噪比.这种方式有 利于提高天线在频段高端的工作性能。 有源天线的设计是一种可行的方案。但是有源接收天线的设计有物理尺寸最 佳值的问题。有源天线的最佳天线高度取决于所选用的放大管的输入电容与天线 的等效电容相比小到可以忽略此时放大管的容性远大于天线,使天线对于放大 管来说呈现为理想的电压源的时候的天线电长度。而从天线的阻抗特性可以看 出.天线在左右的阻抗特性已经接近纯阻,此时有源天线处于不合理 的工作状态,反而会恶化了整个接收系统的输入信噪比,因此选定的天线尺寸不 适合作有源天线或者说有源天线的工作频段难以覆盖整个天线的工作频段。在 该频段上如果选择砷化镓场效应管,其最佳天线高度应在米左右。 而如果在接收系统中的天调处应在尽量靠近天线处加一低噪声的放大器,利 用天线调配器的匹配功能,实现高增益和低噪声系数。这样既可以提高接收信号电子科技大学硕士学位论文 短波眺频电台自动快速天线调谐系统的研制 的的电平,而根据级联系统噪声系数的关系 ??????? 图. 级联噪声系数示意图 “ , ?.~ 疋却等磊“.丽瓦 其中?以为网络的噪声系数??//为网络的增益 可以知道该低噪声的放大器不仅放大了天线的接收信号,减免了天线到接收 端的馈电插损,同时抑制了接收系统的整体噪声,是一理想的可行的方案。 由上述分析说明了天调系统是短波自适应移动电台的体积小型化的一项比 较有发展前途的的技术措施,它的实施使小天线在宽频带的工作成为可能,但是 它有着小天线的固有弱点,那就是天线效率低下,为了尽量的弥补该缺点,一个 是提高功放的功率,另一个就是寻找更加合理的天线结构形态。电子科技大学硕士学位论文 短波眺频电台自动快速天线调谐系统的研制 第三章 天线的电磁仿真及阻抗参数的获得 在天线自动调谐器中对于设定天线的电磁特性和阻抗特性的分析是必要的, 只有获得具体针对的天线的电磁特性和阻抗特性,才能在具体的电路整体方案设 计中把握好设计的度量。基于此,我们需要准确的得到所使用的天线的相关参数 及其辐射特性,为整体的设计提供必要的实际依据,并且将其转化为参数,为 借助技术分析计算和优化提供方便。这需要对天线进行准确的电磁结构仿 真。在完成天线的实际机械结构和电气结构的设定之后,就可以对其具体分析和 计算了。 ?仿真算法概述 对于具体的电磁结构的仿真计算归根到底是在一定的电磁边界条件下对电 磁场方程麦克斯韦方程或赫姆霍兹方程的求解计算问题。求解电磁场问题的 方法,归纳起来可分为三大类,第一类是解析法;第二类是半解析数值法;第三 类是数值法。解析法包括建立和求解偏微分方程或积分方程。严格求解偏微分方 程的经典方法是分离变量;严格求解积分方程的方法主要是变换数学法。解析法 存在严重的缺点,主要是它仅能解决很少量的问题。只有在为数不多的坐标系中 才能分离变量而用积分方程法时往往求不出结果,致使分析过程既困难又复杂。 例如对于标量赫姆霍兹方程,只有在种坐标系直角、圆柱、椭圆柱、抛物 圆柱、球、长椭圆旋转、扁椭圆旋转、抛物线旋转、抛物体、椭球、圆锥下才 能用分离变量法求解;在半解析数值方法中,将由人工完成诸如一维解函数、基 本解、通解等较为规则、简单情况下的理论分析工作,而由计算机来进行降维后 的低维离散化方程的求解工作。这种方法需要很高的电磁理论和数值分析理论知 识,而且施行起来比较烦琐;在纯数值法中通常以差分代替微分,用有限求和代 替积分,这样,就将问题化为求解差分方程或代数方程问题。这方面的例子有有 限元法、时域有限差分法,传输线矩阵法等。纯数值 法可以划分为两大类:一类是以电磁场问题的积分方程为基础的数值方法,如矩 量法系列;另一类是以电磁场问题的微分方程为基础的数值方法,如 有限差分法系列。基于变分原理的有限元法可以归为微分方程法,也可以用矩量 法的语言来描述。 数值法使得用高性能的计算机就可直接以数值的、程序的形式代替解析形式 来描述电磁场问题。纯数值法的出现,使电磁场问题的分析研究从解析的经 典方 法进入到离散系统的数值分析方法,从而使许多解析法很难解决的复杂的电 磁场电子科技大学硕士学位论文 短波眺频电台自动快速天线调谐系统的研制 问题,有可能通过电磁场的计算机辅助分析获得很高精度的离散解数值解, 同时极大地促进各种电磁场数值计算方法的发展,涌现了许多的日益成熟的 商用 电磁仿真软件。 目前,国际上主流的三维高频电磁场仿真软件有德国公司的 微波工作室、美国公司的,而诸如 ,的 等软件则最多只能算作.维的。采用的理论基础是有 限时域差分方法,所以的计算是由时域得到频域解,对于象滤波器,耦 合器等主要关心带内参数的问题设计就非常适合;在这里我们选用公司 的 软件来进行计算。采用的理 论基础是有限元方法,其解是频域的,所以是由频域到时域,对于设计各 种辐射器及求本征模问题很擅长。 ?.有限元法求解过程 包含了场域几何尺寸处理模块,介质物理参数选择处理模块,网格剖 分生成模块,方程形成及求解模块,后处理及用户界面模块等五个主要部分。 在中有限元法求解过程: .确定实际问题所定义的区域、激励和边界条件,根据具体情况决定问题 的描述方程。利用几何结构及激励的对称性找出区域的对称轴,从而缩小计算区 域,这样做可以达到节省计算时间或提高计算精度的目的。 .对整个计算区域离散化,即将区域用节点和有限元通常为三角形或矩 形单元表示。各个有限元的顶点由这些节点确定,有限元之间相互不重叠,整 个区域都被这些元完全覆盖,节点和有限元都按次序编号。每个单元部对应于一 个激励值和一种材料可用介电常数和磁导率表示。 .对每个有限元依次进行局部处理,即根据特殊的形函数求得某个有限元 的局部激励矩阵和局部系数矩阵。在进行局部计算时,坐标都已由整体坐标转化 为局部坐标,同时由于形函数的选取,这些局部矩阵的各元素己可以用代数法求 出,并由相应有限元的几何坐标、激励和材料特性决定。 .将某个单元的局部激励矩阵和局部系数矩阵的各个元素相加到整体激 励矩阵和整体系数矩阵中,从而形成求解节点势函数值的矩阵方程。在实际计算 机编程过程中,这一步骤与第步有机地衔接在一起,即处理某一个单元的局 部元素时,同时把结果加到整体元素之中.这样对每个有限元处理完时,也就 立 刻得到了整体矩阵。把由边界条件确定的节点势函数值代入矩阵方程.可咀消减 方程的阶数,从而减少计算量。 .对如此形成的矩阵方程用线性代数的方法加以求解,便能够得到各个节 点的势函数值。由于对应于每个单元之上的势函数分布都可由该单元的几何坐标 和顶点的势函数确定,而且由于整体区域都被这些为数众多的有限元所覆盖,实 际上整体区域上的分布.便由每个单元上势函数的分布叠加而成。 .利用有限元法的势函数分布进行解后处理。即根据具体要求找出所解短波眺频电台自动快速天线调谐系统的研制 电子科技大学硕士学位论文 问题的各种工程参数。这是~个由分布势函数到各种工程参数的过程。 综上所述.有限元计算是~个较为复杂和费时的过程,特别是对于实际工 程问题来说,由于问题的几何形状、激励和材料的复杂性,通常需要用几千乃至 几万个有限元来分割整个区域,这无疑给数据的输入、矩阵的形成、方程的求解 和解后处理带来很多困难。早期的研究人员常常把大部分时间都化在计算机编程 和各种各样的数据处理上,随着计算机的发展、图像处理功能的增强以及有 限元 算法本身的不断完善,目前在计算机软件市场中,电磁有限元软件已经较为 成熟, 这些软件的出现和应用为工程技术人员和研究人员提供了很大的方便,使大 家从 编程及数据图像处理中解放出来,从而把更多的精力和时间故