CN114710170A - 一种中长波自动天线调谐电路和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中长波自动天线调谐电路和系统，包括信号采样单元、射频匹配单元、天调控制单元，信号采样单元分别与射频匹配单元、天调控制单元连接，天调控制单元与射频匹配单元连接，信号采样单元用于采集工作频率点天线阻抗对应的电信号，天调控制单元用于对采样信号进行运算，并根据运算结果输出相应驱动信号给射频匹配单元，射频匹配单元用于根据驱动信号，调整电路参数，以实现天线调谐电路的输入阻抗与发射机输出阻抗匹配，实现了全频段自动调整匹配阻抗。
Description
技术领域
本发明涉及无线通讯技术领域，尤其是涉及一种中长波自动天线调谐电路和系统。
背景技术
目前，中长波通信利用地波模式传播，结合特有的信号检测技术，能够有效降低通信系统对信噪比的要求，因而中长波通信系统广泛应用于军用及民用领域。大功率中长波通信系统通常包括业务终端、发射机、接收机、天线等。
目前系统天线采用宽带天线，其长度约140米，重量约3.5吨，并预先埋于地下。受宽带天线的制约，大功率中长波通信系统目前只满足固定应用方式。
为适应丛林、山地等复杂地貌环境、不同场景的机动使用要求，选用150米铺地天线，天线体重量约20公斤，能够实现灵活搬移、方便铺设。该150米铺地天线属于窄带天线，无法在整个通信频段达到VSWR（电压驻波比）≤1.5的系统指标要求。
因此，如何在整个通信频段达到系统指标要求，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种中长波自动天线调谐电路和系统，在发射机与天线之间设置天线调谐电路，通过检测不同发射信号频率时对应的天线阻抗，调整天线调谐电路的输入阻抗，使输入阻抗与发射机的输出阻抗匹配，实现对天线全频段自动调整匹配，使发射机输出端口所连接有效负载的VSWR≤1.5，并尽量接近50欧姆纯阻状态，提高发射机传输至天线的有效发射功率，能够在满足系统技术指标的前提下，为突破大功率中长波通信系统固定使用模式，适应机动、灵活的应用场景提供重要支撑。
第一方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种中长波自动天线调谐电路，包括信号采样单元、射频匹配单元、天调控制单元，信号采样单元分别与射频匹配单元、天调控制单元连接，天调控制单元与射频匹配单元连接，信号采样单元用于采集工作频率点天线阻抗对应的电信号，天调控制单元用于对采样信号进行运算，并根据运算结果输出相应驱动信号给射频匹配单元，射频匹配单元用于根据驱动信号，调整电路参数，以实现天线调谐电路的输入阻抗与发射机输出阻抗匹配。
本发明进一步设置为：信号采样单元包括电压信号采样电路和电流信号采样电路，电压信号采样电路用于采样射频输入信号的电压，电流信号采样电路用于采样射频输入信号的电流。
本发明进一步设置为：天调控制单元包括依次连接的信号预处理模块、处理器模块、驱动电路模块，信号预处理模块用于对电信号进行处理，得到预处理信号并传递给处理器模块，处理器模块对预处理信号进行数字化及运算处理，得到控制信号并传输给驱动电路模块，处理器模块还用于与外界通讯；驱动电路模块用于根据控制信号输出驱动信号。
本发明进一步设置为：信号预处理模块包括依次连接的混频电路、滤波电路、放大整形电路，用于将采样电信号与本振信号进行混频，通过滤波电路得到差频信号，对差频信号进行放大整形和逻辑运算，得到预处理信号。
本发明进一步设置为：放大整形电路包括依次连接的放大电路、反相电路、异或电路，用于对滤波后的信号进行放大整形。
本发明进一步设置为：处理器模块包括控制芯片，用于对采样信号进行模数转换、数字信号处理、存储和与外部通讯。
本发明进一步设置为：驱动电路模块包括I/O扩展芯片、大电流驱动芯片，I/O扩展芯片用于扩展输入输出接口，大电流驱动芯片用于根据天调控制单元的控制信号，输出驱动信号，给射频匹配单元。
本发明进一步设置为：射频匹配单元包括至少一个变压器、至少一个电容、至少一个电感、至少一个继电器，根据天调控制单元的驱动信号，控制各继电器动作，选择需要的变压器数值、电容数值、电感数值，组成匹配电路，选定变压器的初级用于连接射频输入，次级一端依次连接选定电容、选定电感；选定电感的输出，或选定电容的输出，或变压器次级的输出，用于连接射频输出。
本发明进一步设置为：采用可调电感器，用于形成至少一个电感，由组合变比的变压器形成至少一个变压器，由一组二分法确定的电容形成至少一个电容；由选定电容、选定电感组成的串联网络，用于匹配天线端的抗值；选定变压器用于匹配天线阻值，形成阻抗匹配。
第二方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种中长波自动天线调谐系统，包括天调系统、发射机、接收机和天线，天调系统包括本申请所述天线调谐电路，天调系统的输入与发射机输出连接，其输出连接天线；接收机用于接收无线信号，发射机用于输出发射信号，天调系统用于根据需要发射信号的频率，调整其输入阻抗与发射机输出阻抗匹配。
与现有技术相比，本申请的有益技术效果为：
1.本申请通过设置天调控制单元，对采样信号进行A/D转换、调谐算法得到驱动信号，选择器件配置，实现输入阻抗与发射机输出阻抗匹配；
2.进一步地，本申请通过设置射频匹配单元，选择需要数值的器件进行组合，以保证天线调谐电路与发射机输出阻抗匹配；
3.进一步地，本申请通过在发射机与天线之间，设置天线调谐电路，实现了全频段自动调整匹配。
附图说明
图1是本申请的一个具体实施例的调谐电路结构示意图；
图2是本申请的一个具体实施例的信号采样模块原理示意图；
图3是本申请的一个具体实施例的天调控制单元示意图；
图4是本申请的一个具体实施例的信号预处理单元示意图；
图5是本申请的一个具体实施例的混频电路示意图；
图6是本申请的一个具体实施例的滤波电路示意图；
图7是本申请的一个具体实施例的放大电路示意图；
图8是本申请的一个具体实施例的异或电路示意图；
图9是本申请的一个具体实施例的射频匹配单元示意图；
图10是本申请的一个具体实施例的天线调谐系统示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本申请的一种中长波自动天线调谐电路，如图1所示，包括信号采样单元、射频匹配单元、天调控制单元，信号采样单元分别与射频匹配单元、天调控制单元连接，天调控制单元与射频匹配单元连接，信号采样单元用于采集工作频率点天线阻抗对应的电信号，并传送给天调控制单元。
天调控制单元用于对采样信号进行处理和运算，并根据运算结果输出相应驱动信号给射频匹配单元。
射频匹配单元用于根据驱动信号，调整电路匹配参数，以实现天线调谐电路的输入阻抗与发射机输出阻抗匹配。
信号采样单元包括电压信号采样电路和电流信号采样电路，电压信号采样电路用于采样射频输入信号的电压，电流信号采样电路用于采样射频输入信号的电流。
如图2所示，电压信号采样电路包括串联连接的电容组合，电容组合包括第一电容C1、第二电容C2，电容组合的一端连接射频输入，另一端连接到电源地，在电容组合的串联连接点采样射频信号的电压信号。
电流信号采样电路包括电流互感器L1和第一电阻R1，第一电阻R1与电流互感器并联连接，电流互感器L1从射频通路感应到的信号在第一电阻R1两端形成一定的电压，第一电阻R1两端的电压值作为采集到的电流信号，传送给天调控制单元。
如图3所示，天调控制单元包括依次连接的信号预处理模块、处理器模块和驱动电路模块，处理器模块以串行方式分别与信号预处理模块、驱动电路模块进行通讯。
信号预处理模块用于对采样电信号进行预处理，包括混频、滤波、放大和整形，得到预处理信号并传递给处理器模块。
信号预处理模块包括依次连接的混频电路、滤波电路、放大整形电路，用于将采样电信号与本振信号进行混频，通过滤波电路滤掉高频成分，得到差频信号，对差频信号进行放大整形和逻辑运算，得到预处理信号。
在本申请的一个具体实施例中，如图4所示，包括电压信号预处理模块和电流信号预处理模块。
电压信号预处理模块包括依次连接的电压混频电路、电压滤波电路、电压放大整形电路。
电流信号预处理模块包括依次连接的电流混频电路、电流滤波电路、电流放大整形电路。
因采样电流信号也是以电压信号的方式体现的，本申请以电压信号预处理模块进行说明，电流信号的预处理以此类推。
电压混频电路包括乘法器，如图5所示，将射频信号RF_U与本振信号LO_U输入乘法器，乘法器输出信号MIX_U，即为所需混频信号。
电压滤波电路用于进行低通滤波，如图6所示，包括π型滤波电路，由二个电感与三个电容组成5阶低通滤波器，滤除掉混频信号中的高频成分。
第一电感L2、第三电容C3、第四电容C4组成第一π型滤波电路，第二电感L3、第四电容C4、第五电容C5组成第二π型滤波电路，二个滤波电路实现了对混频信号的滤波。
电压放大整形电路包括放大电路与整形电路，放大电路，如图7所示，包括放大电路芯片U1、第二电阻R2、第三电阻R3，第二电阻R2的数值和第三电阻R3的数值决定放大倍数。
整形电路包括反相电路和异或电路，反相电路采用反相器，用于对放大电路输出的放大信号进行反相运算。
异或电路采用异或门，如图8所示，用于对电流信号和电压信号进行异或逻辑运算，得到整形后信号。
处理器模块包括处理器芯片和存储器，用于对采样信号进行模数转换、数字信号处理、与外部通讯和存储。
在本申请的一个具体实施例中，处理器芯片选用高性能、低功耗的16位定点数字信号处理器（digital Signal Processor， DSP），能够满足天线调谐电路自动调谐算法的运行要求，处理器芯片集成有模数转换A/D、I2C(Inter-Integrated Circuit)、SPI（串行外设接口Serial Peripheral interface）、串行通信接口（SCI serial communicationinterface）等外设功能，模数转换A/D用于将采集到的模拟电压信号、模拟电流信号转换为对应的数字信号，I2C用于与驱动电路模块进行串行通讯，SPI用于与预处理模块进行串行通信，控制产生所需调谐信号；SCI作为对外通信接口，接收发射机或上位机指令。静态随机存取存储器SRAM用于扩展内存，方便软件调试和后期的软件扩容升级。
驱动电路模块包括依次连接的I/O扩展芯片、大电流驱动芯片，I/O扩展芯片用于扩展输入/输出接口，对处理器模块的输出接口进行扩展；大电流驱动芯片用于根据天调控制单元的控制信号，输出驱动信号，给射频匹配单元，用于给射频匹配单元中的各继电器提供足够的驱动电流，保证继电器可靠动作，执行控制信号。
射频匹配单元包括至少一个变压器、至少一个电容、至少一个电感、至少一个继电器。各继电器根据驱动信号，选择合理参数的变压器、电容、电感，形成不同的匹配电路组合。
如图9所示，只示出了一个变压器、一个电容、一个电感的情况，通过继电器选定多个变压器、电容、电感中的至少一个元器件，组成匹配电路。
选定变压器T1的初级用于连接射频输入信号，其次级用于通过继电器K1连接选定电容C6的一端，选定电容C6的另一端通过继电器K2连接选定电感L4的一端，选定电感L4的另一端用于进行射频信号输出。
在匹配参数时，电容或/和电感的数值存在为零的情况，这时，短路掉数值为零的元器件。
若电容和电感的数值都为零，则选定变压器T1的次级输出射频信号。
若电感的数值为零，则选定变压器T1的次级用于输出射频信号。
至少一个变压器由组合变比的变压器形成，采用可调电感器，用于形成至少一个电感，由一组二分法确定的电容形成至少一个电容。
由天线阻抗确定选定电容和选定电感的具体数值，天线阻抗一般用复数形式表示，包括阻值和抗值，根据天线阻抗的这种特性，射频匹配单元的方案按照分别匹配阻值与抗值设计。由选定电容、选定电感组成的串联网络，用于匹配天线端的抗值，选定变压器用于匹配天线阻值。
本申请的一种中长波自动天线调谐系统，如图10所示，包括天调系统、发射机、接收机和天线，天调系统包括本申请所述天线调谐电路，天调系统的输入与发射机输出连接，其输出连接天线，用于将工作频点的天线阻抗调谐为发射机所要求的阻抗，如50欧姆；接收机用于接收无线信号，发射机用于输出发射信号，天调系统用于根据需要发射信号的频率，调整其输入阻抗与发射机输出阻抗匹配。
本系统对天线全频段自动调整匹配，使发射机输出端口所连接有效负载的VSWR≤1.5，并尽量接近纯阻状态，提高发射机传输至天线的有效发射功率。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种中长波自动天线调谐电路，其特征在于：包括信号采样单元、射频匹配单元、天调控制单元，信号采样单元分别与射频匹配单元、天调控制单元连接，天调控制单元与射频匹配单元连接，信号采样单元用于采集工作频率点天线阻抗对应的电信号，天调控制单元用于对采样信号进行运算，并根据运算结果输出相应驱动信号给射频匹配单元，射频匹配单元用于根据驱动信号，调整电路参数，以实现天线调谐电路的输入阻抗与发射机输出阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述中长波自动天线调谐电路，其特征在于：信号采样单元包括电压信号采样电路和电流信号采样电路，电压信号采样电路用于采样射频输入信号的电压，电流信号采样电路用于采样射频输入信号的电流。
3.根据权利要求1所述中长波自动天线调谐电路，其特征在于：天调控制单元包括依次连接的信号预处理模块、处理器模块、驱动电路模块，信号预处理模块用于对电信号进行处理，得到预处理信号并传递给处理器模块，处理器模块对预处理信号进行数字化及运算处理，得到控制信号并传输给驱动电路模块，处理器模块还用于与外界通讯；驱动电路模块用于根据控制信号输出驱动信号。
4.根据权利要求3所述中长波自动天线调谐电路，其特征在于：信号预处理模块包括依次连接的混频电路、滤波电路、放大整形电路，用于将采样电信号与本振信号进行混频，通过滤波电路得到差频信号，对差频信号进行放大整形和逻辑运算，得到预处理信号。
5.根据权利要求4所述中长波自动天线调谐电路，其特征在于：放大整形电路包括依次连接的放大电路、反相电路、异或电路，用于对滤波后的信号进行放大整形。
6.根据权利要求3所述中长波自动天线调谐电路，其特征在于：处理器模块包括控制芯片，用于对采样信号进行模数转换、数字信号处理、存储和与外部通讯。
7.根据权利要求3所述中长波自动天线调谐电路，其特征在于：驱动电路模块包括I/O扩展芯片、大电流驱动芯片，I/O扩展芯片用于扩展输入输出接口，大电流驱动芯片用于根据天调控制单元的控制信号，输出驱动信号，给射频匹配单元。
8.根据权利要求1所述中长波自动天线调谐电路，其特征在于：射频匹配单元包括至少一个变压器、至少一个电容、至少一个电感、至少一个继电器，根据天调控制单元的驱动信号，控制各继电器动作，选择需要的变压器数值、电容数值、电感数值，组成匹配电路，选定变压器的初级用于连接射频输入，次级一端依次连接选定电容、选定电感；选定电感的输出，或选定电容的输出，或变压器次级的输出，用于连接射频输出。
9.根据权利要求8所述中长波自动天线调谐电路，其特征在于：采用可调电感器，用于形成至少一个电感，由组合变比的变压器形成至少一个变压器，由一组二分法确定的电容形成至少一个电容；由选定电容、选定电感组成的串联网络，用于匹配天线端的抗值；选定变压器用于匹配天线阻值，形成阻抗匹配。
10.一种中长波自动天线调谐系统，其特征在于：包括天调系统、发射机、接收机和天线，天调系统包括权利要求1-9任一所述天线调谐电路，天调系统的输入与发射机输出连接，其输出连接天线；接收机用于接收无线信号，发射机用于输出发射信号，天调系统用于根据需要发射信号的频率，调整其输入阻抗与发射机输出阻抗匹配。
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