矢量天調(diào)鄰域搜索微調(diào)算法*

羅 磊，李 路，陽(yáng) 睿，陳良良

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

短波通信是現(xiàn)代遠(yuǎn)距離通信的重要通信手段，具有距離遠(yuǎn)、抗毀能力和自主通信能力強(qiáng)、運(yùn)行成本低的優(yōu)點(diǎn)。在衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信快速發(fā)展的今天，短波通信不僅沒有被淘汰，還在快速發(fā)展[1]，成為軍事部門及其它機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)距離通信和指揮的重要工具。隨著電子技術(shù)發(fā)展，短波天線種類日益繁多，電磁環(huán)境越加復(fù)雜，在發(fā)射機(jī)與天線之間使用天線調(diào)諧器，通過(guò)天線調(diào)諧器來(lái)人為的實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)與天線的完全匹配[2]，是提高短波天線的發(fā)射效率最有效的方法。矢量天線調(diào)諧器（簡(jiǎn)稱矢量天調(diào)）是近年發(fā)展的新型天線調(diào)諧器，采用全新的矢量檢測(cè)電路和矢量調(diào)諧算法，具有調(diào)諧精度高、調(diào)諧時(shí)間短等特點(diǎn)[3]。正逐漸成為天線調(diào)諧器發(fā)展的主要方向。

矢量天調(diào)依據(jù)準(zhǔn)確的阻抗檢測(cè)來(lái)配置阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。理論上只需要根據(jù)檢測(cè)出的目標(biāo)阻抗值就可以直接計(jì)算出需要的阻抗網(wǎng)絡(luò)器件，完成天線的適配。但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，因?yàn)槠骷`差、電磁干擾、溫度變化等因素，不可避免造成計(jì)算參數(shù)與實(shí)際參數(shù)之間存在誤差。這種誤差會(huì)造成計(jì)算出來(lái)的調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)并非理想的調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，需要對(duì)調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修正調(diào)整。

本文提出一種改良的鄰域搜索算法，來(lái)解決矢量天調(diào)配置匹配網(wǎng)絡(luò)后的微調(diào)修正。

1 矢量天調(diào)阻抗匹配步驟及誤差因素

目前矢量天調(diào)采用的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的形式包括基本型Г形和反Г形及其擴(kuò)展型Π形匹配網(wǎng)絡(luò)，以Π形為例，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 矢量天調(diào)Π型匹配網(wǎng)絡(luò)

圖1中CV1與LV1組成Г型匹配網(wǎng)絡(luò)，為天調(diào)主調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，完成阻抗的精確匹配。

CV2和CV3的作用是將Г型匹配網(wǎng)絡(luò)匹配區(qū)域外的負(fù)載點(diǎn)變換到匹配區(qū)域內(nèi)，該過(guò)程為粗調(diào)，對(duì)精度沒有高的要求。

調(diào)諧步驟為：

（1）調(diào)整CV2和CV3，使天調(diào)網(wǎng)絡(luò)處于可調(diào)諧區(qū)。

（2）計(jì)算所需電感量并配置電感器件（LV1）。

（3）計(jì)算所需電容量并配置電容器件（CV1）。

步驟中第一步對(duì)計(jì)算精度要求較低，誤差主要發(fā)生在第二步和第三步。引發(fā)誤差的因素主要有以下幾點(diǎn)：

（1）器件誤差：目前常用的電感器件精度為±5%，也就是說(shuō)電感標(biāo)稱值與實(shí)際值之間有士5%的誤差。由于計(jì)算電感在前，這部分誤差帶入計(jì)算電容公式后，會(huì)引發(fā)更大的誤差。

（2）寄生參數(shù)：在短波頻段，電路板走線，電感和繼電器不是理想的器件，而是帶有r、l、c寄生參數(shù)的互聯(lián)，等效模型如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 連接線寄生參數(shù)示意圖

圖3 電感寄生參數(shù)示意圖

圖4 繼電器寄生參數(shù)示意圖

（3）外部環(huán)境：矢量天調(diào)外部工作環(huán)境也會(huì)影響到阻抗網(wǎng)絡(luò)精度，如工作溫度變化，電磁干擾等等，這些因素往往無(wú)法避免。

2 鄰域搜索算法

為了使矢量天調(diào)達(dá)到一個(gè)比較理想的調(diào)諧成功率，阻抗網(wǎng)絡(luò)計(jì)算后，需要對(duì)CV1與LV1進(jìn)行微調(diào)修正。微調(diào)算法作為矢量天調(diào)最后一步補(bǔ)救措施，必須有很好的異常狀態(tài)處理能力。在對(duì)比多種搜索算法后，選定鄰域搜索算法作為微調(diào)算法。鄰域搜索算法是一種簡(jiǎn)單、有效的局部搜索算法，而且抗異常狀態(tài)能力強(qiáng)，在矢量數(shù)據(jù)誤差很大的情況下也能夠完成調(diào)諧修正。

鄰域搜索的基本原理如下：

從一個(gè)初始基點(diǎn)開始，持續(xù)地在基點(diǎn)的鄰域中搜索比基點(diǎn)更優(yōu)的點(diǎn)，若找到比基點(diǎn)更優(yōu)的點(diǎn)，則用這個(gè)點(diǎn)取代基點(diǎn)成為新的基點(diǎn)，繼續(xù)上述過(guò)程，直到在基點(diǎn)的鄰域中找不到更優(yōu)點(diǎn)或達(dá)到最大調(diào)諧步數(shù)為止[4]。

設(shè)定基點(diǎn)的CV1與LV1阻抗網(wǎng)絡(luò)配置為Z=L+C，其中L為電感配置，C為電容配置，在基點(diǎn)周圍可劃分為8個(gè)點(diǎn)。如圖5所示，對(duì)鄰近的8個(gè)點(diǎn)（圖中空心小圈表示）按照一定順序搜索，期間如果找到比基點(diǎn)更優(yōu)的點(diǎn)，則設(shè)置該點(diǎn)位新的基點(diǎn)，重新開始下一輪搜索。如果沒有找到更優(yōu)的點(diǎn)，則改變步進(jìn)，重新開始新一輪搜索（圖5中實(shí)心方塊所示）。

圖5 鄰域搜索算法示意

通過(guò)基本的鄰域搜索算法，只要周圍存在比基點(diǎn)更優(yōu)的點(diǎn)就可以被找到，實(shí)現(xiàn)矢量天線調(diào)諧器的修正匹配。不過(guò)實(shí)際應(yīng)用中，矢量天線調(diào)諧器對(duì)調(diào)諧時(shí)間有要求，不可能留給微調(diào)算法太多的搜索步驟。故需要對(duì)傳統(tǒng)鄰域搜索算法進(jìn)行改良。

進(jìn)行鄰域搜索算法時(shí)，影響搜索時(shí)間的主要有搜索步進(jìn)和搜索方向兩個(gè)因素，要提高搜索效率，需要結(jié)合實(shí)際情況對(duì)這兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：

（1）搜索步進(jìn)

合理的搜索步進(jìn)可以減少搜索的次數(shù)，如果搜索的步進(jìn)較小，則搜索的效率會(huì)降低且容易陷入局部最優(yōu)解（在低頻段容易發(fā)生）；如果搜索的步進(jìn)較大，則容易越過(guò)全局最優(yōu)解（在高頻段容易發(fā)生）。

如圖6所示，如果步進(jìn)太小，則容易陷入中等駐波區(qū)域，如果步進(jìn)太大，則可能越過(guò)低駐波區(qū)域。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，步進(jìn)的選擇影響因素可以參考頻率與當(dāng)前駐波比。大體原則為：在駐波比較小的時(shí)候，目標(biāo)點(diǎn)位大概率在附近，應(yīng)選擇較小的步進(jìn)；駐波比較大的時(shí)候，目標(biāo)點(diǎn)位大概率比較遠(yuǎn)，應(yīng)選擇較大的步進(jìn)。低頻的時(shí)候使用器件較多，使用較大的步進(jìn)，高頻的時(shí)候使用器件較少，使用較小的步進(jìn)。

圖6 一種駐波比區(qū)域分布

如果搜索一輪都沒有找到下一個(gè)基點(diǎn)，則擴(kuò)大步進(jìn)進(jìn)行下一輪搜索。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整搜索步進(jìn)，既提高了效率，又避免了陷入局部最優(yōu)解和越過(guò)全局最優(yōu)解。

（2）搜索方向

合理規(guī)劃搜索方向，可以極大提高搜索效率。假設(shè)從初始點(diǎn)到最優(yōu)點(diǎn)需要經(jīng)過(guò)5次基點(diǎn)改變，則最多需要進(jìn)行40次搜索，最少則只需要5次。如果使用固定的搜索方向，由于每一輪搜索都有八個(gè)方向可以選擇，按照概率平均4到5次搜索時(shí)達(dá)到新的基點(diǎn)，則需要20～25次搜索。通過(guò)對(duì)基點(diǎn)變化統(tǒng)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)基點(diǎn)變化并非毫無(wú)規(guī)律，前幾次變化的方向有很大概率相同。所以如果根據(jù)前1次基點(diǎn)改變方向確定下一次搜索的起始方向，可以有效減少總的搜索次數(shù)。如圖7中，進(jìn)行5次基點(diǎn)改變，總搜索步驟大概為10次左右。

圖7 一種典型的搜索過(guò)程

綜上，可以設(shè)計(jì)算法流程如下：

（1）計(jì)算阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，并將計(jì)算結(jié)果CV1與LV1作為初始基點(diǎn)。

（2）根據(jù)當(dāng)前駐波比、頻率及搜索次數(shù)選定搜索步進(jìn)。

（3）第一輪搜索可根據(jù)基點(diǎn)阻抗值確定初始搜索方向，后續(xù)搜索初始搜索方向?yàn)榍?次基點(diǎn)改變方向。

開始一輪搜索。

（4）如果有更優(yōu)的點(diǎn)則變更基點(diǎn)，并判定是否滿足調(diào)諧要求，如果滿足則退出調(diào)諧，否則重復(fù)步驟（2）；如果沒有更優(yōu)的點(diǎn)，則變更步進(jìn)，重復(fù)步驟（3）。

（5）中途如果達(dá)到最大搜索步數(shù)則結(jié)束搜索，采用最后一次基點(diǎn)為搜索結(jié)果。

3 算法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證領(lǐng)域搜索算法的有效性，我們對(duì)10 m短波鞭狀天線進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，分別采用直接計(jì)算阻抗網(wǎng)絡(luò)和采用鄰域搜索算法微調(diào)計(jì)算后的阻抗網(wǎng)絡(luò)，對(duì)部分頻點(diǎn)進(jìn)行抽樣測(cè)試，測(cè)試調(diào)諧結(jié)果如圖8所示。

圖8 直接計(jì)算和經(jīng)過(guò)微調(diào)后駐波比對(duì)比

可見因?yàn)檎`差的關(guān)系，直接計(jì)算有部分頻點(diǎn)不能達(dá)到要求，經(jīng)過(guò)領(lǐng)域搜索算法微調(diào)之后，所有頻點(diǎn)均達(dá)到要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用改良的鄰域搜索算法對(duì)矢量天調(diào)的匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行微調(diào)修正，可以有效提高調(diào)諧成功率和調(diào)諧精度。不過(guò)采用鄰域搜索算法進(jìn)行微調(diào)，對(duì)調(diào)諧時(shí)間會(huì)有一定延長(zhǎng)，如果對(duì)調(diào)諧時(shí)間要求較高，可采用預(yù)先校準(zhǔn)等方法提高阻抗網(wǎng)絡(luò)計(jì)算精度， 使鄰域搜索的初始基點(diǎn)更接近目標(biāo)值，以減少搜索次數(shù)提高調(diào)諧速度。