一種新型短波矢量阻抗檢測設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

鄒晶晶

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

在短波發(fā)信機(jī)種，天線調(diào)諧器作為功放與天線間的匹配設(shè)備，通過檢測天線負(fù)載的阻抗調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使得功放與天線間阻抗得到良好匹配，提高短波發(fā)射系統(tǒng)的功率傳輸效率，避免功放與天線間因阻抗失配導(dǎo)致反射功率過大而損壞發(fā)射系統(tǒng)。矢量阻抗檢測模塊是天線調(diào)諧器的關(guān)鍵模塊，是天調(diào)執(zhí)行調(diào)諧算法的基礎(chǔ)，其檢測精度直接決定了天調(diào)的調(diào)諧精度。高精度矢量阻抗檢測技術(shù)可在短波全頻段提供準(zhǔn)確的負(fù)載阻抗檢測，是實(shí)現(xiàn)快速、高精度天調(diào)調(diào)諧器的關(guān)鍵技術(shù)[1]。短波頻段內(nèi)矢量阻抗檢測技術(shù)通常存在兩種電路處理構(gòu)架：一是變頻處理構(gòu)架，二是射頻直采處理構(gòu)架。

1 變頻構(gòu)架矢量阻抗檢測

1.1 檢測原理

變頻處理構(gòu)架的工作原理[2]如下：射頻信號(hào)下變頻后，通過ADC采樣低頻信號(hào)，獲取與負(fù)載相關(guān)的電壓、電流矢量信號(hào)，基于矢量阻抗定義式

計(jì)算求得負(fù)載阻抗。該種方式直觀，且阻抗幅角即是電壓、電流信號(hào)的相位差。電壓、電流矢量信號(hào)獲取方式一般采用耦合器完成，變壓器耦合射頻電壓信號(hào)，電流耦合器耦合通過負(fù)載的電流信號(hào)，為降低耦合器本身對負(fù)載阻抗的影響，一般耦合系數(shù)相對較小，耦合信號(hào)需通過放大后再進(jìn)行后續(xù)下變頻、濾波等處理得到中頻信號(hào)，中頻信號(hào)經(jīng)放大、濾波處理后進(jìn)行低頻采樣，在數(shù)字域中提取低頻采樣信號(hào)的幅度、相位信息，計(jì)算得到阻抗值，其處理構(gòu)架如圖1所示。

圖1 變頻構(gòu)架矢量阻抗檢測原理

1.2 矢量阻抗計(jì)算方法

耦合器耦合與負(fù)載相關(guān)的電壓、電流射頻信號(hào)：

在射頻耦合器中，電壓耦合器為變壓器，電流耦合器為線圈互感器[3]，其耦合后的電壓、電流與調(diào)諧信號(hào)的關(guān)系可表示為：

式中NL為耦合器線圈匝數(shù)比，M為電流耦合器的互感，L為電流耦合器的自感，且L/M=NL，R為耦合器取樣電阻。

經(jīng)混頻器下變頻后，得到中頻電流電壓采樣信號(hào)：

A/D采樣后的離散樣點(diǎn)信號(hào)可表示為：

計(jì)算離散信號(hào)的幅值：

最后得到阻抗：

檢測到的實(shí)際矢量阻抗為：

變頻構(gòu)架下的矢量阻抗檢測處理電路較為復(fù)雜，中頻采樣后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算負(fù)載阻抗，數(shù)據(jù)處理中提取電流、電壓信號(hào)幅度、相位特性需進(jìn)行希爾伯特變換，算法復(fù)雜度高。此外，由于工程實(shí)現(xiàn)中，耦合器存在固有頻率特性，兩路射頻處理電路處理的不平衡性，對阻抗檢測誤差造成較大影響（誤差在5%～10%）。此種檢測方式中感性耦合器尺寸大、電路復(fù)雜、功耗高，在體積、功耗受限的設(shè)備中難以實(shí)現(xiàn)。

2 射頻直采構(gòu)架矢量阻抗檢測

2.1 檢測特點(diǎn)

針對變頻處理構(gòu)架下短波矢量阻抗檢測器電路復(fù)雜、體積大、功耗高、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度高等問題，本文在電路處理構(gòu)架、數(shù)據(jù)處理算法兩方面提出改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種短波射頻直采橋式矢量阻抗檢測（以下簡稱“橋式檢測”）方法。與傳統(tǒng)方法相比，表征負(fù)載阻抗的電壓、電流信號(hào)不經(jīng)過下變頻處理，直接進(jìn)入高速ADC進(jìn)行采樣，在數(shù)字域進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到負(fù)載阻抗。該種檢測方式下，不存在耦合器、下變頻等處理電路，電路復(fù)雜度降低，可實(shí)現(xiàn)低功耗、小體積設(shè)計(jì)，與變頻構(gòu)架檢測電路相比，具有如下特點(diǎn)：

（1）硬件電路實(shí)現(xiàn)上，基于射頻直采電路構(gòu)架，無感性耦合器、混頻器、濾波器、放大器等部件，縮小檢測電路模塊體積、功耗，降低外圍電路引入的檢測誤差；

（2）采用短波頻率特性較好的純電阻網(wǎng)絡(luò)代替電壓、電流耦合器，降低耦合器頻率特性造成的檢測誤差；

（3）在數(shù)據(jù)處理算法上，直接對采樣數(shù)據(jù)處理，無需對數(shù)據(jù)進(jìn)行下變頻、希爾伯特變換等處理，處理算法簡潔、高效。

2.2 檢測原理

橋式檢測電路構(gòu)架如圖2所示。

圖2 橋式檢測電路構(gòu)架

檢測電路由參考橋接阻抗Z0及信號(hào)取樣電路構(gòu)成，對于任意負(fù)載Z=R+jX，可假設(shè)流過Z0的電流也流入了負(fù)載ZL，有如下公式成立：

其中，

信號(hào)取樣電路中R1、R2為純阻，當(dāng)R1、R2遠(yuǎn)大于ZL時(shí)，取樣后不影響檢測信號(hào)在參考橋接阻抗Z0兩端的相位，只在幅度上等比例縮小，因此，矢量電壓之比可用表示為：

其中|U0|、|U1|取樣信號(hào)幅度，φ0-φ1為相位差。對進(jìn)行直接采樣，通過對樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的分析處理，提取相位、幅度信息，可計(jì)算得到負(fù)載阻抗ZL。

由此可見，只需求得檢測器Z0前后兩端的電壓向量，即可得到負(fù)載ZL。由于①基于流過Z0的電流也流過ZL，這就需要U1支路的引入不影響ZL的值，即U1支路的阻抗遠(yuǎn)大于負(fù)載支路阻抗。

基于樣點(diǎn)數(shù)據(jù)提取兩路信號(hào)的幅度、相位信息，帶入阻抗計(jì)算公式⑥得到負(fù)載阻抗值。兩路采樣信號(hào)的幅度可由樣點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算均方根值得到。信號(hào)的相位差分兩步進(jìn)行：第一步求相位差絕對值|φ0-φ1|，第二步求判定U0與U1的超前/滯后關(guān)系，確定相位差符號(hào)。

|φ0-φ1|的求取基于相關(guān)分析法。兩路采樣信號(hào)U0(n)與U1(n)可表示為：

其中TS為采樣周期。其互相關(guān)函數(shù)

相位超前滯后的判定基于統(tǒng)計(jì)思想，通過判定兩路信號(hào)極大值出現(xiàn)的時(shí)刻，并統(tǒng)計(jì)極大值出現(xiàn)時(shí)刻，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，判定相位差符號(hào)。極大值的定義為：在一段連續(xù)采樣的區(qū)間內(nèi)，若區(qū)間中某個(gè)點(diǎn)的值大于區(qū)間內(nèi)前序所有點(diǎn)的值，同時(shí)大于區(qū)間內(nèi)后序所有點(diǎn)的值，則此點(diǎn)稱為序列的一個(gè)極大值點(diǎn)?？紤]到采樣的誤差，區(qū)間的長度隨調(diào)諧信號(hào)的頻率而發(fā)生變化。比較極大值點(diǎn)所處的時(shí)間軸（采樣后的序列ID），先出現(xiàn)極大值的點(diǎn)定義為序列的相位超前點(diǎn)，后出現(xiàn)極大值的點(diǎn)定義為序列相位滯后點(diǎn)，若極大值的ID相同，則丟棄。統(tǒng)計(jì)相位超前、滯后點(diǎn)數(shù)，若相位超前的點(diǎn)數(shù)多于相位滯后的點(diǎn)數(shù)，則判定為相位超前，相位差符號(hào)為“+”；若相位滯后的點(diǎn)數(shù)多于相位超前的點(diǎn)數(shù)，則判定為相位滯后，相位差符號(hào)為“-”。

以下舉例說明相位計(jì)算過程。如圖3為檢測信號(hào)為2 MHz、樣點(diǎn)數(shù)位128時(shí)數(shù)據(jù)。

圖3 相位計(jì)算舉例

圖3（上）位時(shí)域信號(hào)，圖3（中）為樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，圖3（下）兩路信號(hào)極大值（非0點(diǎn)）序列。通過式⑨計(jì)算可得相位差絕對值

U0極大值點(diǎn)與U1極大值點(diǎn)數(shù)相同，且均滯后于U1，相位差判定為滯后，相位差符號(hào)位“-”，因此，最終相位差

3 橋式檢測器仿真

3.1 檢測精度仿真

借助Multisim仿真軟件，提取示波器時(shí)域樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，樣點(diǎn)速率為65 MHz，基于采樣點(diǎn)計(jì)算負(fù)載阻抗，仿真原理如圖4所示。

圖4 矢量阻抗檢測電路Multisim仿真原理

輸出仿真數(shù)據(jù)，借助Matlab軟件計(jì)算負(fù)載阻抗。時(shí)域輸出波形如圖5所示。

圖5 矢量阻抗檢測時(shí)域波形（Z0=50Ω）

根據(jù)③式計(jì)算得到的負(fù)載阻抗Z=31.17-j52.65，與理想值32-j53.05吻合接近。當(dāng)負(fù)載阻抗變化（純感、純?nèi)?、感性?fù)載、容性負(fù)載）時(shí)，采用上述相同方法，對比不同頻率點(diǎn)下橋式檢測阻抗與理論阻抗，如表1所示。

從以上仿真數(shù)據(jù)可以看出，在全頻段內(nèi)，橋式檢測阻抗與理論阻抗誤差百分比不超過2%，檢測精度優(yōu)于傳統(tǒng)檢測方法（5%～10%）。

3.2 檢測誤差分析

在工程實(shí)現(xiàn)中，采樣數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)會(huì)存在偏差，有必要對采樣數(shù)據(jù)的偏差對計(jì)算引入的誤差進(jìn)行分析，以評(píng)估該誤差是否在可接受范圍內(nèi)。

表1 理論負(fù)載阻抗與橋式檢測阻抗仿真對比（樣點(diǎn)數(shù)量512，采樣速率65 MHz）

對固定的相位差φ0=-π/9，U0=1，U1=0.2，每個(gè)采樣點(diǎn)存在幅度為5%的隨機(jī)偏差，總樣點(diǎn)數(shù)為512，采樣速率為65 MHz，在2～30 MHz內(nèi)以掃頻方式（步進(jìn)為100 kHz），誤差分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 樣點(diǎn)偏差幅度為5%誤差分析

當(dāng)每個(gè)樣點(diǎn)的隨機(jī)偏差幅度為10%時(shí)，誤差分析如圖7所示。

圖7 樣點(diǎn)偏差幅度為10%誤差分析

從以上誤差分析可以看出，當(dāng)樣點(diǎn)偏差在5%時(shí)，計(jì)算的相位誤差小于2%，幅度誤差小于1%；當(dāng)樣點(diǎn)偏差在10%時(shí)，計(jì)算的相位誤差小于5%，幅度誤差小于2%。

4 結(jié) 語

矢量阻抗檢測模塊作為天線調(diào)諧器的關(guān)鍵模塊，是天調(diào)執(zhí)行調(diào)諧算法的基礎(chǔ)，其檢測精度直接決定了天調(diào)的調(diào)諧精度。本文分析了傳統(tǒng)短波矢量阻抗檢測器的檢測原理及存在問題，提出一種新型橋式檢測器的設(shè)計(jì)方法，該檢測方法具有電路復(fù)雜度低、低功耗、小體積等特點(diǎn)，處理算法簡潔、高效。通過Multisim與Matlab進(jìn)行聯(lián)合仿真，驗(yàn)證了新型阻抗檢測器的可行性，并對采樣數(shù)據(jù)存在隨機(jī)偏差時(shí)引入的檢測誤差進(jìn)行定量分析。