王孝华;李丽华;翟琦;王永斌
【摘 要】针对现有长波发信系统中的调谐装置复杂、手动操作繁琐的不足,利用调谐匹配网络和微处理器实现长波天线自动调谐.具体地,利用FEKO对天线的阻抗特性进行仿真分析,选择了合适的Γ型调谐匹配网络,并根据仿真数据确定了调谐匹配网络的元件参数;利用串联2次电感计算阻抗参数的检测方式,提高了检测精度;最后,提出并仿真了比较步进和基于遗传算法的两种调谐算法,同时从调谐的精确度、匹配所需的迭代次数等角度进行了分析.结果表明,基于遗传算法的调谐方法相比于比较步进的方法,速度更快,但精确度略有下降. 【期刊名称】《通信技术》
【年(卷),期】2018(051)012
【总页数】8页(P2853-2860)
【关键词】长波天线;阻抗特性;自动调谐;遗传算法木材烘干
自动包装机器人【作 者】王孝华;李丽华;翟琦;王永斌
【作者单位】海军工程大学 电子工程学院,湖北 武汉430033;海军工程大学 电子工程学院,湖北 武汉430033;海军工程大学 电子工程学院,湖北 武汉430033;海军工程大学 电子工程学院,湖北 武汉430033
【正文语种】中 文
喷墨纸【中图分类】TN822+.1
0 引 言
长波作为一种传播稳定、对海水有较强穿透能力的电磁波，常用于授时、导航、对潜艇和远洋水面舰船发信。在长波波段，一般选择垂直型、倒L 型、T型、伞型垂直接地天线。由于长波波长在103～104 m数量级，相对天线本身长度大，是电小天线。它的输入容抗大，容易产生阻抗失配问题，严重影响信号或能量的传输质量，降低了天线系统效率，还会带来许多不良影响。例如，信号会在传输线上形成驻波，导致温度过高，甚至损坏发射设备，产生振荡、辐射干扰等。因此，必须在天线与发射机之间接入调谐装置，实现阻抗匹
配。
阻抗匹配的方式有两种：一种是共轭匹配，即负载阻抗等于信号源内阻抗的共轭值，此时负载上能够获得最大传输功率，称为最大输出功率匹配；另一种是传输匹配，即负载、传输线特性阻抗以及信号源内阻三者相等，此时信号传输到负载上，完全被负载吸收无反射波，又称为无反射匹配。
目前，长波天线的调谐研究[1-2]相关内容较少，主要集中于大功率天线的机械调谐方式。短波电台调谐研究[3-7]较多，调谐方法与长波不同，利用阻抗匹配网络实现调谐。利用阻抗匹配网络的好处是可以利用自动控制电路和算法实现快速准确的调谐。
推板炉利用短波自动调谐网络的思路，对长波天线调谐的方法展开深入研究，可以实现与发射机功放端输出阻抗匹配，并能够实时跟踪阻抗变化情况，快速做出相应调整，使系统效率保持在较高水平，保证能量最大限度地辐射。
1 直立长波天线阻抗特性
在长波波段，由于波长较长，天线架设高度受到限制。若采用水平悬挂的天线，受地的负
镜像作用，天线的辐射能力很弱，且在此波段主要采用地面波传播。由于地面波传播时，水平极化波的衰减远大于垂直极化波，因此在长波波段主要使用垂直接地的直立天线，也称单极天线[8]。
图1是利用FEKO软件对一种典型的长波单极天线模型的阻抗特性进行仿真的结果。天线选取长度1 600 m、线径35 mm的铜导线。从仿真结果可以看出，天线在46.875 kHz（即天线电长度为λ/4）时达到第一谐振点，在93.75 kHz（即天线电长度为λ/2）时达到第二谐振点。由于在第二谐振点附近天线阻抗变化剧烈，不便于调谐匹配，因此在选择发信频率时，倾向于选择在第一谐振点附近。在频率小于第一谐振频率时，天线呈容性。为了达到共轭匹配，接入电感使虚部接近0，然后利用变压器、电容或电阻，使实部匹配到功放端的50 Ω输出阻抗，从而达到最大输出功率匹配。
图1 典型长波单极天线阻抗特性
通过天线阻抗特性曲线，关注到阻抗实部在第一谐振点以下变化平缓，在30～45 kHz为14.873～37.747 Ω。这一频段内变化平稳，便于将实部匹配到50 Ω。因此，确定自动调谐器的工作频率范围为30～45 kHz。同时，阻抗虚部为-391.53～-13.245 Ω，将这一频段每
隔1 kHz的阻抗值标注在Smith图上，如图2所示。
陶瓷纤维管
2 调谐匹配网络
常见的匹配网络结构包括Г型、T型和П型，其中由L（串联）和C（并联）组成的Г型匹配网络为最基本的网络型式，结构如图3所示，匹配区域如图4所示阴影区域。
通过FEKO仿真得到的数据，可以对Г型网络的电感、电容参数进行估计。30～45 kHz天线呈容性，因此可以将其简化为如图4所示的结构形式。其中，Za=Ra+jXa为天线输入阻抗，X1为电抗元件的电抗，Zin=Rin+jXin为匹配后的阻抗。当天线呈容性时，满足：
图2 典型长波单极天线阻抗值
若要使Z1呈纯阻性，则需Xa+X1=0，即X1=-Xa。在 f=30 kHz时，Xa=-391.53 Ω，X1=2πXL， 可 得L=2 077.5 μH，从而估算出天线呈容性时需要的最大电感为2 077.5 μH。
图3 Г型网络结构
3 基于比较步进算法的自动调谐
通常情况下，长波发信系统的功率很大，可达到十几千瓦甚至上兆瓦，检测模块都需要进行适当的取样变换。电压检测可以直接通过电阻或者电容分压进行检测，电流检测则需要电流互感器将电流转化为电压信号进行测量，阻抗检测需要通过电压、电流值进行计算求得，且只能得到其模值，满足：
若想要得到阻抗的实部和虚部，必须得到电压和电流的相位，满足：
天线上功率过大导致无法直接测量，利用电阻电容分压、电流互感器转换等过程会引起部分相位变化，使得计算的阻抗实部和虚部会产生较大误差。因此，不采用直接计算天线阻抗实部虚部的方法进行调谐检测。
可以通过判断天线上电流达到最大值的方法表明天线获得了最大功率。调谐过程中，把调谐过程分为电抗抵消和电阻匹配两个部分，先进行电抗抵消，后进行电阻匹配。抵消电抗时，通过串联电感改变匹配网络的电抗部分，不改变电阻部分，使天线的容抗和匹配网络中感抗互为共轭。此时，阻抗的模值|Z|达到最小值，而功放端的输出功率恒定，因而电流I
=P/|Z|2达到最大。此时，电抗近似为0。然后，通过变压器使电阻部分匹配，最终达到调谐匹配。
图4 Г型网络匹配区域
匹配网络中有8个电感，可以实现8.65～2 191.65 μH范围内电感量的组合28个。用二进制串表示一种电感组合，“0”表示短路该电感，“1”表示串联该电感。
采用比较步进的方法，是指每次选取电感值中值附近的两组电感组合串入，并分别测量电流值，确定最佳调谐匹配位于中值左侧还是右侧，逐步缩小电感组合范围，最终精确到最佳调谐匹配的电感组合并锁定，表示调谐成功。该算法流程如图5所示。
比较步进的方法可以大大减少接入和测量的组合数量。假设N表示电感数量，比较步进的方法只需要切换和测量2N+1次。与遍历需要2N+1次相比，它的电感数量越多，循环次数呈指数下降，其优势越明显。
图5 比较步进算法流程
4 基于遗传算法的自动调谐
基于电流值最大的自动调谐在每次切换电感组合后都要进行一次天线电流值的测量。电路中电感数量多，天线上电压电流大，每次测量都需要少量的时间等待电压电流稳定。大电压下，继电器的触点间也容易产生电火花和电弧，导致电路中元器件的损坏。多次的切换也会影响继电器的使用寿命。基于电流值最大的方法需要控制天线阻抗实部保持不变，将电抗调谐和电阻匹配两部分分别进行。具体地，先利用电感进行电抗调谐，然后利用变压器实现电阻匹配。但是，这样会影响调谐的速度和效果。基于以上内容，将遗传算法与Г型调谐匹配网络结合，利用串联电感、并联电容的方法，同时调整阻抗实部和虚部，选择全局最优的电感电容组合直接接入电路，再测量是否达到调谐匹配，以减少对器件寿命的影响，达到更快的调谐速度。
4.1 天线阻抗参数的测量
使用遗传算法，首先是确定天线阻抗参数作为算法的初始值。利用2个性能参数完全一致的电感作为标准电感，在调谐前先计算天线阻抗参数。依然利用测量电压和电流的方法先分别测得串联0个、1个、2个电感时的电压、电流值U测1、U测2、U测3、I测1、I测2、I测3，并计算得到阻抗的模|Z1|=U测1/I测1、|Z2|=U测2/I测2、|Z3|=U测3/I测3。
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