天线调谐器阻抗匹配网络与调谐算法研究

在短波通信系统中,天线的输入阻抗随频率的变化非常剧烈,因此不能通过一个参数固定的阻抗匹配网络来实现天线的阻抗匹配,通常解决方法是采用参数可变的阻抗匹配网络即天线调谐器。传统的数字天线调谐器中,匹配网络的控制电路大多是基于单片机的实现,采用的调谐算法是通过逐次调整网络元件值来完成阻抗匹配,调谐速度慢、匹配精度低。随着基于矢量阻抗检测的天线调谐技术的出现,开发应用于新型天线调谐器的调谐速度快、精度高的调谐算法成为新的研究课题。本文首先回顾了天线调谐器的应用、发展等情况,对天线调谐器的主要指标、调谐元件、调谐方法等进行了介绍,分析了天线调谐器的微机控制单元和参数检测单元的基本工作原理,并对天线调谐器的最新发展成果——基于矢量阻抗检测的天线调谐技术进行了介绍。随后对Г型匹配网络的特性进行了分析,并将分析方法扩展到对T型和П型匹配网络分析上,对各型匹配网络的调谐方法进行了阐述。针对一款4m鞭状天线,以典型的П型匹配网络为原型,对天线调谐器中的阻抗匹配网络进行设计,对各元件组的取值范围进行了初步的估算,在不同精度、元件数和频率点等条件下对匹配网络的匹配区域进行了仿真分析。在调谐算法设计上,采用基于直接计算的调谐算法,以获得快速调谐。以4m鞭状天线为匹配对象,对算法的性能和网络的匹配性能进行了仿真,获得了较好的匹配性能。对算法中出现的匹配精度、计算误差以及如何寻找最优解等问题做了分析,提出在原有算法基础上采用最近邻域搜索算法来改善匹配性能。同时,基于所做的分析,对网络的元件配置做了适当的调整,在相同的算法下获得了更好的匹配性能。最后,在现有匹配网络的基础上,为了适配长天线,对匹配网络的元件配置做了进一步的调整,并将调谐网络匹配问题转化为匹配网络各元件的组合优化问题,即从匹配网络中选择接入适当的元件使得电压驻波比值最小。本文引入遗传算法来解决这一典型的组合优化问题。对遗传算法的基本流程进行了阐述,采用二进制编码的方式对各元件组进行编码,选择反射系数最小化为适应度函数,以4m鞭状天线为匹配对象,获得了较好的匹配效果。受直接计算算法和最近邻域搜索算法的启发,对调谐算法进行了简化,减少变量的个数,缩小算法的搜索空间,在调谐速度和精度上获得了明显的改善。仿真实验证明,遗传算法可以作为一种有效的天线调谐算法。

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