基於寄生諧振頻點的天線阻抗自動匹配裝置及方法

2023-05-11 05:44:26

專利名稱：基於寄生諧振頻點的天線阻抗自動匹配裝置及方法
技術領域：
本發明屬於天線技術領域，特別涉及天線阻抗自動匹配，可用於補償時變介質覆蓋下單收天線阻抗的變化、改善天線工作頻點駐波比、降低單收天線與接收系統的阻抗失配，提升接收系統的接收性能。
背景技術：
當天線周圍的溫度和介質變化時，天線的阻抗特性會隨著環境變化而變化，這將導致天線諧振頻點的偏移以及工作頻點處駐波比的惡化，天線與接收系統的阻抗失配，降低天線的實際增益，導致收發系統接收到的信號強度減弱，降低 靈敏度。因此，在時變介質覆蓋情況下，對天線阻抗進行自動匹配，補償天線諧振頻點偏移，降低天線與接收系統的阻抗失配，能夠為通信系統性能的提升提供一種有效的手段。目前，進行天線自動匹配補償，通常的做法是通過發射工作頻點的測量信號來探測天線工作頻點處的阻抗值，並將實測阻抗值與預設的目標阻抗值進行比較，根據比較結果通過調節阻抗匹配網絡實現對天線的阻抗匹配，如圖I所示。然而，在無線電設備的天線系統中，天線按工作性質可以分為收發共用天線、單發天線、單收天線，其中單收天線在工作頻點只接受而不能發射電磁波，(比如GPS導航天線)。因為通常的補償方法需要在工作頻點處發射測量天線阻抗的信號，同時測量信號在天線埠的反射波會被接收系統所接收，這將影響接收系統的正常工作，因此無法使用通常的補償方法對單收天線進行自動阻抗匹配。對於單收天線，如果要實現自動匹配補償，現有的方法通常是在接收帶寬之外，天線帶寬之內，選擇一個臨近頻點；通過測量該臨近頻點處的天線阻抗特性來進行調諧補償。這種方法的缺點在於I)在窄帶接收系統中(如GPS)，天線的帶寬與接收機帶寬很近，由於難以避免的頻譜洩露，臨近頻點發射的測量信號會對接收機的正常工作造成影響。2)由於臨近頻點與接收頻點很近，為隔離和消除臨近頻點信號，需要非常高選擇性的濾波器，通常用高Q腔體才能實現，這將導致設計難度增加，特別是在低頻段，濾波器的體積龐大，不易小型化。

發明內容
本發明的目的在於提出一種基於寄生諧振頻點的天線阻抗自動匹配裝置及方法，以克服上述已有技術的不足，實現對天線工作諧振頻點阻抗的自動匹配。為實現上述目的，本發明的一種基於寄生諧振頻點的天線阻抗自動匹配裝置，包括天線，電調匹配模塊，處理與控制模塊，耦合模塊，隔直電容，天線與電調匹配模塊連接，電調匹配模塊的輸入端與處理與控制模塊連接，耦合模塊與隔直電容連接，處理與控制模塊根據耦合模塊耦合的天線埠反射信號控制電調匹配模塊，實現對天線的阻抗匹配，隔直電容用於將控制信號與外部的接收系統隔離開，其特徵在於
耦合模塊與處理與控制模塊之間連接有天線寄生諧振頻點反射測量模塊，用於向耦合模塊發射天線寄生諧振頻點掃頻信號，並對耦合模塊輸出的天線寄生諧振頻點反射信號進行同步檢波與低通濾波，得到反射係數幅度信號；該反射係數幅度信號輸入給處理與控制模塊進行採樣，並從反射係數幅度採樣信號中提取出寄生諧振頻點的頻偏，輸出匹配控制電壓給電調匹配模塊；電調匹配模塊根據匹配控制電壓對天線的工作諧振頻點阻抗進行匹配。所述的基於寄生諧振頻點的天線阻抗自動匹配裝置，其特徵在於，天線寄生諧振頻點反射測量模塊包括本振信號源，直接數字合成器，鎖相環，同步檢波器和低通濾波器；
直接數字合成器的輸入端分別與本振信號源的輸出端和處理與控制模塊的輸出端連接；直接數字合成器的輸出端與鎖相環的輸入端連接；本振信號源向直接數字合成器輸出振蕩信號，處理與控制模塊向直接數字合成器輸入掃頻信號頻率控制命令，直接數字合成器輸出低頻掃頻信號至鎖相環；鎖相環輸出分為兩路，一路輸出給耦合模塊，將天線寄生諧振頻點掃頻信號耦合至天線饋電線路上，另一路輸出給同步檢波器，作為同步檢波器的同步信號，同步檢波器對從耦合模塊耦合的天線寄生諧振頻點反射信號與鎖相環輸出的天線寄生諧振頻點掃頻信號進行同步檢波，輸入給低通濾波器，低通濾波器對該同步檢波後的信號進行低通濾波，得到天線寄生諧振頻點反射係數幅度信號，再輸入給處理與控制模塊。所述的基於寄生諧振頻點的天線阻抗自動匹配裝置，其特徵在於處理與控制模塊包括SPI接口，用於輸出掃頻信號頻率控制命令；A/D轉換器，用於將反射係數幅度模擬信號轉換成數位訊號；D/A轉換器，用於將匹配控制數位訊號轉換成匹配控制電壓信號；掃頻信號頻率控制子模塊用於控制天線寄生諧振頻點處掃頻信號的頻率，並通過SPI接口輸出掃頻信號頻率控制命令；工作諧振頻點偏移提取子模塊用於從A/D轉換器採樣的反射係數幅度信號中提取寄生諧振頻點的頻偏，根據寄生諧振頻點與工作諧振頻點的倍頻關係計算出工作諧振頻點偏移量；匹配控制子模塊根據工作諧振頻點偏移量通過補償算法計算出匹配控制量，並通過D/A轉換器輸出匹配控制電壓給電調匹配模塊。所述的基於寄生諧振頻點的天線阻抗自動匹配裝置，其特徵在於，電調匹配模塊包括第一扼流圈、第二扼流圈、第一壓控變容管和第二壓控變容管；第一扼流圈分別與第一壓控變容管和D/A轉換器的輸出端連接，第二扼流圈分別與第二壓控變容管和D/A轉換器輸出端連接；第一扼流圈和第二扼流圈對處理與控制模塊分別輸入的匹配控制電壓進行低通濾波，分別輸出直流控制電壓給第一壓控變容管第二壓控變容管，第一壓控變容管和第二壓控變容管根據扼流圈輸出的直流控制電壓調節自身電容，實現對天線工作頻點阻抗的匹配。所述的基於寄生諧振頻點的天線阻抗自動匹配裝置，其特徵在於，在耦合模塊與外部接收系統之間連接有天線寄生頻點帶阻濾波器，用於濾除天線饋電線路上的寄生諧振頻點掃頻信號，防止外部接收系統接收該掃頻信號，保證接收系統正常工作。為實現上述目的，本發明利用上述基於寄生諧振頻點的天線阻抗自動匹配裝置進行天線阻抗自動匹配的方法，包括如下步驟I)天線寄生諧振頻點反射測量模塊對本振信號進行數字倍頻，輸出天線寄生諧振頻點掃頻信號Fs ；2)耦合模塊將天線寄生諧振頻點掃頻信號Fs耦合 輸出至天線，以產生寄生諧振頻點掃頻反射信號^;3)天線寄生諧振頻點反射測量模塊對天線寄生諧振頻點掃頻反射信號Fr進行同步檢波與低通濾波，輸出天線寄生諧振頻點反射係數幅度信號Rm ；4)處理與控制模塊根據輸出的天線寄生諧振頻點反射係數幅度信號Rm，不斷提取工作諧振頻點的偏移量fo:4a)對天線寄生諧振頻點反射係數幅度信號Rm進行採樣，查找該採樣信號中的最小值以及最小值所對應的頻點fs，計算頻點fs與天線寄生諧振頻點fp的頻率差值fd=fs-fP ；4b)根據天線寄生諧振頻點與工作諧振頻點的倍頻關係，得到天線工作諧振頻點的偏移量為fffVN，其中N為倍頻係數，取大於I的整數；5)處理與控制模塊根據提取的工作諧振頻點的偏移量&，計算每一次掃頻過程後工作諧振頻點偏移量的變化量Hf:，其中/*；為前一次掃頻過程後提取出的工作諧振頻點偏移量；6)通過比例-積分計算公式11。=&\;^+匕\ / A 計算出匹配控制電壓U。,其中a為比例係數，b為積分係數，a和b為非零實數，其數值分別與電調匹配模塊的匹配範圍和
累計誤差量有關；7)電調匹配模塊根據步驟6)輸出的匹配控制電壓U。，不斷調節壓控變容管的電容，實現對天線阻抗的自動匹配。本發明相比現有天線自動匹配裝置，具有如下優點I.本發明由於在天線寄生諧振頻點處發射掃頻信號，因此在天線接收帶寬內沒有發射信號以及埠反射信號，不會影響接收系統接收性能；2.本發明由於在天線寄生諧振頻點處發射掃頻信號，其頻點距離天線工作頻點較遠(通常2-3倍頻程)，因此系統中的濾波器設計簡單，易於實現小型化。


圖I是已有技術中天線阻抗自動匹配裝置示意圖；圖2是本發明基於天線寄生諧振頻點的阻抗自動匹配裝置示意圖；圖3是本發明基於天線寄生諧振頻點的阻抗自動匹配流程圖。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步說明參照圖2，本發明由天線1，電調匹配模塊2，天線寄生諧振頻點反射測量模塊3，處理與控制模塊4，耦合器模塊5，隔直電容6，濾波器7組成。天線寄生諧振頻點反射測量模塊3分別與耦合模塊5和處理控制模塊4連接，用於向耦合模塊5發射天線寄生諧振頻點掃頻信號，並對耦合模塊5輸出的天線寄生諧振頻點反射信號進行同步檢波與低通濾波，得到寄生頻點掃頻反射係數幅度信號Rm，該反射係數幅度信號Rm輸入給處理與控制模塊4進行採樣，並從反射係數幅度採樣信號中提取出工作諧振頻點的頻偏量&，以輸出匹配控制電壓；電調匹配模塊2輸入端與處理與控制模塊4輸出端連接，根據處理與控制模塊4輸出的匹配控制電壓，實現對天線I阻抗的自動匹配；隔直電容6連接電調匹配模塊2與耦合模塊5，用於將匹配控制信號與外部的接收系統隔離開；濾波器7連接耦合模塊5與外部接收系統，用於濾除天線饋電線路上的寄生諧振頻點掃頻信號，防止外部接收系統接收到該掃頻信號，以保證接收系統的正常工作。所述的電調匹配模塊2，由第一扼流圈201，第二扼流圈202 ，第一壓控變容管203和第二壓控變容管204構成；所述的天線寄生諧振頻點反射測量模塊3，由本振信號源301，直接數字合成器302，鎖相環303，同步檢波器304和低通濾波器305構成；所述的處理與控制模塊4，由SPI接口，A/D轉換器，D/A轉換器，掃頻信號頻率控制子模塊，工作諧振頻點偏移提取子模塊和匹配控制子模塊構成。其中天線寄生諧振頻點反射測量模塊3的直接數字合成器302的輸入端分別與本振信號源301的輸出端和處理與控制模塊4的SPI接口輸出端連接，直接數字合成器302的輸出端與鎖相環303的輸入端連接，本振信號源301用於向直接數字合成器302輸出振蕩信號，根據處理與控制模塊4的SPI接口輸入的掃頻信號頻率控制命令，直接數字合成器302輸出低頻掃頻信號至鎖相環303 ;鎖相環303輸出分為兩路，一路輸出給耦合模塊5，將天線寄生諧振頻點掃頻信號^耦合至天線饋電線路上，另一路輸出給同步檢波器304，作為同步檢波器的同步信號，同步檢波器304對耦合模塊5輸出的天線寄生諧振頻點反射信號匕與鎖相環303輸出的天線寄生諧振頻點掃頻信號Fs進行同步檢波，輸入給低通濾波器305，低通濾波器305對該同步檢波後的信號進行低通濾波，得到天線寄生諧振頻點反射係數幅度信號Rm，再輸入給處理與控制模塊4的A/D轉換器；處理與控制模塊4的SPI接口用於輸出掃頻信號頻率控制命令，A/D轉換器用於將反射係數幅度模擬信號轉換成數位訊號，D/A轉換器用於將匹配控制數位訊號轉換成匹配控制電壓信號，掃頻信號頻率控制子模塊用於控制天線寄生諧振頻點處掃頻信號的頻率，並通過SPI接口輸出掃頻信號頻率控制命令；工作諧振頻點偏移提取子模塊用於從A/D轉換器採樣的反射係數幅度信號中提取寄生諧振頻點的頻偏，根據寄生諧振頻點與工作諧振頻點的倍頻關係計算出工作諧振頻點偏移量；匹配控制子模塊根據工作諧振頻點偏移量通過補償算法計算出匹配控制量，並通過D/A轉換器輸出匹配控制電壓給電調匹配模塊(2);A/D轉換器與低通濾波器305的輸出端連接，對低通濾波器305輸出的天線寄生諧振頻點反射係數幅度信號Rm進行採樣，工作諧振頻點偏移提取子模塊從反射係數幅度採樣信號中提取出工作諧振頻點的頻偏量&以及頻偏量的變化量A f0,匹配控制子模塊通過比例-積分算法計算出匹配控制電壓，並通過D/A轉換器輸出匹配控制電壓給電調匹配模塊2;電調匹配模塊2的第一扼流圈201輸入端和第二扼流圈202輸入端與處理與控制模塊4的D/A轉換器輸出端連接，第一扼流圈201輸出端和第二扼流圈202輸出端分別與第一壓控變容管203和第二壓控變容管204連接，第一壓控變容管203和第二壓控變容管204與天線I的輸入端連接，構成L型匹配網絡，第一扼流圈201和第二扼流圈202對處理與控制模塊4的D/A轉換器分別輸入的匹配控制電壓進行低通濾波，分別輸出直流控制電壓給第一壓控變容管203和第二壓控變容管204，第一壓控變容管203和第二壓控變容管204根據扼流圈輸出的直流匹配控制電壓，調節自身電容，即調節第一壓控變容管203和第二壓控變容管204的電容，實現對天線工作頻點阻抗的自動匹配。隔直電容6連接電調匹配模塊2與耦合模塊5，用於將匹配控制信號與外部的接收系統隔離開；濾波器I連接耦合模塊5與外部接收系統，用於濾除天線饋電線路上的寄生諧振頻點掃頻信號，防止外部接收系統接收到該掃頻信號，以保證外部接收系 統的正常工作。參照圖3，本發明利用上述基於寄生諧振頻點的天線阻抗自動匹配裝置進行天線阻抗自動匹配的方法，包括如下步驟步驟1，天線寄生諧振頻點反射測量模塊3對本振信號進行數字倍頻，得到天線寄生諧振頻點掃頻信號Fs，並通過耦合模塊5向天線輸入該寄生諧振頻點掃頻信號Fs，以產生天線寄生諧振頻點反射信號Fr ；步驟2，天線寄生諧振頻點反射測量模塊3對耦合模塊5輸出的天線寄生諧振頻點反射信號^進行同步檢波與低通濾波，輸出天線寄生諧振頻點反射係數幅度信號Rm給處理與控制模塊4 ；步驟3，處理與控制模塊4從天線寄生諧振頻點反射係數幅度信號Rm中，提取出每一次掃頻後天線工作諧振頻點的偏移量fo (3a)對天線寄生諧振頻點反射係數幅度信號Rm進行採樣，查找該採樣信號中的最小值以及最小值所對應的頻點fs，計算頻點fs與天線寄生諧振頻點fp的頻率差值fd=fs-fP ；(3b)根據天線寄生諧振頻點與工作諧振頻點的倍頻關係，得到天線工作諧振頻點的偏移量為fffVN，其中N為倍頻係數，取大於I的整數；步驟4，處理與控制模塊4根據提取的工作諧振頻點的偏移量&，計算每一次掃頻過程後工作諧振頻點偏移量的變化量A/e，其中/:為前一次掃頻過程後提取出的工作諧振頻點偏移量；步驟5,通過比例-積分計算公式UJaXftl+b X / A 計算出匹配控制電壓Uc,其中a為比例係數，b為積分係數，a和b為非零實數，其數值分別與電調匹配模塊的匹配範圍和累計誤差量有關；步驟6，電調匹配模塊2根據步驟5輸出的匹配控制電壓U。，不斷調節第一壓控變容管203和第二壓控變容管204的電容，使得天線阻抗與外部接收系統輸入阻抗相匹配，實現對天線阻抗的自動匹配。
權利要求
1.一種基於寄生諧振頻點的天線阻抗自動匹配裝置，包括天線(1)，電調匹配模塊(2 )，處理與控制模塊(4 )，耦合模塊(5)，隔直電容(6)，天線(I)與電調匹配模塊(2 )連接，電調匹配模塊(2)的輸入端與處理與控制模塊(4)連接，耦合模塊(5)與隔直電容(6)連接，處理與控制模塊(4)根據耦合模塊(5)耦合的天線埠反射信號控制電調匹配模塊(2)，實現對天線(I)的阻抗匹配，隔直電容(6)用於將控制信號與外部的接收系統隔離開，其特徵在於 耦合模塊(5)與處理與控制模塊(4)之間連接有天線寄生諧振頻點反射測量模塊(3)，用於向耦合模塊(5)發射天線寄生諧振頻點掃頻信號，並對耦合模塊(5)輸出的天線寄生諧振頻點反射信號進行同步檢波與低通濾波，得到反射係數幅度信號；該反射係數幅度信號輸入給處理與控制模塊(4)進行採樣，並從反射係數幅度採樣信號中提取出寄生諧振頻點的頻偏，輸出匹配控制電壓給電調匹配模塊(2);電調匹配模塊(2)根據匹配控制電壓對天線的工作諧振頻點阻抗進行匹配。
2.根據權利要求I所述的基於寄生諧振頻點的天線阻抗自動匹配裝置，其特徵在於，天線寄生諧振頻點反射測量模塊(3)包括本振信號源(301)，直接數字合成器(302)，鎖相環(303 )，同步檢波器(304 )和低通濾波器(305 ); 直接數字合成器(302)的輸入端分別與本振信號源(301)的輸出端和處理與控制模塊(4)的輸出端連接；直接數字合成器(302)的輸出端與鎖相環(303)的輸入端連接； 本振信號源(301)向直接數字合成器(302)輸出振蕩信號,處理與控制模塊(4)向直接數字合成器(302)輸入掃頻信號頻率控制命令，直接數字合成器(302)輸出低頻掃頻信號至鎖相環(303)； 鎖相環(303 )輸出分為兩路，一路輸出給耦合模塊(5 )，將天線寄生諧振頻點掃頻信號耦合至天線饋電線路上，另一路輸出給同步檢波器(304)，作為同步檢波器的同步信號，同步檢波器(304)對從耦合模塊(5)耦合的天線寄生諧振頻點反射信號與鎖相環(303)輸出的天線寄生諧振頻點掃頻信號進行同步檢波，輸入給低通濾波器(305)，低通濾波器(305)對該同步檢波後的信號進行低通濾波，得到天線寄生諧振頻點反射係數幅度信號，再輸入給處理與控制模塊(4)。
3.根據權利要求I所述的基於寄生諧振頻點的天線阻抗自動匹配裝置，其特徵在於處理與控制模塊(4)包括 SPI接口，用於輸出掃頻信號頻率控制命令； A/D轉換器，用於將反射係數幅度模擬信號轉換成數位訊號； D/A轉換器，用於將匹配控制數位訊號轉換成匹配控制電壓信號； 掃頻信號頻率控制子模塊用於控制天線寄生諧振頻點處掃頻信號的頻率，並通過SPI接口輸出掃頻信號頻率控制命令； 工作諧振頻點偏移提取子模塊用於從A/D轉換器採樣的反射係數幅度信號中提取寄生諧振頻點的頻偏，根據寄生諧振頻點與工作諧振頻點的倍頻關係計算出工作諧振頻點偏移量; 匹配控制子模塊根據工作諧振頻點偏移量通過補償算法計算出匹配控制量，並通過D/A轉換器輸出匹配控制電壓給電調匹配模塊(2 )。
4.根據權利要求I所述的基於寄生諧振頻點的天線阻抗自動匹配裝置，其特徵在於，電調匹配模塊(2)包括第一扼流圈(201)、第二扼流圈(202)、第一壓控變容管(203)和第二壓控變容管(204);第一扼流圈(201)分別與第一壓控變容管(203)和D/A轉換器的輸出端連接，第二扼流圈(202)分別與第二壓控變容管(204)和D/A轉換器輸出端連接；第一扼流圈(201)和第二扼流圈(202)對處理與控制模塊(4)分別輸入的匹配控制電壓進行低通濾波，分別輸出直流控制電壓給第一壓控變容管(203)和第二壓控變容管(204)，第一壓控變容管(203)和第二壓控變容管(204)根據扼流圈輸出的直流控制電壓調節自身電容，實現對天線工作頻點阻抗的匹配。
5.根據權利要求I所述的基於寄生諧振頻點的天線阻抗自動匹配裝置，其特徵在於，在耦合模塊(5)與外部接收系統之間連接有濾波器(7)，用於濾除天線饋電線路上的寄生諧振頻點掃頻信號，防止外部接收系統接收該掃頻信號，保證接收系統正常工作。
6.一種基於寄生諧振頻點的天線阻抗自動匹配方法，利用一種基於寄生諧振頻點的天線阻抗自動匹配裝置，所述裝置包括天線(1)，電調匹配模塊(2)，天線寄生諧振頻點反射測量模塊(3)，處理與控制模塊(4)，耦合模塊(5);所述方法包括如下步驟 1)天線寄生諧振頻點反射測量模塊(3)對本振信號進行數字倍頻，輸出天線寄生諧振頻點掃頻信號Fs ； 2)耦合模塊(5)將天線寄生諧振頻點掃頻信號Fs耦合輸出至天線(1)，以產生寄生諧振頻點掃頻反射信號Fr ; 3)天線寄生諧振頻點反射測量模塊(3)對天線寄生諧振頻點掃頻反射信號Fr進行同步檢波與低通濾波，輸出天線寄生諧振頻點反射係數幅度信號Rm ； 4)處理與控制模塊(4)根據輸出的天線寄生諧振頻點反射係數幅度信號Rm，不斷提取工作諧振頻點的偏移量fo: 4a)對天線寄生諧振頻點反射係數幅度信號Rm進行採樣，查找該採樣信號中的最小值以及最小值所對應的頻點fs，計算頻點fs與天線寄生諧振頻點fp的頻率差值fd=fs_fp ； 4b)根據天線寄生諧振頻點與工作諧振頻點的倍頻關係，得到天線工作諧振頻點的偏移量為fffVN，其中N為倍頻係數，取大於I的整數； 5)處理與控制模塊(4)根據提取的工作諧振頻點的偏移量&，計算每一次掃頻過程後工作諧振頻點偏移量的變化量-Afdf:，其中/;為前一次掃頻過程後提取出的工作諧振頻點偏移量； 6)通過比例-積分計算公式=UfaXfc^bX/ Δ fd,計算出匹配控制電壓U。,其中a為比例係數，b為積分係數，a和b為非零實數，其數值分別與電調匹配模塊(2)的匹配範圍和累計誤差量有關； 7)電調匹配模塊(2)根據步驟6)輸出的匹配控制電壓U。，不斷調節壓控變容管的電容，實現對天線阻抗的自動匹配。
全文摘要
本發明公開了一種基於寄生諧振頻點的天線阻抗自動匹配裝置，它包括天線(1)，電調匹配模塊(2)，天線寄生諧振頻點反射測量模塊(3)，處理與控制模塊(4)，耦合器模塊(5)，隔直電容(6)，濾波器(7)；天線寄生諧振頻點反射測量模塊(3)向耦合模塊(5)發射天線寄生諧振頻點掃頻信號，並對耦合模塊(5)輸出的反射信號進行同步檢波與低通濾波，輸出反射係數幅度信號，匹配控制模塊(4)根據反射係數幅度信號提取每次掃頻後天線工作諧振頻點偏移量及其變化量，並產生匹配控制電壓，控制電調匹配模塊(2)，實現對天線阻抗的自動匹配。本發明具有能夠補償單收天線工作諧振頻點偏移，提高單收天線有效增益的優點。
文檔編號H03H7/38GK102769440SQ20121024561
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月16日 優先權日2012年7月16日
發明者劉彥明, 李小平, 白博文, 石磊, 秦永強, 謝楷 申請人:西安電子科技大學