便携式快速天线调谐器的设计开发毕业论文
2021-04-29 22:00:18
摘 要
快速天线调谐器是短波通信系统的重要组成部分。随着短波自适应跳频技术的蓬勃发展，快速天线调谐技术也成为研究的热点。本文针对新型短波天线快速调谐器的研制方案进行了深入的分析与探讨，设计了一种应用于便携式短波电台的快速天线调谐器，并介绍了其总体构架及各个功能模块的设计与实现方法。电台天线快速调谐器主要由复合检测装置、调谐控制器与匹配网络组成。本项目优化调谐算法与电路结构、提高调谐速度与精度，并研制高精度阻抗、电压驻波比、幅值复合检测装置和独特的微功耗高速跟踪自动调谐器以满足现行需求。便携式短波天线快速调谐器将可应用于背负式短波电台，尤其适合战时和自然灾害时实用的便携式短波应急通信电台，具有巨大的潜在市场和经济价值。
关键词：便携式；天线快速调谐；短波电台；复合检测
Abstract
Fast antenna tuner is an important part of the short-wave communication system. With the development of short-wave adaptive frequency hopping technology, fast antenna tuning technology has become a hot research. In this paper, a new type of fast tuner shortwave antenna research program conducted in-depth analysis and discussion, a design applied to a portable shortwave radio antenna tuner quickly, and describes the design and implementation of its overall structure and approach of each module. Fast radio antenna tuner mainly consists of composite detector, controller tuning and matching network. The project optimization algorithms and tuning circuit configuration, improve the speed and precision of tuning, and the development of high-precision impedance, VSWR, amplitude detection means complex and unique micro-power high-speed tracking auto tuner to meet current needs. Portable shortwave antenna tuner will be applied quickly backpack shortwave radio, In particular, portable shortwave radio emergency communications during times of war and natural disasters for use. It has a huge potential market and economic value.
Key Words：Portable；Antenna tuning fast；Shortwave radio；Composite detection
目 录
第1章 绪论 1
1.1 项目研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 3
1.2.1 国外研究现状 3
1.2.2 国内研究现状 3
1.3 本文研究内容和组织结构 4
第2章 系统工作原理 5
2.1 整体设计思路 5
2.2 系统组成基本原理 5
2.2.1 阻抗测量基本原理 5
2.2.2 驻波比检测基本原理 8
2.2.3 幅值检测基本原理 9
2.2.4 史密斯图与阻抗匹配 9
2.2.5 匹配网络分析 11
2.2.6 PIN二极管开关原理 15
2.3 短波电台天线 16
第3章 便携式快速天线调谐器的电路设计 18
3.1 阻抗测量电路的设计 18
3.1.1 电压电流采样模块 18
3.1.2 用于产生本振信号的DDS信号源 18
3.1.3 ADC前端电路 19
3.1.4 下混频电路 20
3.2 驻波比检测网络的设计 21
3.2.1 定向耦合器模块 21
3.2.2 检波器模块 23
3.2.3 处理器模块 23
3.3 幅值检测网络的设计 23
3.4 匹配网络电路的设计 24
3.4.1 二进制元件阵列模块 24
3.4.2 磁保持继电器模块 25
第4章 软件设计 27
4.1 系统软件总体设计 27
4.2 频率计数程序设计 28
4.3 记忆调谐程序设计 28
第5章 结论 30
参考文献 32
致 谢 33
第1章 绪论
1.1 项目研究背景及意义
短波通信是一种主要依靠电离层与地面间反射实现远距离信号传输的通信方式，其具有通信距离远、机动性能强、无需建中继站即可实现远距离通信等优点，在通信方面得到广泛的应用。尤其在抢险和救灾通信，应急和军事通信等方面有着十分重要的应用价值。
天线自动调谐器是短波通信系统的重要组成部分[1]，其作用是使短波电台发射机与天线达到阻抗匹配状态，使天线处于谐振状态获得最大发射功率，天线自动调谐器的调谐速度和调谐精度将直接影响短波通信质量，因此对天线自动调谐器的研究与改进就显得尤为重要。
以手机通信为例，4G通信频率范围为1880-2655MHz，频率覆盖系数约为1.41，无需针对各频点调谐也能完成信号的正常发送和接收。但是短波通信其频率覆盖范围为1.6-30MHz，覆盖系数约为20，远大于手机通信，在此频率范围内，载波频率的变化会引起天线阻抗的剧烈改变。
短波发射机输出阻抗恒定，而天线的阻抗随频率的改变，变化非常剧烈，如果将发射机电台与天线直接相连，发射机产生信号频率改变时，天线阻抗相应会发生变化，此时天线与发射机之间的阻抗匹配会失谐，从而会使得发射功率急剧下降及信号波形严重失真，同时反射功率对末级功放电路的正常工作造成影响，甚至损坏功放电路。因此需要使用天线调谐器对天线和发射机进行阻抗匹配。
随着现代短波无线电通信新技术[2]如实时选频、自适应跳频等技术的发展，短波通信过程中信号载波频率将快速变化，应用于此类新型短波通信电台的天线自动调谐器必须具有调谐速度快、稳定性高的优点。
背负式短波跳频电台是一种在抢险救灾条件下应急通信以及野外科考、山区施工、军事指挥等场合使用的短波电台，其具有便携性强、中小发射功率、常搭配使用单根鞭装天线等特点，其对天线调谐器主要要求有：调谐速度快、调谐器本身质量低、功耗小等。
现有通用数字式天线自动调谐器应用于便携式短波电台中存在的不足主要有：调谐速度慢；调谐器尺寸质量较大；调谐器工作时消耗功率较大。其原因在于：现有数字式天调使用继电器进行匹配原件切换，继电器切换速度较慢且寿命有限；现有数字式天线自动调谐器强调通用性，所需匹配天线种类多、匹配阻抗范围宽导致范围电路结构复杂；现有数字式天调设计承受功率大，需使用高耐压值器件，增大了天调体积及质量。
由于通用数字调谐器的尺寸质量大、功耗大，因此很难实现便携式，不适用于背负式短波调频电台，同时其调谐速度慢极大限制了高速调频电台的性能发挥，限制了调频电台的通信带宽，影响短波调频通信的抗干扰能力。
因此，为了配合背负式短波跳频电台的使用及适应跳频、自适应等新技术的发展，便携式快速天线调谐器的研制就显得尤为重要。针对便携式电台的需求，本作品拟对通用数字式天线调谐器指标参数进行优化，具体如下表1-1所示。
表1-1 本作品与通用数字式天线调谐器参数对比
