史密斯圆图在SELEX 1150A 载波天线匹配上的应用

发表时间:2019/5/8   来源:《科技新时代》2019年3期   作者:黄盛辉
[导读] 史密斯圆图(Smith chart)是在反射系散平面上标绘有归一化输入阻抗(或导纳)等的计算图。

民航中南空管局广东 广州 510410
        摘要:史密斯圆图(Smith chart)是在反射系散平面上标绘有归一化输入阻抗(或导纳)等的计算图。是一款用于电机与电子工程学的图表,主要用于传输线的阻抗匹配上。SELEX 1150A设备是中国民航近几年从美国引进的新型DVOR设备,该设备的载波天线匹配直接影响设备各参数的工作效率和通信质量。本文主要介绍史密斯圆图在SELEX 1150A 载波天线匹配上的应用。
        关键词:史密斯圆图;天线匹配;DVOR
        引言:
          DVOR是多普勒身高全频向信标的简称,属于一种常见且非常重要的测角导航系统, 在飞机等重要航空设备中得到了广泛的应用。DVOR天线系统由1根载波天线和48根边带天线(或50根)组成,载波天线辐射基准30HZ信号,识别信号等,所以载波天线辐射信号的效率将直接影响航空器接收信号的质量。在SELEX 1150A设备中,载波天线匹配是安装调试的难点和重点,所以高质量的载波天线匹配将为以后的设备运行打好坚实的基础。
        1载波天线结构介绍
         
        图1载波天线结构
        SELEX 1150A设备使用的是埃尔福特(ALFORD)方环天线,为水平极化全向天线,如图1,该天线的激励点在方环天线中心,通过微带传输线和对角的金属结构向环周线传输电流,而对角线上的两片金属结构所传电流幅值相等,相位相反,达到反相抵消的效果,信号从方环周线上向外辐射信号。
        安装完载波天线之后,还需要把平衡转换器(balun)先安装上,以抵消同轴电缆带来非平衡电流的影响,如图2。
         
        该平衡转换器是半波长与传输线同介质的同轴电缆,半波长使得信号在载波天线结构对角线上的电流反相抵消。
        载波天线使用开路枝节匹配法配合空气介质的机械电容来实现阻抗匹配。机械电容安装在载波天线对角线上,一共两对。枝节器安装在同轴电缆与天线的连接处,其结构如图3                

        2常用调试方法
        2.1经验法
        载波天线匹配的最终目的是把天线调成50Ω(传输线特性阻抗为50Ω),所以表现为回波损耗(或反射损耗)接近0,或者是反射系数接近1。经验法通过工程师修剪电缆和观察测试仪表,来找到最佳的匹配长度。该法优点不容易修剪过多而导致重新匹配。缺点是所花费时间太长,反复安装在天线输入端和观察仪表的读数来判断是否匹配成功。
        2.2阻抗计算法
        阻抗计算法通过公式(1)中求解输入阻抗,使得Zin=50Ω,最后达到匹配的效果,
         公式(1)
        但在公式中,用到角频率计算和复数计算,在求解过程中用还应用到欧拉公式的展开式子,求解复杂,容易求解错误,但优点是计算准确,不需要反复修剪电缆。
        3史密斯圆图法
        史密斯圆图包括阻抗圆图和导纳圆图,也可以使用导纳和阻抗组合圆图来实现匹配。现以某台点的DVOR设备为例做详细介绍,如图4步骤如下:
        网络分析仪测的SELEX 1150A载波天线阻抗,然后做归一化计算,特别指出的是我们使用的同轴电缆大多是50Ω,所以必须以50Ω为标准。所得归一化的值对应阻抗圆图(红颜色所示)P1点。
        枝节器在匹配中是以并联方式存在的,在画圆图过程中,需要使用到导纳圆图。P1点对应的阻抗圆图也可以对应出导纳圆图(蓝色所示),并不需要改变位置,以圆心到P1点为半斤,圆心即为圆图圆心做圆,所做圆与导纳g=1的圆相交于P2和P3点,P1点到这两点的长度即为载波天线到枝节器的距离长度。从圆图中可以看出,P1到P2点的距离过于短(比一个转接头长度还小),考虑实际问题,选择P3点求解,即P1到P3的距离为天线到枝节器的距离。
        P3对应的虚部在圆图的上半部分,为-1.54j。导纳图中,需要下半部分的虚部加以抵消,找到1.54j对应的点为P4点。
        SELEX 1150A为开路匹配,在找出P4点之后,从导纳圆图开路点到P4点的距离即为枝节器长度,对应长度值为L=0.407λ。
        在求解波长λ时,需要找到同轴电缆对应介质如图5,再找出介电常数ε,利用公式(2)来求解。
        λ=c/(f√ε)公式(2)
         
        图4史密斯圆图使用案例
         
                 
        图6匹配结果
        3结束语
          载波天线在DVOR中占据及其重要的位置,它匹配的好坏决定着设备的信号质量以及以后在维护的难易程度,使用史密斯圆图对天线的匹配将加大对天线结构和传输线的理解,为我们以后的维护维修设备提供所需帮助,为安装、调试提供重要方法。
        参考文献:
        [1] John D Kraus & Ronald J Marhefka[著] 章文勋[译] 天线[M]电子工业出版社,2005.
        [2] Operations and Maintenance ManualModel 1150Doppler VOR (DVOR) Antenna[M],2009 SELEX Systems Integration Inc.

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