張華，江思杰

（1.海軍92325部隊(duì)，大同 037000； 2.武漢船舶通信研究所，武漢 430205）

引言

在甚低頻通信領(lǐng)域，大功率發(fā)信機(jī)的阻抗調(diào)諧一直是甚低頻工程設(shè)計(jì)和使用上的難題，因?yàn)樵诖蠊β薁顟B(tài)下進(jìn)行阻抗調(diào)諧，需要手動(dòng)調(diào)整發(fā)信機(jī)和天線的各種參數(shù)，如果調(diào)整稍有差池，就會造成電壓或電流過荷，輕則使設(shè)備保護(hù)，不能正常工作，重則損壞設(shè)備，造成很大的損失，貽誤工作時(shí)機(jī)。針對這種情況，科研人員提出了一種設(shè)想，在不加高壓的情況下，對大功率發(fā)信機(jī)進(jìn)行阻抗調(diào)節(jié)，使發(fā)信機(jī)與天線達(dá)到調(diào)諧狀態(tài)。這就是預(yù)調(diào)諧技術(shù)，也就是指發(fā)信機(jī)不需加電，即可獲取天線參數(shù)的技術(shù)，加高壓后無需再進(jìn)行調(diào)整。

經(jīng)過長期的理論研究與實(shí)踐探索，預(yù)調(diào)諧技術(shù)有了較大的突破，且預(yù)調(diào)諧系統(tǒng)樣機(jī)已在部分大功率發(fā)信臺站得到驗(yàn)證與應(yīng)用。但是這些設(shè)計(jì)的目的均是為了滿足臨時(shí)的測試需求，不能有效地提高大功率發(fā)信機(jī)戰(zhàn)技術(shù)性能，本文對如何應(yīng)用預(yù)調(diào)諧技術(shù)并有效提高大功率發(fā)信機(jī)戰(zhàn)技術(shù)性能進(jìn)行探討。

1 傳統(tǒng)調(diào)諧技術(shù)方案分析

1.1 傳統(tǒng)諧振法

傳統(tǒng)諧振法的基本原理是通過電容C與電感L組成串聯(lián)諧振回路，利用諧振時(shí)電容C上的電壓U2為諧振回路兩端的電壓U1的Q倍原理，其公式為Q=ωL/R，其中Q為諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，ω是諧振角頻率，R是電感線圈及回路連接導(dǎo)線的總損耗電阻[1]。傳統(tǒng)諧振法的阻抗測量原理圖如圖1所示。傳統(tǒng)諧振法在測量天線阻抗存在以下兩個(gè)問題：

1）測量精度較低，一般僅10 %左右，無法滿足測量精度要求，導(dǎo)致天線阻抗測量精度降低；

2）信噪比較低，由于信號源輸出功率較小，難以規(guī)避天線靜電所造成的影響。

1.2 矢量諧振法

矢量諧振法在傳統(tǒng)諧振法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的改進(jìn)，主要包括兩個(gè)方面：

1）利用可調(diào)電感Li代替了固定電感，使得測量頻率可調(diào)可控；

2）建立一套獨(dú)立的可調(diào)電容，以“己知數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)元件”的形式出現(xiàn)，與天線阻抗測量結(jié)果進(jìn)行比對，從而降低測量誤差[2]。

矢量諧振法測量天線阻抗的原理（見圖2）與傳統(tǒng)諧振法基本相同，雖然電路形式有一定的差異，但兩者實(shí)質(zhì)一樣，即通過調(diào)節(jié)元件參數(shù)使測量回路諧振，被測阻抗在諧振的狀態(tài)下完成測量。

矢量諧振法主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）有效的抑制天線靜電噪聲。使用矢量諧振法測量時(shí)，測量電路與天線處于匹配狀態(tài)，信號源輸出的功率能完全加載到天線上，從而有效的抑制天線靜電噪聲；

2）信噪比高。矢量諧振法的測量回路對天線靜電噪聲有一定的濾波效果，可以濾除一部分天電噪聲，從而有效的提高測量信噪比。

采用矢量諧振法設(shè)計(jì)的預(yù)調(diào)諧裝置目前已經(jīng)量產(chǎn)，經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡便，測量精確度有所提高。

1.3 瞬態(tài)響應(yīng)法

瞬態(tài)響應(yīng)法的基本原理與上述兩種方式有較大的不同，即通過測量RLC串聯(lián)諧振回路的瞬態(tài)響應(yīng)參數(shù)從而得到天線阻抗值。具體如下：通過直流高壓源向可調(diào)電感與天線組成的諧振回路施加高壓（天線工作電壓），當(dāng)電壓穩(wěn)定時(shí)斷開高壓源同時(shí)閉合開關(guān)K1-2，形成RLC振蕩回路時(shí)，通過高壓測量單元采集振蕩回路的瞬態(tài)響應(yīng)參數(shù)，從而計(jì)算天線阻抗的實(shí)部和虛部分量[3]。其實(shí)現(xiàn)原理圖如圖3所示。

瞬態(tài)響應(yīng)法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)諧振法與矢量諧振法的不足，擁有較高的測試精度與穩(wěn)定性。

以上三種方法各有特點(diǎn)，均可應(yīng)用到大功率發(fā)信機(jī)中，根據(jù)上面的分析，傳統(tǒng)諧振法方法比較原始，測量精度不高，沒有成型的樣機(jī)；矢量諧振法和瞬態(tài)相應(yīng)法測量方法科學(xué)，操作簡便，區(qū)別在于矢量諧振法已經(jīng)量產(chǎn)，但是測量精度稍差，而瞬態(tài)響應(yīng)法測量精度較高，只是沒有量產(chǎn)，可視情采用這兩種方法設(shè)計(jì)預(yù)調(diào)諧裝置。

圖1 傳統(tǒng)諧振法測量阻抗原理圖

圖2 矢量諧振法測量阻抗原理圖

圖3 瞬態(tài)響應(yīng)測量低頻天線阻抗的原理圖

2 大功率發(fā)信機(jī)應(yīng)用預(yù)調(diào)諧技術(shù)的工作原理

目前來說預(yù)調(diào)諧技術(shù)是比較成熟的，但是要將預(yù)調(diào)諧技術(shù)和大功率發(fā)信機(jī)二者緊密結(jié)合，有效提高大功率發(fā)信機(jī)的戰(zhàn)技術(shù)性能，還是要根據(jù)大功率發(fā)信機(jī)的實(shí)際情況，結(jié)合操作、使用、維修等方面的要求，進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，將預(yù)調(diào)諧裝置集成到大功率發(fā)信機(jī)控制系統(tǒng)中，最大限度提高其戰(zhàn)技術(shù)性能。

2.1 發(fā)信機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用預(yù)調(diào)諧裝置功能

控制系統(tǒng)是發(fā)信機(jī)的大腦和神經(jīng)中樞，主要由三大部分組成，包括電控、調(diào)整和天控裝置。電控裝置是發(fā)信機(jī)控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)發(fā)信機(jī)開關(guān)機(jī)操作和狀態(tài)指示。調(diào)整裝置負(fù)責(zé)調(diào)整發(fā)信機(jī)主機(jī)的狀態(tài)，包括匹配濾波、中槽大耦合等，并將主機(jī)狀態(tài)顯示出來。天控裝置負(fù)責(zé)調(diào)整天線及調(diào)諧亭的狀態(tài)，如粗細(xì)調(diào)線圈并將之顯示出來。

為了實(shí)現(xiàn)預(yù)調(diào)諧功能，需要在控制系統(tǒng)增加一個(gè)預(yù)調(diào)諧裝置，如圖4所示。

增加了預(yù)調(diào)諧裝置后，控制系統(tǒng)各裝置應(yīng)當(dāng)增加如下功能：

1）電控裝置發(fā)起指令要求預(yù)調(diào)諧裝置進(jìn)行預(yù)調(diào)諧操作。

2）預(yù)調(diào)諧裝置接收電控裝置的預(yù)調(diào)諧指令、天控裝置的頻率信息、調(diào)整裝置的調(diào)諧狀態(tài)，控制調(diào)整裝置、天控裝置的可調(diào)線圈，實(shí)現(xiàn)發(fā)信機(jī)不加高壓調(diào)諧的功能。

3）調(diào)整裝置接受預(yù)調(diào)諧裝置調(diào)整中槽線圈的指令，并向預(yù)調(diào)諧裝置發(fā)送調(diào)諧狀態(tài)信息。

4）天控裝置向預(yù)調(diào)諧裝置發(fā)送頻率信息，并接受預(yù)調(diào)諧裝置調(diào)整粗細(xì)調(diào)線圈的指令。

2.2 預(yù)調(diào)諧裝置工作原理

對于預(yù)調(diào)諧裝置來說，為了實(shí)現(xiàn)上述功能，應(yīng)當(dāng)按照下列步驟進(jìn)行工作：

1）預(yù)調(diào)諧裝置上設(shè)置新的頻率，或讀取激勵(lì)器的頻率；

2）預(yù)調(diào)諧裝置上開始測試天線狀態(tài)，每秒更新一次，調(diào)整時(shí)以此動(dòng)態(tài)顯示的阻抗數(shù)據(jù)為依據(jù)；

3）調(diào)整發(fā)信機(jī)天線回路的粗細(xì)調(diào)線圈，使得預(yù)調(diào)諧裝置顯示的電阻值達(dá)到最大；

4）調(diào)整發(fā)信機(jī)中槽線圈或大耦合，使得預(yù)調(diào)諧裝置顯示的電阻值等于發(fā)信機(jī)內(nèi)阻X歐姆，電抗絕對值小于Y歐姆；

5）調(diào)機(jī)可能一次不能達(dá)到最佳狀態(tài)，因此需要重復(fù)前兩個(gè)步驟，直至預(yù)調(diào)諧裝置顯示的電阻值等于發(fā)信機(jī)內(nèi)阻且為最大值，電抗絕對值小于Y歐姆；

6）此時(shí)的中槽線圈數(shù)值、大耦合數(shù)值、粗細(xì)調(diào)線圈數(shù)值等參數(shù)，即為該頻率的調(diào)諧點(diǎn)，記錄這些數(shù)值，以備查詢比較。

這樣就實(shí)現(xiàn)了發(fā)信機(jī)不加高壓調(diào)諧的功能，預(yù)調(diào)諧裝置的工作原理如圖5所示。

圖4 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

圖5 調(diào)諧裝置工作原理圖

3 大功率發(fā)信機(jī)應(yīng)用預(yù)調(diào)諧技術(shù)的改造方法

根據(jù)前面的討論，已經(jīng)明確了將預(yù)調(diào)諧裝置集成到發(fā)信機(jī)的控制系統(tǒng)的功能和原理，接下來將討論如何從硬件和軟件對控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，以使其實(shí)現(xiàn)預(yù)調(diào)諧的功能，同時(shí)不改變現(xiàn)有系統(tǒng)的完整性，不降低現(xiàn)有系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。

3.1 硬件改造方法

硬件改造主要包括兩大部分，一是預(yù)調(diào)諧裝置的硬件設(shè)計(jì)，二是炮彈開關(guān)的硬件改造。

1）預(yù)調(diào)諧裝置應(yīng)符合國軍標(biāo)，可以安裝到發(fā)信機(jī)控制系統(tǒng)柜，一個(gè)抽屜即可，硬件是現(xiàn)成的，可以利用現(xiàn)有成型預(yù)調(diào)諧測試儀的硬件，只需稍加改造，符合發(fā)信機(jī)控制柜的標(biāo)準(zhǔn)即可，如圖6所示。

左側(cè)顯示屏幕用于顯示設(shè)置的參數(shù)，需要觀察的電阻值、電抗值等。中間小鍵盤用于功能設(shè)置如頻率設(shè)置、開始調(diào)諧等，以及數(shù)字鍵等功能。右側(cè)主要用于裝置開關(guān)、電源指示等，還有一個(gè)USB接口用于外接鼠標(biāo)，方便裝置的軟件更新、維護(hù)等，一般操作是用不到的。

2）炮彈開關(guān)。預(yù)調(diào)諧裝置接入天線假負(fù)載切換開關(guān)，需要將原有的二選一炮彈開關(guān)改為雙刀聯(lián)動(dòng)炮彈開關(guān)。原有功能為發(fā)信機(jī)輸出二選一：天線或假負(fù)載，如圖7所示。

現(xiàn)有功能為兩個(gè)輸入：預(yù)調(diào)諧或發(fā)信機(jī)，兩個(gè)輸出：天線或假負(fù)載，發(fā)信機(jī)工作時(shí)，預(yù)調(diào)諧和假負(fù)載懸空，發(fā)信機(jī)接天線，預(yù)調(diào)諧時(shí)，預(yù)調(diào)諧接天線，發(fā)信機(jī)接假負(fù)載，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，即預(yù)調(diào)諧天線參數(shù)，發(fā)信機(jī)在假負(fù)載狀態(tài)調(diào)試，如圖8所示。

預(yù)調(diào)諧裝置與切換開關(guān)的信號線連接采用良好屏蔽的75 V測試電纜。預(yù)調(diào)諧裝置預(yù)留與控制柜的通信用網(wǎng)線接口，目前還不需要使用網(wǎng)線通信，主要以人工操作為主，等待下一步積累實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，滿足自動(dòng)預(yù)調(diào)諧條件后再進(jìn)行軟件的改造提升。

圖6 預(yù)調(diào)諧裝置前面板示意圖

圖7 改造前的鏈接方式示意圖

圖8 增加預(yù)調(diào)諧裝置的連接方式示意圖

3.2 軟件改造方法

硬件運(yùn)行穩(wěn)定后，可開展系統(tǒng)軟件的改進(jìn)工作，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精準(zhǔn)預(yù)調(diào)諧的功能，主要包括以下幾個(gè)方面：

1）統(tǒng)一軟件接口協(xié)議。預(yù)調(diào)諧軟件運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)，而發(fā)信機(jī)控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行于PLC的WINCC系統(tǒng)，可通過擴(kuò)展接口協(xié)議編輯遠(yuǎn)程通信控制軟件，從而實(shí)現(xiàn)二者的通信與控制[5]。

2）改進(jìn)預(yù)調(diào)諧軟件判斷模塊和遙控模塊。優(yōu)化系統(tǒng)軟件界面，添加用于判斷軟件計(jì)算出的電阻值、電抗值是否符合目標(biāo)要求的邏輯模塊，遙控模塊用于遠(yuǎn)程控制中槽線圈、粗細(xì)調(diào)線圈。

3）預(yù)留權(quán)限，便于遙控。針對遠(yuǎn)程遙控模式，開通給預(yù)調(diào)諧軟件的編輯權(quán)限，添加自定義預(yù)調(diào)諧模式的功能，有利于后續(xù)改進(jìn)與維護(hù)。

軟件改造完成后，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)這樣的功能：可手動(dòng)或半自動(dòng)進(jìn)行預(yù)調(diào)諧。手動(dòng)預(yù)調(diào)諧時(shí)，按下預(yù)調(diào)諧裝置上的開始調(diào)諧按鈕，預(yù)調(diào)諧裝置屏幕上顯示調(diào)諧數(shù)據(jù)，手動(dòng)調(diào)節(jié)中槽線圈和粗細(xì)調(diào)線圈，使屏幕上的調(diào)諧數(shù)據(jù)達(dá)到調(diào)諧的要求。半自動(dòng)預(yù)調(diào)諧時(shí)，按下預(yù)調(diào)諧裝置上的開始調(diào)諧按鈕，預(yù)調(diào)諧裝置軟件根據(jù)調(diào)諧規(guī)則，自動(dòng)調(diào)節(jié)中槽線圈和粗細(xì)調(diào)線圈，使設(shè)備達(dá)到調(diào)諧要求。

4 結(jié)論

本文討論了預(yù)調(diào)諧技術(shù)如何應(yīng)用到大功率發(fā)信機(jī)中的問題，提出了設(shè)計(jì)思路、工作原理以及硬件和軟件的改造方法。在實(shí)際工作中，安裝預(yù)調(diào)諧裝置后，可利用該裝置定期校對發(fā)信機(jī)參數(shù)，在臨時(shí)改頻工作時(shí)，也可隨時(shí)使用。改造完成后，大功率發(fā)信機(jī)的調(diào)諧備妥時(shí)間將大大縮短，可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)改頻隨時(shí)發(fā)信工作，尤其是實(shí)現(xiàn)軟件自動(dòng)調(diào)諧后，不需要人工操作，將使調(diào)諧備妥時(shí)間進(jìn)一步縮短，同時(shí)也避免了在大功率狀態(tài)下調(diào)機(jī)發(fā)生故障的危險(xiǎn)，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性，達(dá)到了提高大功率發(fā)信機(jī)戰(zhàn)技術(shù)性能的目的。預(yù)調(diào)諧技術(shù)應(yīng)用成熟后，還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大功率發(fā)信機(jī)全自動(dòng)調(diào)諧的功能，這樣調(diào)諧過程完全不需要人工干預(yù)，這將大大節(jié)省值班值勤的人力資源，如果具備一定的通信條件，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制大功率發(fā)信機(jī)開機(jī)工作的功能，這將大大提高對潛發(fā)信系統(tǒng)的時(shí)效性，這些還需要下一步更加細(xì)致的研究。