一种中波导航终端及其智能切频和自适应调谐的方法与流程

本发明属于无线通信领域，特别涉及一种中波导航终端及其智能切频和自适应调谐的方法。

背景技术：

目前，无论国内还是国外中波导航台在一个时间段内只能使用单一的频率进行导航，其不能像短波发射系统那样实现快速切换频点。并且由于当前中波导航台在建设及调试时，其工作频点都处在申请当中，因此，并不能在中波导航台建设及调试过程中即进行其工作频点的设置。此外，对于同一个中波导航台，特别是地处海洋环境中或者海拔较高的地区等特殊环境中的中波导航台，其发射天线的匹配网络严重依赖于气候条件。

所以，对于每个中波导航台，在其工作频点确定下来并且天线架设完毕后，都需要导航台技术人员自行调整天线匹配网络以便中波导航台可正常配谐、发射，并且在每年冷热交替的春、秋两季，中波导航台的天线匹配网络需要重新调整，而对于地处海洋环境中或者海拔较高的地区等特殊环境的中波导航台，其天线匹配网络的匹配状态甚至在一天之内即有明显变化，此时，则在一天之内即需要进行调谐匹配网络的重新调整。

而由于改变导航频率或天线参数变换时涉及调谐匹配的调整点比较多，不仅要对发射机相关部位进行调整，与发射机相关配套的发射机天线的调配网络随着频率的变化也要做出针对性调整，因此，中波导航台的调整需要投入很多的人力和物力。一般情况下，改换一次中波导航台的频率非专业人员并不能直接操作，即使是专业人员执行改频操作也比较麻烦，至少需要十几个乃至几十个小时。

因此，随着发射机不断更新换代，在频点切换或不同长度天线下或当前天线发送参数改变时，如何实现非专业人员即可快速操作中波导航系统已成为中波导航系统急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种中波导航终端及其智能切频和自适应调谐的方法，实现中波导航系统的智能切频和自适应调谐。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种中波导航终端，包括依次连接的发射机、天调箱、发射天线，其特征在于，还包括：

监控单元，监控单元包含工控机；

所述发射机包含依次连接的激励控制板、功率放大器和滤波器，滤波器包含波段控制板；

所述天调箱包含天调监控板以及依次连接的阻抗变换器、射频取样板、微调回路和粗调回路，所述天调监控板分别与阻抗变换电路、射频取样板、微调回路和粗调回路连接；

所述工控机分别与所述激励控制板、所述波段控制板和所述天调监控板建立双向通讯连接。

本发明还提供一种中波导航终端智能切频和自适应调谐的方法，其特征在于，包括步骤：

s1、判断是否进行工作频率设置，若是，进入步骤s2；若否，进入步骤s6；

s2、在工控机提供的人机交互界面选择工作频率并确认设置，将所述工作频率经由单片机传送到dds电路，由dds电路产生对应的工作频率的方波信号，同时发送波段切换指令至波段控制板的mcu，使其根据工作频率设置值与波段的对应关系，切换为对应的波段；

s3、判断配谐表是否为空，若为空，进入步骤s4；若否，进入步骤s5；

s4、调用配谐流程，进入步骤s3；

s5、调用配谐表数据，将读取的粗调档位值和阻抗档位值发送给天调监控板的mcu进行设置，将读取的激励信号电平值发送给激励控制板的mcu，使其执行正弦脉宽调制spwm的占空比更改；

s6、发送开启高压电源指令给激励控制板，使其开启高压电源；

s7、调用微调回路控制，发送微调调谐指令给天调控制板的mcu，天调控制板根据串联谐振原理控制步进电机带动球形可变电感器找寻天线电流最大点，将所述天线电流回传给工控机；

s8、工控机判断所述天线电流是否在预设电流范围内，若是，则进入步骤s10，若否，则进入s9；

s9、调用各参数判定及处理流程，进入s8；

s10、启动调制。

本发明的有益效果在于：通过工控机控制发射机中的激励控制板、波段控制板和天调箱中的天调监控板，实现中波导航系统的智能切频和自适应调谐。非专业人员一键即可开射频并正常发射，可较大减少因批准的工作频点与当前频点不一致，或安装的天线长度不同、以及天线端的天气造成驻波比变化等，造成中波导航终端无法与天线配谐并正常发射，需要专业技术人员多次或长期驻守在现场大量调试、间接影响作业周期的现象，极大的降低了作业成本和操作人员的技术专业性要求。

附图说明

图1为中波导航终端的整体框图；

图2为中波导航终端智能切频和自适应调谐的流程图；

图3为配谐表的配谐流程图；

图4为各参数判断及处理流程的流程图；

图5为中波导航终端的控制链路示意图；

图6为中波导航终端的射频链路示意图；

图7为激励控制板的原理示意图；

图8为滤波器的原理示意图；

图9为阻抗变换器的原理示意图；

图10为天调箱的原理示意图；

图11为天线回路的原理示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于:通过工控机控制发射机中的激励控制板、波段控制板和天调箱中的天调监控板，实现中波导航系统的智能切频和自适应调谐。

请参照图1，一种中波导航终端，包括依次连接的发射机、天调箱、发射天线，还包括：

监控单元，监控单元包含工控机；

所述发射机包含依次连接的激励控制板、功率放大器和滤波器，滤波器包含波段控制板；

所述天调箱包含天调监控板以及依次连接的阻抗变换器、射频取样板、微调回路和粗调回路，所述天调监控板分别与阻抗变换电路、射频取样板、微调回路和粗调回路连接；

所述工控机分别与所述激励控制板、所述波段控制板和所述天调监控板建立双向通讯连接。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过工控机控制发射机中的激励控制板、波段控制板和天调箱中的天调监控板，实现中波导航系统的智能切频和自适应调谐。

进一步的，所述微调回路为一可变电感器，所述粗调回路由并联连接的加感线圈和补偿电容组成。

进一步的，所述可变电感器为球形可变电感器。

由上述描述可知，微调回路和粗调回路组成了天线回路，对天线进行调谐，以使天线上得到最大电流和功率。其中，采用电感量方便可调的球形可变电感器作为微调回路，粗调回路由并联连接的加感线圈和补偿电容组成，在天线回路中，除了串入可变电感外，还串入固定抽头的加感线圈和电容，通过调整两个电感或选择电容可实现天线与功放单元的匹配

进一步的，所述功率放大器是开关功率放大器，并采用输出电压固定、电流随负载变化的模式。

进一步的，所述阻抗变换器采用变压器隔离阻抗匹配模式。

进一步的，所述波段控制板包含驻波比检测电路和功放效率检测电路。

由上述描述可知，功率放大器采用开关功放管，并采用输出电压固定、电流随负载变化的模式，同时阻抗变换器采用变压器隔离阻抗匹配模式，并且波段控制板包含驻波比检测电路和功放效率检测电路，则当后端天线回路配谐起来后，不同的阻抗档位消耗的整机功耗不同，通过预定的功率需求值/电源功耗所转换来的效率可指引所需求的阻抗匹配，同时驻波比电路所体现的规律为：越靠近阻抗匹配的阻抗变换器档位所体现出来的驻波比将为最小值，综合以上两种手段，可实现发射机与天线的阻抗匹配。

请参照图2，一种中波导航终端智能切频和自适应调谐的方法，包括步骤：

s1、判断是否进行工作频率设置，若是，进入步骤s2；若否，进入步骤s6；

s2、在工控机提供的人机交互界面选择工作频率并确认设置，将所述工作频率经由单片机传送到dds电路，由dds电路产生对应的工作频率的方波信号，同时发送波段切换指令至波段控制板的mcu，使其根据工作频率设置值与波段的对应关系，切换为对应的波段；

s3、判断配谐表是否为空，若为空，进入步骤s4；若否，进入步骤s5；

s4、调用配谐流程，进入步骤s3；

s5、调用配谐表数据，将读取的粗调档位值和阻抗档位值发送给天调监控板的mcu进行设置，将读取的激励信号电平值发送给激励控制板的mcu，使其执行正弦脉宽调制spwm的占空比更改；

其中，激励信号电平是发射端的输出信号功率与接收端的输入信号功率的比(具体见申请号201610948473.3的专利申请)。

s6、发送开启高压电源指令给激励控制板，使其开启高压电源；

s7、调用微调回路控制，发送微调调谐指令给天调控制板的mcu，天调控制板根据串联谐振原理控制步进电机带动球形可变电感器找寻天线电流最大点，将所述天线电流回传给工控机；

s8、工控机判断所述天线电流是否在预设电流范围内，若是，则进入步骤s10，若否，则进入s9；

s9、调用各参数判定及处理流程，进入s8；

s10、启动调制。

由上述描述可知，在工控机的控制下，激励控制板、波段控制板和天调监控板相互配合，实现中波导航终端自动实现全频段配谐，并将配谐数据存储，实现非专业人士的一键切频及开射频动作，中波导航终端将自动调用配谐表相关数据并启动自动调谐功能，实现发射机与天线的当前频点及环境的无缝配谐。

进一步的，参见图3，所述配谐流程具体包括：

s401、设置工作频率f＝700khz；

s402、设置粗调为0档，阻抗为5档，激励信号电平为60％；

其中，粗调档从0档开始，对应470pf，1档对应0uf，2档对应250uf，39档对应2200uf。具体的档位数及各档位对应的电容量可根据实际情况需要设定。

s403、采用串联谐振时仅基波电流最大原则且要求球形可变电感器的角度符合“20～160”度原则分辨所述工作频率对应的粗调档位，采用驻波比最小及功放效率最好原则分辨所述工作频率对应的阻抗档位，得到工作频率及其对应的粗调档位、阻抗档位；

s404、开启射频，执行步骤s7进行调谐；

s405、调谐完毕后，执行各参数判定及处理流程；

s406、判断配谐表是否全部填满，若是，则进入s408；若否，则进入s407；

s407、根据配谐表规则逐步降低工作频率，最低工作频率为190khz，进入s402；

s408、结束。

进一步的，所述配谐表规则具体包括：

a.190khz～250khz内，f±3khz；

b.251khz～350khz内，f±5khz；

c.351khz～700khz内，f±10khz。

由上述描述可知，不同频段内设置不同的配谐表规则，提高了配谐表配谐的效率。

进一步的，参见图4，所述各参数判断及处理流程具体包括：

s801、查看天线电流值i、微调显示值和电源电流值；

s802：执行天线电流判断：

a.若i>＝imax，“激励信号电平”依次递减5％，直至i在i正常范围为止，执行s803；

b.若i<imax，则执行s803；

s803：执行微调判断：

a.微调显示值在(20-160)度，包括20度和160度，进行s804；

b.微调显示值在(0-20)度内，粗调减小一档，重新调谐后执行s801；

c.微调显示值为(160-180)度内，粗调增加1档，重新调谐后执行s801；

s804：执行阻抗判断：

a.设置不同阻抗，查看驻波比及功放效率比，选择数值最佳的档位，执行s805；

b.电源电流不能超过7a，超过7a，降低“激励信号电平”值；

s805：激励信号电平设置：

a.调整激励信号电平值，使当前天线电流值落入i正常范围；

b.电源电流不超过5a；

c.将“发射频率、调制频率、阻抗、粗调、激励信号电平”存储至配谐表。

由上述描述可知，通过各参数判断及处理流程保证天线电流工作在正常的范围内。

实施例一

中波导航终端包括监控单元、发射机、天调箱和发射天线。监控单元包括电源链路、工控机及其外围电路，发射机包括电源部分、激励控制板、功率放大器及滤波器，天调箱包括天调监控板、阻抗变换器、射频取样板、微调回路及粗调回路，发射天线由h型天线组成。

监控单元是中波导航终端的控制中枢和接收信号监测中心，主要用于人机交互，控制发射机与天调箱根据控制流程动作。

发射机是中波导航终端的发射信号产生及放大中枢，具有功率受指令控制0w-100w可调功能。发射机受监控单元控制，可设置发射信号的参数(如发射频率、工作方式、激励信号电平、调幅度、调制频率等)、开关工作分机以及向监控单元上报工作的状态及参数。

天调箱作为本终端与天线的耦合匹配部分，具有受指令控制，自动匹配配谐功能。天调箱要完成功放单元所要求的阻抗匹配作用，又要完成传输功率的作用，同时还要滤除谐波，使整机输出的谐波能量符合指标要求。

发射天线主要将天调箱传来的射频信号发射出去，搭设在跑道附近。

监控单元、发射机、天调箱和发射天线的连接关系可以分解为两种链路。

(一)控制链路

整机控制链路包括上下位机通信电路、动作执行电路和信号监测电路。

如图5所示，工控机为上位机，激励控制板、波段控制板和天调监控板为下位机，工控机通过can总线分别与所述激励控制板、所述波段控制板和所述天调监控板建立双向通讯连接。

激励控制板接收工控机发送的指令信息，用于执行“发射频率”、“调制信息”、“激励信号电平”等功能，同时对发射机部分参数进行监测和上报，监测的参数有：功放温度、工作频率、电源电压、电源电流。

波段控制板接收工控机发送的指令信息，用于执行“频段切换”功能。

天调监控板主要完成对匹配耦合链路的控制和监测，监测参数有天线电流和调幅度，控制部分有粗调档位、阻抗档位和自动调谐。

(二)射频链路

中波导航终端的射频链路如图6所示，包括激励控制板、功率放大器、滤波器、阻抗变换器、微调线圈、加感线圈/补偿电容及发射天线。

激励控制板产生与设置的参数相应的激励信号，通过功率放大器放大为大功率信号，经过波段控制板切换的对应滤波器波段滤波后送入天调箱。在天调箱内，信号经过阻抗匹配和天线回路的调谐，实现输出信号与天线负载处在最佳匹配状态下并对外辐射。设备在高频段工作时粗调档位会由加感线圈切换至补偿电容。

通过上述射频链路的说明，可知，智能切频涉及到激励控制板、滤波器和天调箱部分，不同长度的天线配谐及天线环境因素配谐涉及到天调箱部分。智能切频和自适应调谐要求各部分在硬件上存在自动控制的设计，各部分的原理如下所示。

图7所示为激励控制板的原理示意图。对应工作频率的载波信号由激励控制板产生，激励控制板的单片机从can通信链路接收到通信内容并解析出频率数据，传送给dds电路，由dds电路产生对应的载波信号并经驱动电路送往后级的载波功放电路，由此可见工作频率的变换输出可自动控制。

而载波功放对载波信号的功率放大不受限于频点的范围，对全频段均有效，故在切频部分不表述。

经载波功放放大后的载波功率信号，需送经后级的滤波器滤波后方可转变为需求的辐射格式：正弦波。由于工作频率范围为190k-700k，低频频点范围的2倍频、3倍频落在了工作频率范围内，故需要进行频段切换。

图8所示为滤波器的原理示意图。谐波滤波器内存放了涵盖工作频段范围的四段频段，该四段频段由波段控制板接收工控机的指令控制真空高压继电器切换选择，此也可自动控制。同时波段控制板上存在驻波比检测电路及功放效率检测电路，通过这两个取样电路可对后级的阻抗档位匹配进行指导，由于本载波功放采用的是开关功放管，并采用为输出电压固定但电流随负载变化的形式，同时根据图9所示，本设备的阻抗变换器采用的是变压器隔离阻抗匹配模式，则当后端天线回路配谐起来后，不同的阻抗档位消耗的整机功耗不同，通过预定的功率需求值/电源功耗所转换来的效率可在一定的程度上指引所需求的阻抗匹配，同时驻波比电路所体现的规律为，越靠近阻抗匹配的阻抗变换器档位所体现出来的驻波比将为最小值，综合该两种手段，则可指引如何实现发射机与天线的阻抗匹配。

图10所示为天调箱的原理示意图，发射机输出的射频信号(即滤波器输出的正弦波功率信号)经由天调箱实现与天线的匹配、谐振。天调箱包括阻抗变换器、射频取样板、天调监控板、微调回路、粗调回路(加感线圈、补偿电容)，其中阻抗匹配器电路如图9所示，其阻抗档位可受真空高压继电器切换选择，微调回路为一球形可变电感器(具体见申请号201310154596.6的专利申请)，其受二相步进电机控制，粗调回路的电感或电容也受真空高压继电器切换选择，而以上的继电器组和二相步进电机均由天调监控板接收工控机指令进行动作切换，同时其中粗调回路和微调回路组成了天线回路。

天线回路的作用是对天线进行调谐，以使天线上得到最大电流和功率。天线回路把功放单元射频输出功率经调谐匹配后，最大限度地送到天线去。同时，天线回路谐振时，基波电流最大，而对谐波的串联阻抗最大，以阻止谐波电流流入天线，起到进一步滤除谐波的作用。自动调谐装置能在环境条件变化引起天线电抗变化时，使天线自动调谐而保持谐振状态。

图11为天线回路的原理示意图，对于不同的工作频率，天线自身的阻抗变化较大，因此在天线回路中，除了串入可变电感t1外，还串入了固定抽头电感t2和电容c1，它们共同组成了天线串联谐振电路，调整t1、t2或选择c1使天线与功放单元匹配。

从上述描述可知，硬件层面均采用自动控制设计，实现了中波导航终端的智能切频及自适应调谐。

实施例二

根据实施例一中控制链路的说明可知，在执行中波导航终端的智能切频及自适应调谐过程中，主要涉及工控机、激励控制板、波段控制板及天调控制板。

在设备首次系泊时，配谐表基本为空。此时设备会根据配谐流程中的操作，配谐流程如图9所示，工控软件将启动首次配谐功能，采用串联谐振时仅基波电流最大原则且要求球状电感器的角度符合“20-160”度原则来分辨工作频率对应的粗调档位，采用驻波比最小及功放效率最好原则来分辨工作频率对应的阻抗档位，分别自行设置频率、粗调、阻抗、激励等参数，从最高频率700k时天线显现为感抗的原则下，依次选择补偿电容进行判断，在700k配谐成功后，根据配谐表原则逐步降低工作频率及增加粗调档位(增加加感值)来向最低频率190k配谐，配谐完毕后，设定对应的激励信号电平值，并一一将工作频率、及其所对应的粗调、阻抗、激励信号电平值、微调值存储。

在已有配谐表的情况下，操作人员在工控机提供的人机交互界面选择工作频率并确认设置，单片机从can通信链路接收并解析出此通信内容的工作频率值，从而将工作频率值传送到dds电路，由dds电路产生对应的工作频率的方波信号，同时波段控制板的mcu接收到波段切换指令，根据频率设置值与波段对应关系，切换为对应的波段，同时天调监控板的mcu接收到工控机读取的配谐表存储的粗调档位值设置和阻抗档位值设置，分别对真空继电器组进行切换，激励控制板的mcu接收工控机读取的配谐表存储的激励信号电平值执行spwm的占空比更改。上述即为工作频率设置流程。

在完成工作频率设置流程后，操作人员可以选择一键开启射频，激励控制板接收工控机传来的开启高压电源指令并执行动作，在高压电源开启后，天调控制板的mcu接收工控机传来的“微调调谐”指令，控制步进电机先停留在所存储的微调值附近，为避免由于天气环境变化或天线长度发生改变(如h型甲板天线)，造成谐点发生改变，即微调值发生改变，天调控制板根据串联谐振的原理(基波电流最大原则)控制步进电机带动球状电感器，找寻此时天线电流最大点并停下，天调控制板回传该天线电流值于工控板，工控板判定天线电流是否符合要求，符合则启动调制，不符合则调用“各参数判定及处理流程”，“各参数判定及处理流程”如图4所示。

综上所述，由于中波导航终端自动实现全频段配谐，并将配谐数据存储，即可实现非专业人士的一键切频及开射频动作，中波导航终端将自动调用配谐表相关数据并启动自动调谐功能，实现发射机与天线的当前频点及环境的无缝配谐。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。