动态天线调谐的系统和方法技术方案

一种特别适合于ＶＬＦ移频（与开－关相反）键控发射机的动态天线调谐系统，采用饱和磁开关放大器，在天线与发射机之间提供可变调谐电感，控制该放大器以在开－关阶跃变化期间，产生渐变而不突变的射频切换，以使窄的ＶＬＦ频谱工作成为可能。（*该技术在2007年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及天线调谐系统，尤其，但不唯一，涉及甚低频(VLF)天线的自动同步调谐，使用固态的或其相类似的产生移频键控调制信号或相类似的信号的发射机避免了因失谐引起的负载失配严重后果的敏感性，于是失配负载也可以高效、有效和动态地得到馈电。VLF波段(即3-30千赫)为世界范围的可靠通信提供了独特的特性。其传播主要靠垂直极化的地波方式，这种波在大地-电离层的波导中传播时衰减很小，并且几乎不受往往中断较高频率的传播的电离层干扰的影响，然而遗憾的是VLF波难于从那些以大地为基础的天线辐射出去，这是由于在实际使用中，天线尺寸被限制为波长很小一部分的缘故。一付电气上的短天线的激励需要发射机提供大量的、局部非辐射方式的无功功率，这种无功功率可能是所供给的有功功率的几百倍，由于天线附近的土壤产生的电阻损耗，只有一部分有功功率辐射出去。VLF发射天线通常由多个铁塔在最高实际高度处支撑的被绝缘的导线网构成，通过绝缘了的铁塔或引下线从地面馈电。天线的有效高度实际上就是这个实际的高度。本地的静电状态表现为与辐射电阻和地电阻串联的电容，但该容抗在单一工作频率上可用一个适当的串联电感予以抵消。最终形成的串联谐振电路的Q值通常是几百，所产生的一3分贝带宽对于移频键控(FSK)数据发射来说太窄了，尤其是在低频工作的情况下。在具有动态调谐的本专利技术出现之前，通信系统的设计师们被迫接受VLF/LF天线系统的带宽作为对移频键控发信速率的基本限制。地面传输一直限制为几百波特，而且有较宽天线带宽的中机载发射台则以大于1千波特的速率工作。展宽天线系统带宽的最简单方法是加一个串联电阻，这种方法会降低效率，仅在需要略微改进带宽时采用这种方法才是经济的。用于增加带宽的另一种唯一的实际方法是用电子学的方法变化调谐电感以使天线的调谐跟踪于发射机提供的激励频率。为了实现这种功能，已尝试了各种技术，包括使用非常大的铁氧体铁芯来调谐导磁率(雅各布M.I(Jacob，M.I)和布劳彻H.N(Brauch，H.N.)写的“高速键控VLF发射机”(“Keying VLF transmitters at high speed”)发表在“电子学”1954年第27卷第12号第148～151页)和具有矩形回路磁铁芯来控制可控硅整流器(SCR)(由本专利技术的受让人写的“用以增加带宽(CARBE)的控制天线电抗器”(“Controlled Antenna Reactor for Bandwidth Enhancement(CARBE)”)RADC TR-74-161)(1974年7月)。在这种现有的动态调谐中，像在上述电子学论文中所描述的那样，在二个螺旋线圈壳的每个之中都采用铁氧体电抗器，把天线带宽增加到72赫兹，结果在17.8千赫上频移100赫兹的辐射功率约为没有动态调谐时的二倍。每个电抗器被放置在23吨重的大油槽内，其中3.75吨为铁氧体材料。虽然激励电路的限制妨碍了电抗器达到其性能设计的水平，但至少证明了动态调谐的实用性。根据使用SCR和谐振充电电路，业已研制多种较高效率的激励器，并且已经发现矩形回路磁性材料可以在大信号条件下作为二态开关工作。如果用磁芯作为二态开关工作，则所需芯体的重量和体积小得多，例如，已经实现了用100千瓦发射机在37.2千赫上的1600波特速率的最小移位键控(MSK)的发射。天线带宽小于1/4频移-这确实是在没有本专利技术的动态调谐情况下的另一种不可能发信例子。并且已经得到了适用于电台特殊需要的带有动态调谐的VLF电台的组件动态调谐系统，这样，在每个指定频率上可以有效地发射200波特信号，而且具有100赫兹频移和160赫兹系统带宽，其结果是，实现了减小真空管发射机的压力并大大改进了直流对射频的转换效率。在那些对失谐引起负载失配特别敏感的固态VLF发射机的研制中，这些益处具有特殊意义，它们具有比它们所希望还高的工作效率和可靠性，否则，如果不同步调谐，就会有损耗。因此，本专利技术的一个目的是提供一种新的和改进的动态调谐装置和方法，特别适用于频移键控的VLF发射机，它们不受现有的系统的上述缺点的影响，但是它们提供具有高效率和窄频谱的同步动态调谐。另一个目的是提供一种具有普遍的应用性的新颖的动态天线调谐装置。其它的目的将在下文进行解释。总之，从更大的角度来看，本专利技术包括用于与键控发射机一起工作的VLF天线及其类似物的自动同步调谐的动态天线调谐系统，在组成上包括含有将该发射机与天线连接的可变调谐电感的交感器装置;含有连接到变感器装置的可变电感的耦合网络装置;含有连接到耦合网络装置的饱和铁芯平衡磁开关装置;含有用于产生控制脉冲以使磁开关装置饱和及复位的由充放电电路装置组成的控制电流发生器装置;含有响应于发射机频率的自动电路调谐装置，以使耦合网络装置的变感器装置和可变电感的可变调谐电感产生连续逐渐的变化，以得到使天线系统调谐到所希望的辐射频率的效果。优选的和最佳型实施例及其详细说明在下文说明。现在参考附图对本专利技术进行描述，图1是本专利技术的优选实施例的方块图;图2是图1中平衡饱和电感磁开关的电路图;图3A和B是说明在图2的开关中发生的矩形回路磁性材料开关切换的磁滞特性的曲线图;图4是图1的天线耦合网络的详细电路图;图5是图1的控制电流发生器的电路图;图6A、B和C分别是图5的控制电流发生器的电容器电压、控制电流和可控硅门输出对时间的函数关系的波形。图7是射频开关电流(上轨迹)和该电路在工作时的控制电流(下轨迹)的示波图;图8示出放大了的上述射频开关电流(上轨迹)和控制电流(下轨迹)的低频到高频阶跃变化区的示波图;图9是开关电流(前景)和天线电流(背景)的示波图;图10是天线电流阶跃变化区的示波图;参阅图1，说明加到前述键控调制器3激励的VLF发射机(如 用型AN/FRT87)的动态天线调谐系统。发射机射频输出通过主变感器＃1和＃2(微调)加到天线2上，该图示出在自动调谐电路5的控制下它们的变化的可能性。输入到自动调谐电路5的输入信号是来自调制器3的目标/空间基准10，来自发射机1的相位基准8，来自电流变压器7的天线取样电流4和来自操作控制和指示器9的状态及命令信号6。控制电流发生器11的输入信号是来自调制器3的目标/空间基准10和来自操作控制和指示器9的命令信号12。控制电流发生器11控制磁开关组件13，磁开关组件13连接到包括一个串联电感器L0和一个加到变感器元件＃1的分流可变电感器δL的耦合网络15。如下所述，自动调谐电路改变主要感器(由同轴联接G′图示)的微调调谐电感器＃2和合网络15的可变分流电感δL(由同轴联接G示出)。因此，借助于磁开关13，切换可变电感δL进出耦合网络15，就可提供动态调谐。借助于与可变电感δL和微调调谐可变电感＃2，连在一起的自动调谐电路5实现把天线调谐到表示目标和空间的二个频率。如上所述，磁开关组件13在电路中表现为饱和电感(在图2中已被放大)，二个相同的条磁铁芯绕有相同射频圈数(N高频)。次级控制绕组(N偏置)放置在已绕有串联反向的射频线圈的铁芯上。以便当二个铁芯处于相同的磁性状态时，射频和控制绕组是去耦的。如图3A和3B所示，对于优选的磁性材料(如80%镍，20本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于和键控发射机一起工作的ＶＬＦ天线或类似物的同步自动调谐的动态调谐系统，其组成为，含有将发射机与天线连接的可变调谐电感的变感器装置，含有连接到变感器装置的可变电感的耦合网络装置，含有由连接到耦合网络装置的饱和铁芯平衡的磁开关装置，含有用于产生控制脉冲以使磁开关装置饱合和复位的由充放电电路装置组成的控制电路发生器装置，含有响应于发射机频率的自动电路调谐装置，以使耦合网络装置的变感器装置和可变电感的可变调谐电感产生连续逐渐的变化，以得到使天线系统调谐到所希望的辐射频率的效果。

【技术特征摘要】
规定的本发明精神和范围之内的。权利要求1.一种用于和键控发射机一起工作的VLF天线或类似物的同步自动调谐的动态调谐系统，其组成为，含有将发射机与天线连接的可变调谐电感的变感器装置，含有连接到变感器装置的可变电感的耦合网络装置，含有由连接到耦合网络装置的饱和铁芯平衡的磁开关装置，含有用于产生控制脉冲以使磁开关装置饱合和复位的由充放电电路装置组成的控制电路发生器装置，含有响应于发射机频率的自动电路调谐装置，以使耦合网络装置的变感器装置和可变电感的可变调谐电感产生连续逐渐的变化，以得到使天线系统调谐到所希望的辐射频率的效果。2.根据权利要求1的天线调谐系统，其中所说的磁开关装置包括控制绕组装置，在控制电流发生器装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：保尔R约翰尼森，彼德维尔普朗克，
申请(专利权)人：迈格普尔斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]