阅读说明：本技术 一种宽带天线阻抗变换器设计方法、装置与系统 (Broadband antenna impedance transformer design method, device and system ) 是由 余国军 袁海杰 于 2019-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种宽带天线阻抗变换器设计方法、装置与系统,用于各种短波宽带天线信号转换和传输。所述宽带天线阻抗变换器设计方法,包括：获取变压器阻抗比,并根据变压器阻抗变换公式对所述变压器阻抗比进行计算,得到平方根形式的变压器匝数比；对所述平方根形式的变压器匝数比是否为整数比进行判断,根据判断结果调用调整模块对所述平方根形式的变压器匝数比进行调整,得到变压器实际匝数比；基于所述变压器实际匝数比生成目标阻抗变换器的设计方案。本发明有效解决现有阻抗变换器设计存在的匝数比不便计算、牢固性差以及阻抗匹配不精准等问题,能够降低阻抗变换过程中的插入损耗,大幅度提高阻抗变换器的幅度频率一致性和工作效率。(The invention provides a design method, a device and a system of a broadband antenna impedance converter, which are used for converting and transmitting various short-wave broadband antenna signals. The broadband antenna impedance transformer design method comprises the following steps: obtaining a transformer impedance ratio, and calculating the transformer impedance ratio according to a transformer impedance transformation formula to obtain a transformer turn ratio in a square root form; judging whether the turns ratio of the transformer in the square root form is an integer ratio, and calling an adjusting module to adjust the turns ratio of the transformer in the square root form according to a judgment result to obtain the actual turns ratio of the transformer; and generating a design scheme of a target impedance converter based on the actual turns ratio of the transformer. The invention effectively solves the problems of inconvenient calculation of turn ratio, poor firmness, inaccurate impedance matching and the like in the design of the conventional impedance converter, can reduce the insertion loss in the impedance conversion process, and greatly improves the amplitude frequency consistency and the working efficiency of the impedance converter.)

一种宽带天线阻抗变换器设计方法、装置与系统

技术领域

本发明涉及短波通讯领域，尤其涉及一种宽带天线阻抗变换器设计方法、装置与系统。

背景技术

随着我国短波通信领域的高速发展，传统技术采用架空明线实现4条平衡输入线的方式实现从天线阵地至机房的短波信号传输，存在架设难度大、工艺要求和维护成本高等问题；此外短波信号传输普遍存在阻抗匹配要求，即要求负载阻抗和传输线特性阻抗相等，或两段传输线特性阻抗保持一致，以避免进行连接和传输时产生的反射和干扰现象。

传统的阻抗变换器虽然能够直接实现200Ω：50Ω(4：1)，450 Ω：50Ω(9：1)的阻抗匹配，但对于250Ω：50Ω(5：1)、300Ω：50 Ω(6：1)和350Ω：50Ω(7：1)这些阻抗比，常常需要在4：1等整数平方比绕法基础上采用空绕方法实现。采用部分匝数不绕在磁芯上的空绕方法往往导致阻抗变换器结构不够牢固，并且空绕的匝数不便计算，也使阻抗变换器的阻抗匹配不那么准确，极大影响阻抗变换器的工作效率。

鉴于此，提出本发明。

发明内容

本发明提出一种宽带天线阻抗变换器设计方法、装置与系统，用于解决天线阵地至机房短波信号传输中，传统阻抗变换器设计方法存在匝数比计算不合理，不对称的结构设计不够牢固以及阻抗匹配不精准等问题。

为达上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种宽带天线阻抗变换器设计方法，并采用如下技术方案：

一种宽带天线阻抗变换器设计方法，包括：获取变压器阻抗比，并根据变压器阻抗变换公式对所述变压器阻抗比进行计算，得到平方根形式的变压器匝数比；对所述平方根形式的变压器匝数比是否为整数比进行判断，根据判断结果调用调整模块对所述平方根形式的变压器匝数比进行调整，得到变压器实际匝数比；基于所述变压器实际匝数比生成目标阻抗变换器的设计方案。

进一步地，所述对所述变压器阻抗比进行开平方计算，包括：根据欧姆定律，得到变压器输入功率关于输入阻抗的表达式以及变压器输出功率关于次级负载阻抗的表达式；设定所述输入功率和所述输出功率相等，推导得到所述变压器阻抗比等于变压器输入电压与输出电压比值的平方；根据所述变压器输入电压与输出电压比值等于变压器匝数比，对所述变压器阻抗比进行开方运算，得到所述平方根形式的变压器匝数比。

进一步地，所述根据判断结果调用调整模块对所述平方根形式的变压器匝数比进行调整，包括：在所述平方根形式的变压器匝数比为整数比时，将所述平方根形式的变压器匝数比中的初级绕线组匝数、次级绕线组匝数同时乘上大于等于9的任一整数，得到变压器实际匝数比；在所述平方根形式的变压器匝数比不为整数比时，采用匝数比循环倍增取整法得到变压器实际匝数比。

进一步地，所述匝数比循环倍增取整法，包括，数值转换阶段，将所述平方根形式的变压器匝数比转换成小数形式的变压器匝数比；放大阶段，所述小数形式的变压器匝数比中的初级绕线组匝数、次级绕线组匝数同时与乘数9相乘，计算并记录变压器放大匝数比，此阶段重复8次，每次乘数增加1；筛选阶段，将所有变压器放大匝数比取整，并删除初级绕线组匝数为奇数的变压器放大匝数比，选择余下变压器放大匝数比中的一个作为变压器实际匝数比。

进一步地，所述目标阻抗变换器的设计方案包括：结构设计阶段，将变压器的初级绕线组拆分为匝数相同的第一股漆包线和第二股漆包线，第一股漆包线的第一端、第二股漆包线的第一端均用于接收平衡信号；变压器的次级绕线组包括第三股漆包线，第三股漆包线的第一端用于输出不平衡信号；所述第一股漆包线的第二端、所述第二股漆包线的第二端以及所述第三股漆包线的第二端扭结在一起，共同接地；变压器绕线阶段，第一股漆包线、第二股漆包线及第三股漆包线均在磁环上均匀并排缠绕，且位置邻近，第一股漆包线、第二股漆包线的圈数均为所述变压器实际匝数比中初级绕线组匝数的一半，第三股漆包线的圈数为所述变压器实际匝数比中次级绕线组匝数，制成阻抗变换器样品；测试验证阶段，在第一股漆包线的第一端与第二股漆包线的第一端中间连接等效于输入阻抗值的标准负载，采用阻抗特性分析仪测量第三股漆包线第一端是否是次级负载阻抗，从而验证所述阻抗变换器样品的阻抗变换性能。

根据本发明的第二个方面，提供一种宽带天线阻抗变换器装置，并采用如下技术方案：

一种宽带天线阻抗变换器装置，包括：获取模块，用于获取变压器阻抗比；计算模块，用于根据所述变压器阻抗比计算得到平方根形式的变压器匝数比；调整模块，用于根据判断结果对所述平方根形式的变压器匝数比进行调整，得到变压器实际匝数比；生成模块，用于根据所述变压器实际匝数比生成目标阻抗变换器的设计方案。

进一步地，所述获取模块包括：采集单元，用于采集宽带天线结构的特性阻抗数据和同轴线缆阻抗数据；处理单元，用于将宽带天线结构的特性阻抗数据设置为变压器输入阻抗、同轴线缆阻抗设置为次级负载阻抗，且将所述变压器输入阻抗与所述次级负载阻抗作比值形成变压器阻抗比。

进一步地，所述计算模块包括：表示单元，用于根据欧姆定律，得出变压器输入功率关于输入阻抗的表达式以及变压器输出功率关于次级负载阻抗的表达式；设置单元，用于设定所述输入功率和所述输出功率相等，推导出所述变压器阻抗比等于变压器输入电压与输出电压比值的平方；计算单元，用于根据所述变压器输入电压与输出电压比值等于变压器匝数比，对所述变压器阻抗比进行开方运算，得到平方根形式的变压器匝数比。

进一步地，所述调整模块包括：第一调整子模块，用于在所述平方根形式的变压器匝数比为整数比时，将所述平方根形式的变压器匝数比调整为变压器实际匝数比；第二调整子模块，用于在所述平方根形式的变压器匝数比不为整数比时，将所述平方根形式的变压器匝数比调整为变压器实际匝数比。

进一步地，所述第二调整子模块包括：数值转换单元，用于将所述平方根形式的变压器匝数比转换成小数形式的变压器匝数比；放大单元，用于所述小数形式的变压器匝数比中的初级绕线组匝数、次级绕线组匝数同时与乘数9相乘，计算并记录变压器放大匝数比，此阶段重复8次，每次乘数增加1；筛选单元，用于将所有的所述变压器放大匝数比取整，并删除初级绕线组匝数为奇数的变压器放大匝数比，选择余下变压器放大匝数比中的一个作为变压器实际匝数比。

根据本发明的第三个方面，提供一种宽带天线阻抗变换器系统，并采用如下技术方案：

一种宽带天线阻抗变换器系统，包括上述的宽带天线阻抗变换器装置。

本发明公开的宽带天线阻抗变换器设计方法，首先对获取的变压器阻抗比根据变压器阻抗变换公式进行运算，然后判断得到的平方根形式的变压器匝数比是否是整数比，根据判断结果调用调整模块，调整平方根形式的变压器匝数比得到变压器实际匝数比，最后基于变压器实际匝数比生成阻抗变换器的设计方案，便于计算，大大提高阻抗变换器的牢固性，设计得到的变压器实际匝数比无限逼近阻抗比，有效增加阻抗变换器阻抗的准确匹配。

附图说明

为了更清楚地说明本发明申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例所述的宽带天线阻抗变换器设计方法的总流程图；

图2是本发明实施例所述的变压器电路原理图；

图3是本发明实施例所述的平方根形式的变压器匝数比不为整数比的调整模块的具体实例图；

图4是本发明实施例所述的调整模块结构示意图；

图5是本发明实施例所述的宽带天线阻抗变换器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本中发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明实施例所述的宽带天线阻抗变换器设计方法的总流程图。

参见图1所示，一种宽带天线阻抗变换器设计方法包括：

S110：获取变压器阻抗比，并根据变压器阻抗变换公式对所述变压器阻抗比进行计算，得到平方根形式的变压器匝数比；

S120：对所述平方根形式的变压器匝数比是否为整数比进行判断，根据判断结果调用调整模块对所述平方根形式的变压器匝数比进行调整，得到变压器实际匝数比；

S130：基于所述变压器实际匝数比生成目标阻抗变换器的设计方案。

在步骤S110中，获取变压器阻抗比，具体方法如下：

首先，采集宽带天线结构的特性阻抗数据z₁和同轴线缆阻抗数据z₂，然后将宽带天线结构的特性阻抗数据z₁设置为变压器输入阻抗Z₁、同轴线缆阻抗z₂设置为次级负载阻抗Z₂，且将所述变压器输入阻抗Z₁与所述次级负载阻抗Z₂作比值形成变压器阻抗比Z₁：Z₂。

本实施例通过上述技术方案，即提供一种获取模块10的具体实施方法，实现采集的宽带天线和同轴电缆的阻抗数据到目标变压器阻抗比的转换，相对而言宽带天线的特性阻抗数据、同轴线缆的阻抗数据较易采集，大大降低宽带天线阻抗变换器设计的难度。

在步骤S110中，并根据变压器阻抗变换公式对所述变压器阻抗比进行计算，得到平方根形式的变压器匝数比，具体实施方案为：

根据欧姆定律，得出变压器输入功率P₁关于输入阻抗的表达式Z₁以及变压器输出功率P₂关于次级负载阻抗Z₂的表达式：

设定所述输入功率P₁和所述输出功率P₂相等，推导得到所述变压器阻抗比Z₁：Z₂等于变压器输入电压与输出电压比值的平方(V₁:V₂)²：

或

根据所述变压器输入电压与输出电压比值V₁：V₂等于变压器匝数比n，对所述变压器阻抗比Z₁：Z₂进行开方运算，得到平方根形式的变压器匝数比

本实施例通过上述技术方案，提供一种计算模块20的具体实施方案，依据变压器原理，如图2所示，实现阻抗变换的同时，利用获取模块10获取的变压器阻抗比Z₁：Z₂，计算推导出平方根形式的变压器匝数比

变压器原理通俗易懂，便于计算。

在步骤S120中，对所述平方根形式的变压器匝数比是否为整数比进行判断，根据判断结果调用调整模块对所述平方根形式的变压器匝数比进行调整，得到变压器实际匝数比，具体方法如下：

在所述平方根形式的变压器匝数比为整数比时，将所述平方根形式的变压器匝数比中的初级绕线组匝数、次级绕线组匝数同时乘上大于等于9的任一整数，得到变压器实际匝数比；

本实施例通过上述技术方案，当获取模块获取的变压器阻抗比为 Z₁：Z₂＝200Ω：50Ω，经过开平方运算后得到的平方根形式的变压器匝数比

此时满足平方根形式的变压器匝数比为整数比条件，将所述平方根形式的变压器匝数比中的初级绕线组匝数、次级绕线组匝数同时乘上12，得到变压器实际匝数比n＝24：12，初级绕线组匝数为偶数，方便平分到两路输入，能够保证变压器两路平衡输入效果，因此变压器200Ω：50Ω的阻抗比可通过12+12：12的实际匝数比实现，匝数合理，便于绕制。

在所述平方根形式的变压器匝数比不为整数比时，采用匝数比循环倍增取整法得到变压器实际匝数比；所述匝数比循环倍增取整法具体为：数值转换阶段，将所述平方根形式的变压器匝数比转换成小数形式的变压器匝数比；放大阶段，所述小数形式的变压器匝数比中的初级绕线组匝数、次级绕线组匝数同时与乘数9相乘，计算并记录变压器放大匝数比，此阶段重复8次，每次乘数增加1；筛选阶段，将所有变压器放大匝数比取整，并删除初级绕线组匝数为奇数的变压器放大匝数比，选择余下变压器放大匝数比中的一个作为变压器实际匝数比；

本实施例通过上述技术方案，当获取模块获取的变压器阻抗比为 Z₁：Z₂＝300Ω：50Ω，经过开平方运算后得到的平方根形式的变压器匝数比

此时满足平方根形式的变压器匝数比不为整数比条件，首先将平方根形式的变压器匝数比

转换成小数形式的变压器匝数比n＝2.45：1，所述小数形式的变压器匝数比中的初级绕线组匝数、次级绕线组匝数依次同时与整数9， 10，11，12，13，14，15，16相乘，记录每次变压器放大匝数比，将所有变压器放大匝数比取整，并删除初级绕线组匝数为奇数的变压器放大匝数比，例如25：10，27：11，29：12等，选择余下变压器放大匝数比中的一个例如34：14作为变压器实际匝数比，满足阻抗变换器基本的阻抗匹配要求。

作为优化的实施方案，通过以下方法在余下的变压器放大匝数比中选择最佳的变压器实际匝数比：

将22：9，32：13，34：14等变压器放大匝数比平方，依次得到 484：81，1024：169，1156：196，再将变压器放大匝数比平方值与变压器阻抗比的差值取绝对值，分别得到0.0247，0.0592，0.1020，最后将所述差值绝对值除以变压器阻抗比并选择结果最小值对应的变压器放大匝数比作为最佳的变压器实际匝数比，即为22：9。

图4是本发明实施例所述的调整模块结构示意图。

如图4所示，提供一种调整模块30包括用于将整数比的平方根形式的变压器匝数比调整为变压器实际匝数比的第一调整子模块301 以及用于将不为整数比的平方根形式的变压器匝数比调整为变压器实际匝数比的第二调整子模块302，实现了阻抗比不是平方整数比时变压器初级绕线组、次级绕线组的匝数计算。当计算得到的初级绕线组匝数、次级绕线组匝数太小或太大时，需要调整磁芯的形状、尺寸甚至磁导率参数实现良好的阻抗匹配，考虑不同情况下调整模块的实施方案有利于提高宽带天线阻抗变换器设计方法的完整性和灵活性。

在步骤S120中，基于所述变压器实际匝数比生成目标阻抗变换器的设计方案，具体方法如下：

结构设计阶段，将变压器的初级绕线组拆分为匝数相同的第一股漆包线和第二股漆包线，第一股漆包线的第一端、第二股漆包线的第一端均用于接收平衡信号；变压器的次级绕线组包括第三股漆包线，第三股漆包线的第一端用于输出不平衡信号；所述第一股漆包线的第二端、所述第二股漆包线的第二端以及所述第三股漆包线的第二端扭结在一起，共同接地；变压器绕线阶段，第一股漆包线、第二股漆包线及第三股漆包线均在磁环上均匀并排缠绕，且位置邻近，第一股漆包线、第二股漆包线的圈数均为所述变压器实际匝数比中初级绕线组匝数的一半，第三股漆包线的圈数为所述变压器实际匝数比中次级绕线组匝数，制成阻抗变换器样品；测试验证阶段，在第一股漆包线的第一端与第二股漆包线的第一端中间连接等效于输入阻抗值的标准负载，采用阻抗特性分析仪测量第三股漆包线第一端是否是对应的次级负载阻抗，从而验证所述阻抗变换器样品的阻抗变换性能。

本实施例通过上述技术方案，即提供一种生成模块40，通过优化变压器的结构设计和绕线方式，制造出体积小，外观对称的阻抗变换器样品，有利于增强阻抗变换器的牢固性，延长使用周期。阻抗特性分析仪测量的参数包括：输出阻抗、输出驻波比以及***损耗等，所述阻抗变换器样品实现的是短波20kHz～32MHz频率范围内的宽带，实际测试验证结果明显，确保良好的阻抗变换效果。实际频率范围可根据测量效果，调整磁芯材质、磁芯磁导率、磁性大小形状、初次级漆包线线径等来实现。

图5是本发明实施例所述的宽带天线阻抗变换器的结构示意图。

本发明的第二个方面，如图5所示，提供一种宽带天线阻抗变换器装置，包括：获取模块10，用于获取变压器阻抗比；计算模块20，用于根据所述变压器阻抗比计算得到平方根形式的变压器匝数比；调整模块30，用于根据判断结果对所述平方根形式的变压器匝数比进行调整，得到变压器实际匝数比；生成模块40，用于根据所述变压器实际匝数比生成目标阻抗变换器的设计方案。

进一步地，所述获取模块10包括：采集单元101，用于采集宽带天线结构的特性阻抗数据和同轴线缆阻抗数据；处理单元102，用于将宽带天线结构的特性阻抗数据设置为变压器输入阻抗、同轴线缆阻抗设置为次级负载阻抗，且将所述变压器输入阻抗与所述次级负载阻抗作比值形成变压器阻抗比。

进一步地，所述计算模块20包括：表示单元201，用于根据欧姆定律，得出变压器输入功率关于输入阻抗的表达式以及变压器输出功率关于次级负载阻抗的表达式；设置单元202，用于设定所述输入功率和所述输出功率相等，推导出所述变压器阻抗比等于变压器输入电压与输出电压比值的平方；计算单元203，用于根据所述变压器输入电压与输出电压比值等于变压器匝数比，对所述变压器阻抗比进行开方运算，得到平方根形式的变压器匝数比。

进一步地，所述调整模块30包括：第一调整子模块301，用于在所述平方根形式的变压器匝数比为整数比时，将所述平方根形式的变压器匝数比调整为变压器实际匝数比；第二调整子模块302，用于在所述平方根形式的变压器匝数比不为整数比时，将所述平方根形式的变压器匝数比调整为变压器实际匝数比。

进一步地，所述第二调整子模块302包括：数值转换单元3021，用于将所述平方根形式的变压器匝数比转换成小数形式的变压器匝数比；放大单元3022，用于所述小数形式的变压器匝数比中的初级绕线组匝数、次级绕线组匝数同时与乘数9相乘，计算并记录变压器放大匝数比，此阶段重复10次，每次乘数增加1；筛选单元3023，用于将所有的所述变压器放大匝数比取整，并删除初级绕线组匝数为奇数的变压器放大匝数比，选择余下变压器放大匝数比中的一个作为变压器实际匝数比。

本发明的第三个方面，提供一种宽带天线阻抗变换器系统，包括上述的宽带天线阻抗变换器装置。

综上，本发明公开的宽带天线阻抗变换器设计方法通过首先对获取的变压器阻抗比进行开平方运算，然后判断得到的平方根形式的变压器匝数比是否是整数比，根据判断结果调用调整模块，调整得到变压器实际匝数比，最后生成阻抗变换器的设计方案，有效解决传统阻抗变换器存在的非整数平方阻抗比不好计算匝数比，牢固性差以及阻抗匹配不精准等问题，达到优化宽带天线阻抗变换器设计方法的目的。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。