專利名稱：一種電小天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)及其電小天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，更特別地說，是指一種適用于電小天線的、且具 有可實(shí)現(xiàn)小阻抗變換特性的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
隨著移動(dòng)通信技術(shù)、空間技術(shù)和超寬帶電子技術(shù)的發(fā)展，各種電子設(shè)備均向小型 化與微型化方向發(fā)展，天線作為無線電子系統(tǒng)必不可少的部件也必然向小型化發(fā)展， 因此應(yīng)用在移動(dòng)平臺(艦載、車載、機(jī)載等)的通信天線不斷提出小型化的要求。眾 所周知，電小天線的阻抗特性非常惡劣，與傳輸線匹配相當(dāng)困難，如果是寬帶匹配更 是難上加難，同時(shí)其使用效率非常低，針對電小天線的這種阻抗憐性設(shè)計(jì)合適的匹配
網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)重要。
發(fā)明 內(nèi) 容
本發(fā)明的目的之一是提出一種電小天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)，該優(yōu)化 匹配設(shè)計(jì)采用了實(shí)頻數(shù)據(jù)法和直接優(yōu)化法相結(jié)合的優(yōu)化方法。
本發(fā)明的目的之二是提出一種具有可實(shí)現(xiàn)小阻抗變換特性的電小天線寬帶匹配
網(wǎng)絡(luò)，該寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的及-c附加阻尼網(wǎng)絡(luò)直接與電小天線并聯(lián)，可以把天 線的阻抗變換成一種if的形式，不僅改善了天線端口的阻抗特性，也明顯降低了電小 天線實(shí)部和虛部之間的對比，即對電小天線的阻抗進(jìn)行了一定的補(bǔ)償，使得電小天線 易于匹配。該寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)采用了實(shí)頻數(shù)據(jù)法和直接優(yōu)化法相結(jié)合的優(yōu)化方法來設(shè) 計(jì)。從電小天線的特性出發(fā)，對天線阻抗實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行變換一濾波得到較佳匹配網(wǎng)絡(luò)
結(jié)構(gòu)；然后，利用優(yōu)化算法的尋優(yōu)特性獲得匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中各元件值。具有本發(fā)明匹 配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電小夭線，其駐波比在通帶內(nèi)小于2.5的同時(shí)效率大于30%,使得電
小天線的性能得到大幅度的提高。
本發(fā)明是一種具有可實(shí)現(xiàn)小阻抗變換特性的電小天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，該寬帶匹配 網(wǎng)絡(luò)包括及-C附加阻尼網(wǎng)絡(luò)、變壓器和Z-C網(wǎng)絡(luò)組成；及-C附加阻尼網(wǎng)絡(luò)直接與 電小天線并聯(lián)形成負(fù)載網(wǎng)絡(luò);變壓器在及-C附加阻尼網(wǎng)絡(luò)與Z-C網(wǎng)絡(luò)之間；￡-C網(wǎng) 絡(luò)與同軸電纜相連；該寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)連接在電小天線和同軸饋線之間。
所述具有可實(shí)現(xiàn)小阻抗變換特性的電小天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，與電小天線并聯(lián)的 i -C附加阻尼網(wǎng)絡(luò)可以對電小天線的阻抗迸行補(bǔ)償；變壓器可以對負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的阻抗 進(jìn)行變換；丄-C網(wǎng)絡(luò)起到濾波匹配作用，使得天線的阻抗值通過i -C附加阻尼網(wǎng)絡(luò)、 變壓器和丄-C網(wǎng)絡(luò)后接近同軸線的特性阻抗值，最終達(dá)到預(yù)定的匹配。
本發(fā)明的電小天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)在于(1)變換一濾波結(jié)構(gòu)等效電路對天 線阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使電小天線的阻抗曲線變得平坦，易于匹配。(2)采用實(shí)頻 數(shù)據(jù)法和直接優(yōu)化法(梯度優(yōu)化法)相結(jié)合設(shè)計(jì)出寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，僅使用了天線的阻 抗值，并對該阻抗值滿足轉(zhuǎn)換功率增益
值。(3)具有本發(fā)明匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電小天線，其駐波比在通帶內(nèi)小于2.5的同時(shí) 效率大于30%,使得電小天線的性能得到大幅度的提高。(4)對天線的阻抗限制比 較小，并且適用于當(dāng)僅用無耗元件不能對天線進(jìn)行匹配時(shí)，以及天線阻抗實(shí)部比較小 的情況下，在展寬天線頻帶的同時(shí)可最大限度的提高天線的效率和性能。


圖1是本發(fā)明電小天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的等效電路原理圖。
圖2是實(shí)施例中電小天線的阻抗特性曲線圖。
圖3是實(shí)施例中電小天線的電壓駐波比曲線圖。
圖4是實(shí)施例中通過優(yōu)化設(shè)計(jì)出的電小天線，在頻段100M/fe 180M/fe時(shí)的 電壓駐波比曲線圖。
圖5是實(shí)施例中通過優(yōu)化設(shè)計(jì)出的電小天線，在頻段100M/fe 180M/fe時(shí)的 效率曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
參見圖1所示，本發(fā)明是一種具有可實(shí)現(xiàn)小阻抗變換特性的電小天線寬帶匹配 網(wǎng)絡(luò)，該寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)包括有R—C附加阻尼網(wǎng)絡(luò)、L一C網(wǎng)絡(luò)、變壓器TO; R—C 附加阻尼網(wǎng)絡(luò)由電阻RIO、第一電容C11組成，電阻RlO與第一電容Cll串聯(lián)后 并聯(lián)在天線兩端，R—C附加阻尼網(wǎng)絡(luò)與天線形成負(fù)載網(wǎng)絡(luò)；L一C網(wǎng)絡(luò)由第一電感 Lll、第二電感L12、第二電容C12、第三電容C13組成，第一電感L11和第二電 容C12形成一級濾波；第一電感Lll、第二電容C12和第二電感L12形成二級濾 波；天線的1端順次經(jīng)變壓器TO、第一電感Lll、第三電容C13后與同軸電纜的1 端(即電纜的輸入端)連接'，天線的2端與同軸電纜的2端(即電纜的接地端)連 接；變壓器TO的3端順次經(jīng)第一電感Ll 1、第二電容C12后接入變壓器TO的4 端；變壓器T0的3端順次經(jīng)第一電感L11、第三電容C13、第二電感L12后接入 變壓器T0的4端。在本發(fā)明中，在變壓器TO的副邊與同軸電纜接入端之間運(yùn)用兩 級濾波(第一電感Lll和第二電容C12形成一級濾波；第一電感Lll、第二電容 C12和第二電感L12形成二級濾波)的處理方式對天線阻抗進(jìn)行匹配，使得寬帶匹 配網(wǎng)絡(luò)等效電路的結(jié)構(gòu)合理。
所述具有可實(shí)現(xiàn)小阻抗變換特性的電小天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，與電小天線并聯(lián)的 i -C附加阻尼網(wǎng)絡(luò)可以對電小天線的阻抗進(jìn)行補(bǔ)償；變壓器可以對負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的阻抗 進(jìn)行變換；丄-C網(wǎng)絡(luò)起到濾波匹配作用，使得天線的阻抗值通過及-C附加阻尼網(wǎng)絡(luò)、 變壓器和丄-C網(wǎng)絡(luò)后接近同軸線的特性阻抗值，最終達(dá)到預(yù)定的匹配。
為了對寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)等效電路中的各元件值進(jìn)行最優(yōu)取值選取，本發(fā)明采用了實(shí) 頻數(shù)據(jù)法和直接優(yōu)化法相結(jié)合的優(yōu)化方法，具體優(yōu)化匹配步驟如下
步驟一+艮據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)理論，能夠分別得到電纜的輸入端至天線負(fù)載之間(端 口 2—端口 1)的^矩陣，以及天線負(fù)載至電纜的輸入端之間(端口 1—端口 2)的」 矩陣。在本發(fā)明中，參見圖1所示的端口 2—端口 1的矩陣《為<formula>formula see original document page 8</formula>(1)
式中，4,表示端口 2具有^矩陣模式的第一元素，42表示端口 2具有^4矩陣模 式的第二元素，^表示端口 2具有^4矩陣模式的第三元素，42表示端口 2具有」矩 陣模式的第四元素，y表示虛數(shù)的單位，"表示角頻率，Z12表示寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)中的 第二電感，C13表示寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)中的第三電容，C12表示寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)中的第二電 容，Zll表示寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)中的第一電感，"表示寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)中的變壓器的變壓比， / 表示寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)中的電阻R10的電阻值，Cll表示寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)中的第一電容。
在本發(fā)明中，參見圖1所示的端口 1—端口 2的矩陣^為
<formula>formula see original document page 8</formula>(2)
式中，4'i表示端口 1具有^矩陣模式的第一元素，4'2表示端口 1具有^矩陣模式的
第二元素，^^表示端口 1具有」矩陣模式的第三元素，^2表示端口 l具有」矩陣
模式的第四元素。
步驟二對式(1)根據(jù)阻抗變換(天線的電阻值)得到端口 2的輸入阻抗Z,
<formula>formula see original document page 8</formula>(3)
Z。表示天線的阻抗值c
步驟三對式(2)根據(jù)阻抗變換(天線的電阻值)得到端口 1的策動(dòng)點(diǎn)阻抗4 :
<formula>formula see original document page 8</formula>廣4A +砘 (4) ^表示同軸電纜的特性阻抗， 一般取值為50Q。
步驟四對式(1)根據(jù)雙口網(wǎng)絡(luò)的參量轉(zhuǎn)換關(guān)系可以得出端口 2的Z矩陣
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中，Zu表示端口 2具有Z矩陣模式的第一元素，212表示端口 2具有Z矩陣 模式的第二元素，221表示端口 2具有Z矩陣模式的第三元素，Z,2表示端口 2具有Z 矩陣模式的第四元素，KJ表示端口2在J矩陣中的行列式，即l4"h4A廣44。
步驟五對式(3)根據(jù)傳輸線理論得到端口 2的反射系數(shù)r,":
對式(6)根據(jù)傳輸線理論得到端口 2的電壓駐波比FS『及
Hr,"l (
lrg表示反射系數(shù)r,"的模值。
步驟六:對式(5)根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)理論得到端口 2~-端口 1的轉(zhuǎn)換功率增益r尸G :
式中，i表示天線阻抗數(shù)據(jù)的采集個(gè)數(shù)，iV表示自然數(shù)，S表示信號源所提供的
最大平均資用功率，尸2表示天線負(fù)載吸收的平均功率，化表示釆集的天線阻抗數(shù)據(jù)
中第z'個(gè)角頻率，ReZe表示同軸電纜的特性阻抗實(shí)部，Re2。表示天線阻抗實(shí)部。
在本發(fā)明中，從端口 2—端口 1的轉(zhuǎn)換功率增益rPG的表達(dá)式中可以看出，采 用實(shí)頻數(shù)據(jù)法和直接優(yōu)化法(梯度優(yōu)化法)相結(jié)合設(shè)計(jì)出的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，僅使用了
電小天線的阻抗值，則有該電小天線的阻抗值滿足轉(zhuǎn)換功率增益r尸G的表達(dá)式。
實(shí)施例
對頻段在100M/fe 180M/fe、高度僅為O.IA皿的共形電小天線的阻抗進(jìn)行 實(shí)頻數(shù)據(jù)采集，電小天線的阻抗特性曲線和電壓駐波比曲線分別如圖2、圖3所示。 圖中，圖2是匹配前的電小天線VSWR (電壓駐波比)的曲線圖，可以看出在 100MZ/z 180Mifc范圍內(nèi)，該電小天線的駐波比變化很大。如圖3天線的阻抗曲 線可知，阻抗的實(shí)部在低頻端和髙頻端都特別低，尤其是在低頻端和高頻端上基本上 接近為1Q,并且在整個(gè)頻帶上變化非常劇烈，而阻抗虛部相對于實(shí)部來說比較大， 變化也比較劇烈，這是由電小天線的固有特性決定的。
根據(jù)如圖l所示的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用公式(1) (8)，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)函
數(shù)，采用實(shí)頻數(shù)據(jù)法和直接優(yōu)化法相結(jié)合的優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)出來該電小天線的寬帶匹 配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對該寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析表達(dá)和加載處理后得出具有該匹配網(wǎng)絡(luò) 電小天線的電壓駐波比(VSWR)和效率(TPG)曲線圖，分別如圖4、圖5所示。 圖4可以看出，若用這個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)對電小天線進(jìn)行匹配，可以實(shí)現(xiàn)在100M/fe 180M/fe頻帶范圍內(nèi)VSWR^2.5的目標(biāo)。圖5可以看到，在通帶內(nèi)電小天線的使 用效率達(dá)到了 30%以上，這說明加入匹配網(wǎng)絡(luò)后顯著的提高了該電小天線的使用效 率，在設(shè)計(jì)中充分考慮了帶寬和天線效率這兩個(gè)制約因素。
本發(fā)明是一種具有可實(shí)現(xiàn)小阻抗變換特性的電小天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，該寬帶匹配 網(wǎng)絡(luò)釆用實(shí)頻數(shù)據(jù)法和直接優(yōu)化法相結(jié)合的優(yōu)化方法。當(dāng)僅用無耗元件無法對電小天 線進(jìn)行匹配時(shí)，尤其當(dāng)天線的阻抗實(shí)部相對于其虛部很小時(shí)的情況。采用該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)電小天線的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，可以有效的展寬電小天線帶寬的同時(shí)，大幅度 的改善該天線的效率。該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是對天線的阻抗限制比較小并且尤 其適用于當(dāng)僅用無耗元件不能對天線進(jìn)行匹配時(shí)的情況。本文在設(shè)計(jì)天線寬帶匹配網(wǎng) 絡(luò)的過程中，同時(shí)兼顧天線帶寬和使用效率這兩個(gè)相互制約的因素。本文所設(shè)計(jì)的網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很適合該類電小天線的匹配，計(jì)算結(jié)果也證明了采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來匹配 電小天線是可行的，它在設(shè)計(jì)電小天線以及其它天線的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)上具有很大的應(yīng) 用前景。
權(quán)利要求
1、一種電小天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)，其特征在于采用了實(shí)頻數(shù)據(jù)法和直接優(yōu)化法相結(jié)合的優(yōu)化方法，具體優(yōu)化匹配步驟如下步驟一根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)理論，能夠得到端口2→端口1的矩陣Ain為 式中，A11表示端口2具有A矩陣模式的第一元素，A12表示端口2具有A矩陣模式的第二元素，A21表示端口2具有A矩陣模式的第三元素，A22表示端口2具有A矩陣模式的第四元素，j表示虛數(shù)的單位，ω表示角頻率，L12表示寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)中的第二電感，C13表示寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)中的第三電容，C12表示寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)中的第二電容，L11表示寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)中的第一電感，n表示寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)中的變壓器的變壓比，R表示寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)中的電阻R10的電阻值，C11表示寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)中的第一電容；端口1→端口2的矩陣Aq為 式中，表示端口1具有A矩陣模式的第一元素，表示端口1具有A矩陣模式的第二元素，表示端口1具有A矩陣模式的第三元素，表示端口1具有A矩陣模式的第四元素；步驟二對式(1)根據(jù)阻抗變換得到端口2的輸入阻抗ZinZa表示天線的阻抗值；步驟三對式(2)根據(jù)阻抗變換得到端口1的策動(dòng)點(diǎn)阻抗ZqZc表示同軸電纜的特性阻抗；步驟四對式(1)根據(jù)雙口網(wǎng)絡(luò)的參量轉(zhuǎn)換關(guān)系可以得出端口2的Z矩陣式中，Z11表示端口2具有Z矩陣模式的第一元素，Z12表示端口2具有Z矩陣模式的第二元素，Z21表示端口2具有Z矩陣模式的第三元素，Z22表示端口2具有Z矩陣模式的第四元素，|Ain|表示端口2在A矩陣中的行列式，即|Ain|＝A11A22-A12A21；步驟五對式(3)根據(jù)傳輸線理論得到端口2的反射系數(shù)Γin對式(6)根據(jù)傳輸線理論得到端口2的電壓駐波比VSWR|Γin|表示反射系數(shù)Γin的模值；步驟六對式(5)根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)理論得到端口2→端口1的轉(zhuǎn)換功率增益TPG 式中，i表示天線阻抗數(shù)據(jù)的采集個(gè)數(shù)，N表示自然數(shù)，P1表示信號源所提供的最大平均資用功率，P2表示天線負(fù)載吸收的平均功率，ωi表示采集的天線阻抗數(shù)據(jù)中第i個(gè)角頻率，ReZc表示同軸電纜的特性阻抗實(shí)部，ReZa表示天線阻抗實(shí)部。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的電小天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)得到的電小天線 寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，其特征在于該寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)包括有R—C附加阻尼網(wǎng)絡(luò)、L一C 網(wǎng)絡(luò)、變壓器TO; R—C附加阻尼網(wǎng)絡(luò)由電阻RIO、第一電容C11組成，電阻 RIO與第一電容Cl 1串聯(lián)后并聯(lián)在天線兩端，R—C附加阻尼網(wǎng)絡(luò)與天線形成負(fù) 載網(wǎng)絡(luò)；L —C網(wǎng)絡(luò)由第一電感Lll、第二電感L12、第二電容C12、第三電容C13組成，第一電感L11和第二電容C12形成一級濾波；第一電感Lll、第二電容C12和第二電感L12形成二級濾波；天線的1端順次經(jīng)變壓器TO、第一電 感Lll、第三電容C13后與同軸電纜的l端連接；天線的2端與同軸電纜的2 端連接；變壓器TO的3端順次經(jīng)第一電感Lll、第二電容C12后接入變壓器 T0的4端；變壓器T0的3端順次經(jīng)第一電感L11、第三電容C13、第二電感 L12后接入變壓器TO的4端。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電小天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，其特征在于與電小天線并聯(lián)的 i -C附加阻尼網(wǎng)絡(luò)可以對電小天線的阻抗進(jìn)行補(bǔ)償;變壓器可以對負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的阻 抗進(jìn)行變換；丄-C網(wǎng)絡(luò)起到濾波匹配作用，使得天線的阻抗值通過A-C附加阻 尼網(wǎng)絡(luò)、變壓器和Z-C網(wǎng)絡(luò)后接近同軸線的特性阻抗值，最終達(dá)到預(yù)定的匹配。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電小天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，其特征在于在變壓器TO的副 邊與同軸電纜接入端之間運(yùn)用兩級濾波的處理方式對天線阻抗進(jìn)行匹配，使得寬 帶匹配網(wǎng)絡(luò)等效電路的結(jié)構(gòu)合理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電小天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)及其電小天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，該寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的R-C附加阻尼網(wǎng)絡(luò)直接與電小天線并聯(lián)，可以把天線的阻抗變換成一種新的形式，不僅改善了天線端口的阻抗特性，也明顯降低了電小天線實(shí)部和虛部之間的對比，即對電小天線的阻抗進(jìn)行了一定的補(bǔ)償，使得電小天線易于匹配。該寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)采用了實(shí)頻數(shù)據(jù)法和直接優(yōu)化法相結(jié)合的優(yōu)化方法來設(shè)計(jì)。從電小天線的特性出發(fā)，對天線阻抗實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行變換—濾波得到較佳匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；然后，利用優(yōu)化算法的尋優(yōu)特性獲得匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中各元件值。具有本發(fā)明匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電小天線，其駐波比在通帶內(nèi)小于2.5的同時(shí)效率大于30％，使得電小天線的性能得到大幅度的提高。
文檔編號H04B1/00GK101388676SQ20081022519
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者姜鐵華, 張艷君, 陳愛新, 魏文軒 申請人:北京航空航天大學(xué)