專利名稱：天線等效電路模型的建立方法
技術領域：
本發明涉及天線等效電路模型的建立方法，屬于信息技術領域。
技術背景超寬帶(UWB: Ultra Wideband)通信技術是一種新型的無線通信技術，它 在高速室內無線通信、目標定位、測距和無線局域網等方面都有著潛在而廣泛 的應用。在UWB通信系統里，超寬帶天線發射和接收的時域波形很窄，需要有 很寬的頻帶寬度。由于超寬帶天線所具有不同于傳統天線的特點，加上美國聯 邦通信委員會(FCC)所頒布的頻譜規則和有效全向輻射功率級別對信號空中接 口的限制，使得天線工程師在設計UWB通信系統時，不能僅僅是單獨地考慮和 評估UWB天線，而是應從源脈沖發生電路和天線一體化協同設計的角度出發， 這就有必要對UWB天線進行時域建模，建立合適的天線等效電路模型。現有的 天線等效電路模型包括圖形擬合法、傳輸線法、集總電路元件擬合法、全向小 天線Foster建模法、增廣模型法。它們普遍存在的缺點是只能在有限的頻帶里 提供有限的精度，而且建立方法不夠簡便，適用范圍有限制，不能廣泛地應用 于超寬帶天線的等效電路建模。 發明內容本發明的目的是提供一種方法簡單、方便實用，適用范圍廣泛，有明確而 嚴格的電路表述，便于計算天線性能和實現系統協同仿真的天線等效電路模型 的建立方法。為了達到以上目的，本發明提出的天線等效電路模型的建立方法，包括以 下步驟(1) 建立天線的初始電路模型；(2) 計算天線實際導納與其初始電路模型導納的差值；(3) 對差值進行有理多項式擬合，得到相應的宏模型；(4) 把宏模型轉化為等效電路模型(即SPICE等效電路)；(5) 合并初始電路模型與宏模型電路，得到天線等效電路模型。 上述方法中，步驟(1)所說的建立天線初始電路模型的方法為采用LC串聯諧振電路和LRC并聯諧振電路相連的電路作為天線的初始電路模型；確定天線的工作帶寬和諧振頻率^ ，根據A =~^得到初始電路模型的電感電容值；由電路仿真軟件微調初始電路模型的電容電感電阻值，使初始電路模型的 導納在諧振頻率點處等于天線的實際導納。這里，電路仿真軟件可采用美國 Cadence公司的OrCAD PSpice 9.2軟件。上述方法中，步驟(2)所說的計算天線實際導納與天線初始電路模型導納的差值的方法為1)由天線仿真軟件得到天線的實際導納；2)由電路仿真軟件(PSpice9.2)得到天線初始電路模型的導納；3)兩者在對應頻率點相減得到差 值。這里，天線仿真軟件可采用美國Remcom公司的XFDTD6.0軟件。上述方法中，步驟(3)所說的對差值進行有理多項式擬合的方法為采用 矢量擬合(vector-fitting)方法對差值進行擬合，得到有理多項式如式(l)所示， 即為差值對應的宏模型，<formula>formula see original document page 4</formula>其中Y^^00為宏模型，A:,.為留數，A為極點，"為常數項，e為比例項， ^為復頻率。上述方法中，步驟(4)所說的把宏模型轉化為SPICE等效電路的方法為 將有理多項式中的常數項"建模為一個電阻；比例項^C建模為一個電容；若極點A為實數時，則7^"建模為一個電阻串聯一個電感，若極點A為復數時，則Tz^r建模為電阻電感電容的混聯電路，這樣可將宏模型轉化為等效的SPICE組合電路。上述方法中，步驟(5)所說的合并初始電路模型與宏模型電路的方法為把天線的初始電路模型與差值所對應的宏模型電路并聯，并對初始電路模型元件參數值在電路仿真軟件(PSpice 9.2)里進行微調，以便消除并聯的宏模型電 路對導納曲線產生的微擾，最終得到與天線實際導納數據完全吻合的等效電路本發明提供的天線等效電路模型的建立方法，建立方法簡單、方便實用， 適用范圍廣泛，有明確而嚴格的電路表述，便于計算天線性能和實現系統協同 仿真，能夠用于超寬帶(UWB)無線傳輸系統中的超寬帶天線的等效電路模型的建立。
圖1是偶極子天線的初始電路模型； 圖2是偶極子天線初始電路模型的導納擬合結果； 圖3是偶極子天線宏模型轉化的SPICE等效電路； 圖4是偶極子天線最終等效電路模型導納擬合結果。
具體實施方式
以偶極子(dipole)天線的等效電路模型的建立為例，對本發明作進一步的 說明。具體步驟如下(1) 確定天線的初始電路模型；根據FCC的規定，選取所需的適合超寬帶應用的dipole天線。工作頻率范 圍3.1-10.6GHz,諧振頻率為6GHz，選擇dipole天線長度為2.5cm。采用圖1所示的LC串聯諧振電路和LRC并聯諧振電路相連的電路作為所 需要的初始電路模型，通過計算叫=*,并在電路仿真軟件(PSpice9.2)里調整電容電感電阻值，使初始電路模型的導納在諧振頻率6GHz處等于天線的實 際導納，得到電路元件值如下C,0.1pF， Z^12nH， C2= 0.1 pF， ￡2=50nH, and《。rf=100Q。圖2顯示了該模型的等效導納和天線的實際導納對比圖，由圖可見，該電路的等效導納在天線諧振點處與天線的實際導納值相吻合。(2) 計算天線實際導納與天線初始電路模型導納的差值； 按照天線實際導納與天線初始電路模型導納的差值計算方法，先由天線仿真軟件(XFDTD6.0)得到天線的實際導納，再由電路仿真軟件(PSpice9.2)得 到天線初始電路模型的導納，兩者在對應頻率點相減即可得到差值Y^(^)(關于頻率點的一組值)。(3) 對差值進行有理多項式擬合，得到相應的宏模型；采用vector-fitting方法進行精確擬合，得到如式(l)所示的有理多項式，Y腿。W = Z"1"" + " ^用美國Mathworks公司的MATLAB7.1軟件求出相應的、 ， ， d ， e的值， 其值分別為( kl, k2, k3， k4 ) = 1.0e+007 * ( -0.2310 + 1.7158i， -0.2310 - 1.7158i， 0.5988 + 0.7113i, 0.5988畫0.7113i ); (pl, p2, p3， p4)= 1.0e+010 * (-0.2975 + 3.0516i， -0.2975 - 3.0516i， -0.8294 + 6.2689i， -0.8294 - 6.2689i ); d=0.0015; e=4.0383e-014。(4) 把宏模型轉化為SPICE等效電路；將有理多項式中的常數項"建模為一個電阻，比例項^e建模為一個電容，本例極點A為復數，則"^"建模為電阻電感電容的混聯電路，如圖3所示，■S —其值分別為R0=674.78Q， R1=48400Q， R2=31087Q， R3=-46208 Q ， R4=-11956Q ; C0=4.04 e-014F， Cl=-8.8e-017F,C2=1.264e+015F; Ll=-2.164e-007H: L2=8.35e-008H。這樣就可以把宏模型轉化為相應的SPICE等效電路。(5) 合并初始電路模型與宏模型電路，得到天線等效電路模型。 把天線的初始電路模型與差值所對應的宏模型電路并聯，并對初始電路模型元件參數值在電路仿真軟件(PSpice 9.2)里進行微調，得到天線等效電路模 型。最終天線等效電路模型的導納擬合效果如圖4所示，由圖可見，在天線的 工作頻率范圍內，對天線的導納擬合效果非常理想。
權利要求
1、天線等效電路模型的建立方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)建立天線的初始電路模型；(2)計算天線實際導納與其初始電路模型導納的差值；(3)對差值進行有理多項式擬合，得到相應的宏模型；(4)把宏模型轉化為等效電路模型；(5)合并初始電路模型與宏模型電路，得到天線等效電路模型。
2、 根據權利要求1所述的天線等效電路模型的建立方法，其特征在于步驟(1) 所說的建立天線初始電路模型的方法為采用LC串聯諧振電路和LRC并 聯諧振電路相連的電路作為天線的初始電路模型；確定天線的工作帶寬和諧振頻率^，根據^=*得到初始電路模型的電感電容值；由電路仿真軟件微調初始電路模型的電容電感電阻值，使初始電路模型的導納在諧振頻率點處等于 天線的實際導納。
3、 根據權利要求1所述的天線等效電路模型的建立方法，其特征在于步驟(2) 所說的計算天線實際導納與天線初始電路模型導納的差值的方法為-1) 由天線仿真軟件得到天線的實際導納；2) 由電路仿真軟件得到天線初始電路模型的導納；3) 兩者在對應頻率點相減得到差值。
4、 根據權利要求1所述的天線等效電路模型的建立方法，其特征在于步驟(3) 所說的對差值進行有理多項式擬合的方法為采用矢量擬合方法對差值進 行擬合，得到有理多項式如式(l)所示，即為差值對應的宏模型，其中Y目w("為宏模型，^為留數，A為極點，flf為常數項，e為比例項， S為復頻率。
全文摘要
本發明公開的天線等效電路模型的建立方法，首先建立天線的初始電路模型，計算天線實際導納與其初始電路模型導納的差值，接著對差值進行有理多項式擬合，得到相應的宏模型，并把宏模型轉化為等效電路模型，最終合并初始電路模型與宏模型電路，得到天線等效電路模型。本發明建立方法簡單、方便實用，適用范圍廣泛，有明確而嚴格的電路表述，便于計算天線性能和實現系統協同仿真，能夠用于超寬帶(UWB)無線傳輸系統中的超寬帶天線的等效電路模型的建立。
文檔編號H04B1/40GK101237244SQ20081006113
公開日2008年8月6日 申請日期2008年3月11日 優先權日2008年3月11日
發明者吳忠敏, 李甲子, 勇 王 申請人:浙江大學