專利名稱：一種電小天線寬帶匹配網絡的優化匹配設計及其電小天線寬帶匹配網絡的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種寬帶匹配網絡，更特別地說，是指一種適用于電小天線的、且具 有可實現小阻抗變換特性的寬帶匹配網絡。
背景技術：
隨著移動通信技術、空間技術和超寬帶電子技術的發展，各種電子設備均向小型 化與微型化方向發展，天線作為無線電子系統必不可少的部件也必然向小型化發展， 因此應用在移動平臺(艦載、車載、機載等)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，與傳輸線匹配相當困難，如果是寬帶匹配更 是難上加難，同時其使用效率非常低，針對電小天線的這種阻抗憐性設計合適的匹配
網絡相當重要。
發明 內 容
本發明的目的之一是提出一種電小天線寬帶匹配網絡的優化匹配設計，該優化 匹配設計采用了實頻數據法和直接優化法相結合的優化方法。
本發明的目的之二是提出一種具有可實現小阻抗變換特性的電小天線寬帶匹配
網絡，該寬帶匹配網絡結構中的及-c附加阻尼網絡直接與電小天線并聯，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 天線實部和虛部之間的對比，即對電小天線的阻抗進行了一定的補償，使得電小天線 易于匹配。該寬帶匹配網絡采用了實頻數據法和直接優化法相結合的優化方法來設 計。從電小天線的特性出發，對天線阻抗實測數據進行變換一濾波得到較佳匹配網絡
結構；然后，利用優化算法的尋優特性獲得匹配網絡結構中各元件值。具有本發明匹 配網絡結構的電小夭線，其駐波比在通帶內小于2.5的同時效率大于30%,使得電
小天線的性能得到大幅度的提高。
本發明是一種具有可實現小阻抗變換特性的電小天線寬帶匹配網絡，該寬帶匹配 網絡包括及-C附加阻尼網絡、變壓器和Z-C網絡組成；及-C附加阻尼網絡直接與 電小天線并聯形成負載網絡;變壓器在及-C附加阻尼網絡與Z-C網絡之間；￡-C網 絡與同軸電纜相連；該寬帶匹配網絡連接在電小天線和同軸饋線之間。
所述具有可實現小阻抗變換特性的電小天線寬帶匹配網絡，與電小天線并聯的 i -C附加阻尼網絡可以對電小天線的阻抗迸行補償；變壓器可以對負載網絡的阻抗 進行變換；丄-C網絡起到濾波匹配作用，使得天線的阻抗值通過i -C附加阻尼網絡、 變壓器和丄-C網絡后接近同軸線的特性阻抗值，最終達到預定的匹配。
本發明的電小天線寬帶匹配網絡優點在于(1)變換一濾波結構等效電路對天 線阻抗數據進行處理，使電小天線的阻抗曲線變得平坦，易于匹配。(2)采用實頻 數據法和直接優化法(梯度優化法)相結合設計出寬帶匹配網絡，僅使用了天線的阻 抗值，并對該阻抗值滿足轉換功率增益
值。(3)具有本發明匹配網絡結構的電小天線，其駐波比在通帶內小于2.5的同時 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，并且適用于當僅用無耗元件不能對天線進行匹配時，以及天線阻抗實部比較小 的情況下，在展寬天線頻帶的同時可最大限度的提高天線的效率和性能。
圖1是本發明電小天線寬帶匹配網絡的等效電路原理圖。
圖2是實施例中電小天線的阻抗特性曲線圖。
圖3是實施例中電小天線的電壓駐波比曲線圖。
圖4是實施例中通過優化設計出的電小天線，在頻段100M/fe 180M/fe時的 電壓駐波比曲線圖。
圖5是實施例中通過優化設計出的電小天線，在頻段100M/fe 180M/fe時的 效率曲線圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。
參見圖1所示，本發明是一種具有可實現小阻抗變換特性的電小天線寬帶匹配 網絡，該寬帶匹配網絡包括有R—C附加阻尼網絡、L一C網絡、變壓器TO; R—C 附加阻尼網絡由電阻RIO、第一電容C11組成，電阻RlO與第一電容Cll串聯后 并聯在天線兩端，R—C附加阻尼網絡與天線形成負載網絡；L一C網絡由第一電感 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。在本發明中，在變壓器TO的副邊與同軸電纜接入端之間運用兩 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行匹配，使得寬帶匹 配網絡等效電路的結構合理。
所述具有可實現小阻抗變換特性的電小天線寬帶匹配網絡，與電小天線并聯的 i -C附加阻尼網絡可以對電小天線的阻抗進行補償；變壓器可以對負載網絡的阻抗 進行變換；丄-C網絡起到濾波匹配作用，使得天線的阻抗值通過及-C附加阻尼網絡、 變壓器和丄-C網絡后接近同軸線的特性阻抗值，最終達到預定的匹配。
為了對寬帶匹配網絡等效電路中的各元件值進行最優取值選取，本發明采用了實 頻數據法和直接優化法相結合的優化方法，具體優化匹配步驟如下
步驟一+艮據二端口網絡理論，能夠分別得到電纜的輸入端至天線負載之間(端 口 2—端口 1)的^矩陣，以及天線負載至電纜的輸入端之間(端口 1—端口 2)的」 矩陣。在本發明中，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表示虛數的單位，"表示角頻率，Z12表示寬帶匹配網絡中的 第二電感，C13表示寬帶匹配網絡中的第三電容，C12表示寬帶匹配網絡中的第二電 容，Zll表示寬帶匹配網絡中的第一電感，"表示寬帶匹配網絡中的變壓器的變壓比， / 表示寬帶匹配網絡中的電阻R10的電阻值，Cll表示寬帶匹配網絡中的第一電容。
在本發明中，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)根據阻抗變換(天線的電阻值)得到端口 1的策動點阻抗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)根據雙口網絡的參量轉換關系可以得出端口 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)根據傳輸線理論得到端口 2的反射系數r,":
對式(6)根據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r,"的模值。
步驟六:對式(5)根據二端口網絡理論得到端口 2~-端口 1的轉換功率增益r尸G :
式中，i表示天線阻抗數據的采集個數，iV表示自然數，S表示信號源所提供的
最大平均資用功率，尸2表示天線負載吸收的平均功率，化表示釆集的天線阻抗數據
中第z'個角頻率，ReZe表示同軸電纜的特性阻抗實部，Re2。表示天線阻抗實部。
在本發明中，從端口 2—端口 1的轉換功率增益rPG的表達式中可以看出，采 用實頻數據法和直接優化法(梯度優化法)相結合設計出的寬帶匹配網絡，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換功率增益r尸G的表達式。
實施例
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行 實頻數據采集，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，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,并且在整個頻帶上變化非常劇烈，而阻抗虛部相對于實部來說比較大， 變化也比較劇烈，這是由電小天線的固有特性決定的。
根據如圖l所示的寬帶匹配網絡結構，利用公式(1) (8)，設定優化目標函
數，采用實頻數據法和直接優化法相結合的優化方法，設計出來該電小天線的寬帶匹 配網絡結構，對該寬帶匹配網絡結構進行解析表達和加載處理后得出具有該匹配網絡 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，若用這個匹配網絡對電小天線進行匹配，可以實現在100M/fe 180M/fe頻帶范圍內VSWR^2.5的目標。圖5可以看到，在通帶內電小天線的使 用效率達到了 30%以上，這說明加入匹配網絡后顯著的提高了該電小天線的使用效 率，在設計中充分考慮了帶寬和天線效率這兩個制約因素。
本發明是一種具有可實現小阻抗變換特性的電小天線寬帶匹配網絡，該寬帶匹配 網絡釆用實頻數據法和直接優化法相結合的優化方法。當僅用無耗元件無法對電小天 線進行匹配時，尤其當天線的阻抗實部相對于其虛部很小時的情況。采用該網絡拓撲 結構來設計電小天線的寬帶匹配網絡，可以有效的展寬電小天線帶寬的同時，大幅度 的改善該天線的效率。該網絡拓撲結構的最大優點是對天線的阻抗限制比較小并且尤 其適用于當僅用無耗元件不能對天線進行匹配時的情況。本文在設計天線寬帶匹配網 絡的過程中，同時兼顧天線帶寬和使用效率這兩個相互制約的因素。本文所設計的網 絡拓撲結構很適合該類電小天線的匹配，計算結果也證明了采用這種拓撲結構來匹配 電小天線是可行的，它在設計電小天線以及其它天線的寬帶匹配網絡上具有很大的應 用前景。
權利要求
1、一種電小天線寬帶匹配網絡的優化匹配設計，其特征在于采用了實頻數據法和直接優化法相結合的優化方法，具體優化匹配步驟如下步驟一根據二端口網絡理論，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表示虛數的單位，ω表示角頻率，L12表示寬帶匹配網絡中的第二電感，C13表示寬帶匹配網絡中的第三電容，C12表示寬帶匹配網絡中的第二電容，L11表示寬帶匹配網絡中的第一電感，n表示寬帶匹配網絡中的變壓器的變壓比，R表示寬帶匹配網絡中的電阻R10的電阻值，C11表示寬帶匹配網絡中的第一電容；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)根據阻抗變換得到端口1的策動點阻抗ZqZc表示同軸電纜的特性阻抗；步驟四對式(1)根據雙口網絡的參量轉換關系可以得出端口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)根據傳輸線理論得到端口2的反射系數Γin對式(6)根據傳輸線理論得到端口2的電壓駐波比VSWR|Γin|表示反射系數Γin的模值；步驟六對式(5)根據二端口網絡理論得到端口2→端口1的轉換功率增益TPG 式中，i表示天線阻抗數據的采集個數，N表示自然數，P1表示信號源所提供的最大平均資用功率，P2表示天線負載吸收的平均功率，ωi表示采集的天線阻抗數據中第i個角頻率，ReZc表示同軸電纜的特性阻抗實部，ReZa表示天線阻抗實部。
2、根據權利要求1所述的電小天線寬帶匹配網絡的優化匹配設計得到的電小天線 寬帶匹配網絡，其特征在于該寬帶匹配網絡包括有R—C附加阻尼網絡、L一C 網絡、變壓器TO; R—C附加阻尼網絡由電阻RIO、第一電容C11組成，電阻 RIO與第一電容Cl 1串聯后并聯在天線兩端，R—C附加阻尼網絡與天線形成負 載網絡；L —C網絡由第一電感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、 根據權利要求2所述的電小天線寬帶匹配網絡，其特征在于與電小天線并聯的 i -C附加阻尼網絡可以對電小天線的阻抗進行補償;變壓器可以對負載網絡的阻 抗進行變換；丄-C網絡起到濾波匹配作用，使得天線的阻抗值通過A-C附加阻 尼網絡、變壓器和Z-C網絡后接近同軸線的特性阻抗值，最終達到預定的匹配。
4、 根據權利要求2所述的電小天線寬帶匹配網絡，其特征在于在變壓器TO的副 邊與同軸電纜接入端之間運用兩級濾波的處理方式對天線阻抗進行匹配，使得寬 帶匹配網絡等效電路的結構合理。
全文摘要
本發明公開了一種電小天線寬帶匹配網絡的優化匹配設計及其電小天線寬帶匹配網絡，該寬帶匹配網絡結構中的R-C附加阻尼網絡直接與電小天線并聯，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部和虛部之間的對比，即對電小天線的阻抗進行了一定的補償，使得電小天線易于匹配。該寬帶匹配網絡采用了實頻數據法和直接優化法相結合的優化方法來設計。從電小天線的特性出發，對天線阻抗實測數據進行變換—濾波得到較佳匹配網絡結構；然后，利用優化算法的尋優特性獲得匹配網絡結構中各元件值。具有本發明匹配網絡結構的電小天線，其駐波比在通帶內小于2.5的同時效率大于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 優先權日2008年10月30日
發明者姜鐵華, 張艷君, 陳愛新, 魏文軒 申請人:北京航空航天大學