寬帶加載小型化天線的研究

1、微波電路CAD課程結(jié)課論文學(xué)號、專業(yè)： 1502202032 電子科學(xué)與技術(shù) 姓 名： 周茶紅 論 文 題 目： 寬帶加載小型化天線的研究 指 導(dǎo) 教 師： 曹衛(wèi)平 所 屬 學(xué) 院： 信息與通信學(xué)院 成績評定教師簽名 桂林電子科技大學(xué)研究生院2015年 9 月 9 日 寬帶加載小型化天線的研究摘要：隨著通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代通信逐漸向小型化、多頻段、寬帶跳頻演變。寬帶小型化天線具有通信容量大、抗干擾等優(yōu)點，能夠充分地利用狹小的空間，并且對通信質(zhì)量不會造成較大的影響。單極子以其結(jié)構(gòu)簡單、輻射具有全向性等諸多優(yōu)點得到了廣泛的運(yùn)用。本文圍繞線天線的寬帶化問題，做了以下研究工作：1.介紹了線天線的寬帶化

2、與小型化的常用方法。2.在前人工作的基礎(chǔ)上，分析研究其加載機(jī)理，根據(jù)研究的結(jié)果實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計，最終制作了實物進(jìn)行驗證。3.采用寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)與加載相結(jié)合的方法。從前人的研究成果來看，單純通過加載難以在很寬的頻帶內(nèi)匹配良好，因此設(shè)計時加入了寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。1. 線天線寬帶化與小型化在天線的寬帶化與小型化技術(shù)中，通過采用加粗、加寬振子的方法，來增大電流的輻射面積從而展寬天線的帶寬；也有通過分形技術(shù)，即可以有效地減低天線的尺寸，形成多諧振頻率，從而在某種程度擴(kuò)展了天線的工作帶寬；亦可以使用加載的方法來實現(xiàn)天線的寬帶化與小型化。而加載技術(shù)是最簡單且行之有效的方法。在天線合適的位置處加載可以改變天線的電

3、流分布，改善了天線的電器特性。寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)也是實現(xiàn)天線寬帶化與小型化的重要手段之一。1.1 加載技術(shù)1.1.1頂部加載頂端加載可以降低天線的諧振頻率，由于天線的高度達(dá)到自然諧振所需的電長度，所以頂部加載是一種經(jīng)濟(jì)實用的降低天線容性阻抗的方法，在很多時候也可以提高天線的輻射電阻。加載頂負(fù)載以后，天線的頂端的電容不再為零。這是由于頂負(fù)載加大了垂直部分頂端對地的分布電容，頂端將不再是開路，頂端電流也不再為零，電流的增大也使遠(yuǎn)場區(qū)的輻射增加。只要鞭狀天線不是太長，頂端距地面高度不大，其頂端加載引起的水平部分的輻射可以不予考慮。所以頂端加載可以使得天線的諧振頻率及輻射特性得到改善。1.1.2分布加載如果

4、天線中的電流的密度和天線中連續(xù)分布的軸向電場強(qiáng)成比例，則稱此類天線為串聯(lián)型分布加載。加載元件包括阻性、容性、感性以及混合性機(jī)載等。它們可以是均勻的或者是不均勻的分布在整個或部分天線上。無反射分布電阻加載及準(zhǔn)分布電容加載天線，是分布加載天線中常用的分布加載形式。無反射分布電阻加載的分布電阻在天線的分布規(guī)律是，電阻由中間向兩端遞增，天線上僅存在向外的行波，分部的電阻又吸收了部分的電磁能,使得終端的反射能量為零,改善了天線的阻抗特性,因此具有極寬的工作頻段。因為分布電阻吸收了部分電波的能量,所以分布電阻加載是以犧牲效率為代價,來換取較寬的工作頻段。分布電阻加載的方法是在天線上建立行波電流從而獲得寬頻

5、帶特性，不可避免地使天線的損耗增加、效率降低。若使用無耗元件的電容，則加載天線的效率應(yīng)該是很高的，雖然其帶寬不如電阻加載行波天線。準(zhǔn)分布電容加載結(jié)果如圖1-1所示。它是由許多有空隙的金屬段連接而成，每一個縫隙構(gòu)成一個加載電容，當(dāng)分布數(shù)目較多時，就是準(zhǔn)分布電容加載天線了。圖1-1 準(zhǔn)分布電容加載天線結(jié)構(gòu)圖理論上分布加載的段數(shù)越多，天線的寬頻帶特性就越好，但是分段數(shù)目太多，給天線的制作帶來了困難。1.1.3集總元件加載分布型加載天線，雖然可以在相當(dāng)寬的頻段范圍內(nèi)保持輸入電阻的穩(wěn)定，具有良好的寬頻帶特性，但是這種天線的缺點就是制作困難。在工作波長較短時，例如在VHF頻段和UHF頻段，還能夠使用在介質(zhì)

6、棒上涂覆厚度一定且按規(guī)律變化的導(dǎo)電物質(zhì)，來實現(xiàn)要求的加載電阻或電容的分布規(guī)律，但到了短波、中波波段，天線的幾何長度太大，要做成柔軟而不易則斷的分布加載天線絕非容易。在實際應(yīng)用中，大多采用各種形式的集總元件進(jìn)行集中加載。這種類型的加載天線的頻率特性雖然不如分布加載的天線好，但由于結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，因而能夠得到廣泛的應(yīng)用。Altshuler提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、具有良好寬頻帶特性的天線。電阻加載距天線末端1/4波長處，其效果是饋源與加載處之間的電流分布呈行波分布，這種結(jié)構(gòu)的天線稱為Altshuler天線。由傳輸線理論可以分析，這種結(jié)構(gòu)能夠有效地將天線開路端經(jīng)過線段的變換使之成為短路，若在此處接一個

7、阻值等于天線特性阻抗的電阻，則加載點到饋電端的一段呈行波電流分布。盡管這種情況只能在單頻上實現(xiàn)，但 Altshuler證明了在 3:1 的頻率范圍內(nèi)，電壓駐波比小于 2。1.2 傳輸線變壓器傳統(tǒng)的集中參數(shù)變壓器，是將線圈繞在磁芯上構(gòu)成的。這種變壓器的特點是尺寸小，但由于分布電容和漏感的影響，傳統(tǒng)變壓器在高頻段特性較差。所以傳統(tǒng)的集中參數(shù)變壓器無法滿足高頻工作的需要。而傳輸線變壓器是由傳輸線繞在環(huán)狀磁芯上構(gòu)成的，由于傳輸線并行繞制在高磁導(dǎo)率磁芯上，可以認(rèn)為任意位置的線間電容都是很大的，每一小段的電感也是很大的，所以傳輸線可以看成是很多電感電容組成的耦合鏈，傳輸線變壓器正是利用這些電感電容之間的耦

8、合來傳遞能量，電磁波在傳輸線間的介質(zhì)中傳播，磁芯的損耗對能量傳輸?shù)挠绊懢痛蟠蠼档?，從而傳輸線變壓器的最高工作頻率就會得提高。因此，相對于傳統(tǒng)集中參數(shù)變壓器而言，傳輸線變壓器更易于實現(xiàn)寬帶工作。傳輸線變壓器不僅體積小，帶寬較寬而且還能在高頻工作。本文主要對典型的雙線及匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中使用到的 1:3傳輸線變壓器進(jìn)行理論分析和研究。1.2.1雙線傳輸線變壓器本節(jié)主要研究雙線傳輸線變壓器，它可以實現(xiàn)1: N 2阻抗變換，下面主要以 1:4 傳輸線變壓器為例對雙線傳輸線變壓器進(jìn)行討論，其他雙線傳輸線變壓器分析方法類似。圖1-2給出了1:4傳輸線變壓器的等效電路圖。圖1-2 1:4傳輸線變壓器等效電路圖由

9、等效電路圖可得V和I滿足的傳輸線方程： （1-1）其中，Zc為傳輸線的特性阻抗。端接條件為： （1-2）將式（1-1）代入（1-2）得到輸入阻抗的表達(dá)式： （1-3）當(dāng)趨近于0 時，即工作波長遠(yuǎn)大于傳輸線長時有： （1-4）將式（1-4）代入（1-3）可得 （1-5）因此實現(xiàn)了 1:4 的阻抗變換。綜上，在低頻區(qū)域，能夠滿足趨近于0的條件時，傳輸線變壓器可以實現(xiàn)所設(shè)計的阻抗變換比；而當(dāng)頻率較高，不再滿足趨近于0的條件時，此時我們將無法得到所設(shè)計的阻抗變換比。因此工作的頻率越低、工作波長越長時，傳輸線變壓器的變換比就越接近所設(shè)計的值，但是傳輸線線長過短時，磁化電流會明顯影響傳輸效率，一般我們?nèi)±@

10、制變壓器的傳輸線長度為lmax 0.1maxl，其中max為最高工作頻率對應(yīng)的波長。本文采用的1:3傳輸線阻抗變換器是在1:4傳輸線阻抗變換器的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增減繞組圈數(shù)構(gòu)成的，這里就不過多的闡述了。2. 寬帶加載小型化天線設(shè)計實例線天線是一種應(yīng)用較為廣泛的天線，其結(jié)構(gòu)簡單，特別是在短波、超短波通信頻帶，線天線更具有優(yōu)勢。但是，對于未做加載處理的單極子天線來說，它工作在四分之一波長處，特別的，當(dāng)其工作頻率較低時，天線尺寸將會很大，其工作帶寬也會很窄。所以我們希望通過在線天線合適的位置處加載集總元件以及天線和饋源之間合適的匹配網(wǎng)絡(luò)來達(dá)到增加單極子天線的寬帶化和小型化的目的。2.1 100-1000

11、MHz單極子加載天線的研究圖2-1所示為原文獻(xiàn)采用的固定加載及匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，該天線分三段加載，前兩段為RL并聯(lián)加載，第三段為L加載，其匹配網(wǎng)絡(luò)相對簡單只使用了一個電感及1:4傳輸線阻抗變壓器。圖2-1 加載單極子天線結(jié)構(gòu)表1 加載位置及元件值Load1h1=1.3cmL1=0.01R1=N/ALoad2h2=9.1cmL2=0.04R2=1200Load3h3=32cmL3=0.54R3=500圖2-2 三段加載單極子模型圖2-2是根據(jù)原文獻(xiàn)建模仿真的，由于實際實驗條件設(shè)置，地選用1m2的金屬板，單極子天線直徑為0.6cm，最終的加載位置及元件值如表2所示。表2 實際加載的位置及元件值L

12、oad1h1=1.3cmL1=0.01R1=N/ALoad2h2=9.1cmL2=0.04R2=1000Load3h3=32cmL3=0.54R3=470根據(jù)加載分析，實際制作了該天線并進(jìn)行測量。圖2-4為加載匹配前實測天線輸入阻抗曲線圖，由圖可知，為達(dá)到阻抗匹配，我們最初制作了一個1:4傳輸線阻抗變壓器。圖2-4 加載匹配前輸入阻抗 圖2-5加載匹配后輸入阻抗（1:4）圖2-5為接入1:4傳輸線阻抗變換器后的輸入阻抗曲線圖，可以看出輸入阻抗整體偏低，會造成輻射效率下降，因此我們應(yīng)設(shè)計制作阻抗比小的變壓器。圖2-6為接入最終設(shè)計制作的1:3傳輸線阻抗變壓器后的輸入阻抗曲線圖，很明顯，天線輸入阻抗得到了改善。圖2-6 加載匹配后輸入阻抗（1:3） 圖a 阻抗實部 圖b 阻抗虛部圖2-8 輸入阻抗為了更直觀地看出加載匹配前后天線的輸入阻抗的變換情況，我們分別將其實部和虛部整合在一起，如圖2-8所示，很明顯，天線的輸入得到了改善，輸入阻抗曲線在加載匹配后變得平緩。 圖2-9 加載匹配后的回波損耗（1:3） 圖2-10 實測增益從圖2-9中可以看出，改天線在全頻段內(nèi)回波損耗均小于-5dB（換算