专利名称：天线等效电路模型的建立方法
技术领域：
本发明涉及天线等效电路模型的建立方法，属于信息技术领域。
技术背景超宽带(UWB: Ultra Wideband)通信技术是一种新型的无线通信技术，它 在高速室内无线通信、目标定位、测距和无线局域网等方面都有着潜在而广泛 的应用。在UWB通信系统里，超宽带天线发射和接收的时域波形很窄，需要有 很宽的频带宽度。由于超宽带天线所具有不同于传统天线的特点，加上美国联 邦通信委员会(FCC)所颁布的频谱规则和有效全向辐射功率级别对信号空中接 口的限制，使得天线工程师在设计UWB通信系统时，不能仅仅是单独地考虑和 评估UWB天线，而是应从源脉冲发生电路和天线一体化协同设计的角度出发， 这就有必要对UWB天线进行时域建模，建立合适的天线等效电路模型。现有的 天线等效电路模型包括图形拟合法、传输线法、集总电路元件拟合法、全向小 天线Foster建模法、增广模型法。它们普遍存在的缺点是只能在有限的频带里 提供有限的精度，而且建立方法不够简便，适用范围有限制，不能广泛地应用 于超宽带天线的等效电路建模。 发明内容本发明的目的是提供一种方法简单、方便实用，适用范围广泛，有明确而 严格的电路表述，便于计算天线性能和实现系统协同仿真的天线等效电路模型 的建立方法。为了达到以上目的，本发明提出的天线等效电路模型的建立方法，包括以 下步骤(1) 建立天线的初始电路模型；(2) 计算天线实际导纳与其初始电路模型导纳的差值；(3) 对差值进行有理多项式拟合，得到相应的宏模型；(4) 把宏模型转化为等效电路模型(即SPICE等效电路)；(5) 合并初始电路模型与宏模型电路，得到天线等效电路模型。 上述方法中，步骤(1)所说的建立天线初始电路模型的方法为采用LC串联谐振电路和LRC并联谐振电路相连的电路作为天线的初始电路模型；确定天线的工作带宽和谐振频率^ ，根据A =~^得到初始电路模型的电感电容值；由电路仿真软件微调初始电路模型的电容电感电阻值，使初始电路模型的 导纳在谐振频率点处等于天线的实际导纳。这里，电路仿真软件可采用美国 Cadence公司的OrCAD PSpice 9.2软件。上述方法中，步骤(2)所说的计算天线实际导纳与天线初始电路模型导纳的差值的方法为1)由天线仿真软件得到天线的实际导纳；2)由电路仿真软件(PSpice9.2)得到天线初始电路模型的导纳；3)两者在对应频率点相减得到差 值。这里，天线仿真软件可采用美国Remcom公司的XFDTD6.0软件。上述方法中，步骤(3)所说的对差值进行有理多项式拟合的方法为采用 矢量拟合(vector-fitting)方法对差值进行拟合，得到有理多项式如式(l)所示， 即为差值对应的宏模型，<formula>formula see original document page 4</formula>其中Y^^00为宏模型，A:,.为留数，A为极点，"为常数项，e为比例项， ^为复频率。上述方法中，步骤(4)所说的把宏模型转化为SPICE等效电路的方法为 将有理多项式中的常数项"建模为一个电阻；比例项^C建模为一个电容；若极点A为实数时，则7^"建模为一个电阻串联一个电感，若极点A为复数时，则Tz^r建模为电阻电感电容的混联电路，这样可将宏模型转化为等效的SPICE组合电路。上述方法中，步骤(5)所说的合并初始电路模型与宏模型电路的方法为把天线的初始电路模型与差值所对应的宏模型电路并联，并对初始电路模型元件参数值在电路仿真软件(PSpice 9.2)里进行微调，以便消除并联的宏模型电 路对导纳曲线产生的微扰，最终得到与天线实际导纳数据完全吻合的等效电路本发明提供的天线等效电路模型的建立方法，建立方法简单、方便实用， 适用范围广泛，有明确而严格的电路表述，便于计算天线性能和实现系统协同 仿真，能够用于超宽带(UWB)无线传输系统中的超宽带天线的等效电路模型的建立。
图1是偶极子天线的初始电路模型； 图2是偶极子天线初始电路模型的导纳拟合结果； 图3是偶极子天线宏模型转化的SPICE等效电路； 图4是偶极子天线最终等效电路模型导纳拟合结果。
具体实施方式
以偶极子(dipole)天线的等效电路模型的建立为例，对本发明作进一步的 说明。具体步骤如下(1) 确定天线的初始电路模型；根据FCC的规定，选取所需的适合超宽带应用的dipole天线。工作频率范 围3.1-10.6GHz,谐振频率为6GHz，选择dipole天线长度为2.5cm。采用图1所示的LC串联谐振电路和LRC并联谐振电路相连的电路作为所 需要的初始电路模型，通过计算叫=*,并在电路仿真软件(PSpice9.2)里调整电容电感电阻值，使初始电路模型的导纳在谐振频率6GHz处等于天线的实 际导纳，得到电路元件值如下C,0.1pF， Z^12nH， C2= 0.1 pF， ￡2=50nH, and《。rf=100Q。图2显示了该模型的等效导纳和天线的实际导纳对比图，由图可见，该电路的等效导纳在天线谐振点处与天线的实际导纳值相吻合。(2) 计算天线实际导纳与天线初始电路模型导纳的差值； 按照天线实际导纳与天线初始电路模型导纳的差值计算方法，先由天线仿真软件(XFDTD6.0)得到天线的实际导纳，再由电路仿真软件(PSpice9.2)得 到天线初始电路模型的导纳，两者在对应频率点相减即可得到差值Y^(^)(关于频率点的一组值)。(3) 对差值进行有理多项式拟合，得到相应的宏模型；采用vector-fitting方法进行精确拟合，得到如式(l)所示的有理多项式，Y腿。W = Z"1"" + " ^用美国Mathworks公司的MATLAB7.1软件求出相应的、 ， ， d ， e的值， 其值分别为( kl, k2, k3， k4 ) = 1.0e+007 * ( -0.2310 + 1.7158i， -0.2310 - 1.7158i， 0.5988 + 0.7113i, 0.5988画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) 把宏模型转化为SPICE等效电路；将有理多项式中的常数项"建模为一个电阻，比例项^e建模为一个电容，本例极点A为复数，则"^"建模为电阻电感电容的混联电路，如图3所示，■S —其值分别为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。这样就可以把宏模型转化为相应的SPICE等效电路。(5) 合并初始电路模型与宏模型电路，得到天线等效电路模型。 把天线的初始电路模型与差值所对应的宏模型电路并联，并对初始电路模型元件参数值在电路仿真软件(PSpice 9.2)里进行微调，得到天线等效电路模 型。最终天线等效电路模型的导纳拟合效果如图4所示，由图可见，在天线的 工作频率范围内，对天线的导纳拟合效果非常理想。
权利要求
1、天线等效电路模型的建立方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)建立天线的初始电路模型；(2)计算天线实际导纳与其初始电路模型导纳的差值；(3)对差值进行有理多项式拟合，得到相应的宏模型；(4)把宏模型转化为等效电路模型；(5)合并初始电路模型与宏模型电路，得到天线等效电路模型。
2、 根据权利要求1所述的天线等效电路模型的建立方法，其特征在于步骤(1) 所说的建立天线初始电路模型的方法为采用LC串联谐振电路和LRC并 联谐振电路相连的电路作为天线的初始电路模型；确定天线的工作带宽和谐振频率^，根据^=*得到初始电路模型的电感电容值；由电路仿真软件微调初始电路模型的电容电感电阻值，使初始电路模型的导纳在谐振频率点处等于 天线的实际导纳。
3、 根据权利要求1所述的天线等效电路模型的建立方法，其特征在于步骤(2) 所说的计算天线实际导纳与天线初始电路模型导纳的差值的方法为-1) 由天线仿真软件得到天线的实际导纳；2) 由电路仿真软件得到天线初始电路模型的导纳；3) 两者在对应频率点相减得到差值。
4、 根据权利要求1所述的天线等效电路模型的建立方法，其特征在于步骤(3) 所说的对差值进行有理多项式拟合的方法为采用矢量拟合方法对差值进 行拟合，得到有理多项式如式(l)所示，即为差值对应的宏模型，其中Y目w("为宏模型，^为留数，A为极点，flf为常数项，e为比例项， S为复频率。
全文摘要
本发明公开的天线等效电路模型的建立方法，首先建立天线的初始电路模型，计算天线实际导纳与其初始电路模型导纳的差值，接着对差值进行有理多项式拟合，得到相应的宏模型，并把宏模型转化为等效电路模型，最终合并初始电路模型与宏模型电路，得到天线等效电路模型。本发明建立方法简单、方便实用，适用范围广泛，有明确而严格的电路表述，便于计算天线性能和实现系统协同仿真，能够用于超宽带(UWB)无线传输系统中的超宽带天线的等效电路模型的建立。
文档编号H04B1/40GK101237244SQ20081006113
公开日2008年8月6日 申请日期2008年3月11日 优先权日2008年3月11日
发明者吴忠敏, 李甲子, 勇 王 申请人:浙江大学