专利名称：一种电小天线宽带匹配网络的优化匹配设计及其电小天线宽带匹配网络的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种宽带匹配网络，更特别地说，是指一种适用于电小天线的、且具 有可实现小阻抗变换特性的宽带匹配网络。
背景技术：
随着移动通信技术、空间技术和超宽带电子技术的发展，各种电子设备均向小型 化与微型化方向发展，天线作为无线电子系统必不可少的部件也必然向小型化发展， 因此应用在移动平台(舰载、车载、机载等)的通信天线不断提出小型化的要求。众 所周知，电小天线的阻抗特性非常恶劣，与传输线匹配相当困难，如果是宽带匹配更 是难上加难，同时其使用效率非常低，针对电小天线的这种阻抗怜性设计合适的匹配
网络相当重要。
发明 内 容
本发明的目的之一是提出一种电小天线宽带匹配网络的优化匹配设计，该优化 匹配设计采用了实频数据法和直接优化法相结合的优化方法。
本发明的目的之二是提出一种具有可实现小阻抗变换特性的电小天线宽带匹配
网络，该宽带匹配网络结构中的及-c附加阻尼网络直接与电小天线并联，可以把天 线的阻抗变换成一种if的形式，不仅改善了天线端口的阻抗特性，也明显降低了电小 天线实部和虚部之间的对比，即对电小天线的阻抗进行了一定的补偿，使得电小天线 易于匹配。该宽带匹配网络采用了实频数据法和直接优化法相结合的优化方法来设 计。从电小天线的特性出发，对天线阻抗实测数据进行变换一滤波得到较佳匹配网络
结构；然后，利用优化算法的寻优特性获得匹配网络结构中各元件值。具有本发明匹 配网络结构的电小夭线，其驻波比在通带内小于2.5的同时效率大于30%,使得电
小天线的性能得到大幅度的提高。
本发明是一种具有可实现小阻抗变换特性的电小天线宽带匹配网络，该宽带匹配 网络包括及-C附加阻尼网络、变压器和Z-C网络组成；及-C附加阻尼网络直接与 电小天线并联形成负载网络;变压器在及-C附加阻尼网络与Z-C网络之间；￡-C网 络与同轴电缆相连；该宽带匹配网络连接在电小天线和同轴馈线之间。
所述具有可实现小阻抗变换特性的电小天线宽带匹配网络，与电小天线并联的 i -C附加阻尼网络可以对电小天线的阻抗迸行补偿；变压器可以对负载网络的阻抗 进行变换；丄-C网络起到滤波匹配作用，使得天线的阻抗值通过i -C附加阻尼网络、 变压器和丄-C网络后接近同轴线的特性阻抗值，最终达到预定的匹配。
本发明的电小天线宽带匹配网络优点在于(1)变换一滤波结构等效电路对天 线阻抗数据进行处理，使电小天线的阻抗曲线变得平坦，易于匹配。(2)采用实频 数据法和直接优化法(梯度优化法)相结合设计出宽带匹配网络，仅使用了天线的阻 抗值，并对该阻抗值满足转换功率增益
值。(3)具有本发明匹配网络结构的电小天线，其驻波比在通带内小于2.5的同时 效率大于30%,使得电小天线的性能得到大幅度的提高。(4)对天线的阻抗限制比 较小，并且适用于当仅用无耗元件不能对天线进行匹配时，以及天线阻抗实部比较小 的情况下，在展宽天线频带的同时可最大限度的提高天线的效率和性能。
图1是本发明电小天线宽带匹配网络的等效电路原理图。
图2是实施例中电小天线的阻抗特性曲线图。
图3是实施例中电小天线的电压驻波比曲线图。
图4是实施例中通过优化设计出的电小天线，在频段100M/fe 180M/fe时的 电压驻波比曲线图。
图5是实施例中通过优化设计出的电小天线，在频段100M/fe 180M/fe时的 效率曲线图。
具体实施例方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明是一种具有可实现小阻抗变换特性的电小天线宽带匹配 网络，该宽带匹配网络包括有R—C附加阻尼网络、L一C网络、变压器TO; R—C 附加阻尼网络由电阻RIO、第一电容C11组成，电阻RlO与第一电容Cll串联后 并联在天线两端，R—C附加阻尼网络与天线形成负载网络；L一C网络由第一电感 Lll、第二电感L12、第二电容C12、第三电容C13组成，第一电感L11和第二电 容C12形成一级滤波；第一电感Lll、第二电容C12和第二电感L12形成二级滤 波；天线的1端顺次经变压器TO、第一电感Lll、第三电容C13后与同轴电缆的1 端(即电缆的输入端)连接'，天线的2端与同轴电缆的2端(即电缆的接地端)连 接；变压器TO的3端顺次经第一电感Ll 1、第二电容C12后接入变压器TO的4 端；变压器T0的3端顺次经第一电感L11、第三电容C13、第二电感L12后接入 变压器T0的4端。在本发明中，在变压器TO的副边与同轴电缆接入端之间运用两 级滤波(第一电感Lll和第二电容C12形成一级滤波；第一电感Lll、第二电容 C12和第二电感L12形成二级滤波)的处理方式对天线阻抗进行匹配，使得宽带匹 配网络等效电路的结构合理。
所述具有可实现小阻抗变换特性的电小天线宽带匹配网络，与电小天线并联的 i -C附加阻尼网络可以对电小天线的阻抗进行补偿；变压器可以对负载网络的阻抗 进行变换；丄-C网络起到滤波匹配作用，使得天线的阻抗值通过及-C附加阻尼网络、 变压器和丄-C网络后接近同轴线的特性阻抗值，最终达到预定的匹配。
为了对宽带匹配网络等效电路中的各元件值进行最优取值选取，本发明采用了实 频数据法和直接优化法相结合的优化方法，具体优化匹配步骤如下
步骤一+艮据二端口网络理论，能够分别得到电缆的输入端至天线负载之间(端 口 2—端口 1)的^矩阵，以及天线负载至电缆的输入端之间(端口 1—端口 2)的」 矩阵。在本发明中，参见图1所示的端口 2—端口 1的矩阵《为<formula>formula see original document page 8</formula>(1)
式中，4,表示端口 2具有^矩阵模式的第一元素，42表示端口 2具有^4矩阵模 式的第二元素，^表示端口 2具有^4矩阵模式的第三元素，42表示端口 2具有」矩 阵模式的第四元素，y表示虚数的单位，"表示角频率，Z12表示宽带匹配网络中的 第二电感，C13表示宽带匹配网络中的第三电容，C12表示宽带匹配网络中的第二电 容，Zll表示宽带匹配网络中的第一电感，"表示宽带匹配网络中的变压器的变压比， / 表示宽带匹配网络中的电阻R10的电阻值，Cll表示宽带匹配网络中的第一电容。
在本发明中，参见图1所示的端口 1—端口 2的矩阵^为
<formula>formula see original document page 8</formula>(2)
式中，4'i表示端口 1具有^矩阵模式的第一元素，4'2表示端口 1具有^矩阵模式的
第二元素，^^表示端口 1具有」矩阵模式的第三元素，^2表示端口 l具有」矩阵
模式的第四元素。
步骤二对式(1)根据阻抗变换(天线的电阻值)得到端口 2的输入阻抗Z,
<formula>formula see original document page 8</formula>(3)
Z。表示天线的阻抗值c
步骤三对式(2)根据阻抗变换(天线的电阻值)得到端口 1的策动点阻抗4 :
<formula>formula see original document page 8</formula>广4A +砘 (4) ^表示同轴电缆的特性阻抗， 一般取值为50Q。
步骤四对式(1)根据双口网络的参量转换关系可以得出端口 2的Z矩阵
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中，Zu表示端口 2具有Z矩阵模式的第一元素，212表示端口 2具有Z矩阵 模式的第二元素，221表示端口 2具有Z矩阵模式的第三元素，Z,2表示端口 2具有Z 矩阵模式的第四元素，KJ表示端口2在J矩阵中的行列式，即l4"h4A广44。
步骤五对式(3)根据传输线理论得到端口 2的反射系数r,":
对式(6)根据传输线理论得到端口 2的电压驻波比FS『及
Hr,"l (
lrg表示反射系数r,"的模值。
步骤六:对式(5)根据二端口网络理论得到端口 2~-端口 1的转换功率增益r尸G :
式中，i表示天线阻抗数据的采集个数，iV表示自然数，S表示信号源所提供的
最大平均资用功率，尸2表示天线负载吸收的平均功率，化表示釆集的天线阻抗数据
中第z'个角频率，ReZe表示同轴电缆的特性阻抗实部，Re2。表示天线阻抗实部。
在本发明中，从端口 2—端口 1的转换功率增益rPG的表达式中可以看出，采 用实频数据法和直接优化法(梯度优化法)相结合设计出的宽带匹配网络，仅使用了
电小天线的阻抗值，则有该电小天线的阻抗值满足转换功率增益r尸G的表达式。
实施例
对频段在100M/fe 180M/fe、高度仅为O.IA皿的共形电小天线的阻抗进行 实频数据采集，电小天线的阻抗特性曲线和电压驻波比曲线分别如图2、图3所示。 图中，图2是匹配前的电小天线VSWR (电压驻波比)的曲线图，可以看出在 100MZ/z 180Mifc范围内，该电小天线的驻波比变化很大。如图3天线的阻抗曲 线可知，阻抗的实部在低频端和髙频端都特别低，尤其是在低频端和高频端上基本上 接近为1Q,并且在整个频带上变化非常剧烈，而阻抗虚部相对于实部来说比较大， 变化也比较剧烈，这是由电小天线的固有特性决定的。
根据如图l所示的宽带匹配网络结构，利用公式(1) (8)，设定优化目标函
数，采用实频数据法和直接优化法相结合的优化方法，设计出来该电小天线的宽带匹 配网络结构，对该宽带匹配网络结构进行解析表达和加载处理后得出具有该匹配网络 电小天线的电压驻波比(VSWR)和效率(TPG)曲线图，分别如图4、图5所示。 图4可以看出，若用这个匹配网络对电小天线进行匹配，可以实现在100M/fe 180M/fe频带范围内VSWR^2.5的目标。图5可以看到，在通带内电小天线的使 用效率达到了 30%以上，这说明加入匹配网络后显著的提高了该电小天线的使用效 率，在设计中充分考虑了带宽和天线效率这两个制约因素。
本发明是一种具有可实现小阻抗变换特性的电小天线宽带匹配网络，该宽带匹配 网络釆用实频数据法和直接优化法相结合的优化方法。当仅用无耗元件无法对电小天 线进行匹配时，尤其当天线的阻抗实部相对于其虚部很小时的情况。采用该网络拓扑 结构来设计电小天线的宽带匹配网络，可以有效的展宽电小天线带宽的同时，大幅度 的改善该天线的效率。该网络拓扑结构的最大优点是对天线的阻抗限制比较小并且尤 其适用于当仅用无耗元件不能对天线进行匹配时的情况。本文在设计天线宽带匹配网 络的过程中，同时兼顾天线带宽和使用效率这两个相互制约的因素。本文所设计的网 络拓扑结构很适合该类电小天线的匹配，计算结果也证明了采用这种拓扑结构来匹配 电小天线是可行的，它在设计电小天线以及其它天线的宽带匹配网络上具有很大的应 用前景。
权利要求
1、一种电小天线宽带匹配网络的优化匹配设计，其特征在于采用了实频数据法和直接优化法相结合的优化方法，具体优化匹配步骤如下步骤一根据二端口网络理论，能够得到端口2→端口1的矩阵Ain为 式中，A11表示端口2具有A矩阵模式的第一元素，A12表示端口2具有A矩阵模式的第二元素，A21表示端口2具有A矩阵模式的第三元素，A22表示端口2具有A矩阵模式的第四元素，j表示虚数的单位，ω表示角频率，L12表示宽带匹配网络中的第二电感，C13表示宽带匹配网络中的第三电容，C12表示宽带匹配网络中的第二电容，L11表示宽带匹配网络中的第一电感，n表示宽带匹配网络中的变压器的变压比，R表示宽带匹配网络中的电阻R10的电阻值，C11表示宽带匹配网络中的第一电容；端口1→端口2的矩阵Aq为 式中，表示端口1具有A矩阵模式的第一元素，表示端口1具有A矩阵模式的第二元素，表示端口1具有A矩阵模式的第三元素，表示端口1具有A矩阵模式的第四元素；步骤二对式(1)根据阻抗变换得到端口2的输入阻抗ZinZa表示天线的阻抗值；步骤三对式(2)根据阻抗变换得到端口1的策动点阻抗ZqZc表示同轴电缆的特性阻抗；步骤四对式(1)根据双口网络的参量转换关系可以得出端口2的Z矩阵式中，Z11表示端口2具有Z矩阵模式的第一元素，Z12表示端口2具有Z矩阵模式的第二元素，Z21表示端口2具有Z矩阵模式的第三元素，Z22表示端口2具有Z矩阵模式的第四元素，|Ain|表示端口2在A矩阵中的行列式，即|Ain|＝A11A22-A12A21；步骤五对式(3)根据传输线理论得到端口2的反射系数Γin对式(6)根据传输线理论得到端口2的电压驻波比VSWR|Γin|表示反射系数Γin的模值；步骤六对式(5)根据二端口网络理论得到端口2→端口1的转换功率增益TPG 式中，i表示天线阻抗数据的采集个数，N表示自然数，P1表示信号源所提供的最大平均资用功率，P2表示天线负载吸收的平均功率，ωi表示采集的天线阻抗数据中第i个角频率，ReZc表示同轴电缆的特性阻抗实部，ReZa表示天线阻抗实部。
2、根据权利要求1所述的电小天线宽带匹配网络的优化匹配设计得到的电小天线 宽带匹配网络，其特征在于该宽带匹配网络包括有R—C附加阻尼网络、L一C 网络、变压器TO; R—C附加阻尼网络由电阻RIO、第一电容C11组成，电阻 RIO与第一电容Cl 1串联后并联在天线两端，R—C附加阻尼网络与天线形成负 载网络；L —C网络由第一电感Lll、第二电感L12、第二电容C12、第三电容C13组成，第一电感L11和第二电容C12形成一级滤波；第一电感Lll、第二电容C12和第二电感L12形成二级滤波；天线的1端顺次经变压器TO、第一电 感Lll、第三电容C13后与同轴电缆的l端连接；天线的2端与同轴电缆的2 端连接；变压器TO的3端顺次经第一电感Lll、第二电容C12后接入变压器 T0的4端；变压器T0的3端顺次经第一电感L11、第三电容C13、第二电感 L12后接入变压器TO的4端。
3、 根据权利要求2所述的电小天线宽带匹配网络，其特征在于与电小天线并联的 i -C附加阻尼网络可以对电小天线的阻抗进行补偿;变压器可以对负载网络的阻 抗进行变换；丄-C网络起到滤波匹配作用，使得天线的阻抗值通过A-C附加阻 尼网络、变压器和Z-C网络后接近同轴线的特性阻抗值，最终达到预定的匹配。
4、 根据权利要求2所述的电小天线宽带匹配网络，其特征在于在变压器TO的副 边与同轴电缆接入端之间运用两级滤波的处理方式对天线阻抗进行匹配，使得宽 带匹配网络等效电路的结构合理。
全文摘要
本发明公开了一种电小天线宽带匹配网络的优化匹配设计及其电小天线宽带匹配网络，该宽带匹配网络结构中的R-C附加阻尼网络直接与电小天线并联，可以把天线的阻抗变换成一种新的形式，不仅改善了天线端口的阻抗特性，也明显降低了电小天线实部和虚部之间的对比，即对电小天线的阻抗进行了一定的补偿，使得电小天线易于匹配。该宽带匹配网络采用了实频数据法和直接优化法相结合的优化方法来设计。从电小天线的特性出发，对天线阻抗实测数据进行变换—滤波得到较佳匹配网络结构；然后，利用优化算法的寻优特性获得匹配网络结构中各元件值。具有本发明匹配网络结构的电小天线，其驻波比在通带内小于2.5的同时效率大于30％，使得电小天线的性能得到大幅度的提高。
文档编号H04B1/00GK101388676SQ20081022519
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月30日 优先权日2008年10月30日
发明者姜铁华, 张艳君, 陈爱新, 魏文轩 申请人:北京航空航天大学