CN107895079B - 全频带超宽带天线电路模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全频带超宽带天线电路模型，由N个A类基本模型单元和M个B类基本模型单元串联而成。基本模型单元总数目K（K=N+M）与测试频段内天线射频阻抗参数实部的频域冲击数目相等。A类基本模型单元数目N与频段划分后各频段Z参数经矢量拟合所得多项式中的电容型多项式数目相等。B类基本模型单元数目M与频段划分后各频段Z参数（射频阻抗参数）实部经矢量拟合所得多项式中电感型多项式数目相等。本发明实现在全频带超宽带条件下，对天线输入阻抗特性的高精度仿真。还公开了基于矢量拟合方法的利用测量射频阻抗参数提取所述全频带超宽带天线模型元件参数值的方法。

Description

全频带超宽带天线电路模型

技术领域

本发明涉及一种天线等效模型及参数提取方法，特别涉及一种全频带超宽带天线等效电路模型及参数提取方法。

背景技术

天线是无线通信系统中射频信号接收与发送的重要元件，在各种不同领域具有广泛应用。在天线和电路系统的协同设计中，根据阻抗匹配原则，常将天线的输入阻抗调整到50欧，来匹配发射机和接收机的其他电路部分。对于窄带天线，这种方法具有很好的可行性，且能达到较高的精度要求。但在全频带超宽带天线应用，由于天线的输入阻抗无法在一段较宽频带上均匹配到50欧，故上述方法对于全频带天线与电路的协同设计不具有可行性。

现阶段，在全频带天线设计的过程中，常采用建立电路模型的方法研究天线的电磁学特性。然而，目前对全频带天线的电路模型建模研究还不是很完善，成为全频带天线和电路协同设计的一个主要难点。

目前国际上常用的天线电路模型，是类似于论文(Shin D R,Lee G,Park WS.Simplified Vector Potential and Circuit Equivalent Model for a Normal-ModeHelical Antenna.IEEE Antennas&Wireless Propagation Letters,2013,12(11):1037-1040.参考文献1)提出的电阻-电容-电感串联电路结构来表征天线的谐振特性，但该电路模型只适用于窄带天线电路建模，并且无法精确地表征天线的阻抗特性。

论文(Badawy M M,El-Azem Malhat H A,Zainud-Deen S H,et al.ASimpleEquivalent Circuit Model for Plasma Dipole Antenna.IEEE Transactions onPlasma Science,2015,43(12):4092-4098.参考文献2)，提出了一种包含5个元件的电路模型，同参考文献1相比，增加考虑了辐射电路和辐射电容，相比于参考文献1，该论文的模型精度虽然有了改善，但仍是只适用于窄带天线的建模，无法模拟全频带超宽带天线的输入阻抗特性。

参考文献2利用迭代拟合的方法，利用天线的散射参数对天线电路模型进行参数提取。这种方法具有简单和适用面广等优势，尤其适用于大规模的传统方法求解困难或不可解的问题。然而，迭代拟合的方法仍面临不可避免的收敛问题。由于迭代初值的不同，迭代拟合方法的收敛值可能仅为局部最小值而非全局最小值，由此导致提取结果非最佳结果；或者，由于迭代初值不合理，导致迭代拟合会出现不收敛的情况。

为了避免上述两种方法的缺陷，可以采用矢量拟合方法进行天线电路模型建模。矢量方法核心在于先利用矢量拟合方法这一计算数学方法对所测天线射频阻抗参数或导纳参数进行处理，得到该射频参数对应的经拉普拉斯变换后的多项式。再根据多项式结果推导出拓扑模型，并完成参数提取。目前已有利用矢量拟合方法，进行片上电感等效模型构建和参数提取的文献(Liang Y,Wang Y,Li L.Rational modeling of on-chip inductorby vector fitting[J].Analog Integrated Circuits&Signal Processing,2010,65(2):253-258.参考文献3)。该论文首先利用矢量拟合方法对片上电感实测射频导纳参数值进行处理，提出了一个4元件的等效模型，并实现参数提取。

发明内容

鉴于全频带超宽带天线电路模型在天线电路的协同设计中的重要性，本发明提供一种全频带超宽带天线电路模型以及基于和矢量拟合算法的该电路模型的参数提取方法。本发明针对全频带超宽带天线电路模型构建，利用了矢量拟合方法，结合所测天线等效的射频阻抗参数，提出基于两类基本模型单元新结构的一种新型全频带超宽带天线电路模型，并创新地将矢量拟合的方法运用于天线建模领域，对提出的电路模型所包含各参数元件值的参数提取。本发明对宽带划分子频带，对每个子频带都建模，而且每个子带模型串联构成的总模型，还能很好拟合天线宽带特性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种全频带超宽带天线电路模型，包括N个A类基本模型单元和M个B类基本模型单元，各基本模型单元间以串联形式级联，M≥0，N≥0，且M和N不同时为0；其中，A类基本模型单元由以串联形式级联的第一电阻和第一、第二并联结构组成，第一并联结构由第二电阻和第一电容并联组成，第二并联结构由第三电阻和第一电感的串联结构以及第四电阻、第二电容并联组成；B类基本模型单元由以串联形式级联的第五电阻和第三、第四并联结构组成，第三并联结构由第六电阻和第二电感并联组成，第四并联结构由第七电阻和第三电感的串联结构以及第八电阻、第三电容并联组成。

作为本发明的进一步技术方案，每个基本模型单元中的电路元件值不同。

作为本发明的进一步技术方案，基于矢量拟合方法的利用测量射频阻抗参数确定A类基本模型单元的数目N和B类基本模型单元的数目M：

1)对天线进行测试，扫描一组频率，得到不同频率点上天线输入端口射频散射参数；

2)将射频散射参数转换为天线输入端口射频阻抗参数，天线输入端口射频阻抗参数的实部在频域上有若干个极大值，按照极大值的分布将测试频段划分为若干个子频段，每个子频段有且仅有一个极大值；

3)在每个子频段上利用式(1)的电容型多项式和式(2)的电感型多项式，采用矢量拟合的方法对天线输入端口射频阻抗参数和复频率s＝jω进行拟合，其中，A₁、B₁为复数，A^* ₁、B^* ₁分别A₁、B₁的共轭，A₂、B₂、D值均为实数；

对于每个子频段，首先采用电容型多项式对天线输入端口射频阻抗参数和复频率s＝jω进行拟合，如果所有系数均收敛，则称该子频段收敛于电容型多项式；否则采用电感型多项式对天线输入端口射频阻抗参数和复频率s＝jω进行拟合，此时所有系数均收敛，则称该子频段收敛于电感型多项式；

4)基本模型单元的总数目K与测试频段内天线射频阻抗参数实部的频域冲击数目相等，A类基本模型单元的数目N与收敛于电容型多项式的子频段数目相等，B类基本模型单元的数目M与收敛于电感型多项式的子频段数目相等。

作为本发明的进一步技术方案，A类基本模型单元中的电路元件值的确认方法为：

1)对收敛于电容型多项式的子频段，利用式(1)的电容型多项式对天线输入端口射频阻抗参数和复频率s＝jω进行拟合，对应于第n个A类基本模型单元的子频段满足式(3)：

其中，A_n1、B_n1为复数，A^* _n1、B^* _n1分别A_n1、B_n1的共轭，A_n2、B_n2、D_n值均为实数，A_n1、A_n2、B_n1、B_n2、D_n值均通过矢量拟合得到；

将式(3)改写为式(4)：

2)根据A类基本模型单元的电路结构，得到第n个A类基本模型单元的射频阻抗参数函数：

其中，R_An1、R_An2、R_An3、R_An4、C_An1、C_An2、L_An1分别为第n个A类基本模型单元中第四电阻、第三电阻、第二电阻、第一电阻、第二电容、第一电容、第一电感的元件值；

3)根据式(4)和式(5)的系数对应关系，得到式(6)至式(12)：

R_An4＝D_n (12)

4)联立式(6)至式(12)，计算得到R_An1、R_An2、R_An3、R_An4、C_An1、C_An2、L_An1的值。

作为本发明的进一步技术方案，B类基本模型单元中的电路元件值的确认方法为：

1)对收敛于电感型多项式的子频段，利用式(2)的电感型多项式对天线输入端口射频阻抗参数和复频率s＝jω进行拟合，对应于第m个B类基本模型单元的子频段满足式(13)：

其中，A_m1、B_m1为复数，A^* _m1、B^* _m1分别A_m1、B_m1的共轭，A_m2、B_m2、D_m值均为实数，A_m1、A_m2、B_m1、B_m2、D_m值均通过矢量拟合得到；

将式(13)改写为式(14)：

2)根据B类基本模型单元的电路结构，得到第m个B类基本模型单元的射频阻抗参数函数：

其中，R_Bm1、R_Bm2、R_Bm3、R_Bm4、C_Bm1、L_Bm1、L_Bm2分别为第m个B类基本模型单元中第八电阻、第七电阻、第六电阻、第五电阻、第三电容、第三电感、第二电感的元件值；

3)根据式(14)和式(15)的系数对应关系，得到式(16)至式(22)：

R_Bm3＝B_m2(20)

R_Bm4＝D_m (22)

4)联立式(16)至式(22)，计算得到R_Bm1、R_Bm2、R_Bm3、R_Bm4、C_Bm1、L_Bm1、L_Bm2的值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明针对全频带超宽带天线电路模型构建，利用了矢量拟合方法，结合所测天线等效的射频阻抗参数，提出基于两类基本模型单元新结构的一种新型全频带超宽带天线电路模型，并创新地将矢量拟合的方法运用于天线建模领域，对提出的电路模型所包含各参数元件值的参数提取。本发明对宽带划分子频带，对每个子频带都建模，而且每个子带模型串联构成的总模型，还能很好拟合天线宽带特性。本发明所提出的一种适用于全频带超宽带天线电路模型适用于所有全频带超宽带天线，包括但不限于低频单陷波天线、高频单陷波天线、窄带单陷波天线、全频带单陷波天线。

附图说明

图1是基本模型单元数目为K的全频带超宽带天线电路模型的示意图。

图2是适用于全频带超宽带天线电路模型的A类基本模型单元示意图。

图3是适用于全频带超宽带天线电路模型的B类基本模型单元示意图。

图4是基本模型单元数目为5的全频带超宽带天线电路模型的示意图。

图5是超宽带天线Z参数(射频阻抗参数)测量值，其中，(a)是超宽带天线Z参数(射频阻抗参数)测量值的实部，(b)是超宽带天线Z参数(射频阻抗参数)测量值的虚部。

图6是超宽带天线S参数(射频散射参数)测量值与全频带超宽带新型天线电路模型仿真值的比较，其中，(a)是超宽带天线S参数(射频散射参数)测量值实部与全频带超宽带新型天线电路模型仿真值实部的比较，(b)是超宽带天线S参数(射频散射参数)测量值虚部与全频带超宽带新型天线电路模型仿真值虚部的比较。

其中：

1n00-第n个A类基本模型单元；

1n10-第n个A类基本模型单元的并联结构1；

1n20-第n个A类基本模型单元的并联结构2；

1n30-第n个A类基本模型单元的第一电阻(调节电阻)R_An4；

1n11-第n个A类基本模型单元并联结构1的第四电阻R_An1；

1n12-第n个A类基本模型单元并联结构1的第三电阻R_An2；

1n13-第n个A类基本模型单元并联结构1的第二电容C_An1；

1n14-第n个A类基本模型单元并联结构1的第一电感L_An1；

1n21-第n个A类基本模型单元并联结构2的第二电阻R_An3；

1n22-第n个A类基本模型单元并联结构2的第一电容C_An2；

2m00-第m个B类基本模型单元；

2m10-第m个B类基本模型单元的并联结构1；

2m20-第m个B类基本模型单元的并联结构2；

2m30-第m个B类基本模型单元的第五电阻(调节电阻)R_Bm4；

2m11-第m个B类基本模型单元并联结构单元1的第八电阻R_Bm1；

2m12-第m个B类基本模型单元并联结构单元1的第七电阻R_Bm2；

2m13-第m个B类基本模型单元并联结构单元1的第三电容C_Bm1；

2m14-第m个B类基本模型单元并联结构单元1的第三电感L_Bm1；

2m21-第m个B类基本模型单元并联结构单元2的第六电阻R_Bm3；

2m22-第m个B类基本模型单元并联结构单元2的第二电感L_Bm2；

Ln-第n个A类基本模型单元左侧结点；

Rn-第n个A类基本模型单元右侧结点；

Lm-第m个B类基本模型单元左侧结点；

Rm-第m个B类基本模型单元右侧结点；

51-全频带超宽带天线Z参数(射频阻抗参数)测试值；

61-全频带超宽带天线S参数(射频散射参数)测量值；

62-全频带超宽带天线电路模型的S参数(射频散射参数)仿真值。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明的全频带超宽带天线电路模型，包括N个A类基本模型单元和M个B类基本模型单元，各基本模型单元间以串联形式级联，M≥0，N≥0，且M和N不同时为0。其中基本模型单元总数K(K＝M+N)与所测频段内全频带天线Z参数实部的频域冲击个数相等。其中，所测频段指在对天线实物进行实际测试时测试所用的频段；频域冲击指对所测S参数转换后的相应Z参数的实部在频域进行表示后，所测频段内的所有极大值点。A类基本模型单元数目N与频段划分后各频段Z参数实部经矢量拟合处理所得多项式中的电容型多项式数目相等。B类基本模型单元数目M与频段划分后各频段Z参数(射频阻抗参数)实部经矢量拟合方法处理所得多项式中的电感型多项式数目相等。其中，频段划分指根据Z参数(射频阻抗参数)实部的频域冲击，对所测频率范围进行的划分，使每一个频段内有且仅有一个冲击。

电容型多项式指划分频段经矢量拟合方法处理后所得多项式，在拉普拉斯变换后呈现等式(1)型结构或其对应的变换形式，其对应的A类基本模型单元中的双元件并联结构单元为电容电阻并联结构。

电感型多项式指划分频段经矢量拟合方法后所得多项式，在拉普拉斯变换后呈现等式(2)型结构或其对应的变换形式，其对应的B类基本模型单元中的双元件并联结构单元为电容电阻并联结构。

A类基本模型单元如图2所示，包括并联结构1、并联结构2和调节电阻R_An4，其中，并联结构单元1包括电阻R_An1、R_An2、电容C_An1、电感L_An1，并联结构2包括电阻R_An3、电容C_An2，其中n取1到N的所有整数，N为A类基本模型单元数目。A类基本模型单元由并联结构单元1、并联结构单元2和调节电阻R_An4串联组成位于结构单元左侧结点L_n和右侧结点R_n之间，并与左侧结点L_n和右侧结点R_n相连接。其中n取1到N的所有整数，N为A类基本模型单元数目。并联结构1由电阻R_An1，电感L_An1的串联整体与电阻R_An2，电容C_An1的并联整体并联组成，并联结构1的左侧结点与结构单元左侧结点L_n连接，并联结构1的右侧结点与并联结构2的左侧结点连接。并联结构2由电阻R_An3和电容C_An2并联组成，并联结构2的左侧结点与并联结构1的右侧结点连接，并联结构2的右侧结点与调节电阻R_An4左侧结点连接。调节电阻R_An4由一电阻构成，调节电阻R_An4左侧结点与并联结构2的右侧结点连接，调节电阻R_An4右侧结点与结构单元右侧结点R_n连接。

B类基本模型单元如图3所示，包括并联结构1、并联结构2和调节电阻R_Bm4，其中，并联结构1包括电阻R_Bm1、R_Bm2、电容C_Bm1、电感L_Bm1，并联结构单元2包括电阻R_Bm3、电感L_Bm2。其中m取0到M的所有整数，M为B类基本模型单元数目。B类基本模型单元由并联结构1、并联结构2和调节电阻R_Bm4串联组成位于结构单元左侧结点L_m和右侧结点R_m之间，并与左侧结点L_m和右侧结点R_m相连接。其中m取0到M的所有整数，M为B类基本模型单元数目。并联结构1由电阻R_Bm1，电感L_Bm1的串联整体与电阻R_Bm2，电容C_Bm1的并联整体并联组成，并联结构1的左侧结点与结构单元左侧结点L_m连接，并联结构1的右侧结点与并联结构2的左侧结点连接。并联结构2由电阻R_Bm3和电感L_Bm2并联组成，并联结构2的左侧结点与并联结构1的右侧结点连接，并联结构2的右侧结点与调节电阻R_Bm4左侧结点连接。调节电阻R_Bm4由一电阻构成，调节电阻R_Bm4左侧结点与并联结构2的右侧结点连接，调节电阻R_Bm4右侧结点与结构单元右侧结点R_m连接。

本发明全频带超宽带电路模型由各基本模型单元构成，节点连接方式为：基本模型单元左侧结点和前一个基本模型单元右侧结点连接，基本模型单元右侧结点和后一个基本模型单元左侧结点连接。第一个基本模型单元左侧结点为输入端I，最后一个基本模型单元右侧结点为输出端O。

A类基本模型单元的数目N和B类基本模型单元的数目M的确定方法为：

对天线进行测试，扫描一组频率，从而得到不同频率点上天线输入端口S参数(射频散射参数)。对S参数(射频散射参数)转换为天线输入端口Z参数(射频阻抗参数)。天线输入端口Z参数(射频阻抗参数)的实部在频域上会出现若干个极大值，即频域冲击。按照极大值的分布将测试频段划分为若干个子频段，每个子频段有且仅有一个极大值。在每个子频段上利用电容型多项式((1)式)和电感型多项式((2)式)采用矢量拟合的方法对天线输入端口Z参数(射频阻抗参数)和复频率s＝jω进行拟合。

其中，A₁、B₁为复数，A^* ₁、B^* ₁分别A₁、B₁的共轭，A₂、B₂、D值均为实数。

对于每个子频段，首先采用电容型多项式((1)式)对天线输入端口Z参数(射频阻抗参数)和复频率s＝jω进行拟合，如果所有系数均收敛，则称该子频段收敛于电容型多项式。否则采用电感型多项式((2)式)对天线输入端口Z参数(射频阻抗参数)和复频率s＝jω进行拟合，此时所有系数均收敛，则称该子频段收敛于电感型多项式。

基本模型单元总数目K(即上述M与N之和)与测试频段内天线Z参数(射频阻抗参数)实部的频域冲击数目相等，即与频段划分后子频段的数目相等。A类基本模型单元数目N与收敛于电容型多项式的子频段数目相等；B类基本模型单元数目M与收敛于电感型多项式的子频段数目相等。

第n个A类基本模型单元中的电路元件值R_An1、R_An2、R_An3、R_An4、C_An1、C_An2、L_An1的确定方法为：

对天线进行测试，扫描一组频率，从而得到不同频率点上天线输入端口S参数(射频散射参数)。对S参数(射频散射参数)进行处理得到天线输入端口Z参数(射频阻抗参数)。对测试频段进行划分，使划分后的每个子频段中有且仅有一个Z参数(射频阻抗参数)实部的频域冲击。对收敛于电容型多项式的子频段，利用电容型多项式((1)式)对天线输入端口Z参数(射频阻抗参数)和复频率s＝jω进行拟合。对应于第n个A类基本模型单元的子频段满足(3)式。

其中，A_n1、B_n1为复数，A^* _n1、B^* _n1分别A_n1、B_n1的共轭，A_n2、B_n2、D_n值均为实数。A_n1、A_n2、B_n1、B_n2、D_n值均可通过矢量拟合得到。

对(3)式前两项进行通分运算，得到(4)式。

根据A类基本模型单元的电路结构，得到第n个A类基本模型单元的Z参数(射频阻抗参数)函数。

根据(4)式和(5)式的系数对应关系，得到以下方程组：

R_An4＝D_n (12)

联立以上方程组，计算得到R_An1、R_An2、R_An3、R_An4、C_An1、C_An2、L_An1的值。对于每个A类基本模型单元所包括的电路元件值均可以基于对应的子频段的测试数据按照以上过程确定。

第m个B类基本模型单元中的电路元件值R_Bm1、R_Bm2、R_Bm3、R_Bm4、C_Bm1、L_Bm1、L_Bm2的确定方法为：

对天线进行测试，扫描一组频率，从而得到不同频率点上天线输入端口S参数(射频散射参数)。对S参数(射频散射参数)转换为天线输入端口Z参数(射频阻抗参数)。对测试频段进行划分，使划分后的每个子频段中有且仅有一个Z参数(射频阻抗参数)实部的频域冲击。对收敛于电感型多项式的子频段，利用电感型多项式((2)式)对天线输入端口Z参数(射频阻抗参数)和复频率s＝jω进行拟合。对应于第m个B类基本模型单元的子频段满足(13)式。

其中，A_m1、B_m1为复数，A^* _m1、B^* _m1分别A_m1、B_m1的共轭，A_m2、B_m2、D_m值均为实数。A_m1、A_m2、B_m1、B_m2、D_m值均可通过矢量拟合得到。

对(13)式前两项进行通分运算，得到(14)式。

根据B类基本模型单元的电路结构，得到第m个B类基本模型单元的Z参数(射频阻抗参数)函数。

根据(14)式和(15)式的系数对应关系，得到以下方程组。

R_Bm3＝B_m2 (20)

R_Bm4＝D_m (22)

联立以上方程组，计算得到R_Bm1、R_Bm2、R_Bm3、R_Bm4、C_Bm1、L_Bm1、L_Bm2的值。对于每个B类基本模型单元所包括的电路元件值均可以基于对应的子频段的测试数据按照以上过程确定。

下面通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步阐述：

如图4所示，全频带超宽带天线电路模型的一实施例包括五个基本结构单元，其中，基本结构单元数与所测频段内全频带天线射频阻抗参数Z参数实部的频域冲击个数相等。五个基本结构单元以串联的形式进行级联。五个基本结构单元中包含四个A类基本模型单元(其分别为1100、1200、1300、1400)和一个B类基本模型单元(2100)。

A类基本模型单元1100内部包括并联结构1110、并联结构1120和调节电阻1130(R_A14)，并联结构1110包括电阻1111(R_A11)、电阻1112(R_A12)、电容1113(C_A11)、电感1114(L_A11)，并联结构1120包括电阻1121(R_A13)、电容1122(C_A12)。

A类基本模型单元1200内部包括并联结构1210、并联结构1220和调节电阻1230(R_A24)，并联结构1210包括电阻1211(R_A21)、电阻1212(R_A22)、电容1213(C_A21)、电感1214(L_A21)，并联结构1220包括电阻1221(R_A23)、电容1222(C_A22)。

A类基本模型单元1300内部包括并联结构1310、并联结构1320和调节电阻1330(R_A34)，并联结构1310包括电阻1311(R_A31)、电阻1312(R_A32)、电容1313(C_A31)、电感1314(L_A31)，并联结构1320包括电阻1321(R_A33)、电容1322(C_A32)。

A类基本模型单元1400内部包括并联结构1410、并联结构1420和调节电阻1430(R_A44)，并联结构1410包括电阻1411(R_A41)、电阻1412(R_A42)、电容1413(C_A41)、电感1414(L_A41)，并联结构1420包括电阻1421(R_A43)、电容1422(C_A42)。

B类基本模型单元2100内部包括并联结构2110、并联结构2120和调节电阻2130(R_B14)，并联结构2110包括电阻2111(R_B11)、电阻2112(R_B12)、电容2113(C_B11)、电感2114(L_B11)，并联结构1120包括电阻1121(R_B13)、电感2122(L_B12)。

第n个A类基本模型单元1n00(n取1、2、3、4)的并联结构1n10、并联结构1n20和调节电阻1n30以串联形式级联。其中，并联结构1n10的左侧结点与结构单元左侧结点L_n连接，并联结构1n10的右侧结点与并联结构1n20的左侧结点连接；并联结构1n20的左侧结点与并联结构1n10的右侧结点连接，并联结构1n20的右侧结点与调节电阻1n30左侧结点连接；调节电阻1n30左侧结点与并联结构1n20的右侧结点连接，调节电阻1n30右侧结点与结构单元右侧结点R_n连接。

B类基本模型单元2100的并联结构2110、并联结构2120和调节电阻2130以串联形式级联。其中，并联结构2110的左侧结点与结构单元左侧结点L₅连接，并联结构2110的右侧结点与并联结构2120的左侧结点连接；并联结构2120的左侧结点与并联结构2110的右侧结点连接，并联结构2120的右侧结点与调节电阻2130左侧结点连接；调节电阻1n30左侧结点与并联结构2120的右侧结点连接，调节电阻2130右侧结点与结构单元右侧结点R₅连接。

本实施例的全频带超宽带天线电路模型由五个基本结构单元串联构成，节点连接方式为：

第1个A类基本模型单元的左侧结点L₁和输入端I连接，右侧结点R₁与第2个A类基本模型单元的左侧结点L₂连接；

第2个A类基本模型单元的左侧结点L₂和第1个A类基本模型单元的右侧结点R₁连接，右侧结点R₂与第3个A类基本模型单元的左侧结点L₃连接；

第3个A类基本模型单元的左侧结点L₂和第2个A类基本模型单元的右侧结点R₂连接，右侧结点R₃与第4个A类基本模型单元的左侧结点L₄连接；

第4个A类基本模型单元的左侧结点L₄和第3个A类基本模型单元的右侧结点R₃连接，右侧结点R₄与B类基本模型单元的左侧结点L₅连接；

B类基本模型单元的左侧结点L₅和第4个A类基本模型单元的右侧结点R₄连接，右侧结点R₅与输出端O连接。

本发明的一种适用于全频带超宽带天线电路模型建模具体包括以下步骤：

步骤一，对天线进行测试，扫描一组频率，得到不同频率点上两端口的Z参数(射频阻抗参数)。

步骤二，根据Z参数(射频阻抗参数)实部的频域冲击，对所测频率范围进行划分，使每一个频段内有且仅有一个冲击。

步骤三，每一个频段对应一个等效电路模型结构单元。根据已测得的不同频率点上两端口的Y参数(射频导纳参数)，对每一个频段进行建模，运用特征函数法进行各结构单元的元件参数提取。

步骤四，在完成各结构单元的参数提取后，将各结构单元串联，并利用电路仿真软件进行优化。利用测试曲线与仿真结果之间曲线拟合的方法，迭代优化得到全频带超宽带天线电路模型中的元件值，最终可得该全频带超宽带天线实际电路模型。

具体地，本实施例的超宽带天线等效模型中的电路元件的参数提取方法是：

对超宽带天线进行测试，扫描一组频率(1.1GHz到11GHz)，从而得到不同频率点上天线输入端口S参数(射频散射参数)。对S参数(射频散射参数)进行处理得到天线输入端口Z参数(射频阻抗参数)。如图5的(a)和(b)所示，根据处理得到的这一组频率中Z参数(射频阻抗参数)曲线。对扫描频段进行划分，其中1.1GHz到2.9GHz为第一频段，2.9GHz到4GHz为第二频段，4GHz到5.9GHz为第三频段，5.9GHz到7.4GHz为第四频段，7.4GHz到11GHz为第五频段，使划分后的每一频段中有且仅有一个Z参数(射频阻抗参数)实部的频域冲击。对于划分后的任意一个频段，均可以用所述A类或B类基本模型单元进行等效。

对划分后的第一个频段的Z参数(射频阻抗参数)曲线进行矢量拟合方法处理，具体处理方式如下：

首先，由于该频段有且仅有一个Z参数(射频阻抗参数)实部的频域冲击，故其Z参数(射频阻抗参数)可以写成如下形式：

其中，s＝jω(ω为角频率，j为虚数单位)，C_i和p_i分别为常数系数值和极点值(i取1到L的所有整数，L为极点数目)。

由于最开始分母中各极点值未知，(23)为非线性方程，较难处理。于是为了简化问题，我们对各极点赋予合理的初值

使(23)成为线性方程。接下来，在(23)的基础上乘以一个未知的方程(24)得到等式(25)，(24)与(23)有相同的极点初值：

其中(σZ)_fit(s)≈σ(s)Z(s)。将(25)代入(26)，得到(27)：

对S个频域测量值s_k(1≤i≤S，S>>L)，我们有线性方程：

A_kx＝b_k

其中：

b_k＝Z(s_k)。

使用最小二乘法，可以求解上述方程：

其中，z_i和

是(σZ)_fit(s)和σ(s)的零点。(30)式表明σ(s)的零点值和z(s)的极点值相等。于是，通过求解σ(s)的零点可以得到z(s)的下一轮迭代的极点初值。反复迭代，当|σ(s)-1|达到精度需要时，可视为σ(s)＝1，

由此得到射频阻抗参数表达式。

经得矢量拟合方法处理后得到该频段射频阻抗参数(Z参数)的经拉普拉斯变换后的多项式函数。所得多项式函数如下：

其中，A₁、A₂、A₃、B₁、B^* ₁、B₂、D值均可根据该频段Z参数(射频阻抗参数)计算得出，B₁、B^* ₁共轭。

对(31)式前两项进行通分运算，得：

(31)为电容型多项式，则该频段可以用A类基本模型单元等效。根据所述A类基本模型单元结构，得其Z参数(射频阻抗参数)函数：

其中比较等式(32)和等式(33)，得：

R_A14＝D

电阻R_A11、R_A12、R_A13、R_A14，电容C_A11、C_A12，电感L_A11的值均可由上式联立计算得到。由此可得第1个A类基本模型单元的各元件参数值。

利用以上方法对上述第二、三、五频段进行矢量拟合方法处理，这三个频段均可以用A类基本模型单元等效，利用以上方法分别进行参数提取，可得第2个A类基本模型单元、第3个A类基本模型单元和第4个A类基本模型单元各元件参数值。

对于第四频段Z参数(射频阻抗参数)曲线进行矢量拟合方法处理，得到其Z参数(射频阻抗参数)的经拉普拉斯变换后的多项式函数。所得多项式函数如下：

其中，A₁、A₂、A₃、B₁、B^* ₁、B₂、D值均可根据该频段射频阻抗参数(Z参数)计算得出，B₁、B^* ₁共轭。

对(34)式前两项进行通分运算，得：

(34)为电感型多项式，则该频段可以用B类基本模型单元等效。根据所述B类基本模型单元结构，得其Z参数(射频阻抗参数)函数：

其中比较等式(35)和等式(36)，得：

R_B13＝B₂

R_B14＝D

电阻R_B11、R_B12、R_B13、R_B14，电容C_B11，电感L_B11、L_B12值均可由上式联立计算得到。由此可得B类基本模型单元各元件参数值。

将五个基本模型单元串联，并结合等效模型的仿真数据与天线实测数据，进行比较，调整各调平电阻值，使仿真数据曲线与实测数据曲线相近，便得到优化后各调平电阻值。

以下是全频带超宽带天线S参数(射频散射参数)测量值和全频带超宽带天线电路模型的仿真值比较：

由图6中的(a)和(b)可以看出，当采用本发明的超宽带天线等效模型以及超宽带天线等效模型参数提取方法后可以同时实现S参数(射频散射参数)实部和虚部的同时高精度拟合。可以看出，利用本发明的本发明的超宽带天线等效模型以及本发明的超宽带天线等效模型参数提取方法可以实现同测试结果高精度的拟合。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.全频带超宽带天线电路模型，其特征在于，包括N个A类基本模型单元和M个B类基本模型单元，各基本模型单元间以串联形式级联，M≥0，N≥0，且M和N不同时为0；其中，A类基本模型单元由以串联形式级联的第一电阻和第一、第二并联结构组成，第一并联结构由第二电阻和第一电容并联组成，第二并联结构由第三电阻和第一电感的串联结构以及第四电阻、第二电容并联组成；B类基本模型单元由以串联形式级联的第五电阻和第三、第四并联结构组成，第三并联结构由第六电阻和第二电感并联组成，第四并联结构由第七电阻和第三电感的串联结构以及第八电阻、第三电容并联组成；

基于矢量拟合方法的利用测量射频阻抗参数确定A类基本模型单元的数目N和B类基本模型单元的数目M：

1)对天线进行测试，扫描一组频率，得到不同频率点上天线输入端口射频散射参数；

2)将射频散射参数转换为天线输入端口射频阻抗参数，天线输入端口射频阻抗参数的实部在频域上有若干个极大值，按照极大值的分布将测试频段划分为若干个子频段，每个子频段有且仅有一个极大值；

3)在每个子频段上利用式(1)的电容型多项式和式(2)的电感型多项式，采用矢量拟合的方法对天线输入端口射频阻抗参数和复频率s＝jω进行拟合，其中，A₁、B₁为复数，A^* ₁、B^* ₁分别A₁、B₁的共轭，A₂、B₂、D值均为实数；

对于每个子频段，首先采用电容型多项式对天线输入端口射频阻抗参数和复频率s＝jω进行拟合，如果所有系数均收敛，则称该子频段收敛于电容型多项式；否则采用电感型多项式对天线输入端口射频阻抗参数和复频率s＝jω进行拟合，此时所有系数均收敛，则称该子频段收敛于电感型多项式；

4)基本模型单元的总数目K与测试频段内天线射频阻抗参数实部的频域冲击数目相等，A类基本模型单元的数目N与收敛于电容型多项式的子频段数目相等，B类基本模型单元的数目M与收敛于电感型多项式的子频段数目相等。

2.根据权利要求1所述的全频带超宽带天线电路模型，其特征在于，每个基本模型单元中的电路元件值不同。

3.根据权利要求1所述的全频带超宽带天线电路模型，其特征在于，A类基本模型单元中的电路元件值的确认方法为：

1)对收敛于电容型多项式的子频段，利用式(1)的电容型多项式对天线输入端口射频阻抗参数和复频率s＝jω进行拟合，对应于第n个A类基本模型单元的子频段满足式(3)：

其中，A_n1、B_n1为复数，A^* _n1、B^* _n1分别A_n1、B_n1的共轭，A_n2、B_n2、D_n值均为实数，A_n1、A_n2、B_n1、B_n2、D_n值均通过矢量拟合得到；

将式(3)改写为式(4)：

2)根据A类基本模型单元的电路结构，得到第n个A类基本模型单元的射频阻抗参数函数：

其中，R_An1、R_An2、R_An3、R_An4、C_An1、C_An2、L_An1分别为第n个A类基本模型单元中第四电阻、第三电阻、第二电阻、第一电阻、第二电容、第一电容、第一电感的元件值；

3)根据式(4)和式(5)的系数对应关系，得到式(6)至式(12)：

R_An4＝D_n (12)

4)联立式(6)至式(12)，计算得到R_An1、R_An2、R_An3、R_An4、C_An1、C_An2、L_An1的值。

4.根据权利要求1所述的全频带超宽带天线电路模型，其特征在于，B类基本模型单元中的电路元件值的确认方法为：

1)对收敛于电感型多项式的子频段，利用式(2)的电感型多项式对天线输入端口射频阻抗参数和复频率s＝jω进行拟合，对应于第m个B类基本模型单元的子频段满足式(13)：

其中，A_m1、B_m1为复数，A^* _m1、B^* _m1分别A_m1、B_m1的共轭，A_m2、B_m2、D_m值均为实数，A_m1、A_m2、B_m1、B_m2、D_m值均通过矢量拟合得到；

将式(13)改写为式(14)：

2)根据B类基本模型单元的电路结构，得到第m个B类基本模型单元的射频阻抗参数函数：

其中，R_Bm1、R_Bm2、R_Bm3、R_Bm4、C_Bm1、L_Bm1、L_Bm2分别为第m个B类基本模型单元中第八电阻、第七电阻、第六电阻、第五电阻、第三电容、第三电感、第二电感的元件值；

3)根据式(14)和式(15)的系数对应关系，得到式(16)至式(22)：

R_Bm3＝B_m2 (20)

R_Bm4＝D_m (22)

4)联立式(16)至式(22)，计算得到R_Bm1、R_Bm2、R_Bm3、R_Bm4、C_Bm1、L_Bm1、L_Bm2的值。

Images