CN111146574B - 基于非福斯特匹配电路的小型化盘锥天线 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于非福斯特匹配电路的小型化盘锥天线，整个设计包括小型化盘锥天线与非福斯特匹配电路，非福斯特匹配电路包括负阻抗变换器、变压器及缓冲电路，其使用折线结构代替传统盘锥天线的伞骨结构，使天线小型化，并在此基础上加入非福斯特匹配电路提高天线的性能。折线结构在不增加天线尺寸的情况下增加电流路径，减小天线尺寸，引入非福斯特匹配电路降低天线反射系数，提高天线的传输系数。本发明可以有效解决超短波通信中天线尺寸过大的问题，有助于降低超短波通信中天线制造与架设成本，提高天线的辐射效率。

Description

基于非福斯特匹配电路的小型化盘锥天线

技术领域

本发明属于超短波通信中天线设计领域，特别是具体超短波通信中盘锥天线的小型化设计与非福斯特匹配电路设计。

背景技术

超短波通信是车载和舰载通信系统中最基本且最重要的通信手段，应用于超短波通信中的天线工作在较低频段，工作波长较长，按常规半波长理论所对应的天线尺寸很大，这极大地增加了天线的体积和制作成本。为解决这一问题，工程应用中常采用天线小型化来减小天线尺寸。天线的电性能与其电尺寸有关，当天线的电尺寸减小时，会增大天线的输入电抗，减小辐射电阻，品质因素Q值相应增大，使得天线的工作频带变窄，因此小天线的性能降低。改善小天线性能，提高宽带化和小型化程度的方法多种多样，针对不同天线类型有各种大相径庭的技术手段来实现天线的宽带化和小型化，常用的技术有：(1)加载技术：将电抗元件、阻抗元件、介质材料等置于天线的某一部分之中，用于改善天线中的电流分布，从而达到改变天线的谐振频率或者在相同工作频率下降低天线的高度以及改变天线辐射方向图、提高天线辐射效率等目的；(2)匹配网络技术：通过集总参数网络、分布参数网络、集总参数与分布参数相结合的匹配网络改善天线与馈电系统的匹.配，从而改善天线的匹配带宽；(3)复合天线技术：将不同频段的天线有机结合，通过微波电路等后端处理，使它们在各自的频段内都能够正常工作。

前文所提天线宽带化和小型化技术均为无源方案，虽可用于天线匹配，改善其阻抗带宽，但受制于增益带宽理论，即Bode-Fano准则，对天线的阻抗带宽改善效果十分有限，特别是对于超短波频段及其以下频段中使用的天线，无法使用无源方案实现宽带匹配。故本发明采用非福斯特电路(Non-Foster Circuit,NFC)，来突破增益带宽理论的限制，实现盘锥天线的宽带匹配，提高天线效率，国外对于非福斯特匹配电路的研究已经开展很久，国内则是在近几年才开始研究非福斯特匹配电路。非福斯特匹配电路主要是通过负阻抗变换器产生的负阻抗元件来转换天线的电抗部分，但是当其用于匹配发射端天线的时候，会受到天线反射信号的影响，电路易受到干扰，严重的情况会损坏电路，这也是应用于发射天线的非福斯特匹配电路需要解决的技术难点，因为无源匹配方案不能有效改善天线性能，根本原因在于增益带宽理论的限制，而非福斯特匹配电路可以突破该理论的限制，所以想到用这个电路。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于非福斯特匹配电路的小型化盘锥天线。本发明的技术方案如下：

一种基于非福斯特匹配电路的小型化盘锥天线，其包括：非福斯特匹配电路、盘锥天线，盘锥天线用于将信号转化为电磁波的形式辐射出去，实现无线传输功能，非福斯特匹配电路设置于信号源端与盘锥天线之间，作为天线与信号源端的匹配电路，作用是实现天线与信号源端的良好匹配，提高盘锥天线的辐射效率。盘锥天线采用折线结构，非福斯特匹配电路包括负阻抗变换器、变压器及缓冲电路，所述负阻抗变换器通过变压器与缓冲电路相连接，负阻抗变换器采用传统浮地型负阻抗变换器设计，由两个晶体管，晶体管的偏置电路，负载电感组成，用于实现具有非福斯特元件特性的负电感，该负电感绝对值与负载电感相等，可转换盘锥天线阻抗中虚部电抗部分，变压器用于通过放大电压来提高天线实部电阻数值，匹配天线实部电阻；缓冲电路作为整个电路的保护电路，用于保护变压器和负阻抗变换器不受反射信号的干扰。

进一步的，所述盘锥天线设计成折线结构以代替常规盘锥天线的伞骨结构，在不增加天线电长度的前提下有效增加电流路径，折线结构与法向夹角为45°，调整该折线结构的法向夹角可改变天线方向图，折线结构长度为420mm，将折线结构做成对折形式，有利于减少盘锥天线体积。天线整体高度为407mm，较常规天线设计尺寸减少59.3％。

进一步的，所述盘锥天线的折线结构有8个，这是为了保证天线设计的体积不会过大的情况下，保留盘锥天线方向图全向性的特点。通过FEKO电磁仿真软件的仿真结果最后确定盘锥天线的折线结构为8个。

进一步的，所述负阻抗变换器采用浮地型设计，采用的晶体管型号为BFP540ESD，负载为150nF电感，用于等效产生具有非福斯特特性的负电感，转换天线阻抗中的虚部电抗；变压器采用ADT9-1T变压器，用于放大电压，匹配天线阻抗中实部电阻；缓冲电路起到保护变压器和负阻抗变换器的作用。

进一步的，所述非福斯特匹配电路通过加入缓冲电路解决了传统非福斯特匹配电路应用于发射端时天线反射信号过大，电路容易受到干扰的问题。该缓冲电路设计参考了放大器具有反射隔离的特性，采用了放大器电路的设计形式，为了保证缓冲电路工作频带与负阻抗变换器一致，所用晶体管同为BFP540ESD，缓冲电路通过变压器与负阻抗变换器连接，信号输出端连接盘锥天线，保证了负阻抗变换器工作的稳定性。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明旨在解决现有小型化技术无法突破增益带宽理论，导致超短波及以下波段天线难以实现宽带化小型化设计的问题。提出了在应用现有小型化技术的基础上，加载有源匹配电路突破增益带宽理论的方案，以实现天线大幅小型化宽带化的目的。本发明设计内容为一款基于非福斯特匹配电路的盘锥天线。盘锥天线下锥体采用8个折线型结构代替，折线结构可以增加电流路径，达到天线小型化的目的，同时可以减小风阻；然后使用非福斯特匹配电路对天线进行匹配，使天线可以突破增益带宽理论限制，拥有更好的性能。因为盘锥天线是用于发射系统中，所以设计非福斯特匹配电路时必须解决天线反射信号对电路产生干扰的问题，为此本发明在传统的由负阻抗变换器构成的非福斯特电路的基础上加入放大器电路形式的缓冲电路作为非福斯特电路中负阻抗变换器的保护电路。本发明较常规应用于超短波通信中的天线，尺寸减少59.3％，通过非福斯特匹配电路进行匹配后，盘锥天线的增益提升量在工作频段150MHz-250MHz内保持在9dB以上，提升了天线的辐射效率。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例非福斯特电路匹配盘锥天线实现过程图；

图2盘锥天线结构图；

图3非福斯特电路仿真原理图；

图4非福斯特电路匹配盘锥天线仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明是应用于超短波通信中的小型化盘锥天线设计，工作频段150MHz～250MHz。当前的盘锥天线设计多遵循半波长理论，由于超短波波长较长，天线尺寸一般较大，而目前所有的无源匹配技术无法突破增益带宽理论限制，故本发明采用非福斯特电路用于匹配所设计盘锥天线，以此突破增益带宽理论限制。下面结合附图，对本发明作进一步的详细说明。

将盘锥天线伞骨状结构改为折线结构，折线结构能在不增加天线电尺寸的条件下通过增加电流路径来达到天线小型化的目的。该盘锥天线采用八个折线结构代替一般盘锥天线的伞骨结构，这样既可保持盘锥天线方向图全向性的特点，又能最大程度减小天线的体积。

将上述盘锥天线的仿真数据导入ADS仿真软件中进行联合仿真，S(1,1)为天线加载非福斯特匹配电路后的反射系数；S(2,1)为电路正向传输系数，表示发射天线与接收天线之间的传输系数。

非福斯特匹配电路由浮地型负阻抗变换器、变压器、缓冲电路三部分构成。负阻抗变换器是非福斯特匹配电路的核心设计，它是利用电路等效实现具有非福斯特元件特性的负电容或者负电感，本发明中负阻抗变换器负载为150nF电感，电路等效为-150nF电感；变压器通过放大电压来提高天线实部电阻数值，便于达到更好的匹配的目的；缓冲电路则是用于保护变压器和负阻抗变换器不受电路中反射信号的干扰，确保电路能够稳定工作。

经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种超短波通信领域内小型化盘锥天线的设计。该设计首先对盘锥天线进行小型化设计，采用了折线结构，后用非福斯特匹配电路对天线进行匹配。该设计方案突破了增益带宽理论，实现了盘锥天线大幅小型化宽带化，降低了超短波通信天线的制作和架设成本。

如图1所示，本发明的实现流程图包括如下：

非福斯特电路用于信号源与盘锥天线之间，S(2,1)表示本发明所设计盘锥天线作为发射天线与接收端天线间的传输系数，用于表示非福斯特电路对盘锥天线辐射效率的影响。

图2(a)为盘锥天线设计示意图，该天线整体高度为407mm，折线结构与法向夹角为45°，调整法向夹角可改变天线方向图，图2(b)为折线结构设计示意图，长度为420mm，将折线结构做成图2(a)所示对折形式，有利于减少盘锥天线体积。

图3为非福斯特电路仿真原理图，图中1部分为负阻抗变换器，其作用是实现具有非福斯特元件特性的负电感；2部分为变压器，作用是通过放大电压来提高天线实部电阻数值，便于达到更好的匹配；3部分为缓冲电路，作为整个电路的保护电路，用于保护变压器和负阻抗变换器不受反射信号的干扰，确保电路能够稳定工作。

图4(a)为非福斯特电路与盘锥天线联合仿真的反射系数曲线，可以看出在150MHz～250MHz频段内整个电路与天线的反射系数小于-15dB，达到一般基站天线对反射系数S(1,1)的要求。

图4(b)为接收天线与发射天线之间的传输系数S(2,1)对比图，通过仿真结果对比显示，加载了匹配电路后天线之间的传输系数有了明显提升，表明非福斯特匹配电路能有效提高天线辐射性能。频段内S(2,1)提升量大于9dB。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于非福斯特匹配电路的小型化盘锥天线，其特征在于，包括：非福斯特匹配电路及盘锥天线，盘锥天线用于将信号转化为电磁波的形式辐射出去，实现无线传输功能，非福斯特匹配电路设置于信号源端与盘锥天线之间，作为天线与信号源端的匹配电路，作用是实现天线与信号源端的良好匹配，提高盘锥天线的辐射效率，盘锥天线采用折线结构，非福斯特匹配电路包括负阻抗变换器、变压器及缓冲电路，所述负阻抗变换器通过变压器与缓冲电路相连接，负阻抗变换器采用传统浮地型负阻抗变换器设计，由两个晶体管，晶体管的偏置电路，负载电感组成，用于实现具有非福斯特元件特性的负电感，该负电感绝对值与负载电感相等，可转换盘锥天线阻抗中虚部电抗部分，变压器用于通过放大电压来提高天线实部电阻数值；缓冲电路作为整个电路的保护电路，用于保护变压器和负阻抗变换器不受反射信号的干扰；

所述盘锥天线下椎体的伞骨结构为折线结构，在不增加天线电长度的前提下有效增加电流路径，折线结构与法向夹角为45°，调整该折线结构的法向夹角可改变天线方向图，折线结构长度为420mm，将折线结构做成对折形式，有利于减少盘锥天线体积，天线整体高度为407mm，较常规天线设计尺寸减少59.3％；

所述负阻抗变换器采用的晶体管型号为BFP540ESD，负载为150nF电感，用于等效产生具有非福斯特特性的-150nF负电感，转换天线阻抗中的虚部电抗；变压器采用ADT9-1T变压器，用于放大电压，匹配天线阻抗中实部电阻；缓冲电路起到保护变压器和负阻抗变换器的作用。

2.根据权利要求1所述的一种基于非福斯特匹配电路的小型化盘锥天线，其特征在于，所述盘锥天线下锥体部分设计为折线结构，盘锥天线下锥体部分的折线结构数量为8个。

3.根据权利要求1所述的一种基于非福斯特匹配电路的小型化盘锥天线，其特征在于，所述盘锥天线应用于信号传输系统的发射端，缓冲电路设计参考了放大器具有反射隔离的特性，采用了放大器电路的设计形式，为了保证缓冲电路工作频带与负阻抗变换器一致，所用晶体管同为BFP540ESD，缓冲电路通过变压器与负阻抗变换器连接，信号输出端连接盘锥天线，保证了负阻抗变换器工作的稳定性。

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