CN113675597A - 一种改善匹配效果的宽带偶极天线及其附加匹配网络结构参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善匹配效果的宽带偶极天线及附加匹配网络结构参数确定方法，该天线包括宽带偶极天线由天线振子和不平衡输入平衡输出的固定匹配网络组成，在固定匹配网络和天线振子之间插入平衡输入平衡输出的附加匹配网络，所述的附加匹配网络由串联枝节或并联枝节组成，串联枝节或并联枝节则由无耗集总元件构成。本发明所公开的宽带偶极天线，保留偶极天线原先的匹配网络当作固定匹配网络，无需改变馈线与固定匹配网络的连接接口，只是在固定匹配网络与天线振子之间增加一个由少量元件构成的平衡输入平衡输出的附加匹配网络，将固定匹配网络和附加匹配网络组成综合匹配网络，无需特殊的元件和仪器设备，原理简单，成本低廉，可操作性强。

Description

一种改善匹配效果的宽带偶极天线及其附加匹配网络结构参 数确定方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别涉及该领域中的一种改善匹配效果的宽带偶极天线及其附加匹配网络结构参数确定方法。

背景技术

偶极天线由完全对称的两臂组成，是短波天线的一个重要分支，广义的说，偶极天线不仅包括水平对称天线、扇锥天线，水平笼型天线，甚至还包括对数周期天线和鱼骨天线等等。由于该类天线一般水平高架，不与地面直接接触，使得地面吸收损耗相对较小，地面电导率对天线方向性的影响也较小；另外该类天线一般辐射水平极化波，而工业干扰大多为垂直极化波，可减小干扰对接收的影响。

为适应天线小型化、宽带化的发展趋势，偶极天线逐渐也需要往小型化、宽带化方向设计，其中常用的技术就是宽带匹配技术，即在天线振子的输入端增加匹配网络，改善偶极天线与馈线之间的宽带匹配效果，在宽带范围内使发射机能把尽可能多的功率辐射出去，接收机可以接收到尽可能多的功率，提高天线的效率。

在短波频段，宽带偶极天线在架设完毕或实际使用过程中，依然会出现反射系数偏大的情形，即宽带偶极天线与馈线还是不完全匹配，造成电压驻波比偏大，超出通信系统对宽带偶极天线的指标要求。究其原因是多方面的，比如实际安装场地环境不够平坦和开阔，周围环境对天线的影响较大，造成宽带偶极天线原先包含的匹配网络与天线振子的匹配效果下降，这是短波频段天线较常出现的问题；还比如天线结构参数和匹配网络元器件参数发生变化，也会造成匹配程度下降，特别是在原先包含的匹配网络与天线振子的匹配余量不大时容易出现。当匹配效果不理想，对原有宽带偶极天线作废弃处理，或重新进行更换设计显然不经济，若能在原先包含匹配网络的宽带偶极天线基础上，保留匹配网络不变，仅增加少量元件作为附加匹配网络，就能改善匹配效果，使综合匹配网络与偶极天线振子匹配良好，电压驻波比满足指标要求，将是一种快捷经济的解决办法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种改善匹配效果的宽带偶极天线及其附加匹配网络结构参数确定方法。

本发明采用如下技术方案：

一种改善匹配效果的宽带偶极天线，其改进之处在于：宽带偶极天线由天线振子和不平衡输入平衡输出的固定匹配网络组成，在固定匹配网络和天线振子之间插入平衡输入平衡输出的附加匹配网络，所述的附加匹配网络由串联枝节或并联枝节组成，串联枝节或并联枝节则由无耗集总元件构成。

进一步的，所述的串联枝节分解成两个等值的元件，此两等值元件分别连接于天线振子两平衡臂的其中一臂上；所述的并联枝节跨接于天线振子两平衡臂之间。

进一步的，无耗集总元件为电感、电容。

进一步的，所述的串联枝节为电容时，等效分解成两个等值的新电容，每个新电容值是原来电容值的两倍；所述的串联枝节为电感时，等效分解成两个等值的新电感，每个新电感值是原来电感值的1/2。

一种附加匹配网络结构参数确定方法，适用于上述的宽带偶极天线，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤1，选用三个阻值不等的参试电阻，并实测它们的阻抗，分别记为Z_b1、Z_b2和Z_b3；利用网络分析仪测量固定匹配网络依次连接此三个参试电阻后的输入阻抗，分别记为Z_a1、Z_a2和Z_a3；利用网络分析仪测量固定匹配网络连接天线振子后的输入阻抗，记为Z_t；

步骤2，假设固定匹配网络的ABCD参数为

根据步骤1实测的Z_b1、Z_b2和Z_b3，以及Z_a1、Z_a2和Z_a3，有以下三式成立：

Z_a1Z_b1C₁+Z_a1D₁＝A₁Z_b1+B₁

Z_a2Z_b2C₁+Z_a2D₁＝A₁Z_b2+B₁

Z_a3Z_b3C₁+Z_a3D₁＝A₁Z_b3+B₁

联立求解此三式，将A₁、B₁、C₁表示成相对D₁的关系式，则有：

这里有：

步骤3，将步骤2确定的A₁、B₁、C₁相对D₁的关系式代入式

计算得到天线振子的输入阻抗Z_a；

步骤4，假定附加匹配网络的ABCD参数为

固定匹配网络和附加匹配网络组成的综合匹配网络ABCD参数为

则有：A_t＝A₁A₂+B₁C₂，B_t＝A₁B₂+B₁D₂，C_t＝C₁A₂+D₁C₂，D_t＝C₁B₂+D₁D₂；

步骤5，假设包含综合匹配网络的宽带偶极天线输入阻抗为Z_in，反射系数为Γ_in，馈线的特性阻抗为Z₀，则有

和

将步骤3中的Z_a和步骤4中的A_t、B_t、C_t、D_t代入

然后将求得的天线输入阻抗Z_in代入

求得反射系数Γ_in；

步骤6，在宽带偶极天线的工作频率范围[f_min,f_max]内，优化附加匹配网络结构参数p，取工作频率范围内反射系数最大值最小时附加匹配网络所对应的结构参数为最优解，确定为最终的附加匹配网络，目标函数g_aim如下：

这里Γ_in(f_i,p)表示反射系数Γ_in是关于计算频点f_i和附加匹配网络结构参数p的函数，f_i∈[f_min,f_max]。

本发明的有益效果是：

本发明所公开的宽带偶极天线，对原天线改动极小，保留偶极天线原先的匹配网络当作固定匹配网络，无需改变馈线与固定匹配网络的连接接口，只是在固定匹配网络与天线振子之间增加一个由少量元件构成的平衡输入平衡输出的附加匹配网络，将固定匹配网络和附加匹配网络组成综合匹配网络，无需特殊的元件和仪器设备，原理简单，成本低廉，可操作性强。综合匹配网络不改变固定匹配网络的平衡变换关系，跟固定匹配网络一样，亦为不平衡-平衡变换形式，使综合匹配网络与偶极天线的天线振子匹配良好，反射系数低，可解决原先偶极天线匹配效果不满足要求、电压驻波比超标的问题，进一步降低宽带偶极天线的功率反射，提高辐射效率，改善天线性能，从而提高宽带偶极天线的利用率，经济性好。

本发明所公开的方法，可以确定附加匹配网络结构参数，以便实现上述的宽带偶极天线。

附图说明

图1是常规包含固定匹配网络的宽带偶极天线示意图；

图2是本发明实施例1所公开的包含综合匹配网络的宽带偶极天线示意图；

图3是本发明实施例1所公开的附加匹配网络串联电容等效分解变换示意图；

图4是本发明实施例1所公开的附加匹配网络串联电感等效分解变换示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，现有的常规宽带偶极天线输入端口包含有不平衡输入平衡输出的固定匹配网络。

实施例1，如图2所示，本实施例公开了一种改善匹配效果的宽带偶极天线，宽带偶极天线由天线振子和不平衡输入平衡输出的固定匹配网络组成，在固定匹配网络和天线振子之间插入平衡输入平衡输出的附加匹配网络，所述的附加匹配网络由串联枝节或并联枝节组成，串联枝节或并联枝节则由少量无耗集总元件构成。

为保持对天线振子的平衡馈电，所述的串联枝节在实际实现时要求分解成两个等值的元件，此两等值元件分别连接于天线振子两平衡臂的其中一臂上；所述的并联枝节跨接于天线振子两平衡臂之间。无耗集总元件为电感、电容。

如图3所示，所述的串联枝节为电容时，等效分解成两个等值的新电容，每个新电容值是原来电容值的两倍；如图4所示，所述的串联枝节为电感时，等效分解成两个等值的新电感，每个新电感值是原来电感值的1/2。

本实施例还公开了一种附加匹配网络结构参数确定方法，适用于上述的宽带偶极天线，固定匹配网络和附加匹配网络构成综合匹配网络，通过优化使得综合匹配网络接上天线振子后的反射系数最优，从而确定附加匹配网络元件参数，在优化过程中，需要用到天线振子输入阻抗和固定匹配网络ABCD参数，并测量三个阻值不等的参试电阻及固定匹配网络连接此三个参试电阻后的输入阻抗，具体包括如下步骤：

步骤1，选用三个标称阻值不等的参试电阻，标称阻值呈等差分布，并实测它们的阻抗，分别记为Z_b1、Z_b2和Z_b3；利用网络分析仪测量固定匹配网络依次连接此三个参试电阻后的输入阻抗，分别记为Z_a1、Z_a2和Z_a3；利用网络分析仪测量固定匹配网络连接天线振子后的输入阻抗，记为Z_t；

步骤2，假设固定匹配网络的ABCD参数为

根据步骤1实测的Z_b1、Z_b2和Z_b3，以及Z_a1、Z_a2和Z_a3，有以下三式成立：

Z_a1Z_b1C₁+Z_a1D₁＝A₁Z_b1+B₁

Z_a2Z_b2C₁+Z_a2D₁＝A₁Z_b2+B₁

Z_a3Z_b3C₁+Z_a3D₁＝A₁Z_b3+B₁

联立求解此三式，将A₁、B₁、C₁表示成相对D₁的关系式，则有：

这里有：

步骤3，将步骤2确定的A₁、B₁、C₁相对D₁的关系式代入式

计算得到天线振子的输入阻抗Z_a；

步骤4，假定附加匹配网络的ABCD参数为

固定匹配网络和附加匹配网络组成的综合匹配网络ABCD参数为

则有：A_t＝A₁A₂+B₁C₂，B_t＝A₁B₂+B₁D₂，C_t＝C₁A₂+D₁C₂，D_t＝C₁B₂+D₁D₂；

步骤5，假设包含综合匹配网络的宽带偶极天线输入阻抗为Z_in，反射系数为Γ_in，馈线的特性阻抗为Z₀，则有

和

将步骤3中的Z_a和步骤4中的A_t、B_t、C_t、D_t代入

然后将求得的天线输入阻抗Z_in代入

求得反射系数Γ_in，Γ_in是与附加匹配网络结构参数和工作频率有关的函数；

步骤6，在宽带偶极天线的工作频率范围[f_min,f_max]内，优化附加匹配网络结构参数p，优化目标为工作频率范围内反射系数最小。取反射系数最大值最小时所对应的附加匹配网络结构参数为最优解，目标函数g_aim如下：

这里Γ_in(f_i,p)表示反射系数Γ_in是关于计算频点f_i和附加匹配网络结构参数p的函数，f_i∈[f_min,f_max]。根据优化结果，可以确定附加匹配网络对应的结构参数。

Claims (5)

1.一种改善匹配效果的宽带偶极天线，其特征在于：宽带偶极天线由天线振子和不平衡输入平衡输出的固定匹配网络组成，在固定匹配网络和天线振子之间插入平衡输入平衡输出的附加匹配网络，所述的附加匹配网络由串联枝节或并联枝节组成，串联枝节或并联枝节则由无耗集总元件构成。

2.根据权利要求1所述改善匹配效果的宽带偶极天线，其特征在于：所述的串联枝节分解成两个等值的元件，此两等值元件分别连接于天线振子两平衡臂的其中一臂上；所述的并联枝节跨接于天线振子两平衡臂之间。

3.根据权利要求1所述改善匹配效果的宽带偶极天线，其特征在于：无耗集总元件为电感、电容。

4.根据权利要求3所述改善匹配效果的宽带偶极天线，其特征在于：所述的串联枝节为电容时，等效分解成两个等值的新电容，每个新电容值是原来电容值的两倍；所述的串联枝节为电感时，等效分解成两个等值的新电感，每个新电感值是原来电感值的1/2。

5.一种附加匹配网络结构参数确定方法，适用于权利要求1所述的宽带偶极天线，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，选用三个数值不等的参试电阻，并实测它们的阻抗，分别记为Z_b1、Z_b2和Z_b3；利用网络分析仪测量固定匹配网络依次连接此三个参试电阻后的输入阻抗，分别记为Z_a1、Z_a2和Z_a3；利用网络分析仪测量固定匹配网络连接天线振子后的输入阻抗，记为Z_t；

步骤2，假设固定匹配网络的ABCD参数为

根据步骤1实测的Z_b1、Z_b2和Z_b3，以及Z_a1、Z_a2和Z_a3，有以下三式成立：

Z_a1Z_b1C₁+Z_a1D₁＝A₁Z_b1+B₁

Z_a2Z_b2C₁+Z_a2D₁＝A₁Z_b2+B₁

Z_a3Z_b3C₁+Z_a3D₁＝A₁Z_b3+B₁

联立求解此三式，将A₁、B₁、C₁表示成相对D₁的关系式，则有：

这里有：

步骤3，将步骤2确定的A₁、B₁、C₁相对D₁的关系式代入式

计算得到天线振子的输入阻抗Z_a；

步骤4，假定附加匹配网络的ABCD参数为

固定匹配网络和附加匹配网络组成的综合匹配网络ABCD参数为

则有：A_t＝A₁A₂+B₁C₂，B_t＝A₁B₂+B₁D₂，C_t＝C₁A₂+D₁C₂，D_t＝C₁B₂+D₁D₂；

步骤5，假设包含综合匹配网络的宽带偶极天线输入阻抗为Z_in，反射系数为Γ_in，馈线的特性阻抗为Z₀，则有

和

将步骤3中的Z_a和步骤4中的A_t、B_t、C_t、D_t代入

然后将求得的天线输入阻抗Z_in代入

求得反射系数Γ_in；

步骤6，在宽带偶极天线的工作频率范围[f_min,f_max]内，优化附加匹配网络结构参数p，取工作频率范围内反射系数最大值最小时附加匹配网络所对应的结构参数为最优解，确定为最终的附加匹配网络，目标函数g_aim如下：

这里Γ_in(f_i,p)表示反射系数Γ_in是关于计算频点f_i和附加匹配网络结构参数p的函数，f_i∈[f_min,f_max]。

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