（无线电物理专业论文）消费类电子产品天线阻抗匹配的研究.pdf

分类号 u d c 密级 学校代码! q 垒窆! 武j 凄理歹大浮 学位论文 题 目滥壹差垫主芒墨垂线隍拯堕整鲍盈宝 英文题目i m p e d a n c em a t c h i n go fa n t e n n ao fc o n s u m p t i v ee l e c t r o n i cp r o d u c t s 一 研究生姓名芒塑笙 姓名越垩塞：职称副塾撞学位谴 指导教师 单位名称垄鲎瞳邮编 申请学位级别硕士 4 3 0 0 7 0 论文提交日期2q ! ! 生垒月论文答辩日期2q ! ! 生三月 学位授予单位盛墨垄三盘堂学位授予日期 答辩委员会主席剑成国评阅人麴基国：童盘查 2 0 11 年4 月 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 研究生( 签名) ：于 定) 日期2 。j j 习 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 消费类电子产品有智能手机、m i d 、p n d 及最近流行的平板电脑等，通过 消费类电子产品，人们可以在任何时候任何地点获取各类信息，克服了传统的 电子产品受时空影响的缺点。消费类移动电子产品已经普及，人们对它的需求 量特别大。在这些电子产品中，普遍存在一个或多个无线接收或发射装置，天 线就成了一种非常重要的器件，并且是发射或接收电磁波的关键器件。但有些 天线单纯依靠它本身的结构及特性，很难达到最佳接收或发射效果。如何根据 不同天线特点在大规模生产的时候进行有效匹配，满足这些天线收发性能指标 的设计要求就成了一个重要课题。本文对一些主要的天线特点、性能的设计要 求及阻抗匹配方法进行了介绍。较详细地分析了g p s 天线阻抗特性及匹配方法、 w i f i 和蓝牙阻抗特性及匹配方法、f m 天线阻抗特性及匹配方法。在消费类移 动电子产品中要求匹配电路简单，生产效率高，满足用户要求及使用方便，其 中宽带天线往往是一个难点，因为简单的电路快速匹配与宽带系统本身就矛盾。 本文重点研究宽带u 波段数字电视拉杆天线的特点及阻抗匹配方法，通过利用 m a t l a b 工具箱遗传算法函数和实测数据仿真计算来实现消费类便携式电子产 品天线阻抗匹配。最后以一实际的拉杆天线为例，结合实测数据，应用m a t l a b 遗传算法工具箱，求得其相关参数后，再去指导实际的匹配，得到最后的匹配 参数。实例证明了本文提出的基于m a t l a b 遗传算法与实际测量相结合，简单快 速地寻找比较准确的天线匹配参数方法的正确性，为实际从事天线匹配工作的 技术人员提供了可广泛用于宽带天线匹配网络设计的有效方法。 关键词t 消费类电子产品，天线阻抗匹配，m a t l a b 遗传算法，拉杆天线 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n s u m p t i v e l ym o b i l ee l e c t r o n i c - p r o d u c t ss u c ha ss m a r tp h o n e s ，m i d ，p n da n d f a s h i o n a b l et a b l e tp c ，e t c c a np r o v i d eal o to fi n f o r m a t i o na ta n yt i m ea n da ta n y p l a c e ，w h i c ho v e r c o m e st h ed i s a d v a n t a g eo f t h et r a d i t i o n a le l e c t r o n i cp r o d u c t sl i m i t e d b yt i m ea n ds p a c e 1 1 1 ed e m a n df o rt h ec o n s u m p t i v e l ym o b i l ee l e c t r o n i c - p r o d u c t si s p a r t i c u l a r l yl a r g ea n di n c r e a s i n gs i n c et l l e ya r ea l m o s to w n e db ye v e r y o n e i nt h e s e e l e c t r o n i cp r o d u c t s ，o n eo rm o r ew i r e l e s sr e c e i v e ro rt r a n s m i t t e rd e v i c ei sn e c e s s a r y s o ，t h ea n t e n n ai so fu t m o s ti m p o r t a n c es i n c ei t i st h ek e yd e v i c et ot r a n s m i to r r e c e i v ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e 8 h o w e v e r , i ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v et h eb e s tr e c e i v i n g o rt r a n s m i t t i n gp e r f o r m a n c ej u s tr e l y i n gs o l e l yo nt h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so ft h e a n t e n n ai t s e l f s o ，i ti sa l li m p o r t a n ti s s u em a th o wt om e e tt h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t so ft h ew i r e l e s st r a n s c e i v e rv i aa l le f f e c t i v ea n t e n n am a t c h i n ga c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea n t e n n ap r o d u c e di nl a r g eq u a n t i t i e s n e f e a t u r e sa n dp e r f o r m a n c ei nt h ed e s i g na n dt h em e t h o d so fp r o d u c t i o nr e s i s t a n c eo f s o m em a i na n t e n n aa r ei n v e s t i g a t e d ，a n di m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm a t c h i n go f t h eg p sa n t e n n a , w i f ia n db l u e t o o t ha n df ma n t e n n aa r ed i s c u s s e di nd e t a i li nt h i s p a p e r i ti sn e c e s s a r yt h a tt h ec o n s u m p t i v ep r o d u c t ss h o u l db es i m p l ei nm a t c h i n g c i r c u i ta n dv e r yc o n v e n i e n tt om e e tt h en e e d so fu s e r sa n de a s yt ou s e ，a sw e l la st h e i r p r o d u c t i o ne f f i c i e n c ys h o u l db eh i g h ；a m o n g s tt h e mi st h eb r o a d b a n da n t e n n ao f t e na d i f f i c u l ti s s u e s i m p l ea n df a s tm a t c h i n gc i r c u i tf o rab r o a d b a n ds y s t e mi t s e l fi sa c o n t r a d i c t i o n s o ，a f t e ri n v e s t i g a t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n di m p e d a n c em a t c h i n g m e t h o do ft h eb r o a d b a n do fu b a n dd i 西t a lt vw h i pa n t e n n a , w ee x p e c tt oa c h i e v ea n e x c e l l e n t i m p e d a n c e m a t c ho ft h ea n t e n n ao ft h ec o n s u m p t i v ep o r t a b l e e l e c t r o n i c p r o d u c t st h r o u g hc o m b i n a t i o no fg e n e t i ca l g o r i t h mb a s e do nm a t l a b t o o l b o xa n dt h em e a s u r e dd a t a t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o d ，b yw h i c h t h er e l e v a n tp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e db a s e do nt h ec o m b i n a t i o no ft h em e a s u r e dd a t a a n dm a t l a bg e n e t i ca l g o r i t h mt o o l b o x ，i st h e nc a r r i e do u tw i t he x p e r i m e n t a ld a t ao fa n a c t u a lr o da n t e n n aa sa ne x a m p l e t h er e s u l t sv 耐匆t h ea c c u r a c yo ft h em e t h o d ， w h i c hi sas i m p l ea n df a s tw a yt of i n dm o r ep r e c i s ep a r a m e t e r so fa n t e n n am a t c h i n g t h e r e f o r e ，t h em e t h o dw ep r o p o s e dp r o v i d e st h et e c h n i c a ls t a f fa ne f f e c t i v ew a yt o 武汉理工大学硕士学位论文 o b t a i nt h ed e s i g no ft h ew i d e b a n dm a t c h i n gn e t w o r k k e y w o r d s ：c o n s u m p t i v ee l e c t r o n i cp r o d u c t s ，i m p e d a n c em a t c h i n g , m a t l a b g e n e t i ca l g o r i t h m ，r o da n t e n n a i i i 武汉理工大学硕士学位论文 日罩 目爿k 摘i 辱i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 课题研究的背景1 1 2 国内外研究现状2 1 3 研究的主要内容和方法。3 1 4 本文思路4 第2 章阻抗匹配网络相关研究5 2 1 网络参数介绍。5 2 1 1 天线的输入阻抗及调谐器的输入阻抗5 2 1 2 天线的反射参数6 2 1 3 匹配网络带宽7 2 2 天线匹配网络的作用9 2 2 1 阻抗匹配的影响。9 2 2 2 匹配网络的作用1 0 2 2 3 匹配网络的结构1 l 2 3 本章小结1 l 第3 章消费类电子产品天线阻抗匹配结构及方法。1 2 3 1g p s 天线阻抗特性及匹配方法。1 2 3 1 1g p s 天线简介1 2 3 1 2g p s 天线阻抗特性1 2 3 1 3g p s 天线匹配结构及匹配方法。1 4 3 2w i f i 及蓝牙阻抗特性及匹配方法1 5 3 2 1w i f i 及蓝牙简介1 5 3 2 2w i f i 及蓝牙阻抗特性1 6 3 2 3w i f i 及蓝牙匹配方法1 7 3 3f m 天线阻抗特性及匹配方法1 7 3 3 1f m 天线简介1 7 3 3 2f m 天线阻抗特性1 7 3 3 3f m 天线阻抗匹配方法1 9 3 4 移动数字电视u 波段天线阻抗特性及匹配结构2 0 3 4 1 移动数字电视简介2 0 i v 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 2 移动数字电视接收基本原理2 0 3 4 3 移动数字电视天线阻抗特性2 1 3 4 4 移动数字电视拉杆天线阻抗匹配实际中阻抗匹配的状况2 2 3 5 目前解决宽带天线快速匹配理论主要方法及问题2 3 3 6 本章小结2 4 第4 章遗传算法及m a t l a b 工具箱。2 5 4 1 遗传算法2 5 4 1 1 遗传算法概述2 5 4 1 2 遗传算法的一些基本概念2 6 4 1 3 遗传算法处理过程及流程。2 9 4 2m a t l a b 工具箱及遗传算法函数3 l 4 2 1m a t l a b 及函数工具箱3 l 4 2 2m a t l a b 遗传算法需要使用的函数3 3 4 3 本章小结3 4 第5 章基于遗传算法的拉杆天线匹配网络设计3 5 5 1 拉杆天线匹配网络结构3 5 5 2 拉杆天线没有匹配的主要参数3 6 5 3 拉杆天线匹配网络数学表达3 6 5 4 拉杆天线匹配网络的遗传算法实现3 8 5 4 1 拉杆天线无匹配网络时的测试及计算结果3 8 5 4 2 匹配阻抗表达式4 3 5 4 3 遗传算法设计匹配网络4 4 5 4 4 仿真结果进行实际匹配及修正4 7 5 5 本章小结5 5 第6 章结论与展望。5 6 参考文献。5 7 致谢6 0 在攻读硕士学位期间发表的论文。6 l v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 在现实生活中，我们大量使用智能手机、m i d 、p d a 、电视机、收音机、 平板电脑等消费类电子产品，这些产品几乎都需要有无线通信设备。消费类电 子产品中使用的无线通信设备主要有w i f i 及蓝牙、g p s 、3 g 、u h f 波段数字电 视等，它们都是依靠无线电波来工作的，都需要无线电波的发射和接收。无线 电波的发射和接收，都是依靠天线来完成的，因此，天线的质量及匹配的好坏 直接影响这些无线系统的性能。另外，有的电子产品还要求在有限的空间范围 内用多个天线才能实现，这就对每个天线的带宽提出了严格的要求。为了使产 品有较高的信噪比、较好的接收信号灵敏度和发射输出较大的无线功率，根据 不同通信信号的特点对天线输入阻抗进行匹配是一种有效的办法。 消费类电子产品的生产和使用具有以下特点：( 1 ) 生产量大，并且各种元 器件和生产工艺对天线阻抗匹配有较大的影响。( 2 ) 所需的成本要低，即对天 线的尺寸有较多的限制，并且还需要装配简单及安装方便等。( 3 ) 天线的带宽 宽，阻抗匹配网络较复杂。 天线作为发射或接收电磁波的设备，单纯依靠天线自身的结构，很难使发 射机输出的宽频率有效而无损地输送到天线，从而需要建立匹配网络使得馈线 特性阻抗和天线的输入阻抗匹配，即使功率传输达到最佳条件。匹配的好坏直 接影响天线的效率，因此匹配网络的设计在天线的应用中非常重要【i j 。然而阻抗 匹配网络理论知识较深奥，并且理论计算得到的结果是在理想条件下得到的， 与实际测试的结果往往有较大的出入；再者，阻抗匹配网络设计的高频工程师 往往实践经验较丰富，而理论功底水平参差不齐及高频技术难度教大。所以， 从理论上探讨消费类电子产品阻抗匹配网络对一般的高频工程师来说不仅较高 深，复杂，而且还不一定具有实际应用价值。针对以上问题，本文将针对具体 的天线各自提出一种简单有效的方法应用于消费类便携式电子产品天线阻抗匹 配的研究中。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 阻抗匹配问题是广播、导航、通讯、电视、雷达和其他电子系统中经常遇 到的不仅是一个关于功率传输的基本问题，而且也是网络理论中值得注意的问 题。设计一个最佳的无耗互易均衡网络，以便将一个任意的负载与信号源阻抗 相匹配，同时在给定的频带内实现预给的转换功率增益特性是它要解决的实际 问题【2 1 。 首次提出宽带匹配理论的是波特( h w b o d e ) ，他最先对r 、c 并联负载计算出 网络的增益带宽积，证明了网络的增益带宽积总是小于或等于由负载时间常数 所决定的某一个常数【3 1 。于1 9 4 5 年，他提出了增益带宽极限定理，即确定了匹配 网络的增益带宽的限制。此后，范罗( r m f a n o ) 对该问题进行了一般性的研究【4 】， 发展了增益带宽理论，并且给出了在任意无源负载条件下的增益带宽极限，同 时还推导出了一组积分形式的约束条件用在负载对匹配网络的可实现性上。在 1 9 6 1 年，菲尔德( d c f i l d c r ) 将范罗的方法推广到复数阻抗的信号源内阻的情况 中。几乎在同一时间，散射概念也被引入至电路理论中，使得电路理论获得了 重大突破。电路理论专家尤拉( d c y o u l a ) 在1 9 6 4 年将有界实散射参量的概念也 引入到电路中，从而创建了新的宽带匹配理论。该理论除了将范罗方法中的积 分约束方程约化为代数方程，它还能处理用范罗方法难以处理的有源负载问题 1 5 j 。在七十年代，又有许许多多的电路理论工作者从事尤拉理论的研究，进一步 发展和完善尤拉理论。其中包括美国伊利诺大学著名电路理论家陈惠开教授， 针对许多特定的负载，他推导出了匹配网络元件的计算公式( 包括低通型和带通 型匹配网络) 睁7 。 随着宽带系统的应用越来越多，宽带匹配技术也应运而生，它在宽带系统 应用中实现发射系统与负载匹配具有十分重要的意义。由于宽带负载( 如天线、 电声换能器) 的阻抗特性十分复杂，不容易用解析式表示，设计的匹配网络很难 满足实际工程的要求，现有的宽带匹配方法与理想要求仍然还存在很大的差距， 因此有必要寻求新的解决方法和途径：途径之一是继续寻求在匹配网络设计上 的新突破，使理论和实际相结合；途径之二是在现有的基础上，尝试在有关方 面给予一定修正或补偿，以使其性能能够得到改善。 宽带匹配的数值方法随着计算机的广泛应用和计算机辅助设计( c a d ) 技术 的发展也于六十年代中期开始发展起来，这种方法比解析理论更切合技术应用， 2 武汉理工大学硕士学位论文 它能直接用于宽带匹配网络的计算机辅助设计，能解决实际问题中用解析方法 无法解决的许多难题。目前获得实际应用的主要方法有元件值直接优化法、实 频数据法【8 。1 0 1 、预定增益倾斜补偿法、遗传算、法【n 】等。 近年来，国内外学者对天线匹配研究有很多方法。主要分两大类：第一类 是用网络分析仪的圆图工具调试；第二类通过特定的算法仿真加网络分析圆图 工具调试。第一类适合单频点，匹配网络主要为n 型网络，通过改变网络参数 和测试s m i t h 圆图反复匹配，直到结果满意为止，例如g p s ，w i f ib g ，蓝牙，对 于多频点及宽带信号此种方法不大使用。第二类方法比较适合宽带信号( 数字 电视及w i f i n ) 及多频率点( g s m ，3 g ) 。目前研究天线匹配的算法主要有： ( 1 ) 粒子群优化算法( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，p s o ) 0 2 】，( 2 ) 遗传算法【1 3 1 ， ( 3 ) 混合遗传算法，( 4 ) 自适应算法以及几种基本算法相结合的方法，如遗传 算法与模拟退火法【1 4 】。 1 3 研究的主要内容和方法 本文主要对消费类电子产品天线阻抗匹配进行初步研究。介绍和分析消费类 电子产品不同天线匹配中的常用方法，着重分析移动数字电视u 波段天线阻抗 特性及匹配结构、目前实际中阻抗匹配的状况。最后，以一个u h f 波段数字电 视天线匹配示例，我们国家移动数字电视c m m b ：u h f 波段为4 7 0 m h z 8 6 0 m h z 。结合实测数据，应用m a t l a b 遗传算法工具箱，求得天线阻抗匹 配相关参数。利用网络分析仪s m i t h 圆图工具验证参数的合理性，得到比较理 想的反射系数、电压驻波比的阻抗特性图。实例证明了本文提出的基于m a t l a b 遗传算法与实际测量相结合，简单快速地寻找比较准确的天线匹配参数的正确 性，为实际从事天线匹配工作的技术人员提供有效的方法，此方法可广泛用于 其他宽带天线匹配网络的设计。 本文提出的方法主要解决以下两个方面的问题：( 1 ) 目前存在很多天线匹配 方法理论性好而实际操作非常麻烦；( 2 ) 方法简单，但操作花费大量的时间， 且匹配最后的效果比较差。 本论文的研究工作主要从以下几个方面进行： 第l 章简单介绍了研究工作背景、研究现状和主要工作。 第2 章中首先介绍天线匹配网络的主要网络参数，然后介绍了天线匹配网络 的作用和结构。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章中首先介绍在实践中g p s 天线、w i f i 与蓝牙天线、f m 天线和移动数字 电视u 波段拉杆天线的阻抗匹配常用方法，然后介绍了实际中移动数字电视拉杆 天线阻抗匹配的状况以及目前解决宽带天线快速匹配的主要方法和问题。 第4 章介绍了遗传算法基本概念、遗传算法处理流程；m a t l a b 及函数工具箱 相关内容。 第5 章以拉杆天线为例，结合实测数据，应用m a t l a b 遗传算法工具箱，求得 相关参数，实例证明了本文提出的基于m a t l a b 遗传算法与实际测量相结合的天线 阻抗匹配研究方法的正确性。 1 4 本文思路 本论文针对消费类电子产品生产量大和带宽宽等特点，详细介绍和分析了 g p s 、w i f i 及蓝牙、f m 天线和移动数字电视u 波段天线阻抗特性及匹配方法。 提出基于优化的遗传算法和实际测量相结合的天线阻抗匹配研究方法，即通过 利用m a t l a b i 具箱遗传算法函数和实测数据仿真计算寻找天线匹配参数，从 而使宽带u 波段阻抗匹配更科学、更快速，在有效带宽内匹配的回波损耗更小、 更平坦。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章阻抗匹配网络相关研究 2 1 网络参数介绍 2 1 1 天线的输入阻抗及调谐器的输入阻抗 天线的输入阻抗定义为天线输入端电压与输入端电流的比值，设和厶分别 是天线输入端电压与输入端电流，则天线的输入阻抗z 。为： z 。匕 ( 2 - 1 ) 。 ， 当输入电压与输入电流同相时，输入电阻呈纯电阻性。一般情况下输入阻 抗由电阻及电抗两部分组成，设r 。和以分别是天线输入电阻的电阻及电抗的部 分，也就是我们经常所说的实部和虚部， z ，= r ，+ x ， ( 2 2 ) 一般从理论上精确计算天线输入阻抗是非常困难的，工程应用中一般都采 用测量的方法确定。实际天线输入阻抗取决于天线的结构形状、本身材质，周 围介质、工作环境以及工作频率。使用网络分析仪，测量天线阻抗的史密斯圆 图，就很容易测量天线的阻抗特性。大多数天线工作结构形状、本身材质确定 之后，周围的介质、工作环境以及工作频率对其输入阻抗尼和x s 也会产生影响。 所以，测试天线阻抗一般需要在实际工作环境下测量，这样所得到的天线阻抗 只是和频率有关的变量，为确定天线匹配尽量减少分布参数的影响。 负载阻抗z ，也是调谐器输入阻抗为： z 工2 见+ x ( 2 3 ) 它反映的是k 和( 调谐器输入端电压和输入端电流) 之比。实际中调谐器输入 阻抗可以做到尺t 极为接近5 0q ，x c 几乎接近为0 。 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 天线的反射参数 图2 一l 两端网络参数不葸图 在微波频段内，电压和电流已经失去了明确的物理意义，几乎没有办法测量， s 参数是通过入射波和反射波之间的关系来定义的，可以使用网络分析仪容易直 接测量到。 乙表示两端网络输入( 信号源) 阻抗，z 表示两端网络输出端的反射阻抗， 两端网络特征阻抗为z 。，a s 和4 表示两端网络入射功率波，毋和巩表示反射 功率波。 若4 ：o 即是“负载z t 等于输出端的反射阻抗z o ，的情况( 输出波完全被负载 吸收) ，鸣= o 即是“输入( 信号源) 阻抗z ，等于输出端的反射阻抗么l i 的情况( 输 入波完全被网络端口吸收) 。 该两端网络可用入射波( 名，五) 和反射波( 口s ，b 工) 的线性关系来表示： b=墨14+墨24(2-4) 马= 最1 4 + 最2 4 ( 2 5 ) 式中的5 ，即称为散射参量，它们的意义分别是： 输入端功率反射系数( 在输出端负载匹配时) ：s 。= 争( 彳，= o 时) ( 2 6 ) n 输出端功率反射系数( 在输入端负载匹配时) ：s ：= 孚( 么s = o 时) ( 2 - 7 ) o | f 正向转移功率增益( 在输出端负载匹配时) ： 2 1 - - - - 孚( 彳，= o 时) ( 2 - 8 ) o l i 反向转移功率增益( 在输入端负载匹配时) ： s 。：= 等( 么s 2o 时) ( 2 9 ) 6 武汉理工大学硕士学位论文 k ：互二亟 输入端天线电压反射系数： z s + z 。 ( k 为负值时表明相位相反) 。 电压驻波比： v s w r ：= i + k l k ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 天线电压反射系数或电压驻波比表述了端口的匹配性能以及传输线上的工 作状态，当两个阻抗数值一样时，即达到完全匹配，反射系数k 等于0 ，此时驻 波比为l 。这是一种理想的状况，实际上两端网络总存在反射，所以驻波比总是 大于1 ，无线通信系统中要求其尽量小，驻波比越小，就表明传输的效率就越高。 回波损耗( r e t u r nl o s s ) ，又称为反射损耗。回波损耗是用来表示信号反射性 能的参数。如果阻抗不匹配，入射功率的一部分就会反射回到信号源，说明有 了回波损耗【1 5 】。回波损耗大时驻波比小。从数学角度看，回波损耗为： ，、，反射功率 一1 u l o g 瓣 ( 2 - 1 2 ) 在微波领域，s 参量用得比较多，因为它比其他种类的参量容易测量。例如， 在互= 乙= z o = 5 0 q 时，墨。和就等于电压反射系数，可用网络分析仪直接测 量；而足和墨：的模就等于反向和正向转移电压增益的平方根，可用矢量电压表 进行测量。使用网络分析仪可以很方便测量出电压反射系数、电压驻波比、回 波损耗。一般在接收系统测量置。，发射系统测量岛：。 2 1 3 匹配网络带宽 为了达到有效的阻抗匹配，存在三种环节带宽的问题，即天线带宽、匹配 网络带宽及实际通信有效信号的带宽的问题。在实际通信中，实际信号的带宽 是由通信协议所定的，而天线的带宽及匹配网络的带宽必须满足实际通信信号 的要求。 绝对带宽：4 = 厶一五 ( 2 _ 1 3 ) 厶为在工作时满足各项性能电气指标的最高频率，以为在工作时满足各项性能 电气指标的最低频率。 7 武汉理工大学硕士学位论文 帕粹石= 华 ( 2 1 4 ) ，。一，一， b w = 2 之呼= 上学 相对带宽： jh j 工j0 ( 2 1 5 ) 一般情况下，c m m b 移动数字电视u 波段实际通信频率为：尼为7 9 8 m h z ， 疗为4 7 0 m h z ，绝对带宽为3 2 8 m h z ，中心频率为6 3 4 m h z ，相对带宽为0 5 1 7 ； 蓝牙实际通信频率为：厶为2 4 8 3 5 0 m h z ，五为2 4 0 0 0 0 m h z ，绝对带宽为 8 3 5 m h z ，中心频率为2 4 4 1 7 5 m h z ，相对带宽为0 0 3 4 。可见蓝牙的工作频率 要比c m m b 的u 波段高的多，带宽要小，特别是相对带宽要小十几倍。现代电 子系统一般讲相对带宽为为0 1 到0 2 5 划为宽带系统，小于0 1 划为窄带系统， 大于0 2 5 划为超宽带系统。可以看出c m m b 属于超宽带系统，蓝牙属于窄带系 统。 天线的带宽可以分为阻抗带宽、方向图带宽( 由于天线是有方向性，在需 要的方向满足带宽要求) 、增益带宽( 天线的增益带宽是指增益下降到允许值的 频带宽度) 、极化带宽( 由于有些天线为了提高增益采用极化方式导致天线带宽 变窄) 。对于大多数消费类高频工程师来说，一旦具体天线确定后，重要的关注 点是阻抗带宽。 在天线工程中，通常用馈线上的电压驻波比表示天线的阻抗带宽。天线的 设计者或使用者，会根据实际情况，要求相应的天线达到一定的技术指标，以 驻波比低于他们规定的某一值时的频带宽度作为天线的阻抗带宽。像这种表示 方法，是一项实用性强的电指标，不仅反映了天线阻抗的频率特性，而且说明 了天线与馈线的匹配效果【1 6 】。天线的输入阻抗随频率变化而变化，可以很容易 测量到阻抗带宽，这点在g p s 、蓝牙、w i f i 等窄带系统中非常明显。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 天线匹配网络的作用 2 2 1 阻抗匹配的影响 t 调谐昌 l c 0 委 传输网络 l 图2 - 2 传输网络示意图 在不加匹配网络的情况下，天线通过固定、焊接、电缆、插座及产品内部 p c b 布线传输到调谐器的输入端，其实际通信接收或发射效果与下列因素相关： 天线本身的质量，天线通过固定结构、固定方式，焊接形状及焊接方法、电缆 及插座性能、产品内部p c b 布线的阻抗匹配情况、调谐器本身的接收及发射性 能及周围环境等。其中天线的增益及调谐器的性能在接收系统中对接收灵敏度 具有关键性的作用，在发射系统中对发射功率具有关键性的作用。所以在选择 天线和调谐器的时候考虑，也就是说在条件允许的情况下，对于接收系统尽可 能选择阻抗带宽增益高、调谐器接收灵敏度高的系统，发射系统中尽可能选择 阻抗带宽增益高、调谐器发射功率高的系统。这里将固定、焊接、电缆、插座、 产品内部p c b 布线定义为传输网络，传输网络的特征阻抗为z 0 。在此主要讨论 分析接收系统，发射系统与接收系统类似。由于通信要求不同，实际中有如下 三种情况： 在理想的情况下传输网络可以认为是一个无损耗网络，z 0 为纯电抗特性。 当z s = z ：= z o 时天线接收到的功率可以全部传送到调谐器，所以在有些系统中 严格要求z s = z ，即天线厂家生产的天线带宽阻抗z 。和调谐器厂家生产的带宽 阻抗z ，相等，工程师设计和工厂生产的任务就是确保乙= z 。= z o 。这在实际中 对性能要求不是很严格的场所也广泛存在。 在传输网络z s = z ，z o 时，天线接收到的功率在传输网络就会形成反射， 传输网络到调谐器也会形成反射，这样天线到调谐器信号一定有部分信号就被 反射掉，z n 和z s = z ，相差越大反射越大。一般z 。在实际中基本上是固定的， 9 武汉理工大学硕士学位论文 消费类r r 产品基本上都是5 0q 。问题的关键是：如果天线z 。也可以做到5 0q ， 主要问题就是传输网络了。传输网络除了选择严格要求固定结构、固定方式， 焊接形状及焊接方法、电缆及插座带宽阻抗性能和周围环境之外，关键就是p c b 布线问题。p c b 在设计理论上可以做的很好，但实际上生产环节对于消费类产 品大规模生产时由于材料及工艺等问题，每批次特征阻抗会有一定的偏差。对 于要求严格的系统，在这种情况下很难达到总体技术指标的要求。 在传输网络乙z ：时，天线接收到的功率在传输网络就都形成反射，传输 网络到调谐器也会形成反射，如果不进行匹配的话只能将传输网络的特征阻抗 设计为z o = z 。或z o = z ：，这时能够减少一级反射，z 。和z ，相差越大，反射 就越大。 2 2 2 匹配网络的作用 前面我们已经分析的两种情况，即乙= 乙z o 和磊乙，一定会形成反射， 其中阻抗相差越大反射越大，较强的反射会使接收系统的灵敏度大大的降低， 灵敏度是接收系统最重要的技术指标之一；对于发射系统会产生强大的自身干 扰，发射功率降低，有时甚至会烧毁系统或使系统无法工作。因此必须进行网 络匹配，匹配网络是实现或进一步改善天线频带特性的一种有效技术。如下图： 调谐器 l 卜瞒圣 马 c 0 委 z l | 图2 3 匹配网络示意图 z l 和z 2 分别是匹配网络的输入阻抗及输出阻抗，一般为电抗特性，在接收 系统中理想的匹配应该是磊= z l ，z 上= z 2 ，z i 到z 2 阻抗转换并且可以将信号 功率全部由z l 传输到z 2 ，这样就将天线接收到的信号全部被z i 吸收，通过z l 无 损传输到z 2 ，再由z 2 全部传输到调谐器z 工。表面看有点像阻抗变换器，由于变 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 压器具有阻抗变换的特性，只要变压器在有效带宽满足频率特性是可以的，但 是对于大多数系统变压器难以满足这个要求，特别是宽带系统。要想设计出 乙= z l ，z 工= z ：，z i 到z 2 无损传输是相当困难的，尽管理论上是可行的， 但实际中由于各种分布参数的影响，只能是尽可能减少信号的反射、损耗，尽 可能地提高天线有效带宽的接收灵敏度。 2 2 3 匹配网络的结构 按匹配网络的结构特征来划分，匹配网络可分为如下三种匹配网络：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网络【l7 1 。由电抗元件( l ， c ) 组成的t 形、r 形、兀形无源网络是天线阻抗匹配系统中常用的匹配网络。这 些匹配网络具有所需的元件少，体积小、设计灵活和使用方便等优点。 当实际电路的尺寸远小于电路工作时电磁波的波长时，可以把元件的作用 集总在一起，用一个或有限个r 、l 、c 元件来加以描述，这样的电路参数叫做集 总参数。而集总参数元件则是每一个具有两个端钮的元件，从一个端钮流入的 电流等于从另一个端钮流出的电流；端钮间的电压为单值量。集总参数匹配网 络几乎是在短、中、长波波段中的电小天线不可或缺的组成部分之一。 参数的分布性指电路中同一瞬间相邻两点的电位和电流都不相同。这说明 分布参数电路中的电流和电压除了是时间的函数外，还是空间坐标的函数。分 布参数匹配网络的阻抗变换作用是通过利用传输线阻抗分布持性来完成的。 传输线变压器是集总参数和分布参数相结合的阻抗变换器中的典型应用。 它将传输线绕在磁芯上，既有集总参数变压器相对带宽大小、结构尺寸的优点， 同时又具有传输线阻抗变换器在高频工作下的特点，因而可看作集总参数变压 器及分布参数传输线阻抗变换器共同作用的产物。在低频与微波之间宽阔的领 域内，传输变压器有着广泛的应用前景。 2 3 本章小结 较详细地介绍了天线匹配网络的主要参数，即天线的输入阻抗、调谐器的 输入阻抗和天线反射参数的数学表达式。然后以接收系统为例，分析了实际中 接收系统存在的三种情况。最后指出匹配网络是改善天线频带特性的一种有效 技术。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章消费类电子产品天线阻抗匹配结构及方法 3 1g p s 天线阻抗特性及匹配方法 3 1 1g p s 天线简介 全球卫星定位导航系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) ，其作用是将卫 星发射出来的电磁波转换成电流，用于获得地理位置信息以及准确的通用协调 时间。由于g p s 信号是圆极化波，所以所有的天线都是圆极化工作方式。利用 g p s 卫星实现导航定位时，用户接收机的主要任务是提取卫星信号中的数据码 及伪随机噪声码，通过进一步解算就可以获得接收机载体的速度、位置及时间 ( p v t ) 等导航信息。因此，g p s 接收机是非常重要的用户设备。目前实际应用 的g p s 接收机电路一般由四个部分，即天线单元、通信单元、射频单元及解算 单元组成。g p s 天线按位置分为内置和外置天线，其中内置天线又分无源天线 和有源天线【l 引。 3 1 2g p s 天线阻抗特性 图3 1 台湾佳邦g p s 天线外型图 g p s 信号工作频率1 5 7 5 4 2m h z ，只有接收，相对带宽小于o 0 1 ，属于高频 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 超窄带，最适合使用高频陶瓷天线( 具有极高的稳定性) 。 以台湾佳邦g p s 天线为例：型号为p a l 5 7 5 m j 2 g 1 3 8 2 6 m ，无源天线，尺寸 为1 8 毫米x 1 8 毫米x 2 毫米，天线中心频率1 5 8 0 + - 2 m h z ，带宽为7 m h z ，正向 增益为l d b ，在l o 度的增益为5 5d b ，外型如图3 1 所示。 其网络分析仪测量史密斯阻抗圆图如下图3 2 所示。 殂囝5 1 , 1 , 翔 柏e + j x ) s c a l et 艄【n 嗍o e l 】 图3 2 网络分析仪测量史密斯阻抗圆图 网络分析仪测量墨。回损参数如图3 3 所示，从图中可以看出 p a l 5 7 5 m j 2 g - 1 3 8 2 6 m 天线尺寸小，在1 5 8 7 9 0 0m h z 处阻抗实部为4 9 8 8 7 f 2 ， 基本为5 0q ，虚部为3 2 0 6 0m q ，电抗极小，等效电容为3 1 2 6n f ，回波损耗墨i 达到5 4 4 3 7d b ，损耗极小。由于g p s 天线安装在p c b 上频率会降低，一般单 独天线测试为15 8