宽带加载小型化天线的研究

1、微波电路CAD课程结课论文学号、专业： 1502202032 电子科学与技术 姓 名： 周茶红 论 文 题 目： 宽带加载小型化天线的研究 指 导 教 师： 曹卫平 所 属 学 院： 信息与通信学院 成绩评定教师签名 桂林电子科技大学研究生院2015年 9 月 9 日 宽带加载小型化天线的研究摘要：随着通信技术的发展，现代通信逐渐向小型化、多频段、宽带跳频演变。宽带小型化天线具有通信容量大、抗干扰等优点，能够充分地利用狭小的空间，并且对通信质量不会造成较大的影响。单极子以其结构简单、辐射具有全向性等诸多优点得到了广泛的运用。本文围绕线天线的宽带化问题，做了以下研究工作：1.介绍了线天线的宽带化

2、与小型化的常用方法。2.在前人工作的基础上，分析研究其加载机理，根据研究的结果实现最优化设计，最终制作了实物进行验证。3.采用宽带匹配网络与加载相结合的方法。从前人的研究成果来看，单纯通过加载难以在很宽的频带内匹配良好，因此设计时加入了宽带阻抗匹配网络。1. 线天线宽带化与小型化在天线的宽带化与小型化技术中，通过采用加粗、加宽振子的方法，来增大电流的辐射面积从而展宽天线的带宽；也有通过分形技术，即可以有效地减低天线的尺寸，形成多谐振频率，从而在某种程度扩展了天线的工作带宽；亦可以使用加载的方法来实现天线的宽带化与小型化。而加载技术是最简单且行之有效的方法。在天线合适的位置处加载可以改变天线的电

3、流分布，改善了天线的电器特性。宽带匹配网络也是实现天线宽带化与小型化的重要手段之一。1.1 加载技术1.1.1顶部加载顶端加载可以降低天线的谐振频率，由于天线的高度达到自然谐振所需的电长度，所以顶部加载是一种经济实用的降低天线容性阻抗的方法，在很多时候也可以提高天线的辐射电阻。加载顶负载以后，天线的顶端的电容不再为零。这是由于顶负载加大了垂直部分顶端对地的分布电容，顶端将不再是开路，顶端电流也不再为零，电流的增大也使远场区的辐射增加。只要鞭状天线不是太长，顶端距地面高度不大，其顶端加载引起的水平部分的辐射可以不予考虑。所以顶端加载可以使得天线的谐振频率及辐射特性得到改善。1.1.2分布加载如果

4、天线中的电流的密度和天线中连续分布的轴向电场强成比例，则称此类天线为串联型分布加载。加载元件包括阻性、容性、感性以及混合性机载等。它们可以是均匀的或者是不均匀的分布在整个或部分天线上。无反射分布电阻加载及准分布电容加载天线，是分布加载天线中常用的分布加载形式。无反射分布电阻加载的分布电阻在天线的分布规律是，电阻由中间向两端递增，天线上仅存在向外的行波，分部的电阻又吸收了部分的电磁能,使得终端的反射能量为零,改善了天线的阻抗特性,因此具有极宽的工作频段。因为分布电阻吸收了部分电波的能量,所以分布电阻加载是以牺牲效率为代价,来换取较宽的工作频段。分布电阻加载的方法是在天线上建立行波电流从而获得宽频

5、带特性，不可避免地使天线的损耗增加、效率降低。若使用无耗元件的电容，则加载天线的效率应该是很高的，虽然其带宽不如电阻加载行波天线。准分布电容加载结果如图1-1所示。它是由许多有空隙的金属段连接而成，每一个缝隙构成一个加载电容，当分布数目较多时，就是准分布电容加载天线了。图1-1 准分布电容加载天线结构图理论上分布加载的段数越多，天线的宽频带特性就越好，但是分段数目太多，给天线的制作带来了困难。1.1.3集总元件加载分布型加载天线，虽然可以在相当宽的频段范围内保持输入电阻的稳定，具有良好的宽频带特性，但是这种天线的缺点就是制作困难。在工作波长较短时，例如在VHF频段和UHF频段，还能够使用在介质

6、棒上涂覆厚度一定且按规律变化的导电物质，来实现要求的加载电阻或电容的分布规律，但到了短波、中波波段，天线的几何长度太大，要做成柔软而不易则断的分布加载天线绝非容易。在实际应用中，大多采用各种形式的集总元件进行集中加载。这种类型的加载天线的频率特性虽然不如分布加载的天线好，但由于结构简单，制作容易，因而能够得到广泛的应用。Altshuler提出了一种结构简单、具有良好宽频带特性的天线。电阻加载距天线末端1/4波长处，其效果是馈源与加载处之间的电流分布呈行波分布，这种结构的天线称为Altshuler天线。由传输线理论可以分析，这种结构能够有效地将天线开路端经过线段的变换使之成为短路，若在此处接一个

7、阻值等于天线特性阻抗的电阻，则加载点到馈电端的一段呈行波电流分布。尽管这种情况只能在单频上实现，但 Altshuler证明了在 3:1 的频率范围内，电压驻波比小于 2。1.2 传输线变压器传统的集中参数变压器，是将线圈绕在磁芯上构成的。这种变压器的特点是尺寸小，但由于分布电容和漏感的影响，传统变压器在高频段特性较差。所以传统的集中参数变压器无法满足高频工作的需要。而传输线变压器是由传输线绕在环状磁芯上构成的，由于传输线并行绕制在高磁导率磁芯上，可以认为任意位置的线间电容都是很大的，每一小段的电感也是很大的，所以传输线可以看成是很多电感电容组成的耦合链，传输线变压器正是利用这些电感电容之间的耦

8、合来传递能量，电磁波在传输线间的介质中传播，磁芯的损耗对能量传输的影响就大大降低，从而传输线变压器的最高工作频率就会得提高。因此，相对于传统集中参数变压器而言，传输线变压器更易于实现宽带工作。传输线变压器不仅体积小，带宽较宽而且还能在高频工作。本文主要对典型的双线及匹配网络设计中使用到的 1:3传输线变压器进行理论分析和研究。1.2.1双线传输线变压器本节主要研究双线传输线变压器，它可以实现1: N 2阻抗变换，下面主要以 1:4 传输线变压器为例对双线传输线变压器进行讨论，其他双线传输线变压器分析方法类似。图1-2给出了1:4传输线变压器的等效电路图。图1-2 1:4传输线变压器等效电路图由

9、等效电路图可得V和I满足的传输线方程： （1-1）其中，Zc为传输线的特性阻抗。端接条件为： （1-2）将式（1-1）代入（1-2）得到输入阻抗的表达式： （1-3）当趋近于0 时，即工作波长远大于传输线长时有： （1-4）将式（1-4）代入（1-3）可得 （1-5）因此实现了 1:4 的阻抗变换。综上，在低频区域，能够满足趋近于0的条件时，传输线变压器可以实现所设计的阻抗变换比；而当频率较高，不再满足趋近于0的条件时，此时我们将无法得到所设计的阻抗变换比。因此工作的频率越低、工作波长越长时，传输线变压器的变换比就越接近所设计的值，但是传输线线长过短时，磁化电流会明显影响传输效率，一般我们取绕

10、制变压器的传输线长度为lmax 0.1maxl，其中max为最高工作频率对应的波长。本文采用的1:3传输线阻抗变换器是在1:4传输线阻抗变换器的基础上，适当增减绕组圈数构成的，这里就不过多的阐述了。2. 宽带加载小型化天线设计实例线天线是一种应用较为广泛的天线，其结构简单，特别是在短波、超短波通信频带，线天线更具有优势。但是，对于未做加载处理的单极子天线来说，它工作在四分之一波长处，特别的，当其工作频率较低时，天线尺寸将会很大，其工作带宽也会很窄。所以我们希望通过在线天线合适的位置处加载集总元件以及天线和馈源之间合适的匹配网络来达到增加单极子天线的宽带化和小型化的目的。2.1 100-1000

11、MHz单极子加载天线的研究图2-1所示为原文献采用的固定加载及匹配网络结构示意图，该天线分三段加载，前两段为RL并联加载，第三段为L加载，其匹配网络相对简单只使用了一个电感及1:4传输线阻抗变压器。图2-1 加载单极子天线结构表1 加载位置及元件值Load1h1=1.3cmL1=0.01R1=N/ALoad2h2=9.1cmL2=0.04R2=1200Load3h3=32cmL3=0.54R3=500图2-2 三段加载单极子模型图2-2是根据原文献建模仿真的，由于实际实验条件设置，地选用1m2的金属板，单极子天线直径为0.6cm，最终的加载位置及元件值如表2所示。表2 实际加载的位置及元件值L

12、oad1h1=1.3cmL1=0.01R1=N/ALoad2h2=9.1cmL2=0.04R2=1000Load3h3=32cmL3=0.54R3=470根据加载分析，实际制作了该天线并进行测量。图2-4为加载匹配前实测天线输入阻抗曲线图，由图可知，为达到阻抗匹配，我们最初制作了一个1:4传输线阻抗变压器。图2-4 加载匹配前输入阻抗 图2-5加载匹配后输入阻抗（1:4）图2-5为接入1:4传输线阻抗变换器后的输入阻抗曲线图，可以看出输入阻抗整体偏低，会造成辐射效率下降，因此我们应设计制作阻抗比小的变压器。图2-6为接入最终设计制作的1:3传输线阻抗变压器后的输入阻抗曲线图，很明显，天线输入阻抗得到了改善。图2-6 加载匹配后输入阻抗（1:3） 图a 阻抗实部 图b 阻抗虚部图2-8 输入阻抗为了更直观地看出加载匹配前后天线的输入阻抗的变换情况，我们分别将其实部和虚部整合在一起，如图2-8所示，很明显，天线的输入得到了改善，输入阻抗曲线在加载匹配后变得平缓。 图2-9 加载匹配后的回波损耗（1:3） 图2-10 实测增益从图2-9中可以看出，改天线在全频段内回波损耗均小于-5dB（换算