《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于EDA雙鞭天線及匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

2010-12-26

天線作為通信設(shè)備的前端部件,對通信質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。隨著現(xiàn)代軍事通信系統(tǒng)中跳頻、擴頻等技術(shù)的應(yīng)用,尋求天線的寬頻帶、全向性、小型化、共用化成為天線研究中一個重要課題。單純依靠天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計難以滿足上述要求。人們采用多種措施來改善天線的性能,加載就是適應(yīng)這種小型化天線的典型技術(shù)。使用天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò),則是進(jìn)一步改善天線寬頻帶技術(shù)的一種有效技術(shù)。本文以120~520 MHz工作頻率為例,根據(jù)限定的天線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),選擇合適的加載位置,利用軟件優(yōu)化,得到了合理的加載值和優(yōu)化的匹配網(wǎng)絡(luò)。

1 天線及匹配網(wǎng)絡(luò)模型

天線的模型如圖1所示,加載方式采用無耗并聯(lián)LC電路。匹配網(wǎng)絡(luò)位于天線底部,采用混合型網(wǎng)絡(luò),如圖2所示。

2 天線及匹配網(wǎng)絡(luò)分析

2.1 天線的加載位置

天線為集總加載的雙鞭天線,模型是建立在理想導(dǎo)電地面上。加載的目的就是使天線獲得行波電流,減少反射。此時的加載就是最佳加載。這里討論的是無耗加載,電抗加載最佳加載位置與電抗的關(guān)系式為:

2.2 匹配網(wǎng)絡(luò)分析

天線的輸入阻抗zin可由電流分布得到,從饋線端看過去,整個系統(tǒng)的輸入阻抗為:

3 EDA軟件優(yōu)化設(shè)計

天線相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計采用CST軟件。根據(jù)實際要求,我們的優(yōu)化參量包括加載位置h,天線間距d。由優(yōu)化得到的數(shù)據(jù),設(shè)計天線實際模型。測試得到阻抗數(shù)據(jù)導(dǎo)入ADS軟件中,作為匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化的依據(jù)。匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)不作為優(yōu)化變量。優(yōu)化參數(shù)包括匹配網(wǎng)絡(luò)元器件值。

4計算結(jié)果與分析

考慮到實際要求的天線頻帶寬,從幾十MHz到幾百MHz,因此天線的結(jié)構(gòu)尺寸為:h1=150 cm,h2=30 cm,r=1 cm,經(jīng)過軟件優(yōu)化的天線加載位置為:h3=24.5 cm,天線間距d=58.9 cm。按照此數(shù)據(jù)制作實物模型,將測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入ADS軟件中,優(yōu)化得到的元器件值如表1所示。

根據(jù)優(yōu)化的數(shù)據(jù),在未接入匹配網(wǎng)絡(luò)的情況下,得到的駐波比如圖3所示。通過圖形發(fā)現(xiàn),大部分駐波比都在2以上,因此,必須通過接入匹配網(wǎng)絡(luò)來改善。

圖4是接入匹配網(wǎng)絡(luò)后的駐波比。從圖4中可得知,駐波比已經(jīng)很好地控制在2以下。

圖5為匹配網(wǎng)絡(luò)效率與工作頻率的關(guān)系。

從上述系列圖中可以看出,匹配網(wǎng)絡(luò)的加入,使得天線在120~520 MHz內(nèi)具有良好的寬帶性能,端口駐波比均在2.0以下,同時也由于匹配網(wǎng)絡(luò)的引入,特別是電阻R1的加入,使得天線的增益受到影響。但通過EDA軟件的優(yōu)化,在保持帶寬的同時,盡量提高匹配網(wǎng)絡(luò)的工作效率,使得在這一頻帶內(nèi),匹配網(wǎng)絡(luò)的工作效率基本都達(dá)到了70%以上。

5 結(jié)語

在此介紹了一種短波超寬帶雙鞭天線,為了在頻帶內(nèi)得到較好的駐波比和增益,設(shè)計了合理的匹配網(wǎng)絡(luò)。利用EDA仿真軟件優(yōu)化工具,優(yōu)化了天線加載位置,匹配網(wǎng)絡(luò)元器件值等參量,得到了較好的結(jié)果。

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