??? 摘 要： 針對(duì)發(fā)射天線" title="發(fā)射天線">發(fā)射天線帶寬受限的問(wèn)題，提出了一種新型的擴(kuò)頻方法——雙補(bǔ)償技術(shù)" title="雙補(bǔ)償技術(shù)">雙補(bǔ)償技術(shù)。該方法將補(bǔ)償位置轉(zhuǎn)移到了天線的饋線" title="饋線">饋線系統(tǒng)內(nèi)，不需要對(duì)單元天線做特別復(fù)雜的改進(jìn)。利用雙補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)了復(fù)式正交環(huán)天線。
??? 關(guān)鍵詞： 雙補(bǔ)償技術(shù) 擴(kuò)頻技術(shù) 發(fā)射天線
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??? 目前電視發(fā)射天線主要采用十字天線或蝙蝠翼天線或者是其陣列形式。由于發(fā)射天線的電參數(shù)要求很高，現(xiàn)行電視發(fā)射天線單天線大多只能滿足一個(gè)電視頻道的帶寬。因此，不同的頻道就要用到不同參數(shù)的天線。要將相鄰頻道的信號(hào)用同一天線發(fā)射，首先就要展寬天線的帶寬。基于這種考慮，在不改變目前常用電視發(fā)射天線形式的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新型的陣列天線饋電形式——雙補(bǔ)償技術(shù)。理論和實(shí)際測(cè)量結(jié)果均顯示雙補(bǔ)償技術(shù)可以大幅度地?cái)U(kuò)展天線帶寬，應(yīng)用雙補(bǔ)償技術(shù)的復(fù)式正交環(huán)天線的相對(duì)帶寬擴(kuò)展到了25%以上。
1 雙補(bǔ)償技術(shù)
??? 對(duì)于單元天線，其輸入阻抗是可以準(zhǔn)確測(cè)量的。理論上講相同天線具有相同的輸入阻抗。在連接天線的無(wú)耗傳輸線末端，其輸入阻抗隨傳輸線長(zhǎng)度不同而變化。在史密斯原圖上表現(xiàn)為等駐波圓上的周期性變化。
對(duì)于兩個(gè)相同的單元天線，其中一個(gè)天線饋線長(zhǎng)度為l，另一單元天線長(zhǎng)度為l+λ0/4(λ0為中心頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng))，通過(guò)調(diào)整使得從兩個(gè)天線饋線末端(接近主饋線的位置)看進(jìn)去的歸一化輸入阻抗對(duì)應(yīng)于史密斯圓圖上的A、B兩點(diǎn)：A、B兩點(diǎn)在等駐波圓與實(shí)阻抗線垂直線的交點(diǎn)上（如圖1所示）。
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??? 假設(shè)A點(diǎn)的阻抗為R+jX，則B點(diǎn)的阻抗為R-jX。將這兩條傳輸線并聯(lián)，組成二元天線陣" title="天線陣">天線陣，從饋線連接處看進(jìn)去二元天線陣的輸入阻抗為純電阻：
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??? 在中心頻率上，兩條饋線功率平均分配，而回波大小相同、相位相差π，正好反相相抵消，這樣可實(shí)現(xiàn)一次補(bǔ)償。然后，將另外兩個(gè)相同的單元天線按照上述原理組成另外一個(gè)二元陣，饋線長(zhǎng)度分別為l+λ0/4和l+λ0/2，其輸入阻抗仍舊為Z0。最后，將兩個(gè)二元陣并聯(lián)，兩個(gè)二元陣功率平均分配，回波大小相同、相位相差π，可實(shí)現(xiàn)反相相抵消，這樣實(shí)現(xiàn)了第二次補(bǔ)償。將上述饋線連接方法稱(chēng)為天線的雙補(bǔ)償技術(shù)。
2 數(shù)值模擬與分析
??? 為了驗(yàn)證上述思想，下面用FDTD方法對(duì)如圖2所示的饋線網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。其中(a)是雙補(bǔ)償匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，端口1是饋電端口，通過(guò)λ0/4同軸線在盒式接頭處與其他4個(gè)支路的同軸傳輸線末端相連。端口2、3為一組，傳輸線長(zhǎng)度分別為l與l+λ0/4，在相交點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)第一次補(bǔ)償。端口4、5為一組，傳輸線分別為l+λ0/4與l+λ0/2，同樣是在相交點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)第一次補(bǔ)償。這兩組在其相交點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)了第二次補(bǔ)償。此次模擬所用的傳輸線均是特性阻抗為75Ω的同軸線。饋電端口為50Ω(寬頻)的端口，其他端口為50Ω贅的寬帶匹配負(fù)載。（b）所示為常規(guī)匹配形式示意圖：端口1（饋電端口）λ0/2通過(guò)傳輸線（特性阻抗75Ω的同軸線）與端口2（50Ω的寬頻匹配負(fù)載）相連。仿真結(jié)果如圖3所示。
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圖3中，VSWR1為雙補(bǔ)償饋電網(wǎng)絡(luò)駐波圖，VSWR2為常規(guī)饋電形式駐波圖。由圖可以看出，駐波系數(shù)以1.1為上限，雙補(bǔ)償饋電網(wǎng)絡(luò)的阻抗帶寬為30MHz，而常規(guī)饋電形式則只有10MHz。雙補(bǔ)償技術(shù)使天線的帶寬大幅度拓展。雙補(bǔ)償饋電網(wǎng)絡(luò)使得天線的駐波波谷點(diǎn)向低頻移動(dòng)，是由盒式接頭的應(yīng)用引起的。同時(shí)可以看到，在整個(gè)模擬頻帶內(nèi)的駐波都有不同程度的改善。
3 應(yīng)用雙補(bǔ)償技術(shù)的復(fù)式正交環(huán)天線
為了驗(yàn)證雙補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用于天線配線時(shí)的效果，筆者設(shè)計(jì)了V波段電視發(fā)射天線——復(fù)式正交環(huán)天線，如圖4所示。整個(gè)天線由一空心支柱支撐，單元天線1、2為一組正交環(huán)天線二元陣；單元天線3、4為一組正交環(huán)天線二元陣。兩組二元陣通過(guò)雙補(bǔ)償饋電網(wǎng)絡(luò)與饋電端口相連。圖5為復(fù)式正交環(huán)天線的實(shí)測(cè)駐波系數(shù)圖。由圖可知，此天線陣的中心頻率為210MHz，帶寬大于50MHz，相對(duì)帶寬超過(guò)25％；而在V波段單圓環(huán)天線的相對(duì)帶寬一般只有5％～10％。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，本文設(shè)計(jì)所用的單環(huán)天線常規(guī)饋電形式下的相對(duì)帶寬僅為5％。由此可見(jiàn)，應(yīng)用雙補(bǔ)償技術(shù)可大幅提高天線的帶寬。
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圖6所示為復(fù)式正交環(huán)天線垂直方向圖" title="方向圖">方向圖(E面)與水平方向圖(H面)。(a)為230MHz頻率點(diǎn)上的方向圖; (b)為210MHz頻率點(diǎn)上的方向圖; (c)為190MHz頻率點(diǎn)上的方向圖。由圖6可見(jiàn)，垂直方向圖與水平方向圖在整個(gè)頻段內(nèi)表現(xiàn)出較好的一致性。
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?? ?本文提出了一種新型饋電的方法——雙補(bǔ)償技術(shù)，主要是在饋電匹配網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)兩次回波相消從而實(shí)現(xiàn)饋電端口上良好的寬頻帶匹配饋電。雙補(bǔ)償饋電方式使得單元天線的輻射特性得到充分利用，并且使天線陣在較寬的應(yīng)用頻帶內(nèi)的各種電參數(shù)具有較好的一致性。此項(xiàng)技術(shù)在更高頻段上的應(yīng)用正在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中。
復(fù)式正交環(huán)天線發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果非常好，已經(jīng)用于電視臺(tái)。
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