一種效率約束的寬帶天線有耗匹配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計方法

秦浩+張小林+高火濤

摘 要：通過分析串聯(lián)電容或并聯(lián)電感取無窮大值時的物理含義，提出了一種普適的寬帶天線有耗匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了天線輻射效率的表達(dá)式。以輻射效率作為約束，采用遺傳算法對該網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。仿真結(jié)果表明，該方法對寬帶天線匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計具有重要的工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：寬帶天線；有耗匹配網(wǎng)絡(luò)；輻射效率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.139

1 引言

為了盡可能減小天線反射回饋線的能量，使天線與饋線之間更好地匹配，可以在天線和饋線之間插入匹配網(wǎng)絡(luò)。為了不降低天線的輻射效率，匹配網(wǎng)絡(luò)通常由損耗較低的電容、電感和傳輸線變壓器組成。但當(dāng)天線的工作頻帶較寬，而天線本身不具有寬帶特性時，則需要在匹配網(wǎng)絡(luò)中加入有耗元件，在天線匹配和效率之間進(jìn)行折衷。

天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)一般采用實頻法[1，2]或直接優(yōu)化法[3，4]進(jìn)行設(shè)計。前者可以根據(jù)天線的輸入阻抗綜合出梯形網(wǎng)絡(luò)，使得饋線到天線的傳輸功率最大，但其設(shè)計所得的傳輸線變壓器為任意變壓比，并不一定容易實現(xiàn)。后者則是針對預(yù)設(shè)匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用優(yōu)化算法對其元件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對預(yù)設(shè)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)依賴性較強(qiáng)，靈活性差。

本文提出一種普適的寬帶天線匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括有耗和無耗網(wǎng)絡(luò)兩部分，并以匹配網(wǎng)絡(luò)的效率作為約束條件，用于寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計。通過對20～100MHz鞭狀天線的有耗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及電性能仿真，驗證了該方法的有效性，保證天線在寬帶匹配的情況下具有較高的輻射效率。

2 匹配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計方法

2.1 匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

天線的匹配網(wǎng)絡(luò)通常為電容、電感組成的L型、Π型或T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)天線的阻抗值偏離饋線特性阻抗較大時，采用傳輸線變壓器進(jìn)行阻抗變換。對于鞭狀天線等具有諧振特性的天線，在無耗匹配網(wǎng)絡(luò)與饋線之間插入一個Π型電阻網(wǎng)絡(luò)[5]，以犧牲一部分效率的方式實現(xiàn)寬頻帶內(nèi)阻抗匹配。

對網(wǎng)絡(luò)的每個支節(jié)做如下約定[3]：（1）短路不作并聯(lián)支路；（2）開路不作串聯(lián)支路；（3）LC串聯(lián)不作并聯(lián)支路；（4）LC并聯(lián)不作串聯(lián)支路?？紤]到電容和電感的兩種極限取值情況：零和無窮大。電容為零時等效于開路，電感為零時等效于短路，電容為無窮大時等效于短路，電感為無窮大時等效于開路。則圖1所示的匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的無耗部分則包含L型、Π型或T型以及最大4級梯形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).。一般情況下，匹配網(wǎng)絡(luò)的元件數(shù)不期望太多，因此，該匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能滿足大多數(shù)寬帶天線匹配網(wǎng)絡(luò)的要求。

2.2 駐波比和效率

從天線端的方向開始，逐級計算網(wǎng)絡(luò)的阻抗或?qū)Ъ{，如（1）～（7）式所示，，輸入端的反射系數(shù)和電壓駐波比分別如（8）和（9）式所示。

2.3 匹配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計

采用優(yōu)化算法對上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的匹配網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以電壓駐波比作為優(yōu)化目標(biāo)，并保證天線的輻射效率，建立目標(biāo)函數(shù)如下：

“”表示對頻帶內(nèi)計算值的平均值。電容和電感的優(yōu)化取值范圍分為兩類：

串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的取值范圍從0到有限值，當(dāng)其小于一定值是直接賦值為0；

并聯(lián)電感和串聯(lián)電容的取值范圍從0.1到無窮大，當(dāng)其大于一定之后直接賦值為無窮大。

優(yōu)化收斂后即可得到匹配的最終元件參數(shù)。

3 結(jié)果與討論

采用上述匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和優(yōu)化方法設(shè)計地面上方3米高鞭狀天線的匹配網(wǎng)絡(luò)，使其能夠工作在20～100MHz，由FEKO軟件計算其頻帶內(nèi)的輸入阻抗如圖2所示。由圖可知，鞭狀天線在頻帶內(nèi)表現(xiàn)出明顯的諧振特性，天線在25MHz和75MHz附近處于諧振狀態(tài)，為使天線能夠在整個帶寬內(nèi)工作，按照本文中的優(yōu)化算法設(shè)計的匹配網(wǎng)絡(luò)元件值如表1所示，優(yōu)化所得的匹配網(wǎng)絡(luò)為Π型網(wǎng)絡(luò)，傳輸線變壓器變壓比為2：1，優(yōu)化后的電壓駐波比和總輸入功率如圖3所示，可以看出整個5：1帶寬內(nèi)駐波比小于3，最小輻射效率約為35%。

4 結(jié)論

本文提出一種普適性的有耗匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并針對此匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出一種基于效率約束的匹配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計方法。通過對3米高鞭狀天線在20～100MHz的匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，表明了該方法能夠兼顧匹配網(wǎng)絡(luò)的匹配性能和效率，對寬帶天線匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計具有重要的工程應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

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[3]孫保華，周良明，肖輝.天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與計算方法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報，1999，26（06）：793-797.

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作者簡介：秦浩，男，高級工程師，主要研究領(lǐng)域為相控陣天線系統(tǒng)、超寬帶天線及陣列和饋線網(wǎng)絡(luò)等。