短波寬帶有源鞭天線設(shè)計(jì)

李思聰 凌孝明

（1.卡斯科信號(hào)有限公司，上海200136；2.總參信息化部，北京100144）

引 言

天線是與自由空間相耦合的部件，天線的性能與自由空間的工作波長(zhǎng)密切相關(guān).天線的工作頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，天線高度也必須相應(yīng)地增加，天線工作帶寬越寬，體積要求也相應(yīng)地增加［1］.隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)無(wú)線電技術(shù)設(shè)備的小型化要求日益提高.而天線的小型化、寬帶化問題也是無(wú)線通信中重點(diǎn)研究方向之一.

本文設(shè)計(jì)的短波有源寬帶鞭狀全向接收天線，工作帶寬接近30∶1，天線體設(shè)計(jì)采用鞭狀形式.電路設(shè)計(jì)與常規(guī)設(shè)計(jì)有源電路不同，采用寬帶匹配方式，同時(shí)綜合了各種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之間的制約關(guān)系，確定有源放大電路的組成形式.

1 數(shù)據(jù)和分析

接收空間電磁波的天線需要具有一定的幾何電尺寸.凡投射到這個(gè)幾何電尺寸上的電磁波功率全部被天線的負(fù)載所吸收，這一幾何電尺寸被稱為天線的有效幾何電尺寸.根據(jù)天線的有效幾何電尺寸的物理意義可以得到［2-4］

式中：A為天線有效幾何電尺寸；Pmax為天線接收的最大功率；S為功率密度.

1.1 天線桿等效電容

天線桿靜電容為

式中：h為天線高度；d為天線桿平均直徑；k′為天線底部靠近地面時(shí)，取0.43.

若考慮頻率變化對(duì)電小天線作用，其電抗等效為一等效電容，公式為

1.2 鞭天線的有效高度

接收鞭狀電小天線的重要技術(shù)指標(biāo)之一，天線的有效高度［5］（即反映天線轉(zhuǎn)換空間電磁波導(dǎo)能力）.假設(shè)有源鞭狀天線上的電流分布為

式中：Ⅰ0是天線輸入端電流；h為鞭狀天線的高度.依據(jù)有效高度定義，得

當(dāng)h／λ＜0.1時(shí)

式中：k＝2π／λ，λ為波長(zhǎng)，有效高度表征直立天線的輻射強(qiáng)弱，即輻射場(chǎng)強(qiáng)正比于he.

2 有源寬帶鞭天線組成及理論分析

如果天線的輸出能量，不完全來(lái)自輸入能量，天線體也能提供能量，這樣的天線稱為有源天線.即有源器件存在于天線體的結(jié)構(gòu)中；有源器件直接與天線體的輸出端連接；天線體與有源電路共同完成技術(shù)條件功能［6］.其原理框見圖1.

圖1 鞭天線原理方框圖

2.1 有源鞭天線有效高度的變化

當(dāng)鞭狀天線輸出根部加入有源匹配放大電路后，天線的增益由天線體和有源網(wǎng)絡(luò)增益共同組成，此時(shí)，有源天線的方向性總增益G為

在有源鞭狀天線接收效率最大為1時(shí)，天線有效幾何電尺寸和天線增益之間有如下關(guān)系［7-8］

式中：A1為無(wú)源天線的有效幾何電尺寸；A為有源天線的有效幾何電尺寸；G1為無(wú)源天線增益；G2為有源網(wǎng)絡(luò)增益；λ為工作波長(zhǎng).由式（8）可知，有源天線是用有源網(wǎng)絡(luò)的放大增益來(lái)補(bǔ)償無(wú)源天線有效幾何電尺寸A1的減小.引入的有源網(wǎng)絡(luò)可以把無(wú)源天線和具有與其輸出阻抗共軛匹配的放大電路相結(jié)合，無(wú)源天線視作恒壓源，近似與頻率無(wú)關(guān)，從而使有源天線獲得寬頻帶特性［9］.其有源鞭狀天線等效電路圖見圖2.

圖2 有源鞭天線等效電路圖

圖中：Ca為天線桿靜電容；E為天線所在點(diǎn)接收?qǐng)鰪?qiáng)；he為天線體有效高度；AV為放大電路電壓放大倍數(shù)；Cb為有源匹配放大輸入電容；Vi為匹配放大電路輸入電壓；Vo為匹配放大電路輸出電壓.由圖2可得

根據(jù)接收鞭狀天線的有效高度定義加入匹配有源放大電路后天線的有效高度變化為［10］

由公式（9）可得由于匹配放大電壓放大增益的作用，使得鞭狀電小天線的有效高度明顯增加，因此鞭天線體尺寸可降低.

3 匹配網(wǎng)絡(luò)及有源電路設(shè)計(jì)

3.1 匹配網(wǎng)絡(luò)理論計(jì)算

匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用即實(shí)頻法［11］.對(duì)未知的阻抗函數(shù)優(yōu)化其傳輸功率增益，得到相應(yīng)于最優(yōu)傳輸功率增益的相應(yīng)函數(shù)，獲得所需的匹配網(wǎng)絡(luò).用實(shí)頻法優(yōu)化的結(jié)果是：通過共軛匹配二端口網(wǎng)絡(luò)理論反映到傳輸功率增益近似等于最大平坦傳輸功率增益［12-13］.

共軛匹配二端口網(wǎng)絡(luò)理論模型計(jì)算等效電路如圖3所示：圖中內(nèi)阻為Zg，電壓為Eg的信號(hào)源，負(fù)載在右端處的輸入阻抗為Zin.

圖3 共軛匹配二端口網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)共軛匹配的原理，當(dāng)且僅當(dāng)Zin＝Zg時(shí)，信源的能量才能最大程度上的傳輸?shù)截?fù)載Zin.此時(shí)傳輸功率增益函數(shù)（Transducer Power Gain，TPG）近似等于最大平坦傳輸功率增益，相應(yīng)的傳輸增益函數(shù)GTP為

式中S22（jω）為負(fù)載端的歸一化散射系數(shù)

將式（12）代入式（11）中，得到新的GTP表達(dá)式

式中：Rq（ω），Ra（ω）均為阻抗；存在感性與容性的情況，當(dāng)且僅當(dāng)Zq（ω）與Za（ω）達(dá)到共軛匹配時(shí)，即

傳輸功率增益

當(dāng)

時(shí)達(dá)到理論最大值1.以最大值為目標(biāo)設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)，目的與源阻抗Rg所組成的Zq（ω）與天線的實(shí)測(cè)阻抗Za（ω）共軛匹配，設(shè)計(jì)出匹配網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问?

3.2 匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

將天線無(wú)源振子輸出阻抗的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立策動(dòng)函數(shù)，對(duì)TPG循環(huán)優(yōu)化計(jì)算.設(shè)計(jì)的匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问饺鐖D4.

圖4 匹配網(wǎng)絡(luò)電路

3.3 有源放大電路設(shè)計(jì)

有源放大電路設(shè)計(jì)采用輸入低噪聲運(yùn)放變換電路與匹配網(wǎng)絡(luò)輸出直接相連電路［14］組成.其等效電路見圖5.

圖5 等效優(yōu)化天線體等效阻抗變換

則：

如果AV大于1，調(diào)整AV使得Vi＝Vs，輸入信號(hào)傳入放大電路的輸入端；調(diào)整共軛匹配電路參數(shù)使得放大器輸入電阻與天線體阻抗共軛.放大電路采用低噪放大電路與有源阻抗變換輸出電路相結(jié)合.調(diào)整運(yùn)放反饋電容參量，使得輸出阻抗?jié)M足與后端級(jí)聯(lián)寬帶放大器阻抗匹配［15］.

3.4 有源天線匹配網(wǎng)絡(luò)放大電路組成原理

寬頻帶放大電路在輸入阻抗基本恒定的基礎(chǔ)上，通過兩級(jí)放大，一級(jí)跟隨阻抗變換，調(diào)整電路靜態(tài)工作點(diǎn)，反饋電路，確定電路放大增益，動(dòng)態(tài)范圍，靈敏度要求，調(diào)整電路輸出匹配回路，實(shí)現(xiàn)電路總輸出阻抗與接收機(jī)輸入阻抗相匹配［16］.電原理框圖見圖6.

圖6 匹配放大電路電原理圖

由此可得，無(wú)源鞭狀天線與有源匹配放大電路融合為一體的短波寬帶有源鞭狀天線.

4 電氣指標(biāo)及測(cè)試

4.1 天線結(jié)構(gòu)形式

設(shè)計(jì)的天線體采用金屬柱狀變直徑多節(jié)組成鞭狀結(jié)構(gòu)，高度2.7m，有源腔體直徑250mm，高度80mm，地網(wǎng)16根，直徑8m.供電電源采用直流18 V.

4.2 短波寬帶有源鞭狀天線技術(shù)測(cè)試結(jié)果

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜儀、場(chǎng)強(qiáng)儀對(duì)天線技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果在全頻段滿足如表1所示的指標(biāo)范圍：

表1 技術(shù)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 論

綜合理論計(jì)算和測(cè)試結(jié)果，我們所設(shè)計(jì)的短波寬帶有源鞭天線系統(tǒng)能夠能夠滿足30∶1的短波帶寬要求.天線的有效高度在有源放大增益的共同作用有限提升，天線帶寬展寬，傳輸效率增強(qiáng)，靈敏度提高.當(dāng)空間架設(shè)有限，理論計(jì)算不能把天線所處的實(shí)際環(huán)境完全考慮進(jìn)去時(shí)，只要將兩者有機(jī)結(jié)合，就可以設(shè)計(jì)、調(diào)試出高性能的適用與各類通訊要求的短波寬帶有源鞭狀天線.

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