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(xiàn)是與自由空間相耦合的部件，天線(xiàn)的性能與自由空間的工作波長(zhǎng)密切相關(guān).天線(xiàn)的工作頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，天線(xiàn)高度也必須相應(yīng)地增加，天線(xiàn)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(xiàn)電技術(shù)設(shè)備的小型化要求日益提高.而天線(xiàn)的小型化、寬帶化問(wèn)題也是無(wú)線(xiàn)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(xiàn)，工作帶寬接近30∶1，天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的負(fù)載所吸收，這一幾何電尺寸被稱(chēng)為天線(xiàn)的有效幾何電尺寸.根據(jù)天線(xiàn)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(xiàn)有效幾何電尺寸；Pmax為天線(xiàn)接收的最大功率；S為功率密度.

1.1 天線(xiàn)桿等效電容

天線(xiàn)桿靜電容為

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

若考慮頻率變化對(duì)電小天線(xiàn)作用，其電抗等效為一等效電容，公式為

1.2 鞭天線(xiàn)的有效高度

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

式中：Ⅰ0是天線(xiàn)輸入端電流；h為鞭狀天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)組成及理論分析

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

圖1 鞭天線(xiàn)原理方框圖

2.1 有源鞭天線(xiàn)有效高度的變化

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

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

式中：A1為無(wú)源天線(xiàn)的有效幾何電尺寸；A為有源天線(xiàn)的有效幾何電尺寸；G1為無(wú)源天線(xiàn)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(xiàn)是用有源網(wǎng)絡(luò)的放大增益來(lái)補(bǔ)償無(wú)源天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)視作恒壓源，近似與頻率無(wú)關(guān)，從而使有源天線(xiàn)獲得寬頻帶特性［9］.其有源鞭狀天線(xiàn)等效電路圖見(jiàn)圖2.

圖2 有源鞭天線(xiàn)等效電路圖

圖中：Ca為天線(xiàn)桿靜電容；E為天線(xiàn)所在點(diǎn)接收?qǐng)鰪?qiáng)；he為天線(xiàn)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(xiàn)的有效高度定義加入匹配有源放大電路后天線(xiàn)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(xiàn)的有效高度明顯增加，因此鞭天線(xiàn)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(guò)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(xiàn)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(xiàn)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(jiàn)圖5.

圖5 等效優(yōu)化天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(guò)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(jiàn)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(xiàn)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(xiàn).

4 電氣指標(biāo)及測(cè)試

4.1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)形式

設(shè)計(jì)的天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果在全頻段滿(mǎn)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(xiàn)系統(tǒng)能夠能夠滿(mǎn)足30∶1的短波帶寬要求.天線(xiàn)的有效高度在有源放大增益的共同作用有限提升，天線(xiàn)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(xiàn)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(lèi)通訊要求的短波寬帶有源鞭狀天線(xiàn).

［1］劉學(xué)觀，郭輝萍.微波技術(shù)與天線(xiàn)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

［2］KRAUS J D，MARHEFKA R J.天線(xiàn)（上）［M］.3版.章文勛，譯.北京：科學(xué)出版社，2004.

［3］林昌祿，聶在平.天線(xiàn)工程手冊(cè)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

［4］周朝棟，王元坤，周良明.線(xiàn)天線(xiàn)理論和工程［M］.西安：電子科技大學(xué)出版社，1988.

［5］SAINATI R A.Active antenna performance limitation［J］.IEEE Trans on Antennas and Propagation，1982，30（6）：1265-1267.

［6］郭澤永.有源天線(xiàn)［M］.北京：人民郵電出版社，1985.

［7］WHEELER H A.Small antennas［J］.IEEE Trans on Antennas Propagat，1975，23（2）：462-469.

［8］李文興.設(shè)計(jì)有源天線(xiàn)的一種新方法［J］.電子學(xué)報(bào)，1993，721（7）：110-113.LI Wenxin.A new method of designing active antenna［J］.Acta Electronica Sinica，1993，721（7）：110-113.（in Chinese）

［9］何 瑤，黎濱洪，劉毅軍.寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的改進(jìn)實(shí)頻法［J］.微波學(xué)報(bào)，2005，21（3）：9-10.HE Yao，LIΒinhong，LIU Yiyun.An improved real frequency methodin designing［J］.Journal of Microwaves，2005，21（3）：9-10.（in Chinese）

［10］陳軼鴻，孫 琰，郭渭盛，等.寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，1996，11（2）：102-109.CHEN Yihong，SUN Yan，GUO Weisheng，et a1.Modern methods for the design of broadband matching networks［J］.Chinese Journal of Radio Science，1996，11（2）：102-109.（in Chinese）

［11］陳惠開(kāi).寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的理論與設(shè)計(jì)［M］.北京：人民郵電出版社，1982.

［12］黃智偉.射頻小信號(hào)放大器電路的設(shè)計(jì)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

［13］劉長(zhǎng)軍，黃卡瑪，閆麗萍.射頻通信電路設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［14］張玉興，敬守釗.射頻模擬電路與系統(tǒng)［M］.西安：電子科技大學(xué)出版社，2008.

［15］高晉占.微弱信號(hào)檢測(cè)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［16］戴逸松.微弱信號(hào)檢測(cè)方法及儀器［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1994.