加载宽带天线分析_技术

加载宽带天线分析

本文采用混合法分析了位于有限大地面上的加载天线，并计算其相关特性.结果表明，该类天线可得到良好的宽带特性.
　　关键词:加载天线　有限大地面　宽带特性

Analysis of Broadband Loaded Antenna

GAO Fei,CHEN Yi-lin,LIU Qi-zhong
(InsTItute of Antenna,Xidian University,Xi'an 710071,China)

　　Abstract:A loaded antenna on finite ground is analyzed by using hybrid method.The characterisTIcs are calculated.The results demonstrate that this kind of loaded antenna can achieve good broadband characterisTIcs.
　　Key words:loaded antenna;finite ground;broadband characterisTIcs

一、引　　言
　　在现代通信中，为了实现保密通信、抗干扰，多频段、多功能电台，宽带跳频电台将广泛作用.由于跳频速率越来越高，跳频范围也越来越宽，所以原有的窄带天线已不再能满足要求，急需开发非调谐的宽带天线.在移动(例如舰艇、飞行器等)通信中，广泛使用的是直立鞭形天线.为了展宽天线的带宽，人们采用很多方法，加载就是其中之一.Altshuler根据传输线理论于1961年提出一种天线［1］，就是把偶极子天线近似看作开路传输线，在距离开路线末端1/4波长处串联一个等于开路线特性阻抗的电阻，可使天线工作于行波状态，从而使偶极子天线在较宽的频带内匹配良好.Popovic作了大量的理论和实践工作［2］.单从他们的研究成果看，单纯通过加载难以在很宽的频带(如30～450MHz)内匹配良好［6］，所以需要考虑加入宽带匹配网络，也就是通过在天线上加载，改变天线上的电流分布，使输入阻抗的变化符合某种规律，再加上宽带匹配网络以实现宽带匹配.而在移动通信中，天线总是放在移动载体上，且载体并非无限大接地平面.为了考虑周围环境对天线性能的影响，采用矩量法并结合几何绕射理论来分析这类天线的特性.

二、加载天线计算
　　首先由反应积分公式推导出算子方程，计算自由空间及无限大接地平面上天线的阻抗元素.天线位于有限大接地平面上时，应用几何绕射理论(GTD)考虑绕射场的影响，求出天线上的电流分布，最后计算天线的电参数.计算公式见文献［3］.
　　根据上述计算公式，可编制通过计算程序，以计算直立加载天线，位于无限大接地平面上、有限大接地平面上时，天线的电流分布和输入阻抗.
　　1.计算值与文献值比较
　　图1为无载和加载时，天线输入导纳随电尺寸的变化曲线，从中可看出：理论计算曲线与文献［5］值吻合良好，说明本文的计算公式及程序是可靠的.

图1　计算值与文献［5］值的比较

　　2.天线加载与天线时特性对比
　　配网络以实现宽带匹配．而在移动通信中,天线总是放在移动载体上,且载体并非无限大接地平面.为了考虑周围环境对天线性能的影响,采用矩量法并结合几何绕射理论来分析这类天线的特性.

二　加载天线计算
　　首先由反应积分公式推导出算子方程,计算自由空间及无限大接地平面上天线的阻抗元素.天线位于有限大地平面上时,应用几何绕射理论(GTD)考虑绕射场的影响,求出天线上的电流分布,最后计算天线的电参数.计算公式见文献[3].
　　根据上述计算公式,可编制通过计算程序,以计算直立加载天线,位于无限大接地平面上、有限大接地平面上时,天线的电流分布和输入阻抗.
　　显然加载天线的阻抗随频率的变化要缓慢的多.经过一个合理的宽带匹配网络便可实现较宽频带上的较小驻波比.本文计算驻波比与用矢量网络分析仪实测的驻波比如图4所示.

图2　实验模型结构

图3　无载及加载天线输入阻抗比较

图4　电压驻波比

由该图可看出，理论计算与测量结果除200MHz附近外吻合较好，也更进一步表明程序是可靠的.计算及测试表明，该加载天线配以宽带匹配网络可以实现高达15个倍频(30～450MHz)的宽带特性.
　　3.误差分析
　　上面的理论分析结果与测量结果有些差别，主要原因是元件值的偏差.在理论计算中，可取加载元件为任意有实际意义的值，不过在实验中，加载元件值难免会出现偏差，例如，L、C值随频率变化等.那么，它对测量结果有多大呢?图5示出加载元件值偏离标准知识的电压驻波比曲线(以电容值的变化为例).