——关于天线自适应阻抗匹配系统设计与实现

硕 士 学 位 论 文论 文 题 目 天 线 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 设 计 与 实 现研究生姓名 田 龙指 导 教 师 姓 名专 业 名 称研 究 方 向论 文 提 交 日 期郭 辉 萍通 信 与 信 息 系 统射 频 与 无 线 通 信2013 年 4 月天 线 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 设 计 与 实 现 中 文 摘 要天 线 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 设 计 与 实 现中 文 摘 要微 波 阻 抗 匹 配 是 指 微 波 信 号 传 输 过 程 中 ， 在 系 统 的 终 端 或 不 同 特 性 阻 抗 传 输 线 的连 接 处 不 产 生 反 射 ； 它 关 系 到 系 统 的 传 输 效 率 、 功 率 容 量 与 工 作 稳 定 性 ， 关 系 到 微 波测 量 的 系 统 误 差 和 测 量 精 器 度 件 的 以 及 微 波 元 质 量 等 一 系 列 问 题 。 因 此 ， 匹 配 问 题 在微 波 技 术 中 具 有 极 其 重 要 的 意 义 ， 是 微 波 系 统 中 一 个 重 要 的 环 节 。 普 通 的 微 波 匹 配 技术 是 在 天 线 和 馈 源 之 间 加 阻 抗 匹 配 电 路 ， 一 旦 设 计 完 成 ， 电 路 的 各 项 参 数 也 随 之 而 确定 因 此 很 难 实 现 动 态 负 载 的 调 整 ， 即 对 周 围 环 境 的 影 响 无 能 为 力 。 这 便 造 成 了 很 多 设计 完 美 的 天 线 在 实 际 应 用 中 出 现 各 种 不 理 想 状 态 的 情 况 。 本 文 研 究 设 计 了 一 个 能 实 时调 整 动 态 负 载 匹 配 的 自 动 阻 抗 匹 配 系 统 。 该 系 统 由 RF 模 块 、 匹 配 网 络 、 失 配 侦 测 器 、控 制 模 块 和 天 线 五 个 部 分 组 成 。本 文 所 设 计 系 统 中 心 频 率 为 433MHz， 论 文 采 用 定 向 耦 合 器 和 射 频 功 率 侦 测 芯 片组 成 失 配 侦 测 模 块 ， 实 时 感 知 天 线 阻 抗 的 失 配 程 度 ， 当 周 围 环 境 发 生 变 化 导 致 天 线 与馈 源 之 间 发 生 失 配 时 ， 系 统 控 制 单 元 将 自 动 调 节 由 变 容 二 极 管 组 成 的 匹 配 网 络 对 失 配进 行 补 偿 。 对 设 计 的 系 统 进 行 测 试 表 明 ： 在 发 射 机 以 0dBm 功 率 发 射 时 ， 当 目 标 天 线驻 波 比 在 23 变 化 时 ， 系 统 能 在 3s 内 完 成 对 天 线 的 驻 波 比 调 整 到 1.6 以 下 ， 实 现 了设 计 的 预 期 效 果 。关 键 词 ： 阻 抗 匹 配 ， 定 向 耦 合 器 ， 失 配 侦 测 模 块 ， 集 成 化作 者 ： 田 龙指 导 教 师 ： 郭 辉 萍IAbstract Design and Realization of Adaptive Impedance Matching SystemDesign and Realization of Adaptive Impedance MatchingSystemAbstractMicrowave impedance matching means no reflection at the junction of transmissionline with different impedance. It determines the transmission efficiency, power capacityand working stability of system. Besides, Impedance matching can also affect systemaccuracy of test and the quality of microwave components.In a word, impedance matching plays an crucial role in microwave system. The mostpopular mothed to implement impedance matching is adding matching network betweenload and source. For this mothed, there is at least one disadvantages ie it is hard to changeafter integrated on PCB. While the environment around the antenna may deeply infect itsimpedance, under this conditions traditional matching network can do nothing to help.In this paper, a system that can adjust antenna impedance real time is proposed.Mismatching detector module, matching network, control unit and RF transmit modulebuild up the system. As an important part, Mismatching detector consist of directionalcoupler and RF power detector.At 433MHz, once mismatching state detected by mismatching module, control unitwill add suitable voltage to varactor, and the capacitance of varactor will be changed due toits bias voltage. Test results show that when input power is 0dBm, this system can adjustVSWR from maximum 3 to 1.5, it matches well with design goals.Key words： Impedance matching, Directional Coupler, Mismatching Detector ，IntegrationWritten by Tian LongSupervised by Guo HuipingII目 录第 一 章 绪 论 . 11.1 自 动 阻 抗 匹 配 系 统 的 研 究 背 景 和 意 义 11.2 自 动 阻 抗 匹 配 系 统 的 应 用 研 究 现 状 21.3 本 论 文 的 主 要 研 究 内 容 和 贡 献 . 21.4 本 论 文 的 章 节 安 排 . 3第 二 章 阻 抗 匹 配 介 绍 . 42.1 基 本 理 论 42.1.1 三 种 匹 配 状 态 42.1.2 阻 抗 不 匹 配 的 缺 点 62.2 阻 抗 匹 配 方 法 62.2.1 集 总 元 件 匹 配 网 络 62.2.2 分 布 式 元 件 匹 配 网 络 .102.3 匹 配 电 路 的 选 型 132.4 本 章 小 结 .13第 三 章 天 线 设 计 与 分 析 143.1 天 线 基 础 知 识 简 介 143.1.1 天 线 基 本 电 参 数 .143.1.2 单 极 子 天 线 简 介 .163.2 天 线 结 构 设 计 .173.2.1 基 本 结 构 173.2.2 设 计 原 理 及 应 用 优 势 .173.3 仿 真 分 析 .183.3.1 模 型 建 立 183.3.2 结 构 及 参 数 设 计 .193.4 实 物 制 作 和 测 试 223.4.1 实 物 制 作 223.4.2 测 试 结 果 及 其 与 仿 真 对 比 233.5 本 章 小 结 .24第 四 章 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 的 设 计 .254.1 系 统 构 成 和 工 作 原 理 254.1.1 系 统 预 期 实 现 目 标 .254.1.2 系 统 总 体 架 构 .254.1.3 系 统 工 作 流 程 和 原 理 .254.2 主 控 芯 片 选 择 .264.2.1 主 控 芯 片 功 能 要 求 .264.2.2 主 控 芯 片 选 择 .264.3 无 线 射 频 收 发 模 块 274.3.1 射 频 芯 片 介 绍 .274.3.2 模 块 电 路 设 计 .274.3.3 RF 模 块 软 件 设 计 284.3 失 配 侦 测 模 块 设 计 294.3.1 定 向 耦 合 器 设 计 .304.3.2 功 率 探 测 器 .334.4 匹 配 网 络 .354.3.1 二 极 管 简 介 .354.3.2 电 路 选 型 364.3.3 仿 真 分 析 364.4 自 动 控 制 模 块 .394.4.1 硬 件 电 路 设 计 .394.4.2 控 制 软 件 开 发 .40第 五 章 系 统 整 体 运 行 效 果 检 测 .425.1 整 体 运 行 .425.2 运 行 效 果 验 证 .425.2.1 验 证 方 法 425.2.2 系 统 运 行 测 试 .435.2.3 结 论 435.3 运 行 效 果 分 析 .445.3.1 调 节 范 围 分 析 .445.3.2 调 节 时 间 分 析 .465.4 本 章 小 结 .47第 六 章 总 结 与 展 望 486.1 本 文 总 结 .486.2 存 在 缺 陷 .486.3 进 一 步 研 究 思 路 48参 考 文 献 .50攻 读 硕 士 期 间 本 人 出 版 或 公 开 发 表 的 论 著 、 论 文 54附致录 .55谢 .62天 线 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 的 设 计 与 实 现 第 一 章 绪 论第 一 章 绪 论本 章 首 先 介 绍 了 研 究 自 动 阻 抗 匹 配 系 统 的 意 义 以 及 目 前 国 内 国 外 对 于 阻 抗 自 动匹 配 的 研 究 和 应 用 现 状 。 而 后 ， 从 目 前 各 种 自 动 阻 抗 匹 配 的 优 缺 点 出 发 ， 提 出 了 一 种新 型 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 的 设 计 方 法 。 最 后 阐 述 了 本 文 的 结 构 安 排 和 对 后 续 研 究 者 所能 提 供 的 启 发 和 帮 助 。1.1 自 动 阻 抗 匹 配 系 统 的 研 究 背 景 和 意 义阻 抗 匹 配 (Impedance Matching)是 微 波 系 统 中 极 其 重 要 的 技 术 问 题 之 一 。 传 输 线理 论 中 ， 对 阻 抗 匹 配 的 概 念 常 做 以 下 两 种 介 绍 ， 其 一 是 指 信 号 源 的 内 阻 与 其 后 的 传 输线 的 特 性 阻 抗 相 等 或 传 输 线 上 任 一 截 面 的 输 入 阻 抗 Z1 与 信 号 源 在 此 截 面 上 的 等 效 内阻 Z g 互 成 共 轭 值 ， 即 Z g Zl* ， 这 时 传 输 线 从 电 源 获 的 功 率 最 大 ； 其 二 是 指 传 输 线 后所 接 负 载 阻 抗 与 传 输 线 本 身 的 特 性 阻 抗 相 等 ， 这 样 在 传 输 线 与 负 载 连 接 点 上 电 磁 波 将不 产 生 反 射 ， 传 输 线 上 就 只 有 行 波 ， 传 输 功 率 将 毫 无 反 射 损 失 的 被 负 载 吸 收 ， 负 载 从信 号 源 获 得 最 大 的 有 效 功 率 1。众 所 周 知 ， 天 线 在 发 射 或 接 收 信 号 时 很 容 易 受 到 周 围 物 体 和 环 境 的 影 响 。 以 手 机系 统 为 例 ， 我 们 使 用 的 移 动 终 端 即 手 机 的 天 线 是 集 成 在 手 机 外 壳 的 边 上 ， 或 者 顶 部 ，当 用 手 以 不 同 的 姿 势 握 手 机 打 电 话 时 接 收 到 的 信 号 强 度 是 不 一 样 的 。 而 在 阴 雨 天 或 者大 风 天 我 们 经 常 遇 到 手 机 信 号 弱 的 情 况 ， 同 样 的 作 为 基 站 天 线 在 恶 劣 环 境 下 其 辐 射 性能 也 会 受 到 影 响 。 诸 如 此 类 都 是 天 线 收 到 环 境 影 响 导 致 驻 波 比 恶 化 阻 抗 不 匹 配 的 表现 。 阻 抗 不 匹 配 将 直 接 导 致 源 端 的 大 部 分 能 量 被 终 端 所 反 射 ， 使 得 真 正 有 效 的 功 率 大大 减 小 ， 有 时 甚 至 由 于 反 射 功 率 与 入 射 功 率 的 叠 加 而 烧 毁 微 波 电 路 ， 造 成 巨 大 的 损 失 。所 以 微 波 阻 抗 匹 配 一 直 是 微 波 领 域 最 受 重 视 的 研 究 之 一 ， 很 多 学 者 都 致 力 于 此 项 工 作的 研 究 学 习 。传 统 微 波 阻 抗 匹 配 技 术 大 致 分 为 集 总 参 数 电 路 匹 配 和 分 布 式 电 路 匹 配 2， 顾 名 思义 ， 他 们 分 别 是 采 用 集 总 元 件 搭 建 匹 配 电 路 和 采 用 微 带 枝 节 的 方 法 实 现 某 个 频 点 的 阻抗 匹 配 。 集 总 元 件 电 路 体 积 小 易 集 成 但 对 信 号 的 损 耗 较 大 ； 微 带 枝 节 则 正 相 反 3。 但是 上 述 两 种 方 法 都 很 难 对 动 态 负 载 做 到 实 时 、 快 速 并 且 稳 定 的 匹 配 ， 如 此 便 限 制 了 微1第 一 章 绪 论 天 线 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 的 设 计 与 实 现波 系 统 在 很 多 复 杂 多 变 环 境 中 的 应 用 。 当 前 ， 微 波 系 统 动 态 阻 抗 的 实 时 快 速 匹 配 方 法 ，已 经 成 为 了 研 究 热 点 ， 各 大 公 司 和 研 究 机 构 都 试 图 在 寻 找 一 种 简 单 方 便 、 快 速 稳 定 的自 动 阻 抗 匹 配 方 法 。 如 果 这 样 的 自 动 阻 抗 匹 配 系 统 研 制 成 功 将 大 大 的 促 进 微 波 系 统 在很 多 领 域 的 应 用 。1.2 自 动 阻 抗 匹 配 系 统 的 应 用 研 究 现 状在 国 际 上 对 自 动 阻 抗 匹 配 器 的 研 究 已 经 起 步 ， 两 家 美 国 的 公 司 ASTEX INC 和NKS 已 经 研 制 出 了 这 样 的 自 动 调 配 系 统 ， 它 们 都 能 在 最 长 5 秒 钟 的 时 间 内 实 现 对 动态 负 载 的 阻 抗 匹 配 4。 国 内 也 有 诸 多 学 者 在 研 究 这 样 的 微 波 阻 抗 匹 配 系 统 ， 西 安 电 子科 技 大 学 的 一 篇 硕 士 论 文 5作 者 提 出 了 一 种 在 波 导 中 插 入 销 钉 的 方 法 来 实 现 阻 抗 的自 动 匹 配 ， 并 通 过 相 关 的 机 械 装 置 和 控 制 系 统 自 动 的 调 节 销 钉 插 入 波 导 的 深 度 ， 但 是这 样 的 系 统 目 前 都 只 集 中 于 军 方 应 用 ， 他 们 面 向 的 市 场 是 大 功 率 的 微 波 武 器 。 目 前 民用 市 场 上 这 样 的 系 统 还 处 于 研 究 阶 段 ， 尚 未 普 及 应 用 。许 多 国 外 学 者 对 开 拓 民 用 市 场 投 入 了 大 量 的 研 究 ， 比 如 文 献 6 中 作 者 使 用RF-MEMS 控 制 一 系 列 并 联 电 容 与 匹 配 电 路 的 通 断 实 现 阻 抗 调 节 ， 根 据 天 线 的 不 匹 配程 度 决 定 接 入 电 路 的 电 容 的 组 合 值 ， 这 样 的 方 法 虽 可 有 效 的 调 节 阻 抗 匹 配 ， 但 其 调 节的 电 容 是 阶 梯 型 的 增 加 或 减 少 ， 最 小 的 步 距 也 只 能 达 到 1pF， 不 能 满 足 阻 抗 的 动 态 变化 的 连 续 性 ； 文 献 7中 提 到 采 用 变 容 二 极 管 组 成 匹 配 电 路 的 方 法 实 现 天 线 阻 抗 的 匹配 ， 但 是 对 如 何 获 取 天 线 的 失 配 状 态 却 没 有 涉 及 ； 文 献 8中 作 者 设 计 集 成 电 路 实 现天 线 阻 抗 的 动 态 调 节 ， 但 这 样 的 成 本 却 是 普 通 民 用 难 以 承 受 的 。 目 前 国 内 这 样 的 研 究还 处 于 起 步 阶 段 ， 很 少 有 学 者 投 入 大 量 的 精 力 研 究 。1.3 本 论 文 的 主 要 研 究 内 容 和 贡 献本 论 文 主 要 研 究 能 够 对 普 通 工 程 应 用 天 线 实 现 动 态 负 载 的 实 时 匹 配 ， 抵 消 由 于 周围 环 境 带 来 的 不 利 影 响 。在 本 论 文 中 完 成 的 工 作 有 以 下 几 点 ：1、 面 向 国 际 无 线 网 络 标 准 802.11 b/g 设 计 了 一 款 结 构 简 单 性 能 良 好 成 本 低 廉 的天 线 ；2、 提 出 了 一 种 实 时 侦 测 天 线 阻 抗 失 配 程 度 的 方 法 ；3、 设 计 了 一 套 实 时 阻 抗 匹 配 系 统 ， 并 对 其 匹 配 效 果 进 行 了 测 试 。2天 线 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 的 设 计 与 实 现 第 一 章 绪 论1.4 本 论 文 的 章 节 安 排本 论 文 的 章 节 安 排 如 下 ：第 一 章 介 绍 了 天 线 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 的 研 究 背 景 和 意 义 。第 二 章 阐 述 了 微 波 阻 抗 匹 配 中 的 一 些 基 本 理 论 ， 对 能 够 实 现 微 波 阻 抗 匹 配 的 各种 匹 配 方 法 的 特 征 做 了 简 单 的 介 绍 ， 最 后 详 细 介 绍 了 本 文 中 使 用 的 变 容 二 极 管 匹 配 电路 法 。第 三 章 简 要 介 绍 了 天 线 的 基 本 理 论 在 此 理 论 指 导 下 设 计 了 一 款 工 作 在 2.45GHz的 印 刷 天 线 ， 并 对 天 线 的 各 项 参 数 进 行 了 较 为 全 面 的 测 试 。第 四 章 详 细 的 介 绍 了 本 文 提 出 的 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 的 工 作 原 理 和 组 成 部 分 以及 各 部 分 的 设 计 方 法 。第 五 章 对 整 个 系 统 的 完 整 工 作 进 行 实 际 的 验 证 。第 六 章 总 结 全 文 ， 整 理 处 本 文 系 统 存 在 的 一 些 缺 陷 进 而 提 出 了 一 些 今 后 工 作 的方 向 。3第 二 章 阻 抗 匹 配 介 绍 天 线 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 的 设 计 与 实 现第 二 章 阻 抗 匹 配 介 绍2.1 基 本 理 论2.1.1 三 种 匹 配 状 态1、 负 载 阻 抗 匹 配负 载 阻 抗 匹 配 顾 名 思 义 是 在 负 载 与 传 输 线 之 间 实 现 阻 抗 匹 配 ， 此 时 电 磁 波 传 播 到负 载 连 接 处 时 不 发 生 反 射 9。 此 种 情 形 下 信 源 发 射 的 电 磁 波 功 率 将 被 匹 配 负 载 完 全 吸收 ， 传 输 线 上 将 只 有 由 源 到 负 载 的 行 波 ； 负 载 阻 抗 与 传 输 线 阻 抗 失 配 时 部 分 电 磁 波 将被 反 射 经 由 传 输 线 回 到 源 端 ， 因 此 此 时 传 输 线 上 将 有 驻 波 出 现10。 失 配 程 度 的 大 小 决定 了 反 射 波 的 强 弱 ， 在 形 成 驻 波 的 波 腹 处 电 场 强 度 将 远 大 于 行 波 场 强 ， 达 到 一 定 程 度时 将 发 生 击 穿 现 象 。 击 穿 现 象 直 接 性 的 限 制 了 传 输 线 承 载 电 磁 波 功 率 的 能 力 。2、 源 阻 抗 匹 配源 阻 抗 匹 配 是 指 信 号 源 与 其 后 所 接 传 输 线 之 间 的 阻 抗 匹 配 状 态 ， 更 多 的 时 候 我 们用 此 状 态 来 衡 量 信 号 源 的 性 能 即 匹 配 电 源 。 匹 配 电 源 具 有 输 出 功 率 不 随 负 载 变 化 的 稳定 特 性 。3、 共 轭 阻 抗 匹 配设 信 源 电 压 为 Eg， 信 源 内 阻 抗 为 Zg终 端 负 载 为 Zl ， 如 图 2-1 所 示 ， Rg jX g ， 传 输 线 的 特 性 阻 抗 为 Z0， 总 长 为 l，(a)41 Eg Eg 1 Eg Rin 抗 的 共 轭 值 时 ， 即 当 Zin Zg 时 ， 负 载 能 得 到 最 大 功 率 值 11。 通 常 将 这 种 匹 配 成 为天 线 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 的 设 计 与 实 现 第 二 章 阻 抗 匹 配 介 绍(b)图 2-1 共 轭 匹 配则 始 端 输 入 阻 抗 Zin 为Zin Z0 Zl jZ0 tan lZ0 jZl tan l Rin jXin (2-1)由 图 2-1(b)可 知 ， 负 载 得 到 的 功 率 为P 2*Rin 2 Z g Zin Z g Zin* 2 Rin Rg 2 X g X in 2 (2-2)要 使 负 载 得 到 的 功 率 最 大 ， 首 先 要 求Xin X g则 传 输 到 负 载 的 功 率 为21 Eg RinP 22 Rg Rin(2-3)(2-4)可 见 ， 当 dPdRin 0 时 ， P 能 取 到 最 大 值 ， 此 时 应 有Rg Rin (2-5)综 合 式 (2-3)和 (2-5)可 得Zin Zg* (2-6)因 此 ， 对 于 不 匹 配 电 源 ， 当 负 载 阻 抗 折 合 到 电 源 参 考 面 上 的 输 入 阻 抗 为 电 源 内 阻*共 轭 匹 配 。 此 时 ， 负 载 得 到 的 最 大 功 率 为Pmax 12 Eg 2 14Rg(2-7)5第 二 章 阻 抗 匹 配 介 绍 天 线 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 的 设 计 与 实 现2.1.2 阻 抗 不 匹 配 的 缺 点当 微 波 系 统 中 负 载 和 传 输 线 不 匹 配 时 ， 将 对 传 输 系 统 中 功 率 传 输 产 生 很 多 不 良 影响 。 负 载 与 传 输 线 的 阻 抗 的 不 匹 配 将 导 致 传 输 线 上 存 在 驻 波 ， 驻 波 波 腹 点 电 压 （ 或 电流 ） 的 大 小 即 取 决 于 前 述 二 者 的 失 配 程 度 ， 因 为 传 输 线 上 的 电 压 电 流 是 入 射 波 与 反 射波 的 矢 量 和 。 驻 波 的 存 在 对 传 输 过 程 产 生 的 影 响 如 下 ：1、 负 载 能 够 获 得 的 有 效 功 率 将 降 低 。 因 为 源 端 的 信 号 功 率 将 会 有 部 分 被 负 载 反射 形 成 回 传 ， 其 得 到 的 有 效 功 率 应 为 入 射 波 与 反 射 波 的 功 率 只 差 。 阻 抗 失 配 越 大 ， 反射 波 功 率 就 越 大 ， 负 载 得 到 的 功 率 就 越 小 。2、 限 制 传 输 线 的 效 率 。 入 射 波 经 过 传 输 线 时 将 产 生 一 定 的 损 耗 ， 同 样 的 反 射 波也 会 产 生 相 应 的 损 耗 ， 两 者 的 损 耗 之 和 即 为 传 输 线 的 最 终 损 耗 。 当 驻 波 比 为 1， 即 传输 线 上 只 存 在 行 波 时 ， 传 输 效 率 达 到 最 大 值 ； 当 驻 波 比 较 大 时 ， 传 输 线 损 耗 越 大 ， 效率 越 低 12。3、 电 路 不 稳 。 当 传 输 线 上 有 驻 波 时 ， 沿 线 向 负 载 方 向 看 去 的 输 入 阻 抗 将 是 距 离的 函 数 ； 因 此 传 输 线 始 端 的 输 入 阻 抗 就 变 成 一 很 大 的 和 不 稳 定 的 电 抗 性 阻 抗 13。4、 由 此 可 知 ， 负 载 阻 抗 与 传 输 线 阻 抗 之 间 失 配 越 严 重 对 整 个 系 统 的 影 响 也 就 越严 重 。 所 以 从 理 论 上 来 说 ， 我 们 应 力 求 传 输 线 和 负 载 间 阻 抗 达 到 完 美 的 匹 配 。 不 过 由于 某 些 实 际 的 技 术 限 制 ， 通 常 只 需 要 满 足 工 程 上 的 匹 配 要 求 ， 即 小 功 率 系 统 驻 波 比 小于 2， 大 功 率 系 统 驻 波 比 小 于 1.514。2.2 阻 抗 匹 配 方 法本 文 研 究 的 是 天 线 与 馈 线 之 间 的 阻 抗 匹 配 即 负 载 阻 抗 与 传 输 线 特 性 阻 抗 之 间 的匹 配 ， 因 此 下 文 的 所 有 讨 论 均 以 负 载 阻 抗 匹 配 为 主 。2.2.1 集 总 元 件 匹 配 网 络1、 L 型 匹 配 网 络L 型 匹 配 网 络 由 两 个 电 抗 性 元 件 组 成 ， 也 称 为 双 元 件 匹 配 网 络 。 负 载 与 传 输 线 之 间 L型 匹 配 网 络 共 有 8 种 组 合 ， 如 图 2-2 所 示 。6天 线 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 的 设 计 与 实 现 第 二 章 阻 抗 匹 配 介 绍(a) (b)(c) (d)(e) (f)(g) (h)图 2-2 八 种 L 型 阻 抗 匹 配 电 路具 体 情 况 采 用 哪 种 匹 配 电 路 取 决 于 归 一 化 负 载 阻 抗 在 Smith 圆 图 上 的 位 置 。 负 载阻 抗 在 Smith 原 图 上 有 三 种 可 能 的 位 置 如 下 ： 归 一 化 负 载 位 于 1 jb 圆 (单 位 电 导 圆 )内当 负 载 归 一 化 阻 抗 位 于 单 位 电 导 圆 内 时 ， 其 在 Smith 圆 图 上 的 情 况 如 图 2-3 所 示 。 要使 得 负 载 位 置 Zl 移 动 到 O 点 有 两 条 路 径 可 供 选 择 ， 其 一 是 从 Zl 点 沿 等 电 阻 圆 (非 单 位电 阻 圆 )顺 时 针 移 动 到 点 A 再 从 A 沿 单 位 电 导 圆 顺 时 针 移 动 到 O 点 ； 其 二 是 从 Zl 点7第 二 章 阻 抗 匹 配 介 绍 天 线 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 的 设 计 与 实 现沿 等 电 阻 圆 (非 单 位 电 阻 圆 )逆 时 针 移 动 到 B 再 由 B 点 沿 单 位 电 导 圆 逆 时 针 移 动 到 O点 。 第 一 种 方 法 所 采 用 的 电 路 为 图 2-2(h)， 第 二 种 方 法 所 采 用 的 电 路 为 图 2-2(b)。图 2-3 1 jb 圆 内 负 载 Smith 圆 图 图 解 示 意 归 一 化 负 载 位 于 1 jx 圆 (单 位 电 阻 圆 )内当 负 载 归 一 化 阻 抗 位 于 单 位 电 阻 圆 内 时 ， 其 在 Smith 圆 图 上 的 情 况 如 图 2-4 所 示 。 要使 得 负 载 位 置 Zl 移 动 到 O 点 也 有 两 条 路 径 可 供 选 择 ， 即 Zl A O 和 Zl B O ，相 对 应 的 匹 配 电 路 为 图 2-2(a)和 (g)。图 2-4 1 jx 圆 内 负 载 Smith 圆 图 图 解 示 意 位 于 1 jx 和 1 jb 圆 外此 种 情 况 如 图 2-5 所 示 ， 图 中 所 示 的 4 条 路 径 均 可 以 达 到 匹 配 的 目 的 ， 分 别 为Zl A O 、 Zl B O 、 Zl C O 和 Zl D O 。 若 遵 循 第 一 条 路 径 则 为先 并 联 电 容 后 串 联 电 容 因 此 采 用 图 2-2(c)即 可 ； 若 走 第 二 条 路 径 则 是 先 并 联 电 容 后 串联 电 感 因 此 采 用 图 2-2(g)； 若 按 照 第 三 条 路 径 则 为 先 串 联 电 容 后 并 联 电 感 可 采 用 图2-2(b)； 最 后 一 条 路 径 则 为 先 串 联 电 容 后 并 联 电 容 可 使 用 图 2-2(d)。8天 线 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 的 设 计 与 实 现 第 二 章 阻 抗 匹 配 介 绍图 2-5 1 jb 圆 和 1 jx 圆 外 负 载 Smith 圆 图 图 解 示 意由 上 述 三 种 情 况 分 析 可 知 设 计 L 型 匹 配 电 路 有 如 下 规 律 可 循 ：一 、 从 负 载 开 始 ， 沿 电 阻 圆 移 动 一 次 串 联 电 抗 元 件 ， 沿 电 导 圆 移 动 一 次 并 联 电 抗元 件 。二 、 沿 电 阻 圆 顺 时 针 移 动 确 定 电 感 ， 逆 时 针 移 动 确 定 电 容 ； 沿 电 导 圆 顺 时 针 移 动确 定 电 容 ， 逆 时 针 移 动 确 定 电 感 。2、 T 型 匹 配 网 络T 型 匹 配 网 络 和 L 型 原 理 相 同 只 是 多 加 一 个 元 件 有 助 于 调 节 匹 配 带 宽 15，其构成原 理 图 如 下 图 2-6 所 示 。 这 是 根 据 四 端 口 网 络 理 论 用 纯 电 抗 元 件 构 成 的 T 型 阻 抗 匹配 网 络 ， 可 符 合 任 意 匹 配 阻 抗 值 和 相 移 的 转 换 关 系 。图 2-6 T 型 匹 配 网 络 示 意 图其 中 的 Z1、 Z2 和 Z3 可 根 据 不 同 的 需 要 而 确 定 ， 和 L 型 的 使 用 方 法 一 样 也 是 在Smith 圆 图 上 沿 一 定 的 路 径 移 动 ， 比 如 下 图 2-7 的 移 动 方 式 所 确 定 的 三 个 元 件 分 别 为Z1 为 容 性 元 件 Z2 为 感 性 元 件 Z3 也 为 感 性 元 件 。9第 二 章 阻 抗 匹 配 介 绍 天 线 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 的 设 计 与 实 现图 2-7 T 型 匹 配 网 络 设 计 示 意3、 型 匹 配 网 络 型 匹 配 网 络 和 T 型 均 属 于 是 三 元 件 的 匹 配 电 路 原 理 和 设 计 方 法 是 相 同 的 。图 2-8 型 匹 配 网 络 结 构 图上 述 三 种 匹 配 电 路 均 是 属 于 集 总 参 数 元 件 搭 建 的 ， 这 种 类 型 的 阻 抗 匹 配 网 络 缺 点是 只 能 对 某 一 工 作 频 点 达 到 理 想 的 阻 抗 匹 配 ， 频 率 改 变 时 需 要 重 新 调 谐 。2.2.2 分 布 式 元 件 匹 配 网 络随 着 工 作 频 率 的 提 高 ， 波 长 不 断 减 小 ， 当 波 长 与 元 器 件 的 尺 寸 或 者 电 路 尺 寸 相 差无 几 时 ， 可 以 采 用 分 布 式 参 数 元 件 实 现 匹 配 网 络 16。 分 布 式 参 数 元 件 是 在 主 传 输 线 上串 联 一 段 传 输 线 或 者 并 联 枝 节 构 成 。 在 距 离 负 载 某 处 可 以 并 联 一 段 终 端 短 路 或 者 终 端开 路 的 传 输 线 ， 此 并 联 传 输 线 称 为 枝 节 (或 短 截 线 )。 分 布 式 匹 配 网 络 从 实 现 手 段 上 分为 串 联 /4 阻 抗 变 换 器 法 、 串 联 枝 节 和 并 联 枝 节 三 种 17。1、 /4 阻 抗 变 换 器 法当 负 载 阻 抗 为 纯 电 阻 Rl 且 其 值 与 传 输 线 特 性 阻 抗 Z0 不 相 等 时 ， 可 在 两 者 之 间 加接 一 段 长 度 为 /4、 特 性 阻 抗 为 Z01 的 传 输 线 来 实 现 负 载 与 传 输 线 间 的 匹 配 ， 如 图 2-9。10Rl jZ01 tan( / 4) Z012天 线 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 的 设 计 与 实 现 第 二 章 阻 抗 匹 配 介 绍图 2-9 四 分 之 一 阻 抗 匹 配 法由 无 耗 传 输 线 输 入 阻 抗 公 式 18得Zin Z01 Z01 jRl tan( / 4) Rl(2-8)当 匹 配 传 输 线 的 特 性 阻 抗 Z01 Z0Rl 时 ， 输 入 端 输 入 阻 抗 Zin Z0 ， 从 而 实 现 了 负载 和 传 输 线 之 间 的 阻 抗 匹 配 。 由 于 无 耗 传 输 线 的 特 性 阻 抗 为 实 数 ， 所 以 /4 阻 抗 变 换器 只 适 应 于 匹 配 电 阻 性 负 载 ； 若 负 载 阻 抗 为 复 数 ， 则 需 要 先 在 负 载 与 变 换 器 之 间 加 一段 传 输 线 ， 使 变 换 器 的 终 端 为 纯 电 阻 。2、 串 联 单 支 节 调 匹 配 发 法如 图 2-10 为 串 联 单 支 节 调 匹 配 示 意 图 ，图 2-10 单 支 节 匹 配 示 意 图设 传 输 线 和 调 配 支 节 的 特 性 阻 抗 均 为 Z0， 负 载 阻 抗 为 Zl， 长 度 为 l2 的 串 联 单 支节 条 调 配 器 串 联 于 距 离 住 传 输 线 负 载 距 离 l1 处 ， 设 终 端 反 射 系 数 为 l e jl ， 传 输 线 的工 作 波 长 为 ， 驻 波 系 数 为 ， 由 无 耗 传 输 线 状 态 分 析 可 知 ， 离 负 载 第 一 个 电 压 波 腹点 位 置 及 该 点 阻 抗 分 别 为 lmax1 4l ， Zl Z0 。11第 二 章 阻 抗 匹 配 介 绍令 l1 l1 lmax1， 并 设 参 考 面 AA处 输 入 阻 抗 Zin1， 则天 线 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 的 设 计 与 实 现Zin1 Z0 Zl jZ0 tan(l1)Z0 jZl tan(l1) Rl jXl (2-9)又 因 为 Zin2 jZ0 tan( l2 ) 所 以 总 的 输 入 阻 抗 Zin 则 可 表 示 为Zin Zin1 Zin2 R1 jX1 jZ0 tan(l2 )要 使 其 与 传 输 线 的 特 性 阻 抗 相 匹 配 ， 应 该 有(2-10) X1R1 Z0 Z0tan (l2 ) 0 (2-11)由 以 上 诸 式 便 可 推 导 出 l和 l2， 即 串 联 支 节 的 位 置 和 长 度 。3、 并 联 支 节 调 配 法如 图 2-11 所 示 ， 即 为 并 联 支 节 调 配 法 ，图 2-11 并 联 支 节 匹 配 法设 传 输 线 和 匹 配 支 节 的 特 性 导 纳 均 为 Y0， 负 载 导 纳 为 Yl， 长 度 为 l2 的 单 支 节 调配 器 并 联 于 离 主 传 输 线 负 载 l1 处 ， 如 图 2-11 所 示 。 设 终 端 反 射 系 数 为 l e jl 传 输 线 的工 作 波 长 为 ， 驻 波 系 数 为 ， 由 无 耗 传 输 线 的 状 态 分 析 可 知 ， 距 离 负 载 第 一 个 电 压波 节 点 的 位 置 及 导 纳 分 别 为 lmin l 处 输 入 导 纳 为 Yin1， 则 有 l ， Yl Y0 。 令 l1 l1 lmin 1， 并 设 参 考 面 AA4 4Yin1 Y0 Yl jY0 tan(l1)Y0 jYl tan(l1) G1 jB1 (2-12)终 端 短 路 的 并 联 支 节 输 入 导 纳 为Yin2 jY0tan(l2 )12(2-13) B tan(G l)Y Y天 线 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 的 设 计 与 实 现则 总 的 输 入 导 纳 为Yin Yin1 Yin2 G1 jB1 要 使 其 与 传 输 线 特 性 导 纳 匹 配 ， 应 该 有jY0tan(l2 )第 二 章 阻 抗 匹 配 介 绍(2-14)1 2 01 0 0 (2-15)由 上 述 诸 式 便 可 确 定 并 联 支 节 的 位 置 l1 和 长 度 l2。2.3 匹 配 电 路 的 选 型设 计 匹 配 网 络 多 遵 循 简 单 性 、 宽 带 、 可 实 现 性 和 可 调 节 性 四 个 基 本 原 则19， 本 文采 用 结 构 较 为 简 单 损 耗 较 低 的 L 型 匹 配 网 络 。 为 了 实 现 其 可 调 节 的 性 能 ， 将 L 型 匹配 网 络 的 其 中 之 一 的 容 性 电 抗 元 件 替 换 为 电 容 可 调 的 变 容 二 极 管 。2.4 本 章 小 结本 章 详 细 阐 述 了 阻 抗 匹 配 的 三 种 状 态 即 源 阻 抗 匹 配 、 共 轭 阻 抗 匹 配 和 负 载 阻 抗 匹配 及 其 各 自 的 优 缺 点 。 其 次 本 章 介 绍 了 实 现 阻 抗 匹 配 的 一 般 方 法 ： 集 总 元 件 式 和 分 布元 件 式 ， 其 中 集 总 元 件 式 又 有 L 型 、 T 型 和 型 匹 配 电 路 。 在 综 合 分 析 了 各 种 匹 配 电路 的 优 缺 点 后 本 文 选 择 了 L 型 集 总 元 件 式 匹 配 电 路 。13第 三 章 天 线 设 计 与 分 析 天 线 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 的 设 计 与 实 现第 三 章 天 线 设 计 与 分 析3.1 天 线 基 础 知 识 简 介天 线 是 所 有 无 线 通 信 所 必 不 可 少 的 至 关 重 要 的 部 分 ， 其 作 用 是 将 来 自 发 射 机 的 导波 能 量 转 变 为 无 线 电 波 ， 或 者 将 无 线 电 波 转 换 为 导 波 能 量 ， 即 辐 射 和 接 受 无 线 电 波 。3.1.1 天 线 基 本 电 参 数如 上 文 所 述 天 线 是 一 种 能 量 转 换 和 电 磁 波 辐 射 装 置 ， 为 了 衡 量 天 线 这 种 能 量 转 换和 电 磁 波 辐 射 的 能 力 人 们 引 进 了 一 些 列 的 参 数 ， 例 如 方 向 图 、 波 瓣 宽 度 、 效 率 、 极 化以 及 带 宽 和 阻 抗 等 20。1、 方 向 图方 向 图 是 表 征 天 线 在 自 由 空 间 的 电 磁 波 辐 射 状 态 的 量 ， 是 一 个 立 体 的 图 形 ， 但 是通 常 为 了 便 于 表 达 多 采 用 通 过 天 线 最 大 辐 射 方 向 上 的 两 个 相 互 垂 直 的 平 面 方 向 图 表示 。 如 图 3-1 即 为 一 款 定 向 辐 射 的 天 线 辐 射 方 向 图 。图 3-1 方 向 图 示 意如 图 3-1 中 的 标 示 ， 主 瓣 是 天 线 的 最 大 辐 射 方 向 主 瓣 宽 度 即 衡 量 其 尖 锐 程 度 ， 旁瓣 一 般 是 指 距 离 主 瓣 最 近 的 第 一 旁 瓣 ， 其 电 平 要 求 尽 可 能 的 低 。对 于 定 向 辐 射 的 天 线 还 要 增 加 方 向 系 数 参 量 D 以 表 征 天 线 的 集 束 能 力 ， 定 义 为天 线 最 大 辐 射 方 向 上 的 辐 射 功 率 流 密 度 Smax 和 相 同 功 率 的 理 想 无 方 向 性 天 线 在 同 一距 离 处 的 功 率 流 密 度 S0 之 比 21。14Smax Emax天 线 自 适 应 阻 抗 匹 配 系 统 的 设 计 与 实 现 第 三 章 天 线 设 计 与 分 析D S0 E0 22(3-1)2、 增 益 与 效 率天 线 效 率 用 表 示 ， 是 表 示 天 线 将 输 入 功 率 辐 射 出 去 的 能 力 ， PPin PP Pl(3-2)其 中 Pin 是 输 入 功 率 P 是 天 线 辐 射 功 率 ， Pl 为 欧 姆 损 耗 功 率 。增 益 系 数 G 是 综 合 衡 量 天 线 能 量 转 换 和 方 向 特 性 的 参 量 ， 其 定 义 为 方 向 系 数 D和 效 率 的 乘 积 22， 即G D (3-3)3、 极 化 特 性天 线 极 化 是 指 天 线 在 最 大 辐 射 方 向 上 的 电 场 矢 量 端 随 时 间 所 画 出 的 曲 线 形 状 规 律 23。当 电 场 矢 量 端 所 绘 形 状 为 圆 形 时 ， 该 天 线 即 为 圆 极 化 天 线 ； 若 所 绘 图 形 为 椭 圆 时 ， 该天 线 即 为 椭 圆 极 化 天 线 ； 若 所 绘 形 状 为 直 线 时 ， 则 为 线 极 化 天 线 。4、 带 宽天 线 的 设 计 通 常 都 是 针 对 某 一 频 率 完 成 的 ， 当 偏 离 此 频 率 时 天 线 的 各 项 性 能 将 发 生 变化 ， 带 宽 即 是 衡 量 在 可 接 受 的 性 能 变 化 范 围 内 的 允 许 的 频 率 偏 离 范 围 。5、 输 入 阻