（电磁场与微波技术专业论文）多频段宽带天线及其小型化技术研究.pdf

摘要 摘要 现代战术保密通信系统巾跳频、扩频技术的应用对作为其关键部件的天线提 山了越来越高的宽频带和小型化要求。因此，高件能伞向宽带小型化天线的研制 己成为一个紧迫且具有重大理论和实际意义的课题。本文首先研究了一种新型自 组构天线，该天线。j 以根据外界环境的变化或者是根据刖户需求改变其电特十牛， 天线件能的，殳化是通过控制开关的闭合状态m 不是通过改殳天线几何结构或者尺 寸来实现，对这些开关的闭合状态进行优化设计即可满足特定的电特性要求。介 绍了自组构天线的：i ：作原理及其潜在应用，着重采用矩量法计算了环形自组构天 线的随开关状态变化的多频带性能。最后利用电磁计算软件a n s o f th f s s 对贴片时 称振子天线进行了大量的仿真分析并进行了实验研究，计算结果与实验结果吻合 良好，其驻波比小于2 的相对带宽可以达到6 6 7 ，充分显示了此类天线良好的宽 频带特性。 关键字：自组构天线矩量法宽频带对称振子天线 a b s t r a c t a b s t r a c t d u et ot h ep o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s o ff r e q u e n c y h o p p i n ga n ds p r e a d - s p e c t r u m t e c h n i q u e si n t h em o d e mm i l i t a r ys e c u r ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h ed e v e l o p m e n to f b r o a d b a n do m n i d i r e c t i o n a lm i n i a t u r ea n t e n n a s ，w h i c ha r ek n o w na sk e yc o m p o n e n t so f t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，i sa nu r g e n ta n di m p o r t a n ti s s u ei nt h e o r ya n da p p l i c a t i o n s f i r s t l y ，s e l f - s t r u c t u r i n ga n t e n n a s ( s s a s ) a r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e ea ns s ah a s t h e a b i l i t yt o a l t e ri t se l e c t r i c a l s h a p ei nr e s p o n s et oc h a n g e si n i t se n v i r o n m e n to fi n r e s p o n s et ot h er e q u i r e m e n to ft h eu s e r s ，s oi t c a nw o r ki nt h eo p t i m a ls t a t u s ，t h i s p r o p e r t ym a k e sa ns s as u i t a b l ef o ru s i n gi nan u m e r o u ss i t u a t i o n s t h eb a s i cp r i n c i p l e s a n dp o t e n t i a la p p l i c a t i o n so f t h es s aa r ed e s c r i b e d t h el o o ps s aa n t e n n ai ss t u d i e db y t h em o m e n tm e t h o d ( m o m ) w i t ht h ee m p h a s i so ni t sm u l t i - b a n dp r o p e r t i e sp r o d u c e d b yt h es t a t e so ft h ee l e c t r i c a ls w i t c h f i n a l l y , an o v e lw i d e b a n dp a t c hd i p o l ea n t e n n ai s s i m u l a t e da n da n a l y z e db yt h ee l e c t r o m a g n e t i cs o f t w a r ea n s o f lh f s s t h ec a l c u l a t e d r e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h er e l a t i v eb a n d w i d t ho ft h i sa n t e n n a c a nr e a c h6 6 7p e r c e n tw i t ht h ev s w rl e s st h a n2 ，w h i c hs h o w st h e9 0 0 de l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h i sk i n do fa n t e n n a k e y w o r d s ：s e i f s t r u c t u r i n ga n t e n n a s m o m e n tm e t h o d b r o a d b a n d d i p o l e a n t e u n a 创新性声明 本人声叫所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名 血盘趣 日期7 一易- f t i o 关于论文使用授权的说明 本人完牟了解西安电子科技大学有关保留剥使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许蛮阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解 弹得遵守此规定) 本人签名：缎趣 日期塑6 ：! 导师签名：里巫丝日期丝! ：! ：! ! 第章绪沦 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 近几十年来，随着科学技术的飞速发展，人们的生活日益现代化和社会化， 囚此对电了技术的应用提出了更岛的要求。无论是军事通信还是民用通信系统， 不仅要求高质量的传输语言、文字、图像、数据等信息，而且要求发备宽带化、 小犁化、共用化。天线作为辐射和接收电磁波的部件，是无线电系统中重要的组 成部分。没有天线，就不可能建立起任何无线电系统，因此，与无线电设备发展 趋势相适应。宽频带天线的研究也日益活跃，成为天线学科研究领域中的一个重 要分支。 在j 军事领域中，为了实现保密通信，消除干扰，将广泛应用多频段、多功能 电台和宽带跳频电台。跳频速率越来越高，跳频范围也越来越，原有的窄带天 线已无法满足要求。另外，狭小的空间内密布多付天线，相互之间的干扰较为严 重，影响通信质量。为了鹪决上述矛盾，其有效的解决办法就是研制高性能、宽 频带、小型化天线，以减少载体上天线的数目。 在民用通信系统中，天线通信作为当今信息化社会的主要技术手段而显得尤 为重要。其信道容量不断扩充、传输速率不断提高、服务方式也日渐灵活。与此 相适应，通信设备日趋宽带化，站台设施也由最初的点对点、一。点对多点发展到 移动和全球漫游。而天线作为移动通信系统的发射和接收部件，其宽带化的研究 显然台着重要的现实意义。 传统的人线儿何结构固定，其应用受到物理尺寸以及电性能( 工作带宽、驻波 比、增益、方向图等) 的限制，例如：天线的灵敏度问题、天线频带窄、火线实际 尺、j 较大等。为了提高天线的灵敏度或改善天线的实际应川效果，一种称作为智 能天线( s m a r ta n t e n n a ) 的智能化天线应运而生，并成为当今电磁学领域研究的热门 谍题之。目前，智能天线还是采用了传统的天线设计技术( 常规的天线单元形 式) 配以数字波束形成算法丽达到智能化的目的，而并不能解决天线本身的宽频 带技术、小型化技术等。长期以来，天线技术研究的关键就是宽频带、多频段以 及小型化。自从6 0 年代初期，提出宽频带的螺旋天线和对数周期天线以来，融合 了电磁学和几何学的分形天线( f r a c t a l a n t e n n a s ) 在宽频带天线、小型化天线和多频 段天线方面成为研究的热点之一。当前，智能天线设计只是偏重1 ：智能的波束形 成，而分形天线则是在天线结构形状固定的情况下研究其电特性( 小型化和多频 段工作) 。自组构天线可以智能波束形成，又可以智能地改变结构，并且能够实现 多频段宽带天线及其小型化技术研究 小犁化的天线。具体地讲，自组构天线是由天线板、反馈探头以及微处理器组成。 天线板有一系列带有开关控制的辐射线段、辐射片以及辐射体等组成，其结构形 状口j 以依据对天线什能( 工作频率、驻波比、信号强度等) 的实际需求而改变。 反馈探头获取的信息正是天线改变结构的根据；微处理器则是收集帕关信息，据 此进行分析、控制可控开关实现结构的重组，达到改变天线性能的目的。自组构 天线不需要经过常规的设计而只要给定天线的性能指标就可依此设计自适应或智 能地设计出所需的天线，因此它又被称为非设计天线，完全可以通过实际设计用 途，智能地设计出所需要的天线。所以该项目的研究具有广阔的发展前途和强 大的生命力。 本文卣先分析了一种新型天线一自组构天线，这种天线不用考虑附近物体对 天线的影响，凶为自组构天线能够根据自身所处环境的变化来改变自身的电特性， 从而能够保持天线良好的特性。最后仿真和分析了宽频带矩形和圆形贴片对称振 子天线。 1 2 宽带天线技术及分析方法综述 天线的t 作带宽是指天线的主要电性能指标如增益、波瓣宽度、副瓣电平、 输入阻抗、极化特性等均满足设计要求时的频率范围，简称天线带宽。天线带宽 通常有两种方法表示，一种称“相对带宽”，一种称“倍频带宽”。前者表示天线 的绝对带宽与天线一i 作频率内的中心频率之比) ( r = 2 t o )，后者则表示天线to t 作频- n n _ k 限频率与下限频率之比( b = 厂聃- ，纛) 。窄频带天线多使用相对带 宽一词，而宽频带天线通常采用倍频带宽来表示。不过，“窄”与“宽”都是相对 的，并没有严格的定义。习惯上，纛m 2 就认为是宽带天线。 随着电子技术的飞跃和宽带通信设备的出现，宽带天线及火线的宽频带技术 也存不断发展。对于线天线而言，目前实现宽带化的主要技术手段有以下几个方 面【1 ： 、采用机电结合的方法，例如伸缩式短波、超短波直立火线，其天线长度利 用机电结合的方法进行控制，使之在不同频牢卜始终保持在串联浩振长度卜，从 l 町口r 在相当宽的频带内实现良好的方向性和阻抗匹配特性。 二、利用插入阻抗元件或网络来展宽天线的带宽。将电抗元件、阻抗元件、介 质材料或有源器件置丁天线的某一部分之中，从而能有效改善天线阻抗的频率特 性以增大天线的带宽，这种方式称为天线的加载；也可用无源元件组成阻抗匹配 网络州以补偿天线阻抗随频率的变化，从而展宽阻抗带宽。 = 、采用旋转对称结构的振了天线。通过加粗或等效加粗振了的截面，即降低 振子的长度直径比，以改善天线的阻抗频率特性，从而获得倍频程，甚至更宽的 第，章结沧 带宽。如双锥天线、盘锥天线等。在v 1 4 f 和u h f 频段，卜述天线的应用十分广泛。 四、宽带行波天线。一般有两种实现形式，一种是设计天线结构时使其具有很 强的辐射能力和足够k 的电长度，辐射作用使沿线电流呈现很大的衰减，当其到 达终端时，即使足终端开路，反射波也很小，典型天线如轴向模螺旋天线等。另 一种则是在天线末端接匹配电阻，吸收天线末端与自由空间失配而引起的反射波， 这种天线就称为加载行波天线。由于天线技术的发展，加载位置不一定在终端。 、非频变天线。如果天线以任意比例变换后仍等于它原米的结构，即可认为 或近似认为天线的电性能与频率无关，基于这样的机理而实现的天线称为非频变 天线，常用的如平面等角螺旋天线，对数周期天线等。 除此之外。还可利用天线的多模工作方式、组合复用技术、分形技术等来展 宽天线频带宽度。本文主要采用第三种方法来展宽天线的带宽。 在对天线进行分析计算时本文采用矩量法( m o m ) ，它是电磁计算中一种非 常有效的数值方法。矩量法最初由俄罗斯的b g g a l e r k i n ( 1 9 1 5 ) 和前苏联的k r y l o v 和k r a v c h u k ( 1 9 2 6 1 9 3 2 ) 提出，但直到1 9 6 8 年h a r r i n g t o n 关于矩量法的专著“出 版后该法才得到广泛的应用。对于矩量法求解线结构问题，最初( 1 9 6 8 1 9 7 5 ) 大 都采用h a r r i n g t o n 矩量法，即选取脉冲基函数和点选配法，因为这样白阻抗和互阻 抗的表示法比较紧凑而且没有积分项。但是如果要提高计算精度则必须增大分段 数，这使得阻抗矩阵维数增加，从而导致矩阵方程求解时间的增长。为克服这些 缺点，各种摹函数和权函数的组合被试用，例如正弦插值基函数和三角摹甬数等。 在对人线进行设计时既要实现天线的宽带化，又要限制天线的尺寸大小，而 且还要满足天线的驻波比，增益等指标，类似这样的线天线设计问题是十分困难 的。如何协调好上述关系以获得最佳天线结构，则成为宽带天线设计的核心问题 1 4 4 1 。j e 因为如此，近年来有关宽带线天线优化设计方法的研究成为线人线研究领 域中的热门话题1 6 。在过去的几十年里，不少学者曾对线天线的优化设计问题作 过研究并取得了一些有价值的成果，文献【8 对此作了较为伞面的总结。 1 3 本文的主要工作和内容安排 本文的主要内容安排如下： 第一章为绪论，介绍了研究背景、研究意义以及论文的工作。 第一章阐述了矩量法处理线天线问题的基本原理，主要介绍了矩量法的基本 原理以及年阵方程和天线电特性的计算。 第二三章和第四章是本文的核心部分。第三章首先对自绀构天线以及环天线进 行了介绍：其次，分析了分形自组构天线和微带自组构天线：最后，用矩量法对 本文所研究的自组构天线进行了详尽的分析。在分析过程中，计算了白组构天线 多频段宽带天线及其小喇化技术研究 的屯鹾驻波比随着多个开关状态参数变化的特性。 第网章首先介绍了对称振子天线的辐射原理，其次用a n s o f l h f s s 分别对矩形 和圆形贴片对称振子天线进行仿真和设计，使贴片对称振子天线的电压驻波比小 于等于2 的频带尽可能宽，并实际制作了一付圆形贴片对称振子天线。 第二章矩嚣法( m o m ) 理论 三 第二章矩量法( m o m ) l 里论 作为后续幸节的理论基础，本章将集中阐述矩量法分析线天线的基本原理。 首先推导了适j ：求解细线结构电磁响应的电场积分方程，阐述了矩量法求解积分 方程的一般过程，最后详细推导了自由窄间场的计算公式。 2 i 电场积分方程 电场积分方程( e f i e ) 适于求解一般细线结构的电磁响应。在文献 8 中， p o g g i o 和m i l l e r 给出了严格的推导。下面仅对其作简要推导。 设外加场为雷7 ( i ) ，在天线表面s 一卜产生感应电流7 ，和电荷口，再由，和盯形 成辐射，则辐射场可表示为： 雷，( i ) ：三坚p ( 升否( i ，叫矿 ( 2 ，1 ) 式中， 万( i ，i 7 ) = ( t2 ，+ v v ) g ，i ) ( 2 2 ) g ( i ，i ) = 唧( 一业p - f i ) i i i i 1 ( 2 _ 3 ) k = 缈扛忑，7 = 瓜( 2 - 4 ) 7 = e x e x + y f r y + 龟a ： ( 2 5 ) j 是单位并矢，时谐因子是e 朋。由于理想导体的电流仪分布在导体表而，则( 2 1 ) 式可，史为 即) = 石- y t l 舻而i ，i ) d a ( 2 - 6 ) 式中了。为面电流密度。在这里，观察点i 不能在面s 之上，即i ，。 电场在i s 上满足边界条件： i ( i ) x 重5 ( i ) + 豆( i ) _ o ( 2 7 ) 式中h ( o 为s 面卜i 处的单位法向矢量。将式( 2 2 ) 和( 2 6 ) 代入卜式可得积分方程： 川啦趴加杀孵) 脚为g 2 i 册k 力枷 ( 2 8 ) 如果导体是圆柱细导线，l j ( 2 8 ) 式中的矢量积分口j 简化为标量积分，这使得 方轩更易于求解。这种简化忽略了线的环绕电流以及径向电流在导线圆周上的变 多频段证带天线及其小型化技术研究 化。 除此之外，为避免( 2 8 ) 式中一与f 重合时出现的奇异性所带来的凼难，对积分 核的计算也作了近似处理。通常采用的细线核形式是电流位于导线表面而边界条 件加在导线轴上。计算点在轴线上时不需对导线的圆周积分，因此这样计算轴线 卜i 的场不但消除了奇异性而且简化了积分运算。计算点在导线外时，就可以把导 线看作是导线表面的一根垂直的电流丝。 假定轴线电流均匀分布在导线表面，则半径为a 的导线上表面电流密度工( i ) 可用一电流丝，代替，即，( s ) ；= 2 n 叽( f ) ，其中s 是沿轴线在，处的距离，j 是i 处 轴线的单位切向矢帚。j ：足，方程( 2 8 ) 变为 “始协) = 等孵) i m k 2 9 , _ v 昙胁即拶( 2 - 9 ) 这里是对线的长度积分。将边界条件加在轴线方向上则( 2 9 ) 式可简化为标量方程 嘲阳= 篆i m ，) p 弘蒜虹即出7 ( 2 - 1 0 ) 上式即为电场积分方程( e f i e ) 。由于一是位于轴线s 上的点而i 是导线表面s 上 的点，所以有伊一州口且积分项有界。 2 2 矩量法原理”“1 矩量法是求解电场秋分方程( e f i e ) 的一种有效的数值方浊。1 9 6 8 年 h a r r i n g t o n ( 2 1 对这一有效方法作了全面而精辟的阐述，g a t h i e l e l 9 l 在他的论著中用 矩量法处理了细线天线问题。矩量法实质上是把有关积分方程转化成有| v 个未知 量的线性代数方干口组的方法，其中个未知量通常是电流的某一展开式的系数。 这里不打算完整叙述矩量法涉及到的理论，仅对矩量法的基本原理作介绍。 矩量法用于求解一般的线性算子方程： z f = e( 2 1 1 ) j 弋中e 是己知函数，f 是未知函数，是线性算子( 本文中是积分算子) 。将未知 函数厂展开为一组基函数 ，) 之和，即 厂= q ( 2 1 2 ) 然后用一组枞函数 w y 4 ( 2 - 1 1 ) 式取内积可得到系数为 口， 的一组线性方 7 组 第一章矩晕法( m o m ) 9 ) 沦 ( ：，) = ( w ，p ) f _ 1 ，n ( 2 1 3 ) 其中内积定义为 ( 厂，g ) = ( i ) g ( i ) 删 由十l 是线性锋子，将( 2 一1 2 ) 式中，代入( 2 一1 3 ) 式可得 q ( w ，奶) = ( ，e ) i = 1 ， 于是线性方程细可写成矩阵形式 ( 2 一1 4 ) ( 2 1 5 ) 【g 】【爿】= 旧 ( 2 1 6 ) 式中q = ( w ，奶) ，a j = a j r z , = ( ，e ) 如果【g 】是非奇异性的，其逆矩阵【g r 存在，则【爿】便由下式给出 a = 【g r l 【e 】 ( 2 1 7 ) 厂的解便可由( 2 1 2 ) 式得出，为了简明地表示此结果，规定函数矩阵为 【f 】= 【_ ，正，厶】( 2 - 18 ) 式中【】。表示矩阵的转置。于是，可将厂写成 厂= 【一九f 】 ( 2 1 9 ) 用矩量法求解时，基函数和权函数的选取对矩量泫的计算精度和水解效率起 着非常重要的作用。对一个特定的问题，主要的任务是选择合适的 ， 和 v 。首 先， ， 必须是线性无关的，并且使得它们的某种组合式( 2 1 2 ) 能很好的逼近，。 w 也应该是线性无关的，并且要使内积( w ，e ) 取决于p 的相对独立性。另外，矩 量法的计算时间主要取决于两个因素。第一个是为得到阻抗矩阵g 1 的诸元素所需 的计算罩。通常这与计算每个矩阵元素所需的数值积分每有关。第：个因素是矩 阵【g 】的大小以及为求得【g r f f f - 需t r h 。算时间。这些都与 ，l 和 w 的选取密切相 火。 通常有两种类型的基函数，一类是在上的整个定义域内定义而且除非是对一个 测度零集有可能为零外，在整个定义域内为非零的基函数，称之为全域基函数。 另一类是分域基函数，也是在的整个定义域内定义的，但在域的一部分为零。 一般水讲，为了避免方稃( 2 一1 5 1 左端出现复杂积分的运算，应选取相对简单的 权函数。如果选择的权函数与摹函数相同，那么该方法称为g a l e r k i n 法。最简单 的权函数或柃验函数为占函数： 多频段宽带天线发其小型化技术研究 w ( 于) = 万( 尹一f ) 式中 r 是导体血上的姐点。利用这种权函数求解积分方程实际上就是积分方程 的点取样，因此称为点选配法。 2 3 正弦插值基函数 将l 乜场积分方程中的电流表示成基函数的线性组合是矩量法计算中的个重 要步骤，其巾基函数的选取对实现天线的快速精确分析至关重要。常用的分域基 函数形式包括脉冲基函数、三角形基函数和正弦基函数等。对线结构而言，本文 将采用如下形式的正弦插值基函数“，每段上的电流可表示为 ( s ) = 4 + 置s i n k ( s - s ) + c ，c o s k ( s 一) ，k 一置l t l , 1 2 ( 2 2 0 ) 式中s 是沿线的长度，s 是第i 段中心的s 值，是第i 段的长度，k 是波数。这种 基函数最先由ys y e h 和k k m e i “”提出，对线结构特别是长线结构具有较快的 收敛性，而且其正弦电流项产生的电磁场可以通过解析方法计算得到“。 然而在每段导线i - ( 2 2 0 ) 式包含三个待定系数，其中有两个可以通过在导线段 末端加上电流年| l 电荷连续性条件确定，剩下的一个系数则须通过求解矩量方程得 到。这里首先讨论电流和电荷连续性条件。显然，对导线段末端的电流和线电荷 密度，连续性方程与电流的导数有关，即 ，o 、 兰竺型= 一向4 ( s )( 2 2 1 ) 出 。1。 在半径相同的两条线段的节点处显然有通过节点的电流和电荷是连续的条件。对 于多于两条线的节点，则电流连续性推广为k i r c h h o f f 定律，即通过节点的电流之 和为零。 对三线或更多线的节点处电荷的连续性条件并不象电流那么明显，因为在这 种节点或苔甚至单导线的弯曲处附近电荷的实际分布是很复杂的，通常沿导线或 在线圆周上成高阶变化。然而在细线近似处理中忽略了电流在导线圆周上的变化， 而且般的电流基函数不能反映这种高阶变化或者在导线段边缘处出现奇异。因 此需要一个与实际边界条件非常一致的条件，这对特定的基函数是可能的。在节 点处的近似电荷分布可以由节点附近的准静态近似条件得到。在第i 段与节点相连 的每条线上电荷的比例系数与该节点连接的其它线有关，在第i 段的1 端或2 端( 相 对于参考方向) 分别表示为a i 或口? ，因此与节点连接的所有各段电流导数满足 4 0 ( 2 2 2 ) 坩岬 警 第二章矩晕泣( m o m ) 坷r 沦 式中p 足与节点电荷相关的的未知常数，+ 与一的选取足根据连接节点的导线段的 末端i m 定。另外，在导线的自由端电流为零。 现在将上述连续性条件应用到f 2 2 0 ) 式定义的基函数上，使这些基函数组合的 总电流满足这些条件。下面将就如图2 1 所示导线段结构推导基函数的一般形式。 在第i 段卜的基函数延伸到所有与该段相连的各段上，并且在这些段的外侧趋j ：零 目导数为零。因此其形式町以认为是广义b 样条函数。在每段上的电流具有( 2 ，2 0 ) 式的形式，囚此i 段上的电流可表示为 j = 1 图2 1 第f 个基函数所包含的导线段 ，o o ) = a o , + 筇s i n k ( s - s , ) + pc o s k ( s 一墨) ， k t l ，2 ( 2 2 3 ) 而与第i 段的1 端连接的导线段电流是 f ( s ) = 巧+ 巧s i n t o 一，) + c c o s i o o ) ， i s j ，i a ，z ( 2 - 2 4 ) 且j = l ，一，与第i 段的2 端连接的导线段电流是 z + 扣) = 4 + 毋s i n k ( s 一) + c c o s k ( s 一_ ) ，l s - - s i i i 州时，( 2 - 1 ) 式中格林函数分 母中的因子k 一刊可用r o = i 无i 代替：相位的计算可采用平面相位波前近似，这样指 数项上的k k 一州口j 近似为+ 女一。当源位于计算点弓处时，由互易原理可知， 矢量f 是一处的波矢量，一般有k = 一聒、。 电流分布为，( s ) 的线结构的远区辐射场可按卜- 式计算 第一二章矩晕法( m o m ) 理论 甄) = 等等只p 赢) ( 2 - s s ) 式中户。足在线径卜对电流积分： 只= i 豇。o ) e - 小。( 2 - 8 7 ) 其中i 是线上s 点处的矢量。事实上在( 2 8 6 ) 式中点乘是为了除去矢量积分的径向 分量。 根据前面所述的基函数，每一导线段上的线电流形式如下 ( s ) = 4 + 置s i n ( k d ) + ( 7 , c o s k s t( 2 - 8 8 ) 式中4 ，旦和c 可通过矩量法求得。导线段上点的矢量f 可表示为 ，= i + 嘻 ( 2 - 8 9 ) 瓦：羔二尚e - j ( 如) ( 2 - 9 0 )瓦= 二尚“ 专= 巴( 咖叶p 嵋h ( 2 - 9 1 ) 麓= a 陋, 2s 叱i n ( h i a 2 淞) 阁j b , 篱瑟 陋哟 + f f ! ! ! ! 竺二三! 垒! 1 3 + ! ! ! ! 生三! 垒：! 一! ! ! ! f 三垒：! 1 1 。 l k ，一t + 皇小掣( 专4 + 2 以f e + 托) ( 2 - 9 3 ) g ，( 口，矿) ：4 z 墨! 掣 ( 2 9 4 ) 多频段宽带天线及其小型化技术研究 芾取峰值计算时，输入功率可由电压和电流根据下式得到 己= 寺r e ( v 1 + ) 日辐射功率密度足 晶( 州) = j 1r 2 r e ( e 耐) = 丢阿 式巾r 是计算距离。那么功率增益是 。 咖) = 等簪 方向系数或方向增益是 ( 2 - 9 5 ) ( 2 - 9 6 ) ( 2 - 9 7 ) g ( 删) 嘲墨掣 ( 2 9 8 ) 式中巴。是总的辐射功率，有= 昂一，是导线或无辐射网络集总或 分布加载时的欧姆损耗( 不包括地而损耗) 。 卜i 章我俐将按本章所阐述的矩量法原理对本文所研究的天线展开具体分 析。 第- 章自组j = 天线 第三章自组构天线 1 9 一般而言，环形天线频带较窄。本章在第二章的理论基础上设计了由多个矩 形环灭线组成的对称以及不对称环形自组构天线，自组构天线能够根据外界环境 的变化或足根据天线系统的需要来改变自身的电特性，从而实现多频段宽带性能 自组构天线的这种性能使它在传统天线应用很困难的环境中得到了很好的应用。 3 1 自组构天线“3 ” 随着现代雷达和通信系统的迅速发展，为实现通信、导航、制导、警戒、武 器巡的等目的。飞机、轮船、卫星等所需的天线数量越来越多，这使得平台上所 负载的重量不断增加，而且搭建天线所需要的费用也不断上升，同时，各天线之 间的电磁干扰非常大，严重影响天线的正常工作。为了减轻平台上所负载的天线 荤量、降低成本、减小平台上雷达散射截面，实现良好的电磁兼容特性，希单能 用一个天线束实现多个天线的功能，因而能实现自重组多频段的自组构天线有广 泛应用前景。传统的天线具有固定的几何结构，其应用受到物理尺寸以及电性能 ( i ：作带宽、驻波比、增益、方向图等) 的限制。 传统天线的几何结构固定，并且一般设计工作在一定的电性能和特定的环境 下。通常工稃上需要保证的是天线的性能( 包括带宽、驻波比、增益、输入阻抗等) 必须与特定的环境相适应，如舰载天线、机载天线和车载天线。另外，天线周边 的物体对天线性能的影响4 i 可忽略。遗憾的是，我们难以用解析或数值的方法来 定量地确定这些影响。这样一来，许多天线的设计就必然得采用既花钱又耗时的 试验方法。自组构天线的设计就不会产生这种情况，且自组构天线不用考虑附近 物体对人线的影响，因为自组构天线能够根据自身所处环境的变化来改变白身的 电特性，从而能够保持天线良好的特性。 文献f 2 0 】巾的自组构天线原型框架图，该天线能够根据外界环境的变化或是根 据天线系统的需要来改变自身的电特性，即用微处理器根据反馈信号来控制一个 骨架人线模板上元件之间的开关，使天线的电结构能动态改变。典型的白组构人 线结构包括一个天线模板，一个微控制器或是一个电脑和一个传感器。天线模板 是一个发射和接收电磁波能量的装置，它是由一些可控制的开关以及与这磐开关 相连的导线组成。根据传感器得到的信息，电脑或是微控制器可以选择打开或关 闭一些开关，来优化天线的一些特性，诸如接收信号的强度，驻波比以及发射信 号存特定方向上信号的强度。典犁的自组构天线由电子丰孛制开关连接不同k 度的 多频段逝带天线技毖小掣化技术研究 线段构成。如果用天线的接收信号作为反馈控制信号，微处理器会按照寻优算法， 根据接收信号的强度控制各个开关的通断，使天线在不同情况下部能够有最强的 接收信号。文献中还设计了一个天线模型，用了2 3 个可控开关，即天线共存2 ”种 状态，分别用曲- 种寻优算法：模拟退火和遗传算法对它进行了优化，并对其性能 进行了测试。做发射天线时，在5 0 m h z 到3 5 0 m h z 的频率范围内，两种算法优化 的天线驻波比均小十1 0 4 ，在3 5 0 m h z 到4 5 0 m h z 的范围内，用模拟退火优化的 天线驻波比不大于1 2 3 ，而用遗传算法优化的天线驻波比不大于1 3 ；作接收天 线时，频率固定为3 0 0 m h z ，与发射天线之间的方位角在0 0 到9 0 0 范围内变化时， 存每个角落都能得到最优的接收信号，这样当天线旋转时，可以改变方向图，使 主瓣始终指向某个力向。 近几年朱，自组构天线利用微处理器控制开关状态来实现重组。对于每一个 结构来说，丌关的状态决定了天线的电性能。对具有n 个开关的模板来说有2 4 个 可能的结构，自组构天线的性能在开始通常是未知的，需要有效的二进制算法来 寻找合适的结构。而具有许多开关的天线的性能是不可预知的，对每一个具体天 线结构模板的分析工作量是非常大的口“捌。 白组构人线的潜在的应用有以下几点： 夺宽带天线，起初的自组构天线原型用在每个频率点上进行优化，能够获得在近 1 0 g h z 频率带宽上驻波比都小于1 3 0 ，数值分析也说明了自组构天线在一定 带宽上优化的能力。所以这种天线有一个很宽的带宽，很适合做为v h f u h f 人线1 2 5 1 ； 夺可移动天线和便携式无线电天线，移动天线的设计非常困难，这是冈为它们在 工作时，天线所处的环境是不断变化的。传统的车载天线必须对每种车型进行 分别设计，以适应各种各样车辆的大小，形状和位置。对于便携式无线电天线， 不同的用广与天线的耦合也是不同的，并且用户是不断移动的，由此形成的天 线环境更加困难。嘶智能自组构天线在克服这些问题上，提供了一个很好的解 决办法。智能自组构天线町以根据天线所处环境的变化，而自动选择天线模板 中开关的工作状态，从而找到+ 个合适的天线结构。并且智能白组构火线在查 找最佳天线结构所需要的时间，也很短暂的。因此恰当的运用自组构天线能够 对环境的改变作山快速的反应，可以把自组构天线设置在车辆上和小型的个人 移动通讯设备上。所以智能自组构天线可能在个人无线网络上很有用，因为这 里的天线足在覆薷物内部的口“1 ； 夺随机展开的天线，具有特别几何结构的天线，常常既不能在物理结构卜- 进行拓 展也很难适合所处的环境，自组构天线在这些情况下得到了很大的应用。网 络形式的自组构天线可以临时放在车顶，或是挂在像树一样便利的装置上。潜 艇和飞机卜的天线必须考虑到气流和水波的运动，在任何一种情况下臼组构 第三章自组构天线 天线都可以经过优化来适合所处的环境。所以自绢构天线用起来很方便，不像 传统天线那样，必须为天线设置在一个很好的位置上，自组构天线町以放存物 体的任何部位，而不用担心天线工作性能不好； 夺减轻电磁兼容的天线，在一个狭窄空间具有很多天线的情况( 如在船上或是汽 车卜) ，天线之间的干扰和各种各样电子系统之间的干扰足主要的。自组构天 线能够用十扰信号作为优化处理器的输入，从而减轻干扰，并且能够确定天线 的几何结构，水减少干扰和增加信弓的强度： 夺 “不用设计”的天线，传统的天线的设计是很复杂的，不但要考虑天线所处的 环境，而日必须考虑天线的位置，这就为天线的设计带来了很大的麻烦。而由 于自组构天线的随着环境变化来改变自身电性能的特性，自组构天线几乎不需 要水设计。当需要一个特殊天线时，自组构天线可以用来放入系统中，并且使 它适应特殊的反馈信号。这对许多用户来说，将提供一个简单的，不用设计的 天线； 夺高存活天线，在特定情况下，天线会受到环境作用的破坏，恶意行为的破坏， 或是错误运用的破坏，在急需要天线的情况，自组构天线时非常有利的。因为 这种人线有个很宽的工作带宽，当天线在一个频率点上不能良好的工作时， 这并小影响天线的性能，自组构天线可以工作在其它的频段上，并不影响正常 的通讯。并且这种天线可以改变自身的结构来自动补偿天线模板的缺陷。这对 固定天线来说，是一个独特的好处，因为模板的缺陷会降低天线的性能，甚至 导致人线系统的瘫痪： 夺紧急情况天线，天线在紧急情况下可能会导致工作失常，这或许是因为天线在 撞击f t l 受损，或是天线没有放在合适的位置，在这种情况下，具有最佳结构性 能的人线在拯救人们的生命和财产是至关重要的。所以在这种情况下，自组构 人线就发挥了它独特的性能，它能很好的利用所处的环境，自动的1 作在最佳 的状态，为良好的通信做好了准备。因此这种天线很适合作为轮船、汽车、飞 机等上的天线。 3 2 环形天线【1 9 】 环形天线是一种结构简单的天线，按尺寸而言分小环和大环，从耶线上的电 流分布来i x 分则有驻波分布与行波分布，驻波分布的环又可分为等幅同相分布与 正弦分布等。小环天线丰要用于测向及广播接收等场合，大环天线则应用于广播 与通信中。由于环的形状很多，例如方环、圆环、菱形环、三角形形等。为了便 于理论分析和加工制造，通常多采用圆环形。若圆环的半径b 很小，即环的周长c 多频段宽带天线及其小掣化技术研究 仪为工作波长的一部分，当c = 2 z a b 蔓o ，2 2 时，成为小环天线，此时沿线电流的振 幅和相位变化不大，近似均匀分布。当环的周长可以和波长相比拟时，称大环天 线，此时必须考虑导线上的电流的振幅和相位变化。由于电流可近似看成是驻波 分布，凼此这种天线的电特性和对称振子的电特性有明显的相似之处，均属谐振 犁天线。电小环形天线的方向图和辐射电阻仅取决二j ：环的面积而与环的形状无关。 随着环天线的周k 变得_ 口j + 与波长相比拟时，环中电流的振幅和相位将变化，因i f u 辐射特性也将随着耶的，t 寸和形状而变化。以一波长的方环天线为例。每边长 4 ，假设电流为正弦分布3 1 所示。 图3 1 一波长方环天线 若馈电点在