论文研究-球形偶极子天线的终端匹配和频带扩展 .pdf

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球形偶极子天线的终端匹配和频带扩展,吴庆波,景莘慧,信号源内置式球形偶极子天线是一种小型宽频带天线,其直径仅100mm,且内置信号源无需外接馈线,广泛应用于30MHz~1GHz机箱机柜屏蔽效�
山国武技记文在 步提高球形偶极了大线的輻值动态范围和拓宽頻带,在电路输岀端和大线输入端进行终端 匹配设计,即设计个匹配网络,能够实现前级放大电路向球天线功率转化最大化。对于该 匹配网络一般有如下要求:()该匹配网络本身不损耗功率或损耗很低;()减小信号向 天线传输过程中的反射。 本文研制的球形偶极子天线工作于 频段,而且在频段内是典型的电小 天线,其阻抗变化剧烈,宽频带匹配非常困难。基频 球形偶极子天线主要用于 频段测试,其高频动态范围较低,因此主要硏制 兀配网络。 终端匹配前提是得到球形偶极子天线输入阻抗值,但是传统的矢量网络分析仪都是单端 口测量,而球形偶极子天线属于平衡型负载,,最常用的测试方法是在平衡器件与不平衡器 件之间插入物理巴伦。但是巴伦的引入造成测量的参考面偏离实际的平衡器件端口而取在巴 伦的非平衡端,因此测试结果是包含巴伦在内的,该方法误差较大 鉴于此,本文使用同轴线测参数法测试球形偶极了天线输入阻抗,并利用电磁场 仿真软件对天线进行了仿真。在 频段内,测试结果和仿真结果如图 所示。双同轴线法测试结果与伤真结果比较,阻抗变化趋势基本一致,误差主要是由于仿真 天线是理想的导体、理想的结构,而实际天线结构由于加工需要与理想球壳存在差距,且测 试时带有馈线。由于实际工作时也带有该馈线,故测试结果可以作为终端匹配设计的依据 測试值 -…-仿真值 测试值 -…仿真值 频率 图球形偶极子天线 阻抗测试和仿真值 宽带匹配网络设计的理论研究可追溯到上个世纪四五十年代,尤其到世纪年代, 随着计算机的广泛应用,宽带匹配网络设计逐渐发展成熟,其中最常用的方法有直接 优化法(驻波比法)和实频数据法,主要是因为这两种方法不需要天线阻抗的解析式,只 要在所关注的频段内选取有限个离散频点,测得这些离散频点上的输入阻抗的数据,就可以 利用相关算法实现优化设计。但是其计算过稈较繁琐,而目在选择实际电感电容值时,通常 把待匹配频带中频值作为设计频率,这样对于频带较宽的匹配效果会明显变差 遗传算法是借鉴生物界自然选择和遗传杋制而形成的一类随机搜索算法,该方法可以避 免设计网络时元件值随频率发生较大变化。但是它要先确定匹配网络型式,如果匹配网络 中存在阻抗变换器时会存在计算误差。本文采用实频数据法和遗传算法相结合,即先用实频 数据法算出阻抗变换器阻抗变换比,考虑到实际应用,选择传输线变压器实现;再 将阻抗变换器和夭线作为负载,测岀其阻抗值,采用遗传算法设计网络拓扑结构,计算流程 如图。最终设计匹配网终如图,其中 山国武技记文在 选择阢酐网络型式 产生优化参数并 赋初始值 选取适应度函数,计算适度值 遗传算法搜索最优值 分析匹配网络增益 改变网络型式 特性 <网络满足要求 是 结束 图還传算法设计匹配网络流程图 Cl ro 1:n阻扰 变换器 eg 图天线终端匹配网络 在东南大学电磁兼容实验室的法电波暗室内对改进的基频 球形偶极子天线 的性能进行了测试,测试结果见图和图。采用的测试仪器如下 组合接收天 线和 电磁干扰接收机,球形偶极子天线与接收天线的间距为,二者均处于 水平极化状态。由图可知 频率范围内的幅值动态范围基本达到 其 在 场强值均超过 山国武技记文在 频率 图基频 球形偶极子天线 发射频谱图 频率 图基频 球形偶极子天线 电场强度 球形偶极子天线频带扩展 在基频 球形偶极了天线基础上,将其应用频带进行扩展,研制了两个系列的球 形偶极子天线产品:以为基频,应用在 围内 为基 频,应用在 范围内。 对于基频球形偶极子天线,由于其频率较低,电路输出功率较大,电路部分只需 将基频 球天线电路中石英晶体振荡器更换。另外为了抑制高频分量,需要加滤波电 容。影响其辐射功率主要是工作频带内球天线属于电小天线,辐射能力弱,主要也是在终端 进行匹配设计,抵消天线本身电抗影响,设计方法同上。最终研制的天线频域测试结果见图 ,幅值动态范围超过,满足一般性机箱机柜屏蔽效能测试要求。 山国武技记文在 y 图基频球形偶极子天线 发射频谱图 对于基频 球形偶极子天线,其工作在 天线辐射能力加强,主要 在高频段 进行终端匹配设计。同时,由于电路工作于频段,电路性能有 所下降,通过以下几方面进行电路改计制作,目的是减小信号在电路板上的衰减,保证其在 高频状态下有尽可能大的增益。 选用截止频率更高、集电极最大工作电流更大的三极管 替代原 三极管。 根据工作特点,重新设计了偏置电路使三极管静态工作点在最佳工作点;减小了滤 波电容值,用性能更好的贴片电容替代直插电容 重新设计,用性能更佳的四层板取代原双层板。电源和地重新布局,尤其地 平面优先设计,高频放大电路地和稳压电路地分开。尽量保证信号线最短,“横 竖直”走信号线,避免信号线拐弯、走直角。 进行热设计,提高元器件工作性能。 加入“压控开关”电路,在电池电压低于阀值时自动断开电路。 最终研制的天线频域测试结果见图,幅值动态范围超过,低频部分达到 满足一般性机箱机柜屏蔽效能测试要求。 频率 图基频 球形偶极子天线 发射频谱图 山国武技记文在 结论 本文研宄完成了对信号源内置式球形偶极子天线的终端兀配与频带扩展。设计中主要通 过对电路及终端匹配网络优化设计,使原有的天线具备了更加优良的性能,并将应用频带扩 展为 ~。该系列天线由于具有体积小、操作方便等特点,已经在实际中广泛应 用于小型机箱机柜屏蔽效能测试 参考文献 马光明 梳形信号发生器的硏制及其在电磁兼容测试中的应用南京:东南大学, 蒋全兴,周忠元信号源内置式球形偶极」天线安全与电磁兼容, 陈炜峰,胡蓉,余莉基于 球形偶极子辐射天线的结构优化扬州大学学报:自然科学版 陈爱新,张艳君,姜铁华电小天线宽带匹配网络的优化设计北京航空航大大学学报 孙保华,纪奕才,刘其中 天线宽带匹配网终的优化设计与实验研究电子学报,

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