短波宽带有源鞭天线设计

李思聪 凌孝明

（1.卡斯科信号有限公司，上海200136；2.总参信息化部，北京100144）

引 言

天线是与自由空间相耦合的部件，天线的性能与自由空间的工作波长密切相关.天线的工作频率越低，波长越长，天线高度也必须相应地增加，天线工作带宽越宽，体积要求也相应地增加［1］.随着科学技术的飞速发展，人们对无线电技术设备的小型化要求日益提高.而天线的小型化、宽带化问题也是无线通信中重点研究方向之一.

本文设计的短波有源宽带鞭状全向接收天线，工作带宽接近30∶1，天线体设计采用鞭状形式.电路设计与常规设计有源电路不同，采用宽带匹配方式，同时综合了各种网络参数之间的制约关系，确定有源放大电路的组成形式.

1 数据和分析

接收空间电磁波的天线需要具有一定的几何电尺寸.凡投射到这个几何电尺寸上的电磁波功率全部被天线的负载所吸收，这一几何电尺寸被称为天线的有效几何电尺寸.根据天线的有效几何电尺寸的物理意义可以得到［2-4］

式中：A为天线有效几何电尺寸；Pmax为天线接收的最大功率；S为功率密度.

1.1 天线杆等效电容

天线杆静电容为

式中：h为天线高度；d为天线杆平均直径；k′为天线底部靠近地面时，取0.43.

若考虑频率变化对电小天线作用，其电抗等效为一等效电容，公式为

1.2 鞭天线的有效高度

接收鞭状电小天线的重要技术指标之一，天线的有效高度［5］（即反映天线转换空间电磁波导能力）.假设有源鞭状天线上的电流分布为

式中：Ⅰ0是天线输入端电流；h为鞭状天线的高度.依据有效高度定义，得

当h／λ＜0.1时

式中：k＝2π／λ，λ为波长，有效高度表征直立天线的辐射强弱，即辐射场强正比于he.

2 有源宽带鞭天线组成及理论分析

如果天线的输出能量，不完全来自输入能量，天线体也能提供能量，这样的天线称为有源天线.即有源器件存在于天线体的结构中；有源器件直接与天线体的输出端连接；天线体与有源电路共同完成技术条件功能［6］.其原理框见图1.

图1 鞭天线原理方框图

2.1 有源鞭天线有效高度的变化

当鞭状天线输出根部加入有源匹配放大电路后，天线的增益由天线体和有源网络增益共同组成，此时，有源天线的方向性总增益G为

在有源鞭状天线接收效率最大为1时，天线有效几何电尺寸和天线增益之间有如下关系［7-8］

式中：A1为无源天线的有效几何电尺寸；A为有源天线的有效几何电尺寸；G1为无源天线增益；G2为有源网络增益；λ为工作波长.由式（8）可知，有源天线是用有源网络的放大增益来补偿无源天线有效几何电尺寸A1的减小.引入的有源网络可以把无源天线和具有与其输出阻抗共轭匹配的放大电路相结合，无源天线视作恒压源，近似与频率无关，从而使有源天线获得宽频带特性［9］.其有源鞭状天线等效电路图见图2.

图2 有源鞭天线等效电路图

图中：Ca为天线杆静电容；E为天线所在点接收场强；he为天线体有效高度；AV为放大电路电压放大倍数；Cb为有源匹配放大输入电容；Vi为匹配放大电路输入电压；Vo为匹配放大电路输出电压.由图2可得

根据接收鞭状天线的有效高度定义加入匹配有源放大电路后天线的有效高度变化为［10］

由公式（9）可得由于匹配放大电压放大增益的作用，使得鞭状电小天线的有效高度明显增加，因此鞭天线体尺寸可降低.

3 匹配网络及有源电路设计

3.1 匹配网络理论计算

匹配网络设计采用即实频法［11］.对未知的阻抗函数优化其传输功率增益，得到相应于最优传输功率增益的相应函数，获得所需的匹配网络.用实频法优化的结果是：通过共轭匹配二端口网络理论反映到传输功率增益近似等于最大平坦传输功率增益［12-13］.

共轭匹配二端口网络理论模型计算等效电路如图3所示：图中内阻为Zg，电压为Eg的信号源，负载在右端处的输入阻抗为Zin.

图3 共轭匹配二端口网络

根据共轭匹配的原理，当且仅当Zin＝Zg时，信源的能量才能最大程度上的传输到负载Zin.此时传输功率增益函数（Transducer Power Gain，TPG）近似等于最大平坦传输功率增益，相应的传输增益函数GTP为

式中S22（jω）为负载端的归一化散射系数

将式（12）代入式（11）中，得到新的GTP表达式

式中：Rq（ω），Ra（ω）均为阻抗；存在感性与容性的情况，当且仅当Zq（ω）与Za（ω）达到共轭匹配时，即

传输功率增益

当

时达到理论最大值1.以最大值为目标设计匹配网络，目的与源阻抗Rg所组成的Zq（ω）与天线的实测阻抗Za（ω）共轭匹配，设计出匹配网络的拓扑形式.

3.2 匹配网络拓扑结构

将天线无源振子输出阻抗的实测数据建立策动函数，对TPG循环优化计算.设计的匹配网络拓扑形式如图4.

图4 匹配网络电路

3.3 有源放大电路设计

有源放大电路设计采用输入低噪声运放变换电路与匹配网络输出直接相连电路［14］组成.其等效电路见图5.

图5 等效优化天线体等效阻抗变换

则：

如果AV大于1，调整AV使得Vi＝Vs，输入信号传入放大电路的输入端；调整共轭匹配电路参数使得放大器输入电阻与天线体阻抗共轭.放大电路采用低噪放大电路与有源阻抗变换输出电路相结合.调整运放反馈电容参量，使得输出阻抗满足与后端级联宽带放大器阻抗匹配［15］.

3.4 有源天线匹配网络放大电路组成原理

宽频带放大电路在输入阻抗基本恒定的基础上，通过两级放大，一级跟随阻抗变换，调整电路静态工作点，反馈电路，确定电路放大增益，动态范围，灵敏度要求，调整电路输出匹配回路，实现电路总输出阻抗与接收机输入阻抗相匹配［16］.电原理框图见图6.

图6 匹配放大电路电原理图

由此可得，无源鞭状天线与有源匹配放大电路融合为一体的短波宽带有源鞭状天线.

4 电气指标及测试

4.1 天线结构形式

设计的天线体采用金属柱状变直径多节组成鞭状结构，高度2.7m，有源腔体直径250mm，高度80mm，地网16根，直径8m.供电电源采用直流18 V.

4.2 短波宽带有源鞭状天线技术测试结果

使用网络分析仪、频谱仪、场强仪对天线技术指标进行测试，结果在全频段满足如表1所示的指标范围：

表1 技术参数测试结果

5 结 论

综合理论计算和测试结果，我们所设计的短波宽带有源鞭天线系统能够能够满足30∶1的短波带宽要求.天线的有效高度在有源放大增益的共同作用有限提升，天线带宽展宽，传输效率增强，灵敏度提高.当空间架设有限，理论计算不能把天线所处的实际环境完全考虑进去时，只要将两者有机结合，就可以设计、调试出高性能的适用与各类通讯要求的短波宽带有源鞭状天线.

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