基于加載技術(shù)在天線(xiàn)小型化設計

1 引 言

隨著(zhù)現代軍事通信系統中跳頻、擴頻等技術(shù)的應用，天線(xiàn)作為通信設備的前端部件，對通信質(zhì)量起著(zhù)至關(guān)重要的作用。然而傳統的天線(xiàn)形式和功能在一定程度上不能跟上通信系統小型化的發(fā)展需求，尋求天線(xiàn)的全向性、小型化、寬帶化、共用化成為天線(xiàn)研究中一個(gè)重要課題。單極子天線(xiàn)以其結構簡(jiǎn)單和全向輻射的特點(diǎn)，被廣泛應用于無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，由于單極子天線(xiàn)具有電尺寸過(guò)大和頻帶窄的特性，已經(jīng)不能很好地滿(mǎn)足設計的要求。并且天線(xiàn)的輸入阻抗隨頻率變化比較大，使天線(xiàn)呈現很高的輸入電抗(容性)，很難與50 Ω的同軸線(xiàn)匹配。人們采用多種措施來(lái)改善天線(xiàn)的性能，其中加載是適應這種小型化天線(xiàn)的典型技術(shù)。近年來(lái)有大量文獻開(kāi)展對這一方面的研究。

加載技術(shù)是天線(xiàn)工程中常用的小型化與寬帶化方法，通過(guò)在天線(xiàn)的適當位置加載電阻、電抗或導體來(lái)改善天線(xiàn)中的電流分布，從而達到改變天線(xiàn)的諧振頻率或者在同樣的工作頻率下降低天線(xiàn)的高度以及改變天線(xiàn)的輻射方向圖等目的。加載的元件可以是無(wú)源器件也可以是有源網(wǎng)絡(luò )，可以是線(xiàn)性元件也可以是非線(xiàn)性的，實(shí)際工程中最常用的是無(wú)源加載，如：頂部加載、介質(zhì)加載、串聯(lián)分布加載、集中加載等。對于工作頻率不高的情況常采用集中加載，而工作頻率較高時(shí)采用分布加載。因此通過(guò)加載技術(shù)是實(shí)現天線(xiàn)小型化最有效的途徑。

2 加載的應用

前人已經(jīng)做過(guò)很多關(guān)于加載天線(xiàn)的研究，Altshuler第一個(gè)根據傳輸線(xiàn)理論，將偶極子天線(xiàn)近似看作開(kāi)路傳輸線(xiàn)，在距離開(kāi)路末端1／4波長(cháng)處串聯(lián)一個(gè)等于開(kāi)路線(xiàn)特性阻抗的電阻，可以在天線(xiàn)上得到行波電流，從而使偶極子天線(xiàn)在較寬的頻帶內匹配良好。由于天線(xiàn)要求加載點(diǎn)到末端的距離為1／4波長(cháng)，若該條件不滿(mǎn)足，加載電阻的作用就會(huì )被削弱甚至不起作用。這樣很難在HF，V／UHF頻段繼續減小天線(xiàn)的尺寸。最近，BOag和Mittra等人提出用RLC并聯(lián)電路對單極子天線(xiàn)實(shí)行分段加載。同時(shí)借助遺傳算法和計算機模擬全局搜索最佳加載位置和加載元件值，成功設計了30～450 MHz單鞭和雙鞭加載天線(xiàn)。孫保華博士在綜合上述方法，結合加載快速處理技術(shù)以及GA與SA相結合的優(yōu)化設計方法設計制作了單鞭天線(xiàn)，進(jìn)一步優(yōu)化了天線(xiàn)的性能指標。雖然R，L，C及其組合加載可以減小天線(xiàn)尺寸，展寬天線(xiàn)帶寬。但是有耗元件的引入必將降低天線(xiàn)的輻射效率。阻抗加載天線(xiàn)是通過(guò)犧牲增益來(lái)獲得寬頻帶特性的，因此帶寬和增益之間是一對矛盾，尤其是當頻率較低、天線(xiàn)電長(cháng)度較小時(shí)，這種矛盾表現得更突出。在實(shí)際的通信中，往往要求天線(xiàn)既有好的帶寬又有可以接受的增益。因此，設計時(shí)必須在帶寬和增益之間做一個(gè)適當的選擇。

3 加載與其他技術(shù)的結合

由于單純的RLC加載對小型化天線(xiàn)設計具有局限性。在保證一定效率的前提下，要進(jìn)一步減小單極子天線(xiàn)的尺寸，還需要做進(jìn)一步的研究。其中彎折線(xiàn)天線(xiàn)和分形天線(xiàn)是適應設計發(fā)展的又一技術(shù)方法。如圖1所示。

分形技術(shù)有效地填充了有限空間區域，從而增加了天線(xiàn)的電長(cháng)度。這種特性可以大大降低天線(xiàn)的諧振頻率，同時(shí)還可獲得多頻帶或寬頻帶的特性。結合頂部加載技術(shù)可設計出結構緊湊的三維分形樹(shù)單極子天線(xiàn)，諧振頻率比相同高度的單極子天線(xiàn)要低得多。文獻阮成禮教授提出了一種加載準分形單極子天線(xiàn)，天線(xiàn)工作在3～30 MHz頻率范圍內，他的電尺寸比一般的加載單極子天線(xiàn)要小。

分形天線(xiàn)的構建具有相對的復雜性，相比之下，用彎折線(xiàn)構造在平面單極子天線(xiàn)頂端加載既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟，在能滿(mǎn)足天線(xiàn)設計指標性能前提下，彎折線(xiàn)是首選的加載結構不僅增加天線(xiàn)的輸入電阻，還提高輻射能力。文獻李緒平等提出了一種新型的矩形平面單極子天線(xiàn)，如圖3所示，上端采用彎折線(xiàn)增加了天線(xiàn)的電長(cháng)度，并在適當的位置加載，實(shí)現了天線(xiàn)的寬帶小型化的設計要求。

彎折線(xiàn)和分形線(xiàn)都是增加天線(xiàn)電長(cháng)度的有效手段，不僅便于調整低頻段駐波特性還有利于加載元件的引入，得以使天線(xiàn)獲得很好性能要求。

文獻采用混合遺傳算法設計了一副加載法向模螺旋天線(xiàn)，這種與加載結合的方法改進(jìn)了局部搜索能力差，收斂速度慢的缺點(diǎn)，使得加載多目標函數優(yōu)化效率提高很多。

4 加載的優(yōu)化設計

天線(xiàn)加載的優(yōu)化設計是一個(gè)非線(xiàn)性的問(wèn)題，所涉及的變量包括加載位置、加載元件、加載的組合形式等，是一個(gè)多變量的問(wèn)題。要建立一個(gè)合適的最優(yōu)化函數，當達到天線(xiàn)所需特性時(shí)，此函數有一個(gè)極小值。由于天線(xiàn)特性與天線(xiàn)參數有關(guān)，所以最優(yōu)化函數也是這些參數的函數。同時(shí)尋求合適的最優(yōu)化方法，使最優(yōu)化函數達到極小。借助計算機模擬和最優(yōu)化技術(shù)尋求加載的最優(yōu)解。

由于最優(yōu)化函數很難用一個(gè)簡(jiǎn)單的解析函數來(lái)表示，而傳統的最優(yōu)化算法或者需要目標函數的導數，或者只是局部的最優(yōu)化，或者雖為全局最優(yōu)化但計算量過(guò)大，使得常用的梯度法、單純形法等最優(yōu)化算法在天線(xiàn)加載優(yōu)化設計中難以實(shí)現。一種新的全域優(yōu)化搜索方法遺傳算法的出現解決了上述一些問(wèn)題。他是模擬自然界生物進(jìn)化過(guò)程與機制求解極值問(wèn)題的一類(lèi)自組織、自適應的人工智能技術(shù)。他只需要利用目標函數的取值信息，而不需要梯度等高價(jià)信息，適合于無(wú)表達式或有表達式的任何類(lèi)目標函數，具有可實(shí)現的并行計算行為。

5 結 語(yǔ)

隨著(zhù)天線(xiàn)小型化、寬帶化的進(jìn)一步發(fā)展，加載技術(shù)得到更多的應用。然而單純的加載已經(jīng)不能滿(mǎn)足天線(xiàn)集成化的發(fā)展需求，更多的是將加載技術(shù)和分形技術(shù)、折合單極子、寬帶匹配網(wǎng)絡(luò )、遺傳算法組合應用，這樣可以有效快速地設計較為理想的天線(xiàn)。將天線(xiàn)小型化技術(shù)有效地結合起來(lái)是未來(lái)天線(xiàn)設計的趨勢，有待進(jìn)一步的研究，他將擁有廣泛的應用前景。