加載技術(shù)在天線小型化設(shè)計中的研究

1引 言

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

加載技術(shù)是天線工程中常用的小型化與寬帶化方法，通過在天線的適當位置加載電阻、電抗或?qū)w來改善天線中的電流分布，從而達到改變天線的諧振頻率或者在同樣的工作頻率下降低天線的高度以及改變天線的輻射方向圖等目的。加載的元件可以是無源器件也可以是有源網(wǎng)絡(luò)，可以是線性元件也可以是非線性的，實際工程中最常用的是無源加載，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，而工作頻率較高時采用分布加載。因此通過加載技術(shù)是實現(xiàn)天線小型化最有效的途徑。

2加載的應(yīng)用

前人已經(jīng)做過很多關(guān)于加載天線的研究，Altshuler第一個根據(jù)傳輸線理論，將偶極子天線近似看作開路傳輸線，在距離開路末端1／4波長處串聯(lián)一個等于開路線特性阻抗的電阻，可以在天線上得到行波電流，從而使偶極子天線在較寬的頻帶內(nèi)匹配良好。由于天線要求加載點到末端的距離為1／4波長，若該條件不滿足，加載電阻的作用就會被削弱甚至不起作用。這樣很難在HF，V／UHF頻段繼續(xù)減小天線的尺寸。最近，BOag和Mittra等人提出用RLC并聯(lián)電路對單極子天線實行分段加載。同時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(shè)計了30～450 MHz單鞭和雙鞭加載天線。孫保華博士在綜合上述方法，結(jié)合加載快速處理技術(shù)以及GA與SA相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計方法設(shè)計制作了單鞭天線，進一步優(yōu)化了天線的性能指標。雖然R，L，C及其組合加載可以減小天線尺寸，展寬天線帶寬。但是有耗元件的引入必將降低天線的輻射效率。阻抗加載天線是通過犧牲增益來獲得寬頻帶特性的，因此帶寬和增益之間是一對矛盾，尤其是當頻率較低、天線電長度較小時，這種矛盾表現(xiàn)得更突出。在實際的通信中，往往要求天線既有好的帶寬又有可以接受的增益。因此，設(shè)計時必須在帶寬和增益之間做一個適當?shù)倪x擇。 3加載與其他技術(shù)的結(jié)合

由于單純的RLC加載對小型化天線設(shè)計具有局限性。在保證一定效率的前提下，要進一步減小單極子天線的尺寸，還需要做進一步的研究。其中彎折線天線和分形天線是適應(yīng)設(shè)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(qū)域，從而增加了天線的電長度。這種特性可以大大降低天線的諧振頻率，同時還可獲得多頻帶或?qū)?strong>頻帶的特性。結(jié)合頂部加載技術(shù)可設(shè)計出結(jié)構(gòu)緊湊的三維分形樹單極子天線，諧振頻率比相同高度的單極子天線要低得多。文獻[1]阮成禮教授提出了一種加載準分形單極子天線，天線工作在3～30 MHz頻率范圍內(nèi)，他的電尺寸比一般的加載單極子天線要小。

分形天線的構(gòu)建具有相對的復(fù)雜性，相比之下，用彎折線構(gòu)造在平面單極子天線頂端加載既簡單又經(jīng)濟，在能滿足天線設(shè)計指標性能前提下，彎折線是首選的加載結(jié)構(gòu)不僅增加天線的輸入電阻，還提高輻射能力。文獻[2]李緒平等提出了一種新型的矩形平面單極子天線，如圖3所示，上端采用彎折線增加了天線的電長度，并在適當?shù)奈恢眉虞d，實現(xiàn)了天線的寬帶小型化的設(shè)計要求。

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

文獻[6]采用混合遺傳算法設(shè)計了一副加載法向模螺旋天線，這種與加載結(jié)合的方法改進了局部搜索能力差，收斂速度慢的缺點，使得加載多目標函數(shù)優(yōu)化效率提高很多。

4加載的優(yōu)化設(shè)計

天線加載的優(yōu)化設(shè)計是一個非線性的問題，所涉及的變量包括加載位置、加載元件、加載的組合形式等，是一個多變量的問題。要建立一個合適的最優(yōu)化函數(shù)，當達到天線所需特性時，此函數(shù)有一個極小值。由于天線特性與天線參數(shù)有關(guān)，所以最優(yōu)化函數(shù)也是這些參數(shù)的函數(shù)。同時尋求合適的最優(yōu)化方法，使最優(yōu)化函數(shù)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(shù)很難用一個簡單的解析函數(shù)來表示，而傳統(tǒng)的最優(yōu)化算法或者需要目標函數(shù)的導(dǎo)數(shù)，或者只是局部的最優(yōu)化，或者雖為全局最優(yōu)化但計算量過大，使得常用的梯度法、單純形法等最優(yōu)化算法在天線加載優(yōu)化設(shè)計中難以實現(xiàn)。一種新的全域優(yōu)化搜索方法遺傳算法的出現(xiàn)解決了上述一些問題。他是模擬自然界生物進化過程與機制求解極值問題的一類自組織、自適應(yīng)的人工智能技術(shù)。他只需要利用目標函數(shù)的取值信息，而不需要梯度等高價信息，適合于無表達式或有表達式的任何類目標函數(shù)，具有可實現(xiàn)的并行計算行為。 5 結(jié) 語

隨著天線小型化、寬帶化的進一步發(fā)展，加載技術(shù)得到更多的應(yīng)用。然而單純的加載已經(jīng)不能滿足天線集成化的發(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(yīng)用，這樣可以有效快速地設(shè)計較為理想的天線。將天線小型化技術(shù)有效地結(jié)合起來是未來天線設(shè)計的趨勢，有待進一步的研究，他將擁有廣泛的應(yīng)用前景。