基于非福斯特电路的电小天线宽带小型化研究

摘要

天线作为通信系统收发的前端部分，性能的好坏直接决定通信质量。而随着大规模集成电路和空间技术的发展，以及新型通信技术的应用，电子系统趋于宽带小型化，自然要求天线系统也必须具有宽带小型化的特点。然而天线电尺寸很小时，会呈现高Q值特性，从而天线的带宽和增益都会受到限制；同时由于有Bode-Fano约束条件的存在，高Q值天线在传统无源无耗情况下很难实现宽带匹配。因此，开展电小天线宽带小型化技术的研究具有极其重要的现实意义。
　　基于此，本文研究了电小天线的宽带匹配技术，以典型的直立单极子天线为例，利用匹配网络展宽天线的工作频带并实现天线的小型化。主要工作如下：
　　1.研究了有耗匹配网络，通过引入有耗元件来拓宽工作频带，网络拓扑结构由直接优化法计算得到。优化后的RLC网络综合考虑了带宽、增益和效率的平衡。研究结果表明，相比无源无耗匹配采用有耗匹配可以得到更大的带宽。
　　2.重点研究了非福斯特电路的匹配方式，通过设计一种具有负电抗特性的元件来抵消天线输入阻抗虚部，以此来突破Bode-Fano约束条件的限制，实现宽带匹配。负电抗元件由负阻抗变换器等效变换得到。结合传输矩阵和电网络理论，对负阻抗变换器进行了理论分析，确定了电路形式和元件参数，并进行了实验测试，测试结果表明：在10～100MHz的频率范围内成功地对100pF电容实行了负阻抗转换，其中在20～60MHz范围内转换效率大于90％。
　　3.对同一结构尺寸的天线分别采用无耗 T型网络、有耗网络以及非福斯特电路网络进行匹配，对各种匹配情况下天线的辐射性能进行了实验测试，测试频率范围为30～90MHz，测试结果表明：天线高度为λ/10时（λ为60MHz对应的波长），有耗匹配后工作频带为60～75MHz，频带内增益比T型匹配高8dB；非福斯特匹配后工作频带为50～80MHz，频带内增益比有耗匹配高5dB。天线高度每下降5cm，有耗匹配下带宽缩减约2MHz，增益下降约1dB；非福斯特匹配下带宽和增益相对稳定，天线高度能够减小到λ/12.5。实验验证了有耗匹配和非福斯特匹配均能拓宽电小天线的工作频带，而基于非福斯特电路的匹配带宽更大，天线辐射性能更好，是一种可行的宽带小型化技术。

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第一章 绪论

§1.1 研究背景和意义

§1.2 国内外研究现状

§1.3 本文研究的主要内容

第二章 电小天线的基本理论

§2.1 电小天线的基本概念

§2.2 电小天线的基本指标

§2.3 电小天线的基本限制

§2.4 本章小结

第三章 无源宽带匹配网络的研究

§3.1 Bode-Fano约束条件

§3.2 电小天线

§3.3 传统无耗匹配

§3.4 有耗匹配网络

§3.5 本章小结

第四章 非福斯特电路匹配网络的研究

§4.1 福斯特电抗定理

§4.2 非福斯特匹配原理

§4.3 负阻抗变换器的研究

§4.4非福斯特电路匹配网络的设计

§4.5 本章小结

第五章 不同匹配方式下电小天线的实验测试

§5.1 电小天线实物

§5.2 电小天线的实验测试

§5.3 本章小结

第六章 结束语

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果