基于加載技術(shù)在天線小型化設(shè)計

　　1 引言

　　隨著現(xiàn)代軍事通信系統(tǒng)中跳頻、擴(kuò)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。　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(dāng)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(dá)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(diǎn)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(jī)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(jìn)一步優(yōu)化了天線的性能指標(biāo)。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(dāng)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(dāng)?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(jìn)一步減小單極子天線的尺寸，還需要做進(jìn)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。

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　　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)掝l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(xiàn)阮成禮教授提出了一種加載準(zhǔn)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(jì)，在能滿足天線設(shè)計指標(biāo)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(xiàn)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(dāng)?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(xiàn)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(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(biāo)函數(shù)優(yōu)化效率提高很多。

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