加載技術在天線小型化設計中的研究

摘 要：研究學習了加載技術及其與其他小型化、寬帶化技術的組合應用，并介紹了加載的優化設計，通過最優化分析尋求加載的最優位置、加載形式、元件值，從而設計滿足指標要求的寬帶小型化天線。由于天線的方向系數、效率、帶寬和體積尺寸等構成矛盾的關系，如何協調和折衷上述關系獲得最佳天線結構，成為寬帶小型化天線設計的核心問題。研究表明，將加載和其他技術的整合應用是未來天線設計的發展趨勢。

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關鍵詞：加載技術；分形技術；彎折線；遺傳算法

中圖分類號：TN82文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)07-017-02

Research on Loading Technology for Miniature and Broadband Antenna Design

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DUAN Wentao1，LI Simin2

(1.School of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology，Guilin，541004，China;

2.Office of University Presidents，Guilin University of Electronic Technology，Guilin，541004，China)

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Abstract：The paper studies antenna loaded and combines with other miniature and broadband technology，and introduces optimization of loading design.It can be obtained the best load location，form and element numerical value by optimization.Thus a design satisfies the target request the wide band miniaturization antenna.As a result of the antenna directive coefficient，the efficiency，the band width and the volume size and so on are the constitution contradictory relations，how coordinated and the compromised above relations obtain the best antenna structure，becomes core question which the wide band miniaturization antenna designs.The research indicates load combines with other technology will be the trend of antenna design.

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Keywords：loaded technology;fractal;meander line;genetic algorithm

1 引 言

隨著現代軍事通信系統中跳頻、擴頻等技術的應用，天線作為通信設備的前端部件，對通信質量起著至關重要的作用。然而傳統的天線形式和功能在一定程度上不能跟上通信系統小型化的發展需求，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。單極子天線以其結構簡單和全向輻射的特點，被廣泛應用于無線通信領域，由于單極子天線具有電尺寸過大和頻帶窄的特性，已經不能很好地滿足設計的要求。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，其中加載是適應這種小型化天線的典型技術。近年來有大量文獻開展對這一方面的研究。

加載技術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、電抗或導體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絡，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、介質加載、串聯分布加載、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。因此通過加載技術是實現天線小型化最有效的途徑。

2 加載的應用

前人已經做過很多關于加載天線的研究，Altshuler第一個根據傳輸線理論，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頻段繼續減小天線的尺寸。最近，Boag和Mittra等人提出用RLC并聯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，結合加載快速處理技術以及GA與SA相結合的優化設計方法設計制作了單鞭天線，進一步優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，設計時必須在帶寬和增益之間做一個適當的選擇。

3 加載與其他技術的結合

由于單純的RLC加載對小型化天線設計具有局限性。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設計發展的又一技術方法。如圖1所示。

分形技術有效地填充了有限空間區域，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寬頻帶的特性。結合頂部加載技術可設計出結構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，他的電尺寸比一般的加載單極子天線要小。 

分形天線的構建具有相對的復雜性，相比之下，用彎折線構造在平面單極子天線頂端加載既簡單又經濟，在能滿足天線設計指標性能前提下，彎折線是首選的加載結構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，并在適當的位置加載，實現了天線的寬帶小型化的設計要求。

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計了一副加載法向模螺旋天線，這種與加載結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優化效率提高很多。

4 加載的優化設計

天線加載的優化設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化函數，當達到天線所需特性時，此函數有一個極小值。由于天線特性與天線參數有關，所以最優化函數也是這些參數的函數。同時尋求合適的最優化方法，使最優化函數達到極小。借助計算機模擬和最優化技術尋求加載的最優解。

由于最優化函數很難用一個簡單的解析函數來表示，而傳統的最優化算法或者需要目標函數的導數，或者只是局部的最優化，或者雖為全局最優化但計算量過大，使得常用的梯度法、單純形法等最優化算法在天線加載優化設計中難以實現。一種新的全域優化搜索方法遺傳算法的出現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、自適應的人工智能技術。他只需要利用目標函數的取值信息，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，具有可實現的并行計算行為。

5 結 語

隨著天線小型化、寬帶化的進一步發展，加載技術得到更多的應用。然而單純的加載已經不能滿足天線集成化的發展需求，更多的是將加載技術和分形技術、折合單極子、寬帶匹配網絡、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。將天線小型化技術有效地結合起來是未來天線設計的趨勢，有待進一步的研究，他將擁有廣泛的應用前景。

參 考 文 獻

［1］阮成禮，王春.小型化準分形加載單極子天線［J］.電波科學學報，2006，21(5):727-730.

［2］李緒平，史小衛，鄭會利.小型化平面單極子天線的研究［J］.火控雷達技術，2005，34(4):37-52.

3］Alona Boag，Amir Boag，Eric Michielssen，et al.Design of Electrically Loaded Wire Antennas Using Genetic Algorithm ［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1996，44(5):687-695.

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［4］Shawn D Eogers，Butler M，Martin Q.Design and Realization of GA-optimized Wire Monopole and Matching Network with 20:1 Bandwidth ［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2003，51(3):493-502.

［5］B.D.波波維奇.導線天線的分析與綜合［M］.北京:人民郵電出版社，1987.

［6］紀奕才，劉其中，尹應增，等.混合遺傳算法優化設計寬帶加載螺旋天線［J］.電波科學學報，2005，20(2):260-264.

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作者簡介 段文濤 男，1982年出生，河南人，碩士。主要從事寬帶小型化天線的研究。

李思敏 男，1963年出生，江蘇人，教授，中國電子學會高級會員。主要從事電磁場理論、天線設計與理論等。