CN113676265A - 一种确定有源单极天线功率增益的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定有源单极天线功率增益的方法，包括如下步骤：步骤1：假定有源网络的输入端口为1端口，输出端口为2端口，利用网络分析仪测量有源网络二端口散射参数的四个分量；步骤2：求得无源振子端输入反射系数和负载端输入反射系数；步骤3：仿真计算无源振子的电性能，得到有源单极天线无源振子的方向系数和效率；步骤4：计算有源单极天线的功率增益。本发明所公开确定有源单极天线功率增益的方法，将实测数据和计算数据相结合，原理简单，无需采用特殊仪器设备，可操作性强，准确度高。

Description

一种确定有源单极天线功率增益的方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别涉及该领域中的一种确定有源单极天线功率增益的方法。

背景技术

有源单极天线是短波接收天线的一种常用天线形式，它是将无源振子(如鞭天线等单极天线)和有源网络相结合，有源网络起到保护、匹配、放大作用，无源振子成为有源网络的输入部分，有源网络可看成无源振子的加载网络，通过有源网络的放大作用补偿无源振子天线本身的带宽和增益劣势，改善无源振子的阻抗特性，展宽工作频带，提高有源单极天线与整个接收***的信噪比，获得较高增益和实现天线的小型化。正如图1的有源单极天线原理框图所示，有源单极天线的信号流程是射频信号由无源振子感应得到，经具有保护、输入匹配、放大、输出匹配等复合功能的有源网络后，通过馈线传输到接收机。

因常用短波有源单极天线采用的匹配模式既不是功率匹配，也不是噪声匹配，而是电压匹配，使得有源网络与无源振子阻抗失配严重，常规方法采用仿真计算得到有源单极天线的功率增益，或者采用网络分析仪直接测试有源网络的S散射参数，再利用测试得到的|S₂₁|²乘以无源振子的增益作为有源单极天线的功率增益。前一种方法完全通过仿真计算，但有源网络中包含的有些器件很难准确建模，如传输线阻抗变换器等，因而误差较大，后一种方法虽然结合了实测数据，但由于有源网络输入端与网络分析仪测试端口失配严重，常规方法处理不完善，会给后续的短波通信链路设计和项目论证带来很大的误差。显然有必要设计一种能准确确定有源单极天线功率增益的方法，以便为短波通信链路的指标分配和项目论证提供指导和参考。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种确定有源单极天线功率增益的方法。

本发明采用如下技术方案：

一种确定有源单极天线功率增益的方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤1：假定有源网络的输入端口为1端口，输出端口为2端口，利用网络分析仪测量有源网络二端口S散射参数的四个分量S₁₁、S₁₂、S₂₁和S₂₂；

步骤2：利用网络分析仪测量无源振子和负载的输入阻抗，分别记为Z_g和Z_L，利用

求得无源振子端输入反射系数Γ_g和负载端输入反射系数Γ_L，结合S参数的定义，求得有源网络的效率K为：

步骤3：仿真计算无源振子的电性能，得到有源单极天线无源振子的方向系数D和效率η；

步骤4：有源单极天线的功率增益G_a由下式确定：

代入步骤1、步骤2和步骤3得到的各分量，即可计算得到有源单极天线的功率增益G_a；

当负载端完全匹配，即Γ_L＝0，有源单极天线的功率增益G_a简化成：

本发明的有益效果是：

本发明所公开确定有源单极天线功率增益的方法，结合短波有源单极天线的工作原理，充分考虑各端口的阻抗失配情况，利用实测有源单极天线的阻抗数据和有源网络的S散射参数，进行数据计算得到有源单极天线的功率增益。该方法将实测数据和计算数据相结合，原理简单，无需采用特殊仪器设备，可操作性强，准确度高，推导和计算出的有源单极天线功率增益能为短波通信链路的指标分配和项目论证提供指导和参考，以便根据短波通信链路对有源单极天线的增益要求，对有源网络和无源振子各部分的技术指标进行合理分配，进而有针对性的进行相应参数设计，避免设计余量过大造成资源浪费。还可缩短项目的研制周期，并显著增强其应用能力。

附图说明

图1是有源单极天线的原理框图；

图2是有源网络前后信号的传输示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据天线理论可知，表征天线性能的一个重要参数是功率增益。它是一个相对值，是和理想点源天线比较得到的。其定义为：在输入功率相同的条件下，被研究天线在最大辐射方向上某一接收点所得到的功率密度与理想点源天线在同一接收点得到的功率密度之比。根据天线原理知识，无源振子的功率增益G等于其方向系数D和效率η的乘积，即G＝Dη。

对于有源单极天线，它是由无源振子和有源网络组成，除了无源振子的增益外，还应包括有源网络的效率。这时，有源单极天线的功率增益可用式G_a＝KDη表示，这里K为有源网络的效率。它和无源振子的方向系数、效率没有直接关系，但它们各自以不同的方式影响着总增益。由于无源振子的方向系数D和效率η一般借助计算得到，当能准确测试得到有源网络的效率K，将能确定有源单极天线的功率增益。

从接收天线的角度来说，无源振子等效为电压为E，内阻为Z_g的电压源，Z_g是随频率变化的复数阻抗。当无源振子与负载(即接收机)***具有保护、输入匹配、放大和输出匹配功能的有源网络时，为确定有源网络的效率进而确定有源单极天线的功率增益，还涉及到无源振子、有源网络、负载与测试***的诸多匹配问题，当能准确测试有源单极天线相关阻抗数据和有源网络的S参数，就能处理得到有源单极天线的功率增益。

实施例1，本实施例公开了一种确定有源单极天线功率增益的方法，基于实测有源网络的二端口S散射参数和无源振子的输入阻抗、负载的输入阻抗，以及仿真计算的无源振子的方向系数和效率，推导计算得到有源单极天线的功率增益。

如图2所示，假定有源网络的输入端口为1端口，输出端口为2端口，a₁、b₁分别为1端口的入射波幅和出射波幅，a₂、b₂分别为2端口的入射波幅和出射波幅，b_g代表无源振子能向无反射有源网络提供的信号波幅。还假定Γ₁为有源网络1端口的输入反射系数，Γ_g、Γ_L分别为无源振子端和负载端的输入反射系数，S₁₁、S₁₂、S₂₁和S₂₂表示有源网络二端口S散射参数的四个分量。则无源振子的资用功率P_A为：

负载吸收的净功率P₂为：P₂＝|b₂|²-|a₂|²＝|b₂|²(1-|Γ_L|²)。

具体包括如下步骤：

步骤1：利用网络分析仪测量有源网络二端口S散射参数的四个分量S₁₁、S₁₂、S₂₁和S₂₂；

步骤2：利用网络分析仪测量无源振子和负载的输入阻抗，分别记为Z_g和Z_L，利用

求得无源振子端输入反射系数Γ_g和负载端输入反射系数Γ_L，结合S参数的定义，求得有源网络的效率K为：

步骤3：仿真计算无源振子的电性能，得到有源单极天线无源振子的方向系数D和效率η；

步骤4：有源单极天线的功率增益G_a由下式确定：

基于此有源单极天线的功率增益公式，代入实测的有源网络二端口S散射参数各分量、无源振子端输入反射系数Γ_g、负载端输入反射系数Γ_L，以及仿真计算的无源振子方向系数D和效率η，即可计算得到有源单极天线的功率增益G_a。

当负载端完全匹配，即Γ_L＝0，有源单极天线的功率增益G_a简化成：

此时仅测量有源网络二端口S散射参数的分量S₁₁、S₂₁，无源振子端输入反射系数Γ_g，以及仿真计算的无源振子方向系数D和效率η，就可以计算得到有源单极天线的功率增益G_a。

基于上述步骤，结合实测的输入阻抗、有源网络的S散射参数和计算得到的无源振子方向系数D、效率η，可以准确计算得到有源单极天线的功率增益，该方法充分考虑了各端口阻抗失配造成的影响，可操作性强，准确度高，推导和计算出的有源单极天线功率增益能为短波通信链路的指标分配和项目论证提供指导和参考，缩短项目的研制周期，具有很强的实用性。

Claims (1)

1.一种确定有源单极天线功率增益的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：假定有源网络的输入端口为1端口，输出端口为2端口，利用网络分析仪测量有源网络二端口S散射参数的四个分量S₁₁、S₁₂、S₂₁和S₂₂；

步骤2：利用网络分析仪测量无源振子和负载的输入阻抗，分别记为Z_g和Z_L，利用

求得无源振子端输入反射系数Γ_g和负载端输入反射系数Γ_L，结合S参数的定义，求得有源网络的效率K为：

步骤3：仿真计算无源振子的电性能，得到有源单极天线无源振子的方向系数D和效率η；

步骤4：有源单极天线的功率增益G_a由下式确定：

代入步骤1、步骤2和步骤3得到的各分量，即可计算得到有源单极天线的功率增益G_a；

当负载端完全匹配，即Γ_L＝0，有源单极天线的功率增益G_a简化成：

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