1.前言

無人機(jī)的安全防范和管控，已經(jīng)成為無人機(jī)行業(yè)的重點(diǎn)內(nèi)容。無人機(jī)探測解決方案已經(jīng)變得非常重要。前面系列文章給出了針對無人機(jī)偵察和干擾無人機(jī)的天線陣設(shè)計，上一期文章中，我們給出一種小型化的無人機(jī)偵測天線，每個陣元都是偶極子天線，該天線陣具有體積小、增益高等特點(diǎn)。

?圖1 多旋翼無人機(jī)

?圖2測向天線

?圖3測向軟件

2.偶極子陣子等效電路

對同軸饋電的的偶極子天線，同軸線的內(nèi)芯連接上臂，同軸線的外皮連接下臂實(shí)現(xiàn)饋電和匹配，如下圖所示，同軸線內(nèi)芯和屏蔽層中電流方向相反，加到天線的兩個臂上，剛好是同向的。

此時天線輸入阻抗是一定的，而電路的端口不一定相同，這時就出現(xiàn)因阻抗不匹配引起的反射等一系列問題。

圖4 偶極子天線饋電

可見，對于一個寬帶測向系統(tǒng)而言，如何實(shí)現(xiàn)更好的阻抗匹配是非常重要的，很有必要研究偶極子天線的等效電路模型，這里先給出由3個集總元器件組成的等效電路，對其進(jìn)行研究。

2.1三元等效電路

圖5給出了三個元器件的構(gòu)成的偶極子等效電路，該電路由一個電容、一個電阻和一個電感組成。

?圖5 由三個元器件組成的等效電路

上圖中的C由以下公示確定：

式中，X是天線的電抗，如果將偶極子天線的物理尺寸和X建立關(guān)系，則可以得到以下等式：

?電感L和電阻R則由以下公式給出：

?以上公式可以精準(zhǔn)的計算出等效電路中的L、C值。

2.2四元等效電路

為了解決三元等效電路中R計算精度的問題，這里給出了采用四個元器件的等效電路，如下圖所示。該電路由兩個電容、一個電感和一個電阻組成，與三元素等效電路不同的地方是，該新電路引入一個電容和L、R構(gòu)成一個新的諧振電路。

?圖6 四元等效電路

對應(yīng)的四個元件值如下：

按照以上公式分別得到不同偶極子天線長度下阻抗誤差。

?圖7 陣子長度為0.1波長時的電阻計算誤差

下圖是陣子長度0.2波長時的計算誤差。

?圖8 陣子長度為0.2波長時的電阻計算誤差

下圖是陣子長度0.25波長時的計算誤差。

?圖9 陣子長度為0.25波長時的電阻計算誤差

下圖是陣子長度0.3波長時的計算誤差。

?圖10 陣子長度為0.3波長時的電阻計算誤差

可知，該四元等效電路在0.3波長的范圍內(nèi)都具有較好的精度，滿足日常工程設(shè)計要求。

3.等效電路在1.55GHz天線設(shè)計上的工程應(yīng)用

3.1 偶極子天線EM模型

結(jié)合實(shí)際1.55GHz偶極子天線設(shè)計，給出應(yīng)用實(shí)例。為了驗(yàn)證等效電路的準(zhǔn)確性，這里使用Python建立一個簡單的偶極子天線，圖11和圖12分別是該天線的輻射特性和S曲線。

?圖11 1.55GHz偶極子天線

?圖 12 HFSS給出的S曲線

3.2 偶極子天線的等效電路模型

首先，依據(jù)測向天線的陣子實(shí)際物理尺寸由上述公式得到對應(yīng)的電容C、電感L以及電阻R參數(shù);

其次，由各元器件參數(shù)計算得到1.55GHz偶極子陣子的阻抗。

最后，得到該等效電路的S曲線如下圖所示，該等效電路的S曲線與上述的EM仿真給出的曲線十分契合，有效的證明了其在天線工作頻段內(nèi)的有效性與準(zhǔn)確性。

?圖13等效電路給出的S曲線

圖14是該等效電路給出的天線的電抗特性。

?圖14 1.55GHz天線的電抗

圖15是對該天線陣子分別建立三元等效電路與四元等效電路后，由python計算得到的曲線圖，圖中藍(lán)色曲線為四元等效電路計算誤差，紅色曲線為三元等效電路計算誤差，可見前者較后者的誤差大幅減小，意味著工程師優(yōu)先使用四元等效電路對天線進(jìn)行電路特性分析，實(shí)現(xiàn)特定頻段下的阻抗匹配效果。

?圖15 兩種等效電路計算誤差對比

小結(jié)

四元等效電路有效地減小了偶極子天線阻抗的計算誤差。實(shí)際應(yīng)用中，工程師依據(jù)測向天線陣子的尺寸，根據(jù)上述給出的電路參數(shù)計算公式，實(shí)現(xiàn)快速選擇匹配電路，優(yōu)化天線的駐波比，改善天線的電路指標(biāo)。

作者：江右射頻

來源：射頻問問 https://www.rfask.net/article-728.html

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