一种天线匹配网络及其匹配设计方法与流程

1.本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种天线匹配网络及其匹配设计方法。


背景技术：

2.天线匹配网络通过对天线进行阻抗匹配，实现较好地发送或接收一定频带宽度的无线电信号，同时抑制工作频带外的干扰信号。理论上说，天线匹配网络属于带通滤波器，技术指标主要包括频带宽度(带宽)、带内平坦度指标和带外衰减指标，其中反映天线匹配网络的带内平坦度指标在无线电测量技术中用驻波比指标(或行波系数指标)表示。
3.然而，目前的天线匹配网络设计方法，主要存在以下两个问题：一是天线端驻波比指标偏大时，实现较好的天线匹配网络的带宽指标和带内平坦度指标的设计方法比较复杂，一般技术人员不易掌握；二是现有天线匹配网络设计方法中使用高q值滤波器进行强抑制会严重影响带宽指标和驻波比指标达到设计要求，因此难以设计技术指标较好的多频率共用天线的匹配网络，在一些应用场景(如大功率的无线电发射)造成天线场地资源和天线资源的浪费。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提出一种天线匹配网络及其匹配设计方法。天线匹配网络结构包括预调网络、滤波网络、校正网络以及阻抗匹配网络；所述预调网络通过第一节点(1)连接所述滤波网络；所述滤波网络通过第二节点(2)连接至所述校正网络；所述校正网络通过第三节点(3)连接至阻抗匹配网络；所述阻抗匹配网络的阻抗节点为第四节点(4)。所述匹配设计方法包括使得第一节点和第三节点的等效阻抗参数最大限度满足低q值要求，而第二节点的干扰信号频率等效阻抗参数满足高q值要求，从而改进天线匹配网络的带宽、驻波比指标和抗干扰信号的指标，设计出满足技术指标要求的更多频率共用天线工作的匹配网络。
5.在本发明的第一个方面，提出一种天线匹配网络结构，所述天线匹配网络结构包括预调网络、滤波网络、校正网络以及阻抗匹配网络；所述预调网络通过第一节点连接所述滤波网络；所述滤波网络通过第二节点连接至所述校正网络；所述校正网络通过第三节点连接至阻抗匹配网络；所述阻抗匹配网络的阻抗节点为第四节点。
6.其中，所述预调网络为天线阻抗预调网络，所述天线阻抗预调网络对多个工作频点的天线阻抗的实频数据进行调节，使得所述第一节点处的所述多个工作频点的等效阻抗参数的q值为第一q值；
7.所述滤波网络为高q值阻抗匹配滤波网络，所述高q值阻抗匹配滤波网络对所述多个工作频点外的干扰频率进行阻塞滤波，使得所述第二节点的各工作频点干扰信号频率等效阻抗参数的q值为第二q值；
8.所述校正网络为匹配校正网络，所述匹配校正网络使所述滤波网络之后的所述第三节点处各工作频点等效阻抗参数的q值为第三q值；
9.其中，所述第一q值和所述第三q值为工作频率低q值，第二q值为干扰信号频率高q值。
10.在本发明的上述技术方案中，所谓q值，是指工作频点阻抗值(r jx)的虚部与实部的比值(q＝x/r)。
11.在本发明的第二个方面，提供一种匹配设计方法，用于对上述第一个方面的所述天线匹配网络进行参数设计。
12.更具体的，所述设计方法包括设计从天线端到电路输出/输入端的匹配网络，具体体现在：
13.测量或者计算获取所述多个工作频点的天线的等效阻抗参数；
14.根据获取的所述多个工作频点的天线的实频数据设计所述预调网络，使得所述第一节点的所述多个工作频点的等效阻抗参数最大限度满足低q值要求；
15.根据干扰信号频率设计所述滤波网络，所述滤波网络采用并联谐振网络阻塞所述干扰信号；
16.设计所述匹配校正网络，使所述第三节点处的所述多个工作频点的等效阻抗参数最大限度满足低q值的要求；
17.所述低q值的范围为[
‑
1,1]。
[0018]
更具体的，所述设计方法还有：
[0019]
根据获取的各工作频点天线的实频数据设计天线预调网络，在天线馈电点并联(或串联)预调网络，使得在天线预调网络之后的网络节点(第一节点)的各工作频点阻抗(r jx)最大限度满足低q值(q＝x/r)的要求—让尽量多的工作频点的等效阻抗参数的q值在
‑
1～ 1的范围之内；
[0020]
根据干扰信号频率设计阻抗匹配滤波网络，滤波网络可用并联谐振网络阻塞干扰信号，干扰信号频率不明确时可先不考虑添加特定的滤波网络(不论是否添加了特定的滤波网络，带有匹配校正网络的天线匹配网络都已经具有带通滤波作用)；
[0021]
通过设计匹配校正网络使第三节点处的工作频点等效阻抗参数(r jx)又满足低q值(q＝x/r)的要求—让尽量多的工作频点的等效阻抗参数的q值在
‑
1～ 1的范围之内，并使高频率工作频点的阻抗虚部值大于低频率频点阻抗虚部的值。
[0022]
所述匹配校正预调、滤波、校正和阻抗匹配网络由电抗性元件或电抗性网络构成。
[0023]
同时，当天线工作在单一工作频段时，预调网络一般由单一电抗元件就可以实现所述的低q值；当天线工作在多频率共用的工作方式时，预调网络通常需要设计为一个复合网络实现各个工作频段的低q值。
[0024]
采用本发明提供的天线匹配网络及其设计方法，可以改进工作频段的平坦度指标和带宽指标、提高抗干扰的技术指标，还能设计出满足技术指标要求的更多频率共用天线工作的匹配网络。
[0025]
本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]
图1是本发明一个实施例的一种天线匹配网络结构的子网络结构示意图
[0028]
图2是图1所述的一种天线匹配网络的具体实施例
[0029]
图3是图1或图2所述的天线匹配网络的匹配设计方法示意图
[0030]
图4是工作在单一频段的天线匹配网络的结构示意图
[0031]
图5是工作在复合频段的天线匹配网络的结构示意图
[0032]
图6
‑
图9是天线匹配网络结构的部分设计原理推导图
[0033]
图10
‑
图16是验证图4或图5所述天线匹配网络性能的部分参数表图
具体实施方式
[0034]
下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。
[0035]
需要指出的是，在本发明的各个实施例中给出的说明书附图描述仅仅是示意性的，不代表全部的具体的电路结构；
[0036]
本发明未特别明确的部分模块结构，以现有技术记载的内容为准。本发明在前述背景技术部分提及的现有技术可作为本发明的一部分，用于理解部分技术特征或者参数的含义。本发明的保护范围以权利要求实际记载的内容为准。
[0037]
参照图1，是本发明一个实施例的一种天线匹配网络结构的子网络结构示意图。
[0038]
在图1中，所述天线匹配网络结构包括预调网络、滤波网络、校正网络以及阻抗匹配网络。
[0039]
所述预调网络通过第一节点1连接所述滤波网络；所述滤波网络通过第二节点2连接至所述校正网络；所述校正网络通过第三节点3连接至阻抗匹配网络；所述阻抗匹配网络的阻抗节点为第四节点4。
[0040]
需要注意的是，根据实际场景的不同，所述滤波网络是可选的。
[0041]
尤其的，在实际设计中，需要根据干扰信号频率或者工作频段状态设计所述滤波网络。
[0042]
优选的，如果暂时无法获取干扰信号频率，则暂时不考虑设计所述滤波网络；即若所述干扰信号频率不明确，则所述天线匹配网络结构暂时不添加所述滤波网络。
[0043]
与此对应的，所述天线匹配网络工作调试时确定有干扰信号未能有效滤除后，应按照出现的干扰信号频段重新设计添加滤波网络，并重新设计匹配校正网络。优选的，天线匹配网络包括带通滤波器，所述带通滤波器的滤波频率与所述干扰信号的多种可能频率相对应。
[0044]
此外，若所述天线匹配网络工作在单一频段，也可不需要所述滤波网络，这一点将在后续实施例中具体提及。
[0045]
因此，在图1中，所述滤波网络采用虚线框形式表示。
[0046]
在图1基础上，进一步参见图2。
[0047]
在图2中，所述预调网络为天线阻抗预调网络，所述天线阻抗预调网络对多个工作频点的天线阻抗的实频数据进行调节，使得所述第一节点处的所述多个工作频点的等效阻抗参数的q值为第一q值；
[0048]
具体的，所述天线阻抗预调网络对各工作频点天线阻抗实频数据进行调节，调节变换后节点1处的各工作频点等效阻抗参数(r jx)能够满足低q值(x/r)要求；
[0049]
所述滤波网络为高q值阻抗匹配滤波网络，所述高q值阻抗匹配滤波网络对所述多个工作频点外的干扰频率进行阻塞滤波，使得所述第二节点的各工作频点干扰信号频率等效阻抗参数的q值为第二q值；
[0050]
所述校正网络为匹配校正网络，所述匹配校正网络使所述滤波网络之后的所述第三节点处各工作频点等效阻抗参数的q值为第三q值。
[0051]
具体的，在图2中，匹配校正网络使滤波网络之后节点3处各工作频点等效阻抗实频数据满足低q值要求。
[0052]
进一步的，所述阻抗匹配网络为匹配共轭网络，所述匹配共轭网络将所述第三节点处的等效天线阻抗匹配变换到第一预定阻抗值，并抵消所述多个工作频点的电抗分量。
[0053]
具体的，在图2中，匹配共轭网络将节点3处等效天线阻抗匹配变换到电路要求的阻抗值(如50欧姆)，并尽量抵消各工作频点的电抗分量。
[0054]
在图1
‑
图2所述的实施例中，所谓q值，是指工作频点阻抗值(r jx)的虚部与实部的比值(q＝x/r)。
[0055]
在上述实施例中，所述第一q值和所述第三q值的范围为[
‑
1,1]。
[0056]
所述多个工作频点包括高频率工作频点和低频率工作频点；
[0057]
所述高频率工作频点的阻抗虚部值大于低频率工作频点阻抗虚部值。
[0058]
所述匹配校正网络由电抗性元件或电抗性网络构成。
[0059]
图3进一步给出了所述天线匹配网路的具体设计步骤图。
[0060]
在图3中，所述设计步骤主要包括测量或者计算获取所述多个工作频点的天线的等效阻抗参数后，设计预调网络、设计滤波网络以及设计匹配校正网络；
[0061]
其中，所述设计滤波网络是可选的，因此采用虚线框表示。
[0062]
具体而言，在实际设计中，需要根据干扰信号频率或者工作频段状态考虑是否设计所述滤波网络。
[0063]
优选的，如果暂时无法获取干扰信号频率，则暂时不考虑设计所述滤波网络；即若所述干扰信号频率不明确，则所述天线匹配网络结构暂时不添加所述滤波网络。
[0064]
此外，如前所述，若所述天线匹配网络工作在单一频段，也可不需要所述滤波网络。
[0065]
不过，无论在何种情况下，所述匹配校正网络可以滤除部分所述干扰信号的可能频率。
[0066]
优选的，所述天线匹配网络包括带通滤波器，所述带通滤波器的滤波频率与所述干扰信号的多种可能频率相对应。
[0067]
不失一般性，以下从各个方面分别介绍所有子网络的设计原理。
[0068]
即测量或者计算获取所述多个工作频点的天线的等效阻抗参数；
[0069]
根据获取的所述多个工作频点的天线的实频数据设计所述预调网络，使得所述第一节点的所述多个工作频点的等效阻抗参数最大限度满足低q值要求；
[0070]
根据干扰信号频率设计所述滤波网络，所述滤波网络采用并联谐振网络阻塞所述干扰信号；
[0071]
设计所述匹配校正网络，使所述第三节点处的所述多个工作频点的等效阻抗参数最大限度满足低q值的要求；
[0072]
所述低q值的范围为[
‑
1,1]。
[0073]
更具体的，结合前述图2，本发明的各个实施例的主要理论原理可以概括为：
[0074]
设计天线匹配网络，使匹配网络的3个关键节点之中的节点1、节点3工作频点等效阻抗参数调节到低q值，节点2干扰频率调节到高q值，改进天线匹配网络技术指标(带宽、驻波比指标和抗干扰信号的指标)；
[0075]
其中，设计天线阻抗预调网络，对各工作频点天线阻抗实频数据进行调节，调节变换后节点1处的各工作频点等效阻抗参数(r jx)能够满足低q值(x/r)要求；
[0076]
设计高q值阻抗匹配滤波网络，对工作频率外的干扰频率进行阻塞滤波；
[0077]
设计匹配校正网络，使滤波网络之后节点3处各工作频点等效阻抗实频数据满足低q值要求；
[0078]
设计匹配共轭网络，将节点3处等效天线阻抗匹配变换到电路要求的阻抗值(如50欧姆)，并尽量抵消各工作频点的电抗分量。
[0079]
结合前述实施例，更具体的方案包括：
[0080]
测量或者计算获取各工作频点天线的等效阻抗参数；
[0081]
根据获取的各工作频点天线的实频数据设计天线预调网络，在天线馈电点并联(或串联)预调网络，使得在天线预调网络之后的网络节点(节点1)的各工作频点阻抗(r jx)最大限度满足低q值(q＝x/r)的要求—让尽量多的工作频点的等效阻抗参数的q值在
‑
1—— 1的范围之内；
[0082]
根据干扰信号频率设计阻抗匹配滤波网络，滤波网络可用并联谐振网络阻塞干扰信号，干扰信号频率不明确时可先不考虑添加特定的滤波网络(不论是否添加了特定的滤波网络，带有匹配校正网络的天线匹配网络都已经具有带通滤波作用)；
[0083]
通过设计匹配校正网络使节点3处的各工作频点等效阻抗参数(r jx)重又满足低q值(q＝x/r)的要求—让尽量多的工作频点的等效阻抗参数的q值在
‑
1— 1的范围之内，并使高频率工作频点的阻抗虚部值大于低频率频点阻抗虚部的值(个别高频率工作频点的阻抗虚部值不能调节到满足大于低频率工作频点的虚部值的条件是可能的，但不影响提升天线匹配网络的技术指标)。匹配校正网络由电抗性元件或电抗性网络构成；
[0084]
接下来参见图4
‑
图5。
[0085]
所述天线匹配网络结构工作在单一频段或者多频率频段；
[0086]
当所述天线匹配网络结构工作在单一频段时，由单一电抗元件组成所述预调网络，如图4所示；
[0087]
图4中，示出612khz单频天线匹配网络原理示例图，其中由匹配共轭网络、校正网络以及预调网络组成；
[0088]
当所述天线匹配网络结构工作在多频率频段时，所述预调网络设计为复合网络；，如图5所示。
[0089]
图5中，示出四频(612、900、1170、1503khz)天线匹配网络原理图。，其中由匹配共轭网络、校正网络、滤波网络以及复合预调网络组成；
[0090]
其中，通过与天线并联或者串联一个天线预调网络(通常是一个电抗性元件或一
个复合网络)来变换天线阻抗参数，使各个工作频点天线阻抗参数值变换到低q值。天线预调网络调节之后的节点1处各工作频点的等效阻抗参数(r jx)最大限度满足低q值(x/r)的要求—让尽量多的工作频点的等效阻抗参数的q值在
‑
1— 1的范围之内；
[0091]
当天线工作在单一工作频段时，预调网络一般由单一电抗元件(参见图4实例)就可以实现所述的低q值。
[0092]
当天线工作在多频率共用的工作方式时，预调网络通常需要设计为一个复合网络(参见图5实例)才能实现各个工作频段的低q值。
[0093]
在上述实施例中，通过测量或计算获取天线端和天线匹配网络各节点的阻抗实频数据。
[0094]
在天线匹配网络的关键节点(预调网络后的节点1及匹配校正网络后、匹配共轭网络前的节点3)，各工作频点阻抗值调节到低q值，可以使天线匹配网络工作频段有较好的平坦度；干扰信号频率设计高q值滤波器，可以较好地抑制干扰信号。
[0095]
依据所述原理，设计天线匹配网络时，通过设计天线匹配预调网络和匹配校正网络，使匹配网络的两个节点(节点1、节点3)，测量或者计算得到的工作频点等效阻抗实频数据的q值尽量小——让尽量多的工作频点的等效阻抗参数的q值在
‑
1— 1的范围之内。
[0096]
对于干扰信号频率的抑制，依据理论原理可以按高q值原则设计滤波器。当存在多个强干扰信号频率时，可以设计数个高q值滤波器一并使用，以满足对各种干扰信号频率的强抑制要求。滤波网络一般为并联谐振于干扰信号频率的网路，也可以扩展一个支路，采用旁路网络滤除干扰信号，旁路网络一般为串联谐振于干扰信号频率的网络。
[0097]
设计滤波网络：
[0098]
滤波网络的设计只需对工作频段外的各种强干扰信号频率进行阻塞或旁路，每个阻塞(旁路)网络可以阻塞(旁路)干扰信号的一个特定频段的频率，阻塞(旁路)网络的q值根据要被阻塞的干扰信号的强度设计。
[0099]
设计天线匹配校正网络：
[0100]
经过天线预调网络和滤波网络后的各频点阻抗参数，不一定仍符合“低q值”要求，为此需要设计串联一个匹配校正网络，对节点2处的阻抗参数实行平衡调节，使匹配校正网络后的节点3处各工作频点阻抗值重新符合“低q值”要求。
[0101]
除此之外，匹配校正网络后的节点阻抗参数在实行“低q值”的同时，还需要工作频段高频率频点的阻抗虚部值大于低频率频点阻抗虚部的值—这将有利于减少参与匹配变换的各工作频点的阻抗数据的偏离程度，提升天线匹配网络的带宽指标和平坦度指标(接下来的内容会简单分析原因。个别高频率工作频点的阻抗虚部值不能调节到小大于低频率工作频点的虚部值是可能的，不影响提升天线匹配网络的技术指标)。
[0102]
设计匹配共轭网络
[0103]
匹配共轭网络是将中心工作频率的阻抗匹配变换到电路要求的阻抗值(如50欧姆)并尽量抵消其它工作频点的电抗分量。
[0104]
具体的变换天线阻抗参数的原理可参见图6
‑
图9的示意图。
[0105]
图6—图9示意阻抗r1 jx1经过电抗jx22变换到r3 jx3，计算r3、x3的公式推导如下：
[0106][0107][0108][0109]
[0110][0111]
经匹配校正网络调节后的节点3的各频点阻抗值代入r1 jx1，通过jx22的匹配变换，便得到各频点的阻抗值r3 jx3，进行共轭抵消后，在节点4得到最终匹配到输出/输入电路要求的结果。
[0112]
匹配变换即调节jx22的值，使经过变换后中心工作频率频点的r3值等于电路要求的阻抗值。jx22用感性元件或感性网络可以实现，用容性元件或容性网络也可以实现，简单设计时可从感性匹配网络和容性匹配网络中选择一种平坦度指标相对好的匹配变换网络。
[0113]
从上述推导出的公式还可看出，除了jx22调节了最终匹配结果，经过天线匹配校正网络调节后的节点3处各频点jx 1值的分布情形影响了各工作频点最终匹配阻抗。进一步从公式分析x3受x1影响的变化关系，能够看出节点3阻抗参数在同时满足“低q值”和“工作频段高频率频点的阻抗虚部值大于低频率频点阻抗虚部的值”这两个要求后，可以减少匹配变换后的各工作频点的阻抗数据的偏离程度，提升天线匹配网络的带宽指标和平坦度指标。
[0114]
下面，通过部分具体实验图4、图5所标识的网络元件的参数值，验证图4或图5所述天线匹配网络的性能，具体可参见图10
‑
图16。
[0115]
图10是测试的中心频率为612khz和900khz、11个工作频点(带宽30khz)所得的天线阻抗数据，天线是高度为142.5米的垂直接地天线。受测试时干扰信号的影响，个别频点的数据看起来欠准确，为保持数据的真实性，在这里也未做校正。除天线数据实际测量外，图4、图5中匹配网络的元器件数据是用本发明介绍的方法设计后计算所得，方便计算验证。实施中，在不违反设计原理的前提下，元件参数可以在一定范围内调整。
[0116]
针对图4的实施例，提供了中心频率为612khz带宽30khz的设计方案。在该方案中，预调网络是通过并联一个1040pf的电容实现。图11显示了经过预调网络预调后的节点1处11个频点的天线阻抗数据，符合“低q值”原则。
[0117]
匹配校正网络设计为由两个并联网络组成，匹配校正网络调节后的节点3处各工作频点实频数据既满足“低q值”、又满足“高频率频点的阻抗虚部值大于低频率频点阻抗虚部的值”。节点3处的11个频点的阻抗数据显示在图12。
[0118]
该设计没有针对特定的干扰频率设计滤波网络，如有需要，按设计方法添加后重
新设计匹配校正网络即可。
[0119]
经过匹配共轭网络后的最终匹配技术指标达到了30khz带宽内驻波比优于1.2，见图13。
[0120]
在图5实例中，实现四个频率612khz、900khz、1170khz、1503khz共天线发射。
[0121]
四频率共天线工作时，天线预调网络部分比单频工作的情形要复杂，复杂的原因是四个共天线工作的频段频点要同时满足“低q值”原则。图14给出的四频率共天线工作的其中两个频率的工作频点经图5中天线预调网络调节后的阻抗数值。
[0122]
四频率共天线工作时，每个工作频率的匹配电路都需要设计对其它3个共天线工作的频率实现并联阻塞的滤波，为此我们设计了若干谐振于特定频率的并联网络进行阻塞滤波。为简便计，并联阻塞网络电感量统一取值50uh。
[0123]
共天线工作的每个频率阻塞滤波后要经过匹配校正网络的调节，图5显示了612khz、900khz两个频率的匹配校正网络元件参数，图15显示了匹配校正网络调节后节点处的频点阻抗数据。
[0124]
612khz、900khz两个频率经过匹配共轭网络后的最终匹配技术指标见图16，达到了20khz带宽内驻波比优于1.2，30khz内优于1.3。
[0125]
可以看出，本发明的优点至少包括：
[0126]
1、设计或调试天线匹配网络时，能够调节各工作频点等效阻抗实频数据(测量或计算获得的阻抗值r jx，下同)为低q值(指q的绝对值，q＝x/r)，有利于提升匹配网络的技术指标；
[0127]
2、在天线匹配网络结构中标注的4个节点(节点1、节点2、节点3和节点4)，其各频点等效阻抗参数值经过特定网络调节可以分别满足“低q值”要求、干扰信号滤波要求和实现电路匹配的要求；
[0128]
3、根据工作频点天线阻抗的实频数据和天线的工作方式设计天线预调网络(天线的工作方式是指天线是单频率还是多频率共用工作)，使节点1处各工作频点等效阻抗参数值满足“低q值”；
[0129]
4、根据干扰信号的频率设计滤波网络，使节点2处干扰信号频率保持高q值；
[0130]
5、设计匹配校正网络，使节点3处各工作频点的等效阻抗值重新调节到“低q值”，并尽量保持工作频点高频率点阻抗值的虚部高于低频率点阻抗值的虚部；
[0131]
6、设计匹配共轭网络实现电路要求的匹配阻抗。
[0132]
7、设计多频率共天线工作的匹配网络时，能够设计高q值并联阻塞网络隔离共天线工作的各个频率，完全消除各个频率间彼此间的串扰；
[0133]
8、设计多频率共天线工作的天线匹配网络，在保证消除各个频率互相之间串扰的同时，还能够兼顾得到更好的带宽指标和天线驻波比指标。
[0134]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。