專利名稱：天線等效電路模型的建立方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天線等效電路模型的建立方法，屬于信息技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景超寬帶(UWB: Ultra Wideband)通信技術(shù)是一種新型的無線通信技術(shù)，它 在高速室內(nèi)無線通信、目標(biāo)定位、測距和無線局域網(wǎng)等方面都有著潛在而廣泛 的應(yīng)用。在UWB通信系統(tǒng)里，超寬帶天線發(fā)射和接收的時(shí)域波形很窄，需要有 很寬的頻帶寬度。由于超寬帶天線所具有不同于傳統(tǒng)天線的特點(diǎn)，加上美國聯(lián) 邦通信委員會(FCC)所頒布的頻譜規(guī)則和有效全向輻射功率級別對信號空中接 口的限制，使得天線工程師在設(shè)計(jì)UWB通信系統(tǒng)時(shí)，不能僅僅是單獨(dú)地考慮和 評估UWB天線，而是應(yīng)從源脈沖發(fā)生電路和天線一體化協(xié)同設(shè)計(jì)的角度出發(fā)， 這就有必要對UWB天線進(jìn)行時(shí)域建模，建立合適的天線等效電路模型?，F(xiàn)有的 天線等效電路模型包括圖形擬合法、傳輸線法、集總電路元件擬合法、全向小 天線Foster建模法、增廣模型法。它們普遍存在的缺點(diǎn)是只能在有限的頻帶里 提供有限的精度，而且建立方法不夠簡便，適用范圍有限制，不能廣泛地應(yīng)用 于超寬帶天線的等效電路建模。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種方法簡單、方便實(shí)用，適用范圍廣泛，有明確而 嚴(yán)格的電路表述，便于計(jì)算天線性能和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)同仿真的天線等效電路模型 的建立方法。為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明提出的天線等效電路模型的建立方法，包括以 下步驟(1) 建立天線的初始電路模型；(2) 計(jì)算天線實(shí)際導(dǎo)納與其初始電路模型導(dǎo)納的差值；(3) 對差值進(jìn)行有理多項(xiàng)式擬合，得到相應(yīng)的宏模型；(4) 把宏模型轉(zhuǎn)化為等效電路模型(即SPICE等效電路)；(5) 合并初始電路模型與宏模型電路，得到天線等效電路模型。 上述方法中，步驟(1)所說的建立天線初始電路模型的方法為采用LC串聯(lián)諧振電路和LRC并聯(lián)諧振電路相連的電路作為天線的初始電路模型；確定天線的工作帶寬和諧振頻率^ ，根據(jù)A =~^得到初始電路模型的電感電容值；由電路仿真軟件微調(diào)初始電路模型的電容電感電阻值，使初始電路模型的 導(dǎo)納在諧振頻率點(diǎn)處等于天線的實(shí)際導(dǎo)納。這里，電路仿真軟件可采用美國 Cadence公司的OrCAD PSpice 9.2軟件。上述方法中，步驟(2)所說的計(jì)算天線實(shí)際導(dǎo)納與天線初始電路模型導(dǎo)納的差值的方法為1)由天線仿真軟件得到天線的實(shí)際導(dǎo)納；2)由電路仿真軟件(PSpice9.2)得到天線初始電路模型的導(dǎo)納；3)兩者在對應(yīng)頻率點(diǎn)相減得到差 值。這里，天線仿真軟件可采用美國Remcom公司的XFDTD6.0軟件。上述方法中，步驟(3)所說的對差值進(jìn)行有理多項(xiàng)式擬合的方法為采用 矢量擬合(vector-fitting)方法對差值進(jìn)行擬合，得到有理多項(xiàng)式如式(l)所示， 即為差值對應(yīng)的宏模型，<formula>formula see original document page 4</formula>其中Y^^00為宏模型，A:,.為留數(shù)，A為極點(diǎn)，"為常數(shù)項(xiàng)，e為比例項(xiàng)， ^為復(fù)頻率。上述方法中，步驟(4)所說的把宏模型轉(zhuǎn)化為SPICE等效電路的方法為 將有理多項(xiàng)式中的常數(shù)項(xiàng)"建模為一個(gè)電阻；比例項(xiàng)^C建模為一個(gè)電容；若極點(diǎn)A為實(shí)數(shù)時(shí)，則7^"建模為一個(gè)電阻串聯(lián)一個(gè)電感，若極點(diǎn)A為復(fù)數(shù)時(shí)，則Tz^r建模為電阻電感電容的混聯(lián)電路，這樣可將宏模型轉(zhuǎn)化為等效的SPICE組合電路。上述方法中，步驟(5)所說的合并初始電路模型與宏模型電路的方法為把天線的初始電路模型與差值所對應(yīng)的宏模型電路并聯(lián)，并對初始電路模型元件參數(shù)值在電路仿真軟件(PSpice 9.2)里進(jìn)行微調(diào)，以便消除并聯(lián)的宏模型電 路對導(dǎo)納曲線產(chǎn)生的微擾，最終得到與天線實(shí)際導(dǎo)納數(shù)據(jù)完全吻合的等效電路本發(fā)明提供的天線等效電路模型的建立方法，建立方法簡單、方便實(shí)用， 適用范圍廣泛，有明確而嚴(yán)格的電路表述，便于計(jì)算天線性能和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)同 仿真，能夠用于超寬帶(UWB)無線傳輸系統(tǒng)中的超寬帶天線的等效電路模型的建立。


圖1是偶極子天線的初始電路模型； 圖2是偶極子天線初始電路模型的導(dǎo)納擬合結(jié)果； 圖3是偶極子天線宏模型轉(zhuǎn)化的SPICE等效電路； 圖4是偶極子天線最終等效電路模型導(dǎo)納擬合結(jié)果。
具體實(shí)施方式
以偶極子(dipole)天線的等效電路模型的建立為例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的 說明。具體步驟如下(1) 確定天線的初始電路模型；根據(jù)FCC的規(guī)定，選取所需的適合超寬帶應(yīng)用的dipole天線。工作頻率范 圍3.1-10.6GHz,諧振頻率為6GHz，選擇dipole天線長度為2.5cm。采用圖1所示的LC串聯(lián)諧振電路和LRC并聯(lián)諧振電路相連的電路作為所 需要的初始電路模型，通過計(jì)算叫=*,并在電路仿真軟件(PSpice9.2)里調(diào)整電容電感電阻值，使初始電路模型的導(dǎo)納在諧振頻率6GHz處等于天線的實(shí) 際導(dǎo)納，得到電路元件值如下C,0.1pF， Z^12nH， C2= 0.1 pF， ￡2=50nH, and《。rf=100Q。圖2顯示了該模型的等效導(dǎo)納和天線的實(shí)際導(dǎo)納對比圖，由圖可見，該電路的等效導(dǎo)納在天線諧振點(diǎn)處與天線的實(shí)際導(dǎo)納值相吻合。(2) 計(jì)算天線實(shí)際導(dǎo)納與天線初始電路模型導(dǎo)納的差值； 按照天線實(shí)際導(dǎo)納與天線初始電路模型導(dǎo)納的差值計(jì)算方法，先由天線仿真軟件(XFDTD6.0)得到天線的實(shí)際導(dǎo)納，再由電路仿真軟件(PSpice9.2)得 到天線初始電路模型的導(dǎo)納，兩者在對應(yīng)頻率點(diǎn)相減即可得到差值Y^(^)(關(guān)于頻率點(diǎn)的一組值)。(3) 對差值進(jìn)行有理多項(xiàng)式擬合，得到相應(yīng)的宏模型；采用vector-fitting方法進(jìn)行精確擬合，得到如式(l)所示的有理多項(xiàng)式，Y腿。W = Z"1"" + " ^用美國Mathworks公司的MATLAB7.1軟件求出相應(yīng)的、 ， ， d ， e的值， 其值分別為( kl, k2, k3， k4 ) = 1.0e+007 * ( -0.2310 + 1.7158i， -0.2310 - 1.7158i， 0.5988 + 0.7113i, 0.5988畫0.7113i ); (pl, p2, p3， p4)= 1.0e+010 * (-0.2975 + 3.0516i， -0.2975 - 3.0516i， -0.8294 + 6.2689i， -0.8294 - 6.2689i ); d=0.0015; e=4.0383e-014。(4) 把宏模型轉(zhuǎn)化為SPICE等效電路；將有理多項(xiàng)式中的常數(shù)項(xiàng)"建模為一個(gè)電阻，比例項(xiàng)^e建模為一個(gè)電容，本例極點(diǎn)A為復(fù)數(shù)，則"^"建模為電阻電感電容的混聯(lián)電路，如圖3所示，■S —其值分別為R0=674.78Q， R1=48400Q， R2=31087Q， R3=-46208 Q ， R4=-11956Q ; C0=4.04 e-014F， Cl=-8.8e-017F,C2=1.264e+015F; Ll=-2.164e-007H: L2=8.35e-008H。這樣就可以把宏模型轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的SPICE等效電路。(5) 合并初始電路模型與宏模型電路，得到天線等效電路模型。 把天線的初始電路模型與差值所對應(yīng)的宏模型電路并聯(lián)，并對初始電路模型元件參數(shù)值在電路仿真軟件(PSpice 9.2)里進(jìn)行微調(diào)，得到天線等效電路模 型。最終天線等效電路模型的導(dǎo)納擬合效果如圖4所示，由圖可見，在天線的 工作頻率范圍內(nèi)，對天線的導(dǎo)納擬合效果非常理想。
權(quán)利要求
1、天線等效電路模型的建立方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)建立天線的初始電路模型；(2)計(jì)算天線實(shí)際導(dǎo)納與其初始電路模型導(dǎo)納的差值；(3)對差值進(jìn)行有理多項(xiàng)式擬合，得到相應(yīng)的宏模型；(4)把宏模型轉(zhuǎn)化為等效電路模型；(5)合并初始電路模型與宏模型電路，得到天線等效電路模型。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線等效電路模型的建立方法，其特征在于步驟(1) 所說的建立天線初始電路模型的方法為采用LC串聯(lián)諧振電路和LRC并 聯(lián)諧振電路相連的電路作為天線的初始電路模型；確定天線的工作帶寬和諧振頻率^，根據(jù)^=*得到初始電路模型的電感電容值；由電路仿真軟件微調(diào)初始電路模型的電容電感電阻值，使初始電路模型的導(dǎo)納在諧振頻率點(diǎn)處等于 天線的實(shí)際導(dǎo)納。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線等效電路模型的建立方法，其特征在于步驟(2) 所說的計(jì)算天線實(shí)際導(dǎo)納與天線初始電路模型導(dǎo)納的差值的方法為-1) 由天線仿真軟件得到天線的實(shí)際導(dǎo)納；2) 由電路仿真軟件得到天線初始電路模型的導(dǎo)納；3) 兩者在對應(yīng)頻率點(diǎn)相減得到差值。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線等效電路模型的建立方法，其特征在于步驟(3) 所說的對差值進(jìn)行有理多項(xiàng)式擬合的方法為采用矢量擬合方法對差值進(jìn) 行擬合，得到有理多項(xiàng)式如式(l)所示，即為差值對應(yīng)的宏模型，其中Y目w("為宏模型，^為留數(shù)，A為極點(diǎn)，flf為常數(shù)項(xiàng)，e為比例項(xiàng)， S為復(fù)頻率。
全文摘要
本發(fā)明公開的天線等效電路模型的建立方法，首先建立天線的初始電路模型，計(jì)算天線實(shí)際導(dǎo)納與其初始電路模型導(dǎo)納的差值，接著對差值進(jìn)行有理多項(xiàng)式擬合，得到相應(yīng)的宏模型，并把宏模型轉(zhuǎn)化為等效電路模型，最終合并初始電路模型與宏模型電路，得到天線等效電路模型。本發(fā)明建立方法簡單、方便實(shí)用，適用范圍廣泛，有明確而嚴(yán)格的電路表述，便于計(jì)算天線性能和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)同仿真，能夠用于超寬帶(UWB)無線傳輸系統(tǒng)中的超寬帶天線的等效電路模型的建立。
文檔編號H04B1/40GK101237244SQ20081006113
公開日2008年8月6日 申請日期2008年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月11日
發(fā)明者吳忠敏, 李甲子, 勇 王 申請人:浙江大學(xué)