【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 反射線的電場(chǎng)矢量是等幅同相的，故為正鏡像，亦即鏡像振子和實(shí)際振子上的電流是等幅同相的；反之，水平放置的一電基本振子，鏡像振子和實(shí)際振子的電流是等幅反相的，為負(fù)鏡像；傾斜放置的電基本振子的電流可看作是垂直電流與水平電流的疊加。而任意一線天線均可分成苦干首尾相接的電基本振子，因而可由每個(gè)電基本振子的鏡像得出整個(gè)天線的鏡像。對(duì)于垂直放置在理想導(dǎo)電面上的半環(huán)天線，有鏡像原理可等效為垂直放置的偶極振子天線。車載半環(huán)鞭天線依據(jù)所配置的車輛大致可以分成履帶式和膠輪式兩類。根據(jù)鏡像原理，對(duì)于兩種半環(huán)天線配置，其工作原理可以看作垂直放置的單環(huán)天線和上下放置的雙環(huán)天線兩種情況。因?yàn)榈刃Лh(huán)天線半徑小于工作波長(zhǎng)，因此可以用電小環(huán)天線輻射特性來(lái)估這種天線的輻射方向圖。典型電小環(huán)天線為一全向輻射天線，其H面方向圖為8字型，E面方向圖為圓形。在實(shí)際車輛加載的情況下，由于車輛尺寸有限及地面非理想導(dǎo)電，實(shí)際鏡像輻射方向略偏離垂直方向。根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，該天線為鞭狀半環(huán)結(jié)構(gòu)，通過(guò)在天線半環(huán)頂部中央加載RLC并聯(lián)等效網(wǎng)絡(luò)以及在終端加載電阻來(lái)進(jìn)一部改善普通短波半環(huán)鞭天線上的電流分布，從而進(jìn)一步改善該種天線的輻射特性、阻抗特性等，大幅度提高天線的帶寬，以便在此基礎(chǔ)上采用天調(diào)匹配系統(tǒng)（其功能包括頻率檢測(cè)、天線駐波檢測(cè)、預(yù)調(diào)控制等），實(shí)現(xiàn)大幅度改善饋電點(diǎn)全頻段的阻抗特性，實(shí)現(xiàn)全頻帶匹配，最終構(gòu)成性能優(yōu)越的車載短波通信天線系統(tǒng)。 寬帶短波NVIS半環(huán)鞭天線設(shè)計(jì)方案，其中：1是金屬（如特種鋼）鞭狀半環(huán)，被集中加載網(wǎng)絡(luò)2分成兩段，并通過(guò)集中加載網(wǎng)絡(luò)2固定連接實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的連通，其作為天線的輻射器向外輻射電磁波，需合理設(shè)計(jì)金屬鞭導(dǎo)體的截面直徑d及金屬鞭環(huán)的半徑D以實(shí)現(xiàn)最佳輻射效率及方向圖特性；2是RLC并聯(lián)等效網(wǎng)絡(luò)。RLC并聯(lián)等效網(wǎng)絡(luò)2固定加載在金屬鞭狀半環(huán)1的頂部中間，將金屬鞭狀半環(huán)分做兩段，并通過(guò)螺紋結(jié)構(gòu)分別與兩天線鞭臂固定連接，它的作用是改善未加載該RLC等效網(wǎng)絡(luò)時(shí)的鞭狀半環(huán)上的電流分布，從而改善未加載天線的輻射特性和阻抗特性；3是終端加載電阻，其一端與金屬鞭狀半環(huán)1的終端固定連接，另一端通過(guò)螺紋固定在反射板上（實(shí)際應(yīng)用中，反射板通常是汽車車頂板等），其作用是進(jìn)一步改善鞭狀半環(huán)上的電流分布，從而進(jìn)一步改善天線的輻射特性和阻抗特性；4天調(diào)系統(tǒng)，是由阻抗變換器（可使用變壓器實(shí)現(xiàn)阻抗變換）及LC串、并聯(lián)電路組成的匹配網(wǎng)絡(luò)以及控制開(kāi)關(guān)等組成的系統(tǒng)，其輸出端與金屬鞭狀半環(huán)1的輸入端連接，輸入端與同軸線饋線5的輸出端固定連接，其作用協(xié)調(diào)饋電電纜輸出端口與天線輸入之間的關(guān)系，完成阻抗匹配，可以很大程度上提高發(fā)射效率，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的有效傳輸；5是饋電電纜，此處采用同軸線饋電，其輸出端與天調(diào)系統(tǒng)4的輸入端固定連接，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的連通。電阻加載天線的優(yōu)點(diǎn)是工作頻帶寬，缺點(diǎn)是電阻吸收功率，使效率降低，特別是對(duì)電長(zhǎng)度較小的天線，效率僅為百分之幾，而單純的電抗加載的天線的帶寬又非常的窄，因?yàn)閷?duì)于這種天線來(lái)說(shuō)，加載的電抗和加載位置都是頻率的函數(shù)。所以在設(shè)計(jì)中，如果采用RC或RCL混合加載，則效率將會(huì)大大提高。 a b 集中加載元件的等效電路圖集中加載天線是把加載元件集中地加在天線的一個(gè)或幾個(gè)部位上，包含電阻R，電感L和電容C，圖a采用的是RLC的并聯(lián)，圖b采用的是R和L先串聯(lián)再和C進(jìn)行并聯(lián)，經(jīng)過(guò)多次理論計(jì)算與分析發(fā)現(xiàn)：該兩種網(wǎng)絡(luò)都可以達(dá)到改善天線帶寬性能的目的，但后者的頻率穩(wěn)定性更好，而且在達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)的同時(shí)，其使用的電感比前者更小，加載網(wǎng)絡(luò)體積便可相對(duì)縮小，這對(duì)于實(shí)際加載較為有利；然而RLC也有自身的優(yōu)點(diǎn)，即改善效果更明顯，R值對(duì)加載網(wǎng)絡(luò)總體影響小于后者，因而比較方便地控制加載網(wǎng)絡(luò)引起的損耗。由于RLC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)便于在電磁場(chǎng)仿真軟件中實(shí)現(xiàn)，本文選擇RLC并聯(lián)電路作為集中加載元件進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。 天調(diào)系統(tǒng)天調(diào)系統(tǒng)用于協(xié)調(diào)饋電電纜輸出端口與天線輸入之間的關(guān)系，完成阻抗匹配，可以很大程度上提高發(fā)射效率，從而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的最大功率傳輸，如，可采用由阻抗變換器（如理想變壓器實(shí)現(xiàn)阻抗變換）及LC串、并聯(lián)電路組成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，并由開(kāi)關(guān)控制不同頻率段接入系統(tǒng)的具體的匹配電路結(jié)構(gòu)。，圖中，采用了5個(gè)理想變壓器阻抗變換器及LC倒L型無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，控制開(kāi)關(guān)起到在不同頻率段將適合該頻率段的匹配電路接入系統(tǒng)的作用，1為從天線饋線流入的電信號(hào)，2為經(jīng)天調(diào)系統(tǒng)流入天線的電信號(hào)，3為控制開(kāi)關(guān)，Li、（i=1,2,…,5），為電感和電容，Ni：N0為理想變壓器阻抗變換器的線圈匝數(shù)比（i=1,2,…,5）。該結(jié)構(gòu)用以實(shí)現(xiàn)在天線工作頻帶內(nèi)進(jìn)行分頻段匹配（，將工作頻帶分為5段分別匹配），從而進(jìn)一步降低天線輸入端的VSWR（電壓駐波比），減小向天線饋電的回波損耗。 天調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 矩量法基本原理在電磁場(chǎng)中的矩量法是指將基本的電磁場(chǎng)方程簡(jiǎn)化為一組可以用計(jì)算機(jī)處理的線性代數(shù)方程，從而可用簡(jiǎn)單的矩陣運(yùn)算得到數(shù)值解的方法。對(duì)于線天線結(jié)構(gòu)，當(dāng)天線的最大尺寸不大于兩個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，非常適合于用矩量法，因此本節(jié)給出線天線矩量法計(jì)算的基本方法。假設(shè)導(dǎo)線的線徑與波長(zhǎng)相比非常細(xì)，導(dǎo)線上的電流只沿導(dǎo)線的軸線流動(dòng)，則線上電流J產(chǎn)生的電場(chǎng)可表示為： （31）其中 （32）是需要確定的未知電流，k為波數(shù)。將表示成有限個(gè)展開(kāi)函數(shù)之和，則有 （33）如果求出了未知系數(shù)，則能夠算出所感興趣的參數(shù)，包括輸入阻抗和輻射電場(chǎng)等。展開(kāi)函數(shù)又稱為基函數(shù)，常分為兩類，一類是整域基函數(shù)，定義在J的整個(gè)域上。另一類為分段基函數(shù)，定義在J的各個(gè)分段上。分段基函數(shù)可以對(duì)任一形狀的輻射體分段處理，因而更方便，應(yīng)用也更廣泛。分段正弦基函數(shù)首先由Richmond和Gcary于1970引入，即 （34）式中，和分別是從到和到分段的長(zhǎng)度。和是相應(yīng)分段的單位矢量。設(shè)饋點(diǎn)處由饋源產(chǎn)生的已知電場(chǎng)為，對(duì)于理想導(dǎo)線，在導(dǎo)線表面的邊界條件為 （35）式中為垂直于導(dǎo)線表面的單位矢量。將以上有關(guān)各式代入(35)，就得到了相對(duì)于的Pocklington方程。在用矩量法求(35)的數(shù)值解過(guò)程中，可以選用與式(34)相同的權(quán)函數(shù)，即伽遼金方法。權(quán)函數(shù)與基函數(shù)作內(nèi)積形成矩陣方程，從而可以將未知量寫成以下形式 （36）式中[V]是電壓矩陣,為列矢量，除了饋電點(diǎn)電壓之外，列矢量中所有單元都為零。[Z]是M 39。M39。階的阻抗矩陣，其中的各個(gè)元素可由Harrington給出的方法求得。感應(yīng)電流J (r39。)在線元外作用點(diǎn)P的電場(chǎng)為 （37）。其中是三個(gè)點(diǎn)、和P三個(gè)點(diǎn)所在平面上并垂直于單位矢量，的定義與上述相同。、和分別為 （38） 式中是和之間的夾角，、和的定義與具有相類似的含意。由此可見(jiàn)，如果方程(36)構(gòu)建起來(lái)，則剩下的工作就如何有效地求解矩陣方程，得到天線上的電流分布，從而獲得所感興趣的輻射場(chǎng)問(wèn)題和輸入阻抗問(wèn)題等。 線單元上的電流 線單元坐標(biāo) 矩量法方程的求解應(yīng)用矢量位A的波動(dòng)方程結(jié)合電場(chǎng)邊界條件可解得海倫方程： （39） 式中。天線中饋激勵(lì)電壓V0,并取脈沖函數(shù)作為展開(kāi)函數(shù),權(quán)函數(shù)： （310）令 （311） （312）則由 （313）得 （314） （315）式中m=1,2…,N。根據(jù)電流條件 （316）令 （317）海倫方程的矩陣形式就寫成 （318）電流系數(shù)矩陣： （319）所以天線電流分布： （320）則根據(jù)公式：，就能求出天線的輸入阻抗。本文根據(jù)上述矩量法原理，基于Matlab編寫出利用矩量法估算半環(huán)天線的電流分布進(jìn)而估算其輸入阻抗等特性的程序（見(jiàn)附錄）。在天線電性能優(yōu)化領(lǐng)域，目前流行的且比較實(shí)用的優(yōu)化算法有最速下降法、模擬退火算法，禁忌搜索法、以及仿生算法……在諸多優(yōu)化算法中各有各的優(yōu)點(diǎn)和局限性，需根據(jù)實(shí)際待解決的問(wèn)題合理選取、適當(dāng)設(shè)計(jì)，甚至可以將各種優(yōu)化算法取精去粗結(jié)合使用。在上述天線優(yōu)化領(lǐng)域常用的優(yōu)化算法中，仿生算法就是一大類目前研究的比較火熱的算法，有蟻群優(yōu)化算法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊邏輯算法等等。本文利用發(fā)展較為完善、應(yīng)用范圍很廣泛、程序設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單的遺傳算法作為本設(shè)計(jì)的優(yōu)化算法。遺傳算法是仿生算法的一種，就是仿照自然界中生物進(jìn)化過(guò)程的一種算法。它不僅可以解決我們一般意義所理解的最優(yōu)化問(wèn)題，而且，目前在越來(lái)越多的領(lǐng)域內(nèi)取得了成功：如，最優(yōu)化圖像分割、圖像檢測(cè)、圖像識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘、載人航天、大壩安全監(jiān)測(cè)、天線設(shè)計(jì)、物流管理、控制理論、集成電路設(shè)計(jì)、聚類分析、醫(yī)療診斷、材料設(shè)計(jì)等等。遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進(jìn)化過(guò)程而形成的一種自適應(yīng)全優(yōu)化概率搜索算法。它的主要特點(diǎn)是：以決策變量的編碼作為運(yùn)算對(duì)象；直接以目標(biāo)函數(shù)值作為搜索信息；并同時(shí)使用多個(gè)搜索點(diǎn)的搜索信息；使用概論搜索技術(shù)。它是一種全新的全域優(yōu)化搜索方法，它是模擬自然界生物進(jìn)化過(guò)程與機(jī)制求解極值問(wèn)題的一類自組織、自適應(yīng)人工智能技術(shù)。它模擬達(dá)爾文的自然進(jìn)化論和孟德?tīng)柕倪z傳變異理論，具有堅(jiān)實(shí)的生物學(xué)基礎(chǔ)；提供從智能生成過(guò)程觀點(diǎn)對(duì)生物智能的模擬，具有鮮明的認(rèn)知學(xué)意義；它只需要利用目標(biāo)函數(shù)的取值信息，而無(wú)需梯度等高價(jià)信息，適合于無(wú)表達(dá)式或有表達(dá)