1.前言

無人機的安全防范和管控，已經成為無人機行業的重點內容。無人機探測解決方案已經變得非常重要。前面系列文章給出了針對無人機偵察和干擾無人機的天線陣設計，上一期文章中，我們給出一種小型化的無人機偵測天線，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。

?圖1 多旋翼無人機

?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，同軸線的內芯連接上臂，同軸線的外皮連接下臂實現饋電和匹配，如下圖所示，同軸線內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而言，如何實現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，對其進行研究。

2.1三元等效電路

圖5給出了三個元器件的構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構成一個新的諧振電路。

?圖6 四元等效電路

對應的四個元件值如下：

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波長的范圍內都具有較好的精度，滿足日常工程設計要求。

3.等效電路在1.55GHz天線設計上的工程應用

3.1 偶極子天線EM模型

結合實際1.55GHz偶極子天線設計，給出應用實例。為了驗證等效電路的準確性，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，依據測向天線的陣子實際物理尺寸由上述公式得到對應的電容C、電感L以及電阻R參數;

其次，由各元器件參數計算得到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的有效性與準確性。

?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，意味著工程師優先使用四元等效電路對天線進行電路特性分析，實現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

四元等效電路有效地減小了偶極子天線阻抗的計算誤差。實際應用中，工程師依據測向天線陣子的尺寸，根據上述給出的電路參數計算公式，實現快速選擇匹配電路，優化天線的駐波比，改善天線的電路指標。

作者：江右射頻

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

關于射頻問問：

射頻問問是在"微波射頻網”系列原創技術專欄基礎上升級打造的技術問答學習平臺，主要圍繞射頻芯片、微波電路、天線、雷達、衛星等相關技術領域，致力于為無線通信、微波射頻、天線、雷達等行業的工程師，提供優質、原創的技術問答、專欄文章、射頻課程等學習內容。更多請訪問：https://www.rfask.net