基于非福斯特电抗电路的天线宽带小型化技术

Due to the fact that passive antenna has a fundamental limitation on its bandwith, gain and volume(bandwidth-gain-volume limitation), it is usually difficult(or even impossible) to reduce the atenna size, enhance the antenna bandwidth and increase the antenna efficiency, simutaneously. By introducing the non-foster reactance circuits into the antenna designs, a noval technique is proposed for designing broadband and miniaturized antenna in this project.Negtive inductors and negtive capacitors are used to design antenna impedance matching networks and antenna loading circuits, which leads to an new antenna design scheme, i.e.broadband and miniaturized antenna design based on non-foster reactance circuits. Parameters for the antenna, designed by using the proposed method, are optimized by making use of modern globle optimization algrithms considering the antenna impedance, radiation patterns, gain and efficiency at the same time. Compared with the tradional antenna minaturization techniques, the proposed technique overcomes the bandwidth-gain-volume limitation inherent in passive antennas, which predicts that reducing the atenna size, enhancing the antenna bandwidth and increasing the antenna efficiency can be realized by using the new technique simutaneously. Being a fundamental reaserch, the project will obtain reaserch results which can be widely used to design antennas with high efficiency, broad bandwidth and miniaturied size for various purposes and various frequency bands.Hence it has both theoretical significance and wide perspective applications.

客观上无源天线遵循带宽-增益-体积约束机制，使得同时减小天线体积、增加天线带宽和提高天线效率成为不易攻克的难题。本项目将天线设计与非福斯特电抗电路相结合提出一种天线宽带小型化新技术，即将负电感和负电容应用于天线宽带匹配网络和天线加载设计中，形成基于非福斯特电抗电路的天线宽带匹配网络和天线加载方案。综合使用非福斯特宽带匹配网络和非福斯特电路天线加载,结合现代全局最优化计算方法，兼顾天线阻抗、方向图、增益等指标，优化设计匹配网络、天线加载的结构与参数实现天线宽带小型化设计。与传统的宽带小型化天线设计相比，它克服了无源天线客观上不可逾越的带宽-增益-体积约束机制，亦即同时实现了减小天线体积、增加天线带宽和提高天线效率。 作为一项应用基础研究课题，该项目研究成果可广泛应用不同用途、不同频段的高效率、宽频带、小型化天线设计中，因而不仅具有重要的理论意义，同时亦具有广泛的应用价值。

随着通信技术与集成电路技术的不断发展，无线通信设备日益宽带化、小型化。天线作为上述设备的关键部件之一，实现射频信号的收发功能。与无线通信设备的发展趋势相适应，天线则越来越多地面临着宽频带、小型化的挑战。不过，客观上无源范畴的天线带宽、增益（或效率）和体积构成矛盾或约束关系（即带宽—增益—体积约束机制），使得同时减小天线体积、增加天线带宽和提高天线效率成为不易攻克的难题。.针对上述问题，该项目提出并研究了一种新的、具有革命性的天线宽带小型化技术——基于费福斯特电抗的天线宽带小型化技术。它将无源范畴的天线设计与有源范畴的非福斯特电抗电路相结合，力争摆脱原有的带宽—增益—体积约束限制。首先，该项目提出了基于非福斯特电抗电路天线宽带小型化技术方案，研究了基于非福斯特电抗电路天线宽带小型化技术的理论基础，特别提出了基于非福斯特电抗电路的连续本征模理论，深刻揭示了基于非福斯特电抗电路实现天线宽带小型化的本质。其次，系统地研究了非福斯特电抗电路设计，完成相关的编程、建模与仿真分析。再次，研究了非福斯特电抗电路宽带阻抗匹配技术和非福斯特电抗电路加载天线技术，有效地展宽了天线工作频带，实现了天线宽带小型化。最后，研制了短波和超短波宽带小型化天线样机，以测试结果验证了基于非福斯特电抗电路天线宽带小型化新技术的有效性。.与传统的天线宽带小型化设计相比，基于非福斯特电抗电路天线宽带小型化技术克服了无源天线客观上不可逾越的带宽—增益—体积约束，同时实现了减小天线体积、增加天线带宽和提高天线效率目的。研究成果可广泛应用不同用途、不同频段的宽频带、小型化、高效率天线设计中，具有重要的理论意义和广泛的应用价值。