无源天线遵循带宽-效率-体积约束机制,使其难以同时实现减小体积、增加带宽和提高效率的目的。利用非福斯特有源电路的负斜率电抗特性设计宽带阻抗匹配,能够打破Bode-Fano准则限制,使得天线,尤其是短波频段的电小天线,获得更好的小型化和宽带化特性。此外,在室内复杂通信环境中,提高信道可靠性需要消除信号的多径衰落现象。分集技术是对抗多径衰落现象的一种有效手段,分集天线的相关研究具有重要的理论和工程应用价值。论文结合科研项目,围绕天线的有源匹配技术和分集技术展开研究工作,主要研究内容包括以下几个方面:1、研究宽带有源电小单极子天线。首先,分析并实测验证电长度为0.075λ₀的无源电小单极子天线,该天线辐射电阻小、输入电抗大,采用传统无源匹配网络只能实现窄带谐振。其次,研究了基于运算放大器的两种负阻抗变换器电路,得出同相输入端输出型NIC电路的输入电阻为负、反相输入端输出型NIC电路的输入电阻为正的结论,并对其关键参数进行仿真和测试分析,得出有规律的非福斯特特性曲线。在此基础上,设计有源二阶NIC匹配网络,通过改进和优化网络形式和参数,当它与电小单极子天线匹配时,天线电抗在整个短波频段得到了很大程度的抵消。在实测有源单极子天线输入阻抗的基础上,结合优化算法设计无源匹配网络,进一步展宽了天线带宽,实现127%的实测-6dB相对阻抗带宽。最后,采用对比法测试有源单极子天线在几个具体频点的接收功率,证明了有源单极子天线与无源单极子天线相比具有更好的接收效果。2、研究宽带有源半环天线。首先,采用特征模理论分析加载无源器件的半环天线,证明该天线只有单一的窄带谐振模,特征电流的分布和方向揭示了天线并联谐振特性。其次,通过调谐末端加载电容,分析了无源半环天线的两个关键特征模变化规律曲线,计算出具有负斜率特性的电纳曲线,设计出由理想非福斯特元件构成的非福斯特阻抗匹配网络。再次,将非福斯特阻抗匹配网络代替电容加载在半环天线的辐射体上,该有源半环天线的谐振模实现了连续谐振特性,同时保持几乎不变的特征方向图,展宽了天线的阻抗带宽和方向图带宽。最后,仿真分析和参数验证了基于晶体管的负阻抗变换器电路,在此基础上设计实际元件的非福斯特阻抗匹配网络,将其加载在半环天线辐射体上,并加工和测试有源半环天线。结果表明,有源半环天线的相对阻抗带宽是无源半环天线的6倍,从而实现了宽带化。3、研究不同应用场景的分集天线。首先,设计一款双端口馈电的双模方向图分集天线。天线由带有双探针的方形贴片构成,通过改变馈电端口控制探针电流流向,实现定向宽波束辐射模式和锥形辐射模式的切换。通过设计鼠笼馈电网络和容性耦合槽,两种工作模式具有21.8%的公共相对带宽。其次,设计一款低剖面水平全向覆盖的极化分集天线。天线采用圆环缝隙天线实现垂直极化,弧形偶极子阵列天线实现水平极化,通过将偶极子阵列天线摆放在圆环缝隙天线地板四周,天线的剖面高度仅为0.024λ₀,通过设计互不影响的馈电形式,实现垂直极化和水平极化的水平全向覆盖。最后,设计一款细长型的方向图和极化双分集天线。天线由一个J型天线和两个偶极子天线组成,利用J型天线不需地的特点,实现了偶极子天线和J型天线组合而互不影响工作性能。偶极子天线采用弯折臂结构,减小了天线体积。当垂直于地板放置时,天线在WLAN频段可以实现水平极化和垂直极化的水平全向覆盖,同时在水平方向具有方向图分集特性。