小型平面超宽带天线及自动化设计方法的研究

发布时间：2018-10-26 21:33

【摘要】：近年来,随着现代无线通信技术的高速发展,人们对通信系统的大容量、高可靠性和高品质化的要求迅速增长。2002年美国联邦通信委员会(FCC)正式将3.1-10.6 GHz频段分配给UWB无线通信业务,从此以后,超宽带(UWB)技术突破了过去仅在军事领域应用的局限,被广泛应用于商业和民用领域。数据传输速率要求的不断提高,成为无线通信系统的一个巨大挑战,超宽带技术成为解决这一问题的最有希望的方案,是当前无线通信领域中最具竞争力的热门技术之一。天线是任何无线系统的基础组成部件。对于UWB系统,UWB天线的性能是系统整体性能的决定性因素之一。UWB天线的基本设计要求包括超宽带宽、体积较小、重量轻、具有一定的辐射效率和全向天线图辐射特性。除此之外,为了与UWB系统的发展趋势相适应,UWB天线还应具备制作工艺简单,成本低,易于集成,具有良好的信号保真度等要求。平面印刷天线,由于具有剖面低、重量轻、易于集成等优势,很好地符合了UWB系统对于天线的设计要求,因此被广泛应用于UWB天线的设计中。本文以超宽带印刷天线及宽带天线小型化、多频带为设计目标,主要研究小型超宽带平面印刷天线的自动化设计和优化理论,提出了多种具有不同结构形式的小型超宽带平面印刷天线和具有陷波特性的超宽带天线。本文主要工作如下:1.根据UWB系统对于天线的参数指标要求,设计了一种改进的椭圆形缝隙共面波导印刷天线,其宽缝隙结构和馈电微带线终端均为椭圆形。首先介绍所提出的微带天线的设计过程,包括建模,仿真,优化,对天线的几何结构参数对于天线阻抗带宽的影响进行了详细分析。根据仿真得到的模型制作了天线实物并进行了测试。实验结果表明该UWB天线的阻抗带宽为3.09-20GHz,可以覆盖整个UWB通信频段,并且具有良好的全向方向图特性。2.对超宽带平面印刷天线的陷波技术进行了总结和研究,重点阐述分析了应用于CPW超宽带缝隙天线上的三种陷波结构:在辐射贴片上刻蚀U形或者V形槽结构,以及在接地面的宽缝隙上添加旁枝寄生结构来获得陷波特性。综合使用这三种方法,分别得到了单陷波,双陷波和三陷波的特性。分析了陷波结构的几何参数对于天线陷波特性的影响。实验结果表明,所设计天线在除陷波频带外的工作频带可以覆盖整个UWB频带,在所需要滤除的频带上具有良好的陷波特性,从而能够有效减少和抑制工作于这些陷波频带上的系统对于UWB系统带来的潜在干扰。3.研究了超宽带平面印刷天线的自动化设计与优化理论,提出了两种超宽带天线的自动化设计方法。首先利用遗传算法对CPW超宽带缝隙天线的辐射贴片的形状进行优化设计,得到了一种新的UWB天线。接着提出了一种新的天线自动设计优化算法,形状融合算法,并将其应用于CPW超宽带缝隙天线的辐射贴片的几何形状的优化过程中。对这两种优化算法得到的天线进行了仿真与实测。实验结果表明,这两种自动化优化算法所设计优化得到的UWB天线都能满足UWB系统对于天线的参数指标要求,并且具有很好的扩展性和普适性,不仅可以应用于UWB天线自动设计与优化,也可以应用于其他各类天线的设计与优化过程中。4.深入研究了形状融合算法在平面印刷天线自动化设计方面的应用。提出一种新的共面馈电印刷缝隙天线,其辐射贴片的几何形状是由形状融合算法给出。通过此算法,可以得到一系列不同的曲线,由此得到具有不同辐射贴片形状的天线,从而获得不同的阻抗带宽。对天线的优化过程,以及算法生成的天线几何结构对于天线性能,特别是阻抗带宽的影响进行了详细的分析。分析结果可以对今后的天线自动化设计起到重要的指导作用。为了验证算法的可行性和有效性,设计、制作并测试了6个基于此算法的天线原型实物。实测结果和仿真结果一致性良好。实验结果表明,所设计的6个天线的阻抗带宽范围从38.5%到126.4%,可以方便地满足不同宽带系统的带宽要求,并且天线结构简单,能保持一定的增益。
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【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN822.8

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