基于特征模理论的天线及阵列优化设计研究

发布时间：2020-11-20 19:11

　　 特征模理论(CMT)具有清晰的物理概念,能够描述各种形状的天线及散射体的谐振特性,从本质上对天线的辐射机理进行合理地解释,便于理解和指导工程设计,因此自其提出以来便在天线设计领域备受关注。特征模式是存在于物体的一种固有属性,而与任何外在激励无关,其特征模式电流在源区正交,特征远场在无穷远处的球面上正交,根据其优势特性,特征模理论可被广泛应用于分析与设计各种各样的天线,本文基于特征模理论分别具体就抗金属RFID天线、MIMO天线、超表面天线及电抗控制阵列(RCAA)这四类天线进行了一系列相关研究。在基于特征模理论的抗金属RFID天线分析与设计方面,本文首先利用特征模理论提出了一种与金属物体一体化的抗金属RFID标签天线设计方法。根据对金属物体进行特征模式分析(CMA),来确定待激励的特征模式,进而确定相应的激励位置和设计环形耦合激励结构。具体设计了一款体积很小的陶瓷环形激励结构作为电感性耦合激励结构(ICE),放置在金属物体的特定位置上,能有效激励起金属物体的某些特征模式来辐射,并同时完成与芯片的共轭阻抗匹配。针对车牌RFID标签天线的上倾波束方向图需求,利用特征模式电流与电场的正交性,采用一种用特定模式的特征远场来直接合成期望方向图的方法。通过选取合适的待激励特征模式和激励位置,合理设计馈电激励结构,激励起所期待特征模式的同时抑制某些特定的干扰特征模式的产生,最终将金属车牌本身设计成满足上倾波束方向图需求的车牌RFID标签天线。在基于特征模理论的MIMO天线分析与设计方面,本文首先从特征模理论的角度讨论了MIMO天线的隔离度和相关性系数(ECC)这两个重要参数,与特征模式建立了相关联系,并进一步将其应用到含有?型结构的紧凑型双端口5GHz MIMO天线的多模式分析中,从特征模式的角度解释了该天线所具有的低互耦、低相关性系数的特性。基于对矩形叠层介质块的特征模式分析,分别采用特征模式的两种不同激励方式来设计馈电结构,最终设计出一款高隔离度、低相关性系数的双端口宽带介质MIMO天线。在基于特征模理论的超表面天线分析与设计方面,本文首先将特征模式分析方法应用于使用同轴探针直接馈电的双层结构的贴片型超表面天线,很好地解释说明了其宽带辐射原理。针对双层结构形式的超表面天线剖面较高,加工不太方便的问题,利用特征模理论,提出了使用同轴探针直接激励的单层结构形式的超表面天线。根据特征模分析提供的相关模式信息,选取合适的探针激励位置,并采用缝隙加载来改善阻抗匹配,最终分别设计了一款单层宽带低剖面U型缝隙加载的线极化超表面天线和一款单层宽带低剖面L型缝隙加载的圆极化超表面天线。其结构和加工都更简单,剖面更低,并加工与测试了相关天线来验证设计的正确性。在基于特征模理论的电抗控制阵列(RCAA)优化设计方面,本文首先针对单一遗传算法(GA)和粒子群算法(PSO)在进行阵列优化时容易陷入早熟收敛的问题,充分结合这两种算法各自的搜索优势,提出了一种混合GA-PSO算法。经过相关数值算例对比测试,其无论是在测试函数还是在阵列天线优化问题中都具有比单一GA或PSO更快的收敛速度和更高的收敛精度。而后利用提出的GA-PSO算法结合端口特征模理论,对微带型RCAA进行优化设计,其中以模式权重系数(MWC)作为优化变量,来优化微带RCAA阵列的方向图,实现了对其方向图的波束控制,最后将优化得到的电抗加载值代入HFSS进行了全波仿真,验证了设计方法的正确性。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN820
【部分图文】：

其运用模式分解的思想，把天线的总的 Q 值用各个特征模式的 Q 值来合成求出。(a) (b)图1-1 两种典型的耦合激励结构[35]。(a) ICE；(b) CCE3）特征模理论在 MIMO 天线设计中的应用[51-63]。通过对地板结构的特征模式分析，确定不同的待激励特征模式及激励位置和馈电结构，利用特征模式的正交特性，从而达到降低天线端口隔离度及低方向图相关性的设计目的。文献[51]利用特征模式分析，通过分别激励起手机底盘的基本模式和底盘长边上的条形金属带模式，设计了一款覆盖多个频段的高隔离度的 MIMO 天线。利用手机底盘的多个ICE 和 CCE 结构激励起不同特征模式或者同种模式的正交组合，设计出一款 4 端口的紧凑性 MIMO 天线[56]。文献[57]提出一种在双侧对称结构设计多端口 MIMO天线的方法，以仿生昆虫结构为例，如图 1-2 所示，通过引入 H 型缝隙作为 ICE结构

的频率切换。(a) (b)图1-3 频率可重构的 PIFA 天线[66]。(a) 结构图；(b)反射系数图5）特征模理论在天线形状综合中的应用[67-69]。特征模理论能提供天线结构固有的辐射属性，而不依赖馈电结构，因此可在馈电之前将特征模理论与天线形状综合结合在一起设计，从而简化天线形状的综合过程。文献[67]结合特征模理论和遗传算法对天线形状进行优化，在单模式辐射条件下将以结构的特征值和 Q 值为目标函数转化为对特定矩阵迹的优化，从而简化计算。如图 1-4 所示，在对原始对称结构网格进行优化筛选去除后，能保证天线工作在单模式谐振且 Q 值最小，并同时根据模式电流?

天线形状优化
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本文编号：2891863