超宽带脉冲网络和天线的特性表征与设计应用

发布时间：2017-05-02 14:07

  本文关键词：超宽带脉冲网络和天线的特性表征与设计应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着超宽带通信技术的快速发展和瞬态电磁理论研究的逐渐深入,超宽带电磁脉冲逐渐成为一个新的研究热点,对完善和丰富电磁理论和超宽带应用技术有重要的意义和价值。然而,传统基于频域特性的表征方法和参数不能同时表征超宽带脉冲信号的幅度变化和波形畸变,不利于超宽带脉冲网络和天线特性的认识和理解。此外,传统的最大功率传输设计准则已经不能全面反映超宽带脉冲网络的设计要求,不适合用于超宽带脉冲网络的设计。对于超宽带脉冲天线,传统频域表征方法、设计方法和参数优化方法不具有针对性和目的性,不利于天线特性的认识和辐射机理的理解,导致设计效率也比较低。针对上述问题,本文从超宽带脉冲网络和天线的特性表征、设计方法以及实际应用三个方面展开了研究,主要工作成果为：1.在特性表征方面：(1)在平方可积信号空间中对超宽带脉冲信号进行了研究,提出了归一化欧氏距离参数用以同时表征超宽带脉冲信号的波形畸变和脉冲能量变化,得到了该参数与保真度和脉冲幅度比的自然联系,研究并给出了归一化欧氏距离的时域和频域测量方法。归一化欧氏距离参数具有严谨的定义,明确的物理意义并且易于测量。由于实际应用的超宽带脉冲信号都是平方可积信号,归一化欧氏距离参数的适用范围非常广泛。(2)提出了数量描述矩阵用于表征超宽带脉冲信号激励下N端口网络特性的一般性方法,并结合归一化欧氏距离参数,提出了超宽带脉冲网络的归一化欧氏距离数量描述矩阵,该矩阵能够综合反映网络的损耗特性和色散效应,并可以方便的对网络性能进行比较,有利于超宽带脉冲网络的设计和优化。(3)提出了一种表征天线辐射特性的多端口网络模型,该模型把天线不同辐射方向等效为不同的端口；在此基础上,提出了归一化欧氏距离表征参数和归一化欧氏距离方向性图用以综合的描述超宽带脉冲天线辐射场的波形畸变和幅度变化。2.在设计方法方面：(1)根据归一化欧氏距离参数,提出了适合设计超宽带脉冲网络的最佳脉冲传输设计准则,该设计准则同时考虑了超宽带脉冲信号的波形畸变和幅度变化,能够全面的表征超宽带脉冲网络的传输特性,是最大功率传输准则的推广,具有广泛的适用性。(2)提出了利用数量描述矩阵构造优化目标函数的一般性方法,所构造的目标函数能够全面的表征超宽带脉冲网络与理想目标网络的差异,并且避免了选择加权系数、频率范围和频点等问题,可以引导优化过程向理想目标网络演进,而且优化效率也大大提高。(3)根据电荷的轫致辐射诠释了超宽带脉冲天线的辐射机理、辐射过程和辐射特点；在此基础上,提出了基于时域部分波欧氏距离法设计和优化超宽带脉冲天线的方法,该方法不仅设计效率高,而且最终达到的天线特性更接近理想特性。3.在实际应用方面：(1)根据所提出的最佳脉冲传输设计准则,设计了微带-同轴过渡结构、各向异性基板微带线和超宽带脉冲匹配网络,所设计的网络更适合超宽带脉冲信号的传输。(2)利用归一化欧氏距离数量描述矩阵构造了优化目标函数,设计并优化了带状线超宽带脉冲功率分配器。(3)提出了一种低阻抗槽线传输线,通过半经验半解析的方法得到了其特性阻抗的表达式,初步研究了低阻抗槽线的超宽带脉冲传输特性；设计了具有指数和高斯曲线的渐变低阻抗槽线天线,所设计的天线具有超宽工作频带和低交叉极化的特点,适合应用在超宽带脉冲系统中。由于实际的信号都是平方可积信号,所提出的归一化欧氏距离参数、最佳脉冲传输设计准则、归一化欧氏距离数量描述矩阵和归一化欧氏距离方向性图不仅适用于超宽带脉冲信号、网络和天线,而且也适用于普通的信号、网络和天线。
【关键词】：超宽带脉冲信号 脉冲网络 传输特性 脉冲天线 辐射特性 特性表征 时域分析 欧氏距离 最佳脉冲传输 描述矩阵 低阻抗槽线
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN925
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪言12-22
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 主要研究内容的发展和现状13-16
• 1.2.1 超宽带脉冲信号激励下网络特性的表征13-14
• 1.2.2 超宽带脉冲网络的设计14-15
• 1.2.3 超宽带脉冲天线辐射特性的表征15-16
• 1.3 本文的主要工作内容及贡献16-17
• 1.4 本文结构安排17-18
• 参考文献18-22
• 第二章 超宽带脉冲网络的特性表征与设计准则22-54
• 2.1 引言22
• 2.2 超宽带脉冲信号的归一化欧氏距离22-34
• 2.2.1 归一化欧氏距离22-31
• 2.2.2 归一化欧氏距离参数的离散形式31
• 2.2.3 归一化欧氏距离参数的测量方法31-33
• 2.2.4 超宽带脉冲信号归一化欧氏距离表征方法的特点33-34
• 2.3 最佳脉冲传输设计准则34-44
• 2.3.1 由传输线理论导出功率波S参数35-41
• 2.3.2 最佳脉冲传输41-42
• 2.3.3 最佳脉冲传输与最大功率传输的关系42-44
• 2.4 超宽带脉冲网络的数量描述矩阵44-50
• 2.4.1 数量描述矩阵44-46
• 2.4.2 传统网络矩阵导出的数量描述矩阵46-47
• 2.4.3 根据归一化欧氏距离导出的数量描述矩阵47-48
• 2.4.4 网络归一化欧氏距离数量描述矩阵的性质48-50
• 2.5 本文方法与传统频域方法的区别和联系50-51
• 2.6 本章小结51-52
• 参考文献52-54
• 第三章 超宽带脉冲网络的传输特性与最佳脉冲传输设计54-78
• 3.1 引言54
• 3.2 传输线上高斯脉冲变化特点的归一化欧氏距离表征54-64
• 3.2.1 高斯脉冲及其特点54-55
• 3.2.2 高斯脉冲在同轴线上传输的特点55-59
• 3.2.3 高斯脉冲在普通微带线上传输的特点59-62
• 3.2.4 高斯脉冲在不同微带线上传输的特点62-64
• 3.3 微带-同轴过渡结构的最佳脉冲传输64-68
• 3.4 各向异性基板微带线的最佳脉冲传输68-70
• 3.5 匹配网络的最佳脉冲传输70-73
• 3.6 本章小结73-74
• 参考文献74-78
• 第四章 归一化欧氏距离数量描述矩阵及其在优化中的应用78-96
• 4.1 引言78
• 4.2 超宽带脉冲网络的归一化欧氏距离数量描述矩阵78-84
• 4.2.1 微带传输线网络的归一化欧氏距离数量描述矩阵78-81
• 4.2.2 脉冲功率分配器网络的归一化欧氏距离数量描述矩阵81-84
• 4.3 基于数量描述矩阵的优化目标函数构造方法84-86
• 4.4 带状线超宽带脉冲信号功率分配器的优化设计86-93
• 4.4.1 结构概述86-87
• 4.4.2 优化过程87-90
• 4.4.3 结果及分析90-93
• 4.5 本章小结93-94
• 参考文献94-96
• 第五章 超宽带脉冲天线辐射特性的表征和分析96-118
• 5.1 引言96
• 5.2 超宽带脉冲天线的归一化欧氏距离96-105
• 5.2.1 超宽带脉冲天线激励脉冲和辐射脉冲的归一化欧氏距离96-101
• 5.2.2 超宽带脉冲天线的归一化欧氏距离方向性图101-104
• 5.2.3 收发天线系统的归一化欧氏距离104-105
• 5.3 超宽带脉冲天线辐射特性的分析105-116
• 5.3.1 任意运动电荷的辐射场105-108
• 5.3.2 低速情况下电荷的辐射场108-109
• 5.3.3 轫致辐射及脉冲激励的对称阵子天线的辐射场109-112
• 5.3.4 同步辐射及脉冲激励的圆环天线的辐射场112-115
• 5.3.5 超宽带脉冲天线辐射特性的微观解释115-116
• 5.4 本章小结116
• 参考文献116-118
• 第六章 超宽带脉冲天线的设计118-140
• 6.1 引言118
• 6.2 部分波欧氏距离法设计脉冲天线118-120
• 6.3 超宽带TEM喇叭天线的设计120-123
• 6.4 低阻抗槽线脉冲天线的设计123-136
• 6.4.1 低阻抗槽线124-125
• 6.4.2 低阻抗槽线的特性阻抗125-127
• 6.4.3 低阻抗槽线的馈电及超宽带脉冲传输特性127-130
• 6.4.4 渐变低阻抗槽线脉冲天线130-136
• 6.5 本章小结136
• 参考文献136-140
• 第七章 结束语140-142
• 7.1 本文的主要工作140-141
• 7.2 后续工作展望141-142
• 致谢142-143
• 作者简介143-145

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