微带天线优化设计中的空间映射方法研究

论文摘要

微带天线因其体积小、剖面低、重量轻、易于共形等特点在空间电子学、生物电子学、常规天线领域中获得了广泛的应用。传统的简单结构的微带天线已经不能满足不同领域的设计需求,而天线结构的复杂化必然导致天线设计效率的降低,因此,如何对天线进行优化设计成为当前国内外学者研究的一大热点。空间映射算法正是众多优化算法中一种快速、高效、精确的方法。该算法由John W.Bandler等人于1994年首次提出并成功应用于微波器件的优化设计中,其基本思想是通过建立起所研究对象的粗糙模型和精确模型,并在这两种模型之间建立起一种映射关系,使用迭代优化和更新粗糙模型来替代直接优化高计算成本的精确模型,将精确模型的高精确度和粗糙模型的高效率有效的结合起来,从而实现在实际的工程应用中达到快速高效却不失高精确度的目的。本文采用改进的空间映射算法--主动空间映射算法（Aggressive Space Mapping Algorithm,ASMA）结合基于有限元法（FEM）的全波电磁仿真软件HFSS对矩形贴片天线的S11和输入阻抗进行优化设计,并首次在FEM解算器HFSS中通过对网格划分的控制来建立矩形贴片天线的粗糙模型和精确模型。避免了采用传统的快速分析模型、经验模型以及经典电路理论无法对一些不规则辐射结构建立粗糙模型的问题,使得该方法适用于任何形状的辐射结构。而通过VB编程来调用电磁仿真软件HFSS的VBs脚本文件来完成优化过程中参数的自动更新和建模,大大减少了工作量同时也避免了因为重复建模而可能产生的失误。优化实例结果证明了该方法的可行性、高效性和准确性。在当前的一些工程应用中,采用单元天线已经不能满足要求,必须使用天线阵列才能够达到应用指标。而互耦作为影响天线阵性能的一个重要参量,值得我们关注。本文基于空间映射方法的原理对微带天线阵列的互耦进行了研究。使用电磁仿真软件HFSS提取天线阵阵元之间的互耦系数,结合端口网络方法和直线阵理论分析互耦对天线阵性能的影响,并通过（?）natlab编程实现对有限阵互耦情况的深入研究,进而将该方法推广到无限阵中。通过两个天线阵实例验证了该方法的高效性和准确性,对大型天线阵列的设计具有很好的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 国内外现状分析
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 微带天线的基本理论和分析方法
• 2.1 微带天线的基本概念
• 2.1.1 微带天线的基本结构及辐射机理
• 2.1.2 微带天线的特点及其应用领域
• 2.1.3 微带天线的小型化、宽频带和多频段技术
• 2.2 微带天线的分析方法
• 2.2.1 传输线模型理论
• 2.2.2 空腔模型理论
• 2.2.3 全波分析理论
• 2.3 本章小结
• 第3章 空间映射方法和基于有限元法的高频电磁仿真软件HFSS
• 3.1 空间映射算法
• 3.1.1 空间映射算法的基本思想及其数学表达
• 3.1.2 原始空间映射算法（OSMA）
• 3.1.3 主动空间映射算法（ASMA）
• 3.2 基于有限元法的高频电磁仿真软件HFSS
• 3.2.1 有限元法简介
• 3.2.2 拟牛顿法（Quasi-Newton Method）简介
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于空间映射方法和有限元法的微带天线设计
• 4.1 概述
• 4.2 矩形微带天线设计
• 4.2.1 设计目标和天线结构图
• 4.2.2 粗糙模型与精确模型
• 4.2.3 ASMA优化天线过程
• 4.3 本章小结
• 第5章 基于空间映射方法的微带天线阵列互耦研究
• 5.1 概述
• 5.2 理论分析
• 5.3 实例计算
• 5.3.1 十一元阵的场强辐射方向图
• 5.3.2 十五元阵的场强辐射方向图
• 5.3.3 互耦影响下天线阵的反射系数
• 5.4 本章小结
• 全文总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文