基于矩量法的微带天线优化设计

论文摘要

随着现代无线通信技术的迅速发展和应用,使得通信系统不断向集成化以及高性能化的方向发展。分析设计紧凑的、高性能的微带天线已成为当前国内外研究的前沿课题之一。本论文以矩量法(MOM)这一数值计算工具为基础,对增加微带天线的带宽、提高增益、以及减小微带天线之间的互耦进行研究。论文主要包括三个方面的内容:首先,利用互易定理,导出无限大地板模型下的积分方程,用脉冲基函数对电流展开进行矩量法求解;另外,把探针馈电方式简化为面结构的馈电模型,利用体面积分方程(VSIE)对有限大地板模型下的微带天线计算分析。通过与HFSS仿真软件的计算结果以及实验结果的对比,来判定矩量法计算的正确性。其次,结合遗传算法(GA),通过改变微带贴片形状,把微带贴片剖分为矩形的小贴片,对其编码和各种操作,使其满足一定的带宽要求。由于矩量法中阻抗矩阵与遗传算法中染色体的编码串都与微带贴片的分割单元相联系,而脉冲基函数对应的是矩形剖分单元,所以计算比较简单。本论文分别对不同介质厚度的微带天线优化,优化结果说明了算法的有效性。最后,用等效电路模型对电磁带隙结构(EBG)的单元间距、单元尺寸等参数做了分析。通过对不同形式电磁带隙结构微带天线的计算,考查了电磁带隙结构对微带天线增益、带宽的作用,计算结果说明参数合理的电磁带隙结构的应用对提高微带天线增益、增加微带天线的带宽有一定的作用;另外,把电磁带隙结构应用到微带天线阵列中,分别计算了不同间距的电磁带隙结构二元微带天线阵,计算结果说明其对减小微带天线之间的互耦具有明显的作用,降低了8.3dB。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 微带天线分析方法概述
• 1.2.1 传输线模型法
• 1.2.2 空腔模型法
• 1.2.3 数值方法
• 1.3 优化方法简介
• 1.4 国内外研究状况
• 1.5 课题的研究意义
• 1.6 本文章节内容安排
• 第二章 微带天线的矩量法分析
• 2.1 矩量法
• 2.1.1 积分方程
• 2.1.2 基函数的选取
• 2.1.3 检验函数的选取以及积分方程的离散
• 2.1.4 馈电及输入阻抗
• 2.1.5 矩阵方程的求解
• 2.1.6 数值算例
• 2.2 无限大地板微带天线的矩量法分析
• 2.2.1 电流的计算
• 2.2.2 阻抗和方向图的计算
• 2.2.3 数值算例
• 2.3 有限大地板模型微带天线的矩量法计算
• 2.3.1 体面积分方程
• 2.3.2 SWG 基函数
• 2.3.3 馈电模型
• 2.3.4 单天线计算数值算例
• 2.3.5 二元天线阵
• 2.4 本章小结
• 第三章 微带天线的优化
• 3.1 遗传算法概述
• 3.1.1 遗传算法及其特点
• 3.1.2 遗传算法基本概念及搜索原理
• 3.1.3 遗传算法在电磁领域中的应用
• 3.2 遗传算法优化微带天线基本理论
• 3.2.1 基因串的定义
• 3.2.2 遗传算法与矩量法结合
• 3.2.3 适应度函数的选取
• 3.2.4 贴片去除概率和群体规模
• 3.3 数值算例
• 3.4 本章小结
• 第四章 电磁带隙结构在微带天线中的应用
• 4.1 电磁带隙结构概述
• 4.2 微带结构的表面波分析
• 4.3 Mushroom 电磁带隙结构
• 4.3.1 等效电路模型
• 4.3.2 Mushroom 电磁带隙结构的设计
• 4.4 EBG 结构微带天线设计
• 4.4.1 不同参数结构EBG 微带天线
• 4.4.2 EBG 结构天线阵列
• 4.5 本章小结
• 第五章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间主要工作成果