基于智能算法的双频、宽带微带天线优化设计

论文摘要

微带天线具有结构紧凑、剖面低、重量轻、易共形、容易制造、能与微波电路集成、宜大规模生产等诸多优点,非常适合航天和移动通信设备的应用。随着现代航空业和通信业的发展,对新型微带天线的需求日趋迫切,但频带窄、效率低等不足之处限制了微带天线的应用领域。自从上个世纪七十年代末,世界掀起了研究微带天线的高潮。其中许多文献对微带天线的多频、宽带进行了研究,并总结出许多有效的方法实现微带天线的多频、宽带；随着计算机性能的不断提高,计算机在天线设计上的应用越来越广泛,智能计算机辅助设计随之也在天线设计上得到广泛应用。本论文在对以往微带天线多频、宽带方法的研究以及智能算法在设计微带天线优化功能总结的基础上,针对室内覆盖系统,分别实现了应用领域创新和算法创新：首先实现了应用上的创新,本课题针对室内覆盖系统,对双频、宽带微带天线方法进行了研究,并设计出四款贴片(微带)天线,特别是后三款天线,在保留微带天线低剖面、低成本、制作简单、批量生产一致性好等优点的基础上,实现了双频、宽带(或超宽带),完全改变了微带天线的窄频特性。实测(或在HFSS中仿真)结果表明,以上天线完全可以应用于室内覆盖系统。值得一提的是后两款天线,作为新型室内覆盖天线,已经在国外室内覆盖系统应用。可以预言,将来这种新型室内覆盖天线必然取代传统的室内覆盖天线。把这种新型天线运用在室内覆盖系统,在国内还属首例,在国际上也处于领先地位。其次对天线优化算法实现了创新。以往关于天线的优化算法,国内外讨论研究最多的是遗传算法,许多文献都对遗传算法在天线上的优化功能进行了论证。粒子群算法作为新兴的优化算法较遗传算法要实现容易、精度高、收敛快等优点,但在天线设计方面的优化,还鲜为人知。本论文在对遗传算法在天线优化设计总结的基础上,结合基于RWG边元的矩量法,对粒子群算法应用于微带天线的优化设计进行了探讨,并通过编程进行了论证,从而实现了在微带天线设计上的算法创新,为后续研究学习相控阵天线奠定了算法基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微带天线的国内外研究发展现状
• 1.3 微带天线结合智能算法在国内外研究现状及发展趋势
• 1.4 选题的目的和意义
• 第2章 计算电磁学简介与微带天线分析
• 2.1 引言
• 2.2 时域有限差分（FDTD）
• 2.2.1 一维Maxwell方程的Yee元分析
• 2.2.2 FDTD其它相关知识的介绍与讨论
• 2.3 矩量法（MOM）
• 2.4 数值计算方法在电磁仿真软件中的应用
• 2.5 微带天线的矩量法分析
• 2.5.1 激励源的设置
• 2.5.2 S参数的求取
• 2.5.3 基于RWG边元的微带天线矩量法基本点分析及MATLAB编程
• 2.6 小结
• 第3章 电磁计算中常用的智能优化算法
• 3.1 引言
• 3.2 遗传算法的基本原理及优化过程
• 3.2.1 遗传算法的基本原理
• 3.2.2 遗传算法的基本搜索原理
• 3.3 遗传算法在天线优化方面的应用
• 3.3.1 遗传算法在优化双频、宽带微带天线方面的运用
• 3.3.2 天线阵列方向图的优化简单介绍
• 3.4 基于遗传算法和HFSS的优化方案
• 3.5 小结
• 第4章 微带天线双频、宽带技术的仿真设计及应用
• 4.1 多重方法结合实现双频、宽带贴片天线
• 4.1.1 E、L组合形双频、宽带贴片天线的结构
• 4.1.2 E、L组合形双频、宽带贴片天线性能分析
• 4.2 地面多重开槽实现双频、宽带微带天线
• 4.2.1 改进型"V"形微带开槽天线结构
• 4.2.2 改进型"V"形微带缝隙天线仿真结果
• 4.3 利用缺陷地与顶层覆铜片耦合宽带（超宽带）微带天线
• 4.4 利用有限地与顶层覆铜片耦合宽带（超宽带）微带天线
• 4.5 小结
• 第5章 基于粒子群算法微带天线优化设计的探索
• 5.1 引言
• 5.2 粒子群算法分析及程序实现
• 5.2.1 粒子群算法基本原理概述
• 5.2.2 粒子群算法基本参数设置
• 5.2.3 粒子群算法MATLAB程序实现和仿真结果
• 5.2.4 遗传算法与PSO的比较
• 5.3 粒子群算法结合R W G边元宽带微带天线的优化设计
• 5.3.1 结合基于R W G边元的矩量法的PSO编码（粒子的初始化）
• 5.3.2 PSO优化算法的适应度函数的选择及在MATLAB程序中实现
• 5.3.3 程序流程图及仿真结果
• 5.4 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文
• 作者在攻读硕士学位期间所作的项目及取得的成果
• 致谢