基于改进遗传算法的方向图可重构天线的优化与设计

论文摘要

可重构天线技术作为一种新的天线技术,受到了国内外学者的广泛关注。可重构天线在不改变天线基本结构的前提下,通过开关的切换来改变电流分布,从而改变天线的特性参数。一个可重构天线可以实现多个天线的功能,故可以极大的减少天线数量,达到减少系统重量、体积、建设成本以及实现良好的电磁兼容特性的目的。因此可重构天线将拥有广泛的应用前景。目前在可重构天线的研究中,控制方向图不变的频率可重构天线的设计较多,而控制频率不变的方向图可重构天线的研究较少,设计难度也较大,但是方向图可重构天线可以有效的提高系统性能。由于可重构天线要求在各个工作状态都能达到期望的天线性能,使得其设计非常复杂,所以本文采用优化算法结合数值仿真技术的方法来设计方向图可重构天线。本文首先对遗传算法进行了改进,提高了算法的全局收敛率和收敛速度。然后开发了基于有限元法数值仿真软件和改进遗传算法的优化程序,并以此作为方向图可重构天线的优化设计工具。以微元阵列和开关阵列组成的可重构天线的优化设计为例,证明了此优化程序的可行性和有效性。在本文的方向图可重构天线的设计中,首先改进设计了具有对称折合偶极子结构的微带天线,使天线具有小型化和宽频带的特点。结合开关,采用本文编写的优化程序对天线结构进行优化,分别设计了两个方向图可重构天线：1)同频定向与全向方向图可重构微带天线,为了实现同频工作,在微带馈线的一边增加了一条调节臂,仿真结果表明,天线实现了在3.76-4.3GHz工作频带上的定向和全向方向图,阻抗带宽达到了13%。在4GHz处,最高增益分别为6.7dBi和3.9dBi；2)同频波束扫描方向图可重构微带天线,该天线有四个工作状态,辐射方向图的主射方向分别在XOY面的四个象限内,工作频段为3.67～4.4 GHz,阻抗带宽达为19%。与目前已有文献中的方向图可重构天线相比,本文提出的天线具有小型化和宽频带的优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 可重构天线的研究现状
• 1.2.2 遗传算法的发展及其在天线设计中的应用
• 1.3 本文的主要研究内容
• 1.4 本文的组织结构
• 第2章 微带可重构天线相关理论
• 2.1 天线的电性能参数
• 2.2 电磁辐射的基本理论
• 2.2.1 辅助位函数法
• 2.2.2 远场辐射
• 2.3 微带天线
• 2.3.1 微带天线的宽频带技术
• 2.3.2 微带天线的小型化
• 2.4 微带可重构天线
• 2.4.1 可重构天线的基本原理
• 2.4.2 微带可重构天线的基本原理
• 2.5 本章小结
• 第3章 遗传算法研究
• 3.1 遗传算法概述
• 3.2 遗传算法的实现技术
• 3.2.1 参数编码
• 3.2.2 个体评估
• 3.2.3 选择
• 3.2.4 交叉和变异
• 3.2.5 终止条件
• 3.3 改进遗传算法
• 3.3.1 改进遗传算法概述
• 3.3.2 改进遗传算法的原理及实现
• 3.3.3 改进遗传算法的性能测试
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于改进遗传算法的天线优化程序设计
• 4.1 相关软件介绍
• 4.1.1 有限元法数值软件包
• 4.1.2 MICROSOFT VISUAL BASIC6.0
• 4.2 优化程序原理
• 4.3 应用实例—微元阵列和开关阵列组成的微带可重构天线
• 4.4 本章小结
• 第5章 同频方向图可重构微带天线的优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 一种新型的宽频带平面折合偶极子微带天线
• 5.2.1 折合偶极子的基本理论
• 5.2.2 一种新型的宽频带平面折合偶极子微带天线的小型化设计
• 5.3 一种同频定向与全向方向图可重构微带天线
• 5.3.1 可重构原理分析
• 5.3.2 参数优化
• 5.3.3 仿真结果与分析
• 5.4 一种同频波束扫描方向图可重构微带天线
• 5.4.1 可重构原理分析
• 5.4.2 参数优化
• 5.4.3 仿真结果与分析
• 5.5 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