微带共形阵列天线的研究

论文摘要

共形阵列具有低剖面、节省空间以及可提供宽角扫描等优点,在现代无线通信系统中获得了广泛的应用。共形阵列分析及综合十分复杂和困难,目前关于共形阵列的研究大多是基于一些规则的曲面,对与非规则曲面共形的天线阵列研究还很少。本文结合国家技术创新项目,对非规则曲面微带共形阵列天线的分析和设计方法进行了系统地研究。作者的主要工作和创造性成果可概括为以下几个方面:1.对微带天线单元的优化设计方法进行了研究。提出了一种将粒子群算法和IE3D相结合的贴片天线优化方法(PSO/IE3D)。该方法克服了IE3D仿真软件中复杂结构优化时的结构重叠问题,并且能够随时中断优化过程和继续优化,具有灵活、方便的优点,能够有效地实现复杂结构模型的优化。采用该方法及其改进方法分别对两个微带天线进行了优化,优化得到天线的仿真和测试结果表明了该方法的准确性和实用性。另外,针对宽频及多频微带天线的优化设计问题,论文对基于时域有限差分法的粒子群优化设计方法进行了研究,采用该方法优化设计了一个双频微带天线,实验结果与仿真结果吻合良好。2.对天线远场三维辐射方向图近似计算方法进行了研究。在对已有方法研究的基础上,提出了一种改进的三维方向图近似计算方法。通过与已有方法的比较,表明了本文方法的优越性与实用性。采用该方法,根据天线远场方向图两个互相垂直的切面,能够比较精确地重新构建天线的远场三维方向图,根据近似得到的三维方向图数据,采用积分方法,能够方便地求得天线的方向系数。3.对微带天线单元进行了研究。采用论文提出的PSO/IE3D方法设计了一种改进型H形微带天线,与文献给出的设计方法相比,本文优化得到的天线具有较宽的频带。该天线在实现小型化的同时,保持了较高的增益。对曲面上的改进型H形微带天线进行了分析,考察了不同半径的圆柱体上共形的改进型H形微带天线的谐振频率和方向图随载体半径变化的情况。另外,论文研究了一种低剖面非均匀厚度的共形E形贴片天线。4.研究了平面阵列及共形阵列中改进型H形微带天线间的互耦问题,分别采用IE3D和CST电磁仿真软件分析了平面阵列和共形阵列中的互耦对天线单元的参数的影响。加工制作了阵列,通过测量方法考察了不同半径的圆柱面上单元互耦对天线特性的影响。5.对圆环阵列及椭圆阵列方向图的分析与综合方法进行了研究。采用相位模方法对圆环阵进行了分析,通过对有方向性单元组成的圆环阵列的研究,给出了一个有方向性单元圆环阵列全向辐射的近似设计公式,采用该设计公式能够较准确地综合方向性单元组成的全向辐射圆环阵。对不能满足设计公式条件的圆环阵和椭圆阵列,采用近邻粒子群算法进行了阵列方向图优化设计,很好地改善了圆环阵及椭圆阵的水平面方向图全向性。6.对非规则曲面共形阵列的设计方法进行了研究,采用近邻粒子群算法优化设计了三个非规则曲面上的共形阵列。通过调整阵列单元阵中驻波系数及测量天线的阵中方向图,在阵列设计时计入了天线单元互耦的影响。根据优化结果制作了共形阵,测量结果表明了本文方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 蓝牙技术基础
• 1.2 共形阵列天线基本概念
• 1.3 共形阵列天线研究现状
• 1.4 研究背景及意义
• 1.5 研究目标及主要内容
• 第二章 天线的数值分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 时域有限差分法
• 2.3 矩量法
• 2.4 现代天线分析方法
• 2.5 小结
• 第三章 天线设计中的优化方法
• 3.1 引言
• 3.2 粒子群算法
• 3.3 PSO/IE3D 设计方法及其改进
• 3.4 微带天线的优化设计
• 3.5 PSO/FDTD 设计方法
• 3.6 小结
• 第四章 天线远场三维方向图近似计算方法
• 4.1 引言
• 4.2 三维方向图近似计算方法
• 4.3 算法验证与比较
• 4.4 小结
• 第五章 阵列单元及单元间互耦
• 5.1 引言
• 5.2 矩形微带天线
• 5.3 小型化高增益微带天线设计
• 5.4 安装孔对天线谐振频率的影响
• 5.5 与圆柱面共形的改进型 H 形微带天线
• 5.6 阵列单元互耦分析
• 5.7 小结
• 第六章 圆环阵列及椭圆阵列方向图分析与综合
• 6.1 引言
• 6.2 全向单元圆环阵列的分析与综合
• 6.3 定向单元组成的圆环阵列
• 6.4 椭圆阵列的分析与综合
• 6.5 小结
• 第七章 非规则曲面共形阵列天线设计
• 7.1 引言
• 7.2 天线系统中的坐标关系
• 7.3 复杂曲面上的多面共形阵
• 7.4 8 元 E 形空气微带共形阵
• 7.5 小型化高增益全向微带阵列
• 7.6 小结
• 第八章 结束语
• 8.1 论文研究的主要成果
• 8.2 需要进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究成果