小型平面超寬帶天線及自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法的研究.pdf

1、近年來，隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，人們對(duì)通信系統(tǒng)的大容量、高可靠性和高品質(zhì)化的要求迅速增長(zhǎng)。2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）正式將3.1-10.6 GHz頻段分配給UWB無線通信業(yè)務(wù)，從此以后，超寬帶（UWB）技術(shù)突破了過去僅在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的局限，被廣泛應(yīng)用于商業(yè)和民用領(lǐng)域。數(shù)據(jù)傳輸速率要求的不斷提高，成為無線通信系統(tǒng)的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，超寬帶技術(shù)成為解決這一問題的最有希望的方案，是當(dāng)前無線通信領(lǐng)域中最具競(jìng)爭(zhēng)力的熱門技術(shù)之一。天

2、線是任何無線系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部件。對(duì)于UWB系統(tǒng)，UWB天線的性能是系統(tǒng)整體性能的決定性因素之一。UWB天線的基本設(shè)計(jì)要求包括超寬帶寬、體積較小、重量輕、具有一定的輻射效率和全向天線圖輻射特性。除此之外，為了與UWB系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)相適應(yīng)，UWB天線還應(yīng)具備制作工藝簡(jiǎn)單，成本低，易于集成，具有良好的信號(hào)保真度等要求。平面印刷天線，由于具有剖面低、重量輕、易于集成等優(yōu)勢(shì)，很好地符合了UWB系統(tǒng)對(duì)于天線的設(shè)計(jì)要求，因此被廣泛應(yīng)用于UWB天線的設(shè)

3、計(jì)中。本文以超寬帶印刷天線及寬帶天線小型化、多頻帶為設(shè)計(jì)目標(biāo)，主要研究小型超寬帶平面印刷天線的自動(dòng)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化理論，提出了多種具有不同結(jié)構(gòu)形式的小型超寬帶平面印刷天線和具有陷波特性的超寬帶天線。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴根據(jù)UWB系統(tǒng)對(duì)于天線的參數(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的橢圓形縫隙共面波導(dǎo)印刷天線，其寬縫隙結(jié)構(gòu)和饋電微帶線終端均為橢圓形。首先介紹所提出的微帶天線的設(shè)計(jì)過程，包括建模，仿真，優(yōu)化，對(duì)天線的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于天線阻抗

4、帶寬的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析。根據(jù)仿真得到的模型制作了天線實(shí)物并進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該 UWB天線的阻抗帶寬為3.09-20GHz，可以覆蓋整個(gè)UWB通信頻段，并且具有良好的全向方向圖特性。⑵對(duì)超寬帶平面印刷天線的陷波技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和研究，重點(diǎn)闡述分析了應(yīng)用于CPW超寬帶縫隙天線上的三種陷波結(jié)構(gòu)：在輻射貼片上刻蝕U形或者V形槽結(jié)構(gòu)，以及在接地面的寬縫隙上添加旁枝寄生結(jié)構(gòu)來獲得陷波特性。綜合使用這三種方法，分別得到了單陷波，雙陷波和三陷波

5、的特性。分析了陷波結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對(duì)于天線陷波特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)天線在除陷波頻帶外的工作頻帶可以覆蓋整個(gè)UWB頻帶，在所需要濾除的頻帶上具有良好的陷波特性，從而能夠有效減少和抑制工作于這些陷波頻帶上的系統(tǒng)對(duì)于UWB系統(tǒng)帶來的潛在干擾。⑶研究了超寬帶平面印刷天線的自動(dòng)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化理論，提出了兩種超寬帶天線的自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法。首先利用遺傳算法對(duì)CPW超寬帶縫隙天線的輻射貼片的形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了一種新的UWB天線。接著提出了一

6、種新的天線自動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化算法，形狀融合算法，并將其應(yīng)用于CPW超寬帶縫隙天線的輻射貼片的幾何形狀的優(yōu)化過程中。對(duì)這兩種優(yōu)化算法得到的天線進(jìn)行了仿真與實(shí)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這兩種自動(dòng)化優(yōu)化算法所設(shè)計(jì)優(yōu)化得到的UWB天線都能滿足UWB系統(tǒng)對(duì)于天線的參數(shù)指標(biāo)要求，并且具有很好的擴(kuò)展性和普適性，不僅可以應(yīng)用于UWB天線自動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，也可以應(yīng)用于其他各類天線的設(shè)計(jì)與優(yōu)化過程中。⑷深入研究了形狀融合算法在平面印刷天線自動(dòng)化設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。提出一種新的

7、共面饋電印刷縫隙天線，其輻射貼片的幾何形狀是由形狀融合算法給出。通過此算法，可以得到一系列不同的曲線，由此得到具有不同輻射貼片形狀的天線，從而獲得不同的阻抗帶寬。對(duì)天線的優(yōu)化過程，以及算法生成的天線幾何結(jié)構(gòu)對(duì)于天線性能，特別是阻抗帶寬的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析。分析結(jié)果可以對(duì)今后的天線自動(dòng)化設(shè)計(jì)起到重要的指導(dǎo)作用。為了驗(yàn)證算法的可行性和有效性，設(shè)計(jì)、制作并測(cè)試了6個(gè)基于此算法的天線原型實(shí)物。實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果一致性良好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)