小型平面超寬帶天線及自動化設計方法的研究.pdf

1、近年來，隨著現代無線通信技術的高速發(fā)展，人們對通信系統的大容量、高可靠性和高品質化的要求迅速增長。2002年美國聯邦通信委員會（FCC）正式將3.1-10.6 GHz頻段分配給UWB無線通信業(yè)務，從此以后，超寬帶（UWB）技術突破了過去僅在軍事領域應用的局限，被廣泛應用于商業(yè)和民用領域。數據傳輸速率要求的不斷提高，成為無線通信系統的一個巨大挑戰(zhàn)，超寬帶技術成為解決這一問題的最有希望的方案，是當前無線通信領域中最具競爭力的熱門技術之一。天

2、線是任何無線系統的基礎組成部件。對于UWB系統，UWB天線的性能是系統整體性能的決定性因素之一。UWB天線的基本設計要求包括超寬帶寬、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系統的發(fā)展趨勢相適應，UWB天線還應具備制作工藝簡單，成本低，易于集成，具有良好的信號保真度等要求。平面印刷天線，由于具有剖面低、重量輕、易于集成等優(yōu)勢，很好地符合了UWB系統對于天線的設計要求，因此被廣泛應用于UWB天線的設

3、計中。本文以超寬帶印刷天線及寬帶天線小型化、多頻帶為設計目標，主要研究小型超寬帶平面印刷天線的自動化設計和優(yōu)化理論，提出了多種具有不同結構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。
　　本研究主要內容包括：⑴根據UWB系統對于天線的參數指標要求，設計了一種改進的橢圓形縫隙共面波導印刷天線，其寬縫隙結構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計過程，包括建模，仿真，優(yōu)化，對天線的幾何結構參數對于天線阻抗

4、帶寬的影響進行了詳細分析。根據仿真得到的模型制作了天線實物并進行了測試。實驗結果表明該 UWB天線的阻抗帶寬為3.09-20GHz，可以覆蓋整個UWB通信頻段，并且具有良好的全向方向圖特性。⑵對超寬帶平面印刷天線的陷波技術進行了總結和研究，重點闡述分析了應用于CPW超寬帶縫隙天線上的三種陷波結構：在輻射貼片上刻蝕U形或者V形槽結構，以及在接地面的寬縫隙上添加旁枝寄生結構來獲得陷波特性。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。分析了陷波結構的幾何參數對于天線陷波特性的影響。實驗結果表明，所設計天線在除陷波頻帶外的工作頻帶可以覆蓋整個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對于UWB系統帶來的潛在干擾。⑶研究了超寬帶平面印刷天線的自動化設計與優(yōu)化理論，提出了兩種超寬帶天線的自動化設計方法。首先利用遺傳算法對CPW超寬帶縫隙天線的輻射貼片的形狀進行優(yōu)化設計，得到了一種新的UWB天線。接著提出了一

6、種新的天線自動設計優(yōu)化算法，形狀融合算法，并將其應用于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。對這兩種優(yōu)化算法得到的天線進行了仿真與實測。實驗結果表明，這兩種自動化優(yōu)化算法所設計優(yōu)化得到的UWB天線都能滿足UWB系統對于天線的參數指標要求，并且具有很好的擴展性和普適性，不僅可以應用于UWB天線自動設計與優(yōu)化，也可以應用于其他各類天線的設計與優(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化設計方面的應用。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。對天線的優(yōu)化過程，以及算法生成的天線幾何結構對于天線性能，特別是阻抗帶寬的影響進行了詳細的分析。分析結果可以對今后的天線自動化設計起到重要的指導作用。為了驗證算法的可行性和有效性，設計、制作并測試了6個基于此算法的天線原型實物。實測結果和仿真結果一致性良好。實驗結果表明，所設計