發(fā)布時(shí)間：2020-03-19 21:53

【摘要】：多年來,小型化和高性能設(shè)計(jì)一直是微波無源器件設(shè)計(jì)的追求,在材料、工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面均取得了長足的進(jìn)展。通常,材料、工藝突破后,微波無源器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就成為重點(diǎn)。因此,高性能微波無源器件設(shè)計(jì)面對的一個(gè)根本問題就是:在給定材料、工藝和電路設(shè)計(jì)空間的條件下,實(shí)現(xiàn)某一類型的無源器件,到底什么樣的結(jié)構(gòu)才能提供最優(yōu)的性能?現(xiàn)有的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法大多基于“試湊-優(yōu)化”的設(shè)計(jì)模式,采用的結(jié)構(gòu)為規(guī)則結(jié)構(gòu),具有一定的局限性,這使得尋找性能最優(yōu)、結(jié)構(gòu)構(gòu)型靈活的電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)需要采用更有效的結(jié)構(gòu)描述和優(yōu)化技術(shù)。本文將采用基于分解的多目標(biāo)進(jìn)化算法(Multi-Objective Evolutionary Algorithm based on Decomposition,MOEA/D)作為優(yōu)化框架來設(shè)計(jì)平面離散網(wǎng)格構(gòu)型的電路結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)微波無源器件高性能設(shè)計(jì)。圍繞離散型電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),本論文研究內(nèi)容包括:1.提出了基于離散結(jié)構(gòu)的微波無源器件設(shè)計(jì)方案并研究了離散結(jié)構(gòu)相關(guān)特性。本論文采用離散化的思想對電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述,得到的離散結(jié)構(gòu)可以打破常規(guī)電路的拓?fù)浠蛐螤?設(shè)計(jì)自由度大,具有實(shí)現(xiàn)更多拓?fù)浼半娐方Y(jié)構(gòu)的能力。針對離散結(jié)構(gòu)的電路形態(tài)迥異于傳統(tǒng)的平面規(guī)則結(jié)構(gòu)這一特點(diǎn),本論文采用近似等效電路分析方法,研究了離散結(jié)構(gòu)損耗、寬帶、小型化等特性。2.提出了離散結(jié)構(gòu)高效的搜索策略和方法。本論文將具有遺傳操作算子的MOEA/D(MOEA/D Combined with Genetic Operators,MOEA/D-GO)作為優(yōu)化內(nèi)核來求解離散結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。為加快算法設(shè)計(jì)效率,本論文將微波無源器件設(shè)計(jì)相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)融入到MOEA/D-GO中用于解決離散型微波無源器件多目標(biāo)優(yōu)化問題(Multi-Objective Optimization Problem,MOP),提出了若干種高效的優(yōu)化搜索策略和方法。3.首次將平面離散結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高性能定向耦合器設(shè)計(jì)。論文分析了與定向耦合器相對應(yīng)的無耗及有耗四端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)約束,給出了各端口之間的相差與隔離度及耦合度之間的約束關(guān)系,明確了離散結(jié)構(gòu)優(yōu)化搜索的目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合前述的高效搜索策略和方法實(shí)現(xiàn)了一系列基于平面離散結(jié)構(gòu)的高性能定向耦合器設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)實(shí)例獲得的整體性能顯著優(yōu)于已見諸報(bào)道的設(shè)計(jì)結(jié)果。4.研究了平面離散結(jié)構(gòu)在高性能濾波器中的設(shè)計(jì)應(yīng)用。本文利用離散型耦合結(jié)構(gòu)替代原濾波器中部分耦合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高性能小型化濾波器設(shè)計(jì),直觀的展現(xiàn)了離散結(jié)構(gòu)在濾波器設(shè)計(jì)應(yīng)用中帶來的好處。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步設(shè)計(jì)了全離散型濾波器。此外,結(jié)合離散結(jié)構(gòu)在定向耦合器中的設(shè)計(jì)優(yōu)勢,首次將離散結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高性能巴倫濾波器設(shè)計(jì)中,并總結(jié)了不同優(yōu)化搜索策略下的設(shè)計(jì)效率對比。5.首次將離散結(jié)構(gòu)用于多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)天線隔離設(shè)計(jì)。論文先簡單介紹了離散結(jié)構(gòu)去耦原理,明確了離散結(jié)構(gòu)在搜索優(yōu)化過程中主要改善的天線參數(shù)。然后在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了若干款高隔離MIMO天線,分別是雙平面倒F天線、雙印刷單極子天線、雙微帶貼片天線。最后,討論了引入離散隔離結(jié)構(gòu)后對MIMO天線性能的影響,并探討了與離散結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)的因素,如單元尺寸、設(shè)計(jì)區(qū)域大小、小塊密度等。綜上,本論文圍繞在給定材料、工藝和電路設(shè)計(jì)空間條件下的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開,采用有效的平面離散結(jié)構(gòu)描述技術(shù)和多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù),為結(jié)構(gòu)適應(yīng)性好、各項(xiàng)性能趨優(yōu)的小型化高性能微波無源器件的設(shè)計(jì),提供一種全新、高效的設(shè)計(jì)技術(shù)。
【圖文】：

在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上取得一系列的突破，不同的高性能定向耦合器電路結(jié)構(gòu)相繼逡逑提出。例如，Ｓ．－Ｆ．邋Ｃｈａｎｇ等人通過奇偶模等效電路理論分析在傳統(tǒng)平行耦合線逡逑結(jié)構(gòu)上增加了一段耦合支線用以產(chǎn)生額外的隔離零點(diǎn)，如圖１．３邋（ａ）所示，在逡逑優(yōu)化該耦合支線尺寸后，實(shí)現(xiàn)了具有高方向性的定向耦合器設(shè)計(jì)［３６］；邋Ｓ．Ｍ．邋Ｗａｎｇ逡逑等人通過將平行耦合線彎折后形成蜿蜒耦合線結(jié)構(gòu)，，如圖１．３邋（ｂ），達(dá)到補(bǔ)償偶逡逑模相速度的效果，從而實(shí)現(xiàn)高方向性設(shè)計(jì)［３７］；邋Ｙ．邋Ｈ．邋Ｃｈｕｎ、Ｔ．邋Ｆｕｊｉｉ和Ｙ．邋Ｗｕ等逡逑人先后利用四分之一波長時(shí)延線和具有耦合作用的四分之一波長時(shí)延線增加等逡逑效耦合長度，如圖１．３邋（ｃ）所示，并且通過優(yōu)化時(shí)延線的具體參數(shù)調(diào)整奇偶模逡逑３逡逑

實(shí)現(xiàn)了單層高定向性的緊耦合（３ｄＢ）定向耦合器設(shè)計(jì)ｓ．＿ｓ．逡逑Ｌｉａｏ和Ｃ．－Ｈ．邋Ｔｓｅｎｇ等人基于傳輸線枝節(jié)加載小型化技術(shù)，提出了邋Ｔ型和７ｉ型加逡逑載結(jié)構(gòu)，如圖１．３邋（ｄ）所示，通過優(yōu)化加載位置及加載結(jié)構(gòu)的尺寸，設(shè)計(jì)了若逡逑干款小型化高性能分支線型定向耦合器。這些研究成果提出的新型電路結(jié)逡逑構(gòu)在一定程度上豐富了定向耦合器電路結(jié)構(gòu)的選擇。逡逑Ｐｏｒｔ邋１邐Ｐｏｒｔ邋２逡逑ｕｐ＾邋ｉｕｊ’逡逑ｒＬ——１邐ｍ逡逑Ｐｏｒｔ邋３邐Ｐｏｒｔ邋４邐Ｕｉ逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑■邋＞４邋６ＸＩＭ邋ｊｎｒａ逡逑？ｉｒｒｓｔｒｉｐ邐ｉ邐ｒ邐／ＨＨｉ逡逑＞邋ｏｉ＃ｒ邋°ｆｌ邐－Ｐ＇Ｊｉ逡逑１１邐６－°°邐Ｉ邐上邐ｉ邐■邐ｉ逡逑＃ｌｉ邐ｌ＃３逡逑（ｃ）邐（ｄ）逡逑圖１．３采用“試湊－優(yōu)化”設(shè)計(jì)模式得到的不同高性能定向耦合器電路結(jié)構(gòu)逡逑“試湊－優(yōu)化”的設(shè)計(jì)模式除了廣泛應(yīng)用在高性能濾波器和耦合器設(shè)計(jì)中逡逑夕卜，該設(shè)計(jì)模式在ＭＩＭＯ天線隔離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也可獲得不同新型的隔離結(jié)構(gòu)，逡逑取得ＭＩＭＯ天線整體性能的提升。目前，解決ＭＩＭＯ天線互耦的方法主要分逡逑為三類：帶阻濾波去耦方法［４３］－【４７１、場對消去耦方法［４８Ｈ５＞］以及引入去耦網(wǎng)絡(luò)方逡逑法［５２＞［５４］。國內(nèi)外學(xué)者基于上述三種方法優(yōu)化設(shè)計(jì)了一系列的ＭＩＭＯ天線隔離逡逑結(jié)構(gòu)。例如，Ｌ．邋Ｙａｎｇ等人根據(jù)帶阻濾波去耦方法提出了一種電磁帶隙逡逑（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ邋Ｂａｎｄ邋Ｇａｐ，邋ＥＢＧ）結(jié)構(gòu)，如圖１．４邋（ａ）所示，它可以在天線間逡逑的耦合路徑上增設(shè)某種帶阻諧振結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN61

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本文編號：2590768