【摘要】：近年來,隨著現(xiàn)代無線通信技術的高速發(fā)展,人們對通信系統(tǒng)的大容量、高可靠性和高品質(zhì)化的要求迅速增長。2002年美國聯(lián)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(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。天線是任何無線系統(tǒng)的基礎組成部件。對于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(tǒng)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(tǒng)對于天線的設計要求,因此被廣泛應用于UWB天線的設計中。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(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。本文主要工作如下:1.根據(jù)UWB系統(tǒng)對于天線的參數(shù)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(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計過程,包括建模,仿真,優(yōu)化,對天線的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對于天線阻抗帶寬的影響進行了詳細分析。根據(jù)仿真得到的模型制作了天線實物并進行了測試。實驗結(jié)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。2.對超寬帶平面印刷天線的陷波技術進行了總結(jié)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(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,雙陷波和三陷波的特性。分析了陷波結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對于天線陷波特性的影響。實驗結(jié)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(tǒng)對于UWB系統(tǒng)帶來的潛在干擾。3.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(jié)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(tǒng)對于天線的參數(shù)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。4.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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)果和仿真結(jié)果一致性良好。實驗結(jié)果表明,所設計的6個天線的阻抗帶寬范圍從38.5%到126.4%,可以方便地滿足不同寬帶系統(tǒng)的帶寬要求,并且天線結(jié)構(gòu)簡單,能保持一定的增益。
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【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TN822.8

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本文編號：2297001