近年來,喇叭天線越來越多的被應(yīng)用于衛(wèi)星通信領(lǐng)域,其原因是其具有很高的通信穩(wěn)定性、較低的插入損耗和能承載較大的功率容量。傳統(tǒng)的波紋喇叭結(jié)構(gòu)上比較單一,口面場具有比較規(guī)則的結(jié)構(gòu),這樣的天線結(jié)構(gòu)具有比較簡單的輻射場表達(dá)式。但是對于復(fù)雜的天線結(jié)構(gòu),往往難以直接設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu),需要通過一些數(shù)值的計(jì)算方法設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)。目前來看,通信技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的很成熟,那些傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)模型遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代通信所需要,這樣,人們提出了借助于數(shù)值計(jì)算的技術(shù)來設(shè)計(jì)和優(yōu)化天線結(jié)構(gòu),這樣可以更高效的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。本文通過對軍民領(lǐng)域日益需求強(qiáng)烈的衛(wèi)星通行系統(tǒng)做了詳細(xì)分析,并結(jié)合現(xiàn)代天線的應(yīng)用背景和理論分析,提出了一套新型的數(shù)值設(shè)計(jì)和優(yōu)化天線的解決方法。包括常見的不均勻波導(dǎo)結(jié)、同軸結(jié)構(gòu)和混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析、理論建模和數(shù)值計(jì)算,得出其天線內(nèi)部的傳輸損耗、阻抗特性和輻射特性。提高了設(shè)計(jì)的精度和速度。本文首先介紹了各個(gè)坐標(biāo)系下各種電磁場分量表達(dá)式的由來,由此引出金屬腔體內(nèi)部波導(dǎo)不連續(xù)結(jié)構(gòu)的模式匹配法,并且通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo),得出各個(gè)不連續(xù)波導(dǎo)結(jié)中本征模式互耦系數(shù)矩陣。把一個(gè)現(xiàn)實(shí)的天線結(jié)構(gòu)等效為一個(gè)多模電路模型,從而利用算法可以設(shè)計(jì)和優(yōu)化。然后介紹了金屬波導(dǎo)端口的數(shù)值計(jì)算方法。球面波展開法是一種常見計(jì)算波導(dǎo)口面的計(jì)算方法。通過模式匹配法獲得金屬導(dǎo)體內(nèi)部的S參數(shù),然后通過球面波展開法求出天線輻射口面的S參數(shù),這樣便得出該天線的完整S參數(shù)。當(dāng)天線的饋源端口模式確定時(shí),便可以得出整個(gè)空間任意一個(gè)位置的電磁波輻射場量。端口間的隔離度、各個(gè)端口的反射系數(shù)也可以隨之算出。本文為了驗(yàn)證該數(shù)值算法的準(zhǔn)確性,設(shè)計(jì)了兩種可以用數(shù)值算法設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)的Ku/Ka波段雙頻饋源天線,提出了一種新型介質(zhì)加載的雙頻饋源天線,以保證其良好的輻射特性。該饋源天線主要用于衛(wèi)星通信地面站反射面天線的饋源。其結(jié)構(gòu)尺寸受到嚴(yán)格的大小限制,這樣可以有效地提高輻射效率。兩種饋源天線都可以達(dá)到良好的端口反射系數(shù)、較低的交叉極化電平、較穩(wěn)定的相位中心和理想的旋轉(zhuǎn)對稱方向圖。原理是利用模式匹配法把需要設(shè)計(jì)的喇叭構(gòu)建成一個(gè)理想的數(shù)學(xué)模型。其中,很多結(jié)構(gòu)參數(shù)需要優(yōu)化。這樣,其理想數(shù)學(xué)模型便成為了一個(gè)多目標(biāo)函數(shù),再結(jié)合遺傳算法給出初值,進(jìn)行迭代,設(shè)置迭代次數(shù)、截止頻率、需要考慮的模式數(shù)目等等,通過MATLAB運(yùn)行,直至優(yōu)化目標(biāo)結(jié)果收斂。最后得出的數(shù)據(jù)為該天線的優(yōu)化結(jié)果。通過與HFSS、CST等全波仿真軟件進(jìn)行對比,可以驗(yàn)證該算法的極高的運(yùn)算效率和較高的數(shù)值準(zhǔn)確度。該方法有一定的通用性,可以針對一些旋轉(zhuǎn)對稱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。另外,也可以針對介質(zhì)桿加載的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。主要是針對一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的饋源喇叭系統(tǒng),可以有效的建立數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)多模式的系統(tǒng)優(yōu)化。可以保證足夠的精度。體現(xiàn)了數(shù)值計(jì)算的高效性。本文最后為解決傳統(tǒng)的全波仿真技術(shù)在設(shè)計(jì)和優(yōu)化多個(gè)指標(biāo)的效率低下的問題,系統(tǒng)的提出了一套完整的優(yōu)化設(shè)計(jì)算法,并在一些常用的實(shí)際背景下應(yīng)用。雖然該算法在設(shè)計(jì)和優(yōu)化上有一些結(jié)構(gòu)的局限性,但是相信在不遠(yuǎn)的將來,能不斷地完善,運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算優(yōu)化天線喇叭是目前的一種趨勢,日趨成熟的算法優(yōu)化體系將大大縮短項(xiàng)目進(jìn)程。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN823
【部分圖文】：

UWB縱向波紋喇叭的模型

反正切函數(shù)曲線的波紋喇叭（2）其他形式的波紋喇叭的發(fā)展

圖 1-3 太赫茲頻段斜紋喇叭天線提出的廣角波紋喇叭已經(jīng)廣泛應(yīng)用構(gòu)包括線性平滑部分和常規(guī)波紋部部分中，從圓形波導(dǎo)到波紋部分的平形加載槽而不是傳統(tǒng)的插槽以獲得

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2834507