特征模理論(CMT)具有清晰的物理概念,能夠描述各種形狀的天線及散射體的諧振特性,從本質(zhì)上對天線的輻射機(jī)理進(jìn)行合理地解釋,便于理解和指導(dǎo)工程設(shè)計,因此自其提出以來便在天線設(shè)計領(lǐng)域備受關(guān)注。特征模式是存在于物體的一種固有屬性,而與任何外在激勵無關(guān),其特征模式電流在源區(qū)正交,特征遠(yuǎn)場在無窮遠(yuǎn)處的球面上正交,根據(jù)其優(yōu)勢特性,特征模理論可被廣泛應(yīng)用于分析與設(shè)計各種各樣的天線,本文基于特征模理論分別具體就抗金屬RFID天線、MIMO天線、超表面天線及電抗控制陣列(RCAA)這四類天線進(jìn)行了一系列相關(guān)研究。在基于特征模理論的抗金屬RFID天線分析與設(shè)計方面,本文首先利用特征模理論提出了一種與金屬物體一體化的抗金屬RFID標(biāo)簽天線設(shè)計方法。根據(jù)對金屬物體進(jìn)行特征模式分析(CMA),來確定待激勵的特征模式,進(jìn)而確定相應(yīng)的激勵位置和設(shè)計環(huán)形耦合激勵結(jié)構(gòu)。具體設(shè)計了一款體積很小的陶瓷環(huán)形激勵結(jié)構(gòu)作為電感性耦合激勵結(jié)構(gòu)(ICE),放置在金屬物體的特定位置上,能有效激勵起金屬物體的某些特征模式來輻射,并同時完成與芯片的共軛阻抗匹配。針對車牌RFID標(biāo)簽天線的上傾波束方向圖需求,利用特征模式電流與電場的正交性,采用一種用特定模式的特征遠(yuǎn)場來直接合成期望方向圖的方法。通過選取合適的待激勵特征模式和激勵位置,合理設(shè)計饋電激勵結(jié)構(gòu),激勵起所期待特征模式的同時抑制某些特定的干擾特征模式的產(chǎn)生,最終將金屬車牌本身設(shè)計成滿足上傾波束方向圖需求的車牌RFID標(biāo)簽天線。在基于特征模理論的MIMO天線分析與設(shè)計方面,本文首先從特征模理論的角度討論了MIMO天線的隔離度和相關(guān)性系數(shù)(ECC)這兩個重要參數(shù),與特征模式建立了相關(guān)聯(lián)系,并進(jìn)一步將其應(yīng)用到含有?型結(jié)構(gòu)的緊湊型雙端口5GHz MIMO天線的多模式分析中,從特征模式的角度解釋了該天線所具有的低互耦、低相關(guān)性系數(shù)的特性。基于對矩形疊層介質(zhì)塊的特征模式分析,分別采用特征模式的兩種不同激勵方式來設(shè)計饋電結(jié)構(gòu),最終設(shè)計出一款高隔離度、低相關(guān)性系數(shù)的雙端口寬帶介質(zhì)MIMO天線。在基于特征模理論的超表面天線分析與設(shè)計方面,本文首先將特征模式分析方法應(yīng)用于使用同軸探針直接饋電的雙層結(jié)構(gòu)的貼片型超表面天線,很好地解釋說明了其寬帶輻射原理。針對雙層結(jié)構(gòu)形式的超表面天線剖面較高,加工不太方便的問題,利用特征模理論,提出了使用同軸探針直接激勵的單層結(jié)構(gòu)形式的超表面天線。根據(jù)特征模分析提供的相關(guān)模式信息,選取合適的探針激勵位置,并采用縫隙加載來改善阻抗匹配,最終分別設(shè)計了一款單層寬帶低剖面U型縫隙加載的線極化超表面天線和一款單層寬帶低剖面L型縫隙加載的圓極化超表面天線。其結(jié)構(gòu)和加工都更簡單,剖面更低,并加工與測試了相關(guān)天線來驗證設(shè)計的正確性。在基于特征模理論的電抗控制陣列(RCAA)優(yōu)化設(shè)計方面,本文首先針對單一遺傳算法(GA)和粒子群算法(PSO)在進(jìn)行陣列優(yōu)化時容易陷入早熟收斂的問題,充分結(jié)合這兩種算法各自的搜索優(yōu)勢,提出了一種混合GA-PSO算法。經(jīng)過相關(guān)數(shù)值算例對比測試,其無論是在測試函數(shù)還是在陣列天線優(yōu)化問題中都具有比單一GA或PSO更快的收斂速度和更高的收斂精度。而后利用提出的GA-PSO算法結(jié)合端口特征模理論,對微帶型RCAA進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,其中以模式權(quán)重系數(shù)(MWC)作為優(yōu)化變量,來優(yōu)化微帶RCAA陣列的方向圖,實現(xiàn)了對其方向圖的波束控制,最后將優(yōu)化得到的電抗加載值代入HFSS進(jìn)行了全波仿真,驗證了設(shè)計方法的正確性。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN820
【部分圖文】：

其運用模式分解的思想，把天線的總的 Q 值用各個特征模式的 Q 值來合成求出。(a) (b)圖1-1 兩種典型的耦合激勵結(jié)構(gòu)[35]。(a) ICE；(b) CCE3）特征模理論在 MIMO 天線設(shè)計中的應(yīng)用[51-63]。通過對地板結(jié)構(gòu)的特征模式分析，確定不同的待激勵特征模式及激勵位置和饋電結(jié)構(gòu)，利用特征模式的正交特性，從而達(dá)到降低天線端口隔離度及低方向圖相關(guān)性的設(shè)計目的。文獻(xiàn)[51]利用特征模式分析，通過分別激勵起手機(jī)底盤的基本模式和底盤長邊上的條形金屬帶模式，設(shè)計了一款覆蓋多個頻段的高隔離度的 MIMO 天線。利用手機(jī)底盤的多個ICE 和 CCE 結(jié)構(gòu)激勵起不同特征模式或者同種模式的正交組合，設(shè)計出一款 4 端口的緊湊性 MIMO 天線[56]。文獻(xiàn)[57]提出一種在雙側(cè)對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計多端口 MIMO天線的方法，以仿生昆蟲結(jié)構(gòu)為例，如圖 1-2 所示，通過引入 H 型縫隙作為 ICE結(jié)構(gòu)

的頻率切換。(a) (b)圖1-3 頻率可重構(gòu)的 PIFA 天線[66]。(a) 結(jié)構(gòu)圖；(b)反射系數(shù)圖5）特征模理論在天線形狀綜合中的應(yīng)用[67-69]。特征模理論能提供天線結(jié)構(gòu)固有的輻射屬性，而不依賴饋電結(jié)構(gòu)，因此可在饋電之前將特征模理論與天線形狀綜合結(jié)合在一起設(shè)計，從而簡化天線形狀的綜合過程。文獻(xiàn)[67]結(jié)合特征模理論和遺傳算法對天線形狀進(jìn)行優(yōu)化，在單模式輻射條件下將以結(jié)構(gòu)的特征值和 Q 值為目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為對特定矩陣跡的優(yōu)化，從而簡化計算。如圖 1-4 所示，在對原始對稱結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化篩選去除后，能保證天線工作在單模式諧振且 Q 值最小，并同時根據(jù)模式電流?

天線形狀優(yōu)化
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本文編號：2891863